相比表面式永磁同步电机,内置式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)的d、q轴电感不相等,因而可以充分利用磁阻转矩获得较大的输出转矩,且具有更宽的弱磁扩速范围,故被广泛应用在电动汽车、数控机床和轨道机车等各方面。然而,IPMSM的齿槽转矩大、转矩脉动高和弱磁困难等问题,严重制约了其在高转速、高精度等场合的应用。因此,本文以IPMSM为研究对象,对IPMSM的优化设计及弱磁特性展开深入研究,力图使IPMSM的齿槽转矩得到有效削弱、转矩脉动有效降低和弱磁扩速范围更宽。论文完成的主要工作及取得的成果如下:(1)建立IPMSM的电磁场有限元仿真模型并进行仿真分析,内容包括IPMSM的静态场仿真分析和IPMSM的瞬态场仿真分析两方面。其中,IPMSM的静态场仿真分析又包括IPMSM的静态磁场分布和静态特性分析。IPMSM的瞬态场仿真分析包括IPMSM的空载和负载特性分析。(2)研究并得到一种基于磁极分段优化的IPMSM齿槽削弱方法。首先,采用解析计算的方法分析了磁极分段对IPMSM齿槽转矩的影响。然后,对永磁体均匀分段、永磁体非均匀分段和永磁体不等厚且非均匀分段三种不同的磁极分段方法分别进行了详细分析。最后,通过对比分析这三种不同的磁极分段方法的有限元仿真结果,验证了永磁体不等厚且非均匀分段对IPMSM齿槽转矩的削弱效果最佳。(3)研究并得到一种基于田口法+磁极偏移的IPMSM转矩脉动优化设计方法。一方面,详细介绍了田口法的整个优化设计过程;另一方面,详细介绍了磁极偏移削弱IPMSM齿槽转矩的原理和方法,并在现有的两种磁极偏移方法的基础上提出了一种新的磁极偏移方法。该新磁极偏移方法与田口法结合对IPMSM的转矩脉动进行优化设计,不仅减小了正交实验次数和缩短设计时间,还有效降低了电机的转矩脉动。(4)根据IPMSM的定子电流控制策略,包括恒转矩控制和普通弱磁控制,设计了一种适用于计算IPMSM的转矩和功率特性的定子电流控制程序。利用该控制程序研究了以凸极率和弱磁率为主要弱磁参数对IPMSM的弱磁性能影响,从而得到弱磁参数的一般设计准则。此外,还采用更加准确的有限元法详细分析了IPMSM的弱磁特性,包括其低速特性和高速特性。最后,采用了一种基于永磁体分段且分段永磁体之间放置铁桥间隔的IPMSM(Segmented IPMSM)来提高电机的弱磁扩速能力,并从磁路解析分析的角度说明了Segmented IPMSM提高弱磁性能的原理,通过比较四种不同设计的Segmented IPMSM的有限元仿真结果获得最佳的设计方案。