CAMRY與PRIUS永磁同步電動(dòng)機(jī)比較

李新華，韓 罡，章國(guó)光

（1.湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

與豐田汽車公司2004年P(guān)RIUS混合動(dòng)力系統(tǒng)THSII相比，2007年推出的CAMRY動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)生了重大變化。圖1和圖2分別為CAMRY和PRIUS永磁同步電動(dòng)機(jī) （以下簡(jiǎn)稱電動(dòng)機(jī)）實(shí)物圖。

首先，CAMRY動(dòng)力系統(tǒng)總驅(qū)動(dòng)功率達(dá)105 kW，驅(qū)動(dòng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)峰值功率達(dá)70 kW，同時(shí)具有更寬的連續(xù)運(yùn)行能力；其次，2007款CAMRY采用了一款高電壓、高轉(zhuǎn)速的永磁同步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩密度有較大提高；第三，CAMRY在電動(dòng)機(jī)輸出軸端增加了一個(gè)速比約為2.5的減速行星齒輪裝置，使電動(dòng)機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩達(dá)667Nm，顯著提高了汽車的加速性能。

1 動(dòng)力系統(tǒng)比較

表1為CAMRY和PRIUS電動(dòng)機(jī)的主要數(shù)據(jù)，與2004年款PRIUS永磁同步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(lián)；轉(zhuǎn)子8極，內(nèi)置V形磁鋼，每極磁鋼中間增加了1個(gè)磁橋。

CAMRY電動(dòng)機(jī)是一款高電壓、高轉(zhuǎn)速和高功率密度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。CAMRY電動(dòng)機(jī)的峰值功率比PRIUS電動(dòng)機(jī)增加了20kW，電動(dòng)機(jī)供電電壓由500V升至650 V，特別是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大幅提高，最高轉(zhuǎn)速達(dá)14000 r／min，比PRIUS電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速提高了2.3倍。為了進(jìn)一步降低鐵耗，CAMRY電動(dòng)機(jī)定子鐵心采用0.31mm硅鋼片沖片，而PRIUS電動(dòng)機(jī)定子鐵心采用0.33 mm硅鋼片。CAMRY電動(dòng)機(jī)定子槽比PRIUS電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)主要數(shù)據(jù)

與PRIUS不同的是，CAMRY在電動(dòng)機(jī)輸出軸端增加了一個(gè)減速行星齒輪裝置，稱為 “二星”結(jié)構(gòu)，見圖3。PRIUS電動(dòng)機(jī)直接與行星齒輪的環(huán)齒連接，而CAMRY電動(dòng)機(jī)則通過一個(gè)減速行星齒輪與行星齒輪的環(huán)齒連接，電動(dòng)機(jī)軸與減速行星齒輪環(huán)齒之間的傳動(dòng)比為（57／18）×（18／23）=2.478， 也就是說， 減速行星齒輪環(huán)齒的轉(zhuǎn)速比電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低2.478倍，而環(huán)齒的轉(zhuǎn)矩比電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增加2.478倍。

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

表2 CAMRY和PRIUS電動(dòng)機(jī)主要尺寸及材料消耗

2 轉(zhuǎn)子比較

2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

與PRIUS電動(dòng)機(jī)一樣，CAMRY電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極仍用V形結(jié)構(gòu)，每極表面開有2個(gè)淺的溝槽，用于削弱諧波磁場(chǎng)，如圖4所示。然而作為一款14000r／min的高速永磁同步電動(dòng)機(jī)，首先必須考慮轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度。為防止電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力的破壞，增加轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，在V形磁極中間增加了一個(gè)磁橋，將PRIUS電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子V形2橋磁極改為3橋磁極，如圖5所示；與此同時(shí)，CAMRY電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子V形磁極兩側(cè)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(gè)磁橋，在提高轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，也能增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)直軸電樞反應(yīng)的去磁能力。

2.2 空載磁場(chǎng)

根據(jù)美國(guó)能源部報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，采用磁場(chǎng)有限元方法對(duì)其進(jìn)行空載磁場(chǎng)分析，圖6是CAMRY電動(dòng)機(jī)空載磁場(chǎng)分布圖，表3給出了CAMRY和PRIUS電動(dòng)機(jī)空載氣隙磁密傅立葉分析結(jié)果。與PRIUS電動(dòng)機(jī)相比，CAMRY電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子增加一個(gè)磁橋后，由于磁鋼徑向?qū)挾群统浯欧较蚝穸嚷杂性黾?，電?dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)并沒有發(fā)生大的變化，這不僅很好地滿足了電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)對(duì)其機(jī)械強(qiáng)度的要求，同時(shí)也能產(chǎn)生良好的氣隙磁場(chǎng)波形，滿足電動(dòng)機(jī)電磁性能的要求。

表3 CAMRY和PRIUS電動(dòng)機(jī)空載氣隙磁密

2.3 釹鐵硼磁鋼

剩余磁通密度Br和內(nèi)稟矯頑力Hci是永磁材料的2個(gè)重要性能參數(shù)，它們都隨溫度升高而下降。如果磁鋼的內(nèi)稟矯頑力選擇過低，當(dāng)受到高溫或高強(qiáng)度的反向磁場(chǎng)時(shí)，磁體可能會(huì)出現(xiàn)退磁；反過來，磁鋼的內(nèi)稟矯頑力選擇過高，會(huì)增加磁鋼成本。

對(duì)于混合動(dòng)力汽車電動(dòng)機(jī)所使用的釹鐵硼磁鋼，內(nèi)稟矯頑力又是一個(gè)特別重要的參數(shù)，它往往涉及高溫和弱磁運(yùn)行條件。圖7為不同溫度下CAMRY和PRIUS電動(dòng)機(jī)釹鐵硼磁鋼磁滯回線測(cè)試曲線。溫度變化時(shí)，CAMRY和PRIUS電動(dòng)機(jī)磁體剩余磁通密度相差不大，但CAMRY磁鋼的內(nèi)稟矯頑力則低于PRIUS。如110℃時(shí)，CAMRY磁鋼的內(nèi)稟矯頑力約為15kOe，114℃時(shí)PRIUS磁體的內(nèi)稟矯頑力約為18kOe。

CAMRY電動(dòng)機(jī)合理的磁路和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證了磁鋼在較低的環(huán)境溫度下工作。根據(jù)CAMRY服務(wù)手冊(cè)，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行溫度一般低于90℃，這樣CAMRY電動(dòng)機(jī)可以選擇較低的內(nèi)稟矯頑力磁鋼，達(dá)到降低電動(dòng)機(jī)制造成本的目的。

3 電動(dòng)機(jī)效率圖比較

CAMRY和PRIUS電動(dòng)機(jī)效率圖分別如圖8、圖9所示。CAMRY電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的大部分區(qū)域效率超過90%，高速或高轉(zhuǎn)矩區(qū)域則為低效率運(yùn)行區(qū)；而PRIUS電動(dòng)機(jī)的高效區(qū)則明顯小于CAMRY電動(dòng)機(jī)，特別是PRIUS電動(dòng)機(jī)在低速、大轉(zhuǎn)矩區(qū)效率下降較快。

CAMRY電動(dòng)機(jī)效率提高的主要原因在于:一是電動(dòng)機(jī)供電電壓提高，減小了電動(dòng)機(jī)電流，從而進(jìn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大幅提高，也明顯改善了電動(dòng)機(jī)的低速性能。當(dāng)然，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高后，機(jī)械損耗也會(huì)隨之增大，但總的來說，CAMRY電動(dòng)機(jī)效率是提高的。

4 電動(dòng)機(jī)參數(shù)比較

永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)包括直軸和交軸電樞反應(yīng)電感、永磁磁鏈和繞組電阻等，它們對(duì)于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、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(jì)算公式為

式中:N——一相串聯(lián)匝數(shù)；kN1——基波繞組系數(shù)；Bδ01——基波磁密幅值；τ——極距；l——定子鐵心有效長(zhǎng)度。

PRIUS電動(dòng)機(jī): N=72匝， kN1=0.966， τ=63.58mm，l=83.82 mm， 由表3可知Bδ01=0.732 T， 根據(jù) （1） 式計(jì)算出永磁極基波磁鏈ψpm=0.173Wb。CAMRY電動(dòng)機(jī): N=56匝， kN1=0.966， τ=63.58 mm， l=60.7 mm，由表3可知Bδ01=0.778T， 根據(jù) （1） 式計(jì)算出永磁極基波磁鏈ψpm=0.103 Wb。 CAMRY與PRIUS電動(dòng)機(jī)定子鐵心內(nèi)徑相同，但CAMRY電動(dòng)機(jī)的一相串聯(lián)匝數(shù)和定子鐵心有效長(zhǎng)度均小于PRIUS電動(dòng)機(jī)，故CAMRY電動(dòng)機(jī)永磁極基波磁鏈比PRIUS電動(dòng)機(jī)明顯減小。

4.2 定子繞組電阻

定子一相繞組電阻的計(jì)算公式為

式中:ρcu——銅線電阻率，對(duì)于H級(jí)絕緣，ρcu=0.0245×10-6Ωm；lc——線圈半匝平均長(zhǎng)度，m；sc——導(dǎo)體截面積，m2；a——并聯(lián)支路數(shù)。

PRIUS電動(dòng)機(jī): lc=200.22mm， sc=8.492×10-6m2，a=1， 由 （2） 式計(jì)算得R1=0.08318Ω。 CAMRY電動(dòng)機(jī): lc=175.88 mm， sc=4.732×10-6m2， a=2， 由 （2）式計(jì)算得R1=0.05199Ω?？梢姡珻AMRY電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)速和供電電壓升高，一相串聯(lián)匝數(shù)和線圈半匝平均長(zhǎng)度都有減小，使得CAMRY電動(dòng)機(jī)定子一相繞組電阻比PRIUS電動(dòng)機(jī)減小37.5%。

4.3 電樞反應(yīng)電感

為了考慮電動(dòng)機(jī)磁路飽和因素的影響，采用有限元方法計(jì)算。

經(jīng)過推導(dǎo)，直、交軸電樞反應(yīng)電感計(jì)算公式分別為

式中:Lad——直軸電樞反應(yīng)電感；Bd1——電動(dòng)機(jī)電樞電流純粹去磁時(shí)氣隙基波磁密；Id——直軸去磁電流有效值；Laq——交軸電樞反應(yīng)電感；Baq1——交軸基波磁密幅值；Iq——交軸電流有效值。

根據(jù) （3）、 （4） 式， 計(jì)算出CAMRY和PRIUS電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)電感，其與電樞電流關(guān)系曲線如圖10所示。

可見，當(dāng)電樞電流增加時(shí)，直軸電樞反應(yīng)電感減小，但減小不大，而交軸電樞反應(yīng)電感隨電樞電流增加下降比較大。另一方面，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)電感參數(shù)也相差較大，CAMRY電動(dòng)機(jī)直、交軸電樞反應(yīng)電感比PRIUS電動(dòng)機(jī)直、交軸電樞反應(yīng)電感都小一半左右。

導(dǎo)致電樞反應(yīng)電感相差較大的主要原因是:CAMRY為高速電動(dòng)機(jī)，一相串聯(lián)匝數(shù)為56匝，而PRIUS電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，一相串聯(lián)匝數(shù)為72匝，由于電感正比于繞組匝數(shù)的平方，故有（56／72）2=0.604，與兩個(gè)電動(dòng)機(jī)電感之比近似相等。與此同時(shí)，CAMRY電動(dòng)機(jī)交、直軸電樞反應(yīng)電感之比Laq／Lad=4.044，PRIUS電動(dòng)機(jī)交、直軸電樞反應(yīng)電感比為3.603。電動(dòng)機(jī)交、直軸電樞反應(yīng)電感比反應(yīng)了電動(dòng)機(jī)的凸極性，CAMRY電動(dòng)機(jī)通過改進(jìn)轉(zhuǎn)子磁橋設(shè)計(jì)增加了凸極性，這有利于磁阻轉(zhuǎn)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(yè)大學(xué).PRIUS永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算［R］.湖北工業(yè)大學(xué)稀土電機(jī)及控制研究所研究報(bào)告，2010.