哈理工学者发表永磁辅助同步磁阻电机的研究现状及发展趋势综述

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永磁辅助同步磁阻电机（Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor, PMaSynRM）最初由意大利学者A. Vagati首次提出。永磁辅助同步磁阻电机结合了同步磁阻电机（Synchronous Reluctance Motor, SynRM）和内置式永磁同步电机（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）的特点，该电机充分利用磁阻转矩和永磁转矩，具有功率密度高、效率高、调速范围宽及体积小、质量轻等显著优点。因工艺水平和材料的限制，当时对永磁辅助同步磁阻电机的研究和应用并未获得足够重视。

近年来，由于稀土永磁体使用量大，价格不断提升，为减轻永磁电机对稀土的依赖，减少稀土开采对环境的破坏，并在保证电机高性能的同时降低电机成本，永磁辅助同步磁阻电机这一少稀土乃至无稀土的高效电机再次被提出，技术发展迅速，国内外对其研究取得了丰硕的成果，产业化势头良好，并在电动汽车和空调、洗衣机等家电领域被广泛应用。

永磁辅助同步磁阻电机由同步磁阻电机发展而来，通过在磁障中添加永磁材料来提供直轴永磁磁通，既能增大其交、直轴来提升磁阻转矩，又因转子磁障中添加永磁材料产生永磁转矩，增大电机的转矩密度，从而有效克服了同步磁阻电机本身低功率因数和低转矩密度的缺点。

这一改变使得原有同步磁阻电机设计方法也不再完全适用于永磁辅助同步磁阻电机，尤其需要重新对其磁障形状、尺寸、层数以及永磁体的材料、尺寸和用量进行优化设计，以使电机获得更佳的电磁性能。另外，添加永磁体后，永磁辅助同步磁阻电机运行时的转子受力情况、损耗分布以及温度变化也将随之改变，需要对其转子机械强度和电机温升进行深入研究，以确保电机长期可靠运行。

相比于内置式永磁同步电机，永磁辅助同步磁阻电机可在保证电磁性能的同时减少永磁体用量，极大地提高了电机的性价比。尽管它有诸多优点，但其转矩脉动较高、损耗较大、机械强度较低的劣势也不容忽视。高转矩脉动使电机稳定性降低，影响电机甚至系统的可靠性；相比同等条件下的永磁同步电机，其效率更低；较低的机械强度会使电机高速运行时转子发生形变，从而引发事故。非多相永磁辅助同步磁阻电机本身不具有容错性，限制了其在更广阔领域内的应用。

永磁辅助同步磁阻电机在设计、分析等方面存在许多常规电机所不具有的关键问题，因此不能照搬常规电机的相关设计及分析方法，而需要进行深入的研究。目前，永磁辅助同步磁阻电机的优化设计、转矩提升、转矩脉动抑制、机械强度、温升分布预测以及容错设计及控制等方面逐渐成为国内外学者的研究热点，特别是在家用电器、电动汽车及工业电机等领域。而国内与国外相比仍有较大的差距，对其研制多集中在小功率和低转速。

在国内外研究现状的基础上，哈尔滨理工大学电气与电子工程学院、哈尔滨理工大学大型电机电气与传热技术国家地方联合工程研究中心的曹恒佩、艾萌萌、王延波，在2022年第18期《电工技术学报》上撰文，详细介绍永磁辅助同步磁阻电机的优化设计、转矩提升、转矩脉动抑制、机械强度、温升分布计算以及容错设计等方面的最新研究进展。

他们分析了辅助槽与气隙等设计对转矩特性的提升，总结中心肋与磁障等设计对机械强度的优化，解释了永磁辅助同步磁阻电机在不同工况下的温升分布并总结多相、绕组等设计对永磁辅助同步磁阻电机容错能力的提高，最后考虑电机行业的发展趋势，对永磁辅助同步磁阻电机的研究发展进行展望。

研究人员指出，尽管目前在电动汽车、家用电器等领域有了较广泛的应用，但永磁辅助同步磁阻电机仍存在亟需深入研究的关键技术问题，主要包括：

1）损耗与温升

随着永磁辅助同步磁阻电机新的应用场合不断出现，对其最大功率需求日趋增加，使得电机电磁负荷和功率密度不断提高，加之转子磁障结构对其运行磁场的影响，尤其是高速应用环境，永磁辅助同步磁阻电机损耗的准确计算仍值得深入研究。在此基础上，研究不同工况、不同冷却条件、不同转子结构对电机温升分布规律的影响和多物理场双向耦合方法预测电机全域温升也是该类电机电磁设计、结构优化甚至扩大应用范围必须解决的关键问题之一。

2）高转速化、高功率密度化或高转矩密度化

对永磁辅助同步磁阻电机进行更合理的结构设计和电磁设计，充分利用永磁转矩和磁阻转矩，实现更高的功率密度或转矩密度，达到更好的电磁性能。充分发挥永磁辅助同步磁阻电机高功率密度、高效率等优势向高速领域发展，以期在航空航天领域发挥更大作用。

3）多目标优化设计

永磁辅助同步磁阻电机的优化设计涉及到电磁、流体流动及传热、应力场、转子动力学以及容错控制等方面的多约束条件下的多目标综合优化设计。目前，永磁辅助同步磁阻电机的优化设计多为单一性能如电磁性能的优化，多目标协同优化正逐渐成为其优化设计的主要方向，借助多物理场双向耦合分析，实现电机的损耗控制、转矩脉动抑制、转子强度、冷却结构及全域温升预测及抑制等多目标系统优化。

4）容错电机与故障诊断

对永磁辅助同步磁阻电机进行更合理的容错设计，并研究其容错控制策略。合理设计永磁辅助同步磁阻电机的转子结构、绕组型式及连接方式、永磁体设置位置及形状等，进一步提升其抗短路能力和电磁性能，准确诊断系统的故障类型、故障位置等也是今后研究的重点。

本文编自2022年第18期《电工技术学报》，论文标题为“永磁辅助同步磁阻电机研究现状及发展趋势”。本课题得到国家自然科学基金和黑龙江省自然基金资助项目的支持。

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