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“ Tesla Model3 是当前卖得最火的一款EV，它的驱动系统早被业内反复拆解分析，但这些分析往往停留在外观层面，今天我们再往前走一步，通过电磁模型分析，我们尝试来回答两个问题：1、高扭矩、功率密度高效率是如何实现的？2、NVH特性为什么会比较优秀。” 01 — 产品介绍 Telsa Model3是一款典型的纯电三合一驱动总成，根据披露的信息可知：电机的功率在190kw，峰值扭矩420Nm，最高转速16000rpm。相较国产的现役驱动、它具备鲜明的高功率、高扭矩、高转速特征。 
电机转速和扭矩的提升不是简单放大缩小，而是涉及到新平台的开发，需要突破：电磁、结构、热管理、NVH等一系列门槛，本质上是技术体系的一次跃迁，对所有从业者都是极大的挑战。因此很有必要对Telsa Model 3进行一次深入的分析，即便窥知一二，也能产生启发。我们先观察一下这款产品的特点：
Modle3采用了6极54槽的槽极比，这个槽极比用的很少，相较典型的8极48槽，它具备两个优点：
Telsa Model3的定子有点特殊，就是在轭部开了一些油孔，冷却油先经过这些油孔然后再喷淋在绕组端部，这是一种复合式油冷结构。值得一提的是Model3采用的仍然是圆线设计，采用分布式短距绕组。
Telsa Model3的转子采用经典的单V结构，比较有特色的地方有两点，一个是采用了两对辅助槽，其中大辅助槽放置在V字磁钢槽-表面磁桥处，小辅助槽放置在靠近极中心的地方。除此之外转子采用了三段错极的方式来实施，它的错极方式如下图所示分成两小段，一大段，其中大段的长度是小段长度的2倍。
为了便于逆向追溯Model3辅助槽和错极设计的机理我们使用Volt Motor Designer 软件的一个参数化磁极模块来进行简化建模。简化后的模型如下图右侧所示，可以清晰的观测到两对辅助槽的位置，而且他们的大小位置都是可以参数化驱动的。
现在，我们对Model3有了一个简单的了解，同时也产生了很多疑问。这个6极54槽的电机功效特性如何？比8极48槽的更强吗？它的NVH特性是怎么样的？这种辅助槽和错极的开发是否有玄机。不着急，我们慢慢抽丝剥茧，慢慢分析。
02
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电机基本性能分析
1、Map图特性
先看宏观性能，我们分析的该电机的Map图如下图所示：
从中我们能够获得如下信息：
无独有偶，利用SiC平台的大容量优势提升电驱功率已成为常用策略，Integral-Powertrain的大功率驱动系统，采用了双三相的SiC架构，每相支撑电流达600A。大电流、大容量是SiC平台的一个明显特征。了解这种态势，我们能够更容易理解Model3 的设计策略。
我们还发现Tesla 提高效率的途径有两个， 一个是采用了0.25mm的薄硅钢片，越薄的片子涡流损耗越低，有利于提高效率。另一个是采用了6极的设计，这使得16000rpm下运行频率才800HZ，和8极电机12000rpm相当，我们知道铁耗和频率的1.5次方成正比，铁耗的降低使得高速区间效率明显提升。
2、Map工作点特性分析
接下来我们分析了 分析了额定、峰值扭矩、峰值功率、最高转速四个典型工况下的特性。获得的信息支撑了上文中的判断，我们发现高速工况下效率达到92.9%，铁耗只有5153w， 总功率的4.29% 。
从高速工况我们还发现一个特点，凸极比达到3.1，高的凸极比有利于弱磁扩速，提升高速下的输出能力。因此达到同样120kw，高速16000rpm 的电流比额定6000rpm的电流要小，这个特征也有利于提高电机效率。
该电机的额定功率达到120kw，持续扭矩达到200Nm，此时的总损耗量达到3587w，要产生这么大的持续散热功率，需要有优秀的油冷系统的支撑。Model3采用了一种复合式多路油冷却技术：
定子的冷却：ATF油从中间通入铁芯，经过定子铁芯轭部的轴向通油孔到达绕组端部的集油环，然后通过集油环的孔洞淋在绕组端部；
转子轴中空且开有甩油孔,通过旋转使冷却油飞溅,同时冷却转子和定子。
这种复合式油冷技术应用使得该电机的功率密度转矩密度明显提升，相较普通的水冷电机，持续转矩能够提升40-50%；
3、错极下的输出品质
除了输出能力强悍外，令人印象深刻的是这台电机在各个工况下的转矩脉动非常小，一般而言6极整数槽的转矩脉动抑制难度是高于8极的，这种低转矩脉动是如何实现的还需要进一步研究。
我们怀疑错极的设计对输出平稳性非常重要，因此做了错极核和非错极的对比分析，如下图所示，我们发现了如下三个现象：
除此之外，错极对减小齿槽转矩效果良好，通过错极齿槽转矩下降了50%，达到了1.61Nm，占额定转矩的比例0.8%，达到了较低的水平。
我们对基本性能分析小结：通过上述分析，我们得出如下信息：
经过半小时的计算后，我们获得了该电机的电磁力特性。从中我们发现：
空间0次数的电磁力成分中(
最敏感空间阶次
) 特征时间阶次是18阶、36阶、54阶、72阶，其中最明显的是18阶，它随着转速提升而快速提高。这么说大家没有概念，这些阶次很多同学比较陌生，我把它翻译一下。以电频率计：8极48槽的电机常说的24阶、48阶对应的分别是6f、12f电频率。按电频率把它对应到Model3的6极54槽电机，分别是18阶、36阶。那Modle3的54阶是什么呢？是一阶齿槽的阶次，对应8极48槽48阶电磁力。我在上图的电磁力瀑布图下方把这个对应关系列成了表格，供大家参考。
特征阶次出来了，接下来要评估这个电机的电磁力密度是高是低，我们需要一个评估的标准，我拿了一台常规的8极48槽的电机作个对比，大家能够建立起量的概念。这台对标电机是我参考某16000rpm产品自建的模型，它没有专门针对电磁力作为优化，可以理解为原生态状态。
我们发现6f阶次(8极48槽为24阶、6极54槽18阶)电磁力两种电机最大的都在20000Pa 左右，不同的在于Modle3的低开高走，而8极48槽高开低走，各有优劣。 而12f阶次 (8极48槽为48阶、6极54槽36阶) 电磁力 Modle3具备明显优势， 电磁力最大值仅有8极48槽的20%。这个就是一种明显的优势。 通过上述对比我们发现Model3的电磁力处于较低水平，接下来要探寻原因。我们怀疑奥妙藏在 “错极方式” 和 “转子辅助槽” 中。 A、错极方式的影响分析 先分析错极方式的影响，对比了错极前后，电磁力的差别，我们发现它的这种错极方式对36阶、54阶电磁力有明显抑制作用，但对18阶几乎没有影响，对72阶有些速度段减小，有些速度段增大。也就是说它的这种错极方式的阶次针对性很强，这是一种精准打击的手段。
为了了解这种精准打击的范围，我们对比了16000rpm下电磁力3D柱状图图的信息，我们发现了一个明显的对角线特征，在54阶电磁力附近的那个矩形框内，电磁力都得到明显抑制。这就Model3错极方式的打击范围。当然我们还可以在它的基础上，用其它错极方式来进一步改进。
在乘用车驱动领域我们常用六段V错极方式，这里我们对比了六段错极、原版的三段错极和直极的区别。发现六段错极和三段错极的总体效果是类似的，但六段错极的效果在36阶的高速段要更好，对72阶的抑制作用要更平滑，总的来说六段错极的效果和三段类似，但六段的效果更均匀。
我们维持齿槽转矩和额定54阶电磁力不变，仅切换颜色维度为额定18阶电磁力，发现类似的现象，原方案18阶电磁力呈现兰色，它的辅助槽对18阶也呈现中性 。
最后我们通过回答导读中问题来作个总结： 1、 高扭矩功率密度、高效率是如何实现的？ 答：高功率密度的实现主要依靠大容量SiC支撑，高扭矩密度依靠多路油冷技术支撑；高效率是由少极数设计和薄硅钢片来实现的。 2、NVH特性为什么会比较优秀？ 答：良好的NVH特性关键在于：1、6极54槽和错极的组合策略，2、转子外表面的两对辅助槽的设计。 纵观全文我们能够发现，其实Model3电机侧的创新比较小，油冷、SiC、6极54槽都是相对成熟技术，但这些成熟技术组合得当可以形成一个优秀的产品。 我们都在思考下一代电驱系统的技术路线是什么？是高转速、高功率？是高扭矩密度、还是高转速、油冷？总是思绪万千，下笔困难。 通过对Tesla Model3的对标分析，我们能够大致读懂了他们的设计思路。他的路线大概是这样的：基于现有技术、加入少量创新，搭配出互补策略组合，把输出能力和密度往上推。 相较DOE旗下各组织的那些新原理、新材料的创新路线，这是个风险较小方向，值得我们借鉴。 最后容我做个广告吧，上述计算分析用到了我们自主开发的软件 Volt Motor Designer，这些功能都是我们根据应用需求一边做项目一边逐步完善的，我们采用小步快跑的方式，已经迭代了4个版本，最开始的时候还只是一个个独立的插件、模块，到2020年我们才完成整合。下图是我们开发成长历程， 国产软件的开发实为不易，它需要一个持续迭代成长的环境，在这里特别感谢苏州绿控、宇通智驱、格力凌达、东风汽车等等在不同阶段支持我们的朋友。
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