摘要：相较于传统感应电动机，永磁同步电动机具有更加独特的性能，其较为明显的特点主要表现为体积小、功率密度高、效率以及功率因数高等。对于永磁同步电机，转子安装主要是由永磁体作为磁极。在电机转动且功角大于零时，电机定子合成磁场的轴线，落后于转子主磁场轴线，则转子和电磁转矩旋转相反的状态，转矩表现为制动。因此，在永磁同步电动机中，要保证转子和定子合成电磁转速和方向同步，需引导转子实现工作转矩的输出。本文将以永磁同步电机为研究对象，对其结构的设计和特点进行简要的探讨与分析。 关键词：永磁同步电机；结构设计；特点分析
电动汽车具有低噪音、低排放甚至零排放、高效能和能源多样化等显着优势，对于实现交通能源多样化、维护国家能源安全、减少汽车排放和社会可持续发展具有重要意义。电动汽车对电机的要求是：体积小、重量轻、功率和扭矩密度高、过载能力强、调速范围大、效率高、环境适应性好、可靠性高、性能好、成本低等。永磁同步电动机由于结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、惯性小、响应快等优点，已成为车用电动机开发和使用的热
点，是新一代电动汽车的首选。本文分析了车用永磁同步电机的优化，这是新能源汽车面临的一个重要问题，无论是电机设计技术、发动机控制技术等汽车零部件技术的发展，还是实现新能源汽车可持续发展,永磁同步电机结构设计具有重要的参考价值和应用价值。永磁同步电机直接采用永磁体励磁，简化了电机结构，发热量低，损耗小。电动机的励磁部分为永磁体，其结构和形状可根据具体需要进行放置，具有很大的灵活性。设计时，除了结构强度和布局合理性外，还要考虑电机的使用寿命[1]。
1 永磁同步电机工作原理
永磁同步电动机是交流电动机的一种。与异步电机不同的是，永磁同步电机的永磁体安装在转子侧面，极性清晰。永磁同步电动机在运行过程中，当定子合成磁场的轴线落后于转子主磁场轴线，即功率角大于0时，转子的转动方向与电磁力矩的方向相反，转矩起制动作用。为了平衡电磁转矩的制动作用，保持转子转速不变，就需要利用转子轴来传递驱动器固有的机械转矩。这时，在引入外部机械功率后，永磁同步电机发出功率启动发电机。如果功角小于0，即定子复合磁场轴线超过转子主磁场轴线，转子的旋转方向和电磁转矩保持不变。为了保持转子的转速，机械扭矩就是制动扭矩，如果负载转矩大于电机的最大电磁
转矩，就会破坏输出功率和输入功率的平衡，使电机不能保持转子同时转动。当功角为0时，转子主磁场和定子合成磁场的轴线重合，所以电磁转矩为0，此时外界之间不传递有功功率，电机转子处于补充机制运行状态下。
2 转子对电机特性的影响
2.1气隙磁密
气隙磁密对电机转矩和转矩脉动有很大影响。当PMSM空载运行时，电机下方的磁场仅由永磁体产生。为研究永磁体末端磁场对电机直线段磁密度分布的影响，以气隙磁密度为主要研究对象。不同类型永磁体产生的气隙磁通密度分布大致相同，当人字形永磁体张角逐渐增大时，气隙磁密度最大值减小，波形宽度增大，气隙平均磁密度增大，磁密度分布更加一致。与人字永磁转子相比，一字型型永磁转子产生的磁密度具有较高的平均磁密度值和最大值。
2.2转矩及转矩脉动
扭矩是电机负载能力的一个重要指标，扭矩过大的存在会影响系统的控制精度，还会引起
电机的振动和噪音，必须加以降低。在绕组中施加18 A/mm的电流密度,使电机在转速2000 r/min的条件下运行,得到的转矩及转矩脉动结果如表1所示。
表1 不同转子的电机的转矩及转矩脉动
转子类型 | 平均转矩（N*m） | 转矩脉动（N*m） |
人字形66° | 84.15 | 11.89 |
人字形76° | 85.47 | 5.29 |
人字形86° | 88.63 | 5.91 |
人字形96° | 90.14 | 11.47 |
人字形116° | 93.25 | 16.58 |
一字形 | 93.30 | 8.65 |
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从表1可以看出，随着永磁体的张角逐渐增大，电机产生的平均转矩逐渐增大，转矩脉动呈先减小后增大的趋势。随着气流间隙密度模拟的结果，可以得出结论，在确定定子时，影响平均转矩的主要因素是空间通量密度。当张角为116°时，虽然电机的平均转矩达到93.25
N*m，但其转动的脉动为16.58N*m。过大的力矩运动会使电机的振动更加严重，不利于电机的性能稳定运行。当涉及的角度为76°时，转矩脉动太小，仅5.29N*m，约为平均转矩的6.19%，电机转动时产生的能量很小，电机运行平稳。随角为86°时，电机平均转矩为88.63N*m，转矩脉动同样很小，为5.91N*m，发动机性能良好。由于一字型永磁体产生的气隙磁通密度波形较宽，峰值磁通密度也处于较高值，因此平均电机转矩较大。与人字形永磁体相比，一字型永磁体具有较小的转矩脉动，在高转矩条件下具有更好的性能。
2.3电机外包络特性分析
从图1可以看出，一字型永磁体转子电机对于电流密度的转矩相对较大，两者的转矩差随着电流密度的增加而不断增大。随着电流密度的增加，每电流密度的转矩先增加然后减少，当电流密度达到约18A/mm时，其值达到最大值，此时电机的效率得到充分利用，随着电流密度的不断增加，每电流密度的转矩随着电机的磁饱和而开始下降，导致电机定子产生的磁场没有得到充分利用。综上所述，一字形永磁体转子电机的电流利用效率更高。
图1 电机外包络曲线图
2.4电机外特性及效率
一字型永磁转子电机在一定的励磁电流下可以达到更高的转矩，电机转速的最大值也更高。 在低速条件下，两种转子结构的电机效率几乎相同。当转速逐渐增加时，一字型永磁转子的电机效率进一步降低[2]。由于本次仿真是在电流密度相同的情况下，没有考虑机械摩擦等因素，所以电机的铜损是相同的。假设电机的机械损耗为零，可以得出以下结论：与人字型磁体的转子相比，一字型永磁转子电机高速时的铁损更高，电机的效率更低。
3 对永磁同步电机结构特点的分析
3.1表贴式转子结构
在永磁同步电动机中，表贴式转子结构主要是指永磁体位于转子铁芯的表面。为方便起见，将永磁体作为板放置在径向表面上。一般情况下，永磁体应采用保护效果好的结构固定，如铝压板、铜压板等。当永磁同步电机的转子在运行过程中转动时，可以通过不导磁材料结构保护永磁体，防止坠落和飞溅。通常以定子组与转子之间相对位置的径向关系来区分，典型的表贴式转子结构可分为内转子式和外转子式，在它们之间，内转子的类型是指定子组在外面，内转子在里面。外转子型是指转子在外侧，定子组在内侧。
3.2内嵌式转子结构
在永磁同步电机中，内嵌式转子结构主要是指永磁体通过转子铁芯内相应的裂缝或孔结构嵌入转子中。内嵌式转子结构由于转子内部装有永磁体，具有良好的导磁率，应特别注意转子结构设计，防止磁轭之间发生磁通流动。但一般来说，永磁体的磁极容易受到一定程度的保护，因此它们的磁电容变大，导致抗磁电容也变大。但是，由于转子磁路与永磁同
步电机的不对称性，转子在这种情况下，提高了永磁同步电机的功率和密度，并中提高了整个电机的性能。
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