李新华，吴小江，周 彦，杨国威

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068）

1 本田汽车公司ISG的发展历程

本田汽车公司致力于混合动力车开发，旗下的集成式电机助力系统 （Integrated Motor Assist，以下简称为IMA）已经发展了4代，并全部实现了其应用车型的量产，受到市场的欢迎，在此研发领域中始终保持着领先地位。1997年本田汽车公司开发出第1代IMA系统，1999年应用该系统的音赛特（Insight）混合动力汽车在美国上市；2002年，装配了第2代IMA系统的思域 （Civic）混合动力车投放市场；2005年，装备了第3代IMA系统的雅阁 （Accord）中型混合动力车投放市场，深受消费者欢迎；2006年，第4代IMA混合动力系统又应用在2006年款思域（以下简称06思域）混合动力车上［1-2］。

作为IMA的核心装置，本田汽车公司的集成式起动-发电机 （Integrated Starter Generator，以下简称为ISG）也经历了4代发展，推出了4款不同的ISG（图1），主要技术指标和结构数据见表1［3］。这4款ISG都采用较低的直流电压供电，超薄盘式外形，定子铁心内／外径尺寸相同，组合定子铁心结构，集中绕组，强迫风冷。但它们也有一些不同之处：①音赛特和2002年款思域 （以下简称02思域）ISG采用方波电流驱动的永磁无刷直流电机，而雅阁和06思域ISG采用性能更好的正弦波电流驱动的永磁同步电机；②音赛特、02思域和雅阁ISG定子绕组由圆导线制造，而06思域ISG则采用矩形扁平导体绕制，增加了导电面积，提高了槽满率；③前两款ISG转子为表贴式磁钢，后两款ISG转子则为内置式磁钢；④随着结构和材料的改进和进步，4款ISG的功率密度不断提高。

2 结构比较

永磁同步电机是ISG电机的发展方向。鉴于此，本文着重讨论本田汽车公司的第3、4代雅阁和06思域ISG同步电机。图2为雅阁和06思域ISG转子的三维结构图。尽管两款ISG推出相差只有一年左右的时间，但在结构上有较大变化，主要表现在以下几方面。

2.1 极／槽配合

电机极槽数较多的优点是电磁转矩的平滑性好，电机结构紧凑，绕组端部变短，节省用铜；而不足之处是电机的弱磁能力下降，以及高速时由于电流频率增高而增加电机稳定控制的难度［4］。雅阁ISG选用的极／槽配合为16／24，06思域ISG改为12／18，后者由于极数减小使得电机的弱磁能力得以提高。表2给出了雅阁和思域ISG额定电流时的直、交轴电枢反应电感的有限元仿真结果。由表2可见，两电机的直轴电枢反应电感之比为2.46，使得06思域ISG的直轴电流弱磁能力明显增强，电机6 000 r／min时需要的弱磁电流比雅阁小16 A左右［5］，如图3所示；另一方面，06思域ISG的凸极比比雅阁ISG的值提高47%，磁阻转矩利用率增大。

表1 本田汽车公司ISG的主要技术指标和结构数据

表2 电枢反应电感有限元仿真结果

2.2 磁钢排列方式

雅阁ISG和06思域ISG磁钢都是内置式，但雅阁ISG磁钢排列为隔磁三桥V字形，06思域ISG为隔磁二桥一字形，两款ISG的转子磁钢排列如图4所示。

根据表1数据建模并仿真，得到两款ISG空载磁场、额定转速 （雅阁ISG仿真转速840 r／min、06思域ISG仿真转速1390r／min）时相电动势以及最高转速时转子应力仿真分析结果，见表3。可见，由于雅阁ISG磁钢排列为隔磁三桥V字形，中间磁桥产生较大漏磁，气隙磁密基波相对较小；06思域ISG改为隔磁二桥一字形后，取消了中间磁桥，漏磁通减小，气隙磁密基波提高了10.4%；与此同时，气隙磁密和相电动势的畸变率分别减小了12.6%和1.4%，波形的正弦性提高；此外，雅阁ISG转子隔磁三桥结构，磁桥处的最大应力较小，而06思域ISG转子为隔磁二桥，磁桥处的最大应力相对较大。

表3 两款ISG仿真结果比较

2.3 绕组导线

两款ISG都是集中绕组，机器下线，线圈端部用母线环连接，但所使用的导线不同，如图5所示，两款ISG绕组导线相关数据见表4。雅阁ISG采用线径1.5mm传统的圆导线，槽内导体容易固定，但槽满率不高，槽内散热性不好。06思域ISG改用了长2.2 mm、宽0.9 mm的扁平导线，槽满率提高了9%，每槽增加了4根导体，每槽导电面积增加了13.6%，每相电阻下降了2%，同时也提高了槽内散热能力以及电机的功率能力，然而采用扁平导线不足之处是槽内导体容易滑动，固定比较困难。

3 性能分析

3.1 转矩能力

图6是雅阁ISG和06思域ISG电磁转矩与电枢电流的关系曲线［5］。曲线表明，电磁转矩与电枢电流呈线性关系，但它们的斜率并不一样。转矩曲线斜率反映了电机的转矩能力，即单位电流产生转矩的大小，转矩曲线斜率越大，单位电流产生转矩也越大，转矩能力越强。06思域ISG的转矩曲线的斜率较大，雅阁ISG转矩曲线的斜率较小，06思域ISG的峰值转矩比雅阁ISG的峰值转矩提高14%左右。雅阁ISG和06思域ISG有相同的体积，由于06思域ISG转矩能力的提升，电机的转矩和功率密度有一定提高。

06思域ISG的转矩能力较强的主要原因有二：一是每相增加了2匝线圈，同时选用磁性能更好的磁钢，提高了电机的空载电动势；二是新的极槽配合和转子结构，使得电机的凸极比提高，从而增加了磁阻转矩。

图7是雅阁ISG和06思域ISG在电磁转矩平均值都为66.5 Nm、电机转速840 r／min时的电磁转矩仿真曲线。雅阁ISG通入电流88 A，转矩脉动率为2.81%；06思域ISG通入电流75 A，转矩脉动率为3.71%。可见，两ISG产生相同转矩，06思域ISG电流比雅阁ISG小13 A，下降14.8%，但雅阁ISG的转矩脉动率比06思域ISG低24.2%，转矩平稳性比06思域ISG好。

齿槽转矩是引起电磁转矩脉动的主要原因。图8给出了雅阁ISG和06思域ISG齿槽转矩的仿真结果。06思域ISG的齿槽转矩峰值为4.31 Nm，雅阁ISG的齿槽转矩峰值为2.97Nm，雅阁ISG的齿槽转矩峰值比06思域ISG下降了31%。雅阁ISG的极／槽数比06思域ISG多，故齿槽转矩相对较小。

3.2 效率特性

图9是雅阁ISG和06思域ISG的效率图［5］。 由图9可见，雅阁ISG输出功率20 Nm以上、电机效率在93%以上的转速范围是2 000～3 500 r／min，而06思域ISG输出功率20 Nm以上、电机效率在93%以上的转速范围是1200～5000 r／min，因此，06思域ISG高效率区的转速范围比雅阁ISG明显拓宽，效率特性改善。

06思域ISG效率提高的主要原因在于电机磁阻转矩的充分利用，从而降低了电枢电流，使得电机铜耗下降。从图6可读出，产生103 Nm助力转矩，雅阁ISG所需的相电流约为154 A，06思域ISG所需的相电流约为134A，后者相电流降低了15%，铜耗降低30%左右；其次由于06思域ISG使用了扁平导线，增加了导电面积，每相电阻下降了2%，电机铜耗率进一步减小。

［1］张桓，朱余清，毛彩云，等.透视最新东风本田思域Hybrid混合动力技术 （上、下）［J］.汽车维修与保养，2008（8）／2008（9）.

［2］张华，周容，张嘉君.本田第四代混合动力系统（IMA）研究［J］.轻型汽车技术，2006（8）：28－31，35.

［3］R.H.Staunton，T.A.Burress，L.D.Marlino.Evaluation of 2005 Honda Accord Hybrid Electric Drive System［R］. UT－Battelle，LLC，Oak Ridge National Laboratory，Oak Ridge，Tennessee 37831，September 2006.

［4］Xiaojiang Chen，Murray Edington，RogerThornton. Development Issues of An ISG PM Machine and Control System.The 7th InternationalConference on Power Electronics，EXCO，Daegu，Korea，October 22－26，2007.

［5］Shoei Abe，Masashi Murata.Development of IMA Motor for 2006 Civic Hybrid.2006 SAE World Congress，Detroit，Michigan，April 3－6，2006.