内置永磁体同步电机通过改进转子设计提高了磁通量密度，实现了高转速下的高扭矩，大大提高了电机的性能。

永磁体同步电机－简称为无刷伺服电机－依靠一个旋转的磁性转子来产生有效输出扭矩所需要的磁场。通常，为了设计简单这个磁体一般安装在转子的外围。相比于其它的安装形式，这种外置磁体的方式在很多的应用场合都可以提供不错的动态性能，而且成本比较低。这就是所谓的表面永磁体（SPM）设计。

对于高性能无刷伺服电机控制工程网版权所有，还有一种可行的转子设计，人们称之为内置永磁体（IPM）、内部PM、内嵌式PM或埋入式PM。不管大家怎么称呼这种结构，它实际上就是把磁体设置在转子结构的内部来提高马达的扭矩－速度性能、改善马达的其它特性。在本文中我们采用IPM来称呼它。
IPM马达的转子形状设计以及磁体的突极结构设置的目的都是为了改进磁阻扭矩性能、提高磁通量密度。磁阻扭矩可以被利用来增加马达的扭矩输出，但是这需要一个更为复杂的伺服放大器和控制算法。在某些合适的应用场合，马达转子突极还可以简化无传感器反馈技术的应用。
内置磁体结构的一个明显的好处就是减小了转子的直径、降低了转动惯量。GE Fanuc 自动化（北美）公司的伺服产品经理Paul Webster指出：IPM伺服马达的高速能力以及高的加速能力是使用稀土内置磁体（例如钕－铁－硼，Nd-Fe-B）的结果。“将高磁密度磁体置入转子可以优化转子结构，使得磁通量分布能够尽量接近正弦分布，”Webster说，“由于电枢反应的作用，内嵌磁体结构的磁路饱和程度也比较低。”
IPM设计的其它好处还包括转子的机械结构结实、平衡程度高。内置磁体不会脱落或是被损坏，这样就可以允许马达高速旋转，不必担心振动或是转子/轴承损坏，Webster解释道。“事实上，GE Fanuc目前的Alpha i系列伺服马达的平均故障间隔时间已经被提高到了惊人的一百四十万小时以上。”他说。
根据Webster的介绍，通过IPM设计已经使平均的齿隙转矩减小到了额定扭矩的0.05％，这个水平略好于磁体表面安装式设计。这种IPM马达的一种典型应用是电脑数控机床的进给轴驱动控制工程网版权所有，在这里高速进轴时的高精度是控制的关键。较低的齿隙转矩可以提高机械精度。
磁体表面安装还是磁体埋入？
Danaher Motion公司的系统工程师Lee Stephens指出：无刷伺服马达几乎都采用旋转永磁体结构－无论是转子表面安装磁体或是埋入式磁体。“内置永磁体结构应用于高功率马达时可以获得几何形状较好的磁密度分布。”他说。
表面永磁体设计使得转子的结构比较简单，Stephens解释说，预先成形的磁体只需简单的围着转子被粘在外面就可以了，这就是马达的磁通量源。SPM设计的效费比较好，特别是应用于低功率系统时尤为突出，比较典型的有NEMA 34规格或是更小规格的马达。相比较而言，IPM设计可以使磁体成为转子结构的一部分。“埋入式磁体设计中磁体和转子几乎就是一个东西。”Stephens说。然而功率和磁通量密度是一对矛盾体，必须在二者之间进行折衷。
“表面安装式磁体能够产生高速磁场，从而获得高的马达转速。而IPM设计以不同的磁场生成的时间常数为代价，可以产生出高磁通量密度和高扭矩。”他说。虽然磁力的产生需要一定的时间，但是这不会影响IPM马达的高速性能。通常来说IPM马达的物理尺寸较大，但是采用IPM和SPM设计的马达在尺寸和功率上也存在着不少重叠的地方。
稀土永磁体可能是马达成本的主要部分。从这个方面来说SPM设计的马达比较占优，SPM马达磁体材料的数量在不断降低，特别是对小型马达而言。“较少的材料和较简单的结构使得SPM马达与埋入式磁体设计的马达相比具有较高的效费比，”Stephens评论说，“但是成本和效果必须根据要求来衡量，通常的结果是对二者进行折衷。”例如IPM设计采用制造容易的扁平形状的磁体，而SPM设计采用曲线形状的磁体。
Stephens认同把磁体安装在转子内部的优点，这样可以得到直径较小的转子，这也意味着转子的转动惯量比较小。根据鼓形转子的转动惯量计算公式－1/2mr2（这里的m是转子的质量，r是转子的半径），转子的半径减少了，所以转动惯量也减少了。“这个折衷是出于对功率密度的考虑，对大型马达来说功率密度是众多马达特性中比较重要的一个。”他说。对于大功率马达，SPM设计的转子转动惯量太高了，这样仅仅在加速马达的时候就需要消耗很多能量。
弱磁控制以及新颖的马达结构
Bosch Rexroth AG公司驱动系统产品管理部的经理Steffen Winkler指出，IPM同步马达的主要优点之一就是可以应用弱磁控制技术（比值高达6:1甚至10:1）。这种方法有助于扩大马达的操作速度范围，类似于感应电机的特点。
Bosch Rexroth推出创新的直接驱动（空心轴）转子内置永磁体同步马达表明了电动马达设计的道路十分宽阔。据报道与其它设计相比IndraDyn H马达可以提供最高的扭矩密度，它的额定功率可以达到57 kW（76 hp）。一种较小型号马达的最大转速可达30,000转/分钟。Winkler把IndraDyn H马达称为“第一种具有全闭环冷却回路的马达，这种设计减少了机械工程师的工作量，提高了冷却效率。”定子内部水冷是提高冷却效率的标准做法，但是其它冷却媒介（油、空气）以及自然对流也是减少连续操作功率的可选项，他解释说。Yaskawa Electric公司也把IPM技术应用在高功率伺服马达上，例如他们的大功率SGMBH马达，SGMBH马达是Yaskawa Electric公司输出功率55kW以下的标准产品。Yaskawa Electric美国公司的产品市场经理ChrisKnudsen指出，基于产品成本和应用的需要，大功率马达采用IPM设计比较合适。对于较小的Yaskawa伺服马达，表面安装永磁体设计被证明是具有较高效费比、可靠性，能够提供应用（例如机械工具）所需的高性能。
成本、复杂性、控制
实现一种IPM伺服马达设计会显著增加成本和复杂性。GE Fanuc公司的Webster举例说：有限元法（FEM）磁力分析、昂贵的高密度稀土磁体和高分辨率编码器是实现马达性能提高、尺寸减小所必须的。
IPM马达转子磁轭支架形状的设计是一个主要挑战。内置磁体的位置和较小的转子尺寸限制了外围转子磁轭支架的设计自由度。“磁体结构的FEM分析被用来在转子磁轭支架造型和扭矩以及齿隙转矩之间找到合适的平衡点。IPM设计代表极端平顺的马达和极端强力的马达之间的一种平衡，”Webster继续道。为了得到所要求的复杂形状需要采用顺序冲模工艺。制造更为复杂的是一种薄片层压的转子磁轭支架，这种转子磁轭支架可以减少表面热损。与之相反，“一个表面安装磁体转子可以采用实心的钢转子以及简单粘贴上去的磁体。”他补充说。
根据Webster的观点，一台典型的IPM马达需要一套更快速、更先进的控制系统。要想稳定的操作降低了转动惯量的较小、较轻的转子需要一个高分辨率的编码器和较快速的伺服回路控制反应。具有16,000,000ppr的编码器是增加闭环速度和位置控制回路可用反馈数据数量的一种途径。惯量匹配是影响稳定操作的重要因素，因为同SPM设计相比，一台采用稀土磁体的IPM马达有多种途径可以减少转子的惯性，他解释说。为了适应更高的稳定性以及在较高惯量情况下平稳给轴，伺服回路的反应时间也必须更快。Webster提到了高反应矢量（HRV）控制－这是一种磁场定向控制的先进形式，它可以在32.25毫秒内处理一个电流回路（在62.5 ms时间内处理一个速度回路）从而提高反应速度、控制能力、精度和操作平稳程度。另外，HRV控制采用多级共振滤波器来帮助衰减设备上的机械共振。“结合使用这些控制方法可以确保获得一个高增益的控制系统。”他说。
Bosch Rexroth公司的Winkler认为：与传统永磁体马达相比，IPM马达需要更高的控制效果。“为了获得尽量高的性能，马达的控制系统应该根据马达的特定参数进行整定，特别是在弱磁控制区域，”他说，“这就是说一个系统解决方案中的马达和控制系统最好来自于同一个供应商，但是并不是必须如此。”
SPM设计和IPM设计之间的技术差别使得IPM设计的马达需要某种本质上来说比正弦换相控制更为精细的换相控制，Danaher Motion公司的Stephens解释说。此外，有些大功率IPM马达还需要增加更多控制功能，在转速提高的情况下不损失或是只损失很少的扭矩。所谓的“转矩角超前”特性允许为信号定时，以便在转子到位之前开始换相操作。这个特性可以克服由电枢自感应所产生磁场的时间滞后，这种情况下的磁阻通路和电枢的物理形状都是梳状的。“我们需要获得全部的磁场来保证马达在额定转速下能够发出全部的扭矩。”他说，“随着DSP技术的不断发展，我们可以采用对照表或干脆在驱动器内部进行计算来精确的实现这个要求。”
IPM设计为获得良好的速度－扭矩性能而采用了转矩角超前算法，但是SPM设计可能不需要采用这种办法。这就是一个典型的例子，为什么IPM伺服马达的控制系统更为复杂。不过更为复杂的控制系统并不意味着可靠性一定会降低，Stephens指出。“在工业领域对于可靠性的要求一直都在增加，性能超过以前的模拟驱动器的数字化驱动器满足了这个要求。”他总结道。
总之IPM马达能够提供比采用表面安装磁体和其它技术的马达更好的性能。