CAMRY与PRIUS永磁同步电动机比较

李新华，韩 罡，章国光

（1.湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068；2.东风汽车公司技术中心，湖北 武汉 430058）

与丰田汽车公司2004年PRIUS混合动力系统THSII相比，2007年推出的CAMRY动力系统发生了重大变化。图1和图2分别为CAMRY和PRIUS永磁同步电动机 （以下简称电动机）实物图。

首先，CAMRY动力系统总驱动功率达105 kW，驱动用永磁同步电动机峰值功率达70 kW，同时具有更宽的连续运行能力；其次，2007款CAMRY采用了一款高电压、高转速的永磁同步电动机作为驱动电机，电机的功率和转矩密度有较大提高；第三，CAMRY在电动机输出轴端增加了一个速比约为2.5的减速行星齿轮装置，使电动机的峰值转矩达667Nm，显著提高了汽车的加速性能。

1 动力系统比较

表1为CAMRY和PRIUS电动机的主要数据，与2004年款PRIUS永磁同步电动机定、转子结构大体相同。定子铁心仍是48槽、单层分布绕组，但绕组改为2条支路并联；转子8极，内置V形磁钢，每极磁钢中间增加了1个磁桥。

CAMRY电动机是一款高电压、高转速和高功率密度的驱动电机。CAMRY电动机的峰值功率比PRIUS电动机增加了20kW，电动机供电电压由500V升至650 V，特别是电动机转速大幅提高，最高转速达14000 r／min，比PRIUS电动机最高转速提高了2.3倍。为了进一步降低铁耗，CAMRY电动机定子铁心采用0.31mm硅钢片冲片，而PRIUS电动机定子铁心采用0.33 mm硅钢片。CAMRY电动机定子槽比PRIUS电动机定子槽略宽些，但槽深减小了2.5 mm，下线难度有所降低。

表1 CAMRY和PRIUS电动机主要数据

与PRIUS不同的是，CAMRY在电动机输出轴端增加了一个减速行星齿轮装置，称为 “二星”结构，见图3。PRIUS电动机直接与行星齿轮的环齿连接，而CAMRY电动机则通过一个减速行星齿轮与行星齿轮的环齿连接，电动机轴与减速行星齿轮环齿之间的传动比为（57／18）×（18／23）=2.478， 也就是说， 减速行星齿轮环齿的转速比电动机的转速低2.478倍，而环齿的转矩比电动机的输出转矩增加2.478倍。

对于混合动力汽车来说，由于车舱空间十分紧张，通过提高电动机转速来减小电动机体积便是一项十分有效的措施。与PRIUS电动机相比，CAMRY电动机的峰值功率增加了20 kW，由于CAMRY电动机最高转速为14000r／min，电动机体积反而有所减小，有效材料质量下降3.3 kg，特别是钕铁硼磁钢用量每台减少300 g，电动机制造成本有一定下降；与此同时，功率密度明显上升，达1.68 kW／kg，PRIUS电动机只有1.11 kW／kg， CAMRY电动机高出0.57 kW／kg。 表2给出了CAMRY和PRIUS电动机主要尺寸及材料消耗的比较。

表2 CAMRY和PRIUS电动机主要尺寸及材料消耗

2 转子比较

2.1 转子结构

与PRIUS电动机一样，CAMRY电动机转子磁极仍用V形结构，每极表面开有2个浅的沟槽，用于削弱谐波磁场，如图4所示。然而作为一款14000r／min的高速永磁同步电动机，首先必须考虑转子结构的机械强度。为防止电动机转子高速旋转时离心力的破坏，增加转子的机械强度，在V形磁极中间增加了一个磁桥，将PRIUS电动机转子V形2桥磁极改为3桥磁极，如图5所示；与此同时，CAMRY电动机转子V形磁极两侧磁桥厚比PRIUS也有所增加，CAMRY为2.05 mm （最窄处），PRIUS为1.42 mm （最窄处）。 由于每极中间增加一个磁桥，在提高转子机械强度的同时，也能增强电动机直轴电枢反应的去磁能力。

2.2 空载磁场

根据美国能源部报告提供的数据，采用磁场有限元方法对其进行空载磁场分析，图6是CAMRY电动机空载磁场分布图，表3给出了CAMRY和PRIUS电动机空载气隙磁密傅立叶分析结果。与PRIUS电动机相比，CAMRY电动机转子磁极结构改变后，基波、7次磁密略有增大，5次、11次以及13次谐波略微减小。可见，CAMRY电动机转子增加一个磁桥后，由于磁钢径向宽度和充磁方向厚度略有增加，电动机气隙磁场并没有发生大的变化，这不仅很好地满足了电动机高速旋转对其机械强度的要求，同时也能产生良好的气隙磁场波形，满足电动机电磁性能的要求。

表3 CAMRY和PRIUS电动机空载气隙磁密

2.3 钕铁硼磁钢

剩余磁通密度Br和内禀矫顽力Hci是永磁材料的2个重要性能参数，它们都随温度升高而下降。如果磁钢的内禀矫顽力选择过低，当受到高温或高强度的反向磁场时，磁体可能会出现退磁；反过来，磁钢的内禀矫顽力选择过高，会增加磁钢成本。

对于混合动力汽车电动机所使用的钕铁硼磁钢，内禀矫顽力又是一个特别重要的参数，它往往涉及高温和弱磁运行条件。图7为不同温度下CAMRY和PRIUS电动机钕铁硼磁钢磁滞回线测试曲线。温度变化时，CAMRY和PRIUS电动机磁体剩余磁通密度相差不大，但CAMRY磁钢的内禀矫顽力则低于PRIUS。如110℃时，CAMRY磁钢的内禀矫顽力约为15kOe，114℃时PRIUS磁体的内禀矫顽力约为18kOe。

CAMRY电动机合理的磁路和冷却系统设计，保证了磁钢在较低的环境温度下工作。根据CAMRY服务手册，电动机的运行温度一般低于90℃，这样CAMRY电动机可以选择较低的内禀矫顽力磁钢，达到降低电动机制造成本的目的。

3 电动机效率图比较

CAMRY和PRIUS电动机效率图分别如图8、图9所示。CAMRY电动机在转矩转速的大部分区域效率超过90%，高速或高转矩区域则为低效率运行区；而PRIUS电动机的高效区则明显小于CAMRY电动机，特别是PRIUS电动机在低速、大转矩区效率下降较快。

CAMRY电动机效率提高的主要原因在于:一是电动机供电电压提高，减小了电动机电流，从而进一步减小了铜耗；其次，由于采用0.31 mm硅钢片，有效降低了铁耗；再次，电动机转速大幅提高，也明显改善了电动机的低速性能。当然，电动机转速升高后，机械损耗也会随之增大，但总的来说，CAMRY电动机效率是提高的。

4 电动机参数比较

永磁同步电动机参数包括直轴和交轴电枢反应电感、永磁磁链和绕组电阻等，它们对于电动机设计、分析乃至控制都十分重要。

4.1 永磁磁链

永磁极基波磁链的计算公式为

式中:N——一相串联匝数；kN1——基波绕组系数；Bδ01——基波磁密幅值；τ——极距；l——定子铁心有效长度。

PRIUS电动机: N=72匝， kN1=0.966， τ=63.58mm，l=83.82 mm， 由表3可知Bδ01=0.732 T， 根据 （1） 式计算出永磁极基波磁链ψpm=0.173Wb。CAMRY电动机: N=56匝， kN1=0.966， τ=63.58 mm， l=60.7 mm，由表3可知Bδ01=0.778T， 根据 （1） 式计算出永磁极基波磁链ψpm=0.103 Wb。 CAMRY与PRIUS电动机定子铁心内径相同，但CAMRY电动机的一相串联匝数和定子铁心有效长度均小于PRIUS电动机，故CAMRY电动机永磁极基波磁链比PRIUS电动机明显减小。

4.2 定子绕组电阻

定子一相绕组电阻的计算公式为

式中:ρcu——铜线电阻率，对于H级绝缘，ρcu=0.0245×10-6Ωm；lc——线圈半匝平均长度，m；sc——导体截面积，m2；a——并联支路数。

PRIUS电动机: lc=200.22mm， sc=8.492×10-6m2，a=1， 由 （2） 式计算得R1=0.08318Ω。 CAMRY电动机: lc=175.88 mm， sc=4.732×10-6m2， a=2， 由 （2）式计算得R1=0.05199Ω。可见，CAMRY电动机由于转速和供电电压升高，一相串联匝数和线圈半匝平均长度都有减小，使得CAMRY电动机定子一相绕组电阻比PRIUS电动机减小37.5%。

4.3 电枢反应电感

为了考虑电动机磁路饱和因素的影响，采用有限元方法计算。

经过推导，直、交轴电枢反应电感计算公式分别为

式中:Lad——直轴电枢反应电感；Bd1——电动机电枢电流纯粹去磁时气隙基波磁密；Id——直轴去磁电流有效值；Laq——交轴电枢反应电感；Baq1——交轴基波磁密幅值；Iq——交轴电流有效值。

根据 （3）、 （4） 式， 计算出CAMRY和PRIUS电动机电枢反应电感，其与电枢电流关系曲线如图10所示。

可见，当电枢电流增加时，直轴电枢反应电感减小，但减小不大，而交轴电枢反应电感随电枢电流增加下降比较大。另一方面，两个电动机电感参数也相差较大，CAMRY电动机直、交轴电枢反应电感比PRIUS电动机直、交轴电枢反应电感都小一半左右。

导致电枢反应电感相差较大的主要原因是:CAMRY为高速电动机，一相串联匝数为56匝，而PRIUS电动机转速相对较低，一相串联匝数为72匝，由于电感正比于绕组匝数的平方，故有（56／72）2=0.604，与两个电动机电感之比近似相等。与此同时，CAMRY电动机交、直轴电枢反应电感之比Laq／Lad=4.044，PRIUS电动机交、直轴电枢反应电感比为3.603。电动机交、直轴电枢反应电感比反应了电动机的凸极性，CAMRY电动机通过改进转子磁桥设计增加了凸极性，这有利于磁阻转矩的利用。

［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］湖北工业大学.PRIUS永磁同步电动机参数计算［R］.湖北工业大学稀土电机及控制研究所研究报告，2010.