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(ci)同(tong)步電機(ji)主要由轉子、定(ding)子、軸承、繞組、端蓋等(deng)各部(bu)件組成(cheng)。

永(yong)磁同(tong)步(bu)電(dian)機的組成及(ji)橫切面(mian)

作為電機中靜止(zhi)的(de)組成(cheng)(cheng)部(bu)分，定(ding)(ding)子(zi)由(you)定(ding)(ding)子(zi)鐵(tie)芯(xin)和繞組兩大(da)部(bu)分構(gou)成(cheng)(cheng)。定(ding)(ding)子(zi)鐵(tie)芯(xin)一(yi)般由(you)層疊的(de)硅鋼片(pian)打造(zao)，這樣(yang)做旨在(zai)降低渦流(liu)損耗并增強磁導性。而定(ding)(ding)子(zi)繞組則是將絕緣銅線按照特定(ding)(ding)模式纏繞在(zai)鐵(tie)芯(xin)的(de)槽中，構(gou)成(cheng)(cheng)三相(xiang)繞組。

當三相(xiang)交(jiao)流電(dian)被引入這(zhe)三個(ge)對稱(cheng)的繞(rao)(rao)組(zu)時，依據電(dian)磁(ci)感應定(ding)律，變化的磁(ci)通將在定(ding)子繞(rao)(rao)組(zu)中產生。由(you)于三相(xiang)電(dian)流在時間上存在相(xiang)位差(cha)異，以(yi)及(ji)繞(rao)(rao)組(zu)在空間上的排(pai)列差(cha)異，這(zhe)些磁(ci)通相(xiang)互影(ying)響，進而在定(ding)子和(he)轉(zhuan)子之(zhi)間的空間內形成一個(ge)與(yu)同步速度旋轉(zhuan)的旋轉(zhuan)磁(ci)場(chang)。

永(yong)磁同步電機轉(zhuan)子如圖所示，主(zhu)要有永(yong)久磁體、轉(zhuan)子鐵(tie)芯和轉(zhuan)軸構(gou)成。

永磁同步電機轉(zhuan)子的3種形式

1.永磁(ci)體(ti)磁(ci)極(ji)轉子

安裝(zhuang)一個永磁體(ti)(ti)磁極(ji)的轉(zhuan)子，永磁體(ti)(ti)磁極(ji)安裝(zhuang)在轉(zhuan)子鐵芯(xin)圓周表(biao)面上，稱為表(biao)面凸出式永磁轉(zhuan)子。

2.永磁(ci)體磁(ci)極嵌(qian)入鐵芯

永磁(ci)體磁(ci)極(ji)嵌裝(zhuang)在轉子(zi)鐵(tie)芯表(biao)面，稱為表(biao)面嵌入式永磁(ci)轉子(zi)。

3.內埋式永磁轉子(zi)

在(zai)較大的(de)電機(ji)用(yong)(yong)得較多是在(zai)轉(zhuan)子(zi)內(nei)(nei)部(bu)(bu)嵌(qian)入永(yong)(yong)磁體，稱(cheng)為內(nei)(nei)埋(mai)式(shi)永(yong)(yong)磁轉(zhuan)子(zi)（或(huo)稱(cheng)為內(nei)(nei)置(zhi)(zhi)式(shi)永(yong)(yong)磁轉(zhuan)子(zi)或(huo)內(nei)(nei)嵌(qian)式(shi)永(yong)(yong)磁轉(zhuan)子(zi)），永(yong)(yong)磁體嵌(qian)裝(zhuang)在(zai)轉(zhuan)子(zi)鐵(tie)芯內(nei)(nei)部(bu)(bu)，鐵(tie)芯內(nei)(nei)開有安裝(zhuang)永(yong)(yong)磁體的(de)槽(cao)，永(yong)(yong)磁體的(de)布置(zhi)(zhi)主(zhu)要方(fang)式(shi)如(ru)圖所示，在(zai)每一種(zhong)形式(shi)中又(you)有采(cai)用(yong)(yong)多層(ceng)永(yong)(yong)磁體進行組合的(de)方(fang)式(shi)。

高(gao)速永磁(ci)體(ti)轉(zhuan)子的強(qiang)度(du)分析(xi)

燒(shao)結(jie)釹鐵硼（NdFeB）作為一(yi)種(zhong)在永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)電機中(zhong)廣泛采(cai)用(yong)的(de)(de)(de)高(gao)性(xing)(xing)能(neng)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，雖然因其(qi)卓越的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)(xing)能(neng)受到青(qing)睞，但(dan)其(qi)物理特性(xing)(xing)也引發(fa)了一(yi)系列挑戰。這種(zhong)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)在抗(kang)壓性(xing)(xing)能(neng)上(shang)表(biao)現良好(hao)，但(dan)在抗(kang)拉強度上(shang)相對(dui)較差，特別是在高(gao)速(su)旋轉(zhuan)(zhuan)條件(jian)下，轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)上(shang)的(de)(de)(de)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)體會受到極大的(de)(de)(de)離心力(li)作用(yong)。為了保障電機的(de)(de)(de)可靠運行，必須采(cai)取有效的(de)(de)(de)固定(ding)措施來(lai)滿足轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)結構強度和動力(li)學(xue)需求。在高(gao)速(su)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)同(tong)步電機的(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)設計(ji)(ji)中(zhong)，主要存在三(san)種(zhong)設計(ji)(ji)類型：內嵌式(shi)、表(biao)貼式(shi)和表(biao)面嵌入式(shi)。在表(biao)貼式(shi)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)設計(ji)(ji)中(zhong)，根據所使用(yong)的(de)(de)(de)護(hu)套材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，可以(yi)將(jiang)其(qi)進一(yi)步分類為非導磁(ci)(ci)(ci)(ci)合(he)金鋼護(hu)套轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)和碳(tan)纖維復(fu)合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)護(hu)套轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)。

目前，最常見的保(bao)(bao)護(hu)措施(shi)包(bao)括使(shi)用碳纖維來綁定永磁體(ti)，以及在永磁體(ti)外層添加一個高強(qiang)度的非導磁合金保(bao)(bao)護(hu)套。

轉子結(jie)構設計也有性價比

新能(neng)源汽車(che)普遍采用內置(zhi)(zhi)式(shi)永磁同步電機，這一選(xuan)(xuan)擇(ze)主(zhu)要得益于其卓越(yue)的性能(neng)和獨(du)特的結構(gou)優(you)勢。在內置(zhi)(zhi)式(shi)電機的設計中，根據繞組(zu)的布(bu)(bu)局，可(ke)分為(wei)分布(bu)(bu)式(shi)和集(ji)中式(shi)兩種(zhong)形(xing)式(shi)。新能(neng)源汽車(che)傾向于選(xuan)(xuan)擇(ze)分布(bu)(bu)式(shi)繞組(zu)電機而(er)非(fei)集(ji)中式(shi)，原(yuan)因主(zhu)要包括(kuo)：

首先，分布式繞組電機通過精(jing)確的(de)(de)極槽(cao)配合，能夠優(you)化電磁力(li)波(bo)(bo)的(de)(de)分布，減(jian)少諧波(bo)(bo)的(de)(de)產(chan)生，有效提升NVH（噪聲(sheng)、振動和粗(cu)糙度）性能，這與新能源(yuan)汽車的應用需(xu)求高度契合。

其(qi)次(ci)，分布式繞組電(dian)機(ji)(ji)的(de)定子結構避免了凸(tu)出的(de)極(ji)掌(zhang)設(she)計，而是由一個(ge)或多個(ge)線圈按照特定規律布置形(xing)成(cheng)線圈組。這種設(she)計為電(dian)機(ji)(ji)轉(zhuan)子的(de)多樣(yang)化設(she)計提供了靈(ling)活性(xing)，使其(qi)能夠滿(man)足多樣(yang)化的(de)工作條件。

永磁電機(ji)的(de)轉(zhuan)(zhuan)子構(gou)造具有特定(ding)(ding)的(de)設計和功能(neng)。轉(zhuan)(zhuan)子主要由多片(pian)硅鋼片(pian)疊加并固定(ding)(ding)，這些硅鋼片(pian)不僅(jin)構(gou)成了(le)轉(zhuan)(zhuan)子的(de)主要結構(gou)，還有助于(yu)降低渦流損耗，從而提升電機(ji)的(de)效率。

在轉子內部，設計(ji)有多個槽位，各自承(cheng)擔不(bu)同的功能。位于外側的槽，也被(bei)稱(cheng)作V槽，主要用于穩固永磁(ci)體，保證其在電機高速(su)運轉時的穩定性。

槽位的(de)設計(ji)還兼顧了轉(zhuan)子(zi)的(de)輕(qing)量化需求。在確保足夠的(de)結構強度(du)的(de)同時，通過(guo)精心設計(ji)的(de)槽位和材料選(xuan)擇，減輕(qing)了轉(zhuan)子(zi)的(de)重(zhong)量，降低了轉(zhuan)動慣量，進而提升了電機(ji)的(de)響(xiang)應速度(du)。

轉子(zi)結構(gou)變(bian)化決定(ding)電機性(xing)能(neng)

在(zai)新能(neng)源汽車電機的設計中(zhong)，轉子的結(jie)構(gou)是一個關鍵要素(su)，它不僅(jin)要確保(bao)在(zai)安裝了(le)永磁體后，即(ji)使在(zai)高速工況(kuang)下也能(neng)保(bao)持穩定(ding)性，防止(zhi)變形。

同時，轉子的(de)結(jie)構還需(xu)充分考慮到為永(yong)磁(ci)(ci)體提供足夠的(de)空間，以便能夠容(rong)納更多或更大尺(chi)寸(cun)的(de)永(yong)磁(ci)(ci)體，從(cong)而(er)增強(qiang)電機的(de)性能。

此外，轉子的結構尺寸還需要易(yi)于優化(hua)，以適應不(bu)同車型和性能需求。

1.結構分(fen)段和錯極

當(dang)轉(zhuan)子不進行斜極設計時(shi)，其(qi)幾乎不會產生軸向電磁力。但(dan)是，隨著轉(zhuan)子線性移位斜極分段的(de)增加(jia)，軸向電磁力會逐漸增強。這是因為增加(jia)的(de)分段數導(dao)致(zhi)轉(zhuan)子的(de)總移位角度增加(jia)，進而導(dao)致(zhi)更多(duo)的(de)磁漏(lou)。

2.錯(cuo)極(ji)結構分級(ji)

錯(cuo)極技(ji)術包(bao)括常規錯(cuo)極、V形錯極(ji)和(he)交(jiao)叉錯極(ji)等類型(xing)，它們主要的作用是減(jian)少(shao)諧波、改善齒槽轉矩以及降(jiang)低轉矩波動，從而有效減(jian)少(shao)由徑向電磁力引起的振動和(he)噪聲(sheng)。