永磁辅助同步磁阻电机的发展历程

永磁辅助同步磁阻电机是从同步磁阻电机演变而来的。早在19世纪初，研究人员观察到转动的普通电励磁同步电机的励磁绕组断开时，电机仍没有停转，从而发现了磁阻现象。从此，专家学者开始了对磁阻电机的研究。

1923年，Kostko J K在美国工业工程师协会期刊上提出了多相反应同步电机（Polyphase Reaction Synchronous Motors）的概念及转子结构，如图1-1所示，并预言到这种电机未来会被广泛应用。这种电机就是同步磁阻电机的雏形。

与此同时，凸极同步电机双反应理论的提出，特别是派克（Park）方程的建立，使电机的理论分析从定性分析阶段跨越到比较严格的以数学模型为基础的数理分析阶段，对凸极电机中磁阻转矩的分析有了质的突破，推动了同步磁阻电机的研究。

1965年1月，德国布伦瑞克工业大学的Brinkman发表的论文《利用反应原理改良电机的理论和实验研究》（Theoretische und experimentelle untersuchen an einem motor mit verbesserter ausnuzung des reaktionsprinzips）中提到了一种改良的同步磁阻电机转子结构，如图1-2所示，可以提高电机的功率因数和效率。

图1-1 多相反应同步电机转子结构示意图

图1-2 改良的同步磁阻电机转子结构

另一种典型的早期同步磁阻电机的转子结构如图1-3所示，通过在凸极转子中设置双层磁障，增加d、q轴的磁阻差来提高磁阻转矩。由于当时的换向器频率很低，因此必须在转子上安插鼠笼条产生异步起动转矩。这种结构的同步磁阻电机最高凸极比不超过2，电机效率和功率因数都很低，且在起动过程中会有严重振荡的问题，所以未能在工业上得到广泛应用。

随着电机设计理论和电力电子技术的发展，出现了第二代同步磁阻电机，如图1-4所示。该电机通过分块拼装结构来增加凸极比，凸极比可以达到5～6，同时去掉笼型转子，直接使用逆变器变频起动，削弱了转子振荡现象。但是该电机工艺结构复杂，并且为了产生大的磁阻转矩需要增大定子侧励磁电流，而效率和功率因数仍然较低，致使该种电机未得到推广使用。

图1-3 早期同步磁阻转子结构

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图1-4 第二代同步磁阻电机结构

为尽可能增大d、q轴的磁阻差，同时减小励磁电流，增大功率因数，在20世纪70年代初期产生了第三代同步磁阻电机，其转子结构如图1-5所示。其中一种为轴向叠压式（ALA）转子，如图1-5a所示，即将导磁材料和非导磁材料按一定厚度比沿轴向交替叠压，可以获得最大的q轴电感和最小的d轴电感，从而实现磁阻转矩的最大化。这种电机的转矩密度、效率和功率因数都较高，但加工工艺复杂、机械强度较低，制约了其在工业中的应用。另一种为横向叠压式（TLA）转子，如图1-5b所示。通过在转子硅钢片中冲压多个空气磁障来产生d-q轴磁阻差异。此种电机转子结构简单、机械强度高，更适合工业大批量生产。

图1-5 第三代同步磁阻电机转子结构

a）轴向叠压式转子结构 b）横向叠压式转子结构

事实上，同步磁阻电机普遍存在一个问题，即为获得足够大的转矩，需要定子侧提供较大的励磁电流，因此牺牲了效率和功率因数。

20世纪80年代后期，电机研究人员发现在同步磁阻电机转子的多层磁障中添加适量永磁体，提供d轴方向的永磁磁通，可以提高电机功率因数和转矩密度，典型的电机结构如图1-6所示。该结构电机即为永磁辅助同步磁阻电机（PMASyn-RM）的原型，也称为新型同步磁阻永磁电机或永磁同步磁阻电机。

该结构电机主要有如下特点：

1）由于q轴磁路上无隔磁磁障，磁力线可以顺畅地通过转子，从而得到较大的q轴电感。而d轴磁路上永磁体的磁导率接近于气隙，阻碍了磁力线的通过，得到了较小的d轴电感，从而提供较大的磁阻转矩。

图1-6 永磁辅助同步磁阻电机结构

2）永磁体镶嵌在d轴方向上的多层磁障里，提供永磁转矩。