Motor-CAD 图解电机结构：表贴 / 内嵌、极对数、定转子比例、绕组截距/层数

一、电机基本结构

1.1 基本结构

上图是一个极对数为 2，槽数为 12 的表贴式电机，其中定子转子比例为 1:1 (1 转子极对需对应 3 定子槽)。下面来详细解释一下各部分的结构：

• ① 和 ② 红色和蓝色部分是硅钢片属于软磁材料，对其施加外部磁场时，磁场能正常通过，磁阻很小。取消外部磁场后，软磁材料不再残留磁性，可以类比电路中的导线。
• ③ 是永磁铁，属于硬磁材料。磁铁是S 极 N 极间隔，一共4块。S-N 重复了 2 次，所以是 2 极对。
• ④ 灰色的是转轴，和磁路没有关系，忽略他的磁路关系。
• ⑤ 是气隙，空气的磁阻约为硅钢片的 1000~3000 倍，在磁路中可以将其看作为电阻。
• ⑥ 是定子的绕组槽，也就是定子线圈。
• ⑦ 是绕组的槽契，是定子槽口上用来封住线圈、防止线圈弹出、改善磁场的一种卡子 / 楔子，也就是把槽口盖住的插片。

二、表贴 / 内嵌式

2.1 表贴 / 内嵌式简介

表贴式 (SPMSM：Surface Mounted PM)：就是磁钢贴在转子表面，如图一样直接粘在外圆上。

• 优点有：磁路最简单 (气隙磁通密度比较接近正弦，设计、控制都简单)、输出转矩密度高 (气隙磁阻小，磁通强，所以低速扭矩大)、反电动势更接近正弦。
• 缺点有：机械强度差 (磁钢在外圆，高速时离心力巨大，容易飞磁)，凸极不明显,弱磁能力差 (高速弱磁区域很吃力，基速受限)

内嵌式 (IPMSM：Interior Permanent Magnet)：磁钢放在转子铁芯内部的沟槽里，有点像把磁钢埋到铁里面。

• 优点有：可做凸极结构 (Ld < Lq)、弱磁能力强 (可以做很高转速，比如 15k~30k+ rpm 的车用电机)、机械强度极高 (高频、高速电机基本都用 IPM)
• 缺点有：结构更复杂 (转子冲片要开槽，磁钢要定位，更难制造)、气隙磁通不如表贴式强 (同体积下低速扭矩略逊于 SPM 除非用磁阻转矩补上)

(a) 内嵌式、(b) 表贴式

其最大的区别就是内嵌式的电机 dq 轴电感不同 (Ld < Lq)，而表贴式则近似 (Ld ≈ Lq)。

在内嵌式永磁同步电机（IPMSM）中，由于磁钢埋在转子内部，导致 d 轴与 q 轴方向的磁路结构不同，从而产生明显的电感差异。

其内嵌式永磁同步电机 (IPMSM)，在 d 轴方向上，磁通必须穿过：空气气隙 (磁阻高) 永磁体 (磁导率与空气接近 μr ≈ 1) 少量铁芯 (硅钢片)。而 q 轴则空气气隙，大部分铁芯 (导磁率高 μr ≈ 200～400)，很显然，因为 q、d 轴铁芯 (硅钢片)用量不一样，导致了 (Ld < Lq)。

而表贴式电机在 q、d 轴上仅有细微的空气气隙 (磁阻高) 差别，所以 (Ld ≈ Lq)。

2.2 表贴式电机

2.2.1 径向表贴

磁钢放置方向与径向不同，但仍贴在表面，例如磁钢长边沿周向放置。

优点：结构最简单、成本最低、电磁设计容易、高转速响应好 (伺服常用)。

缺点：没有磁阻转矩 (因为 Ld=Lq)、弱磁性能差 (高速效率差)、磁钢离心力大，需要套筒。

绝大多数 BLDC、小功率 PMSM 都是这种。

2.2.2 平行表贴

磁钢放置方向与径向不同，但仍贴在表面，例如磁钢长边沿周向放置。

常见于：无刷风扇、电动工具、低成本国产小电机。

特点：与径向表贴构造差不多、Ld≈Lq。

2.3 内嵌式电机

2.3.1 V 型内嵌式

最常用，应用最多。

典型使用场景：电动汽车 (最主流)、高性能伺服、洗衣机 DD 电机、空调压缩机。

优点：较大的磁阻转矩 (Lq-Ld 差大)、弱磁性能非常好 (高速效率高)、转子机械强度好 (不怕飞磁)、扭矩密度高。

这是现代主流 IPM 的第一选择。

2.3.2 平行式嵌入

第二常用。

优点：工艺简单、加工容易、成本比 V 型低、Lq > Ld，但差值比 V 型小 (磁阻转矩较弱)。

用于：小型伺服、家电电机 (低成本)、小功率驱动。

2.3.3 U 型 (或双 V、Wide-V)

结构 → 追求更高性能的车型 本质是强化 V 型，使磁阻转矩更大。

典型使用场景：高端 EV 电机 (特斯拉、丰田等)、重载伺服。

优点：Lq-Ld 差最大、扭矩密度最高、高速弱磁能力最好。

缺点：加工流程更贵、磁钢定位更复杂。

三、极对数

3.1 极对数介绍

极对数 = 永磁体 N / S 成对出现的数量。也就是电机转子有多少个磁极对，就叫多少极对 (p)。

极数 4 的电机，共有两对 S / N 极，其极对数就是 2了。

2 对极表贴电机将机械角度 360 度分为 2 个 360 度电角度重复结构，机械角度 180 度就等于电角度 360 度。机械角度 × 极对数 = 电角度

3.2 极对数 2 模型

3.3 极对数 4 模型

四、定转子比例

4.1 定转子比例简介

定转子比例指定子槽数 (S) 与转子极数 (P) 之间的配比关系，用于判断电机的结构类型、绕组方式、齿槽转矩大小、是否能正常建立旋转磁场等。

定转子比例 = 定子槽数 / 转子槽数

常见 12 槽 / 4 极 → 12:4、9 槽 / 6 极 → 9:6、24 槽 / 8 极 → 24:8 等

这些比例工程上极常见：

12 槽 / 8 极 (1.5 比) 最经典 BLDC / PMSM、扭矩大、齿槽小、成本合理。

9 槽 / 6 极 (1.5 比) 小型无人机、风扇、航空伺服、扭矩密度超高、高频响应好。

24 槽 / 8 极 (3 比) 分布绕伺服电机、噪声低、扭矩脉动小、工业伺服常用。

48 槽 / 8 极 (6 比) 高端伺服、超低谐波、电流波形极佳。

4.2 分槽数和整槽数

分数槽 = 槽极比不是整数。例如：12 / 8 = 1.5、9 / 6 = 1.5、24 / 20 = 1.2

整数槽 = 槽极比是整数。例如：12 / 4 = 3、24 / 8 = 3、36 / 6 = 6

槽极比	特点
大（比如 36/4）	低噪声，平稳，高效率
小（比如 12/10）	高转矩密度，高功率密度
分数槽	齿槽转矩小，适合伺服、机器人
整数槽	卡齿明显，成本低

4.3 12 槽 / 8 极 模型

4.4 12 槽 / 8 极 模型

4.5 12 槽 / 8 极 模型

五、绕组节距和绕组层数

5.1 绕组节距

绕组节距就是线圈两边之间跨的槽数，用来决定电机的磁势和反电势形状。

绕组节距等于线圈一个边到下一个边在槽中的间隔，单位是槽数。比如一个线圈有两个边 (左边和右边)，它们跨过了多少个槽就叫节距。因为电机是圆周分布的，绕组要跨一定距离才能形成磁动势 (MMF)。

节距决定：电机反电势波形、谐波大小、磁场分布、转矩脉动、线圈长度 (铜耗)

满节距：指线圈跨的槽数刚好等于一个极距。其极距 = 槽数 / 极数 × 2。举例一个 12 槽、4 极电机 每极槽数 = 12 / (4 / 2) = 6 槽。所以满节距 = 6 槽 如果线圈刚好跨 6 槽，就是满节距。

满节距特点：反电势最高、谐波多、铜线较长、损耗大。

短节距：为了减少谐波，会故意把节距减少：例如极距 6 槽，但是线圈只跨 5 或 4 槽。

短节距的优点：减少 5 次、7 次等谐波、反电势更接近正弦、降低振动噪声、节省铜线。所以现代高品质电机基本都用短节距。

短节距的缺点：基波 MMF 稍微下降一点 (转矩略减)。

用刚才的模型举例，下图为 1 节距：

下图为 3 节距：

5.2 绕组层数

电机中的绕组层数指的是线圈在槽内沿径向叠放的层数，也就是导线在每个定子槽里排成几层。一根绕组不可能只占槽底或槽口的一条线，它会在槽里一层一层往上叠。这个叠的层数就是层数。

绕组层数等于定子槽内导线堆叠的层数。它决定电机的槽满率、铜损、散热和电流能力。

电机厂常用槽满率 (铜占比) 测性能，层数越多一般铜填得越满。

层数多：槽满率高、铜损低 (线多)、制造难度大、温度更高 (更密)、电机可承受更大电流。

层数少：槽满率低、铜损高、简单、散热更好、电流能力低。

下图为 1 绕组层数：

下图为 2 绕组层数：