窥见美式制造哲学：“特斯拉”牌的“特斯拉电机”牛在哪？

撰文：徐鸿鹄 ｜ 排版：王晓峰 ｜校版：超级路

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核 心 内 容 总 结

• 特斯拉汽车几乎是凭一己之力在电动车上复活了特斯拉（感应交流）电机

• Model S的电机里没有黑科技，小的创新累积才带来了颠覆性的应用

• Model 3的电机选型是效率和成本的胜利，没有最好，只有最适合

• 不落俗套的认知让特斯拉在最成熟的工业产品-电机当中仍然作出了新意，让我们见识了美国式制造哲学的魅力：重新定义问题，而不是将问题交给人或机器

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尼古拉·特斯拉或许不如爱因斯坦有名，但是他在科学上做出贡献居功至伟，人们一度怀疑他是从外星流亡来到地球工作的苦逼科学家。

塞尔维亚100第纳尔纸币正面，塞尔维亚裔美国科学家，电气工程师和发明家

Nikola Tesla 1856—1943

特斯拉发明了特斯拉线圈，特斯拉变压器（远程送电技术），特斯拉无线远程控制系统，三相交流电，以及交流电的应用产品：三相交流感应（异步）电机——如今它就是特斯拉电动汽车的动力心脏。

早在1926年，他还预测人类在未来会使用手机，任何时间任何地点都可以相互联系——但没有人相信他。

以上这都是有据可查的，可是为什么连通古斯大爆炸这么遥远神秘的事件，也要归功于他呢？

抛开野史，尼古拉的天才之处就在于，只需要下面五句话，他就弄出了交流电动机。

的确离神也不远了。

• 电荷能产生发散的电场E，磁场B不会发散或收敛，只能弯曲——电和磁的高斯定律

• 电流能产生弯曲的磁场B——安培定律

• 时变的电场E能产生弯曲的磁场B——全电流定律（麦克斯韦对安培定律的推广）

• 时变的磁场B能产生弯曲的电场E——法拉第电磁感应现象

• 运动于磁场中的带电粒子受力——洛伦兹力

前四个定律组合在一块，被赋予了一个伟大的名字：麦克斯韦方程组。

最后一条的洛伦兹力定律是一个基本公理，独立于麦克斯韦方程组，它不是从别的理论推导出来的，而是通过多次重复完成的实验归纳得到的结论。

麦克斯韦方程组有多重要呢？

《费曼物理学讲义拾萃》里，费曼在第二卷开头写到：

从人类历史的长远视角来看，19世纪最伟大的事件是麦克斯韦理论的发现，与之相比，发生在同一个十年里的美国南北战争作为一件地区性的琐事而显得黯然失色。

这句话给我留下了极深的印象，

这个方程组就是电磁学里的圣经。

圣经里开篇第一章就有这么一句话：上帝说，要有交流电机。

于是，就有了特斯拉交流电机。

特斯拉生前没有因为这些发明而富有，而是穷困潦倒，郁郁而终。

特斯拉跟爱迪生死磕了一辈子。

除了直流电和交流电之争，交流电机的技术实现之路也历经坎坷，每一个进步都硝烟弥漫，继承了两位大师们的遗恨。

硬件设计上：ACIM交流感应电机和PMSM永磁同步电机在电动车里互相竞争。

 软件控制上：ABB引领的DTC直接转矩控制PK西门子引领的FOC磁场定向控制。

ACIM，PMSM，DTC，FOC这些缩写字母又是什么意思呢？

我们慢慢道来。

交流电机往往遵循一个最基本的原理运行：三相交流电创造出旋转的磁场，磁场就像一根挂在骡子眼前的胡萝卜，带动磁芯（转子—骡子）运动。

我们知道交流电，就是随时间变化的电场E。

在交流电动机里，三相交流电合力，遵循麦克斯韦改写的安培定律（麦克斯韦方程组里的第四句话），生成了不断旋转的磁场B，这就是交流电动机动力的来源，那根胡萝卜。

再看那只骡子（转子）：

• 如果转子是用永磁体制造的，磁场带动磁铁转动，这就是PMSM（永磁同步）电机。PMSM里广泛使用的永磁材料钕铁硼，俗称为万磁王，是自然界里磁性最强的永久磁铁，来自于稀土。

• 如果转子不使用永磁体，而是利用法拉第电磁感应定律（麦克斯韦方程组里的第五句话）生成感生电场，这个感生的电场产生的洛伦兹力带动转子旋转，这就是ACIM（感应交流）电机。它的转子是用铝或铜加上通电线圈组成的电磁铁。

  
  

  
  

ACIM和PMSM之间的差异，最大的不同就是电机转子采用电磁铁还是永磁铁。

ACIM有时也被称为异步电机。因为旋转磁场和转子不同步，转子的转速始终低于旋转磁场的转速。

为什么呢？

原来在电机启动瞬间，人造磁场旋转的很快，但转子却保持静止，这导致产生旋转洛伦兹力的最大电流点往往和产生最大反向电动势的极值点存在一个相位角的差异，两者并不重合。因此启动时，很难达到理论上的最大转矩，ACIM的启动转矩往往较低，随着转速的增加，效率才逐渐提升。

为了优化这个问题，人们在转子绕组上通过滑环串联了外部电阻，以此提高ACIM的低速启动转矩输出能力，这就是滑环式感应交流电机。

电机的类型千千万，可最常用的就那么三四种，ACIM和PMSM就是用来驱动电动车，最常见的两类产品。

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再来看FOC和DTC：

以FOC为代表的磁场定向控制方法，是利用交流电信号控制电机的精确运行。为了达成这一目标，我们需要对交流电信号做一系列的数学变换，可以写成下面这种形式：

三相交流电>（Clark变换）> 两相交流电> (Park变换）> 两相直流电>（磁场强度公式）>磁链 >（安培力公式）> 力 > 转矩 > 速度

Clark变换，将三相交流电转化为两相正交的交流电

Park变换，将静态坐标系下的两相正交交流电转化为旋转坐标系下的两个直流分量。由于涉及到坐标系转换，因此需要额外的转角位置信息参与计算。

最为精彩和重要的一步，就是克拉克变换和帕克变换，利用它们，驱动电机的三相交流电信号被解耦为两个独立的直流信号，分别代表转矩分量Iq和励磁分量Id，Iq转矩分量的大小正好决定了电机的转矩，两者成正比。

庖丁解牛一般，我们按住了电机控制的七寸。交流电机的控制得以能够像直流电机控制一样简单。

对于PMSM控制而言，转子磁场方向始终与转子位置一致，因此其控制输入需要准确的转子绝对位置信号——通过增设外部电机角度位置传感器实现，有了这个信号才可以做Clark/Park变换和反变换。就是因为需要严格的磁场定向，所以FOC能够实现很高精度的电机控制。

你也许还听说过，理论上还存在一种不需要角度位置传感器的FOC算法，但它却不能当作正式的控制方法，只能作为故障冗余的方案。

谈完了FOC，ABB公司握有专利权的DTC直接转矩控制又有什么不同之处呢？

DTC控制首先要测量电机的电压和电流，用它们估测定子的磁通和转矩：定子电压积分计算得到磁通；磁通和电流的向量内积计算得到转矩。磁通和转矩再和参考值比较，若两者的误差超过允许值，变频器中的功率晶体会切换将误差消除。

整个控制过程跟转子的位置没有一毛钱关系，其控制过程中用到的量也都是静止坐标系下的量。DTC控制完全不需要求解三角函数、进行坐标变换等，可以实现快速响应。如果用DTC进行速度闭环控制，则需要通过速度传感器测量电机的速度，但是依然不需要准确的绝对位置。

虽然DTC控制难度比FOC要低，硬件结构和控制算法更加简单，但这是以拿掉电机的转角位置传感器，牺牲转矩的控制精度换来的。打个不恰当的比喻：DTC控制相当于赋予定子以传感器的功能，取代了FOC控制当中的位置传感器。

不论是DTC还是FOC，都可以用在ACIM和PMSM方案当中体现。它们是交流电动机的两种高性能的控制策略。值得一提的是，随着电子技术的迅猛发展，电动机的类型已经不能完全由产品的本体机械结构决定了，同时也由控制和驱动方式所决定，它们是一个不可分割的系统。就拿BLDC“无刷直流”和PMSM“永磁同步”两种电机来说，机械结构是完全一样的，但其控制方式却完全不同。

此外，为了继续榨取电机的高转速能力，人类还需要更加复杂的控制技术：弱磁控制。它是指让电机转速能够高于恒转矩区实现最高转速的一种控制方法。简单粗暴地说，就是牺牲扭矩获得高转速。

在交流电解耦之后，会变为两相直流Iq和Id，取值不能超出最大电流极限圆的约束。由于Iq与转子的转矩成正比，为了实现更高的转速，Id和Iq的取值必须向电压极限椭圆中心靠拢，于是从A1点运动到A2点。增加Id的同时，自然Iq会降低，电机的转动加速度会变慢，但转子速度还在提高。到达A2点后，由于功率极限的存在，需要改变取值方向，恒功率地从A2向A3点移动。直到A3点，Iq=0时达到电机最大转速。 

更简单的理解是：根据法拉第电磁感应定律，时变的磁场会在回路中产生感应电动势，电动势的大小和转速成正比。于是当电机转速提升到某一个点的时候，反向电动势会逆转母线电压，电流会被截断，扭矩不再增加，电机达到速度极限。

弱磁控制很重要，尤其是ACIM，因为它能够极大拓展交流电机的调速范围。

好了，既然初步了解了电机的原理，那么，什么样的电机更适合电动汽车呢？ACIM还是PMSM？

由于电动汽车本身的特殊性，电动汽车对电动机有特殊的要求，也是最基本的要求，它们包括但不限于：安全性，可靠性，寿命，价格，体积，质量，效率等等。

跟踪特斯拉的汽车技术文章，不难发现它们优先选用了ACIM方案作为车轮的动力装置。而其它传统车厂如奥迪，宝马则仍然普遍采用PMSM作为动力源。

驱动电动机作为动力源安装在汽车上，处于空间小、温差变化大、振动剧烈的恶劣环境中，要满足各种使用要求，比如：在市区行驶时，需要频繁地起动、停车、加速、减速，因此要求转矩有很好的动态性能。

在市区和市郊两种不同工况下行驶时，电动机的速度、转矩变化范围比较大，这又要求电动汽车的电动机既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功率区。恒转矩运行满足起动和爬坡，恒功率区运行用来满足高速行驶。

其实ACIM早在1887年就被发明出来了，但在汽车产品上，实用性并不高，实际应用还存在技术瓶颈。真正突破技术限制将ACIM发扬光大的是特斯拉汽车公司，他们除了结构的优化，还结合了半导体控制技术和先进的控制算法，大大地提升了ACIM的实用性。

特斯拉坚持使用ACIM，必定是经过深思熟虑的。

那么，ACIM是否是最好的选择呢？

首先，异步电机可以被高效地驱动到很高速，相对于PMSM的低转速高负载特性，高转速区间才是ACIM的绝对优势。

为什么这么说？

前面我们提到过，电机有一个额定工作转速，高于此转速需要弱磁控制方法驱动ACIM。ACIM弱磁很容易，因为它的原理是电磁铁，只要减小相应的励磁电流就可以了。

PMSM也可以弱磁，但它转子里面是永磁体啊，永磁体很难改变磁场的大小，想要弱磁就必须增加一个相应的“去励磁”的电流来抵消它。这要消耗额外的电流，而总的电流的承受能力是有限的，所以ACIM在同样的电流驱动下，能达到更高的转速也就不足为奇了。

低转速时ACIM的输出扭矩随然不比PMSM，但ACIM的恒定功率转速区间比PMSM要宽得多，可以实现更大范围的调速。而PMSM恒功率调速受制于永磁体是有上限的，转速要想继续提升，就只能增加电机的尺寸，或者匹配变速箱了。ACIM高转速具备优势，如果再选用比较大的一级减速比，就可以降低对扭矩的要求，优势明显。

PMSM却心有不甘：“ACIM需要对转子励磁，可我用的是永磁体，我不需要励磁啊！”PMSM说得没错，就是由于这个原因，ACIM产生单位转矩需要更大的电流，能耗也要偏大一些，功率因数滞后。PMSM虽然高转速存在短板，但是效率高耗能更少，汽车续航里程能显著增加。PMSM扳回一局。

我们再看电机的体量，这也是选型的一个关键指标不可轻视。抛开具体计算，我们不如用第一性原理定性地剖析一下，如何优化减小电机的体积。先来看ACIM。

功率 = 扭矩 * 转速

从这个公式出发，先看扭矩。电机的最大扭矩只跟磁链的大小有关，换句话说，要想磁链大就要增加磁场的体积，于是电机的扭矩和电机的体积成正比。

功率不变的前提下，为了减小电机的体积，就要考虑降低电机的扭矩并增加电机的转速。高速电机的扭矩虽然减小了，但电动机可以搭配减速箱减速增扭，这样就可以达到体积减小的目的而不必牺牲扭矩。

机械上，实现高转速很简单，做好动平衡，用高转速轴承就行了。

电子上，就必须上高电压，大电流，高频率交流电了。高耐压相对好解决，大电流只需要加粗导电截面，高频率则有很强的趋肤效应，解决起来比较棘手。

特斯拉是怎么解决的呢？

很简单：设计多股线，线圈端部做的尽可能短，定子绕组做好散热优化，提升高温高频的承受力。此外，因为特斯拉选用了ACIM，它的优点正好是高转速下弱磁控制更简单，需要的控制电流也更小，这也显著降低了硬件设计的难度。

转速上去了，扭矩也不能马虎，既然体积不能增加，那就提高有限磁场的利用率吧！于是我们又可以通过下面的公式从电的角度去想体积的问题。

功率=电压*电流

在功率一定的情况下，电压固定时，功率由电流来决定。

电流的大小决定了电机绕组线圈的截面积。想要降低电机体积，很明显需要缩小线径，因为电机的线圈存在”槽满率”的问题，最简单的方法就是直接使用铜条来代替漆包线，让线径利用得更充分，线圈能做的更细，电机效率提高体积也就更小了。

还不够，需要再加把劲?

那就把定子转子槽深优化，增加磁导截面，还有提高转子磁场的一致性，减小端部损失……

最近铜转子炒的也很火，随然铜转子对最大扭矩的提升无能为力，但它最大优势是能够提高电机的效率，“几乎”颠覆了“PMSM效率优于ACIM”的传统观念，这正是特斯拉超车所需要的。铜也是导热良好的材料，铜转子的使用得以让电机的体积进一步降低。

此外，特斯拉还有更多的黑科技，用以提升电机的效率。特斯拉联合创始人Martin Eberhard曾在2006年声称，他们的电机技术里有一个“秘密”尚不能公开——这就是Patent US20130069476，不过早就已经解密了，网上可以被查阅到。

这个专利是说，铜转子会有一系列的铸造和焊接缺陷，通过创新工艺，特斯拉显著提高了铜转子的导电效率。从制造工艺上下手，以较低的成本实现较高的运行效率，这是特斯拉的绝技。

通过综合的手段优化，特斯拉终于啃下了ACIM电机小型化的这个硬骨头。

继续PK。

跟ACIM相比，PMSM的永磁体在短路，高温，强震环境下容易发生失磁，故障时也不能做灭磁保护，怎么说可靠性都要差一些。ACIM拿下一分。

ACIM的场强可以通过提高输入能量的方法提升，额定扭矩只有最大扭矩的50%不到，这样一来，ACIM的扭矩可以在大范围内调整，无需安装第二套乃至于第三套传动机构，即便在加速或爬坡时也能强制提高输出扭矩，短时间内不受额定功率的限制。

PMSM则没有这么灵活了，永磁体的场强是恒定的无法提升，要想增扭的话，要么增加体积，要么配备减速箱。还是ACIM更胜一筹。

再看动能回收。正常工作时，旋转磁场的速度高于转子转速。如果让转子的转速高于旋转磁场的速度，那么电动机就变成了发电机。这种情况下，相当于车轮带动电机运转，汽车的动能回收变为电能。

电机只要在转，线圈就会感应出电动势。PMSM可成立，但ACIM还需要有外部励磁线路的存在才能成立。因此对于ACIM来说，减速并不是完全断电。在通电状态下，电机在减速时还会发电，这个电压与电池电压叠加，有可能会超出开关管的耐压，搞不好还会烧管，因此需要在设计的时候就考虑进去。

一路PK下来，似乎很难给出定论。

PMSM和ACIM，到底哪一个更好呢？

早在2007年，特斯拉的核心电机工程师Wally Ripple就曾经发表过一篇文章，列出了ACIM和PMSM的对比。

他的主要观点有：

• PMSM驱动产生的热量更少，转子的冷却也容易实现，峰值点的效率也要比ACIM高。

  
  

• 理想情况下，大扭矩低速度时，需要最大的磁场强度，这样效率最高热量损耗最小。同样地，当扭矩低时应减小磁场，让涡流损失，滞后损失，热量损失之和最小。但PMSM做不到这种灵活性，因为转子是永磁体材料，没有简单的办法可以改变磁场（尤其是减小），因此PMSM在低负荷时效率会比较低。

  
  

• 在这方面，ACIM更加灵活，因为磁场是“可调节的”。比如低扭矩时逆变器可以降低电压，减少磁损耗提高效率。因此ACIM可以实现高性能，虽然峰值效率ACIM会低于PMSM，但平均效率会更好。

  
  

• PMSM永磁体的价格昂贵，这种材料在制造过程中也很难处理——任何铁磁性的物体接近时会产生很大的力。ACIM的制造成本会占优。ACIM的弱磁能力，逆变器额定值和成本更低，这对高性能驱动器来说是利好。

  
  

• ACIM的难点在开发阶段， 很难实现在整个转矩-速度范围和温度范围内的稳定性，控制算法复杂到难以理解。但这可以看作是一次性开发成本。

Wally Rippel的结论是：No Winner

PMSM会在混合动力市场和插电式混合动力市场中占据主导地位，PMSM和燃油引擎是一对高效率的黄金搭档。而特斯拉的不断进化已经让ACIM的高性能优势逐步显现。

接下来的问题是，当混合动力车变得更加电力化并且性能水平提高时会发生什么，如果ACIM真的如WallyRippel所说，优势已经显现。那么其它传统车厂为什么没有跟进特斯拉，采用ACIM方案呢？

令人匪夷所思的是，特斯拉在最新发布的Model 3 车型上，却放弃了ACIM，转而使用PMSM的方案。Model 3 为什么突然放弃特斯拉发明的已经形成规模的ACIM？Model  3 上，偶像特斯拉的名字还在，但是偶像发明的ACIM却不在了，不太对劲！

横向比较，我们发现比亚迪秦EV，宝马i3，也都不约而同地采用了PMSM的方案（单速变速箱）。看他们的整车加速表现： 0-100km/h加速，用时都在7秒左右，比特斯拉选用的ACIM差的不是一点半点。再看最高车速：比亚迪秦和i3为150km/h，特斯拉的Model S呢？250km/h！

不难发现，同样搭载的都是单速变速箱，显然PMSM转速不够宽广，扭矩也无法瞬时提升。ACIM通过高转速和大减速比实现了单电机大范围调速，最大扭矩也占优，但效率偏低。

说句题外话，河北工业大学新能源汽车研究中心的数据显示，多档变速器比单档减速器的优势，是可以降低对电机性能的要求。为了提升汽车运行效率，两档变速器搭配电动机将成为未来的趋势，但电动车的短板，还在于电池技术没有取得实质性的突破，所以这个需求还不是非常的迫切。

回到我们的对比，看官方发布的续航里程（NEDC工况）：

• BMW i3（PMSM）：电池33kWh 续航271公里 （8.2km/kwh）

• 比亚迪秦（PMSM）：电池56.4kWh续航420公里(7.4km/kwh)

• Model S（ACIM）：电池100kWh 续航579公里（5.79km/kwh）

采用ACIM方案的设计耗电更高，PMSM凭借效率优势，单位能耗更优。

从这个非常粗略的对比，我们几乎可以猜测，Model 3选择永磁电机的原因很简单：要用性能交换续航里程。

是不是这样的呢？

实际上，特斯拉电机设计师 Konstantinos Laskaris 此前已经撰文说明， Model 3 放弃使用现在的感应电机，改为永磁同步电机，主要目的是为了进一步提升性能和整体的续航里程。

而他的老板则给出了另一个线索，“马一龙”曾表示：

“Model S上的18650电池的出现完全是一场历史事故，它是早期产品的标准，现在只有2170电池才能满足电动汽车对电池性能的要求。”

的确，Model3电池容量仅有75kwh，却在续航里程上（500公里）反超了拥有90kWh电池容量的Model S（489公里）！

将2170换上Model 3之后，电池占整车的成本有望降低到30%左右，省下的10%的钱将远高于ACIM换装PMSM的成本，同时这还带来了续航能力的提升，总体来看还是值得的。

PMSM的选择，是成本和效率等因素综合权衡后的结果。

从发展历程来看，特斯拉最早只是从市场上选择了一个性价比较高，性能比较出色的交流感应电机(台湾福田)，并不断优化设计和工艺，此后几乎完全凭一己之力复活了ACIM电机技术，为电动车车开拓了全新的领域。

电机是一个非常基础的工业产品，设计方法，设计理论，工艺技术都非常成熟的情况下，特斯拉仍然作出了新意，这让我们看到了特斯拉这家公司务实和进取的一面。

如果横向比较的话，如今一些国际电动车竞技比赛中用的ACIM电机性能，已经远远优于特斯拉ModelS，只是受制于成本和量产的问题没有大规模使用。

特斯拉电机其实并没有什么黑科技，但在新技术落地的角度上胆识过人。

特斯拉的胜利是善于利用第一性思维（也就是溯因论），强调事实和少量假设，从事物本源出发重新定义问题，寻找基础和本质规律，从而发掘了新技术可能性。技术本身并不需要刻意颠覆谁——小的创新做得多了，自然就见到了颠覆性的产品。不存在最好，只有最适合。

推动创新的动力，首先是不落俗套的认知。认知高一个层级，就多一个实现的方案。

创新在一个既已成功的主体中是难以发生的。投入精力做无纲领指导的创造性研究，不被过去的经验和知识所干扰，才能不断探索新的可能性。

破坏性创新的技术，最初是不起眼的东西。如果我们穿越到上世纪80年代，告诉那时的人，30年以后你们会有维基百科，会有今天各种各样很酷的技术，没有人会相信。展望今后的20年，也是今天的我们难以想象的。

我唯一知道的是，20年以后最伟大的产品，现在还没被发明出来。

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