Prius·我的半个老师
丰田prius的混合动力驱动系统在业内算是一座山峰 ，一直是我们的研究标杆。第一次近距离接触Prius，是橡树岭实验室发布的2004版本电机的benchmark报告。这也是我对EV电机第一次系统了解。从此以后，Prius一代一代产品的发展，推动着我对EV电机的认知的迭代，可以说Prius是我半个老师。在2017年Prius推出了全新的变速箱P610，其搭配的电机称为Prius2017（也叫Prius IV ），代表了丰田公司对HEV驱动的最新理解。借用有限的资料，我试着将这种“理解”表述出来。
初窥Prius的电机
第四代混动变速箱P610由于双电机上下平行布置。改用平行轴齿轮代替原来的行星齿轮减速机构。但动力分流仍由单排行星齿轮完成。
YOUTUB 有个视频详细介绍了拆解这款变速箱，我将关键过程提取出来。拆开齿轮箱，能够看到电机和发电机平行排列在箱体中，装配空间特别紧凑。
发电机为23kw，电机曾扁平状，电机端部被塑封，即能够提供更高的绝缘性，又能够改善绕组端部散热情况。
电动机为一个8极48槽经典配比方案，采用了发卡绕组，电机呈现扁平状，最大转矩163NM，最高转速达到17000rpm。
从特写图上，可知发卡绕组的结构特别紧凑，美观。每槽8-根线，端部尺寸特别小。
创新较大的转子，转子采用了高速化加强的V一结构 ，在一个槽内，磁钢分为两段，为了抑制转矩脉动和齿槽转矩，转子表面开有辅助槽。
从数据看Prius 2017
好了，解剖工作做完了，下面以电动机为主对比下Prius2017（四代）相对于前几代有什么技术上的变化。
1 高速化是发展趋势
最明显的特征是从三代到四代转速从13500rpm提升到了17000rpm，转矩从207Nm下降到了163Nm。
2 功率密度提高
高速带来的明显好处是功率密度可以提高，再加上其他技术的辅助四代的体积功率密度提高36%，达到了5.7kw/L,重量功率密度从1.6提升到了1.7kw/kg，达到了DOE2020的技术要求。
3 更小的体积尺寸
体积功率密度比重量功率密度提高的比例多，说明在紧凑化技术方面有所突破。对比历代的数据四代电机首次实现了定子直径的降低，从269mm降低到215mm。 中间至少跨过了2个基座号。
4 效率进一步提升
在功率密度提高的同时，电机的效率不降反升，损耗下降了20%，最高效率达到97%，说明四代的电机设计水平有较大的突破。
5冷却功率加大
从披露的数据中，我们发现四代Prius（P610）的最大允许电流密度高出三代Prius（P410）58%，这是极大的提升，说明电机的冷却效率获得了突破。
四代prius电机同三代一样采用同轴冷却油泵，冷却油泵安装在电机轴末端的支架中，可以看到这是一个简易的齿轮容积泵。
油泵转子和电机转子同轴安装，由于转子齿数比定子齿少，这种泵转子旋转一圈，就会形成交替周期变化的容积空间，空间变大时，油被吸入，空间变小时，油被压出。
通过对比发现四代Prius油泵的外径和二代、三代一致，而高度有所增加，这也就意味着，油泵的流量加大，冷却能力提高。
prius的电机的油路设计比较考究，以发电机为例来说明。电机的冷却油路分为定子和转子两条路线。定子油路从定子外圆端出发，向内直接流过绕组端部，改善该处的冷却效果。特别要说的是转子油路设计，匠心独蕴：油泵把油压入转子中空轴中，在铁芯中部，设置了一段含有从轴到内层孔的油路，然后在靠外端一段的铁芯中又设置了从内层孔到中间孔的油路，最后油路被引导到最接近磁钢的外侧孔中。冷却油路越接近磁钢上的热量越容易被带走，如此大大改善了转子的冷却效果。
同理可以推测电动机的转子冷却油路，从转子端板出看出，V一型磁极的V两侧磁钢和一字磁钢都设计有冷却通道，对转子冷却效果相当可观。
核心心技术的突破
从上述数据中，我们可以发现丰田电机工程师设计技术的精进，从已公布的文献中，我们可以看出如下几个核心技术的突破：
1磁极结构的突破
四代prius采用全新的V一结构设计，这是一种高速改良过的磁极结构。为了适应17000rpm的高转速运行， 增设了两个旁路磁桥。另外为了降低高速时磁钢的涡流损耗，磁钢在轴截面上分成了两段。
不仅如此，为了降低定子铁耗和转矩脉动，Prius采用了正弦化磁极设计手段，通过合理的搭配V 和一的磁钢尺寸和牌号，可以形成更正弦的气隙磁密。相比三代，四代的永磁气隙磁密的三次谐波大大降低(大幅度降低铁耗)，五次谐波得到抑制（改善转矩脉动）。
2发卡绕组技术的成熟
经过多年的发展Prius的扁线绕组技术进一步提升。相比三代，槽满率提升了15%。并且在如下两个个方面获得突破：
3轻稀土少稀土技术
丰田研发新的无Dy稀土永磁技术，大幅度降低稀土的用量，相比三代产品磁钢用量降低15%，而稀土用量降低85%，从而提高了成本竞争优势。（关于无Dy技术后续会安排专题。）
最后
从Prius2010到Prius2017，电机技术的进步非常明显。一方面转矩密度、效率提高，另一方面成本和尺寸下降，丰田的技术工作做的确实非常扎实。在核心技术方面，对于我们而言，磁极结构的设计相对容易迎头改善。 扁线绕组技术、稀土技术方面涉及到较复杂的工艺管理和基础材料学科，确实是看花容易绣花难。革命尚未成功，同志们还需努力。
文章来源：电机产品技术前哨作者：核动力蜗牛
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