如何在表面永磁电机和内转子永磁电机之间进行选择？

2026年6月30日

由于转子内部安装了磁铁，电动汽车在低速时仍能保持较高的扭矩。现代电动汽车和高性能工业驱动系统背后的核心技术是内转子永磁电机（IPM）。

在新能源汽车时代，IPM技术正受到电机设计工程师和电动汽车驱动系统采购专家的日益关注。下文将阐述IPM的工作原理，以及它与表面安装式永磁电机（SPM）的关键区别。

在电动汽车设计中，选择IPM还是SPM是最重要的决策之一，因为磁极位置的差异直接决定了电机的扭矩输出、效率曲线以及高速可靠性。

永磁电动机的基础：稀土磁铁的作用

永磁电机（PM）作为一种交流电机，通过嵌入转子内部或安装在转子表面的磁铁来产生磁场。在电动汽车领域，永磁同步电机（PMSM）因其高转矩密度和高效率而被广泛应用，使其成为最常见的驱动电机类型之一。

这些电机通常配备钕磁铁（NdFeB），业内将其称为“超强磁铁”。钕磁铁即使体积较小，也能提供显著的磁输出，这是因为其磁场高度集中，单位面积的磁场强度很高。

由于永磁体具有高效率和高磁通密度，其应用可将电动机的体积缩小至传统型号的三分之一，同时保持相同的性能水平。这使得电动汽车能够采用轻量化设计，并通过高效率降低车辆的整体能耗。此外，稀土磁体的磁寿命可达约400年，这能确保电机在整个使用寿命期间保持稳定的性能。

除了钕磁铁外，钐钴（SmCo）磁铁也会用于某些高温应用中。其磁力虽略弱于钕磁铁，但因其耐高温特性，适用于工作温度经常超过150°C的应用场景。鉴于电动汽车驱动电机的工作环境温度会发生波动，在选择磁铁时应综合考虑其磁力和热性能。

IPM 和 SPM：由磁铁的位置决定

永磁电机主要有两种类型，即IPM和SPM。二者均通过永磁体产生磁通，但磁体的安装位置不同。 IPM将磁铁嵌入转子内部，而SPM则将磁铁直接安装在转子表面。这种结构上的差异改变了这两类电动机的性能特征、控制策略和应用领域，这也是电动机设计中最具有代表性的分类之一。

从制造角度来看，SPM的转子结构相对简单。磁体直接嵌入转子外表面，某些设计中会采用碳纤维或不锈钢套管进行保护，以防止磁体在高速旋转时因离心力而脱落。IPM的转子制造工艺则更为复杂。由于嵌入式磁铁的布置位置和角度精度会影响电机性能，因此需要对铁芯内部进行磁铁槽的加工，这也是制造成本较高的原因之一。

这两种磁铁设计的形状也不同。 SPM主要采用环形或弧形磁体，而IPM则使用带有机加工槽的矩形或长方体磁体。此外，有研究表明，IPM所需的磁体材料仅为SPM的66.7%，在稀土价格不断上涨的背景下，这带来了成本优势。

混合动力和电动汽车带来的变革

高速性能是IPM的最大优势，这一点在车辆应用领域尤为重要。另一方面，SPM的功率-转速曲线呈双曲线形状，这意味着其在较窄的转速范围内功率会逐渐增加直至达到恒定功率平台，之后则开始下降。 SPM曾长期主导永磁电机市场，但这一局面近期已发生变化。随着混合动力和电动汽车的兴起，对IPM的需求日益增长。IPM电机能够在宽转速范围内保持恒定功率输出，因此适用于牵引电机和辅助电机等应用场景。

在汽车应用中，IPM电机的优势更为明显，因为它能更好地控制磁路的磁化状态，从而实现更宽范围且稳定的扭矩输出。因此，通过调节电流，可以控制电动机的运行性能，这已成为现代电动汽车驱动系统中的一项关键技术。

随着全球电动汽车普及率的不断提高，预计未来十年IPM的市场需求将持续增长。各大汽车品牌几乎所有新一代电动汽车平台都将IPM作为主要驱动电机，这一趋势预计将进一步巩固IPM在牵引电机领域的领先地位。

SPM的结构特性

磁铁安装在转子表面，而该处的机械强度相对较低。这种结构限制了电机的最大安全工作转速。此外，无论转子处于何种位置，在转子端测得的电感值均为常数，这使得SPM产生的转矩主要依赖于磁转矩这一单一机制。

尽管存在这些性能上的局限性，但由于制造工艺简单且成本较低，SPM仍被广泛应用于对机械强度要求不高的领域，例如家用电器和低速水泵。

IPM的结构优势

IPM将磁体嵌入转子内部的结构设计，使其具有更优异的机械性能，因此适用于高速应用。这类电机具有相对较高的Lq/Ld电感比，这是衡量沿不同转子轴向磁阻差的关键指标。

由于其结构特点，IPM 既可通过磁矩机制，也可通过磁阻矩机制产生扭矩，从而能够适应电动汽车的各种需求。因此，无论是市区低速行驶还是高速公路高速行驶，都能保持理想的扭矩输出。

通常采用“每安培最大转矩”（MTPA）控制策略，以充分利用IPM的双转矩优势。应通过动态调整电流矢量，使磁转矩和磁阻转矩源保持平衡，从而实现最佳效率输出。因此，IPM的控制算法比SPM的更为复杂，且需要更精确的传感器和更强的计算能力。

IPM和SPM的未来发展方向

IPM 是牵引电机等高速应用的首选方案，因为它能够以更少的磁性材料提供相当的转矩输出。除了磁力矩外，IPM 还利用磁阻力矩来产生高力矩输出。此外，IPM 还应用了矢量控制技术，以适应高速电机运行过程中需求的各种变化。

在效率曲线对比中，由于磁路设计简单，SPM 能在低速且稳定的转速下实现高效率，而 IPM 则能在更宽的转速范围内保持高效率。因此，IPM在高速运转时的效率更高。通过调整磁路体系的磁化状态，IPM可在较宽的转速范围内保持高效率。磁体封装在转子内部，不会因离心力而脱落。因此，由于整个转子结构具有很高的耐久性，机械可靠性得到了提高。与传统设计相比，在相同输出功率下，IPM 可节省约 30% 的能耗，这对注重续航里程和能效的电动汽车行业而言是一个极具吸引力的优势。

在高速运行时，采用IPM的磁场弱化技术可在转子转速超过基本转速后减弱其有效磁场，从而使电机在更宽的转速范围内保持恒定的输出功率。因此，无论是在低速爬坡还是高速巡航时，电动汽车都能保持高效率，这也正是IPM在新能源汽车领域广受欢迎的原因。