坚固，磁铁制备设计在广泛的速度范围内提供了准恒功率。

几十年来，表面永磁（SPM）电机为永磁电机的市场主导。然而，近年来，新兴的混合动力车辆市场，以及在某种程度上升高稀土磁铁成本，对内部永磁体（IPM）电机进行了提升的需求。由于宽速度范围和磁体固定设计等优点，IPM电机为牵引电动机和机床等应用提供了良好的解决方案。让我们仔细看看。

在其最简单的状态下，旋转电机由转子和定子组成，其中一个是静止的，而另一个移动以执行工作。尽管出于本文的目的，存在各种排列，但我们将谈论具有外部固定转子的设计和连接到输出轴的内圆柱转子。定子具有铜线线圈的集合，其连续被激励以产生磁通量。定子磁通与转子相互作用，转子以使其在定子内部安装，使得它可以转动与由线圈产生的场上对齐。该对准力产生扭矩，转动转子使得它移动轴，因此，负载。

施加在转子上的转动力可以由多种来源产生。在永磁电机的情况下，转矩的主要来源来自定子磁链和磁体的北极/南极之间的相互作用。顾名思义，SPM电机的特点是磁铁材料板应用于转子表面与粘合剂，在某些情况下，机械捆扎或外壳。IPM电机的转子由一堆冲压有槽的金属薄片组成，使堆栈形成平行于电机轴的空腔。磁铁适合这些槽，创建精确的校准无需特殊的工具，并保持磁铁即使面对高冲击，振动和离心力(见图1)。

IPM电机产生扭矩基于两种不同的机制。第一种是永磁转矩，它是由永磁转子磁场和定子电磁场之间的磁链产生的。它是由SPM电机产生的相同的扭矩。IPM设计产生第二种力称为磁阻扭矩。转子层中的槽的形状和位置被设计成引导磁通，即使这些槽作为空气间隙，转子也会经历一个力来对齐由定子线圈产生的磁通线。因为这些线圈按顺序通电，从而产生一系列交替的南北磁极，转子将遵循这一进程，产生磁阻转矩，并使其持续转动。

由于IPM电机设计增强永磁扭矩，所以电机中使用的磁铁可以更薄。这在当前市场很重要。虽然稀土氧化物（REOS）的价格从2011年8月的峰值显着下降，但稀土磁铁仍然代表永磁电机设计中的显着成本源，因此IPM设计可以提供成本节约。

绕组设计
IPM电机的两个常见变体是分布式绕组设计和集中绕组设计。分布式绕组设计具有多个线圈，例如24个槽至4个极点），而浓缩绕组仅具有几（6个槽至4个杆，例如;见图2）。分布式绕组设计为生产不稳定性扭矩，而集中式绕组则不会赋予磁阻。“严格来说，它是一个内部磁铁机，但事实证明，电动机的磁性被设计成更像是表面永磁机，因此您没有得到非常不情愿的扭矩，”David Fulton，Remy International先进工程总监David Fulton。

由于磁阻扭矩，分布式绕组IPM电动机可以产生比浓缩的对应物更多的扭矩。由于分布式绕组具有更长的末端转弯，因此它们遭受铜的较高损失，并且可以更难以通过自动绕组技术制造。他们也可以更容易受到短裤。“那些阶段在太空中重叠的地方，并不是为了一些他们会触摸的绝缘，”富尔顿说。“在集中绕组IPM电机甚至交换磁阻电机中，这些阶段根本不会触摸或重叠这种失败模式的机会不在集中风类型。“

集中设计有助于自动化制造，但它们必须制造更严格的公差。不出所料，它们也比分布式的同类产品表现出更大的扭矩脉动。

集中绕组在具有横向发动机的混合动力汽车中的应用增加了增加的应用。在横向发动机中，电动机和变速器都需要适合车辆的前轮。集中绕组IPM比其分布式对手短，将它们带到这些设计的良好。

制作权衡
目前IPM电机的甜点应用包括用于各种车辆和高速机床(如数控主轴)的牵引电机。

也许IPM设计的最大优势是高速的性能，这让他们在汽车应用中具有优势，比如牵引电机。SPM电机的功率与速度曲线大致是双曲线，在一个狭窄的速度范围内上升到准恒定功率区域，然后下降。

相比之下，IPM电机提供了一个更大范围的或多或少一致的扭矩。使用一种称为磁场弱化的技术，设计者可以应用电流来修改性能。随着速度的提高，永磁体和电机产生更高的电压。在非常高的速度下，电机的反电动势乘以速度可以超过电池的电压，这限制了驱动电流和扭矩。磁场减弱本质上是通过调整定子的磁场来部分地抵消永磁体的作用。该过程涉及一种控制方案称为直接(D)和正交(Q)轴电流控制。d轴穿过转子极的中心，而q轴位于两个相邻的转子极之间的中心。“通过将定子矢量分解成两个矢量，并将一个电流施加到交轴上，另一个施加到直轴上，它们可以控制它们之间的电流相角，从而实现更广泛的恒功率控制，”电机设计师和IEEE研究员吉姆·亨斯特(Jim Hendershot)解释说永磁无刷电机和发电机设计。

对于汽车应用，该技术提供了比SPM电机大的好处。“IPM配置允许对磁路的磁化进行更多的控制，”Hendershot说。

这并不是说，SPM设计也不可能实现弱势，但由于气隙的尺寸，该技术需要更高的电流。“由于电动机热限制的逆变器的电流限制，您不能将现场削弱足以以高速产生扭矩，”富顿说。

在低速时，SPM电机和相同尺寸的IPM电动机通常可以产生约相同的量扭矩，或者SPM设计甚至可以产生更多的时间，直到它们到达角点RPM。在高于角点RPM的速度下，SPM设计的扭矩迅速下降。“如果它们两者都有3000 rpm的底座，则SPM电机可能会以5000 rpm具有零扭矩，而IPM可以继续到10,000或12,000 rpm，”Fulton说。该行为使IPM电机适合牵引电动机应用，往往需要在广泛的速度范围内需要高扭矩。“通过IPM设计，您可以获得两个世界的最佳选择 - 您可以以低速获得非常好的加速，然后在几乎相同的功率水平时运行非常高的速度。“

SPM设计可以更宽容的制造公差去。IPM电机要求转子和定子之间的气隙尽可能小，以最大的磁阻转矩。然而，严格的公差会增加制造成本。预算受限的项目，试图尽量减少制造成本可以选择SPM电机，尽管任何成本效益必须与增加的磁铁含量平衡。不过，在具体情况下，更大的气隙可能是一个巨大的好处。

富尔顿说:“它允许你使用更大的公差，这是一件很好的事情，如果你做一个直接驱动电机的引擎。”“这些机器通常依赖于传动轴承，所以你有大量的公差，它们叠加在一起。发动机也会产生很多振动，导致转子在转子和定子之间产生[过度摩擦]。”

同样在热管理方面存在不同的设计。在SPM设计中，在磁体中产生大量的热量，这可能导致退磁。向磁铁材料中加入少量镝可以显着增强耐热性，但镝目前昂贵。

具有分布式绕组的IPM机器通常不会在转子中产生大量的热量 - 大约90％的电动机损耗在定子中倾向于发生，这可以通过散热，油冷却或水冷却容易地冷却。

鉴于可用的广泛设计，概括可能是危险的。也就是说，在苹果与苹果比较相同的尺寸，相同的功耗 - SPM电机将提供更高的扭矩密度。但是，有权衡。“表面永磁电机具有最高的扭矩密度，但由于额外的永磁材料，您支付更多，”富尔顿说。“您可以以较低的成本获得几乎与IPM机器的扭矩密度。“T必须使用永久磁铁来获得所有扭矩。”

SPM设计也比IPM电机表现出更高的反肌电片。这在系统上发挥作用 - 系统中的逆变器只能容忍一定量的后射电电动机，然后需要具有更高电压额定值的开关和IGBT和更高的成本。

对于牵引电机和机床主轴等高速应用，IPM电机可以良好。“您使用较少的磁铁材料，因为从转子的显着性获得一些扭矩，您可以通过D和Q轴控制的磁路磁化的卓越控制，这使您可以非常有效地运行非常广泛的速度范围，“亨德赫特说。”转子坚固的事实是奖金。“。