永磁辅助同步磁阻电机的研究现状

自20世纪80年代后期永磁辅助同步磁阻电机发明以来，专家学者对其进行了广泛的关注和研究。

1992年，在IEEE IAS年会组织的同步磁阻电机的专题研讨会上，诸多学者对永磁辅助同步磁阻电机的基本理论和应用进行了分析讨论，随后许多国家的专家学者都对其展开了一系列研究工作。其中以日本、美国、意大利等为代表，在永磁辅助同步磁阻电机的设计上取得突破性进展。

日本大阪府立大学的Morimoto、Sanada、Inoue等人对永磁辅助同步磁阻电机展开了系统的研究，取得了一定成效。

2001年，该团队研究了永磁辅助同步磁阻电机磁障层数对L_d、L_q及永磁磁链的影响，结构如图1-7所示。当磁障层数为4层时，电机具有最优性能，效率可达到94.4%，与同容量永磁同步电机接近，永磁体用量仅为其1/4。同时通过磁障端部设计对齿槽转矩进行了优化，齿槽转矩降低50%。并校核了电机高速运行（6000 r/min）下转子的机械强度，最大应力为65.9N/mm²，具有5倍的安全系数。

2004年，该团队研究了磁障末端与定子齿边缘的相对位置对转矩脉动的影响，并设计了非对称磁障结构的36槽4极永磁辅助同步磁阻电机进行验证。其转子结构如图1-8所示，以转子上的某一极为基准，将每极下内层磁障的末端位置逐一偏离nδ，其中δ=τ_s/p，n为不大于p的整数，τ_s为定子槽距角，外层磁障和内层磁障末端距离为τ_s+δ/2。此种不对称磁障转子设计能够避免定转子槽对齐时的齿槽效应，从而抑制转矩脉动。

图1-7 不同磁障层数永磁辅助同步磁阻电机结构

图1-8 非对称磁障转子对比示意图

a）第1层磁障偏移距离 b）第2层磁阻偏移距离 c）非对称磁障转子对比示意图

2011年，Morimoto等人开始专注于研究铁氧体永磁辅助同步磁阻电机，通过增加最外层永磁体厚度，磁障端部锥化设计，使得电机在最大去磁电流时只有0.6%的不可逆退磁，抗退磁能力显著提高。并设计了一款2.5kW的36槽6极永磁辅助同步磁阻电机，样机如图1-9所示。该电机实测最大效率为91.9%，其功率密度和效率与同容量内置式永磁同步电机相近。同时指出由于铁氧体永磁辅助同步磁阻电机磁阻转矩占比大，因此相比于稀土永磁电机受永磁体退磁的影响更小。

2013年，该团队对采用黏结稀土永磁体的永磁辅助同步磁阻电机进行了研究，指出在两层磁障及分布绕组的电机结构下，放置适量的永磁体同样能够达到较优的电机性能。并与相同容量下采用烧结稀土永磁体的永磁同步电机进行对比，指出永磁同步电机具有较小的铜损，中低频效率较高，而永磁辅助同步磁阻电机具有更优的弱磁性能及更低的铁损，在运行范围及高频效率上更有优势。

同期，Morimoto等人设计了一台电动汽车用48槽8极铁氧体永磁辅助同步磁阻电机，样机如图1-10所示。通过增加永磁体厚度及中间磁障设计优化抗退磁能力，同时对电机的机械强度进行了校核。通过实验验证，该样机在较宽的转速运行范围内功率密度大于5kW/L，最大功率密度达到6.8kW/L，最大效率为95.5%，与第二代丰田普锐斯电动汽车驱动用永磁同步电机效率相当。

图1-9 36槽6极永磁辅助同步磁阻电机样机

图1-10 48槽8极铁氧体永磁辅助同步磁阻电机样机

在此基础上，Morimoto等人对该样机的转矩脉动进行了优化，转子结构如图1-11所示。永磁体采用方形结构并且分段插入，转子采用不对称磁障结构，保持一个极下的磁障位置不变（标记为Type_A），相邻极的第2层磁障沿着磁极对称轴向最外层永磁体方向偏移1.4°（标记为Type_1.4），以此改变瞬时转矩的相位。仿真结果表明，在输出转矩不变的情况下，优化电机的转矩，脉动可降低50%。

美国威斯康星大学麦迪逊分校的Staton D A等人对轴向叠片的永磁辅助同步磁阻电机进行了深入研究，分析了转子层数、饱和及叠片结构对转矩特性的影响。并对该电机的极数、绝缘含有率、气隙长度进行了有限元仿真优化，提升了电机的凸极比。该团队和Soong W L合作设计出一台7.5kW三明治式的轴向叠片永磁辅助同步磁阻电机。

同时，该校的Han S H，Jahns T M等人指出一般内置式永磁同步电机额定负载下的转矩脉动为20%，严重弱磁时甚至达到100%。同时推导出了定转子磁动势谐波相互作用产生转矩脉动的表达式，并根据表达式得出两个结论：定子磁动势谐波只有和相同次数的转子磁动势谐波相互作用才能产生转矩脉动；定子因为绕组星形联结所以没有3次及其倍数的谐波，转子由于结构对称只有奇数次谐波。由此设计了一款每对极下定子槽数为9，转子为双层磁障结构的永磁辅助同步磁阻电机，有限元仿真结果表明，其转矩脉动减小到4.6%，并且在整个调速范围内，包括深度弱磁时，其转矩脉动均大幅度减小。

图1-11 转矩脉动优化转子结构对比示意图

美国得州农工大学的Niazi P在2005～2009年期间对永磁辅助同步磁阻电机进行了大量的研究。2005年，他在博士论文中详细讨论了磁障层数、气隙长度、绝缘含有率、极靴宽度、磁障宽度及位置、肋部宽度对同步磁阻电机各项性能的影响，并指出在磁障肋部位置增加永磁体可提高同步磁阻电机性能，并设计了一台1.5kW的12槽4极永磁辅助同步磁阻电机，效率比同步磁阻电机高5%左右，其研究的同步磁阻电机与永磁辅助同步磁阻电机转子结构如图1-12所示。

图1-12 两款电机转子结构示意图(www.xing528.com)

a）同步磁阻电机转子磁障结构 b）永磁辅助同步磁阻电机转子结构

美国密歇根州立大学的Foster S N等人设计了一款3层磁障结构的36槽6极铁氧体永磁辅助同步磁阻电机，转子结构如图1-13所示。通过优化磁障形状及端部削尖，提升了电机抗退磁能力。并将设计电机与切向永磁同步电机进行了全面对比，指出永磁辅助同步磁阻电机的最大转矩和效率无法达到切向永磁同步电机的水平，但在转矩脉动、输出能力、运行范围及高速运行效率等特性上更有优势。

意大利都灵理工大学的Vagati等人从1992年开始研究磁阻电机，取得了一系列成果，随后又重点研究了永磁辅助同步磁阻电机。2004年，该团队设计了一台电动汽车用72槽12极永磁辅助同步磁阻电机，额定功率为15kW，额定转矩为120N·m，最高转速为6000r/min，样机如图1-14所示，并对该电机的机械强度和控制系统进行了校验。2009年，又设计了一台72槽6极永磁辅助同步磁阻电机，转子采用4层磁障，每层磁障中间设置加强筋增加机械强度，在1200r/min时，最大功率达到250kW，1000～1500r/min运行范围内功率为230kW。

图1-13 36槽6极3层磁障转子结构示意图

图1-14 电动汽车用永磁辅助同步磁阻电机样机

2011年，该团队研究了如何在保持永磁辅助同步磁阻电机每层永磁体磁动势不衰减的情况下减少永磁体的用量。提出通过减小转子中间段磁障及该磁障处的永磁体厚度，从而减小q轴磁路的饱和，增加q轴电感量，转子结构如图1-15所示。但需对该结构的退磁风险进行评估。

意大利帕多瓦大学的Bianchi N等学者从2008年开始对永磁辅助同步磁阻电机转矩脉动进行了深入研究。结合理论计算和仿真分析，该团队设计了一台两层磁障的24槽4极永磁辅助同步磁阻电机。该电机由两种不同磁障张角的转子冲片A和B叠加而成，冲片结构如图1-16a所示。两种冲片结构的主要谐波幅值相等而相位相差180°，从而叠加后的电机可以大幅降低转矩脉动，但该结构电机的平均转矩有所减小。随后又提出在一个转子冲片中使用两种不同张角的磁障，转子冲片结构如图1-16b所示。通过分别优化每对极下两个磁障的张角从而获得较低的转矩脉动。这种结构工艺简单，转矩脉动小，平均转矩减少幅度小，但可设计的磁障张角数量少。

图1-15 低永磁体用量转子结构对比示意图

图1-16 不同磁障组合转子结构示意图

a）两种不同磁障张角冲片叠加 b）同一冲片上两种不同磁障张角

南非斯泰伦博斯大学的Kamper M J等人分析了感应电机、同步磁阻电机及永磁辅助同步磁阻电机的各项性能差异。并设计了一台54槽6极永磁辅助同步磁阻电机进行验证，样机转子结构如图1-17所示。指出在同步磁阻电机中加入合适的永磁体可以使反电动势趋于正弦化，同时提高电机效率及功率因数。

韩国成均馆大学的Jeong Yunho在2012年设计了一台80kW的4层磁障、定子斜槽的铁氧体永磁辅助同步磁阻电机。该样机在额定转速3600r/min时产生的转矩为212.2N·m，最大转速可达到10000r/min，整个调速范围内平均效率为96.1%。并将该电机与相同容量的永磁同步电机进行了有限元仿真对比，指出永磁辅助同步磁阻电机的转矩脉动、反电动势幅值和谐波都小于永磁同步电机，且在高速运行区间性能更优异。但其平均转矩略小于永磁同步电机，且所需励磁电流较大，铜损稍大。

罗马尼亚的Lucian Tutelea等人在2014年通过磁路计算设计了一台电动汽车用高功率密度、高效率的钕铁硼永磁辅助同步磁阻电机，其工作转速范围为1350～7000r/min，在此运行区间功率为50kW，最大输出功率达到100kW，最高输出转矩为600N·m，电机重量不超过40kg。并进行了有限元仿真验证，该电机在整个弱磁调速范围内效率为91%～92%，高速运行电压稳定。

图1-17 54槽6极永磁辅助同步磁阻电机永磁体及转子

我国对永磁辅助同步磁阻电机的研究较少，清华大学的赵争鸣、郭伟等人先在1997年在国内期刊上介绍了永磁辅助同步磁阻电机，然后又在2005年对永磁辅助同步磁阻电机的结构与电磁参数关系、转矩特性及控制策略展开了研究。湖北工业大学的李新华在2014年对电动大巴驱动用铁氧体永磁辅助同步磁阻电机进行了有限元仿真分析，研究了磁障层数、转子结构对输出转矩及转矩脉动的影响，指出4层磁障的U形结构转子可以提高输出转矩和降低转矩脉动。同时分析了电机极数对磁阻转矩的影响，指出多极多槽电机结构可提高磁阻转矩，降低转矩脉动。并将设计电机与钕铁硼永磁同步电机进行了仿真对比，指出永磁辅助同步磁阻电机磁阻转矩大，性价比高，弱磁扩速能力更优。

格力电器股份有限公司（简称格力电器）从2005年开始研究铁氧体永磁辅助同步磁阻电机，其团队在提高凸极比、提升永磁体工作点和最大效率控制方法上进行了深入研究，实现了该电机在整个工作区间内的高效运行。并通过各层永磁体抗退磁一致性设计及绕组预热的起动方式，使抗退磁能力大幅提高，实现了电机的可靠运行。同时研究了抑制磁阻转矩脉动的磁路结构，结合参数辨识自适应控制技术，解决了该电机特有的振动和噪声问题。通过以上技术，成功研发出1～10kW的铁氧体永磁辅助同步磁阻电机，并应用于变频压缩机及空调系统中。格力电器对其研发技术建立了系统的知识产权体系，获授权发明专利20多项。

永磁辅助同步磁阻电机具有功率密度高、效率高、调速范围宽、体积小、重量轻等显著优点，同时可以降低对永磁体性能的要求，近年来已成为行业的研究热点，特别是在家用电器、电动汽车及工业电机等领域具有广阔的应用前景。

本书总结了作者多年从事永磁辅助同步磁阻电机研发的经验，并结合国内外研究结果，对永磁辅助同步磁阻电机的基本理论、设计及工程应用等方面进行研究分析和探讨，为永磁辅助同步磁阻电机的设计提供参考和指导。