永磁輔助同步磁阻電機研究現狀及發(fā)展趨勢

曹恒佩 艾萌萌,2 王延波

永磁輔助同步磁阻電機研究現狀及發(fā)展趨勢

曹恒佩1艾萌萌1,2王延波1

（1. 哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院 哈爾濱 150080 2. 哈爾濱理工大學大型電機電氣與傳熱技術國家地方聯合工程研究中心 哈爾濱 150080）

永磁輔助同步磁阻電機（PMaSynRM）以其高功率密度、高效率、高性價比及寬調速范圍的優(yōu)點，近年來已成為行業(yè)的研究熱點，特別是在家用電器、電動汽車及工業(yè)電機等領域。在國內外研究現狀的基礎上，該文詳細介紹了永磁輔助同步磁阻電機的優(yōu)化設計、轉矩提升、轉矩脈動抑制、機械強度、溫升分布計算以及容錯設計等方面的最新研究進展。分析了輔助槽與氣隙等設計對轉矩特性的提升；總結了中心肋與磁障等設計對機械強度的優(yōu)化；解釋了PMaSynRM在不同工況下的溫升分布并總結了多相、繞組等設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。

永磁輔助同步磁阻電機 轉矩特性 機械強度 溫度分布 容錯設計

0 引言

永磁輔助同步磁阻電機（Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor, PMaSynRM）最初由意大利學者A. Vagati首次提出[1]。PMaSynRM結合了同步磁阻電機（Synchronous Reluctance Motor, SynRM）和內置式永磁同步電機（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）的特點，該電機充分利用磁阻轉矩和永磁轉矩，具有功率密度高、效率高、調速范圍寬及體積小、質量輕等顯著優(yōu)點[2-6]。因工藝水平和材料的限制，當時對PMaSynRM的研究和應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，PMaSynRM這一少稀土乃至無稀土的高效電機再次被提出，并在電動汽車和空調、洗衣機等家電領域被廣泛應用[7-9]。

PMaSynRM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、直軸來提升磁阻轉矩，又因轉子磁障中添加永磁材料產生永磁轉矩，增大電機的轉矩密度，從而有效克服了同步磁阻電機本身低功率因數和低轉矩密度的缺點。這一改變使得原有同步磁阻電機設計方法也不再完全適用于PMaSynRM，尤其需要重新對其磁障形狀、尺寸、層數以及永磁體的材料、尺寸和用量進行優(yōu)化設計，以使電機獲得更佳的電磁性能。另外，添加永磁體后，PMaSynRM運行時的轉子受力情況、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IPMSM，PMaSynRM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PMaSynRM有諸多優(yōu)點，但其轉矩脈動較高、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子發(fā)生形變，從而引發(fā)事故。非多相PMaSynRM本身不具有容錯性，限制了其在更廣闊領域內的應用。

綜上所述，PMaSynRM在設計、分析等方面存在許多常規(guī)電機所不具有的關鍵問題，因此不能照搬常規(guī)電機的相關設計及分析方法，而需要進行深入的研究。目前，PMaSynRM的優(yōu)化設計、轉矩提升、轉矩脈動抑制、機械強度、溫升分布預測以及容錯設計及控制等方面逐漸成為國內外學者的研究熱點?；诖?，本文歸納總結了上述方面國內外的最新研究進展，并對其發(fā)展趨勢與前景進行展望。

1 PMaSynRM與其他類型電機的對比

本文對國內外PMaSynRM的發(fā)展現狀進行不完全統(tǒng)計，見表1?？梢钥闯?，PMaSynRM的最高轉速已達60 000r/min，采用U型磁障轉子結構。

表1 永磁輔助同步磁阻電機的發(fā)展

Tab.1 Development of PMaSynRM

（續(xù)）

注：*表示國內永磁輔助同步磁阻電機的發(fā)展狀況。

PMaSynRM通過在SynRM的轉子中添加永磁體，使永磁體磁場與定子磁場相互作用產生永磁轉矩，相比于SynRM，PMaSynRM在相同電流下產生的電磁轉矩更大[10]。PMaSynRM吸取了IPMSM和SynRM的優(yōu)點，具有高功率密度、高效率和寬調速范圍等優(yōu)點。

文獻[11-15]對比分析了PMaSynRM與SynRM的電磁性能與優(yōu)缺點。文獻[16]在前者基礎上應用鐵氧體材料建立了IPMSM、SynRM和PMaSynRM三種電機的統(tǒng)一的數學模型，詳細地對比分析了三種電機主要應用鐵氧體時的性能。表2給出了三種電機的主要數據。

表2 三種電機設計參數

Tab.2 Three kinds of motor design parameters

圖1 電機繞組聯結形式、磁力線分布和磁通密度分布

三種電機額定工作點的轉矩性能和功率因數如圖3所示?？梢?，盡管IPMSM轉子具有被認為有較高的轉矩特性的V型永磁體，但SynRM的額定轉矩與其相同。而PMaSynRM因永磁轉矩和磁阻轉矩的疊加使得額定轉矩最大。就功率因數而言，PMaSynRM高于SynRM，但略低于IPMSM。圖4為三種電機額定工作點的輸出功率、損耗和效率。電機轉速相同時，輸出功率與輸出轉矩成正比；損耗主要由鐵耗、機械損耗和定子銅耗組成，文中未考慮雜耗。三種電機的機械損耗和鐵耗基本相同，但PMaSynRM銅耗大于SynRM和IPMSM，IPMSM的銅耗最小，而SynRM和PMaSynRM因采用分布式繞組結構，線圈端部長，銅耗也較大，且基本相同；SynRM和IPMSM的輸出功率相同，明顯小于PMaSynRM；PMSM的效率略高于PMaSynRM，SynRM的效率最低。這也證明了PMaSynRM的優(yōu)點。

圖2 三種電機相量

圖3 額定工作點的轉矩性能和功率因數

文獻[17-23]給出了IPMSM、SynRM和PMaSynRM等電機的性能對比，見表3，同時表明，PMaSynRM應用鐵氧體永磁體時的成本遠低于應用釹鐵硼的IPMSM，且PMaSynRM在較低的成本中具有較優(yōu)的電磁性能。

圖4 額定工作點的輸出功率、損耗和效率

表3 IPMSM、SynRM和PMaSynRM性能對比

Tab.3 Performance comparison of IPMSM, SynRM and PMaSynRM

在電磁性能分析的基礎上，進一步對比了同為鐵氧體時的三種電機質量、有效材料成本和轉矩密度，并參考了文獻[24-27]中各類電機的成本、體積及經濟性能，見表4。

表4 電機質量和材料成本

Tab.4 Motor weight and material cost

由表4可見，在永磁材料均為鐵氧體時，SynRM與IPMSM的額定轉矩大致相同，SynRM的電機質量和成本更低。PMaSynRM應用成本更低的鐵氧體材料時，盡管成本略高于SynRM與IPMSM，但性能更好、轉矩密度更高。

2 永磁輔助同步磁阻電機轉矩特性

目前，對PMaSynRM的研究成果中轉矩提升和轉矩脈動抑制首屈一指。轉矩的提升是通過合理選擇永磁體放置位置、改變轉子的結構和形狀等措施以提高電機的永磁轉矩和磁阻轉矩；而轉矩脈動的抑制主要是針對永磁轉矩脈動、磁阻轉矩脈動以及齒槽轉矩脈動，通過采取相鄰磁極下磁障寬度不對稱設計、非均勻氣隙，選擇合適的磁障位置、尺寸、形狀以及定子開設輔助槽等措施來實現[28]。

根據電機的運行原理，PMaSynRM電磁轉矩簡化公式[29]為

式（1）第一項為永磁磁場與定子磁場相互作用產生的永磁轉矩；第二項為由于電機交直軸電感差而產生的磁阻轉矩，增大交直軸電感的差可有效提高PMaSynRM的轉矩[30]。因此，交、直軸電感以及磁鏈是影響PMaSynRM轉矩特性的3個重要參數。

2.1 轉矩提升

文獻[31-37]分別對集中繞組和分布繞組等繞組形式和分數槽、整數槽下的PMaSynRM電磁性能進行了對比分析，通過數值模擬發(fā)現，分數槽集中繞組的PMaSynRM具有更大的電磁轉矩，但由于集中繞組時電機轉矩脈動較大，功率因數和效率較低，因此目前應用較廣泛的是分布式繞組。

2.1.1 裂比對轉矩的影響

文獻[38]根據解析法和有限元法分別研究了PMaSynRM裂比即定子內外徑之比對電機轉矩的影響，得到平均轉矩和電感隨裂比的變化曲線，如圖5所示。其中，圖5a為電機平均轉矩隨裂比的變化曲線，圖5b為電機交直軸電感隨裂比的變化曲線。研究發(fā)現，電機的交直軸電感隨裂比變化進而引起轉矩的變化。裂比在0.85～0.90范圍內時電機性能較優(yōu)。當裂比增加時，交軸磁路飽和導致其電感減小，且直軸電感也略微減少，凸極比以及電感差會變大，此時電機的輸出轉矩達到最大；之后隨著裂比的進一步增加，電機定子沖片更加緊湊，相同條件下磁路飽和加劇，盡管電感差增大，但此時永磁轉矩減小，二者共同作用使得轉矩減小。文獻[39]研究發(fā)現，當電機極數較大時，可適當降低軛部尺寸，裂比應選擇大些；而極數較小時，為避免磁路飽和以及降低鐵心中的磁通密度，應使齒寬適當大些，尤其是軛部尺寸較為厚實，因此裂比適當選擇小些。

2.1.2 永磁體的位置和材料對轉矩的影響

文獻[40-43]為獲得較大的交直軸電感差以提高電機電磁轉矩，對比分析了V型、C型和U型三種轉子磁障結構對PMaSynRM電磁性能的影響，表明C型磁障電機的轉矩密度略大，而U型磁障的局部飽和和漏磁現象更為嚴重，其功率因數和效率略低。文獻[44-49]比較了在U型磁障中向d、q軸正負方向添加永磁體和永磁體添加位置對電磁性能的影響，如圖6所示。表5給出了在不同位置添加永磁體以及所添加永磁體占磁障總體積不同比例時的電機性能對比。從表5中可以看出，在永磁材料用量大致相同，位置在q軸時，電機效率和轉矩更佳。

圖6 永磁體添加位置

表5 不同永磁體添加方案下的電機性能對比

Tab.5 Comparison of motor performance under different permanent magnet adding schemes

文獻[50]對磁障內的永磁體的材料進行研究，將記憶電機的理念應用到了PMaSynRM上，重新對轉子進行設計，采用鐵氧體和鋁鎳鈷混合永磁與多層磁障結構，有效發(fā)揮了鋁鎳鈷高剩磁的特性，實現了電機弱磁區(qū)轉矩的提高和損耗的降低。

2.1.3 轉子結構對轉矩的影響

文獻[51]提出一種雙氣隙蜂窩狀轉子PMaSynRM，在SynRM單氣隙的基礎上逐步細化轉子形狀，最終優(yōu)化得到如圖7a所示的雙氣隙蜂窩狀轉子結構，該結構具有更優(yōu)的轉矩特性。文獻[52-54]給出了混合雙轉子結構，如圖7b所示，轉子Ⅰ為永磁轉子，轉子Ⅱ為磁阻轉子，通過轉子軸向配置角度的設計，達到最佳內功率因數角，使得永磁轉矩和磁阻轉矩的最大值在相同的電流相位處疊加而實現最優(yōu)的轉矩特性。

2.2 轉矩脈動抑制

PMaSynRM運行時除了磁阻轉矩與永磁轉矩外，還有齒槽轉矩，并產生附加的轉矩脈動，盡管轉矩脈動不影響平均輸出轉矩，卻會造成振動和噪聲。PMaSynRM的轉矩脈動的主要原因是齒槽轉矩、永磁轉矩脈動和磁阻轉矩脈動。

2.2.1 輔助槽對齒槽轉矩的抑制

為削弱齒槽轉矩引起的轉矩脈動，文獻[55]對比研究了4極18槽分數槽集中繞組時定子齒頂開輔助槽對轉矩脈動的削弱效果，圖8為齒頂開1～3個輔助槽的示意圖。發(fā)現開2個輔助槽時每個槽距下等距齒槽效應周期數從2增加到6，能有效削弱齒槽效應引起的齒槽轉矩，但文獻[55]表明，對于4極12槽整數槽分布繞組開2個輔助槽對轉矩脈動的影響較小，且有可能惡化轉矩脈動，所以在不同極槽配合下需要選擇不同個數的輔助槽來降低齒槽轉矩對轉矩脈動造成的影響。其中，1為輔助槽的高度，2為輔助槽的半徑，3為兩個輔助槽之間的距離。

圖7 PMaSynRM特殊轉子結構

圖8 齒頂輔助槽開槽示意圖

文獻[56-58]進一步研究了輔助槽的尺寸對轉矩脈動的影響，圖9、圖10分別為齒槽轉矩幅值隨輔助槽槽寬及槽深的變化曲線，圖中，為實際槽寬，0為假定槽寬，為槽深，為槽肩到槽口距離。

由圖9、圖10可知，適當的輔助槽尺寸可有效抑制PMaSynRM轉矩脈動，但所開輔助槽過大或過小反而會增加齒槽轉矩，研究表明，實際槽寬在0.50～0.80范圍內，槽深在0.2附近時輔助槽效果最優(yōu)。

圖9 齒槽轉矩幅值隨輔助槽槽寬的變化

圖10 齒槽轉矩幅值隨輔助槽槽深的變化

2.2.2 磁障結構對轉矩脈動的抑制

針對PMaSynRM轉矩脈動抑制，現有成果多聚焦于對磁障的研究，發(fā)現其形狀、尺寸和位置等參數對轉矩特性有較大的影響。文獻[59]對比分析了轉子磁障末端是尖角和圓弧兩種結構時的轉矩特性，圖11給出兩種磁障端部結構。研究發(fā)現，尖角型磁障結構能減小q軸漏磁，對磁障層數較多的轉子，端部采用尖角時轉矩脈動更??；而磁障層數較少時則是圓弧磁橋轉矩脈動更小。

圖11 兩種磁障端部結構

文獻[60-63]進一步將磁障端部尖角改為錐形，之后向極中心線旋轉每極所對磁障兩端的中間隔磁橋。轉子磁障端部向極中心線旋轉如圖12所示。圖12a的“ ”型結構是將圖12b中A型結構中的第

二層磁障張角改變，進而改變瞬時轉矩相位，實現諧波轉矩的相互抵消，從而降低轉矩脈動。

圖12 轉子磁障端部向極中心線旋轉

文獻[64-65]是對每極所對尖角型磁障兩端中間的隔磁橋分別背離極中心線偏移，如圖13所示，通過錯位的磁障尖端減小轉矩脈動。

圖13 轉子磁障尖端背離極中心線偏移

文獻[66]對比分析了三種轉子結構下的PMaSynRM轉矩脈動情況，圖14給出轉子幾何結構。圖14a為磁障未偏移，整條永磁體僅有與磁障適型的結構，圖14b為磁障端部向極中心線偏移，整條永磁體與磁障適型的結構，圖14c為磁障端部向極中心線偏移，永磁體分段且與磁障適型的結構。

圖15為這三種轉子結構的PMaSynRM和輪輻式永磁同步電機的脈動轉矩對比。圖中，①輪輻式永磁同步電機；②整條永磁體且具有磁障未偏移的PmaSYnRM；③整條永磁體且除磁障端部向極中心線偏移的PmaSynRM；④永磁體分段且除磁障端部向極中心線偏移的PmaSynRM。由圖15可知，磁障端部向極中心線偏移有效削弱了轉矩脈動，永磁體分段后，最大轉矩略有增加，轉矩脈動也進一步被削弱，圖14c的轉子結構的轉矩脈動最小。

圖15 輪輻式永磁同步電機及不同轉子結構PMaSynRM轉矩脈動曲線

文獻[67-68]研究了氣隙對PMaSynRM電磁性能的影響，圖16為不同轉子機械角度下單邊氣隙長

對PMaSynRM轉矩脈動的影響曲線族。設轉矩脈動歸一化為轉矩最大值與平均值的差和轉矩最大值的比。由圖可知，轉子機械角度不變時，轉矩脈動隨單邊氣隙長的減小而減小，不同氣隙長時轉矩脈動的最小值均出現在轉子機械角度為5.4°時；單邊氣隙長一定時，轉矩脈動隨轉子機械角度的變化趨勢呈現先減少后增大，轉子機械角度為5.4°時轉矩脈動最小。由此可見，在保證裝配工藝及運行可靠的條件下，PMaSynRM應盡可能選擇較小的氣隙來削弱轉矩脈動。

圖16 單邊氣隙長對PMaSynRM轉矩脈動的影響曲線

文獻[69]進一步研究了每極磁障寬度（即轉子每極磁障對應轉子沖片圓心的圓心角）對轉矩脈動的影響，圖17為不同的磁障寬度示意圖，圖18為磁障寬度對PMaSynRM轉矩脈動的影響曲線。可知，轉矩脈動隨著每極磁障寬度的減小而減小；而在不同磁障寬度下，轉矩脈動隨轉子機械角度先減小后增大，當前轉子機械角度為5.4°時，轉矩脈動達到最小。

圖17 不同的磁障寬度示意圖

圖18 磁障寬度對PMaSynRM轉矩脈動的影響曲線

文獻[70]探討了相鄰兩極之間的磁障距離對PMaSynRM轉矩脈動的影響，發(fā)現隨著極間磁障距離的減小，轉矩脈動先減小后增加，所以選擇合適的磁障位置可以實現相對更小的轉矩脈動。

文獻[71-73]提出當虛擬張角、磁障間夾角b以及磁障層數滿足式（2）時，轉矩脈動的抑制效果最好。而的變化也影響磁障與軸線距離的變化，會對轉矩脈動產生一定的影響[74]。如圖19所示為轉子磁障設計參數。圖中，m1～m4依次為第一～四層磁障寬度，第一～三層磁障長度相同為m123，第四層磁障長度為m4，轉子半徑為m1。

除此之外，對轉子進行不對稱設計，也可達到削弱轉矩脈動的效果。轉子不對稱方法有多種，文獻[75]重新設計每層磁障張角，非對稱轉子磁障如圖20所示，得到兩種不同磁障張角的轉子沖片，其主要諧波幅值相等而相位相差180°。將兩種磁障結構交替使用，疊加后以實現削弱轉矩脈動的效果。圖中，1、3為第一層磁障開角角度，2、4為第二層磁障開角角度，2、4為第一層磁障寬度，1、3為第二層磁障寬度，1、3為第二層磁障末端寬度，1為磁障的長度。

圖20 非對稱轉子磁障

文獻[76]采用完全不對稱轉子結構來抑制電機轉矩脈動，其特點是轉子每極永磁體槽所跨角度均不相同。文獻[77]以某一極為基準，將每極下磁障端部位置逐一偏離某一特定角度，如圖21所示，達到轉子不對稱效果，同時也避免了定轉子槽對齊時的齒槽效應，從而抑制轉矩脈動。

圖21 非對稱磁障轉子對比示意圖

3 強度、溫升及容錯研究

目前，對PMaSynRM的研究除上述電磁設計、轉矩特性外，研究人員還對其轉子機械強度、溫度預測以及容錯性能等方面進行了探討。

3.1 轉子機械強度

PMaSynRM運行中受離心力、單邊磁拉力等力作用，可能使轉子薄弱位置尤其是隔磁橋處發(fā)生形變，甚至斷裂引發(fā)事故[78-79]。如何在保證電磁性能的同時提高其轉子機械強度也是PMaSynRM的研究熱點之一。

文獻[80-83]針對圖22所示的兩種轉子結構進行了應力分析，從圖中可以發(fā)現，在中心肋和外磁橋處所受應力較大，通過增加中心肋（即內磁橋）數量，并就形狀進行適當優(yōu)化，可使最大應力點由外磁橋分散到多個磁橋上，能有效降低外磁橋的機械應力，提升轉子強度。

圖22 應力分布示意圖

另外，將磁障邊界調整為圓形，可適當降低機械應力[84]，亦或改變磁障夾角的半徑或形狀來提高機械強度[85-86]，也有研究將磁障設計為燕尾式，并通過增加等效磁障厚度來提高其機械強度，燕尾型磁障如圖23所示[87]。

圖23 燕尾型磁障

文獻[88]比較了轉子磁障中有無環(huán)氧樹脂填充物時轉子應力的變化，磁障中環(huán)氧樹脂填對轉子應力結的影響如圖24所示，實驗表明，在轉子磁障中添加環(huán)氧樹脂填充物后，提高了電機永磁體與硅鋼片的整體性，也增強了電機轉子的機械強度。

3.2 溫度預測

運行時的溫度和溫升分布對電機性能有顯著影響，因此，發(fā)熱和冷卻一直是電機的重點研究領域。與其他電機相比，PMaSynRM的熱分析文獻相對較少，主要集中于冷卻水道、電機穩(wěn)態(tài)溫升分布以及多物理場耦合分析等方面。文獻[89]對一臺軸向折返式水冷結構的PMaSynRM采用流固耦合方法計算得到電機最大損耗時的溫升分布，以確保定子繞組和永磁體的最高溫度都在允許范圍內。圖25所示為應用軸向折返式水冷結構的最大損耗下的PMaSynRM流固耦合溫升計算。

圖25 最大損耗下PMaSynRM流固耦合溫升計算

圖25中機殼溫升較小，電機內部整體溫升較大，在電機內部繞組的溫升最高，永磁體溫升次之，圖25f為軸向折返式水冷結構。由圖25e可知，電機的進出口溫差大致為8℃，證明水冷系統(tǒng)能夠帶走一定的熱量來達到電機散熱的要求。

文獻[90]對PMaSynRM樣機進行了磁-熱耦合研究，對其單邊氣隙長、永磁體體積等參數進行優(yōu)化，獲取電機在穩(wěn)態(tài)溫升時具有最佳的電磁性能。樣機優(yōu)化前后溫度對比見表6，由表6可知，優(yōu)化后繞組和鐵氧體的溫度大幅下降，同時鐵氧體的剩磁也有所提升，可使電機在正常運行中具有較低的溫升和更好的性能，保證了電機的可靠性。

表6 樣機優(yōu)化前后溫度對比

Tab.6 Temperature comparison of prototype before and after optimization

文獻[91-92]建立了九相PMaSynRM的三維瞬態(tài)熱模型和集總參數熱模型預測電機在故障條件下的不對稱溫度分布，為PMaSynRM在容錯設計中建立電磁熱耦合模型提供了參考。

3.3 容錯設計

PMaSynRM多是三相電機，發(fā)生缺相故障時，容錯性能較差。近年來，有學者將PMaSynRM和容錯電機相結合，用于提升PMaSynRM的容錯性能，使其在故障時能持續(xù)運行。PMaSynRM的容錯設計大致可分為三類：一是在電驅動系統(tǒng)增加裕度，利用資源的重復配置達到容錯能力的提升，如并聯多個電機，容錯運行時切除故障電機即可[93]；二是將PMaSynRM設計成多相電機；三是綜合前兩類進行模塊化設計，使整個系統(tǒng)兼具獨立驅動和多自由度的特點。

文獻[94-95]設計了一臺五相PMaSynRM，樣機定轉子結構如圖26所示，并對其在不同開路故障下的轉矩特性進行了分析計算，提出適當的電流控制策略，保證故障后的電機安全運行，實現平穩(wěn)的電機轉矩。通過在每個健康相電流引入一個適當的角位移達到減小故障后轉矩諧波的目的。文獻[96-97]對五相PMaSynRM在不同運行狀態(tài)下的溫升進行了研究，指出電機在容錯控制時也應考慮熱效應的影響，并進一步采用對稱分量分析方法提取故障條件的特征，判斷故障類型。通過由正序、負序、零序的峰值相比得到的兩個信號比指標，總結出不同故障狀態(tài)下的信號比指標的變化規(guī)律，達到初步確認故障類型，再通過故障后相位的變化規(guī)律，最終確認故障類型。文獻[98]為提高PMaSynRM在容錯狀態(tài)下的電磁性能，采用動態(tài)超前電流相位的容錯控制方法，以獲得更大的轉矩。當發(fā)生故障時，轉矩脈動會發(fā)生嚴重畸變，所以文獻[99]以轉矩誤差為目標，建立模型預測控制系統(tǒng)，以過去的狀態(tài)作為輸入，生成對未來狀態(tài)的預測，達到預測故障的作用。

圖26 五相PMaSynRM

為確保電機在某相發(fā)生故障時健康相仍正常工作，需盡可能減少故障相對健康相的影響。文獻[100-102]對繞組進行模塊化設計，采用三倍冗余九相PMaSynRM，通過改變繞組得聯結型式，得到空間上相對獨立的三套三相繞組，從而實現每套繞組之間有一定的物理隔離、磁隔離、電隔離和熱隔離。

圖27所示為三倍冗余九相PMaSynRM繞組分布示意圖，每套繞組由標準三相逆變器驅動，當電機某相發(fā)生故障時，直接切斷故障相電流，此時另外兩套獨立的三相繞組使電機仍能在故障狀態(tài)時保持一定的電磁性能。文獻[103-104]使用電磁熱耦合模擬仿真對不同故障條件下故障區(qū)域溫度變化進行了對比，預測出最壞情況下故障檢測和緩解的最大允許時間，為故障運行時采取相應措施提供了參考時間。

圖27 三倍冗余九相PMaSynRM

4 結論

近年來，PMaSynRM發(fā)展迅速，國內外對其研究取得了豐碩的成果，產業(yè)化勢頭良好。但國內與國外相比仍有較大的差距，對PmaSynRM的研制多集中在小功率和低轉速。綜合國內外研究現狀看，盡管目前在電動汽車、家用電器等領域有了較廣泛的應用，但PMaSynRM仍存在亟需深入研究的關鍵技術問題，主要包括：

1）損耗與溫升。隨著PMaSynRM新的應用場合不斷出現，對其最大功率需求日趨增加，使得電機電磁負荷和功率密度不斷提高，加之轉子磁障結構對其運行磁場的影響，尤其是高速應用環(huán)境，PMaSynRM損耗的準確計算仍值得深入研究。在此基礎上，研究不同工況、不同冷卻條件、不同轉子結構對電機溫升分布規(guī)律的影響和多物理場雙向耦合方法預測電機全域溫升也是該類電機電磁設計、結構優(yōu)化甚至擴大應用范圍必須解決的關鍵問題之一。

2）高轉速化、高功率密度化或高轉矩密度化。對PMaSynRM進行更合理的結構設計和電磁設計，充分利用永磁轉矩和磁阻轉矩，實現更高的功率密度或轉矩密度，達到更好的電磁性能。充分發(fā)揮PMaSynRM高功率密度、高效率等優(yōu)勢向高速領域發(fā)展，以期在航空航天領域發(fā)揮更大作用。

3）多目標優(yōu)化設計。PMaSynRM的優(yōu)化設計涉及到電磁、流體流動及傳熱、應力場、轉子動力學以及容錯控制等方面的多約束條件下的多目標綜合優(yōu)化設計。目前，PMaSynRM的優(yōu)化設計多為單一性能如電磁性能的優(yōu)化，多目標協(xié)同優(yōu)化正逐漸成為其優(yōu)化設計的主要方向，借助多物理場雙向耦合分析，實現電機的損耗控制、轉矩脈動抑制、轉子強度、冷卻結構及全域溫升預測及抑制等多目標系統(tǒng)優(yōu)化。

4）容錯電機與故障診斷。對PMaSynRM進行更合理的容錯設計，并研究其容錯控制策略。合理設計PMaSynRM的轉子結構、繞組型式及連接方式、永磁體設置位置及形狀等，進一步提升其抗短路能力和電磁性能，準確診斷系統(tǒng)的故障類型、故障位置等也是今后研究的重點。

[1] Vagati A, Pastorelli M, Francheschini G, et al. Design of low-torque-ripple synchronous reluctance motors[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, 34(4): 758-765.

[2] 狄沖, 鮑曉華, 潘晉, 等. 基于Elmer開源有限元平臺的鐵氧體輔助同步磁阻電機的建模和分析[J]. 電工技術學報, 2022, 37(5): 1136-1144.

Di Chong, Bao Xiaohua, Pan Jin, et al. Modelling and analysis of a ferrite assisted synchronous reluctance machine based on the open-source platform Elmer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(5): 1136-1144.

[3] 李岱巖. 新型非對稱轉子永磁輔助式同步磁阻電機研究[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學, 2019.

[4] 張清枝, 牛聯波, 艾永樂. 永磁輔助磁阻同步電機性能分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2011, 39(22): 129-132.

Zhang Qingzhi, Niu Lianbo, Ai Yongle. Performance analysis of permanent magnet assisted reluctance synchronous machine[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(22): 129-132.

[5] 王瑾, 李巖, 賈建國, 等. 反電動勢和凸極率對高效永磁同步磁阻電機穩(wěn)態(tài)特性影響分析[J]. 電工技術學報, 2020, 35(22): 4688-4698.

Wang Jin, Li Yan, Jia Jianguo, et al. Analysis of the influence of back-EMF and saliency ratio on steady- state characteristics of a high efficiency permanent magnet synchronous reluctance motor[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(22): 4688-4698.

[6] 李新華, 汪思敏, 易夢云, 等. 釹鐵硼永磁磁阻同步電機及其仿真分析[J]. 微特電機, 2018, 46(8): 49-51.

Li Xinhua, Wang Simin, Yi Mengyun, et al. Simu- lation analysis of NdFeB permanent magnet relu- ctance synchronous motor[J]. Small & Special Electrical Machines, 2018, 46(8): 49-51.

[7] 柴鳳, 史妍雯, 劉越. 永磁同步磁阻電動機綜述[J]. 微特電機, 2015, 43(10): 81-87.

Chai Feng, Shi Yanwen, Liu Yue. Research review of permanent magnet assisted synchronous reluctance motor[J]. Small & Special Electrical Machines, 2015, 43(10): 81-87.

[8] Nicorici A M, Oprea C, Martis C. Performance evaluation of a 7.5kW permanent magnet assisted synchronous reluctance machine for light electric vehicles[C]//IEEE 2018 International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering (EPE), Iasi, Romania, 2018: 129-132.

[9] 李新華, 阮波, 徐竟成, 等. 電動大巴永磁輔助磁阻同步電動機仿真分析[J]. 微特電機, 2014, 42(3): 1-3.

Li Xinhua, Ruan Bo, Xu Jingcheng, et al. Simulation analysis of PMaSynRM used in electrical bus[J]. Small & Special Electrical Machines, 2014, 42(3): 1-3.

[10] 黃輝, 胡余生. 永磁輔助同步磁阻電機設計與應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2017.

[11] Nattuthurai S, Neelamegham R. Design and perfor- mance evaluation of SynRM and ferrite assisted- SynRM for EV application using FEA[C]//IEEE 2017 International Conference on Smart Technologies for Smart Nation (SmartTechCon), Bengaluru, India, 2017: 492-497.

[12] Aghazadeh H, Afjei E, Siadatan A. Comparative analysis of permanent magnet assisted synchronous reluctance motor with external-rotor[C]//IEEE 2019 10th International Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC), Shiraz, Iran, 2019: 22-27.

[13] Neusüs S, Binder A. Experimental comparison of synchronous reluctance motors with and without ferrite magnet assistance[C]//IEEE 2019 IEEE International Electric Machines & Drives Conference, San Diego, CA, USA, 2019: 1464-1471.

[14] Bottesi O, Alberti L. Comparison of small-size generator for high-efficiency hydroelectric energy production[C]//2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, Miami, FL, USA, 2017: 1-8.

[15] 黃輝, 胡余生, 陳東鎖, 等. 變頻壓縮機用無稀土永磁輔助同步磁阻電機的研究[J]. 微電機, 2014, 47(4): 9-12.

Huang Hui, Hu Yusheng, Chen Dongsuo, et al. Research of rare-earthless permanent-magnet-assisted synchronous reluctance motor for variable speed compressor[J]. Micromotors, 2014, 47(4): 9-12.

[16] Shen Jianxin, Cai Shun, Shao Hang, et al. Evaluation of low-cost high-performance synchronous motors for ventilation application[C]//IEEE 2015 International Conference on Sustainable Mobility Applications, Renewables and Technology (SMART), Kuwait, 2015: 1-6.

[17] 喻琦, 王心堅, 章桐. 永磁同步電機與同步磁阻電機能量轉換特性對比[J]. 機電一體化, 2017, 23(11): 27-33.

Yu Qi, Wang Xinjian, Zhang Tong. Comparison of energy conversion characteristics between permanent magnet synchronous motor and synchronous relu- ctance motor[J]. Mechatronics, 2017, 23(11): 27-33.

[18] 丁娟, 朱江源, 常久鵬, 等. 純電動車中永磁同步電機的研究[J]. 汽車電器, 2016(1): 13-16.

Ding Juan, Zhu Jiangyuan, Chang Jiupeng, et al. Research on PMSM for pure EV[J]. Auto Electric Parts, 2016(1): 13-16.

[19] 蔡順. 同步磁阻電機性能分析與結構優(yōu)化[D]. 杭州: 浙江大學, 2017.

[20] 沈建新, 蔡順, 郝鶴, 等. 同步磁阻電機分析與設計(連載之十) 同步磁阻電機與開關磁阻電機定轉子的組合應用[J]. 微電機, 2017, 50(2): 71-76.

Shen Jianxin, Cai Shun, Hao He, et al. Analysis and design of synchronous reluctance machines part Ⅹ: combination of stators and rotors of synchronous reluctance machine and switched reluctance machine[J]. Micromotors, 2017, 50(2): 71-76.

[21] Jia Shaofeng, Zhang Ping, Liang Deliang, et al. Design and comparison of three different types of IE4 efficiency machines[C]//IEEE 2019 22nd Inter- national Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Harbin, China, 2019: 1-4.

[22] Kobayashi M, Morimoto S, Sanada M, et al. Perfor- mance comparison between PMASynRM with Dyfree bonded magnets and IPMSM with sintered magnets for automotive applications under various temperature conditions[C]//IEEE 2019 21st European Conference on Power Electronics and Applications (EPE '19 ECCE Europe), Genova, Italy, 2019: 1-9.

[23] 沈建新, 蔡順, 袁賽賽. 同步磁阻電機分析與設計(連載之一)概述[J]. 微電機, 2016, 49(10): 72-79, 83.

Shen Jianxin, Cai Shun, Yuan Saisai. Analysis and design of synchronous reluctance machines part Ⅰ: an overview[J]. Micromotors, 2016, 49(10): 72-79, 83.

[24] Prakht V, Dmitrievskii V, Kazakbaev V. Theoretical performance analysis of ultra premium efficiency PM assisted synchronous reluctance motor with ferrite magnets[C]//IEEE 2018 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manu- facturing (ICIEAM), Moscow, Russia, 2018: 1-6.

[25] Cai Haiwei, Guan Bo, Xu Longya. Low-cost ferrite PM-assisted synchronous reluctance machine for electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(10): 5741-5748.

[26] Prakht V, Dmitrievskii V, Kazakbaev V. Mathema- tical modeling ultra premium efficiency (IE5 class) PM assisted synchronous reluctance motor with ferrite magnets[C]//IEEE 2018 25th International Workshop on Electric Drives: Optimization in Control of Electric Drives (IWED), Moscow, Russia, 2018: 1-6.

[27] Zimmermann M, Schupp L, Piepenbreier B. Operating strategy and iron loss model of a permanent magnet assisted synchronous reluctance machine with a ribless rotor[C]//IEEE 2018 21st International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Jeju, 2018: 338-343.

[28] 沈建新, 蔡順, 郝鶴, 等. 同步磁阻電機分析與設計(連載之十二)永磁輔助同步磁阻電機的設計研究[J]. 微電機, 2017, 50(3): 79-84, 88.

Shen Jianxin, Cai Shun, Hao He, et al. Analysis and design of synchronous reluctance machines part Ⅻ: investigation of permanent magnet assisted syn- chronous reluctance machines[J]. Micromotors, 2017, 50(3): 79-84, 88.

[29] 魏超, 孫德強, 任延生, 等. 基于Maxwell 2D的永磁輔助同步磁阻電機的參數化建模及分析[J]. 電機與控制應用, 2019, 46(12): 55-60.

Wei Chao, Sun Deqiang, Ren Yansheng, et al. Para- metric modeling and analysis of permanent magnet assisted synchronous reluctance motor on Maxwell 2D software[J]. Electric Machines & Control Appli- cation, 2019, 46(12): 55-60.

[30] 張景峰, 倪瑞林, 申春艷, 等. 磁阻轉矩對永磁電機性能的影響分析[J]. 電子世界, 2016(22): 157- 158.

Zhang Jingfeng, Ni Ruilin, Shen Chunyan, et al. Analysis of the effect of permanent magnet resistance on the performance of permanent magnet motor[J]. Electronics World, 2016(22): 157-158.

[31] 年恒震. 電動汽車分數槽永磁同步磁阻電機設計[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學, 2019.

[32] 沈建新, 蔡順, 郝鶴, 等. 同步磁阻電機分析與設計(連載之四)繞組形式的分析與選擇[J]. 微電機, 2016, 49(11): 93-97.

Shen Jianxin, Cai Shun, Hao He, et al. Analysis and design of synchronous reluctance machines part Ⅳ: analysis and utility of winding configurations[J]. Micromotors, 2016, 49(11): 93-97.

[33] 沈建新, 蔡順, 郝鶴, 等. 同步磁阻電機分析與設計(連載之六)轉子均勻分布磁障的參數優(yōu)化[J]. 微電機, 2016, 49(12): 84-88.

Shen Jianxin, Cai Shun, Hao He, et al. Analysis and design of synchronous reluctance machines part Ⅵ: parameter optimization of evenly distributed rotor barriers[J]. Micromotors, 2016, 49(12): 84-88.

[34] 肖勇, 黃輝, 胡余生, 等. 繞組形式對永磁輔助同步磁阻電機影響研究[J]. 日用電器, 2017(7): 66-68.

Xiao Yong, Huang Hui, Hu Yusheng, et al. Research on the influence of windings on permanent-magnet- assisted synchronous reluctance motor[J]. Electrical Appliances, 2017(7): 66-68.

[35] Tap A, Xheladini L, ?meryüz M, et al. Effects of the stator design parameters on the torque performance of a PMaSynRM[C]//IEEE 2017 11th IEEE International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering, Cadiz, Spain, 2017: 346-351.

[36] Huang Hui, Hu Yusheng, Xiao Yong, et al. Research of parameters and antidemagnetization of rare-earth- less permanent magnet-assisted synchronous relu- ctance motor[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2015, 51(11): 1-4.

[37] Bianchi N, Bolognani S, Frare P. Design criteria for high-efficiency SPM synchronous motors[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, 21(2): 396-404.

[38] 胡慧瑩. 永磁同步磁阻電機參數化設計方法及轉矩優(yōu)化研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2018.

[39] 沈建新, 蔡順, 郝鶴, 等. 同步磁阻電機分析與設計(連載之三)極對數與裂比的優(yōu)化設計[J]. 微電機, 2016, 49(11): 90-92, 97.

Shen Jianxin, Cai Shun, Hao He, et al. Analysis and design of synchronous reluctance machines part Ⅲ: optimization of number of pole-pairs and split ratio[J]. Micromotors, 2016, 49(11): 90-92, 97.

[40] 王風華. 車用永磁同步電機拓撲結構比較研究[J]. 電氣傳動, 2019, 49(6): 93-96.

Wang Fenghua. Comparative research on topology of vehicle permanent magnet synchronous motor[J]. Electric Drive, 2019, 49(6): 93-96.

[41] 李威揚, 黃鵬程, 孟曙光, 等. 永磁同步電機轉子磁鋼拓撲結構與運行工況匹配性分析[J]. 防爆電機, 2018, 53(2): 19-22.

Li Weiyang, Huang Pengcheng, Meng Shuguang, et al. Matching analysis of rotor magnet steel topology structure with operation condition of permanent- magnet synchronous motor[J]. Explosion-Proof Electric Machine, 2018, 53(2): 19-22.

[42] 沈建新, 蔡順, 郝鶴, 等. 同步磁阻電機分析與設計(連載之七)轉子不均勻分布磁障的對比分析[J]. 微電機, 2017, 50(1): 83-86.

Shen Jianxin, Cai Shun, Hao He, et al. Analysis and design of synchronous reluctance machines part Ⅶ: comparative analysis of unevenly distributed rotor barriers[J]. Micromotors, 2017, 50(1): 83-86.

[43] 董新偉, 王一飛, 楊磊. 車用高性能永磁同步電機磁極設計綜述[J]. 微電機, 2019, 52(11): 97-100.

Dong Xinwei, Wang Yifei, Yang Lei. A survey of magnetic pole design for high performance permanent magnet synchronous motors[J]. Micromotors, 2019, 52(11): 97-100.

[44] 李新華, 黃啟振, 劉天知. 正負凸極永磁輔助式磁阻同步電動機研究[J]. 微特電機, 2015, 43(7): 1-3, 9.

Li Xinhua, Huang Qizhen, Liu Tianzhi. Research on permanent magnet assisted synchronous reluctance motor with the positive and negative salient pole[J]. Small & Special Electrical Machines, 2015, 43(7): 1-3, 9.

[45] Zhao Wenliang, Chen Dezhi, Lipo T A, et al. Perfor- mance improvement of ferrite-assisted synchronous reluctance machines using asymmetrical rotor configurations[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2015, 51(11): 1-4.

[46] Hu Yaohua, Liu Chuang, Zhu Shushu, et al. Opti- mized design of rotor structure in ferrite-assisted synchronous reluctance machines for electric vehicle application[C]//IEEE 2016 Eleventh International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), Monte Carlo, Monaco, 2016: 1-7.

[47] Tap A, Xheladini L, Asan T, et al. Effects of the rotor design parameters on the torque production of a PMaSynRM for washing machine applications[C]// IEEE 2017 International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM) & 2017 Intl Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics (ACEMP), Brasov, Romania, 2017: 370-375.

[48] Tap A, Xheladini L, Yilmaz M, et al. Comprehensive design and analysis of a PMaSynRM for washing machine applications[J]. IET Electric Power Appli- cations, 2018, 12(9): 1311-1319.

[49] 梅柏杉, 張翔建, 馮江波, 等. U型多磁障式永磁輔助同步磁阻電機轉子分析與設計[J]. 微特電機, 2017, 45(5): 11-14.

Mei Baishan, Zhang Xiangjian, Feng Jiangbo, et al. Analysis and design on PM assist synchronous reluctance motor with U-shaped barriers rotor[J]. Small & Special Electrical Machines, 2017, 45(5): 11-14.

[50] 楊晨, 白保東, 陳德志, 等. 可變磁通永磁輔助同步磁阻電機設計與性能分析[J]. 電工技術學報, 2019, 34(3): 489-496.

Yang Chen, Bai Baodong, Chen Dezhi, et al. Design and analysis of a variable flux permanent magnet assisted synchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(3): 489-496.

[51] Morimoto S, Asano Y, Kosaka T, et al. Recent technical trends in PMSM[C]//IEEE 2014 Inter- national Power Electronics Conference (IPEC- Hiroshima 2014-ECCE ASIA), Hiroshima, Japan, 2014: 1997- 2003.

[52] 申海振. 新型混合轉子永磁同步磁阻電機設計與分析[D]. 濟南: 山東大學, 2019.

[53] 杜錦華, 薛運田. 新型永磁磁阻電機的結構和電磁參數關系分析[J]. 中國科技論文, 2016, 11(23): 2640-2644.

Du Jinhua, Xue Yuntian. Analysis of the relationship between the structure and the electromagnetic para- meters for permanent magnetic reluctance machines[J]. China Sciencepaper, 2016, 11(23): 2640-2644.

[54] Zhang Yue, Yu Siyang, Liu Guangwei, et al. Com- parative research for a novel dual-stator synchronous machine with permanent magnet-reluctance com- posite rotor[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2020, 30(4): 1-5.

[55] 沈建新, 蔡順, 郝鶴, 等. 同步磁阻電機分析與設計(連載之五)定子鐵心的優(yōu)化設計[J]. 微電機, 2016, 49(12): 80-83.

Shen Jianxin, Cai Shun, Hao He, et al. Analysis and design of synchronous reluctance machines part Ⅴ: stator core optimization[J]. Micromotors, 2016, 49(12): 80-83.

[56] 劉偉, 陳麗香, 唐任遠. 定子齒頂開輔助槽削弱永磁電機齒槽轉矩的方法[J]. 電氣技術, 2009, 10(8): 51-53.

Liu Wei, Chen Lixiang, Tang Renyuan. Reducing the cogging torque in permanent magnet machines by introducing auxiliary slot in the top of stator teeth[J]. Electrical Engineering, 2009, 10(8): 51-53.

[57] Wang Xiuhe, Yang Yubo, Fu Dajin. Study of cogging torque in surface-mounted permanent magnet motors with energy method[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2003, 267(1): 80-85.

[58] Zhu Z Q, Howe D. Analytical prediction of the cogging torque in radial-field permanent magnet brushless motors[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1992, 28(2): 1371-1374.

[59] 沈建新, 蔡順, 郝鶴, 等. 同步磁阻電機分析與設計(連載之八)轉子磁橋分析[J]. 微電機, 2017, 50(1): 87-90.

Shen Jianxin, Cai Shun, Hao He, et al. Analysis and design of synchronous reluctance machines part Ⅷ: analysis of rotor flux bridge ribs[J]. Micromotors, 2017, 50(1): 87-90.

[60] Obata M, Morimoto S, Sanada M, et al. Performance evaluation of high power and low torque ripple structure of rare-earth free PMASynRM with ferrite magnet[C]//IEEE 2013 10th International Conference on Power Electronics and Drive Systems, Kitakyushu, Japan, 2013: 714-719.

[61] Morimoto S, Ooi S, Inoue Y, et al. Experimental evaluation of a rare-earth-free PMASynRM with ferrite magnets for automotive applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(10): 5749-5756.

[62] Sanada M, Morimoto S, Inoue Y. Development of high-power PMASynRM using ferrite magnets for reducing rare-earth material use[C]//IEEE 2014 Inter- national Power Electronics Conference (IPEC- Hiroshima 2014-ECCE ASIA), Hiroshima, Japan, 2014: 3519-3524.

[63] Chai Feng, Hu Huiying, Geng Lina. Theoretical analysis of torque performance in permanent magnet- assisted synchronous reluctance motor[C]//IEEE 2017 20th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Sydney, NSW, Australia, 2017: 1-6.

[64] Liu Wanzhen, Liu Guangqiang, Yao Li, et al. Rotor design optimization of permanent magnet-assisted synchronous reluctance motor with ferrite magnets[C]// IEEE 2016 19th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Chiba, Japan, 2016: 1-5.

[65] 劉萬振, 劉廣強, 林巖, 等. 鐵氧體輔助同步磁阻電機轉子優(yōu)化設計[J]. 微電機, 2017, 50(2): 17-20.

Liu Wanzhen, Liu Guangqiang, Lin Yan, et al. Rotor optimization design of ferrite magnet-assisted syn- chronous reluctance motor[J]. Micromotors, 2017, 50(2): 17-20.

[66] Montalvo-Ortiz E E, Foster S N, Cintron-Rivera J G, et al. Comparison between a spoke-type PMSM and a PMASynRM using ferrite magnets[C]//IEEE 2013 International Electric Machines & Drives Conference, Chicago, IL, USA, 2013: 1080-1087.

[67] 梁杰尚. 永磁輔助型同步磁阻電機電磁性能分析[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學, 2019.

[68] 郭偉, 趙爭鳴. 新型同步磁阻永磁電機的結構與電磁參數關系分析[J]. 中國電機工程學報, 2005, 25(11): 124-128.

Guo Wei, Zhao Zhengming. Analysis of the relation between the electro-magnetic parameters and the structure of synchronous reluctance permanent mag- netic motors[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(11): 124-128.

[69] 方磊. 新能源車用永磁輔助式同步磁阻電機設計與控制方法研究[D]. 徐州: 中國礦業(yè)大學, 2018.

[70] Niazi P, Toliyat H A, Cheong D H, et al. A low-cost and efficient permanent-magnet-assisted synchronous reluctance motor drive[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2007, 43(2): 542-550.

[71] 董硯, 顏冬, 荊鍇, 等. 磁障漸變同步磁阻電機低轉矩脈動轉子優(yōu)化設計[J]. 電工技術學報, 2017, 32(19): 21-31.

Dong Yan, Yan Dong, Jing Kai, et al. Rotor optimal design of the gradient flux-barrier for torque ripple reduction in synchronous reluctance motor[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(19): 21-31.

[72] Zimmermann M, Piepenbreier B. Design of a per- manent magnet assisted synchronous reluctance machine enhanced for saliency based sensorless control[C]//IEEE 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, Miami, FL, USA, 2017: 1-7.

[73] 楊晨. 永磁輔助同步磁阻電機設計及轉矩脈動抑制研究[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學, 2019.

[74] Ibrahim M N, Sergeant P, Rashad E M. Influence of rotor flux-barrier geometry on torque and torque ripple of permanent-magnet-assisted synchronous reluctance motors[C]//IEEE 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM), Lausanne, Switzerland, 2016: 398-404.

[75] Pi?a A J, Cai Haiwei, Alsmadi Y, et al. Analytical model for the minimization of torque ripple in permanent magnets assisted synchronous reluctance motors through asymmetric rotor poles[C]//IEEE 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Expo- sition, Montreal, QC, Canada, 2015: 5609-5615.

[76] 任武. 永磁同步伺服電動機轉矩脈動抑制方法研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2016.

[77] Sanada M, Hiramoto K, Morimoto S, et al. Torque ripple improvement for synchronous reluctance motor using an asymmetric flux barrier arrangement[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2004, 40(4): 1076-1082.

[78] Varaticeanu B D, Minciunescu P, Matei S. Design of permanent magnet assisted synchronous reluctance motor for light urban electric vehicle[C]//IEEE 2014 International Symposium on Fundamentals of Elec- trical Engineering (ISFEE), Bucharest, Romania, 2014: 1-6.

[79] 徐媚媚, 劉國海, 陳前, 等. 永磁輔助同步磁阻電機設計及其關鍵技術發(fā)展綜述[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(23): 7033-7043, 7116.

Xu Meimei, Liu Guohai, Chen Qian, et al. Design and key technology development of permanent magnet assisted synchronous reluctance motor[J]. Pro- ceedings of the CSEE, 2019, 39(23): 7033-7043, 7116.

[80] Obata M, Morimoto S, Sanada M, et al. Performance of PMASynRM with ferrite magnets for EV/HEV applications considering productivity[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2014, 50(4): 2427-2435.

[81] Ooi S, Morimoto S, Sanada M, et al. Performance evaluation of a high-power-density PMASynRM with ferrite magnets[C]//2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Phoenix, AZ, 2011: 4195- 4200.

[82] Bin Tarek M T, Choi S. Center post and rib length optimization of a high speed permanent magnet assisted synchronous reluctance motor[C]//2017 IEEE International Electric Machines and Drives Con- ference, Miami, FL, USA, 2017: 1-6.

[83] Islam M Z, Arafat A, Choi S. Design of five-phase bearingless permanent magnet assisted synchronous reluctance motor for high speed applications[C]//2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. Portland, OR, USA, 2018: 4419-4424.

[84] Islam M Z, Arafat A, Bonthu S S R, et al. Design of a robust five-phase ferrite-assisted synchronous relu- ctance motor with low demagnetization and mechanical deformation[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2019, 34(2): 722-730.

[85] Jung J W, Lee B H, Kim D J, et al. Mechanical stress reduction of rotor core of interior permanent magnet synchronous motor[J]. IEEE Transactions on Mag- netics, 2012, 48(2): 911-914.

[86] Bremner R D. Bridge stresses and design in IPM machines[C]//IEEE EUROCON, StPetersburg, Russia, 2009: 655-662.

[87] Kolehmainen J. Synchronous reluctance motor with form blocked rotor[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2010, 25(2): 450-456.

[88] 婁利崗. 真空泵用永磁輔助式同步磁阻電動機設計與分析[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學, 2019.

[89] 王曉遠, 杜靜娟. 應用CFD流固耦合熱分析車用高功率密度電機的水冷系統(tǒng)[J]. 電工技術學報, 2015, 30(9): 30-38.

Wang Xiaoyuan, Du Jingjuan. Design and analysis of water cooling system for HEVs high-power-density motor using CFD and thermal technology[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(9): 30-38.

[90] Xheladini L, Tap A, Imeryuz M, et al. Thermal and mechanical analysis of PM assisted synchronous reluctance motor for washing machines[J]. 10th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ELECO), Bursa, 2017: 227-232.

[91] Shi Yanwen, Wang Jiabin, Wang Bo. Lumped- parameter and 3D thermal model of a PMASynRM under fault conditions with asymmetric temperature distribution[C]//2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Portland, OR, USA, 2018: 6521-6528.

[92] Shi Yanwen, Wang Jiabin, Wang Bo. Transient 3-D lumped parameter and 3-D FE thermal models of a PMASynRM under fault conditions with asymmetric temperature distribution[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(6): 4623-4633.

[93] Ertugrul N, Soong W, Dostal G, et al. Fault tolerant motor drive system with redundancy for critical applications[C]//2002 IEEE 33rd Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference. Proceedings (Cat. No.02CH37289), Cairns, QLD, Australia, 2002: 1457- 1462.

[94] Bonthu S S R, Arafat A, Choi S. Comparisons of rare-earth and rare-earth-free external rotor per- manent magnet assisted synchronous reluctance motors[J]. IEEE Transactions on Industrial Electro- nics, 2017, 64(12): 9729-9738.

[95] Bianchi N, Bolognani S, PréDai Pre M D. Impact of stator winding of a five-phase permanent-magnet motor on postfault operations[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(5): 1978-1987.

[96] Arafat A K M, Herbert J, Bin Tarek M T, et al. Study of the thermal effects of a five-phase permanent magnet assisted synchronous reluctance motor under fault tolerant control[C]//2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, Miami, FL, USA, 2017: 1-6.

[97] Arafat A, Choi S, Baek J. Open-phase fault detection of a five-phase permanent magnet assisted syn- chronous reluctance motor based on symmetrical components theory[J]. IEEE Transactions on Indu- strial Electronics, 2017, 64(8): 6465-6474.

[98] Arafat A K M, Choi S. Fault tolerant control of five-phase permanent magnet assisted synchronous reluctance motor based on dynamic current phase advance[C]//2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Montreal, QC, Canada, 2015: 1208- 1214.

[99] Dharmasena S, Choi S. Model predictive control of five-phase permanent magnet assisted synchronous reluctance motor[C]//2019 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Anaheim, CA, USA, 2019: 1885-1890.

[100] Wang Bo, Wang Jiabin, Griffo A, et al. A general modeling technique for a triple redundant 3×3-phase PMA SynRM[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(11): 9068-9078.

[101] Wang Bo, Wang Jiabin, Griffo A, et al. A fault- tolerant machine drive based on permanent magnet- assisted synchronous reluctance machine[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(2): 1349-1359.

[102] Wang Bo, Wang Jiabin, Griffo A, et al. Experimental assessments of a triple redundant nine-phase fault- tolerant PMA SynRM drive[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(1): 772-783.

[103] Shi Yanwen, Wang Jiabin, Wang Bo. Electromagnetic- thermal coupled simulation under various fault con- ditions of a triple redundant 9-phase PMASynRM[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2020, 56(1): 128-137.

[104] Shi Yanwen, Wang Jiabin, Wang Bo. EM-thermal coupled simulation under various fault conditions of a triple redundant 9-phase PMASynRM[C]//2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Portland, OR, USA, 2018: 5757-5764.

Research Status and Development Trend of Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor

11,21

（1. School of Electrical and Electronic Engineering Harbin University of Science and Technology Harbin 150080 China 2. The Key Lab of National and Local United Engineering for Electric & Heat Transfer Technology of Large Electrical Machine Harbin University of Science and Technology Harbin 150080 China）

Permanent magnet assisted synchronous reluctance motor (PMaSynRM) has become a research hotspot in the industry in recent years, especially in the fields of household appliances, electric vehicles and industrial motors, due to its advantages of high power density, high efficiency, high cost performance and wide speed range. Based on the research status at home and abroad, this paper introduces the latest research progress in PMaSynRM's optimization design, torque boost, torque ripple suppression, mechanical strength, temperature rise distribution calculation, and fault-tolerant design. This paper also analyzes the improvement of auxiliary slot and air gap design on torque characteristics, summarizes the optimization of mechanical strength by the design of central ribs and magnetic barriers; and explains the temperature rise distribution of PMaSynRM under different working conditions, and summarizes the effects of multi-phase and winding design on the fault tolerance of PMaSynRM. Finally, considering the development trend of the motor industry, the research and development of PMaSynRM are prospected.

Permanent magnet assisted synchronous reluctance motor (PmaSynRM), torque characteristics, mechanical strength, temperature distribution, fault-tolerant design

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210434

TM352

國家自然科學基金（52077047）和黑龍江省自然基金（LH2020E092）資助項目。

2021-04-01

2021-12-31

曹恒佩 男，1997年生，碩士研究生，研究方向為永磁輔助同步磁阻電機設計。E-mail: 870152819@qq.com

艾萌萌 男，1991年生，講師，研究方向為特種電機及電力變壓器設計。E-mail: aimengmeng@hrbust.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）