CAMRY與PRIUS永磁同步電動機比較

李新華，韓 罡，章國光

（1.湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068；2.東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430058）

與豐田汽車公司2004年PRIUS混合動力系統THSII相比，2007年推出的CAMRY動力系統發生了重大變化。圖1和圖2分別為CAMRY和PRIUS永磁同步電動機 （以下簡稱電動機）實物圖。

首先，CAMRY動力系統總驅動功率達105 kW，驅動用永磁同步電動機峰值功率達70 kW，同時具有更寬的連續運行能力；其次，2007款CAMRY采用了一款高電壓、高轉速的永磁同步電動機作為驅動電機，電機的功率和轉矩密度有較大提高；第三，CAMRY在電動機輸出軸端增加了一個速比約為2.5的減速行星齒輪裝置，使電動機的峰值轉矩達667Nm，顯著提高了汽車的加速性能。

1 動力系統比較

表1為CAMRY和PRIUS電動機的主要數據，與2004年款PRIUS永磁同步電動機定、轉子結構大體相同。定子鐵心仍是48槽、單層分布繞組，但繞組改為2條支路并聯；轉子8極，內置V形磁鋼，每極磁鋼中間增加了1個磁橋。

CAMRY電動機是一款高電壓、高轉速和高功率密度的驅動電機。CAMRY電動機的峰值功率比PRIUS電動機增加了20kW，電動機供電電壓由500V升至650 V，特別是電動機轉速大幅提高，最高轉速達14000 r／min，比PRIUS電動機最高轉速提高了2.3倍。為了進一步降低鐵耗，CAMRY電動機定子鐵心采用0.31mm硅鋼片沖片，而PRIUS電動機定子鐵心采用0.33 mm硅鋼片。CAMRY電動機定子槽比PRIUS電動機定子槽略寬些，但槽深減小了2.5 mm，下線難度有所降低。

表1 CAMRY和PRIUS電動機主要數據

與PRIUS不同的是，CAMRY在電動機輸出軸端增加了一個減速行星齒輪裝置，稱為 “二星”結構，見圖3。PRIUS電動機直接與行星齒輪的環齒連接，而CAMRY電動機則通過一個減速行星齒輪與行星齒輪的環齒連接，電動機軸與減速行星齒輪環齒之間的傳動比為（57／18）×（18／23）=2.478， 也就是說， 減速行星齒輪環齒的轉速比電動機的轉速低2.478倍，而環齒的轉矩比電動機的輸出轉矩增加2.478倍。

對于混合動力汽車來說，由于車艙空間十分緊張，通過提高電動機轉速來減小電動機體積便是一項十分有效的措施。與PRIUS電動機相比，CAMRY電動機的峰值功率增加了20 kW，由于CAMRY電動機最高轉速為14000r／min，電動機體積反而有所減小，有效材料質量下降3.3 kg，特別是釹鐵硼磁鋼用量每臺減少300 g，電動機制造成本有一定下降；與此同時，功率密度明顯上升，達1.68 kW／kg，PRIUS電動機只有1.11 kW／kg， CAMRY電動機高出0.57 kW／kg。 表2給出了CAMRY和PRIUS電動機主要尺寸及材料消耗的比較。

表2 CAMRY和PRIUS電動機主要尺寸及材料消耗

2 轉子比較

2.1 轉子結構

與PRIUS電動機一樣，CAMRY電動機轉子磁極仍用V形結構，每極表面開有2個淺的溝槽，用于削弱諧波磁場，如圖4所示。然而作為一款14000r／min的高速永磁同步電動機，首先必須考慮轉子結構的機械強度。為防止電動機轉子高速旋轉時離心力的破壞，增加轉子的機械強度，在V形磁極中間增加了一個磁橋，將PRIUS電動機轉子V形2橋磁極改為3橋磁極，如圖5所示；與此同時，CAMRY電動機轉子V形磁極兩側磁橋厚比PRIUS也有所增加，CAMRY為2.05 mm （最窄處），PRIUS為1.42 mm （最窄處）。 由于每極中間增加一個磁橋，在提高轉子機械強度的同時，也能增強電動機直軸電樞反應的去磁能力。

2.2 空載磁場

根據美國能源部報告提供的數據，采用磁場有限元方法對其進行空載磁場分析，圖6是CAMRY電動機空載磁場分布圖，表3給出了CAMRY和PRIUS電動機空載氣隙磁密傅立葉分析結果。與PRIUS電動機相比，CAMRY電動機轉子磁極結構改變后，基波、7次磁密略有增大，5次、11次以及13次諧波略微減小。可見，CAMRY電動機轉子增加一個磁橋后，由于磁鋼徑向寬度和充磁方向厚度略有增加，電動機氣隙磁場并沒有發生大的變化，這不僅很好地滿足了電動機高速旋轉對其機械強度的要求，同時也能產生良好的氣隙磁場波形，滿足電動機電磁性能的要求。

表3 CAMRY和PRIUS電動機空載氣隙磁密

2.3 釹鐵硼磁鋼

剩余磁通密度Br和內稟矯頑力Hci是永磁材料的2個重要性能參數，它們都隨溫度升高而下降。如果磁鋼的內稟矯頑力選擇過低，當受到高溫或高強度的反向磁場時，磁體可能會出現退磁；反過來，磁鋼的內稟矯頑力選擇過高，會增加磁鋼成本。

對于混合動力汽車電動機所使用的釹鐵硼磁鋼，內稟矯頑力又是一個特別重要的參數，它往往涉及高溫和弱磁運行條件。圖7為不同溫度下CAMRY和PRIUS電動機釹鐵硼磁鋼磁滯回線測試曲線。溫度變化時，CAMRY和PRIUS電動機磁體剩余磁通密度相差不大，但CAMRY磁鋼的內稟矯頑力則低于PRIUS。如110℃時，CAMRY磁鋼的內稟矯頑力約為15kOe，114℃時PRIUS磁體的內稟矯頑力約為18kOe。

CAMRY電動機合理的磁路和冷卻系統設計，保證了磁鋼在較低的環境溫度下工作。根據CAMRY服務手冊，電動機的運行溫度一般低于90℃，這樣CAMRY電動機可以選擇較低的內稟矯頑力磁鋼，達到降低電動機制造成本的目的。

3 電動機效率圖比較

CAMRY和PRIUS電動機效率圖分別如圖8、圖9所示。CAMRY電動機在轉矩轉速的大部分區域效率超過90%，高速或高轉矩區域則為低效率運行區；而PRIUS電動機的高效區則明顯小于CAMRY電動機，特別是PRIUS電動機在低速、大轉矩區效率下降較快。

CAMRY電動機效率提高的主要原因在于:一是電動機供電電壓提高，減小了電動機電流，從而進一步減小了銅耗；其次，由于采用0.31 mm硅鋼片，有效降低了鐵耗；再次，電動機轉速大幅提高，也明顯改善了電動機的低速性能。當然，電動機轉速升高后，機械損耗也會隨之增大，但總的來說，CAMRY電動機效率是提高的。

4 電動機參數比較

永磁同步電動機參數包括直軸和交軸電樞反應電感、永磁磁鏈和繞組電阻等，它們對于電動機設計、分析乃至控制都十分重要。

4.1 永磁磁鏈

永磁極基波磁鏈的計算公式為

式中:N——一相串聯匝數；kN1——基波繞組系數；Bδ01——基波磁密幅值；τ——極距；l——定子鐵心有效長度。

PRIUS電動機: N=72匝， kN1=0.966， τ=63.58mm，l=83.82 mm， 由表3可知Bδ01=0.732 T， 根據 （1） 式計算出永磁極基波磁鏈ψpm=0.173Wb。CAMRY電動機: N=56匝， kN1=0.966， τ=63.58 mm， l=60.7 mm，由表3可知Bδ01=0.778T， 根據 （1） 式計算出永磁極基波磁鏈ψpm=0.103 Wb。 CAMRY與PRIUS電動機定子鐵心內徑相同，但CAMRY電動機的一相串聯匝數和定子鐵心有效長度均小于PRIUS電動機，故CAMRY電動機永磁極基波磁鏈比PRIUS電動機明顯減小。

4.2 定子繞組電阻

定子一相繞組電阻的計算公式為

式中:ρcu——銅線電阻率，對于H級絕緣，ρcu=0.0245×10-6Ωm；lc——線圈半匝平均長度，m；sc——導體截面積，m2；a——并聯支路數。

PRIUS電動機: lc=200.22mm， sc=8.492×10-6m2，a=1， 由 （2） 式計算得R1=0.08318Ω。 CAMRY電動機: lc=175.88 mm， sc=4.732×10-6m2， a=2， 由 （2）式計算得R1=0.05199Ω?？梢?，CAMRY電動機由于轉速和供電電壓升高，一相串聯匝數和線圈半匝平均長度都有減小，使得CAMRY電動機定子一相繞組電阻比PRIUS電動機減小37.5%。

4.3 電樞反應電感

為了考慮電動機磁路飽和因素的影響，采用有限元方法計算。

經過推導，直、交軸電樞反應電感計算公式分別為

式中:Lad——直軸電樞反應電感；Bd1——電動機電樞電流純粹去磁時氣隙基波磁密；Id——直軸去磁電流有效值；Laq——交軸電樞反應電感；Baq1——交軸基波磁密幅值；Iq——交軸電流有效值。

根據 （3）、 （4） 式， 計算出CAMRY和PRIUS電動機電樞反應電感，其與電樞電流關系曲線如圖10所示。

可見，當電樞電流增加時，直軸電樞反應電感減小，但減小不大，而交軸電樞反應電感隨電樞電流增加下降比較大。另一方面，兩個電動機電感參數也相差較大，CAMRY電動機直、交軸電樞反應電感比PRIUS電動機直、交軸電樞反應電感都小一半左右。

導致電樞反應電感相差較大的主要原因是:CAMRY為高速電動機，一相串聯匝數為56匝，而PRIUS電動機轉速相對較低，一相串聯匝數為72匝，由于電感正比于繞組匝數的平方，故有（56／72）2=0.604，與兩個電動機電感之比近似相等。與此同時，CAMRY電動機交、直軸電樞反應電感之比Laq／Lad=4.044，PRIUS電動機交、直軸電樞反應電感比為3.603。電動機交、直軸電樞反應電感比反應了電動機的凸極性，CAMRY電動機通過改進轉子磁橋設計增加了凸極性，這有利于磁阻轉矩的利用。

［1］R.H.Staunton， C.W.Ayers， L.D.Marlino， etc.Evaluation of 2004 Toyota Prius Hybrid Electric Drive System［R］.UTBattelle， LLC， Oak Ridge National Laboratory， Oak Ridge，Tennessee 37831， 2006.

［2］T.A.Burress， C.L.Coomer， S.L.Campbell， etc.EVALUATION OF THE 2007 TOYOTA CAMRY HYBRID SYNERGY DRIVE SYSTEM［R］.UT-BATTELLE， LLC， Oak Ridge National Laboratory， Oak Ridge， Tennessee 37831， 2008.

［3］T.A.Burress， C.L.Coomer， S.L.Campbell， etc.EVALUATION OF THE 2008 LEXUS LS 600H HYBRID SYNERGY DRIVE SYSTEM［R］.UT-BATTELLE， LLC， Oak Ridge National Laboratory， Oak Ridge， Tennessee 37831， 2009.

［4］湖北工業大學.PRIUS永磁同步電動機參數計算［R］.湖北工業大學稀土電機及控制研究所研究報告，2010.