李新華，周 彥，殷鵬冬

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

集成式起動(dòng)—發(fā)電機(jī)ISG（ISG：Integrated Starter Generator）具有高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高發(fā)電效率、高性價(jià)比，是輕度混合動(dòng)力汽車中的核心部件之一.日本本田汽車公司在ISG技術(shù)應(yīng)用及輕度混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)化方面走在了世界前列.1999年，本田推出了應(yīng)用ISG技術(shù)的第一代混合電動(dòng)汽車Insight.該ISG系統(tǒng)采用10kW 超薄型永磁無(wú)刷直流電機(jī)，厚度僅為60mm，電源系統(tǒng)采用144V的蓄電池組，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸直接連接.此后本田第二代Accord、第三代Civic（2005款）和第四代Civic（2006款）混合電動(dòng)汽車ISG均采用了內(nèi)置式永磁同步電機(jī).2006款I(lǐng)SG電動(dòng)時(shí)最大功率10kW，發(fā)電時(shí)最大功率12.3kW，特別是使用了一種扁線圈纏繞構(gòu)造，使得電動(dòng)機(jī)最大功率和最大轉(zhuǎn)矩比2005款I(lǐng)SG分別增加了50% 和14%，效率由原來(lái)的94.6% 提高到 96%［1］.

毋庸置疑，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)是目前ISG的主流電機(jī).現(xiàn)在看來(lái)，不同汽車公司ISG永磁同步電機(jī)采用了不同的結(jié)構(gòu)型式［2］，即使是同一汽車公司，ISG永磁同步電機(jī)也在不斷升級(jí)，如本田汽車公司的ISG電機(jī)已經(jīng)升級(jí)了四代.為了研究不同轉(zhuǎn)子外圓形狀、極／槽配合、磁橋結(jié)構(gòu)與磁鋼排列等對(duì)ISG性能方面的影響，本文采用Ansoft和 Ansys軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，為電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.仿真建模時(shí)參照Accord ISG的主要技術(shù)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)［3］如下：直流電壓144V；峰值／額定功率12.4／6.2kW；最高／額定轉(zhuǎn)速6 000r·min－1／870r·min－1；峰值／額定轉(zhuǎn)矩136Nm／68Nm；定子鐵心內(nèi)／外徑／232／315.5mm；轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)／外徑 188 mm／230mm；定子軸向長(zhǎng)度40.1mm；極／槽配合16／24；一相串聯(lián)匝數(shù)52.

1 不同轉(zhuǎn)子鐵心外圓形狀

轉(zhuǎn)子外圓形狀對(duì)ISG電機(jī)的空載氣隙磁場(chǎng)、電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩波形以及電機(jī)運(yùn)行振動(dòng)噪聲等產(chǎn)生影響.圖1分別為ISG電機(jī)3種不同轉(zhuǎn)子鐵心外圓形狀示意圖，其中（a）為正圓外圓，氣隙均勻；（b）為勾形外圓，即在q軸兩側(cè)開有溝槽；（c）為V形開口，即在N、S兩極間有V形溝.建模時(shí)極／槽配合為16／24，定子鐵心和繞組、氣隙和磁鋼用量均相同，一相串聯(lián)匝數(shù)均為52匝，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為870r／min.

圖1 ISG電機(jī)的不同轉(zhuǎn)子外圓形狀

圖2、3分別為不同轉(zhuǎn)子外圓形狀I(lǐng)SG電機(jī)空載氣隙磁場(chǎng)和相電動(dòng)勢(shì)仿真曲線及傅里葉分析結(jié)果，其中，傅里葉分析柱狀圖中3條柱從左到右轉(zhuǎn)子外圓依次為勾形、正圓和V形開口.圖4為3種不同轉(zhuǎn)子外圓形狀I(lǐng)SG電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩及鐵耗仿真曲線.表1列出了3種不同轉(zhuǎn)子外圓形狀I(lǐng)SG電機(jī)仿真結(jié)果比較.

從圖2、3、4和表2分析結(jié)果來(lái)看，正圓式轉(zhuǎn)子ISG電機(jī)氣隙磁密和相電動(dòng)勢(shì)的畸變率是最小的，但電磁轉(zhuǎn)矩平均值最低；V形開口式轉(zhuǎn)子ISG電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩平均值最大，轉(zhuǎn)矩能力最強(qiáng)，同時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率也不大，轉(zhuǎn)矩輸出比較平穩(wěn)；勾形轉(zhuǎn)子ISG電機(jī)性能介于兩者之間.3種不同轉(zhuǎn)子外圓形狀I(lǐng)SG電機(jī)的鐵耗平均值相差不大.

表1 三種不同轉(zhuǎn)子外圓形狀I(lǐng)SG電機(jī)仿真結(jié)果比較

表2 三種不同極／槽配合ISG仿真結(jié)果比較

2 不同極／槽配合

極／槽配合是ISG電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的因素.下面對(duì)3種不同極／槽配合ISG電機(jī)進(jìn)行仿真分析.ISG電機(jī)一相串聯(lián)匝數(shù)均為52匝，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為870r／min，定、轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑以及軸向長(zhǎng)度相同.圖5給出了不同極槽配合ISG電機(jī)空載仿真曲線及傅里葉分析結(jié)果；圖6分別給出了不同極槽配合ISG電機(jī)空載相電動(dòng)勢(shì)仿真曲線及傅里葉分析結(jié)果；圖7分別給出了3種不同極槽配合ISG電機(jī)額定轉(zhuǎn)速870r／min、電樞繞組通入有效值為88A電流時(shí)仿真結(jié)果.傅里葉分析柱狀圖從左到右ISG極／槽配合分別為12極／18槽、10極／15槽和16極／24槽.表2給出了3種同極槽配合ISG仿 真結(jié)果比較.

由上可知，盡管16極／24槽ISG電機(jī)空載氣隙磁密畸變率最大，但空載相電動(dòng)勢(shì)畸變率最小，表明該電機(jī)繞組對(duì)諧波電動(dòng)勢(shì)的抑制能力好，同時(shí)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩平均值最大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率也最??；10極／15槽ISG電機(jī)氣隙磁密畸變率最小，由于鐵耗頻率相對(duì)較低，電機(jī)鐵耗平均值也最小，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩平均值最??；12極／18槽ISG電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩平均值介于兩者之間，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率和鐵耗平均值最大.

3 不同磁橋結(jié)構(gòu)與永磁體排列

不同磁橋結(jié)構(gòu)與永磁體排列對(duì)電機(jī)空載磁場(chǎng)、動(dòng)態(tài)性能、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安全等都將產(chǎn)生影響.本文分析4種不同磁橋結(jié)構(gòu)與永磁體排列轉(zhuǎn)子ISG電機(jī)，如圖8所示.分析時(shí)假定電機(jī)極／槽配合為16極／24槽，定、轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑以及磁鋼總用量相同.

圖8 不同磁橋結(jié)構(gòu)與永磁體排列ISG電機(jī)轉(zhuǎn)子示意

圖9～11分別為4種不同磁橋結(jié)構(gòu)和磁鋼排列ISG電機(jī)空載氣隙磁密仿真曲線及傅里葉分析結(jié)果、空載相電動(dòng)勢(shì)仿真曲線和傅里葉分析結(jié)果、電磁轉(zhuǎn)矩和鐵耗仿真曲線.傅立葉分析柱狀圖從左到右ISG轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)依次為三橋V字形、二橋V字形、三橋一字形和二橋一字形.表3給出了4種不同磁橋結(jié)構(gòu)和磁鋼排列ISG仿真結(jié)果比較.

圖9 不同磁橋結(jié)構(gòu)和磁鋼排列ISG空載氣隙磁密及傅里葉分析

表3 4種不同磁橋結(jié)構(gòu)和磁鋼排列ISG電機(jī)仿真結(jié)果比較

結(jié)果表明，三橋一字形和二橋一字形磁鋼排列的磁場(chǎng)和電動(dòng)勢(shì)畸變率小，波形質(zhì)量好；三橋V字形的電磁轉(zhuǎn)矩平均值最大，轉(zhuǎn)矩能力最強(qiáng)，二橋V字形和二橋一字形電磁轉(zhuǎn)矩平均值相同；三橋一字形和三橋V字形磁鋼排列的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率低，二橋V字形的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率最大；由于電動(dòng)勢(shì)波形質(zhì)量好，二橋一字形鐵耗平均值最小.

另一方面，不同磁橋結(jié)構(gòu)與磁鋼排列對(duì)轉(zhuǎn)子應(yīng)力有很大影響，涉及到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安全.為此，對(duì)上述4種不同磁鋼磁橋配合進(jìn)行了應(yīng)力仿真分析，ISG電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速6000r／min條件下應(yīng)力與形變仿真結(jié)果分別見(jiàn)圖12－15.表4給出了4種不同磁橋結(jié)構(gòu)與磁鋼排列ISG電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力仿真結(jié)果比較.

圖12 三橋V字形轉(zhuǎn)子應(yīng)力與形變仿真結(jié)果

表4 不同磁橋結(jié)構(gòu)與磁鋼排列ISG電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力仿真結(jié)果比較

上述應(yīng)力仿真結(jié)果表明，ISG電機(jī)轉(zhuǎn)子二橋變成三橋，可以明顯減小轉(zhuǎn)子的應(yīng)力和形變，因此，三橋ISG更能保證電機(jī)在高速運(yùn)行下的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安全；無(wú)論是二橋還是三橋ISG，最大應(yīng)力都集中在磁橋的上棱邊處，可以適當(dāng)增大導(dǎo)角來(lái)降低此處的最大應(yīng)力；4種不同磁橋結(jié)構(gòu)ISG的最大形變都在磁鋼軸向端部的中間處，轉(zhuǎn)子軸向端部的端環(huán)結(jié)構(gòu)可以有效防止形變的擴(kuò)大.

4 結(jié)論

綜上分析，可以得出以下結(jié)論：

1）V形開口式轉(zhuǎn)子ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力最強(qiáng)；正圓式的氣隙磁密和相電動(dòng)勢(shì)畸變率最小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率最低.

2）16極／24槽ISG電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩平均值最大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率也最?。?0極／15槽的氣隙磁密畸變率最小，鐵耗平均值也最小.

3）三橋V字形ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力最強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率也最低；二橋一字形的電磁轉(zhuǎn)矩平均值次之，鐵耗平均值最小，但轉(zhuǎn)子應(yīng)力和形變較大.

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