永磁輔助同步磁阻電機(jī)（PMaSynRM）最初由意大利學(xué)者A. Vagati首次提出。永磁輔助同步磁阻電機(jī)結(jié)合了同步磁阻電機(jī)（SynRM）和內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（IPMSM）的特點(diǎn)，該電機(jī)充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩，具有功率密度高、效率高、調(diào)速范圍寬及體積小、質(zhì)量輕等顯著優(yōu)點(diǎn)。因工藝水平和材料的限制，當(dāng)時(shí)對(duì)永磁輔助同步磁阻電機(jī)的研究和應(yīng)用并未獲得足夠重視。

近年來(lái)，由于稀土永磁體使用量大，價(jià)格不斷提升，為減輕永磁電機(jī)對(duì)稀土的依賴(lài)，減少稀土開(kāi)采對(duì)環(huán)境的破壞，并在保證電機(jī)高性能的同時(shí)降低電機(jī)成本，永磁輔助同步磁阻電機(jī)這一少稀土乃至無(wú)稀土的高效電機(jī)再次被提出，技術(shù)發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究取得了豐碩的成果，產(chǎn)業(yè)化勢(shì)頭良好，并在電動(dòng)汽車(chē)和空調(diào)、洗衣機(jī)等家電領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

永磁輔助同步磁阻電機(jī)由同步磁阻電機(jī)發(fā)展而來(lái)，通過(guò)在磁障中添加永磁材料來(lái)提供直軸永磁磁通，既能增大其交、直軸來(lái)提升磁阻轉(zhuǎn)矩，又因轉(zhuǎn)子磁障中添加永磁材料產(chǎn)生永磁轉(zhuǎn)矩，增大電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，從而有效克服了同步磁阻電機(jī)本身低功率因數(shù)和低轉(zhuǎn)矩密度的缺點(diǎn)。

這一改變使得原有同步磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)方法也不再完全適用于永磁輔助同步磁阻電機(jī)，尤其需要重新對(duì)其磁障形狀、尺寸、層數(shù)以及永磁體的材料、尺寸和用量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使電機(jī)獲得更佳的電磁性能。另外，添加永磁體后，永磁輔助同步磁阻電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子受力情況、損耗分布以及溫度變化也將隨之改變，需要對(duì)其轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和電機(jī)溫升進(jìn)行深入研究，以確保電機(jī)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

相比于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，永磁輔助同步磁阻電機(jī)可在保證電磁性能的同時(shí)減少永磁體用量，極大地提高了電機(jī)的性?xún)r(jià)比。盡管它有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較高、損耗較大、機(jī)械強(qiáng)度較低的劣勢(shì)也不容忽視。高轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使電機(jī)穩(wěn)定性降低，影響電機(jī)甚至系統(tǒng)的可靠性；相比同等條件下的永磁同步電機(jī)，其效率更低；較低的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)使電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子發(fā)生形變，從而引發(fā)事故。非多相永磁輔助同步磁阻電機(jī)本身不具有容錯(cuò)性，限制了其在更廣闊領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

永磁輔助同步磁阻電機(jī)在設(shè)計(jì)、分析等方面存在許多常規(guī)電機(jī)所不具有的關(guān)鍵問(wèn)題，因此不能照搬常規(guī)電機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)及分析方法，而需要進(jìn)行深入的研究。目前，永磁輔助同步磁阻電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)矩提升、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制、機(jī)械強(qiáng)度、溫升分布預(yù)測(cè)以及容錯(cuò)設(shè)計(jì)及控制等方面逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，特別是在家用電器、電動(dòng)汽車(chē)及工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域。而國(guó)內(nèi)與國(guó)外相比仍有較大的差距，對(duì)其研制多集中在小功率和低轉(zhuǎn)速。

在國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院、哈爾濱理工大學(xué)大型電機(jī)電氣與傳熱技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心的曹恒佩、艾萌萌、王延波，在2022年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，詳細(xì)介紹永磁輔助同步磁阻電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)矩提升、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制、機(jī)械強(qiáng)度、溫升分布計(jì)算以及容錯(cuò)設(shè)計(jì)等方面的最新研究進(jìn)展。

他們分析了輔助槽與氣隙等設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)矩特性的提升，總結(jié)中心肋與磁障等設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的優(yōu)化，解釋了永磁輔助同步磁阻電機(jī)在不同工況下的溫升分布并總結(jié)多相、繞組等設(shè)計(jì)對(duì)永磁輔助同步磁阻電機(jī)容錯(cuò)能力的提高，最后考慮電機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)永磁輔助同步磁阻電機(jī)的研究發(fā)展進(jìn)行展望。

研究人員指出，盡管目前在電動(dòng)汽車(chē)、家用電器等領(lǐng)域有了較廣泛的應(yīng)用，但永磁輔助同步磁阻電機(jī)仍存在亟需深入研究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，主要包括：

1）損耗與溫升

隨著永磁輔助同步磁阻電機(jī)新的應(yīng)用場(chǎng)合不斷出現(xiàn)，對(duì)其最大功率需求日趨增加，使得電機(jī)電磁負(fù)荷和功率密度不斷提高，加之轉(zhuǎn)子磁障結(jié)構(gòu)對(duì)其運(yùn)行磁場(chǎng)的影響，尤其是高速應(yīng)用環(huán)境，永磁輔助同步磁阻電機(jī)損耗的準(zhǔn)確計(jì)算仍值得深入研究。在此基礎(chǔ)上，研究不同工況、不同冷卻條件、不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)溫升分布規(guī)律的影響和多物理場(chǎng)雙向耦合方法預(yù)測(cè)電機(jī)全域溫升也是該類(lèi)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化甚至擴(kuò)大應(yīng)用范圍必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2）高轉(zhuǎn)速化、高功率密度化或高轉(zhuǎn)矩密度化

對(duì)永磁輔助同步磁阻電機(jī)進(jìn)行更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁設(shè)計(jì)，充分利用永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度或轉(zhuǎn)矩密度，達(dá)到更好的電磁性能。充分發(fā)揮永磁輔助同步磁阻電機(jī)高功率密度、高效率等優(yōu)勢(shì)向高速領(lǐng)域發(fā)展，以期在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

3）多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

永磁輔助同步磁阻電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及到電磁、流體流動(dòng)及傳熱、應(yīng)力場(chǎng)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)以及容錯(cuò)控制等方面的多約束條件下的多目標(biāo)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，永磁輔助同步磁阻電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)多為單一性能如電磁性能的優(yōu)化，多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化正逐漸成為其優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要方向，借助多物理場(chǎng)雙向耦合分析，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的損耗控制、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、冷卻結(jié)構(gòu)及全域溫升預(yù)測(cè)及抑制等多目標(biāo)系統(tǒng)優(yōu)化。

4）容錯(cuò)電機(jī)與故障診斷

對(duì)永磁輔助同步磁阻電機(jī)進(jìn)行更合理的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，并研究其容錯(cuò)控制策略。合理設(shè)計(jì)永磁輔助同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、繞組型式及連接方式、永磁體設(shè)置位置及形狀等，進(jìn)一步提升其抗短路能力和電磁性能，準(zhǔn)確診斷系統(tǒng)的故障類(lèi)型、故障位置等也是今后研究的重點(diǎn)。

本文編自2022年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“永磁輔助同步磁阻電機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)”。本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金和黑龍江省自然基金資助項(xiàng)目的支持。