深度解析永磁同步電機的轉子設計核心技術

永磁同步電動機（permanentmag?net synchronous motor，簡稱PMSM），永磁同步電機主要由轉子、定子、軸承、繞組、端蓋等各部件組成。

永磁同步電機的組成及橫切面

作為電機中靜止的組成部分，定子由定子鐵芯和繞組兩大部分構成。定子鐵芯一般由層疊的硅鋼片打造，這樣做旨在降低渦流損耗并增強磁導性。而定子繞組則是將絕緣銅線按照特定模式纏繞在鐵芯的槽中，構成三相繞組。

當三相交流電被引入這三個對稱的繞組時，依據電磁感應定律，變化的磁通將在定子繞組中產生。由于三相電流在時間上存在相位差異，以及繞組在空間上的排列差異，這些磁通相互影響，進而在定子和轉子之間的空間內形成一個與同步速度旋轉的旋轉磁場。

永磁同步電機轉子如圖所示，主要有永久磁體、轉子鐵芯和轉軸構成。

永磁同步電機轉子的3種形式

1.永磁體磁極轉子

安裝一個永磁體磁極的轉子，永磁體磁極安裝在轉子鐵芯圓周表面上，稱為表面凸出式永磁轉子。

2.永磁體磁極嵌入鐵芯

永磁體磁極嵌裝在轉子鐵芯表面，稱為表面嵌入式永磁轉子。

3.內埋式永磁轉子

在較大的電機用得較多是在轉子內部嵌入永磁體，稱為內埋式永磁轉子（或稱為內置式永磁轉子或內嵌式永磁轉子），永磁體嵌裝在轉子鐵芯內部，鐵芯內開有安裝永磁體的槽，永磁體的布置主要方式如圖所示，在每一種形式中又有采用多層永磁體進行組合的方式。

高速永磁體轉子的強度分析

燒結釹鐵硼（NdFeB）作為一種在永磁電機中廣泛采用的高性能永磁材料，雖然因其卓越的磁性能受到青睞，但其物理特性也引發了一系列挑戰。這種材料在抗壓性能上表現良好，但在抗拉強度上相對較差，特別是在高速旋轉條件下，轉子上的永磁體會受到極大的離心力作用。為了保障電機的可靠運行，必須采取有效的固定措施來滿足轉子的結構強度和動力學需求。在高速永磁同步電機的轉子設計中，主要存在三種設計類型：內嵌式、表貼式和表面嵌入式。在表貼式永磁轉子的設計中，根據所使用的護套材料，可以將其進一步分類為非導磁合金鋼護套轉子和碳纖維復合材料護套轉子。

目前，最常見的保護措施包括使用碳纖維來綁定永磁體，以及在永磁體外層添加一個高強度的非導磁合金保護套。

轉子結構設計也有性價比

新能源汽車普遍采用內置式永磁同步電機，這一選擇主要得益于其卓越的性能和獨特的結構優勢。在內置式電機的設計中，根據繞組的布局，可分為分布式和集中式兩種形式。新能源汽車傾向于選擇分布式繞組電機而非集中式，原因主要包括：

首先，分布式繞組電機通過精確的極槽配合，能夠優化電磁力波的分布，減少諧波的產生，有效提升NVH（噪聲、振動和粗糙度）性能，這與新能源汽車的應用需求高度契合。

其次，分布式繞組電機的定子結構避免了凸出的極掌設計，而是由一個或多個線圈按照特定規律布置形成線圈組。這種設計為電機轉子的多樣化設計提供了靈活性，使其能夠滿足多樣化的工作條件。

永磁電機的轉子構造具有特定的設計和功能。轉子主要由多片硅鋼片疊加并固定，這些硅鋼片不僅構成了轉子的主要結構，還有助于降低渦流損耗，從而提升電機的效率。

在轉子內部，設計有多個槽位，各自承擔不同的功能。位于外側的槽，也被稱作V槽，主要用于穩固永磁體，保證其在電機高速運轉時的穩定性。

槽位的設計還兼顧了轉子的輕量化需求。在確保足夠的結構強度的同時，通過精心設計的槽位和材料選擇，減輕了轉子的重量，降低了轉動慣量，進而提升了電機的響應速度。

轉子結構變化決定電機性能

在新能源汽車電機的設計中，轉子的結構是一個關鍵要素，它不僅要確保在安裝了永磁體后，即使在高速工況下也能保持穩定性，防止變形。

同時，轉子的結構還需充分考慮到為永磁體提供足夠的空間，以便能夠容納更多或更大尺寸的永磁體，從而增強電機的性能。

此外，轉子的結構尺寸還需要易于優化，以適應不同車型和性能需求。

1.結構分段和錯極

當轉子不進行斜極設計時，其幾乎不會產生軸向電磁力。但是，隨著轉子線性移位斜極分段的增加，軸向電磁力會逐漸增強。這是因為增加的分段數導致轉子的總移位角度增加，進而導致更多的磁漏。

2.錯極結構分級

錯極技術包括常規錯極、V形錯極和交叉錯極等類型，它們主要的作用是減少諧波、改善齒槽轉矩以及降低轉矩波動，從而有效減少由徑向電磁力引起的振動和噪聲。