永磁同步电机目前发展现状如何？面临哪些技术挑战？
作者：Will.liu
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来源：知乎
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先上个自己做的思维导图，大概说下现在的电机分类。
同步电机根据产生磁场方式可以分为电励磁同步电机（转子绕组在外接电流下产生磁场）和永磁同步电机（转子直接加上永磁体）。
而永磁电机实际早在几百年前就已经出现，是世界上的首款电机。但是当时永磁材料性能不良，磁性较差、容易退磁等特性无法被市场接受，后来被电磁式的电机所取代。一直到20世纪60年代的稀土钐钴永磁体的研制成功，80年代的钕铁硼永磁体的出现，使得永磁同步电机重新出现在了电机舞台上。
随后在汽车领域，永磁同步电机也开始了商业化之旅。早在1996年，丰田RAV4就搭载了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，最大功率50kW，最大转速1300r/min。
而随着近十年来的高耐热性、高磁性能的钕铁硼永磁体的成功产业化，集成电路/计算机技术和电力电子元件技术的快速发展，永磁电机迎来了一个黄金时代，凭借其高效率、比功率大、节能显著等特性，无论是军工领域、航天领域、农用领域、民用领域都在迅速的开花结果。
在2017年，我国永磁电机产量就达到了1107.1万千瓦，是全球永磁电机的主要生产国。而相关的技术研发，国内虽然起步较晚（2000年初开始），但经过二十多年的发展，现在已经成为了国际第一批队的水准。
回到汽车领域，国内的电动车之王比亚迪旗下多款新能源，都搭载了永磁同步电机。新老电动车势力，如吉利、奇瑞、小鹏、理想也都搭载的永磁同步电机。
什么是永磁，顾名思义，永磁指的是电机的转子上安装了永磁体，采用稀土材料（钕铁硼等）制造，在非高温环境下能够永久保持磁力。
而同步则表示转子的转速和定子绕组产生的旋转磁场始终保持同步，意味着只要控制输入的电流频率就能控制电动机转子的转速。
具体原理为定子的三相绕组中通过三相对称电流，将会产生定子旋转磁场。定子旋转磁场对于转子旋转在笼型绕组内产生电流，产生转子旋转磁场。定子旋转磁场和转子旋转磁场相互作用产生的异步转矩使得转子由静止到转动。启动完成后，转子绕组不在起作用，由永磁体和定子绕组产生的磁场相互作用产生驱动转矩。
永磁同步电机根据永磁体在转子上的位置不同，分为表面式转子结构（表面式永磁电机）和内置式转子结构（内置式永磁电机）。
表面式转子结构又分为表面凸出式转子结构和表面嵌入式转子结构。
内置式转子结构又分为径向式、切向式和混合式。
永磁同步电动机对比同功率的异步电机来说，体积小，质量轻，输出转矩大，相应速度快，极限转速和制动性能比较好，而且永磁体替代了激磁线圈后也省了电能，所以现阶段国内大部分电动车型和国外部分车型都采用的永磁同步电机。
以宝马i3为例，其驱动的永磁同步电机只有49公斤，峰值功率为125KW(可持续30秒），最大转矩为250NM。
这里说一个比较有意思的地方，就是欧美主流电动车型都是采用或者准备采用异步感应电机，而拒绝了永磁同步电机的方案，比如特斯拉。
因为永磁同步电机的一个明显缺点就是永磁材料的昂贵，经常占据到整体材料的50%成本以上。永磁材料需要稀土资源，而在国外稀土属于极为稀缺的资源，价高难得。但中国拥有全球70%以上的易开采稀土资源，号称“稀土王国”，全世界的稀土材料大部分都靠我国出口，所以这一个缺点在国内也不存在了。但是欧美电动车型因为成本原因和某些不能说的原因，宁愿上大体积，大重量，综合能效也不高的异步电机，也不愿意上永磁同步电机的主要原因了。
再简单说下永磁同步电机的技术难点:退磁现象。
就是在高温，频繁震动等恶劣环境下容易出现不可逆的退磁，如电机高温，环境高温，热量集聚的状况下退磁。而一旦退磁，则电机性能下降到甚至无法使用。如何在使用中避免磁性衰退，一种是在源头解决问题，开发新的高耐热性、高磁性的钕铁硼永磁体。另一种就是提升抗磁化的技术来应对。比如增设负载检测，调低最高负载，增加散热措施，避免频繁启动等。
宝马i3为避免电机内部温度过高，在运行模式下，温度上限为200℃，在定子绕组内设置了两个温度传感器（NTC型热敏电阻，通过测量电压、电流来计算温度）来监控，对于转子的温度则是通过热量模型进行预估。在高于180℃的时候，宝马就会降低电动机功率。
永磁同步电机的另一个技术难点:控制技术。
因为永磁同步电机的“永磁”现象，所以使得外部调节其磁场极为困难。现阶段的永磁同步电机，思路是不进行磁场控制，只进行电枢控制。利用电子器件、微机控制结合来进行永磁同步电机的控制。在位置、速度、力矩控制上做到精细化管理。
永磁同步电机的其他的技术难点还有抗黑能力差，高转速受限制，启动困难，后面有机会再详述了。
一、永磁同步电机
1.1永磁同步电机简介
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）出现在20世纪50年代。永磁同步电机的运行原理与普通电励磁同步电机相同，但它以永磁体励磁替代励磁绕组励磁，使电动机结构更为简单，降低了加工和装配费用，同时还省去容易出现问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性。由于无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的工作效率。
1.2永磁同步电机结构
如下图1所示，永磁同步电机主要部分为：转子、定子、端盖等部件。下图2是PMSM的实物图。
图1.PMSM剖面图
图2.PMSM实物解剖图
PMSM的定子主要指定子绕组和定子铁芯两部分。定子绕组目前有分布式和集中式两种结构。分布式绕组与异步电动机的定子多相交流绕组相似，一般希望分布在定子槽中的定子绕组产生的理想磁通势为正弦波，然而实际绕组不会产生理想的正弦波。定义每极每相绕组槽数q=Z/(2 * np * m)，Z为定子槽数，np为电动机极对数，m为电动机定子绕组相数。
PMSM的转子主要包括永磁体、转子铁芯、转轴、轴承等。传统的电网供电异步启动永磁同步电动机的转子会安装有笼型绕组，现代变频调速用永磁同步电动机通常不会安装转子绕组。根据永磁体在转子铁芯中的位置可以划分为表面式与内置式PMSM。表面式PMSM又可以划分为表贴式与插入式两种结构。见下图3、图4、图5所示。
图3.表贴式与内置式PMSM
图4.表贴式PMSM
图5，内置式PMSM
1.3 表贴式电机 VS 内置式电机
- 表贴式电机：结构简单、制造成本低、转动惯量小，在恒功率运行范围不宽的三相PMSM和永磁无刷直流电机中得到广泛的应用。表贴式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，能使电机的气隙磁密波形趋于正弦波分布，进而提高电机的运行性能。【永磁体直接暴露在气隙磁场中，容易退磁，弱磁能力受限】PS：Ld = Lq
- 内置式电机：可充分利用转子磁路不对称所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，使得电机的动态性能较表贴式转子结构有所改善，制造工艺也较简单，但漏磁系数和制造成本都较表贴式转子结构大。【有利于弱磁升速，易于提高电动机高速旋转的安全性】。PS：Ld<Lq
为什么表贴式和内置式d、q轴电感不同？
对于永磁性材料，它的磁导率与空气相同，而不是与铁磁性材料相同。可以这么来理解这个事实，铁磁性材料相当于电导率高的电阻，空气相当于电导率很低的电阻，而永磁性材料则相当于电流源。电流源内阻很大，因而电导率很低；然而它会发出电流。永磁性材料相对磁导率很低，然而它能产生磁通。在戴维南定律中，电流源相当于开路，电导率接近于0，因此就不难想象在磁路中为什么磁钢相当于空气了。
图6.内置式与表贴式电机简图
图(a)是内嵌式永磁同步电机，即凸极永磁同步电机，图(b)是表贴式永磁同步电机，即隐极永磁同步电机。电机的d轴和q轴是一个很重要的概念，他们是相对于转子而言的。对于电机来说，d轴即转子磁钢磁极所在轴线，方向是从S极指向N极。q轴与d轴垂直，方向逆时针沿d轴转过90度。说是凸极隐极，其实是根据d轴和q轴的同步电感来确定的。发现了吗？内嵌式永磁同步电机里头d轴方向的用铁量比较少，因为除了空气气隙，还有永磁体占用了一定空间。永磁体磁导率相当于空气！而q轴除了空气气隙就是铁了，用铁量比d轴要多，所以d轴电感小，q轴电感大。而隐极的磁铁是在空气隙里头的，d轴方向和q轴方向用铁量一样多。所以d轴和q轴的电感相等。【来源：乐叔】
二、PMSM的动态数学模型【来源：永磁同步电机变频调速系统及其控制】
1.1 PMSM假设
对交流永磁同步电机作如下假设：
- 定子绕组Y形接法，三相绕组对称分布，各绕组轴线在空间互差120度；转子上的永磁体在定转子气隙内产生主磁场（对于PMSM，该磁场沿气隙圆周呈正弦分布；对于BLDCM，该磁场沿气隙圆周呈梯形波分布），转子没有阻尼绕组。
- 忽略定子绕组的齿槽对气隙磁场分布的影响。
- 假设铁芯的磁导率无穷大，忽略定子铁芯与转子铁芯的涡流损耗和磁滞损耗。
- 忽略电动机参数（绕组电阻与绕组电感等）的变化。
1.2 PMSM动态数学模型
- 电压方程
- 磁链方程
- 转矩方程
