揭秘那个特斯拉电机背后的男人
编者按：本文来自微信公众号“42号车库”（ID：iCar123），作者Chris Zheng，36氪经授权发布。原文标题《那个特斯拉电机背后的男人 Konstantinos Laskaris》
2018 年 10 月 15 日，特斯拉 CEO Elon Musk 转发了特斯拉官方 Twitter 的一条推文：Model 3 驱动系统的设计和验证超过 100 万英里（160 万公里）—这是齿轮经过（160 万公里）测试后的样子。Elon 的转发语是：Model 3 的电机和变速箱在运转 100 万英里后仍然处于良好状态，专为超高耐力设计。
这是特斯拉在纯电动车三电领域持续投入的一个缩影。
特斯拉电机的前世
在特斯拉之前，世界上绝大多数电动汽车都采用了各种规格的永磁电机，这让特斯拉 Model S/X 的感应电机格外引人注目。很多分析认为特斯拉选择感应电机因为感应电机结构强度更高，在高速场景下表现更好，另外没有永磁材料也使得制造成本相对更低。
这当然是考量的因素之一，但更主要的原因在于，特斯拉开发感应电机是继承了来自 AC Propulsion 的技术路线。
AC Propulsion 是书写美国电动车历史绕不开的一家公司，这家公司由 Alan Cocconi、Wally Rippel 和 Paul Carosa 于 1992 年联合创立。Alan 是一位非常关键的大神，他设计并制造了 GM Impact 的电机和电控系统，GM Impact 就是著名的通用 EV1 的原型车。换句话说，Alan 深度参与了 EV1 的研发工作。
大神 Alan Cocconi 改玩无人机了
AC Propulsion 致力于生产高性能、长续航和高效率的感应电机驱动系统，眼熟吗？这里的「高性能、长续航和高效率」，和特斯拉在打造 Roadster 阶段的目标完全一致。特斯拉找到 AC Propulsion 拿到了 AC Propulsion 的感应电机电驱动系统的设计和充电专利许可。AC Propulsion 联合创始人 Wally Rippel 也加入了特斯拉，出任特斯拉首席动力电子工程师。
所以有一种说法认为特斯拉 Roadster 的核心技术是「拿来主义」，这种说法对吗？
事实上，在 Wally Rippel 加入特斯拉后，因为 Roadster 和 EV1 在产品定位上的巨大差异，特斯拉不得不对感应电机动力总成进行了全面的重新设计。 Marc Tarpenning 的说法是，在 Roadster 投产前一年，感应电机与最初的工程测试原型对比，无论从材料还是技术层面，很多事情都发生了根本性的变化。
梳理来看，从 2006 年 Wally Rippel 加入特斯拉建立起整车工程及三电研发团队，到 2012 年 Model S 投产前，特斯拉处于快速迭代、边学边做的阶段。这是特斯拉三电发展的第一阶段。
特斯拉电机的今生
2012 年，Konstantinos Laskaris 加入特斯拉，和特斯拉 CTO JB Straubel 一样，这是又一个自幼坚信电气化将席卷所有行业，并为此付出毕生努力的男人。彼时恰逢特斯拉 Model S 电驱动系统研发测试已接近尾声，Model 3 电驱动系统的预研即将启动的转折点。
Laskaris 面临的任务是：延续感应电机路线的技术积累，不断探索性能与效率平衡艺术的极限。另一方面，将团队完全清零，开始下一代电机技术体系的研发。
今天看来，Laskaris 在承前启后的工作中做得非常出色。Model S/X 40 / 60 / 60D / 70 / 70D / 75 / 75D / 85 / P85 / P85+ / 85D / P85D / 90D / P90D / 100D / P100D 共计 16 款不同动力性能的车型，是通过区区三款感应电机来实现的。
在特斯拉 Fremont 工厂，特斯拉完全从零设计、研发和制造电机（Model 3 的电机在内华达州的 Gigafactory 1 生产）。所以特斯拉可以优化电机制造的每一个细节，并控制产品的质量。按照 Laskaris 的说法，电机团队会通过数学建模和计算机集群进行模拟测试，然后在生产中非常快速地实现改进。
正如 Laskaris 在采访中提到的，使用数学建模技术对电动汽车的成功有着巨大的影响。这里的「建模」指的是理解系统背后的数学原理，然后创建软件工具来精确地模拟它在现实世界中的运转。
另一方面，这意味着特斯拉电机团队需要具备强大的软件编程能力以实现软件限制或调整功率，高性能车型在急加速和极限工况下的放电输出和能耗控制也非常关键。
Laskaris 在读书生涯拿到了电气与计算机、通信与信号处理、电机及变速箱的设计和几何优化领域的本硕博学位，具有非常深厚又跨学科的电机设计理论背景。除了本职工作，他认为电机工程师还应该懂得软件工程和编写代码。
如果你知道如何将你作为工程师的想法转变为代码，你会做得很好。一旦你开始拥有自己的想象力和想法，这将是一个巨大的优势。我会说拥有一些编程技能绝对是非常重要的。Model 3 上的永磁电机是 Laskaris 团队的最新力作，全新的电机、全新的技术路线、创下新高的能效和性能产品，特斯拉为之投入了大量资源。但除了 Model 3，Model Y、新款 Model S/X 和 Tesla Semi Truck 半挂卡车也都应用了这台电机，这意味着产品矩阵层面极大的研发投入摊销和规模效应带来的成本下降。
除此之外，令人印象深刻的综合投入产出比也是 Laskaris 考虑问题的一个角度。Laskaris 在采访中提到，在某些情况下，以更高的成本制造一台高效率电机可以在电池组或汽车制造的其他方面节约更多的成本。因此，如果你能够准确地模拟电机效率和成本，就可以直接将增量制造成本与电池节约的成本进行对比。
事实上，综合成本最小化的最佳电机与成本最低的电机往往是不同的。
打造一辆最先进的电动汽车必须深刻理解所有的零部件，更重要的是，这需要持续地对零部件进行分析和优化，以推动续航、性能、效率和成本平衡的极限。在过去的一个世纪里，内燃机动力总成在工程分析和改进方面已经取得了数百万个工时的增量技术进步，而电动车工业的集体工程努力才刚刚开始。
过去十年来，特斯拉投入了大量的资源来开发更好的三电组件，这里的资源包括设计和测试零部件的人才、设备始终保持在行业最前沿。
在特斯拉工作七年后，当年帅帅的小哥 Laskaris 也变成了大叔，我们期待着 Laskaris 团队带给电动汽车市场消费者的下一个惊喜。
CHARGED 先后两次对 Laskaris 进行专访，通过专访，我们对特斯拉在三电领域的策略、对行业的判断有了更深刻的理解。我们决定将专访分享给你，Enjoy.
Q：电机比发动机更适合驱动汽车吗？
A：你只需简单地将其他任意传统豪华车型与特斯拉进行比较，就会发现巨大的差异，就是因为电机。
具体来说，电机有巨大的效率优势，它非常安静且没有振动，具有非常高的功率密度和对扭矩的瞬时响应，所有这些特性促成了电动车无与伦比的性能优势。
这就是为什么电机对特斯拉至关重要，特斯拉打破了长期以来人们对电动车的刻板印象。消费者发现性能、效率和续航在电动车身上可以共存，Model S 高性能版是迄今为止加速最快的量产轿车，总功率超 700 马力，转速高达 18,000 转/分，这是我们在一级方程式赛车中才能见到的参数。
你可以说，电机是一个神奇的存在。
Q：当特斯拉决定增加峰值电流输出或峰值电机功率时，对电机设计团队意味着什么？你们有迭代设计过程吗？
A：在特斯拉 Fremont 工厂，我们几乎自主制造汽车的所有组件。我们有电机绕组和制造产线，因此我们可以优化电机制造的每一个细节，并控制产品的质量。此外，我们可以在生产中非常快速地实现改进，从这个角度来看，我们是一家非常敏捷的公司。
我们可以非常快速地生成电机几何结构并通过有限元分析进行分析。我们有一个拥有 500 多个核心处理器的大型计算机集群来运行有限元分析。——一台 PC 有两个核心或四个核心。这意味着我们可以并行创建许多虚拟模型并执行大量的计算。它允许我们非常快速地解决损耗和效率平衡，并根据我们创建的任何指标，查看任何电机的设计与我们正在设计的应用程序有多匹配。
Q：电机的拓扑结构、架构和配置似乎有无穷无尽的选项。如何开始评估和比较所有可能的电机选型？
A：准确地理解你想要一台电机做什么是优化的首要任务。你需要知道确切的约束条件——确切的知道你优化的目的。一旦理解了这一点，你就可以使用先进的计算机模型来评估具有相同目标的所有电机选型。这会使你全面的理解每种电机技术的表现。然后你去挑选最好的那种。
通常，在车辆设计中，总是存在性能和制约性能的冲突。这些参数与性能、能耗、车身设计、质量和成本有关。所有这些指标都在某种程度上相互冲突。理想情况下，你希望它们共存，但考虑到成本限制，需要做出一些妥协。电动汽车具有额外的挑战，因为能效是非常重要的考虑因素。
每家公司对于应该做出哪些权衡都有不同的看法。例如，你愿意以多长的续航来换取更快的加速？一旦设置了这些参数，就可以开始评估选项并进行优化了。
Q：你有算法研发方面的背景，算法允许计算机模拟电机在现实世界中的运行方式，这些方式如何推动打造一辆更好的车辆？
A：你使用的数学建模技术或方法非常重要，对电动汽车的成功有着巨大的影响。当我说「建模」时，我的意思是理解系统背后的数学原理，然后创建软件工具来精确地模拟它在现实世界中的运转。
精确的电机建模非常重要，通过它，我们可以在投产前评估一个假想的电机——损耗、性能、扭矩波动、热管理以及我们感兴趣的任何指标，以确认模拟电机是好是坏。并且，通过这种方式，我们避免了不必要的原型和令人不快的意外。
除此之外，通过良好的电机建模，我们可以实现最佳的优化。我们可以实现惊人的性能而无需使用特殊材料和高难度的制造方法。
优化是一种艺术，能够了解不同的候选电机，什么是好的，什么是坏的，好有多好，坏有多坏。当你开始进行优化时，你会意识到如果没有良好的建模，优化将毫无意义。这是因为整个优化过程将基于错误的电机表现，而最终优化的电机也不是实际表现最佳的电机。
Q：能举一些使用建模优化平衡的例子吗？
A：OK。人们开车的大部分时间处于低扭矩需求的高速公路上。有许多电机可以提供零百加速的极致性能，但在低扭矩需求的高速公路工况下效率非常低。所以问题是，我能兼具「高效率」和「高性能」吗？不幸的是，答案是否定的。但是你可以在相互冲突的指标之间做出明智的平衡。
这是优化之美。你可以从所有选项中进行选择，以获得约束条件下的最佳电机。如果我们做了正确的建模，你可以找到具有高性能零百加速和高速公路效率最佳的电机。
另一个例子是整车效率与电机成本的平衡。在某些情况下，以更高的成本制造一台高效率电机可以在电池组或汽车制造的其他方面节约更多的成本。因此，如果你能够准确地模拟电机效率和成本，就可以直接将增量制造成本与电池节约成本进行对比。事实上，综合成本最小化的最佳电机与成本最低的电机往往是不同的。
这些都汇集在一起形成你想要打造的汽车性能指标。这是我们从参数设计开始并获得最终配置的一般方法。
Q：在什么时候进行物理原型测试以验证虚拟模型的结果？
A：在针对特定应用程序的原型之前，我们会进行多轮验证测试。我们称之为表征实验。它们允许我们获得已知的相关点，并查看孤立的建模工具是否与现实同步。所以这是模拟预测与实际测试之间一个背靠背的比较。它可能甚至不像一台电机，可能只是一个转子。
然后，我们就会构建和测试完整的原型电机。
Q：你能谈谈电动汽车成本的发展趋势吗？
A：当我们谈论永磁电机时，过去的磁铁价格波动太大，以至于这可能无法代表对电机成本的一般性讨论。
但是，我们的优化越多，电机成本就越低，而且随着电机功率密度越来越高，电机也越来越小。如果你不使用小型化和更高的功率密度的电机，电机成本将逐渐下降。除了磁铁之外，电机中的材料价格都很稳定。
因此，我们看到了一种趋势，由于我们多年来所做的技术改进，电机正在逐渐变得更便宜。还有更好的制造方法，我们正在降低制造成本。如果我们在二十年前尝试制造我们现在使用的电机，成本显然会高得多。有许多类型的技术将在这里发挥作用，使电机成本降低。
它是一种材料技术和设计技术结合的演进。例如，在绕组上获得更高的槽填充将有效地使电动机更小和更便宜。使用更薄的钢材可以使电机达到更高的频率，可以使电机更小也更便宜。
将电驱动系统理解为一个整体系统是一项非常重要的事情，也会降低成本。而且不仅仅是成本，它将成为更好的产品，因为了解你想要优化的操作条件、或者迅速理解系统以及设计充分利用材料性能但又不是过度设计的系统，背后是丰富的设计经验和更先进的模拟技术。
优化是制造经济型汽车的一个重要组成部分，这类汽车也可以具有惊人的性能和续航以及所有必要的规格。
Q：你认为优化领域的潜力在哪里？是否取决于软件？
A：它是软件功能的组合。比如以精确的方式建模电机，并通过更先进的建模工具来模拟你不想制造的电机，这样就不会犯设计错误。然后理解你想要优化什么。这来自经验，汽车是如何驱动的？用户想要什么？这一切都有助于理解我们该设计什么样的电机，最后模拟来呈现我们最终设计了合适的电机。
Q：电机设计的黑科技技术是否存在？类似于讨论锂空气电池技术（低成本、长寿命、高能量密度）？
A：电机的改进取决于电机技术和电机材料，这两个组件将决定终极牵引电机。在材料方面，我想说的核心是塑料——没有导电性且具有巨大的磁导率，你可以用非常低的电流激发。（也许）这是不可能商业化的，但我们正试图朝着这个方向努力。现在我们可以使用的材料有导电率的限制。因此，这些材料将让我们获得更好的性能，从材料的角度我们知道理想的位置在哪里。
但是，从设计的角度来看，我想说我可以举一个例子，但不要太拘泥于此。例如，具有全通量调节能力的同步单独激励机器就像是一种理想的控制电机和性能电机。但它有很大的制造挑战。
因此，电机设计人员做出了各种各样的电机都是为可制造性和可行性而设计的，但还有一些丝毫不妥协但很难制造的电机。这就是你看到这么多电机的原因。
例如，感应电机的工作方式就是大自然的馈赠。因为它产生涡流的方式很漂亮地扭曲了磁场并产生了扭矩。这是独一无二的。你没有电刷、没有导体，电机有很好的特性。它已经存在了一个多世纪，基本没有改变。当然，我们的使用方法因计算机的出现而发生了很大的变化。这是一个平稳的电机。这是一个高扭矩密度的电机。
Q：纳米材料的进步已经显示出改善金属导体的电学和热学性质的潜力，降低了定子和转子的 I2R 损耗，你对高性能热导和电导体制造有什么看法？
A：减少绕组的铜损是几乎每个人都在努力的事情。它是如此占据主导地位和显而易见，如果我们获得的电导率超出了铜的电导率，那么它将具有开创性和重要意义，这不仅适用于特斯拉，而且适用于制造电机的每个人。
如果它发生了，我们很快就会知道它并将被采纳。但到目前为止，只有很少的材料能做到。银是你能找到的最导电的材料，但它比铜贵得多。这就是为什么铜在大多数情况下占主导地位。但我会很高兴看到那里的进化。
我看到一些公司在做工作，但同时他们也在努力改善机械特性。我还没有看到在可预见的未来可以直接商业化的东西。
Q：添加 6.5％ 硅的电工钢已被证明可以在不牺牲饱和磁化强度的情况下降低磁芯损耗。你对硅钢制造有什么看法？
A：逐渐降低损耗的钢材可以让你改变设计考虑因素，转向更高的频率并使电机更小。例如，假设你有一个特定频率的 8 极机器，如果你有低损耗钢，你可以选择 10 极机器，然后你获得更多的扭矩密度。所以，你可以通过扭矩密度来交换铁损。也就是说，你可以进行全盘的这些设计调整，并重新设计电机，最终提供一款更好的产品。
有些公司的（电机）硅含量很高，但它需要大量能源，而且很难降低成本，因为能源具有给定的成本。但我们会持续关注，我们对技术演进很感兴趣。
Q：高温超导体的突破让转子电阻损耗和提高磁通密度成为可能。你对超导线材制造有什么看法？
A：对于汽车行业来说，还有很长一段路要走，因为冷却成本必须超过效率效益或压缩效益的成本。因此，至少目前，电动汽车的牵引应用场景可能不是正确的场景。需要更高连续功率密度的场景更适合它。
Q：如何看待低损耗和高速轴承技术的现状？
A：更高的速度是提高功率密度的两种方法之一。一个是扭矩密度，一个是速度。高速受到诸如机械结构、轴承和齿轮等的限制。因此，轴承有时是我们想要的最高速度的限制因素之一。获得能够承受更高速度的低成本轴承绝对是我们期待的。我认为这适用于牵引应用场景。
如果你查看轴承制造商的目录，你会发现可承受高速和高效的轴承，但成本很高，他们试图降低成本。我们很高兴看到结果，并评估一些更好的轴承是否是有吸引力的驱动单元解决方案。
Q：你对使用软磁材料制造电机磁芯有什么看法 - 例如非晶（Amorphous）、纳米晶（nanocrystalline）和软磁复合材料（SMC）？
A：非晶在饱和度和损耗之间提供了非常好的平衡，但它在制造方面存在局限性。我们还没有看到广泛的商用电机，虽然我知道一些公司已经用非晶钢做了原型机。硅钢在当下是非常好的材料，在损耗和饱和度之间也是如此。对于径向磁通机器，这可能是方向。
当你在磁芯中存在三维磁场变化时，SMC 允许磁场变化减轻铁损，例如当您使用横向磁通机或轴向磁通机时。同样，那里的饱和度和铁损可能会有更好的平衡。所以我认为硅钢的发展是汽车行业所期待的。
Q：你对减小主动扭矩纹波的新技术有什么看法？
A：我更喜欢优化几何结构使得一开始就没有扭矩波动，而不是试图通过控制来减轻扭矩波动。我认为可以做很多事情来优化几何结构而不会产生扭矩波动。这是你可以用有限元素很容易地捕获的东西。如果你需要进行主动减轻，那么您将受到带宽限制，因为频率会变高。所以我认为扭矩纹波应该通过硬件调整来解决。
Q：关于开关磁阻电机（SRM）作为可能的下一代电动车牵引电动机有很多讨论。你对 SRM 有什么想法吗？
A：SRM是一种非常特殊的机器。它的制造非常简单，但很难控制。它有一些噪音和振动的挑战。通过设计，你可以把它变得更好，并且你可以通过减轻所有这些问题的方式来控制它。
扭矩密度不是很差，但恒定功率的建立是一个挑战，并且在牵引应用中需要恒定功率。所以，再一次，我总是希望看到新的想法，并且因为它是一个非常简单的转子结构，所以它确实很有吸引力。它可能适用于解决这一大类问题。
Q：对于想要对电动车行业产生影响的年轻工程师，你认为他们应该关注哪些具体的技术领域？你认为最具影响力的技术挑战是什么？
A：我想说，首先不要低估经典科学——良好的数学背景、良好的物理背景。这始终是一种趋势。你将永远充分利用你的理解力。如果你学会了如何使用商业工具进行设计，您就会为这个行业做好准备，但拥有良好的理论背景要好得多。
其次，电机控制是一个具有广阔前景的课题。但我会说，将来设计好电机控制的人也需要很好地理解电机。有些人在开始研究电机之前想要做电机控制，这是我不推荐的。
电能存储系统也令人兴奋。这是一个拥有大量研究机会的领域。
当然还有软件工程和编写代码。如果你知道如何将你作为工程师的想法转变为代码，你会做得很好。一旦你开始拥有自己的想象力和想法，这将是一个巨大的优势。我会说拥有一些编程技能绝对是非常重要的。
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