李新華，吳小江，周 彥，楊國(guó)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(jiǎn)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(chǎng)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(guó)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(chǎng)；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(chǎng)，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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(chǎng)、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(shì)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(shì)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(zhǎng)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(shì)；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%?？梢?，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）.

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［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.

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