ISG永磁同步電機優化設計的仿真分析

李新華，周 彥，殷鵬冬

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢430068）

集成式起動—發電機ISG（ISG：Integrated Starter Generator）具有高起動轉矩、高發電效率、高性價比，是輕度混合動力汽車中的核心部件之一.日本本田汽車公司在ISG技術應用及輕度混合動力汽車市場化方面走在了世界前列.1999年，本田推出了應用ISG技術的第一代混合電動汽車Insight.該ISG系統采用10kW 超薄型永磁無刷直流電機，厚度僅為60mm，電源系統采用144V的蓄電池組，電機與發動機曲軸直接連接.此后本田第二代Accord、第三代Civic（2005款）和第四代Civic（2006款）混合電動汽車ISG均采用了內置式永磁同步電機.2006款ISG電動時最大功率10kW，發電時最大功率12.3kW，特別是使用了一種扁線圈纏繞構造，使得電動機最大功率和最大轉矩比2005款ISG分別增加了50% 和14%，效率由原來的94.6% 提高到 96%［1］.

毋庸置疑，內置式永磁同步電機是目前ISG的主流電機.現在看來，不同汽車公司ISG永磁同步電機采用了不同的結構型式［2］，即使是同一汽車公司，ISG永磁同步電機也在不斷升級，如本田汽車公司的ISG電機已經升級了四代.為了研究不同轉子外圓形狀、極／槽配合、磁橋結構與磁鋼排列等對ISG性能方面的影響，本文采用Ansoft和 Ansys軟件對其進行仿真分析，為電機優化設計提供參考.仿真建模時參照Accord ISG的主要技術和結構數據［3］如下：直流電壓144V；峰值／額定功率12.4／6.2kW；最高／額定轉速6 000r·min－1／870r·min－1；峰值／額定轉矩136Nm／68Nm；定子鐵心內／外徑／232／315.5mm；轉子鐵心內／外徑 188 mm／230mm；定子軸向長度40.1mm；極／槽配合16／24；一相串聯匝數52.

1 不同轉子鐵心外圓形狀

轉子外圓形狀對ISG電機的空載氣隙磁場、電動勢和電磁轉矩波形以及電機運行振動噪聲等產生影響.圖1分別為ISG電機3種不同轉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軸兩側開有溝槽；（c）為V形開口，即在N、S兩極間有V形溝.建模時極／槽配合為16／24，定子鐵心和繞組、氣隙和磁鋼用量均相同，一相串聯匝數均為52匝，電機額定轉速為870r／min.

圖1 ISG電機的不同轉子外圓形狀

圖2、3分別為不同轉子外圓形狀ISG電機空載氣隙磁場和相電動勢仿真曲線及傅里葉分析結果，其中，傅里葉分析柱狀圖中3條柱從左到右轉子外圓依次為勾形、正圓和V形開口.圖4為3種不同轉子外圓形狀ISG電機的電磁轉矩及鐵耗仿真曲線.表1列出了3種不同轉子外圓形狀ISG電機仿真結果比較.

從圖2、3、4和表2分析結果來看，正圓式轉子ISG電機氣隙磁密和相電動勢的畸變率是最小的，但電磁轉矩平均值最低；V形開口式轉子ISG電機的電磁轉矩平均值最大，轉矩能力最強，同時轉矩脈動率也不大，轉矩輸出比較平穩；勾形轉子ISG電機性能介于兩者之間.3種不同轉子外圓形狀ISG電機的鐵耗平均值相差不大.

表1 三種不同轉子外圓形狀ISG電機仿真結果比較

表2 三種不同極／槽配合ISG仿真結果比較

2 不同極／槽配合

極／槽配合是ISG電機優化設計時需要著重考慮的因素.下面對3種不同極／槽配合ISG電機進行仿真分析.ISG電機一相串聯匝數均為52匝，電機額定轉速為870r／min，定、轉子內外徑以及軸向長度相同.圖5給出了不同極槽配合ISG電機空載仿真曲線及傅里葉分析結果；圖6分別給出了不同極槽配合ISG電機空載相電動勢仿真曲線及傅里葉分析結果；圖7分別給出了3種不同極槽配合ISG電機額定轉速870r／min、電樞繞組通入有效值為88A電流時仿真結果.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 真結果比較.

由上可知，盡管16極／24槽ISG電機空載氣隙磁密畸變率最大，但空載相電動勢畸變率最小，表明該電機繞組對諧波電動勢的抑制能力好，同時電機電磁轉矩平均值最大，轉矩脈動率也最小；10極／15槽ISG電機氣隙磁密畸變率最小，由于鐵耗頻率相對較低，電機鐵耗平均值也最小，電機的電磁轉矩平均值最小；12極／18槽ISG電機電磁轉矩平均值介于兩者之間，但轉矩脈動率和鐵耗平均值最大.

3 不同磁橋結構與永磁體排列

不同磁橋結構與永磁體排列對電機空載磁場、動態性能、轉子結構安全等都將產生影響.本文分析4種不同磁橋結構與永磁體排列轉子ISG電機，如圖8所示.分析時假定電機極／槽配合為16極／24槽，定、轉子內外徑以及磁鋼總用量相同.

圖8 不同磁橋結構與永磁體排列ISG電機轉子示意

圖9～11分別為4種不同磁橋結構和磁鋼排列ISG電機空載氣隙磁密仿真曲線及傅里葉分析結果、空載相電動勢仿真曲線和傅里葉分析結果、電磁轉矩和鐵耗仿真曲線.傅立葉分析柱狀圖從左到右ISG轉子結構依次為三橋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種不同磁橋結構和磁鋼排列ISG仿真結果比較.

圖9 不同磁橋結構和磁鋼排列ISG空載氣隙磁密及傅里葉分析

表3 4種不同磁橋結構和磁鋼排列ISG電機仿真結果比較

結果表明，三橋一字形和二橋一字形磁鋼排列的磁場和電動勢畸變率小，波形質量好；三橋V字形的電磁轉矩平均值最大，轉矩能力最強，二橋V字形和二橋一字形電磁轉矩平均值相同；三橋一字形和三橋V字形磁鋼排列的轉矩脈動率低，二橋V字形的轉矩脈動率最大；由于電動勢波形質量好，二橋一字形鐵耗平均值最小.

另一方面，不同磁橋結構與磁鋼排列對轉子應力有很大影響，涉及到轉子結構安全.為此，對上述4種不同磁鋼磁橋配合進行了應力仿真分析，ISG電機在最高轉速6000r／min條件下應力與形變仿真結果分別見圖12－15.表4給出了4種不同磁橋結構與磁鋼排列ISG電機轉子應力仿真結果比較.

圖12 三橋V字形轉子應力與形變仿真結果

表4 不同磁橋結構與磁鋼排列ISG電機轉子應力仿真結果比較

上述應力仿真結果表明，ISG電機轉子二橋變成三橋，可以明顯減小轉子的應力和形變，因此，三橋ISG更能保證電機在高速運行下的轉子結構安全；無論是二橋還是三橋ISG，最大應力都集中在磁橋的上棱邊處，可以適當增大導角來降低此處的最大應力；4種不同磁橋結構ISG的最大形變都在磁鋼軸向端部的中間處，轉子軸向端部的端環結構可以有效防止形變的擴大.

4 結論

綜上分析，可以得出以下結論：

1）V形開口式轉子ISG電機的轉矩能力最強；正圓式的氣隙磁密和相電動勢畸變率最小，轉矩脈動率最低.

2）16極／24槽ISG電機的電磁轉矩平均值最大，轉矩脈動率也最小；10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電機的轉矩能力最強，轉矩脈動率也最低；二橋一字形的電磁轉矩平均值次之，鐵耗平均值最小，但轉子應力和形變較大.

［1］張 華，張嘉君，周 容.本田第四代混合動力系統IMA［J］.上海汽車，2006，204（8）：37－39.

［2］Chau K T，Chan C C，Liu Chunhua.Overview of permanent－magnet brushless drives for electric and hybrid electric vehicles［J］.IEEE Transactions On Industrial Electronics，2008，55（6）：2 246－2 257.

［3］Adams D J，Burress T A，Ayers C W，et al.Evaluation of 2005honda accord hybrid electric drive system［R／OL］.（2013－01－06）http：／／energy.gov／.

［4］徐萍萍，宋建國，沈光地.電動汽車電機驅動系統特性研究［J］.微電機，2007，40（11）：43－45.

［5］Jae－Woo Jung，Byeong－Hwa Lee.Mechanical stress reduction of rotor core of interior permanent magnet synchronous motor［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2012，48（2）：911－914.