prius2010驱动电机分析

limengde2001

已完成prius2004、及Nissan leaf 驱动电机分析，计划本月进行prius2010及BMWi3驱动电机分析。
论坛有很多前辈发的很好的帖子，打算在此基础上详细分析计算，欢迎一起探讨。

limengde2001

PRIUS2010论坛里已经有人分析的很细致了。不用再重复讨论了，今天看的帖子链接如下：

1.以PriusIII驱动电机为例，研究一下48槽8极永磁同步电机
https://bbs.simol.cn/forum.php?m ... &fromuid=179494
(出处: 东明机电-西莫电机论坛)

2.讨论Prius2010绕组分布方式
https://bbs.simol.cn/forum.php?m ... &fromuid=179494
(出处: 东明机电-西莫电机论坛)

3.关于Prius电机的性能，有些疑问
https://bbs.simol.cn/forum.php?m ... &fromuid=179494
(出处: 东明机电-西莫电机论坛)

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4.双节钜献：Prius04、10，Camry07， Lexus08混动电机参数性能对比
https://bbs.simol.cn/forum.php?m ... &fromuid=179494
(出处: 东明机电-西莫电机论坛)
5.丰田Prius电机分析
https://bbs.simol.cn/forum.php?m ... &fromuid=179494
(出处: 东明机电-西莫电机论坛)

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6.MotorSolve analysis of the 2010 Toyota Prius Traction Motor
https://bbs.simol.cn/forum.php?m ... &fromuid=179494
(出处: 东明机电-西莫电机论坛)

7.toyota prius HEV  neurocontrol
https://bbs.simol.cn/forum.php?m ... &fromuid=179494
(出处: 东明机电-西莫电机论坛)

资料没来得及看，应该不错

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8.橡树岭国家实验室对2010款PRIUS混动系统的测试报告
https://bbs.simol.cn/forum.php?m ... &fromuid=179494
(出处: 东明机电-西莫电机论坛)

9.以第三代TOYOTA Prius为例，讨论电动汽车驱动系统
https://bbs.simol.cn/forum.php?m ... &fromuid=179494
(出处: 东明机电-西莫电机论坛)

感谢很多前辈！

limengde2001

一、主要参考资料及模型CAD文件

定转子冲片模型cad文件如下：

说明：
模型不是拆解实测的，是根据报告、论文等资料推测的，可能有细微误差，也欢迎有准确模型的朋友上传讨论。
prius2010拆解报告如下：

top10li

感谢分享，都是干货！下下来学习学习

wjqdslz

资料没来得及看，应该不错

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二、PriusIII简介
2.1        概况
Prius运用丰田全球领先的混合动力技术，在全球新能源车型中销量遥遥领先，2010财年销售一度高达50万量。
2009年，第三代PRIUS普锐斯上市。外观内饰变化显著，更具时尚气息，最关键的是 THS-II(TOYOTA第二代油电混合动力系统)全面优化，随着油电混合动力技术的进一步提升，不仅是动力性能大大提升，同时油耗相比第2代的4.7升/百公里更进一步降低至4.3升/百公里。升级后的油电混合动力系统还赋予了第三代普锐斯首屈一指的低油耗、低排放，可媲美2.0L发动机的加速性能，以及令人惊叹的电动机行驶的静谧性。
第三代普锐斯，售价23520美元起（注：leaf 35200美元起），在日本上市并迅速大卖，连续多月蝉联日本单一车型销量冠军。

2.2        升级变化特点
第三代普锐斯动力系统变化巨大：
1：发动机排量：从老款车型的1.5L提高至1.8L，采用了VVT-i技术，最大功率73kW、最大扭矩143N.m，相比第二代普锐斯57kW的最大功率/115N.m的最大扭矩。
2：蓄电池类型：从老款车型的镍电池变为更加稳定耐用的锂电池（插电版）
3：新增电充方式：最大的变化莫过于充电方式增加了外插电的形式（插电版）
4.电机电控：电动机几乎是全新设计，最大功率为60kW，最大扭矩为207N.m，最高转速13500rpm，该电机做成高速，在各方面都大幅提升。此外，PCU大幅减重缩小体积
5.此外，丰田在第三代普锐斯上率先使用了插电式混合动力技术，对得起自己 “先驱”的命名。
总来说，动力进步还是明显的。整个混合动力系统可以输出100kW的最大功率。再凭借较大的扭矩，这套动力系统达到一般2.0L排量发动机的水平不成问题，其0-100km/h的加速时间为9.8秒。
油耗方面，反而更低。改进解决了高速不省油的问题，美国官方公布的平均油耗为4.7L/100km，而英国公布的平均油耗为3.9L/100km，而中国工信部给出的平均油耗为4.3L/100km。无论是哪个数值都可以说非常低。
2.3 外观
外观与上代车型变化不大，内饰有所改进，但个人感觉不如leaf有活力、精致美观、科技感强。



Leaf如下：

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三、整车参数、工作模式及动力系统匹配核算

3.1整车参数

整车参数
整车（ｍｍ）	4485（长）×1745（宽）×1510（高）	轴距（ｍｍ）	2700
最小离地间隙（ｍｍ）	——	整备质量（kg）	1385（显著小于leaf）
定员（人）：	5	总质量（kg）
最小转弯半径（ｍ）	5.2	前后轮胎	195/65R15
风阻系数	0.25（小于leaf）	迎风面积	2.2
加速时间	10.4/9.8（优于leaf）	驱动方式	前轮
油耗	4.3L/100km	最高时速	180km/h
系统最大功率	100kW	系统最大扭矩	1965Nm（手算）
主减速比	3.268（77:24）
发动机
发动机型号	5ZR	排量	1.8L（VVT-i可变气门正时系统）
最大功率	73kW/5200rpm	最大扭矩	142Nm@4000rpm
动力电池
动力电池	镍氢电池/锂离子电池（插电）	总电压（V）	201.6-650（boosted）
电量	1.3kWh/5.2kWh（插电）	安时	6.5ah/25.8ah（插电）
功率	27kw（20C）/
电动机
电动机	永磁同步	峰值功率（kW）	60
最大转矩（N･m【kgf.m】/rpm）	207@ 0-2750rpm	最高转速（rpm）	13500
发电机
发电机	永磁同步	最大功率（kW）	42
最大转矩（N･m【kgf.m】/rpm）	——	最高转速（rpm）	——

3.2工作模式解析


3.3动力系统匹配分析


补充内容 (2017-9-14 11:53):
匹配分析见下楼
混合动力工作模式解析及动力匹配欢迎探讨

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根据计算可见，该车动力性符合公布的数据，百米加速约10s，最大爬坡35%，连续爬坡20%，最高车速180km/h。

说明：
由于混合动力系统的复杂性，下面动力性计算，全部在后桥输出端观察扭矩、转速等。
电机、发动机需要根据行星排及后桥传动系统计算转化。

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四、电机参数

该电机参数达到美国能源部2020目标，功率密度1.63. 国内功率密度目标4.0，
真做到了吗？若进一步提高转速，会带来噪音、轴承、结构强度、控制、散热等方方面面的问题
不提高转速，矩形成型绕组也不行吧
例如：
leaf的80kw电机用了32kg主材，若功率密度目标4.0，总重20kg，壳体重量占比40%，则主材仅16kg

技术指标
额定.连续	80Nm@（0~3000rpm）& 25kW@（3000~13500rpm）
峰值.短时	207Nm@（0~2750rpm）& 60kW@（2800~13500rpm）
最高转速	13500 rpm	极限转速   （考核机械寿命）	16200 rpm
直流母线电压	650V（200-650V）	最大反电势   E0-rms-line[V]   @13500 r/min	——V
最大AC电流	340A/425Arms(3s)	效率	Max 96%
环境温度	——	冷却方式	水冷65℃ ? L/min
绝缘等级	H级	工作制	S9
电池容量	6.5ah/25.8ah（插电）	电池功率	27kw（20C）/
电机重量	22.7（主材）/36.7（折算总重）	电池电量	1.3kWh/5.2kWh（插电）
功率密度	2.64/1.63	转矩密度	9.12/5.64

补充内容 (2017-9-28 23:04):
仔细调了调，觉得4还是可以达到的，毕竟BMWi3已经做到3了

补充内容 (2018-2-8 15:23):
现在大多能够做到3，主材不计外壳做到4

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五、成本及重量分析
电机总重22.69kg(主材+轴)，60kW峰值，功率密度2.9（主材）*0.6= 1.7（折算总重），达到美国能源部2020目标。
粗算，该电机成本不超过1500元，如果卖到3000元，毛利已经十分可观。


（说明：磁钢按年初300元/kg计算，目前暴涨到500）

主材分析
项目	重量	单价	成本
Cu	4.9	60	294
Fe	14.768	20	295.36
Mag	0.776	300	232.8
合计	20.444		822.16
峰值功率密度	2.9
峰值转矩密度	13.7
单位功率			11.1
单位转矩			2.4

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4        电机结构尺寸及其材料

电机详细参数已经齐备，大家可以一起分析讨论了
（说明：总体参数准确，但槽形细节有些参数不是准确，是自己描图的）


值得注意:

• 该电机电机铁芯缩短到50mm，外径264mm不变，总体十分扁粗。
• 仍然采用48s/8p、单层绕组，不是双层绕组，另外槽形依然选用梨形窄深槽，槽满率较前代略有降低
• 高速转子加了中置磁桥，转子内圆大幅缩小，增加减重孔减重。
• 磁钢槽边角及磁桥局部有大量局部优化结构，从电磁设计、结构设计、工艺角度可以发现有很多好处。
• 磁钢剩磁达到1.35，相当于45UH, 这种高剩磁的磁钢可能属于特殊定制，看好多厂家的样本只写到42UH。
• 硅钢片0.3mm，与leaf差不多，目前看30的片做车用高速电机性价比最高。
  

4.1        主要结构及其尺寸

电机主要结构及其尺寸
电机基座最大外径	——	气隙长度	0.73
定子铁芯外径	264	定子铁芯内径	161.9
定子铁芯轴向长度	50.8
转子铁芯外径	160.44	转子铁芯内径	51
转子铁芯轴向长度	50.165

4.2        定子结构 （48 槽 8 极 单层分布绕组）

定子冲片及槽形结构
Number of Stator Slots:        48
Outer Diameter of Stator (mm):          264
Inner Diameter of Stator (mm):          161.9

Type of Stator Slot:        2
Stator Slot        
            hs0 (mm):          0.8
            hs1 (mm):          0.450032
            hs2 (mm):          27.04
            bs0 (mm):          1.9
            bs1 (mm):          3.45896
            bs2 (mm):          7.00355
Top Tooth Width (mm):          7.3
Bottom Tooth Width (mm):          7.3
Skew Width (Number of Slots):        0

Length of Stator Core (mm):          50.165
Stacking Factor of Stator Core:        0.97
Type of Steel:        M19_29G         
Designed Wedge Thickness (mm):          2.00002
Slot Insulation Thickness (mm):          0.3
Layer Insulation Thickness (mm):          0
End Length Adjustment (mm):          12
Number of Parallel Branches:        1
Number of Conductors per Slot:        11
Type of Coils:        11
Average Coil Pitch:        5
Number of Wires per Conductor:        12
Wire Diameter (mm):          0.813
Wire Wrap Thickness (mm):          0.09
Slot Area (mm^2):        163.441
Net Slot Area (mm^2):        134.372
Limited Slot Fill Factor (%):        80
Stator Slot Fill Factor (%):        80.1018
Coil Half-Turn Length (mm):          167.371
Wire Resistivity (ohm.mm^2/m):        0.0217

      
4.3        转子结构（8P-V型）
转子冲片及槽形结构

详见附件CAD文件
Bridge (mm):          1.52
Rib (mm):          14
Mechanical Pole Embrace:        0.7
Electrical Pole Embrace:        0.657622
Max. Thickness of Magnet (mm):          7.16
Width of Magnet (mm):          35.76
Type of Magnet:        NdFe45_mt_1.35_0K
Type of Rotor:        5
Magnetic Shaft:        No     
   
PERMANENT MAGNET DATA

Residual Flux Density (Tesla):        1.35
Coercive Force (kA/m):        1023.14
Maximum Energy Density (kJ/m^3):        345.309
Relative Recoil Permeability:        1.05003
Demagnetized Flux Density (Tesla):        0
Recoil Residual Flux Density (Tesla):        1.35
Recoil Coercive Force (kA/m):        1023.14         










补充内容 (2017-9-28 23:06):
更正一下磁钢牌号的问题，最近了解了下45UH不难做

limengde2001

7 空载反电势、空载磁密、齿槽转矩、气隙磁密波形（13500冷态）
Prius2010反电势很高。线反电势有效值960V，幅值1500V，达到2.3倍母线电压（650Vmax）。对控制要求非常高。
齿部磁密1.3，轭部0.7，与前代较为接近。气隙磁密很高达1.0T，与选用45磁钢有关。
齿槽转矩仍然保持丰田一贯很小的特点，仅0.5Nm。
         


线反电势波形
  

电机磁场分布

cogging torque




补充内容 (2017-9-10 21:53):
注：分析报告显示反电势线电压有效值500V，低10%，可能由于模型建立误差导致

补充内容 (2017-9-12 11:46):
更正注：分析报告显示反电势*相电压*有效值500V，低10%，可能由于模型建立误差导致

补充内容 (2017-9-14 11:56):
不斜槽齿槽转矩能做的这么小，显然经过优化，欢迎探讨

阿彪

我一个小问题，为什么选择48槽8极而不是36槽8极或是其他的的呢？

limengde2001

阿彪 发表于 2017-9-10 08:11
我一个小问题，为什么选择48槽8极而不是36槽8极或是其他的的呢？

48/8在这个大小的电机中是很常规的槽配合，看看中小型异步机系列就知道了
论坛有一篇帖子，讨论汽车电机48/8，里面有进一步分析，涉及电磁、热、结构、工艺；
其实，也不是必须48/8，也有72s/12p(BMWI3)，甚至分数槽的

limengde2001

8： 25kw连续运行
效率计算与报告比，低速时准确，高速时偏差较大。

说明：
1.高速铁耗：
另外，用不同软件对比分析，发现高速效率都不足够准。主要机械耗有差别，尤其高速机械耗两个软件算的都不对。
然而，在leaf电机分析时两个软件吻合很好，且都与测试值接近。
关于高速机械耗准确计算，欢迎探讨指点。
2.材料：
因为没找到关于硅钢片性能的细致描述，用Nissan leaf的硅钢片代替了计算，所以高速铁耗计算略有误差。
8.1： 3000rpm低速
低速效率计算结果接近报告，Maxwell计算结果如下



注：其他软件对比如下：

8.2:  13500rpm高速
根据报告，该电机25kw连续运行，高速时效率有较明显下降。
高速效率计算结果偏差较大，Maxwell计算结果如下，机械耗过大：



其他软件对比如下，机械耗又过低：

情断V天涯

limengde2001 发表于 2017-8-16 13:29
一、主要参考资料及模型CAD文件

定转子冲片模型cad文件如下：

大神，CAD或者模型文件能否发一份给我。非常感谢。
另外：空载反电势THD、齿槽转矩、转矩PKavg三者关系是否都越小越好？或者什么程度是否对电机的运转的平稳性有较大影响？

limengde2001

重新修正机械损耗，得效率map图如下，可见与橡树岭实验室拆解报告中给出的效率测试结果吻合的很好