那個特斯拉電機背後的男人 Konstantinos Laskaris_風聞

2018 年 10 月 15 日，特斯拉 CEO Elon Musk 轉發了特斯拉官方 Twitter 的一條推文：Model 3 驅動系統的設計和驗證超過 100 萬英里（160 萬公里）—這是齒輪經過（160 萬公里）測試後的樣子。Elon 的轉發語是：Model 3 的電機和變速箱在運轉 100 萬英里後仍然處於良好狀態，專為超高耐力設計。

這是特斯拉在純電動車三電領域持續投入的一個縮影。

特斯拉電機的前世

在特斯拉之前，世界上絕大多數電動汽車都採用了各種規格的永磁電機，這讓特斯拉 Model S/X 的感應電機格外引人注目。很多分析認為特斯拉選擇感應電機因為感應電機結構強度更高，在高速場景下表現更好，另外沒有永磁材料也使得製造成本相對更低。

這當然是考量的因素之一，但更主要的原因在於，特斯拉開發感應電機是繼承了來自 AC Propulsion 的技術路線。

AC Propulsion 是書寫美國電動車歷史繞不開的一家公司，這家公司由 Alan Cocconi、Wally Rippel 和 Paul Carosa 於 1992 年聯合創立。Alan 是一位非常關鍵的大神，他設計並製造了 GM Impact 的電機和電控系統，GM Impact 就是著名的通用 EV1 的原型車。換句話説，Alan 深度參與了 EV1 的研發工作。

大神 Alan Cocconi 改玩無人機了

AC Propulsion 致力於生產高性能、長續航和高效率的感應電機驅動系統，眼熟嗎？這裏的「高性能、長續航和高效率」，和特斯拉在打造 Roadster 階段的目標完全一致。特斯拉找到 AC Propulsion 拿到了 AC Propulsion 的感應電機電驅動系統的設計和充電專利許可。AC Propulsion 聯合創始人 Wally Rippel 也加入了特斯拉，出任特斯拉首席動力電子工程師。

所以有一種説法認為特斯拉 Roadster 的核心技術是「拿來主義」，這種説法對嗎？

事實上，在 Wally Rippel 加入特斯拉後，因為 Roadster 和 EV1 在產品定位上的巨大差異，特斯拉不得不對感應電機動力總成進行了全面的重新設計。 Marc Tarpenning 的説法是，在 Roadster 投產前一年，感應電機與最初的工程測試原型對比，無論從材料還是技術層面，很多事情都發生了根本性的變化。

梳理來看，從 2006 年 Wally Rippel 加入特斯拉建立起整車工程及三電研發團隊，到 2012 年 Model S 投產前，特斯拉處於快速迭代、邊學邊做的階段。這是特斯拉三電發展的第一階段。

特斯拉電機的今生

2012 年，Konstantinos Laskaris 加入特斯拉，和特斯拉 CTO JB Straubel 一樣，這是又一個自幼堅信電氣化將席捲所有行業，併為此付出畢生努力的男人。彼時恰逢特斯拉 Model S 電驅動系統研發測試已接近尾聲，Model 3 電驅動系統的預研即將啓動的轉折點。

Laskaris 面臨的任務是：延續感應電機路線的技術積累，不斷探索性能與效率平衡藝術的極限。另一方面，將團隊完全清零，開始下一代電機技術體系的研發。

今天看來，Laskaris 在承前啓後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 共計 16 款不同動力性能的車型，是通過區區三款感應電機來實現的。

在特斯拉 Fremont 工廠，特斯拉完全從零設計、研發和製造電機（Model 3 的電機在內華達州的 Gigafactory 1 生產）。所以特斯拉可以優化電機制造的每一個細節，並控制產品的質量。按照 Laskaris 的説法，電機團隊會通過數學建模和計算機集羣進行模擬測試，然後在生產中非常快速地實現改進。

正如 Laskaris 在採訪中提到的，使用數學建模技術對電動汽車的成功有着巨大的影響。這裏的「建模」指的是理解系統背後的數學原理，然後創建軟件工具來精確地模擬它在現實世界中的運轉。

另一方面，這意味着特斯拉電機團隊需要具備強大的軟件編程能力以實現軟件限制或調整功率，高性能車型在急加速和極限工況下的放電輸出和能耗控制也非常關鍵。

Laskaris 在讀書生涯拿到了電氣與計算機、通信與信號處理、電機及變速箱的設計和幾何優化領域的本碩博學位，具有非常深厚又跨學科的電機設計理論背景。除了本職工作，他認為電機工程師還應該懂得軟件工程和編寫代碼。

如果你知道如何將你作為工程師的想法轉變為代碼，你會做得很好。一旦你開始擁有自己的想象力和想法，這將是一個巨大的優勢。我會説擁有一些編程技能絕對是非常重要的。

Model 3 上的永磁電機是 Laskaris 團隊的最新力作，全新的電機、全新的技術路線、創下新高的能效和性能產品，特斯拉為之投入了大量資源。但除了 Model 3，Model Y、新款 Model S/X 和 Tesla Semi Truck 半掛卡車也都應用了這台電機，這意味着產品矩陣層面極大的研發投入攤銷和規模效應帶來的成本下降。

除此之外，**令人印象深刻的綜合投入產出比也是 Laskaris 考慮問題的一個角度。**Laskaris 在採訪中提到，在某些情況下，以更高的成本製造一台高效率電機可以在電池組或汽車製造的其他方面節約更多的成本。因此，如果你能夠準確地模擬電機效率和成本，就可以直接將增量製造成本與電池節約的成本進行對比。

事實上，綜合成本最小化的最佳電機與成本最低的電機往往是不同的。

**打造一輛最先進的電動汽車必須深刻理解所有的零部件，更重要的是，這需要持續地對零部件進行分析和優化，以推動續航、性能、效率和成本平衡的極限。**在過去的一個世紀裏，內燃機動力總成在工程分析和改進方面已經取得了數百萬個工時的增量技術進步，而電動車工業的集體工程努力才剛剛開始。

過去十年來，特斯拉投入了大量的資源來開發更好的三電組件，這裏的資源包括設計和測試零部件的人才、設備始終保持在行業最前沿。

在特斯拉工作七年後，當年帥帥的小哥 Laskaris 也變成了大叔，我們期待着 Laskaris 團隊帶給電動汽車市場消費者的下一個驚喜。

Q：電機比發動機更適合驅動汽車嗎？

**A：**你只需簡單地將其他任意傳統豪華車型與特斯拉進行比較，就會發現巨大的差異，就是因為電機。

具體來説，電機有巨大的效率優勢，它非常安靜且沒有振動，具有非常高的功率密度和對扭矩的瞬時響應，所有這些特性促成了電動車無與倫比的性能優勢。

這就是為什麼電機對特斯拉至關重要，特斯拉打破了長期以來人們對電動車的刻板印象。消費者發現性能、效率和續航在電動車身上可以共存，Model S 高性能版是迄今為止加速最快的量產轎車，總功率超 700 馬力，轉速高達 18,000 轉/分，這是我們在一級方程式賽車中才能見到的參數。

你可以説，電機是一個神奇的存在。

Q：當特斯拉決定增加峯值電流輸出或峯值電機功率時，對電機設計團隊意味着什麼？你們有迭代設計過程嗎？

**A：**在特斯拉 Fremont 工廠，**我們幾乎自主製造汽車的所有組件。我們有電機繞組和製造產線，因此我們可以優化電機制造的每一個細節，並控制產品的質量。**此外，我們可以在生產中非常快速地實現改進，從這個角度來看，我們是一家非常敏捷的公司。

**我們可以非常快速地生成電機幾何結構並通過有限元分析進行分析。**我們有一個擁有 500 多個核心處理器的大型計算機集羣來運行有限元分析。——一台 PC 有兩個核心或四個核心。這意味着我們可以並行創建許多虛擬模型並執行大量的計算。它允許我們非常快速地解決損耗和效率平衡，並根據我們創建的任何指標，查看任何電機的設計與我們正在設計的應用程序有多匹配。

**Q：**電機的拓撲結構、架構和配置似乎有無窮無盡的選項。如何開始評估和比較所有可能的電機選型？

**A：****準確地理解你想要一台電機做什麼是優化的首要任務。**你需要知道確切的約束條件——確切的知道你優化的目的。一旦理解了這一點，你就可以使用先進的計算機模型來評估具有相同目標的所有電機選型。這會使你全面的理解每種電機技術的表現。然後你去挑選最好的那種。

通常，在車輛設計中，總是存在性能和制約性能的衝突。這些參數與性能、能耗、車身設計、質量和成本有關。**所有這些指標都在某種程度上相互衝突。理想情況下，你希望它們共存，但考慮到成本限制，需要做出一些妥協。**電動汽車具有額外的挑戰，因為能效是非常重要的考慮因素。

每家公司對於應該做出哪些權衡都有不同的看法。例如，你願意以多長的續航來換取更快的加速？一旦設置了這些參數，就可以開始評估選項並進行優化了。

Q：你有算法研發方面的背景，算法允許計算機模擬電機在現實世界中的運行方式，這些方式如何推動打造一輛更好的車輛？

**A：**你使用的數學建模技術或方法非常重要，對電動汽車的成功有着巨大的影響。當我説「建模」時，我的意思是理解系統背後的數學原理，然後創建軟件工具來精確地模擬它在現實世界中的運轉。

精確的電機建模非常重要，通過它，我們可以在投產前評估一個假想的電機——損耗、性能、扭矩波動、熱管理以及我們感興趣的任何指標，以確認模擬電機是好是壞。並且，通過這種方式，我們避免了不必要的原型和令人不快的意外。

除此之外，**通過良好的電機建模，我們可以實現最佳的優化。**我們可以實現驚人的性能而無需使用特殊材料和高難度的製造方法。

優化是一種藝術，能夠了解不同的候選電機，什麼是好的，什麼是壞的，好有多好，壞有多壞。**當你開始進行優化時，你會意識到如果沒有良好的建模，優化將毫無意義。**這是因為整個優化過程將基於錯誤的電機表現，而最終優化的電機也不是實際表現最佳的電機。

Q：能舉一些使用建模優化平衡的例子嗎？

**A：**OK。人們開車的大部分時間處於低扭矩需求的高速公路上。有許多電機可以提供零百加速的極致性能，但在低扭矩需求的高速公路工況下效率非常低。所以問題是，我能兼具「高效率」和「高性能」嗎？不幸的是，答案是否定的。但是你可以在相互衝突的指標之間做出明智的平衡。

這是優化之美。你可以從所有選項中進行選擇，以獲得約束條件下的最佳電機。如果我們做了正確的建模，你可以找到具有高性能零百加速和高速公路效率最佳的電機。

另一個例子是整車效率與電機成本的平衡。在某些情況下，以更高的成本製造一台高效率電機可以在電池組或汽車製造的其他方面節約更多的成本。因此，**如果你能夠準確地模擬電機效率和成本，就可以直接將增量製造成本與電池節約成本進行對比。**事實上，綜合成本最小化的最佳電機與成本最低的電機往往是不同的。

這些都彙集在一起形成你想要打造的汽車性能指標。這是我們從參數設計開始並獲得最終配置的一般方法。

**Q：**什麼時候進行物理原型測試

**A：****在針對特定應用程序的原型之前，我們會進行多輪驗證測試。**我們稱之為表徵實驗。它們允許我們獲得已知的相關點，並查看孤立的建模工具是否與現實同步。所以這是模擬預測與實際測試之間一個背靠背的比較。它可能甚至不像一台電機，可能只是一個轉子。

然後，我們就會構建和測試完整的原型電機。

Q：你能談談電動汽車成本的發展趨勢嗎？

**A：**當我們談論永磁電機時，過去的磁鐵價格波動太大，以至於這可能無法代表對電機成本的一般性討論。

但是，我們的優化越多，電機成本就越低，而且隨着電機功率密度越來越高，電機也越來越小。如果你不使用小型化和更高的功率密度的電機，電機成本將逐漸下降。除了磁鐵之外，電機中的材料價格都很穩定。

因此，我們看到了一種趨勢，**由於我們多年來所做的技術改進，電機正在逐漸變得更便宜。**還有更好的製造方法，我們正在降低製造成本。如果我們在二十年前嘗試製造我們現在使用的電機，成本顯然會高得多。有許多類型的技術將在這裏發揮作用，使電機成本降低。

**它是一種材料技術和設計技術結合的演進。**例如，在繞組上獲得更高的槽填充將有效地使電動機更小和更便宜。使用更薄的鋼材可以使電機達到更高的頻率，可以使電機更小也更便宜。

**將電驅動系統理解為一個整體系統是一項非常重要的事情，也會降低成本。**而且不僅僅是成本，它將成為更好的產品，因為了解你想要優化的操作條件、或者迅速理解系統以及設計充分利用材料性能但又不是過度設計的系統，背後是豐富的設計經驗和更先進的模擬技術。

優化是製造經濟型汽車的一個重要組成部分，這類汽車也可以具有驚人的性能和續航以及所有必要的規格。

Q：你認為優化領域的潛力在哪裏？是否取決於軟件？

A：它是軟件功能的組合。比如以精確的方式建模電機，並通過更先進的建模工具來模擬你不想製造的電機，這樣就不會犯設計錯誤。然後理解你想要優化什麼。這來自經驗，汽車是如何驅動的？用户想要什麼？這一切都有助於理解我們該設計什麼樣的電機，最後模擬來呈現我們最終設計了合適的電機。

**Q：****電機設計的黑科技技術是否存在？**類似於討論鋰空氣電池技術（低成本、長壽命、高能量密度）？

A：****電機的改進取決於電機技術和電機材料，這兩個組件將決定終極牽引電機。在材料方面，我想説的核心是塑料——沒有導電性且具有巨大的磁導率，你可以用非常低的電流激發。（也許）這是不可能商業化的，但我們正試圖朝着這個方向努力。現在我們可以使用的材料有導電率的限制。因此，這些材料將讓我們獲得更好的性能，從材料的角度我們知道理想的位置在哪裏。

但是，從設計的角度來看，我想説我可以舉一個例子，但不要太拘泥於此。例如，具有全通量調節能力的同步單獨激勵機器就像是一種理想的控制電機和性能電機。但它有很大的製造挑戰。

因此，電機設計人員做出了各種各樣的電機都是為可製造性和可行性而設計的，但還有一些絲毫不妥協但很難製造的電機。這就是你看到這麼多電機的原因。

例如，感應電機的工作方式就是大自然的饋贈。因為它產生渦流的方式很漂亮地扭曲了磁場併產生了扭矩。這是獨一無二的。你沒有電刷、沒有導體，電機有很好的特性。它已經存在了一個多世紀，基本沒有改變。當然，我們的使用方法因計算機的出現而發生了很大的變化。這是一個平穩的電機。這是一個高扭矩密度的電機。

**Q：**納米材料的進步已經顯示出改善金屬導體的電學和熱學性質的潛力，降低了定子和轉子的 I2R 損耗，你對高性能熱導和電導體制造有什麼看法？

**A：**減少繞組的銅損是幾乎每個人都在努力的事情。它是如此佔據主導地位和顯而易見，**如果我們獲得的電導率超出了銅的電導率，那麼它將具有開創性和重要意義，**這不僅適用於特斯拉，而且適用於製造電機的每個人。

如果它發生了，我們很快就會知道它並將被採納。但到目前為止，只有很少的材料能做到。銀是你能找到的最導電的材料，但它比銅貴得多。這就是為什麼銅在大多數情況下占主導地位。但我會很高興看到那裏的進化。

我看到一些公司在做工作，但同時他們也在努力改善機械特性。我還沒有看到在可預見的未來可以直接商業化的東西。

**Q：**添加 6.5％ 硅的電工鋼已被證明可以在不犧牲飽和磁化強度的情況下降低磁芯損耗。你對硅鋼製造有什麼看法？

**A：****逐漸降低損耗的鋼材可以讓你改變設計考慮因素，轉向更高的頻率並使電機更小。**例如，假設你有一個特定頻率的 8 極機器，如果你有低損耗鋼，你可以選擇 10 極機器，然後你獲得更多的扭矩密度。所以，你可以通過扭矩密度來交換鐵損。也就是説，你可以進行全盤的這些設計調整，並重新設計電機，最終提供一款更好的產品。

有些公司的（電機）硅含量很高，但它需要大量能源，而且很難降低成本，因為能源具有給定的成本。但我們會持續關注，我們對技術演進很感興趣。

**Q：**高温超導體的突破讓轉子電阻損耗和提高磁通密度成為可能。你對超導線材製造有什麼看法？

**A：**對於汽車行業來説，還有很長一段路要走，因為冷卻成本必須超過效率效益或壓縮效益的成本。因此，至少目前，電動汽車的牽引應用場景可能不是正確的場景。需要更高連續功率密度的場景更適合它。

**Q：**如何看待低損耗和高速軸承技術的現狀？

**A：****更高的速度是提高功率密度的兩種方法之一。一個是扭矩密度，一個是速度。**高速受到諸如機械結構、軸承和齒輪等的限制。因此，軸承有時是我們想要的最高速度的限制因素之一。獲得能夠承受更高速度的低成本軸承絕對是我們期待的。我認為這適用於牽引應用場景。

如果你查看軸承製造商的目錄，你會發現可承受高速和高效的軸承，但成本很高，他們試圖降低成本。我們很高興看到結果，並評估一些更好的軸承是否是有吸引力的驅動單元解決方案。

**Q：**你對使用軟磁材料製造電機磁芯有什麼看法 - 例如非晶（Amorphous）、納米晶（nanocrystalline）和軟磁複合材料（SMC）？

A：****非晶在飽和度和損耗之間提供了非常好的平衡，但它在製造方面存在侷限性。我們還沒有看到廣泛的商用電機，雖然我知道一些公司已經用非晶鋼做了原型機。

硅鋼在當下是非常好的材料，在損耗和飽和度之間也是如此。對於徑向磁通機器，這可能是方向。

當你在磁芯中存在三維磁場變化時，SMC 允許磁場變化減輕鐵損，例如當您使用橫向磁通機或軸向磁通機時。同樣，那裏的飽和度和鐵損可能會有更好的平衡。所以我認為硅鋼的發展是汽車行業所期待的。

Q：你對減小主動扭矩紋波的新技術有什麼看法？

**A：****我更喜歡優化幾何結構使得一開始就沒有扭矩波動，而不是試圖通過控制來減輕扭矩波動。**我認為可以做很多事情來優化幾何結構而不會產生扭矩波動。這是你可以用有限元素很容易地捕獲的東西。如果你需要進行主動減輕，那麼您將受到帶寬限制，因為頻率會變高。所以我認為扭矩紋波應該通過硬件調整來解決。

**Q：**關於開關磁阻電機（SRM）作為可能的下一代電動車牽引電動機有很多討論。你對 SRM 有什麼想法嗎？

**A：****SRM是一種非常特殊的機器。它的製造非常簡單，但很難控制。**它有一些噪音和振動的挑戰。通過設計，你可以把它變得更好，並且你可以通過減輕所有這些問題的方式來控制它。

扭矩密度不是很差，但恆定功率的建立是一個挑戰，並且在牽引應用中需要恆定功率。所以，再一次，我總是希望看到新的想法，並且因為它是一個非常簡單的轉子結構，所以它確實很有吸引力。它可能適用於解決這一大類問題。

**Q：對於****想要對電動車行業產生影響的年輕工程師，****你認為他們應該關注哪些具體的技術領域？**你認為最具影響力的技術挑戰是什麼？

A：我想説，首先不要低估經典科學——良好的數學背景、良好的物理背景。這始終是一種趨勢。你將永遠充分利用你的理解力。如果你學會了如何使用商業工具進行設計，您就會為這個行業做好準備，但擁有良好的理論背景要好得多。

**其次，電機控制是一個具有廣闊前景的課題。**但我會説，將來設計好電機控制的人也需要很好地理解電機。有些人在開始研究電機之前想要做電機控制，這是我不推薦的。

電能存儲系統也令人興奮。這是一個擁有大量研究機會的領域。

​當然還有軟件工程和編寫代碼。如果你知道如何將你作為工程師的想法轉變為代碼，你會做得很好。一旦你開始擁有自己的想象力和想法，這將是一個巨大的優勢。我會説擁有一些編程技能絕對是非常重要的。