ISG永磁同步电机优化设计的仿真分析

李新华，周 彦，殷鹏冬

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉430068）

集成式起动—发电机ISG（ISG：Integrated Starter Generator）具有高起动转矩、高发电效率、高性价比，是轻度混合动力汽车中的核心部件之一.日本本田汽车公司在ISG技术应用及轻度混合动力汽车市场化方面走在了世界前列.1999年，本田推出了应用ISG技术的第一代混合电动汽车Insight.该ISG系统采用10kW 超薄型永磁无刷直流电机，厚度仅为60mm，电源系统采用144V的蓄电池组，电机与发动机曲轴直接连接.此后本田第二代Accord、第三代Civic（2005款）和第四代Civic（2006款）混合电动汽车ISG均采用了内置式永磁同步电机.2006款ISG电动时最大功率10kW，发电时最大功率12.3kW，特别是使用了一种扁线圈缠绕构造，使得电动机最大功率和最大转矩比2005款ISG分别增加了50% 和14%，效率由原来的94.6% 提高到 96%［1］.

毋庸置疑，内置式永磁同步电机是目前ISG的主流电机.现在看来，不同汽车公司ISG永磁同步电机采用了不同的结构型式［2］，即使是同一汽车公司，ISG永磁同步电机也在不断升级，如本田汽车公司的ISG电机已经升级了四代.为了研究不同转子外圆形状、极／槽配合、磁桥结构与磁钢排列等对ISG性能方面的影响，本文采用Ansoft和 Ansys软件对其进行仿真分析，为电机优化设计提供参考.仿真建模时参照Accord ISG的主要技术和结构数据［3］如下：直流电压144V；峰值／额定功率12.4／6.2kW；最高／额定转速6 000r·min－1／870r·min－1；峰值／额定转矩136Nm／68Nm；定子铁心内／外径／232／315.5mm；转子铁心内／外径 188 mm／230mm；定子轴向长度40.1mm；极／槽配合16／24；一相串联匝数52.

1 不同转子铁心外圆形状

转子外圆形状对ISG电机的空载气隙磁场、电动势和电磁转矩波形以及电机运行振动噪声等产生影响.图1分别为ISG电机3种不同转子铁心外圆形状示意图，其中（a）为正圆外圆，气隙均匀；（b）为勾形外圆，即在q轴两侧开有沟槽；（c）为V形开口，即在N、S两极间有V形沟.建模时极／槽配合为16／24，定子铁心和绕组、气隙和磁钢用量均相同，一相串联匝数均为52匝，电机额定转速为870r／min.

图1 ISG电机的不同转子外圆形状

图2、3分别为不同转子外圆形状ISG电机空载气隙磁场和相电动势仿真曲线及傅里叶分析结果，其中，傅里叶分析柱状图中3条柱从左到右转子外圆依次为勾形、正圆和V形开口.图4为3种不同转子外圆形状ISG电机的电磁转矩及铁耗仿真曲线.表1列出了3种不同转子外圆形状ISG电机仿真结果比较.

从图2、3、4和表2分析结果来看，正圆式转子ISG电机气隙磁密和相电动势的畸变率是最小的，但电磁转矩平均值最低；V形开口式转子ISG电机的电磁转矩平均值最大，转矩能力最强，同时转矩脉动率也不大，转矩输出比较平稳；勾形转子ISG电机性能介于两者之间.3种不同转子外圆形状ISG电机的铁耗平均值相差不大.

表1 三种不同转子外圆形状ISG电机仿真结果比较

表2 三种不同极／槽配合ISG仿真结果比较

2 不同极／槽配合

极／槽配合是ISG电机优化设计时需要着重考虑的因素.下面对3种不同极／槽配合ISG电机进行仿真分析.ISG电机一相串联匝数均为52匝，电机额定转速为870r／min，定、转子内外径以及轴向长度相同.图5给出了不同极槽配合ISG电机空载仿真曲线及傅里叶分析结果；图6分别给出了不同极槽配合ISG电机空载相电动势仿真曲线及傅里叶分析结果；图7分别给出了3种不同极槽配合ISG电机额定转速870r／min、电枢绕组通入有效值为88A电流时仿真结果.傅里叶分析柱状图从左到右ISG极／槽配合分别为12极／18槽、10极／15槽和16极／24槽.表2给出了3种同极槽配合ISG仿 真结果比较.

由上可知，尽管16极／24槽ISG电机空载气隙磁密畸变率最大，但空载相电动势畸变率最小，表明该电机绕组对谐波电动势的抑制能力好，同时电机电磁转矩平均值最大，转矩脉动率也最小；10极／15槽ISG电机气隙磁密畸变率最小，由于铁耗频率相对较低，电机铁耗平均值也最小，电机的电磁转矩平均值最小；12极／18槽ISG电机电磁转矩平均值介于两者之间，但转矩脉动率和铁耗平均值最大.

3 不同磁桥结构与永磁体排列

不同磁桥结构与永磁体排列对电机空载磁场、动态性能、转子结构安全等都将产生影响.本文分析4种不同磁桥结构与永磁体排列转子ISG电机，如图8所示.分析时假定电机极／槽配合为16极／24槽，定、转子内外径以及磁钢总用量相同.

图8 不同磁桥结构与永磁体排列ISG电机转子示意

图9～11分别为4种不同磁桥结构和磁钢排列ISG电机空载气隙磁密仿真曲线及傅里叶分析结果、空载相电动势仿真曲线和傅里叶分析结果、电磁转矩和铁耗仿真曲线.傅立叶分析柱状图从左到右ISG转子结构依次为三桥V字形、二桥V字形、三桥一字形和二桥一字形.表3给出了4种不同磁桥结构和磁钢排列ISG仿真结果比较.

图9 不同磁桥结构和磁钢排列ISG空载气隙磁密及傅里叶分析

表3 4种不同磁桥结构和磁钢排列ISG电机仿真结果比较

结果表明，三桥一字形和二桥一字形磁钢排列的磁场和电动势畸变率小，波形质量好；三桥V字形的电磁转矩平均值最大，转矩能力最强，二桥V字形和二桥一字形电磁转矩平均值相同；三桥一字形和三桥V字形磁钢排列的转矩脉动率低，二桥V字形的转矩脉动率最大；由于电动势波形质量好，二桥一字形铁耗平均值最小.

另一方面，不同磁桥结构与磁钢排列对转子应力有很大影响，涉及到转子结构安全.为此，对上述4种不同磁钢磁桥配合进行了应力仿真分析，ISG电机在最高转速6000r／min条件下应力与形变仿真结果分别见图12－15.表4给出了4种不同磁桥结构与磁钢排列ISG电机转子应力仿真结果比较.

图12 三桥V字形转子应力与形变仿真结果

表4 不同磁桥结构与磁钢排列ISG电机转子应力仿真结果比较

上述应力仿真结果表明，ISG电机转子二桥变成三桥，可以明显减小转子的应力和形变，因此，三桥ISG更能保证电机在高速运行下的转子结构安全；无论是二桥还是三桥ISG，最大应力都集中在磁桥的上棱边处，可以适当增大导角来降低此处的最大应力；4种不同磁桥结构ISG的最大形变都在磁钢轴向端部的中间处，转子轴向端部的端环结构可以有效防止形变的扩大.

4 结论

综上分析，可以得出以下结论：

1）V形开口式转子ISG电机的转矩能力最强；正圆式的气隙磁密和相电动势畸变率最小，转矩脉动率最低.

2）16极／24槽ISG电机的电磁转矩平均值最大，转矩脉动率也最小；10极／15槽的气隙磁密畸变率最小，铁耗平均值也最小.

3）三桥V字形ISG电机的转矩能力最强，转矩脉动率也最低；二桥一字形的电磁转矩平均值次之，铁耗平均值最小，但转子应力和形变较大.

［1］张 华，张嘉君，周 容.本田第四代混合动力系统IMA［J］.上海汽车，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，宋建国，沈光地.电动汽车电机驱动系统特性研究［J］.微电机，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.