3D6电机是特斯拉第一款上市的扁线电机，该电机装备在2022款Tesla Modle3 上，相比于之前型号电机，该电机技术出现较大的跨越，绕组由圆线切换到扁线，功率密度和扭矩密度达到新高，同时转矩和转速也得以提升，分别达到19000rpm和440Nm，这种提升趋势代表了电驱发展的最新态势，因此值得我们去研究分析，找到其中规律。
Table1 特斯拉电机型号表
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3D6电机技术概况
从外表看3D6和其前几代电机差异不大，采用电机、电控、减速器三合一集成方案，总体尺寸未有明显变化。单电机拆解开来，电机的尺寸也未发生大的变化，最大的变化在于绕组的类型切换成了扁线。
如下图所示3D6仍然采用6极54槽的槽极配合，但绕组形式为当前流行的HairPin扁线，并采用大焊接端铜排出线的方案。
从另一个视角能看到更多的扁线细节。首先3D6电机的扁线每槽有5个焊点，也就是每槽10根线。从端部看有内外两个星点线铜排，每个星点线A\B\C三相各有三个支路汇集。从引出线铜排也可以看出，有内外各三个支路线汇集，也就是说这台电机采用的并联路数为6，这是一个大电流低电压的方案。
再深入扁铜线细节，3D6的扁线非常扁平，粗略测量扁线厚1.5mm宽4mm，宽厚比2.6，这种扁平线对扁线扭头工艺比较困难，对设备要求较高。
3D6的另外一个比较特殊的地方，在于取消了绕组端部涂敷工艺，出线端焊接头、铜排都是裸线状态。相比之下国内品牌一般都会采用涂敷工艺。从电气安全角度考虑，涂敷是必要措施，不涂覆满足不了电气间距的要求。但降低本的需求压倒了技术要求，Tesla做了大胆的非常规操作，取消了涂敷措施，这个决策很“马斯克”。
再看转子，这个转子没有采用上一个版本的碳纤维缠绕方案，而是从成本角度考虑，继承了早期3D1的技术路线，采用整体转子铁芯方案，但又作了进一步简化。
细看转子铁芯，相比3D1,没有做太大的改变，仍然采用单V的转子拓扑结构，在细节上了简化处理，取消了转子表面小辅助槽，仅保留磁桥处的大辅助槽。在2020年的文章中，我们介绍了小辅助槽能起到改善NVH、抑制转矩脉动的作用。取消小辅助槽是一种简化，说明在NVH方面特斯拉有其它代偿措施。
3D6转子的另外一个改变是内孔减小，这样能够减小电机轴的外径，也是一种降本措施，减少了轴的成本。相应也增加铁芯的去重孔。另外3D6还增加了6个自扣点，这样提高了铁芯本身的片间结合力，降低了对端压板的要求。
降本的思路还体现在磁钢防护方面，3D6没有采用常用磁钢灌胶工艺，相当于磁钢裸露在空气中，完全依靠磁钢表面的镀层来作防护。这种措施和取消扁线涂敷一样，非常“马斯克”。
降本的思路也能从轴的设计中可以看出，早期版本3D1采用的是大中空轴+焊接的分体成型工艺。3D6版本轴变细，采用整体锻造工艺，用料和工艺成本都有降低。
3D6定子冷却系统，相较老版本也有简化。在仍然是铁芯轭部通油，绕组端部淋浴的方案的基础上，取消了定子铁芯中间的环形油道。这样能节省一种定子铁芯冲片模具。
原方案是从铁芯中间往铁芯两端走，然后流入绕组外侧的集油环中。做了变更之后，定子的油路走向有了变化，油先进入非引出线端集油环和机壳所封闭的空间中，然后分两路，第一路通过当前集油环上的开孔滴入绕组，第二路通过铁芯轭部油道，流过整个铁芯，进入出线端集油环，最后滴入绕组。
这种简化会导致前后两端绕组油路流阻不对称的问题，很显然第二路的油阻要大于第一路，这会使得流阻小的那路流量减少。要改善这个问题有两个方向：一个是尽量降低铁芯轭部油道流阻，我们可以看到3D6的轭部油道面积要明显大于老版本3D1。另外一个是减小出线侧集油环的流阻，要使得入口侧集油环的流阻要大于出线侧。
3D6转子冷却方案总体变化不大，仍然采用油冷轴+对向端盖甩油的方案。它的油路走向下图我已标明，油从转子轴开孔处甩出，经过端盖油槽，转向转子铁芯，在流过整个铁芯轴向长度后，最后从对向端盖开孔处甩出。这是近两年常用的方案之一。优点是转子的冷却能力较强，缺点是高速甩油损耗较大。
【小结】我们总结一下特斯拉3D6的技术方案的特点。
首先它采用了10层扁线方案，用于提高功率和扭矩密度；其次高速化，转速进一步提升到19200rpm，应对高速化采用的是6极的方案。然后是冷却方案，仍然维持直接油冷路线，但油路有相应简化；最后突出的是工艺降本的思路，设计上大幅度简化了转子、轴的工艺，同时扁线也采用不涂覆的方案。这种简化的产品能否经受长时间老化考验，还须待时间检验。
02
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特性分析
在感性地了解了该电机的技术策略后，接下来我们要进一步探索该电机的电磁特性，看是否有新的发现。
下图为我们测绘的3D6电机电磁模型，为单V 6极54槽的扁线电机结构，其扁线尺寸非常扁平这有利于改善其高速区的扁线AC损耗。
电磁场分析后可知该电机的气隙磁密波形为梯形结构，其正弦性不如双层V或者V一结构，这特征也反映到了反电动势波形中，该电机的反电动势存在一定“怂肩”特征，这是五、七次谐波较高的表现，其谐波畸变率为3.63%，这说明其正弦性不是很好，反应了正弦性并不是背后的设计者的主要关注对象。
接下来观察该电机在峰值扭矩和空载两种状态的磁场云图。其中峰值扭矩状态磁密非常饱和，存在大量磁密高于1.9T的区域，定子的部分区域如齿顶、轭根等磁密高达2.2T。饱和程度略高于国内的设计参考值，这反映了当前追求极限扭矩密度的趋势，磁密上限不断提高，挑战硅钢片的饱和性能。
3D6电机的Map图也很有特点。我们从如下几个方面去解读：
首先确实能够达到220kw@440Nm，但却却需要900A的电流激励，这个电流远大于国内的芯片选型值，这是一种通过超额的电流获得超额的峰值扭矩功率的思路。和目前通过高电压来提高峰值功率的思路是不一样的，两者各有利弊。其次就是高转速方面，该电机确实能够达到19000rpm，但从图中可以看见到这个转速，功率已经衰减到很低，不足60kw，相比220kw的峰值功率，衰减了70%。这个和我们国内的设计要求大相径庭，国内要求高速下功率衰减越低越好，尽量在30%以内，最好在20%以内。这使得电机设计压力非常大。两种要求的差异，背后可能反馈了既有有系统匹配策略的差异，又有行业文化的差异。最后就是对效率的追求方面，3D6电机的CLTC路况效率很高，达到了96.02%，但高效率面积不大，>90%的效率面积仅占80%，其高速区域效率非常低，影响了效率面积占比。这和国内要求也大为不同，国内往往是既要路况效率、又要高效面积，还要高速效率。
接下来我们分析该电机的NVH性能，从转矩脉动map中可以看见，转矩脉动峰峰值很大，300Nm输出时达到了20Nm，若没有其它措施代偿，这么大的波动对NVH影响是很大的。
我们在电磁力map图中也看到了类似的现象，发现该电机主要的电磁力特征是18、36、54、72阶次 ，其中最突出的是18阶次，在外特性工况曲线下，18阶次的电磁力高达14000Pa，呈现转速越高电磁力越大的趋势，这个NVH的风险较大。
我们知道通过转子错极能够抑制电磁力，在分析了该电机的错极方案后，发现其错极对18阶次电磁力影响不大，错极主要针对的是54阶次以上的电磁力。
那Tesla电驱团队是如何应对电机本体NVH特性不佳的状态呢？目前披露的资料较少。因为欧美的技术流派更倾向通过控制侧来抑制NVH，所以推测其采用了谐波注入等手段是合理的。
采用谐波注入来改善特点阶次的电磁力，需要提前对电机进行标定，找到合适的谐波电流次数和参数。这需要进行大量的仿真计算，为了更清楚地了解3D6背后的设计思路，我们构建了一次多目标优化，优化目标是各阶次电磁力和转矩脉动、优化变量为5、7次谐波电流幅值和相位。
经过第一轮优化计算后，我们观察到，那对该电机而言，5次谐波电流无论是幅值还是相位和18阶次电磁力相关性不大。
对18阶次电磁力影响最大的是7次谐波电流的相位和幅值，可以发现在0-20A以内7次谐波电流越大18阶次电磁力越小，抑制范围可以从10000Pa到接近0Pa。7次谐波电流的相位在150°附近有较好的效果。
现在我们能发现若仅针对18阶次电磁力，通过注入20A幅值150°相位的7次谐波电流能够起到非常明显的效果。但3D6电机的18阶次转矩脉动也较大，若要兼顾抑制转矩脉动，那情况要稍微复杂一些。 因为我们观察到18阶次转矩脉动和18阶次电磁力，存在翘翘板关系，当18阶次转矩脉动<15NM的区域内，转矩脉动越小，电磁力越大。
为了针对这种比较棘手的问题， 寻找更合理的平衡的方案，我们调用了“目标偏好算法”，重点偏向18阶次电磁力和18阶次转矩脉动。这样计算资源将聚焦在寻找这两个目标的极限解。
在充分计算后，在帕累托前沿解中（图中红色虚线），观察到了存在电磁力小于10000Pa，转矩脉动<5Nm的解空间。可以获得一个电磁力和转矩脉动的平衡解。此7次谐波电流6~7A,电流角170~180deg ，相比无注入状态，电磁力和转矩脉动分别有30~40%的抑制比例。
到这里我们能够获得一个结论，3D6的电机虽然本体的NVH特性较差，但可以通过谐波注入的方法来针对性地抑制，如果仅抑制电磁力，谐波注入可以起到完全消除的效果，即便是追求电磁力和转矩的脉动的平衡抑制也能起到明显的改善效果。这也代表了一种趋势，越来越多电驱产品将引入谐波注入等控制侧手段来和电机本体手段相配合获得更好的NVH效果。
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总结和启发
通过由浅到深地分析特斯拉这款3D6电机，我们能够有一个感受。那就是一种“简化”的思路。它体现在两个方面：
一个方面是工艺侧简化，相比上一代3D6简化了定子涂敷工艺、简化了转子碳纤维工艺等等，使得电机工艺成本下降。
另一个方面的简化是简化了电磁设计要求。电机的效率要求简化了、功率要求简化，本体的NVH要求也简化了。
这种简化的思路和国内的设计存在明显的反差，是“六边形战士”VS“够用就行”两种思路的反差。简化不等于简单，简化的背后必然藏着一个系统侧的解决方案，这一点值得从业者们深思，或许能够有所启发。
在分析3D6这款电机中，引发了我另外一个思考，就是高速化电机如何设计？现在转速动辄20000rpm以上，在实践的过程中发现了一些问题，有系统匹配方面、有结构方面、有NVH方面，值得从业者们深入思考，下次有空我们再一起讨论。有电机的委外研发需求也请联系我们，这是我们的专业。
来源：电机产品技术前哨 作者：核动力蜗牛
