中度混合動力汽車ISG電機優化設計

王利，陳健，任勇，周洪波，周安健，蘇嶺

(重慶長安新能源汽車有限公司，重慶 401120)

中度混合動力汽車ISG電機優化設計

王利，陳健，任勇，周洪波，周安健，蘇嶺

(重慶長安新能源汽車有限公司，重慶 401120)

提出了一種對混合動力ISG電機優化設計的方法。通過數據總結設計要點，提出設計方案。借助電磁場有限元分析對優化電機進行詳細的設計計算。然后對計算結果進行工程化設計，制作樣機進行試驗，最終將優化設計結果應用于新一代的產品。

混合動力汽車;ISG電機;優化設計

隨著汽車工業的發展和節能環保理念的深入人心，汽車電氣化成為今后的發展趨勢［1－2］。由于汽車電池領域還未出現明顯的技術突破［3－4］，因而純電驅動系統存在續使里程不足和成本較高等缺點，單獨使用電機的純電動汽車目前還很難獲得市場及用戶的認可。將電機與傳統的發動機相結合構成混合動力系統，通過電機彌補發動機的固有缺陷，改善發動機的工作狀態，提高整個動力總成的效率，增強整車的燃油經濟性，無疑在相當一段時間內具有廣泛的市場前景，且目前的技術能力也能支撐混合動力系統的市場化［5－7］。

ISG電機作為混合動力系統的重要組成部分，主要作用是使發動機擁有更優的性能。電機的好壞直接決定混合動力系統的性能。因此根據實際混合動力系統的工作情況，設計一款合適的ISG電機，對于整個混合動力系統的設計有重要的意義。

本文從前一代混合動力汽車運行的大量實際測試數據出發，對中度混合動力的ISG電機運行工況進行深入分析，并引入一種全新的分析方法。在分析數據的基礎上，結合ISG電機設計方面積累的經驗，總結出混合動力ISG電機的設計要點。在現有電機基礎上進行優化設計，制作樣機進行實際測試，并將優化設計的結果應用于新一代的混合動力系統。

1 中度混合動力汽車對ISG電機的要求

如圖1所示，在典型中度混合動力汽車的動力總成中，ISG電機和發動機、變速器同軸連接。電機類型為永磁同步內轉子電機。在這種結構中ISG電機同發動機曲軸有同樣的工作轉速。

圖1 混合動力總成示意圖

圖2為某發動機的典型萬有特性曲線。發動機的最佳效率受扭矩和轉速的束縛。在實際應用中，變速器用來改善發動機的轉速運行區域，電機的作用為改善發動機的扭矩運行區域。通過這兩個方面可以使發動機運行于最高效率點上，從而達到提高燃油經濟性的目的。合理的ISG電機設計能使混合動力車輛獲得更高的動力性能和更低的油耗。

由于ISG電機與發動機同軸，因此電機轉速與發動機轉速范圍相同。同時為保證電機有足夠的功率，通常電機高效區位于最高轉速的一半的位置。在進行優化設計前，電機的效率MAP圖如圖3所示。

圖2 發動機萬有特性曲線

圖3 優化設計前ISG電機效率MAP圖

2 ISG電機運行工況研究及分析

為獲取整車在實際工況中的電機運行情況，使用遠程監控系統記錄車輛行車數據，通過數據分析電機的轉速與轉矩。圖4為電機在某工況下的實測數據。

不同路況和不同的駕駛習慣會導致工況數據有明顯差別?；跇颖玖勘M可能大的原則，本研究對10車累計2 000 h的綜合工況行車數據進行統計，得到一個如圖5所示的電機轉矩轉速載荷譜。對其中某段2 000 h的數據進行分析，統計出電機在各個轉速轉矩下的時間占比。

圖4 某工況下ISG電機實測轉速轉矩數據

圖5 ISG電機常用區域

從載荷譜可以看出電機主要功能為怠速啟停、制動能量回收、小扭矩助力。常用工作區間見表1。

表1 ISG電機使用時間占比統計

通過實測數據最終得到如下結論:

1)電機25%的時間處于零轉矩狀態。

2)電機在出力狀態下有70%的時間工作在750～2 250 r/min@20～－20 N·m。

風險事件是造成損失的直接原因。如地震、火災、臺風、戰爭、暴亂、征收、匯兌限制等。風險事件是風險發生的導火索，將風險發生的可能性轉化為現實性。

3)電機的峰值扭矩使用區間基本在1 500～2 000 r/min。

將載荷譜與圖3的原電機效率MAP對比，可發現目前電機的最高效率區域和實際運用情況并不重合。細致觀察ISG電機運行工況和電機效率MAP圖，可以發現ISG電機在大扭矩使用轉速1 500～2 000 r/min時效率很低，此處效率的提升對于整個系統的性能提升有重要意義。

3 ISG電機優化設計的要點與理論計算

通過前面的分析可知，ISG電機應在設計上使低速大扭矩區域獲得更高效率，并兼顧整個區域的效率提升。

要提高電機的效率，唯一辦法是降低電機的損耗。在通常情況下，電機的損耗主要由繞組銅耗、鐵耗和機械損耗組成，其中繞組銅耗所占比重較大，一般在3%以上。因此研究的優化目標主要是降低繞組銅耗。

繞組銅耗的經驗計算公式為

其中:m為相數;IN為相電流有效值;Rphase為相電阻。

因此優化分析從降低電機定子電流和電機定子電阻2個方面入手。

3.1 降低電機定子電流方案

電機常數公式為

其中:D，lef為電機定子內徑和長度;n，P'為電機轉速和功率;a'p，KNm，Kdp為常數;A，Bδ為電密和氣隙磁場強度。

在不改變電機設計尺寸的情況下，需要降低定子電流(即降低電密A)，因此必須提升電機氣隙磁場強度。

借助電磁場有限元分析工具，對電機轉子設計進行優化。在不改變永磁體用量的情況下，將原電機“一字形”永磁體優化為“V形”永磁體，從而提高電機定子磁場基波分量，如圖6～9和表2所示。電機電磁性能發生的變化如表3所示。

圖6 永磁體形式更改前后有限元模型對比

圖7 永磁體用量在變化前后的總量無變化

圖8 “一字型”永磁體氣隙磁密波形傅里葉分析結果

表2 “一字型”和“V型”永磁體氣隙磁密波形傅里葉分析結果對比

圖9 “V型”永磁體氣隙磁密波形傅里葉分析結果

表3 “一字型”和“V型”永磁體電機電磁性能對比

3.2 降低電機定子電阻方案

電機定子電阻R的計算公式為

其中:ρ為材料屬性，可視為常數;L為電機繞組長度，不改變電機繞組連接形式時為常數;S為導體橫截面積。

降低電機定子繞組電阻的唯一方案為增加電機繞組銅線面積，因此必須增加定子繞組的槽滿率，這在工藝上受到嵌線工藝的限制，所以必須改變定子繞組工藝才可以達到提高定子繞組槽滿率的目的。分塊式定子方案由于將定子嵌線工藝改為繞線工藝，因而可以巧妙避開嵌線工藝的瓶頸，達到降低定子電阻的目的。

4 工程化方案實施

4.1 轉子設計

工程化轉子設計方案根據電磁仿真結果，將轉子進行工程化結構設計，并附加進行應力計算、機械結構連接設計等，形成的最終轉子沖片實物如圖10所示。

圖10 更改設計前后轉子沖片實物照片

4.2 定子設計

定子設計的主要目標是增加定子銅線的截面積，該目標和電機工藝上的槽滿率相矛盾。原設計方案中，能方便操作的槽滿率為60%，如再往上增加將影響電機定子的生產效率。因此定子設計方案必須更改。經過考慮，本文提出了一種分塊式電機設計方案。

如圖11所示，優化后的電機定子一共分為18個部分，每個部分之間采用8字扣的形式進行連接。

圖11 定子設計更改前后示意圖

此設計更改后，電機定子繞組的制作工藝從嵌線方式改為繞線方式，如圖12所示。

采用定子分塊設計后，電機的槽滿率不再受嵌線工藝的制約，從更改前的60%增加到約80%。由于分塊方案可以使用機械輔助生產，因此生產效率大大提高。

圖12 定子線圈變化前后示意圖

為了降低定子拼塊帶來的鐵損增加，在加工工藝上優化定子的焊接方式，將傳統的氬弧焊改為激光焊接，如圖13所示。

圖13 定子焊接方式改變

5 試驗測試

優化的電機經試制后得到試驗樣件，并搭建試驗臺架進行對比測試。試驗樣機及試驗照片如圖14所示。

圖14 試驗樣機及試驗照片

使用同一臺電機控制器分別對優化前后的電機進行參數匹配，在匹配方法上遵守恒轉矩區域最大轉矩－電流控制原則和恒功率區域最大電壓利用率控制原則，使電機系統獲得最優效率。經過臺架測試，將測試的電機效率繪制成效率MAP圖，如圖15所示。

圖15 優化設計后的電機效率MAP圖

將優化前圖3的效率與優化后圖15的效率相減，得到圖16所示的效率差值?？梢钥闯鰞灮蟮碾姍C在常用工作區間，比原電機普遍增加了5%的系統效率。

圖16 優化前和優化后電機系統的效率差值

6 結束語

在原有ISG電機的設計基礎上，通過統計電機實際運行情況，總結出了ISG電機的長期運行區域，并根據統計數據，針對性地制定了優化方案。在有限元仿真計算后，對改進方案進行了工程化設計，然后制作樣機進行試驗。優化后的電機成本更低，工藝性能更好，性能方面更能滿足混合動力汽車的實際需求。本文提出了一種ISG電機優化的全新思路，對混合動力ISG電機設計有重要借鑒意義。

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［6］陳世坤.電機設計［M］.北京:機械工業出版社，2000: 9－11.

［7］唐任遠.現代永磁電機理論與設計［M］.北京:機械工業出版社，1997:56－59.

(責任編輯 劉舸)

Optimization Design of ISG Motor for Hybrid

WANG Li，CHEN Jian，REN Yong，ZHOU Hong－bo，ZHOU An－jian，SU Ling
(Chongqing Chang’an New Energy Automobile CO.LTD.，Chongqing 401120，China)

This paper proposed a method of optimizing the design of a hybrid ISG motor.With data Summary design elements and he help of electromagnetic field finite analysis，the design proposal and detailed design calculations were employed to optimize motor.Then the calculation results were used for engineering design and production prototype testing，and they will be applied s for a new generation products ultimately.

hybrid vehicle;ISG motor;optimization design

U469.722

A

1674－8425(2014)05－0028－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.006

2013－12－18

工業和信息化部電子信息產業發展基金招標項目“汽車用IGBT芯片及模塊研發與產業化”

王利(1986—)，男，重慶人，工程師，主要從事電動汽車電機系統設計研究。

王利，陳健，任勇，等.中度混合動力汽車ISG電機優化設計［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014 (5):28－33.

format:WANG Li，CHEN Jian，REN Yong，et al.Optimization Design of ISG Motor for Hybrid［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):28－33.