永磁輔助同步磁阻電機（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結(jié)合了同步磁阻電機（SynRM）和內(nèi)置式永磁同步電機（IPMSM）的特點，該電機充分利用磁阻轉(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。因工藝水平和材料的限制，當(dāng)時對永磁輔助同步磁阻電機的研究和應(yīng)用并未獲得足夠重視。

近年來，由于稀土永磁體使用量大，價格不斷提升，為減輕永磁電機對稀土的依賴，減少稀土開采對環(huán)境的破壞，并在保證電機高性能的同時降低電機成本，永磁輔助同步磁阻電機這一少稀土乃至無稀土的高效電機再次被提出，技術(shù)發(fā)展迅速，國內(nèi)外對其研究取得了豐碩的成果，產(chǎn)業(yè)化勢頭良好，并在電動汽車和空調(diào)、洗衣機等家電領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

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

這一改變使得原有同步磁阻電機設(shè)計方法也不再完全適用于永磁輔助同步磁阻電機，尤其需要重新對其磁障形狀、尺寸、層數(shù)以及永磁體的材料、尺寸和用量進行優(yōu)化設(shè)計，以使電機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運行時的轉(zhuǎn)子受力情況、損耗分布以及溫度變化也將隨之改變，需要對其轉(zhuǎn)子機械強度和電機溫升進行深入研究，以確保電機長期可靠運行。

相比于內(nèi)置式永磁同步電機，永磁輔助同步磁阻電機可在保證電磁性能的同時減少永磁體用量，極大地提高了電機的性價比。盡管它有諸多優(yōu)點，但其轉(zhuǎn)矩脈動較高、損耗較大、機械強度較低的劣勢也不容忽視。高轉(zhuǎn)矩脈動使電機穩(wěn)定性降低，影響電機甚至系統(tǒng)的可靠性；相比同等條件下的永磁同步電機，其效率更低；較低的機械強度會使電機高速運行時轉(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本身不具有容錯性，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在設(shè)計、分析等方面存在許多常規(guī)電機所不具有的關(guān)鍵問題，因此不能照搬常規(guī)電機的相關(guān)設(shè)計及分析方法，而需要進行深入的研究。目前，永磁輔助同步磁阻電機的優(yōu)化設(shè)計、轉(zhuǎn)矩提升、轉(zhuǎn)矩脈動抑制、機械強度、溫升分布預(yù)測以及容錯設(shè)計及控制等方面逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，特別是在家用電器、電動汽車及工業(yè)電機等領(lǐng)域。而國內(nèi)與國外相比仍有較大的差距，對其研制多集中在小功率和低轉(zhuǎn)速。

在國內(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)大型電機電氣與傳熱技術(shù)國家地方聯(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》上撰文，詳細(xì)介紹永磁輔助同步磁阻電機的優(yōu)化設(shè)計、轉(zhuǎn)矩提升、轉(zhuǎn)矩脈動抑制、機械強度、溫升分布計算以及容錯設(shè)計等方面的最新研究進展。

他們分析了輔助槽與氣隙等設(shè)計對轉(zhuǎn)矩特性的提升，總結(jié)中心肋與磁障等設(shè)計對機械強度的優(yōu)化，解釋了永磁輔助同步磁阻電機在不同工況下的溫升分布并總結(jié)多相、繞組等設(shè)計對永磁輔助同步磁阻電機容錯能力的提高，最后考慮電機行業(yè)的發(fā)展趨勢，對永磁輔助同步磁阻電機的研究發(fā)展進行展望。

研究人員指出，盡管目前在電動汽車、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仍存在亟需深入研究的關(guān)鍵技術(shù)問題，主要包括：

1）損耗與溫升

隨著永磁輔助同步磁阻電機新的應(yīng)用場合不斷出現(xiàn)，對其最大功率需求日趨增加，使得電機電磁負(fù)荷和功率密度不斷提高，加之轉(zhuǎn)子磁障結(jié)構(gòu)對其運行磁場的影響，尤其是高速應(yīng)用環(huán)境，永磁輔助同步磁阻電機損耗的準(zhǔn)確計算仍值得深入研究。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)對電機溫升分布規(guī)律的影響和多物理場雙向耦合方法預(yù)測電機全域溫升也是該類電機電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化甚至擴大應(yīng)用范圍必須解決的關(guān)鍵問題之一。

2）高轉(zhuǎn)速化、高功率密度化或高轉(zhuǎn)矩密度化

對永磁輔助同步磁阻電機進行更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電磁設(shè)計，充分利用永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩，實現(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高功率密度、高效率等優(yōu)勢向高速領(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

永磁輔助同步磁阻電機的優(yōu)化設(shè)計涉及到電磁、流體流動及傳熱、應(yīng)力場、轉(zhuǎn)子動力學(xué)以及容錯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。目前，永磁輔助同步磁阻電機的優(yōu)化設(shè)計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)計的主要方向，借助多物理場雙向耦合分析，實現(xiàn)電機的損耗控制、轉(zhuǎn)矩脈動抑制、轉(zhuǎn)子強度、冷卻結(jié)構(gòu)及全域溫升預(yù)測及抑制等多目標(biāo)系統(tǒng)優(yōu)化。

4）容錯電機與故障診斷

對永磁輔助同步磁阻電機進行更合理的容錯設(shè)計，并研究其容錯控制策略。合理設(shè)計永磁輔助同步磁阻電機的轉(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)的故障類型、故障位置等也是今后研究的重點。

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