雅閣和思域混合動(dòng)力車ISG比較分析

李新華，吳小江，周 彥，楊國威

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

1 本田汽車公司ISG的發(fā)展歷程

本田汽車公司致力于混合動(dòng)力車開發(fā)，旗下的集成式電機(jī)助力系統(tǒng) （Integrated Motor Assist，以下簡稱為IMA）已經(jīng)發(fā)展了4代，并全部實(shí)現(xiàn)了其應(yīng)用車型的量產(chǎn)，受到市場的歡迎，在此研發(fā)領(lǐng)域中始終保持著領(lǐng)先地位。1997年本田汽車公司開發(fā)出第1代IMA系統(tǒng)，1999年應(yīng)用該系統(tǒng)的音賽特（Insight）混合動(dòng)力汽車在美國上市；2002年，裝配了第2代IMA系統(tǒng)的思域 （Civic）混合動(dòng)力車投放市場；2005年，裝備了第3代IMA系統(tǒng)的雅閣 （Accord）中型混合動(dòng)力車投放市場，深受消費(fèi)者歡迎；2006年，第4代IMA混合動(dòng)力系統(tǒng)又應(yīng)用在2006年款思域（以下簡稱06思域）混合動(dòng)力車上［1-2］。

作為IMA的核心裝置，本田汽車公司的集成式起動(dòng)-發(fā)電機(jī) （Integrated Starter Generator，以下簡稱為ISG）也經(jīng)歷了4代發(fā)展，推出了4款不同的ISG（圖1），主要技術(shù)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表1［3］。這4款I(lǐng)SG都采用較低的直流電壓供電，超薄盤式外形，定子鐵心內(nèi)／外徑尺寸相同，組合定子鐵心結(jié)構(gòu)，集中繞組，強(qiáng)迫風(fēng)冷。但它們也有一些不同之處：①音賽特和2002年款思域 （以下簡稱02思域）ISG采用方波電流驅(qū)動(dòng)的永磁無刷直流電機(jī)，而雅閣和06思域ISG采用性能更好的正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)；②音賽特、02思域和雅閣ISG定子繞組由圓導(dǎo)線制造，而06思域ISG則采用矩形扁平導(dǎo)體繞制，增加了導(dǎo)電面積，提高了槽滿率；③前兩款I(lǐng)SG轉(zhuǎn)子為表貼式磁鋼，后兩款I(lǐng)SG轉(zhuǎn)子則為內(nèi)置式磁鋼；④隨著結(jié)構(gòu)和材料的改進(jìn)和進(jìn)步，4款I(lǐng)SG的功率密度不斷提高。

2 結(jié)構(gòu)比較

永磁同步電機(jī)是ISG電機(jī)的發(fā)展方向。鑒于此，本文著重討論本田汽車公司的第3、4代雅閣和06思域ISG同步電機(jī)。圖2為雅閣和06思域ISG轉(zhuǎn)子的三維結(jié)構(gòu)圖。盡管兩款I(lǐng)SG推出相差只有一年左右的時(shí)間，但在結(jié)構(gòu)上有較大變化，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 極／槽配合

電機(jī)極槽數(shù)較多的優(yōu)點(diǎn)是電磁轉(zhuǎn)矩的平滑性好，電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，繞組端部變短，節(jié)省用銅；而不足之處是電機(jī)的弱磁能力下降，以及高速時(shí)由于電流頻率增高而增加電機(jī)穩(wěn)定控制的難度［4］。雅閣ISG選用的極／槽配合為16／24，06思域ISG改為12／18，后者由于極數(shù)減小使得電機(jī)的弱磁能力得以提高。表2給出了雅閣和思域ISG額定電流時(shí)的直、交軸電樞反應(yīng)電感的有限元仿真結(jié)果。由表2可見，兩電機(jī)的直軸電樞反應(yīng)電感之比為2.46，使得06思域ISG的直軸電流弱磁能力明顯增強(qiáng)，電機(jī)6 000 r／min時(shí)需要的弱磁電流比雅閣小16 A左右［5］，如圖3所示；另一方面，06思域ISG的凸極比比雅閣ISG的值提高47%，磁阻轉(zhuǎn)矩利用率增大。

表1 本田汽車公司ISG的主要技術(shù)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

表2 電樞反應(yīng)電感有限元仿真結(jié)果

2.2 磁鋼排列方式

雅閣ISG和06思域ISG磁鋼都是內(nèi)置式，但雅閣ISG磁鋼排列為隔磁三橋V字形，06思域ISG為隔磁二橋一字形，兩款I(lǐng)SG的轉(zhuǎn)子磁鋼排列如圖4所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)建模并仿真，得到兩款I(lǐng)SG空載磁場、額定轉(zhuǎn)速 （雅閣ISG仿真轉(zhuǎn)速840 r／min、06思域ISG仿真轉(zhuǎn)速1390r／min）時(shí)相電動(dòng)勢以及最高轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子應(yīng)力仿真分析結(jié)果，見表3?？梢?，由于雅閣ISG磁鋼排列為隔磁三橋V字形，中間磁橋產(chǎn)生較大漏磁，氣隙磁密基波相對(duì)較??；06思域ISG改為隔磁二橋一字形后，取消了中間磁橋，漏磁通減小，氣隙磁密基波提高了10.4%；與此同時(shí)，氣隙磁密和相電動(dòng)勢的畸變率分別減小了12.6%和1.4%，波形的正弦性提高；此外，雅閣ISG轉(zhuǎn)子隔磁三橋結(jié)構(gòu)，磁橋處的最大應(yīng)力較小，而06思域ISG轉(zhuǎn)子為隔磁二橋，磁橋處的最大應(yīng)力相對(duì)較大。

表3 兩款I(lǐng)SG仿真結(jié)果比較

2.3 繞組導(dǎo)線

兩款I(lǐng)SG都是集中繞組，機(jī)器下線，線圈端部用母線環(huán)連接，但所使用的導(dǎo)線不同，如圖5所示，兩款I(lǐng)SG繞組導(dǎo)線相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。雅閣ISG采用線徑1.5mm傳統(tǒng)的圓導(dǎo)線，槽內(nèi)導(dǎo)體容易固定，但槽滿率不高，槽內(nèi)散熱性不好。06思域ISG改用了長2.2 mm、寬0.9 mm的扁平導(dǎo)線，槽滿率提高了9%，每槽增加了4根導(dǎo)體，每槽導(dǎo)電面積增加了13.6%，每相電阻下降了2%，同時(shí)也提高了槽內(nèi)散熱能力以及電機(jī)的功率能力，然而采用扁平導(dǎo)線不足之處是槽內(nèi)導(dǎo)體容易滑動(dòng)，固定比較困難。

3 性能分析

3.1 轉(zhuǎn)矩能力

圖6是雅閣ISG和06思域ISG電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流的關(guān)系曲線［5］。曲線表明，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流呈線性關(guān)系，但它們的斜率并不一樣。轉(zhuǎn)矩曲線斜率反映了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力，即單位電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的大小，轉(zhuǎn)矩曲線斜率越大，單位電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩也越大，轉(zhuǎn)矩能力越強(qiáng)。06思域ISG的轉(zhuǎn)矩曲線的斜率較大，雅閣ISG轉(zhuǎn)矩曲線的斜率較小，06思域ISG的峰值轉(zhuǎn)矩比雅閣ISG的峰值轉(zhuǎn)矩提高14%左右。雅閣ISG和06思域ISG有相同的體積，由于06思域ISG轉(zhuǎn)矩能力的提升，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率密度有一定提高。

06思域ISG的轉(zhuǎn)矩能力較強(qiáng)的主要原因有二：一是每相增加了2匝線圈，同時(shí)選用磁性能更好的磁鋼，提高了電機(jī)的空載電動(dòng)勢；二是新的極槽配合和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)的凸極比提高，從而增加了磁阻轉(zhuǎn)矩。

圖7是雅閣ISG和06思域ISG在電磁轉(zhuǎn)矩平均值都為66.5 Nm、電機(jī)轉(zhuǎn)速840 r／min時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩仿真曲線。雅閣ISG通入電流88 A，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為2.81%；06思域ISG通入電流75 A，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為3.71%。可見，兩ISG產(chǎn)生相同轉(zhuǎn)矩，06思域ISG電流比雅閣ISG小13 A，下降14.8%，但雅閣ISG的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率比06思域ISG低24.2%，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性比06思域ISG好。

齒槽轉(zhuǎn)矩是引起電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要原因。圖8給出了雅閣ISG和06思域ISG齒槽轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果。06思域ISG的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為4.31 Nm，雅閣ISG的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為2.97Nm，雅閣ISG的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值比06思域ISG下降了31%。雅閣ISG的極／槽數(shù)比06思域ISG多，故齒槽轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小。

3.2 效率特性

圖9是雅閣ISG和06思域ISG的效率圖［5］。 由圖9可見，雅閣ISG輸出功率20 Nm以上、電機(jī)效率在93%以上的轉(zhuǎn)速范圍是2 000～3 500 r／min，而06思域ISG輸出功率20 Nm以上、電機(jī)效率在93%以上的轉(zhuǎn)速范圍是1200～5000 r／min，因此，06思域ISG高效率區(qū)的轉(zhuǎn)速范圍比雅閣ISG明顯拓寬，效率特性改善。

06思域ISG效率提高的主要原因在于電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩的充分利用，從而降低了電樞電流，使得電機(jī)銅耗下降。從圖6可讀出，產(chǎn)生103 Nm助力轉(zhuǎn)矩，雅閣ISG所需的相電流約為154 A，06思域ISG所需的相電流約為134A，后者相電流降低了15%，銅耗降低30%左右；其次由于06思域ISG使用了扁平導(dǎo)線，增加了導(dǎo)電面積，每相電阻下降了2%，電機(jī)銅耗率進(jìn)一步減小。

［1］張桓，朱余清，毛彩云，等.透視最新東風(fēng)本田思域Hybrid混合動(dòng)力技術(shù) （上、下）［J］.汽車維修與保養(yǎng)，2008（8）／2008（9）.

［2］張華，周容，張嘉君.本田第四代混合動(dòng)力系統(tǒng)（IMA）研究［J］.輕型汽車技術(shù)，2006（8）：28－31，35.

［3］R.H.Staunton，T.A.Burress，L.D.Marlino.Evaluation of 2005 Honda Accord Hybrid Electric Drive System［R］. UT－Battelle，LLC，Oak Ridge National Laboratory，Oak Ridge，Tennessee 37831，September 2006.

［4］Xiaojiang Chen，Murray Edington，RogerThornton. Development Issues of An ISG PM Machine and Control System.The 7th InternationalConference on Power Electronics，EXCO，Daegu，Korea，October 22－26，2007.

［5］Shoei Abe，Masashi Murata.Development of IMA Motor for 2006 Civic Hybrid.2006 SAE World Congress，Detroit，Michigan，April 3－6，2006.