1. 引言

在現代電機設計中，永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因其高效率、高功率密度和優異的動態性能，在工業、新能源汽車、航空航天等領域得到廣泛應用。根據永磁體在轉子中的安裝方式不同，永磁同步電機主要分為內嵌式（Interior Permanent Magnet, IPM）和表貼式（Surface-mounted Permanent Magnet, SPM）兩種結構。這兩種電機在電磁特性、機械強度、控制策略及應用場景等方面存在顯著差異。本文將從結構、工作原理、性能特點、控制方法及應用領域等方面詳細對比內嵌式電機和表貼式電機的區別。

---

2. 結構差異

2.1 內嵌式電機（IPM）

內嵌式電機的永磁體嵌入轉子鐵芯內部，通常采用多層或V型排列方式（如圖1所示）。其結構特點包括：

• 永磁體位于轉子內部，通過鐵芯固定，機械強度較高。

• 磁路不對稱（凸極效應），導致直軸（d軸）和交軸（q軸）電感不同（Ld≠Lq）。

• 由于磁阻轉矩的存在，可提高電機的轉矩輸出能力。

2.2 表貼式電機（SPM）

表貼式電機的永磁體直接粘貼在轉子表面，并用環氧樹脂或非導磁套筒固定（如圖2所示）。其結構特點包括：

• 永磁體暴露在轉子表面，機械強度較低，高速運行時可能因離心力脫落。

• 磁路對稱（非凸極效應），直軸和交軸電感基本相同（Ld≈Lq?）。

• 結構簡單，易于制造，但轉矩主要依賴永磁轉矩，磁阻轉矩幾乎為零。

特征	內嵌式電機（IPM）	表貼式電機（SPM）
永磁體位置	嵌入轉子內部	粘貼在轉子表面
機械強度	高（適合高速運行）	低（需加固措施）
凸極效應	明顯（Ld<Lq）	無（Ld≈Lq?）
轉矩來源	永磁轉矩 + 磁阻轉矩	主要依賴永磁轉矩

---

3. 工作原理與電磁特性

3.1 內嵌式電機（IPM）

內嵌式電機的轉矩由永磁轉矩和磁阻轉矩共同組成：

其中：

• λPM為永磁體磁鏈；

• id,iq?為直軸和交軸電流；

• Ld,Lq為直軸和交軸電感。

由于?Ld<Lq，IPM電機可通過弱磁控制擴展高速運行范圍，適用于寬調速應用（如電動汽車）。

3.2 表貼式電機（SPM）

表貼式電機的轉矩主要由永磁轉矩貢獻：

由于?Ld≈Lq，SPM電機磁阻轉矩幾乎為零，因此其轉矩輸出主要依賴永磁體磁場。SPM電機在低速時效率較高，但高速時弱磁能力有限，易發生反電動勢過高問題。

特性	內嵌式電機（IPM）	表貼式電機（SPM）
轉矩組成	永磁轉矩 + 磁阻轉矩	主要依賴永磁轉矩
弱磁能力	強（適合寬調速）	弱（高速性能受限）
反電動勢	可通過弱磁控制調節	高速時易過高

---

4. 性能對比

4.1 效率與功率密度

• IPM電機：由于磁阻轉矩的利用，在相同體積下可提供更高轉矩，功率密度較高，適合高動態性能應用（如電動汽車驅動）。

• SPM電機：結構簡單，低速時效率較高，但功率密度略低于IPM電機。

4.2 機械強度與高速適應性

• IPM電機：永磁體嵌入轉子內部，機械強度高，適合高速運行（如10,000 rpm以上）。

• SPM電機：永磁體粘貼在表面，高速時需采用碳纖維套筒等加固措施，否則易脫落。

4.3 控制復雜度

• IPM電機：由于凸極效應，需采用最大轉矩電流比（MTPA）和弱磁控制，算法較復雜。

• SPM電機：控制簡單，通常采用id=0id?=0控制，無需考慮磁阻轉矩。

性能指標	內嵌式電機（IPM）	表貼式電機（SPM）
功率密度	較高	中等
高速適應性	優（適合高速）	需加固（否則受限）
控制復雜度	高（需MTPA+弱磁）	低（id=0控制）

---

5. 應用領域

5.1 內嵌式電機（IPM）

• 電動汽車驅動（Tesla Model 3、豐田普銳斯等）

• 工業伺服系統（高動態響應場景）

• 航空航天（高功率密度需求）

5.2 表貼式電機（SPM）

• 家用電器（空調壓縮機、洗衣機）

• 低速高精度控制（機器人關節）

• 小型無人機（輕量化需求）

---

6. 結論

內嵌式電機（IPM）和表貼式電機（SPM）在結構、電磁特性、控制方法和應用場景上存在顯著差異：

• IPM電機：適合高速、高轉矩、寬調速應用，但控制較復雜。

• SPM電機：結構簡單、控制容易，但高速性能受限。

未來，隨著材料科學和電機控制技術的發展，IPM電機在新能源汽車、航空航天等領域的應用將進一步擴大，而SPM電機仍將在低成本、低復雜度場景中占據重要地位。