1.1 永磁材料、电机结构与运行原理
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）以其高功率密度、高效率及优异的动态性能，成为现代高性能电气传动系统的核心。其性能的根基源于永磁材料所提供的恒定励磁磁场、精心设计的电磁结构以及两者相互作用所遵循的电磁原理。本小节将系统阐述构成PMSM的三大基础要素：永磁材料的特性与发展、电机的本体结构分类及其基本运行机制。
1.1.1 永磁材料：电机励磁的基石
永磁体是PMSM转子磁场的来源，其性能直接决定了电机的功率密度、效率、温升乃至成本。现代PMSM主要采用稀土永磁材料，尤其是钕铁硼（Nd-Fe-B），它因其极高的磁能积而被誉为“永磁之王”。
1. 关键性能参数
永磁材料的性能主要由以下几个参数表征：
- 剩磁密度B r B_rBr： 永磁体在外加磁场被移除后，保留的磁感应强度。B r B_rBr越高，单位体积产生的气隙磁场越强。
- 矫顽力H c H_cHc： 使永磁体磁化强度降至零所需施加的反向磁场强度。H c H_cHc越高，抗外部退磁能力越强，电机过载和弱磁运行能力越好。
- 最大磁能积( B H ) m a x (BH)_{max}(BH)max： 退磁曲线（B − H B-HB−H曲线）上B × H B \times HB×H的最大值，代表了永磁体存储磁场能量的密度。它是衡量永磁材料综合性能的核心指标，理论值可达512 kJ/m³（64 MGOe）。
- 居里温度T c T_cTc： 材料失去铁磁性的临界温度。钕铁硼的居里温度较低（约310-340℃），高温下性能衰减是其固有缺点。
2. 主流永磁材料及其比较
工程应用中主要永磁材料及其典型特性对比如下表所示。
| 材料类型 | 主要成分 | 剩磁B r B_rBr(T) | 矫顽力H c H_cHc(kA/m) | 最大磁能积( B H ) m a x (BH)_{max}(BH)max(kJ/m³) | 居里温度T c T_cTc(°C) | 主要特点与应用 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 铁氧体 | SrO·6Fe₂O₃ | 0.38 - 0.44 | 160 - 280 | 25 - 35 | 约450 | 成本低，耐腐蚀，磁性能较低，常用于家电、低成本风机。 |
| 钐钴 | SmCo₅, Sm₂Co₁₇ | 0.85 - 1.10 | 600 - 2000 | 140 - 240 | 700 - 800 | 高温稳定性好，耐腐蚀，成本高，用于航空航天、高温场合。 |
| 烧结钕铁硼 | Nd₂Fe₁₄B | 1.20 - 1.45 | 800 - 2000 | 280 - 440+ | 310 - 340 | 磁性能最高， “磁王”，但温度稳定性与耐腐蚀性稍差，需表面防护。广泛应用于新能源汽车、风电、伺服系统。 |
3. 高性能钕铁硼的技术进展
为克服钕铁硼的不足并进一步提升性能，近年来关键技术不断涌现：
- 晶界扩散技术： 在磁体表面沉积重稀土元素（Dy/Tb），通过热处理使其沿晶界选择性扩散，显著提高矫顽力而不过多牺牲剩磁，是生产高性能、低重稀土含量磁体的主流工艺。
- 微观结构调控： 通过合金化（如添加Ga、Cu、Al）及热处理工艺优化晶界相，降低晶粒间的磁性耦合，提升内禀矫顽力。
- 双主相工艺： 将高丰度稀土合金（如Ce-Fe-B）与Nd-Fe-B合金粉末复合，形成核壳结构晶粒，在保证高矫顽力的同时有效降低成本。
- 粘结与热压/热变形磁体： 除主流烧结工艺外，采用快淬磁粉与聚合物粘结成型的粘结钕铁硼适于形状复杂、小批量部件；而热压/热变形工艺可制备各向异性纳米晶磁体，具备高矫顽力潜力。
1.1.2 永磁同步电机的结构分类
PMSM的结构核心在于定子与转子的设计。定子结构与异步电机相似，由叠片铁心和嵌入的三相电枢绕组构成，其主要变体在于绕组形式（如分数槽集中绕组或分布式短距绕组），旨在优化磁动势波形、降低转矩脉动与损耗。转子的结构则是PMSM分类和性能差异的关键，根据永磁体在转子铁心中的位置，主要分为两大类。
1. 表贴式永磁同步电机
表贴式永磁同步电机（Surface-mounted PMSM， SPMSM）的永磁体贴装在转子铁心外表面，通常采用瓦片形结构并用非磁性材料包裹或绑带固定。
- 结构特点： 永磁体直接面对气隙，气隙磁场波形易于优化为正弦形。由于永磁体的相对磁导率近似于空气（μ r ≈ 1.05 \mu_r \approx 1.05μr≈1.05），其交、直轴磁路对称，电感L d ≈ L q L_d \approx L_qLd≈Lq，磁阻转矩几乎为零。
- 性能特点： 结构简单、制造成本低。但永磁体直接承受转子高速旋转的离心力，机械强度要求高，不适合超高速运行。同时，转子表面无法安装启动笼，异步启动能力较弱。
2. 内置式永磁同步电机
内置式永磁同步电机（Interior PMSM， IPMSM）的永磁体嵌入转子铁心内部。根据磁化方向与磁路结构，主要分为径向式、切向式和混合式。
- 结构特点： 永磁体受到铁心的保护，机械强度高，更适合高速运行。转子磁路不对称，导致交轴磁路磁阻小于直轴磁路（L q > L d L_q > L_dLq>Ld），产生显著的磁阻转矩。
- 性能特点： 这是目前应用最广泛的结构，尤其是电动汽车驱动。其核心优势在于：
- 高转矩密度： 电磁转矩由永磁转矩和磁阻转矩共同构成，在相同电流和永磁体用量下可输出更大转矩。
- 宽调速范围： 由于L d L_dLd较大，易于通过施加负的直轴电流（i d < 0 i_d < 0id<0）产生去磁磁场，实现高效的弱磁扩速运行。
- 良好的启动与阻尼能力： 转子铁心可设计鼠笼导条，提供异步启动转矩和阻尼，抑制振荡。
1.1.3 永磁同步电机的运行原理
PMSM的工作原理建立在旋转磁场与转子永磁磁场相互作用的基础上，其运行包含启动与同步两个阶段。
1. 旋转磁场的产生
当频率为f ff的三相对称正弦电流i a , i b , i c i_a, i_b, i_cia,ib,ic通入空间互差120 ∘ 120^\circ120∘电角度的定子三相对称绕组时，将合成一个幅值恒定、以同步角速度ω s \omega_sωs旋转的磁动势F s F_sFs。同步角速度ω s \omega_sωs与电流频率f ff和电机极对数p pp的关系为：
ω s = 2 π f / p \omega_s = 2\pi f / pωs=2πf/p
该旋转磁动势在气隙中建立以相同速度旋转的磁场。
2. 从启动到同步运行
对于无独立驱动器的异步启动型PMSM（通常为IPMSM），其启动过程依赖于转子鼠笼产生的异步转矩。
- 启动阶段： 电机静止时，接通定子电源，定子旋转磁场以同步速旋转，与静止的转子永磁磁场存在巨大转速差。该旋转磁场切割转子鼠笼导条，感应电流并产生转子感应磁场。定子磁场与转子感应磁场相互作用，产生异步电磁转矩，使转子从静止开始加速。
- 牵入同步阶段： 当转子转速在异步转矩驱动下接近同步转速（n ≈ n s n \approx n_sn≈ns）时，永磁体产生的转子磁场转速也与定子磁场转速非常接近。此时，两个磁场间以较小的滑差频率缓慢相对运动，产生的交变转矩平均值不为零，最终将转子“牵入”并锁定在同步转速下运行。
3. 同步运行与电磁转矩
进入同步运行后，鼠笼导条中不再感应电流，转子仅由永磁体激励。稳定状态下，转子永磁磁场轴线与定子合成磁场轴线之间保持一个固定的夹角，即功角δ \deltaδ。根据机电能量转换原理，PMSM的电磁转矩T e T_eTe可表达为：
T e = 3 2 p [ ψ f i q + ( L d − L q ) i d i q ] T_e = \frac{3}{2} p [\psi_f i_q + (L_d - L_q) i_d i_q]Te=23p[ψfiq+(Ld−Lq)idiq]
其中，ψ f \psi_fψf为永磁体产生的磁链，i d i_did、i q i_qiq为定子电流在旋转坐标系（dq轴）下的直轴和交轴分量。
- 上式第一项3 2 p ψ f i q \frac{3}{2} p \psi_f i_q23pψfiq为永磁转矩，由永磁磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生，是SPMSM的主要转矩来源。
- 第二项3 2 p ( L d − L q ) i d i q \frac{3}{2} p (L_d - L_q) i_d i_q23p(Ld−Lq)idiq为磁阻转矩，由转子磁路凸极性（L d ≠ L q L_d \neq L_qLd=Lq）产生，是IPMSM充分利用以提升转矩密度和效率的关键。
通过精确控制定子电流的幅值、频率和相位（即i d i_did、i q i_qiq），即可实现对PMSM转矩和转速的高性能控制，这构成了后续章节所述矢量控制、直接转矩控制等先进策略的物理基础。
本节核心要点
- 永磁材料是决定PMSM性能上限的关键。钕铁硼（Nd-Fe-B）因其极高的磁能积而被广泛采用，其性能通过晶界扩散、微观结构调控等关键技术持续提升。
- 转子结构是PMSM分类与性能差异的核心。表贴式（SPMSM）结构简单、磁路对称；内置式（IPMSM）机械强度高，能同时利用永磁转矩和磁阻转矩，实现更高的转矩密度和更宽的调速范围，是现代高性能驱动的首选。
- PMSM运行基于旋转磁场与永磁磁场的相互作用。启动过程依赖异步转矩，同步运行后，转矩由永磁转矩和磁阻转矩共同构成，其数学模型T e = 3 2 p [ ψ f i q + ( L d − L q ) i d i q ] T_e = \frac{3}{2} p [\psi_f i_q + (L_d - L_q) i_d i_q]Te=23p[ψfiq+(Ld−Lq)idiq]是后续所有控制算法的理论基础。
- 定子绕组设计影响电机稳态与动态性能。分数槽集中绕组与分布式短距绕组等不同形式，在制造成本、效率、转矩脉动及振动噪声（NVH）方面各有优劣，需根据具体应用权衡选择。
参考文献
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