永磁同步电机具有体积小、质量轻、功率因数高等优点,广泛适用于船舰推进、机车牵引、航空航天等领域。内置式永磁同步电机以其独特的磁路结构,使得d轴磁路的磁阻大于q轴磁路的磁阻,进而产生磁阻转矩,因此相较表贴式电机具有更宽的恒功率速度范围以及优良的弱磁扩速能力,适合于低速时需要大转矩,高速时需要恒功率范围宽的电动汽车环境中。但由于永磁体磁通难以衰减,在一定程度上制约了转速的进一步提升。因此,本文从本体设计的角度,针对提高内置式永磁同步电机的转速范围进行了一系列研究。介绍了永磁同步电机的d、q轴数学模型,进一步分析了电机的运行原理,包括基速以下的最大转矩/电流运行原理及基速以上的弱磁运行原理,分别推导了二者的转矩、电流关系,得到采用增大d轴电感的途径可以增大电机的最高转速的结论,为接下来的改进电机结构提供了理论基础。以一台额定功率为20kW的内置“V”字型永磁同步电机为研究对象,提出了一种通过永磁体不均匀分段以及d轴处的转子铁心向气隙方向的凸起来拓展转速范围的转子结构,并利用Taguchi法对其进行优化设计,最终得到满足要求的转子具体结构。通过将优化后的转子改进结构与初始结构进行对比,d轴电感得到有效增大,转速范围有了较大提高,且电磁转矩脉动与齿槽转矩都有一定程度的降低,空载及负载气隙磁密正弦性更好,主要谐波次数(3次、5次、7次)含量均有明显降低。在ANSYS Maxwell环境中搭建了电机的有限元模型,在ANSYS Simplorer环境中搭建了电机的功率回路模型,并在Simulink中搭建了电机的弱磁控制模型。同时,为了加快仿真速度,在Maxwell中对电机有限元模型进行ECE扫描,从而代替传统的本体有限元模型,经测试,ECE与有限元模型具有很高的吻合度。将ECE模型、功率回路模型、控制策略模型三者有机结合,实现了20kW改进前、后电机模型的弱磁控制联合仿真,仿真结果验证了本文提出的改进结构的合理性与有效性。