王 宇，張成糕，郝雯娟

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京211106）

全電/多電飛機(jī)已成為下一代先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)水平使多電飛機(jī)的實(shí)現(xiàn)成為可能。未來(lái)全電/多電飛機(jī)將在可靠性、維護(hù)性、保障性、戰(zhàn)斗受損后的生存能力、全周期費(fèi)用和飛機(jī)性能等方面取得顯著改善。目前全電/多電飛機(jī)的研究主要集中在發(fā)電、配電和電力作動(dòng)3 方面[1?2]。廣泛應(yīng)用于飛機(jī)剎車、舵面控制以及油泵等關(guān)鍵系統(tǒng)中的電力作動(dòng)器應(yīng)具備高功率密度、高可靠性和強(qiáng)容錯(cuò)能力，這要求其關(guān)鍵部件——容錯(cuò)電 機(jī) 具 備 如 下 能 力[3?5]：

（1）電氣隔離能力

在傳統(tǒng)的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，各相繞組采用星型連接方式和全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，故障相的電流或者母線電壓會(huì)通過(guò)中心點(diǎn)耦合到其他正常相繞組，使得系統(tǒng)不能正常工作。為了降低各相的電氣耦合，容錯(cuò)電機(jī)的各相繞組采用H 橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單獨(dú)供電，可以實(shí)現(xiàn)繞組間的電氣隔離。

（2）物理隔離能力

定子繞組采用非交疊集中式電樞繞組，如圖1所示，容錯(cuò)電機(jī)的每個(gè)定子槽中僅有一相繞組的線圈邊，各相繞組間不存在物理接觸，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)各相繞組的物理隔離。

（3）熱隔離能力

由于隔磁齒（容錯(cuò)齒）的存在，相鄰繞組間不存在物理接觸，使得短路故障相產(chǎn)生的熱量很難傳遞到相鄰繞組，從而實(shí)現(xiàn)了繞組間的熱隔離。

（4）磁隔離能力

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，若繞組間存在磁耦合，短路相會(huì)在正常相產(chǎn)生感應(yīng)電壓,從而破壞整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此，磁隔離能力是電機(jī)容錯(cuò)性能的重要體現(xiàn)。繞組間采用隔齒繞制方式為各相繞組的磁場(chǎng)提供了回路，減小了各相繞組的互感。

（5）短路電流抑制能力

繞組短路故障是電機(jī)控制系統(tǒng)中最嚴(yán)重的故障類型之一，若不限制短路電流，將會(huì)損壞整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)，因此短路電流抑制能力是電機(jī)容錯(cuò)性能的重要體現(xiàn)之一[6?8]。

為實(shí)現(xiàn)上述容錯(cuò)能力，近年來(lái)，容錯(cuò)電機(jī)的拓?fù)鋵映霾桓F[9?50]，主要包括容錯(cuò)型開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)、容錯(cuò)型定子永磁式電機(jī)以及容錯(cuò)式磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)、容錯(cuò)型磁齒輪雙邊電機(jī)等；針對(duì)每種容錯(cuò)電機(jī)，基于補(bǔ)償控制思想的容錯(cuò)控制算法被提出[51?70]，主要分類如圖2 所示。

本文從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法兩大方面對(duì)電力作動(dòng)系統(tǒng)用容錯(cuò)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和總結(jié)。

在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，在分析了各種原型電機(jī)固有電磁性能和固有可靠性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)比較了每種原型電機(jī)引入容錯(cuò)設(shè)計(jì)（非交疊集中式繞組、容錯(cuò)齒模塊化和電樞齒極靴）后對(duì)原有電磁性能的影響，定性分析了不同原型電機(jī)電樞磁場(chǎng)與勵(lì)磁磁場(chǎng)磁路關(guān)系對(duì)容錯(cuò)能力提升的“阻礙作用”和“幫助作用”。在此基礎(chǔ)上，縱向歸納了電機(jī)容錯(cuò)設(shè)計(jì)的通用設(shè)計(jì)方法和一般規(guī)律。

在控制策略方面，依托兩大經(jīng)典控制算法——矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，采用補(bǔ)償控制思想，基于電流矢量重構(gòu)技術(shù)和基于電壓矢量重構(gòu)技術(shù)兩大類方法被提出。從容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵控制量（電磁轉(zhuǎn)矩）和目標(biāo)控制量（電機(jī)轉(zhuǎn)速）的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能兩個(gè)指標(biāo)，分析了上述兩大類算法的內(nèi)在聯(lián)系與優(yōu)缺點(diǎn)。研究了轉(zhuǎn)矩沖量平衡控制，同時(shí)提高了電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)性能。

對(duì)于具有代表性的容錯(cuò)電機(jī)和控制算法，給出了仿真和實(shí)驗(yàn)的比較結(jié)果，對(duì)上述總結(jié)的設(shè)計(jì)方法、一般規(guī)律和控制算法性能進(jìn)行了驗(yàn)證。最后總結(jié)展望了容錯(cuò)電機(jī)系統(tǒng)相關(guān)理論和技術(shù)研究的發(fā)展方向。

1 容錯(cuò)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 容錯(cuò)型開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

圖3 為12/8 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，圖4 為其一相繞組的功率電路。除了定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠之外，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)固有的高容錯(cuò)性能如下[9?11]。

圖3 12/8 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)Fig.3 12/8 switched reluctance motor

（1）磁隔離能力。雖然采用的是交疊集中式電樞繞組結(jié)構(gòu)，但是由于其特有的工作模式和磁路結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的互感/自感比較小。

（2）短路電流抑制能力。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)屬于自勵(lì)磁電機(jī)，當(dāng)某一相繞組發(fā)生短路故障時(shí)，由勵(lì)磁源（永磁體）引起的短路電流為零。

（3）電氣隔離能力。如圖4 所示，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的每一相繞組均由一個(gè)獨(dú)立的不對(duì)成半橋電路控制，各相繞組電流控制獨(dú)立，電氣隔離能力強(qiáng)。

為進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的容錯(cuò)性能，東南大學(xué)花為教授等在文獻(xiàn)[12]中提出了非交疊集中式電樞繞組開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched reluctance ma?chine with non?overlapping concentrated winding，NOCW?SRM）結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，并與交疊集中式電樞繞組開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched reluctance ma?chine with overlapping concentrated winding，CW?SRM）進(jìn)行了電磁性能的比較：

圖4 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器Fig.4 Power converter of switched reluctance motor

（1）與CW?SRM 相比，NOCW?SRM 具有相對(duì)較大的自感數(shù)值和自感變化率，因此轉(zhuǎn)矩密度較高，這一優(yōu)勢(shì)在電機(jī)輕載時(shí)尤為明顯。同時(shí)由于磁路飽和得更快，在重載時(shí)，這一優(yōu)勢(shì)有所削弱。

（2）相同相電流下，NOCW?SRM 具有相對(duì)較高的相電壓，從而需要其變換器系統(tǒng)具有相對(duì)較高的母線電壓。

（3）采用非交疊集中式電樞繞組，NOCW?SRM 具有較強(qiáng)的物理隔離和熱隔離能力。同時(shí)，較大的自感提高了短路電流抑制能力。與CW?SRM 相比，NOCW?SRM 可以達(dá)到更高的槽滿率和轉(zhuǎn)矩/電流比。

圖5 不同繞組結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)[12]Fig.5 Different winding structures of switched reluctance motor[12]

對(duì)于NOCW?SRM，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)諸自強(qiáng)教授等深入研究了隔磁齒的結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響[13]。NOCW?SRM 的隔磁齒可以采用非模塊化隔磁齒結(jié)構(gòu)、模塊化隔磁齒結(jié)構(gòu)（無(wú)磁橋）和模塊化隔磁齒結(jié)構(gòu)（帶磁橋），如圖6，7 所示，比較結(jié)論如下。

圖6 非交疊集中式電樞繞組開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)拓?fù)鋄13]Fig.6 Switched reluctance motor with non?overlapping con?centrated windings[13]

圖7 非交疊集中式電樞繞組開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)[13]Fig.7 Switched reluctance motor with non?overlapping con?centrated windings[13]

（1）12/8 非模塊化隔磁齒結(jié)構(gòu)的NOCW?SRM 和12/14 模塊化隔磁齒結(jié)構(gòu)（無(wú)磁橋）的NOCW?SRM 具有相對(duì)較高的平均轉(zhuǎn)矩。

（3）由于飽和成度差異，12/14 模塊化隔磁齒結(jié)構(gòu)（無(wú)磁橋）的NOCW?SRM 在重載時(shí)具有更高的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

（4）同時(shí)，12/14 模塊化隔磁齒結(jié)構(gòu)（無(wú)磁橋）的NOCW?SRM 具有相對(duì)較小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

（5）與非模塊化隔磁齒結(jié)構(gòu)的NOCW?SRM相比，模塊化隔磁齒結(jié)構(gòu)（無(wú)磁橋）的NOCW?SRM具有相對(duì)較小的鐵耗、振動(dòng)和噪音。

容錯(cuò)型開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)用于電作動(dòng)系統(tǒng)，具有的優(yōu) 勢(shì) 如 下[14?15]：

（1）電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造維護(hù)方便。

（2）功率密度與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相近。

（3）只需單向電流供電，控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單；并且一相繞組出現(xiàn)故障時(shí)，電機(jī)仍然可以正常工作，即具有一定的容錯(cuò)性。

但與永磁同步電機(jī)相比，其不可避免存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，并且效率相對(duì)較低，從而使它的容錯(cuò)性遜色很多，因此國(guó)內(nèi)外開(kāi)始提出了其他各種容錯(cuò)電機(jī)系統(tǒng)方案[16]。

1.2 容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（表貼式）

1993 年英國(guó)Newscastle 大學(xué)的Mecrow 教授在IEEE 發(fā)表了一篇關(guān)于H 橋逆變器故障診斷文章[17]，為他在1995 年提出容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（表貼式）的方案鋪定了基石。1996 年，Mecrow 教授在IEEE 發(fā)表了一篇關(guān)于容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（表貼式）（Fault tolerant surface?mounted perma?nent magnet machine, FTSMPMM）和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的容錯(cuò)性能比較的文章，從此以后拉開(kāi)了永磁容錯(cuò)電機(jī)的序幕[18]。同年，他們將FTSMPMM 應(yīng)用于飛機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，先后完成了六相和四相永磁容錯(cuò)電機(jī)系統(tǒng)，并在2003 年實(shí)現(xiàn)了無(wú)速度傳感器的永磁容錯(cuò)電機(jī)控制系統(tǒng)[19?20]。Sheffield 大學(xué)與英國(guó)的IUCAS 航空公司合作，研發(fā)永磁容錯(cuò)電機(jī)在飛機(jī)的機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)中的控制與應(yīng)用，從而顯示了永磁容錯(cuò)電機(jī)在航空系統(tǒng)中的強(qiáng)大生命力[21?22]。

FTSMPMM 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8 所示。如前所述，采用非交疊集中式電樞繞組結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了相繞組之間的物理隔離能力、磁隔離能力和熱隔離能力。而實(shí)現(xiàn)短路電流抑制能力則較為復(fù)雜，論述如下：

當(dāng)某相繞組發(fā)生端部短路故障時(shí)，穩(wěn)態(tài)短路電流表示為[8]

圖8 容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（表貼式）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 Topology of FTSMPMM

式中:E0表示電機(jī)的空載反電勢(shì)；Ls、Lsm、Lsσ分別為相繞組的自感、激磁電感和漏感；R 為相繞組電感；ωe為電角頻率。在一定的空載反電勢(shì)下，忽略電阻，短路電流僅與繞組電感有關(guān)。通過(guò)合理地設(shè)計(jì)電機(jī)的激磁電感和漏感，可以達(dá)到抑制短路電流的目的。

對(duì)于FTSMPMM，永磁體是電樞磁場(chǎng)磁路的一部分，電樞磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)永磁體。由于永磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率約為1，所以FTSMPMM 的激磁電感相對(duì)較小，利用激磁電感來(lái)抑制短路電流較為困難，且存在退磁危險(xiǎn)。因此，F(xiàn)TSMPMM 一般采用增大漏感的方法來(lái)抑制短路電流[7]。

文獻(xiàn)[8]對(duì)FTSMPMM 的電感特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析：永磁容錯(cuò)電機(jī)的繞組自感主要有激磁電感、槽口漏感、端部漏感、諧波漏感以及槽內(nèi)漏感組成，與一般電機(jī)不同的是，激磁電感占自感的比例較少，而槽口漏感和諧波漏感占自感的比例較大，占95%左右，因此永磁容錯(cuò)電機(jī)具有大漏感的特點(diǎn)，表明永磁容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)與控制有其自身的特殊性。通過(guò)諧波漏感的量化分析可以看出，諧波漏感的含量很高，約占總激感的86%，因此增加自感可以通過(guò)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即合理地設(shè)計(jì)槽口漏感和諧波漏感。同時(shí)，諧波漏感的量化分析也反映了電機(jī)中存在大量諧波,尤其是低次諧波，其含量約占總諧波的45%。

在原有拓?fù)涞幕A(chǔ)上，文獻(xiàn)[23]提出了如圖9的改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)容錯(cuò)齒的形狀和尺寸，可以提高氣隙磁密的基波幅值并有效減小氣隙磁密的5 次諧波，從而提高了轉(zhuǎn)矩輸出能力并減小了轉(zhuǎn)子鐵耗。

文獻(xiàn)[24]則是通過(guò)在轉(zhuǎn)子軛上設(shè)置磁障減小了電樞反應(yīng)，如圖10 所示，從而減小了永磁（Per?manent magnet，PM）磁損耗、轉(zhuǎn)子鐵耗和永磁體溫升。

圖9 改進(jìn)型容錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)[23]Fig.9 Improved fault tolerant tooth structure[23]

圖10 表貼式外轉(zhuǎn)子永磁容錯(cuò)電機(jī)[24]Fig.10 Surface mounted rotor permanent magnet fault tol?erant motor[24]

文獻(xiàn)[25]研究了FTSMPMM 電機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)在隔磁齒（容錯(cuò)齒）上增加磁障，如圖11 所示，降低了電機(jī)的互感和加工難度，轉(zhuǎn)矩密度有所降低[26]。其中12/14 結(jié)構(gòu)比12/10 結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較高的轉(zhuǎn)矩密度，同時(shí)通過(guò)合理地設(shè)計(jì)磁障寬度可以有效地減小電機(jī)的定位力矩。

圖11 模塊化容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)[26]Fig.11 Modular fault tolerant rotor permanent magnet ma?chine[26]

文獻(xiàn)[27]重點(diǎn)研究了永磁體離心高度對(duì)電機(jī)電磁性能的影響，如圖12 所示，通過(guò)合理設(shè)計(jì)離心高度h，可以提高空載反電勢(shì)的正弦度并減小定位力矩。

圖12 容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)[27]Fig.12 Fault tolerant rotor permanent magnet machine[27]

1.3 容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（內(nèi)置式）

與轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（表貼式）相比，轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（內(nèi)置式）（Interior permanent magnet machine，IPMM）具有永磁體易于固定和保護(hù)、直軸與交軸磁路不對(duì)稱的特點(diǎn)。以上特點(diǎn)使得容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（內(nèi)置式）具有優(yōu)于容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（表貼式）的電磁性能[28]。

（1）如圖13 所示，在d 軸位置，有部分電樞磁場(chǎng)磁力線沒(méi)有經(jīng)過(guò)永磁體而直接閉合；在q 軸位置，電樞磁場(chǎng)磁力線基本都沒(méi)有經(jīng)過(guò)永磁體而直接閉合。因此，IPMM 的永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，在實(shí)現(xiàn)短路電流抑制能力時(shí)，無(wú)需采用增加漏感的方式來(lái)抑制短路電流，即IPMM 在提高容錯(cuò)能力的同時(shí)可以保持相對(duì)高的電樞磁場(chǎng)利用率和轉(zhuǎn)矩密度。

圖13 轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（內(nèi)置式）的電樞磁場(chǎng)[28]Fig.13 Armature reaction magnetic flux lines of IPMM[28]

文獻(xiàn)[29?33]研究的多三相內(nèi)置式永磁電機(jī)的容錯(cuò)結(jié)構(gòu)如圖14 所示。與原始結(jié)構(gòu)相比，容錯(cuò)拓?fù)涞碾姌欣@組采用了區(qū)域集中結(jié)構(gòu)，即繞組群“BCA”“EFD”和“HIG”之間均有容錯(cuò)齒相隔，減小了互感，提高了磁隔離能力。如前所述，原始結(jié)構(gòu)與容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)均未發(fā)生變化，即永磁體的磁路未發(fā)生改變，永磁體的利用率不變。

（2）容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（內(nèi)置式）的直軸與交軸磁路不對(duì)稱，在弱磁區(qū)域（d 軸電流小于0）可以提供磁阻轉(zhuǎn)矩。

文獻(xiàn)[34]研究了容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（內(nèi)置式）的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，如圖15 所示。與圖15（b）中的原始結(jié)構(gòu)相比，圖15（a）采用雙層永磁體結(jié)構(gòu)，使得直軸電感數(shù)值與交軸電感數(shù)值的差異進(jìn)一步增加，從而改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高了恒功率區(qū)域的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

圖14 多三相內(nèi)置式永磁電機(jī)[29]Fig.14 Multiple three?phase IPMM[29]

圖15 容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（內(nèi)置式）[34]Fig.15 Fault tolerant IPMM[34]

（3）聚磁效應(yīng)可以提高永磁氣隙磁密。文獻(xiàn)[35]對(duì)圖16 中兩種五相內(nèi)置式永磁容錯(cuò)電機(jī)的電磁性能進(jìn)行了研究，由于聚磁效應(yīng)的存在，兩種電機(jī)同在具有強(qiáng)容錯(cuò)能力的同時(shí)，還具有較高的轉(zhuǎn)矩密度。文獻(xiàn)[34]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，輻條型磁鋼具有更強(qiáng)的聚磁效應(yīng)，從而在輸出相同的電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，輻條型磁鋼結(jié)構(gòu)可以采用更少的永磁體，降低了系統(tǒng)成本。

圖16 兩種五相內(nèi)置式永磁容錯(cuò)電機(jī)[35]Fig.16 Two types of five-phase fault tolerant IPMMs[35]

綜上所述，與容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（表貼式）相比，容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（內(nèi)置式）具有容錯(cuò)能力、弱磁能力與轉(zhuǎn)矩能力相互制約小，在實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)性能的同時(shí)可保持高轉(zhuǎn)矩密度并具有寬調(diào)速范圍的優(yōu)點(diǎn)。

1.4 容錯(cuò)型永磁雙凸極電機(jī)

圖17（a）和圖17（b）分別給出了6/4 容錯(cuò)型永磁雙凸極電機(jī)和12/8 容錯(cuò)型永磁雙凸極電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以看出，永磁雙凸極電機(jī)是在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基礎(chǔ)上，將永磁體嵌入到定子軛中。

圖17 永磁雙凸極電機(jī)[36]Fig.17 Permanent magnet doubly salient motor[36]

與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、容錯(cuò)型永磁同步電機(jī)相比，容錯(cuò)永磁雙凸極電機(jī)的優(yōu)勢(shì)如下[36]。

（1）永磁體的引入，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的全周期運(yùn)行，電機(jī)鐵磁材料利用率提高，轉(zhuǎn)矩密度提高。

（2）與容錯(cuò)型永磁同步電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，永磁體不受離心力，退磁風(fēng)險(xiǎn)小。同時(shí)電樞磁場(chǎng)對(duì)永磁體影響小，無(wú)須采用增加漏感的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)短路電流抑制能力。

容錯(cuò)型永磁雙凸極電機(jī)的研究揭開(kāi)了容錯(cuò)型定子永磁式電機(jī)拓?fù)溲芯康钠隆Ｈ蒎e(cuò)型定子永磁式電機(jī)拓?fù)涞难芯坎粌H豐富了電力作動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)電機(jī)的種類，而且定子永磁式電機(jī)固有可靠性的優(yōu)勢(shì)有助于提高容錯(cuò)電機(jī)系統(tǒng)的整體性能。

容錯(cuò)型永磁雙凸極電機(jī)同時(shí)存在以下一些不足[37?38]：

（1）容錯(cuò)型永磁雙凸極電機(jī)的勵(lì)磁磁鏈為單極性，勵(lì)磁磁鏈的直流分量對(duì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩不做貢獻(xiàn)，影響了電機(jī)的鐵磁材料利用率和轉(zhuǎn)矩密度。

（2）容錯(cuò)型永磁雙凸極電機(jī)的勵(lì)磁磁鏈為不規(guī)則的三角形波形，導(dǎo)致反電勢(shì)為馬鞍型波形，含有大量諧波。不管采用電流方波控制（Brushless DC,BLDC）還是電流正弦波控制（Brushless AC,BLAC），轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相對(duì)較大。一般地，為提高反電勢(shì)的正弦度，需采用轉(zhuǎn)子斜槽結(jié)構(gòu)，如圖18 所示。

圖18 永磁雙凸極電機(jī)（斜槽轉(zhuǎn)子）[37]Fig.18 Permanent magnet doubly salient motor (skewed rotor)[37]

1.5 容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)

永磁磁通切換（Flux?switching permanent mag?net, FSPM）電機(jī)與永磁雙凸極電機(jī)一樣，永磁體置于定子，不受離心力，散熱條件良好，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固。與永磁雙凸極電機(jī)相比，永磁磁通切換電機(jī)又具有以下特殊的優(yōu)點(diǎn)[39?42]：

（1）永磁雙凸極電機(jī)的勵(lì)磁磁鏈為單極性，而永磁磁通切換電機(jī)的勵(lì)磁磁鏈為雙極性。雙極性的勵(lì)磁磁鏈提高了鐵磁材料的利用率和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。

（2）由于具有繞組“互補(bǔ)性”優(yōu)勢(shì)，因此，即使采用集中式繞組，永磁磁通切換電機(jī)的永磁磁鏈和空載反電勢(shì)仍然具有較高的正弦度，適合運(yùn)行在BLAC 模式，經(jīng)典的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制均可以應(yīng)用到其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

基于以上優(yōu)勢(shì)，容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)的研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。

圖19（a）為傳統(tǒng)的交疊式集中電樞繞組永磁磁通切換電機(jī)，在它的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[43]首先研究了永磁磁通切換電機(jī)的非交疊集中式繞組結(jié)構(gòu)，如圖19（b）所示。在非交疊集中式繞組永磁磁通切換電機(jī)中，不纏繞電樞繞組的隔磁齒上的永磁體除了起到勵(lì)磁作用以外，由于其高磁阻性質(zhì)，有效地降低了相鄰兩相繞組地互感。文獻(xiàn)[43]指出：

圖19 集中電樞繞組永磁磁通切換電機(jī)[43]Fig.19 FSPM machine with concentrated windings[43]

（1）圖19（a）的互感自感比為50%，而采用非交疊集中式繞組的12/10、12/11、12/13、12/14 永磁磁通切換電機(jī)的互感基本都可以忽略，當(dāng)某一相發(fā)生繞組短路故障時(shí)，短路電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)相鄰相的影響很小，永磁體的不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)大大減小。隔磁齒上磁障（高磁阻材料）寬度對(duì)電機(jī)電磁能力和容錯(cuò)能力的影響將在下文中論述。

（2）其中，12/11、12/13 非交疊集中式繞組永磁磁通切換電機(jī)由于仍具有繞組“互補(bǔ)性”優(yōu)勢(shì)，空載反電勢(shì)具有高對(duì)稱度；而12/11、12/13 非交疊集中式繞組永磁磁通切換電機(jī)失去了繞組“互補(bǔ)性”優(yōu)勢(shì)，空載反電勢(shì)出現(xiàn)了一定程度的不對(duì)成性。

（3）以上4 種電機(jī)中，12/13 結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較低的永磁體損耗以及相對(duì)較高的轉(zhuǎn)矩密度和效率。

為提高永磁體利用率，在非交疊集中式繞組永磁磁通切換電機(jī)的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[44]提出了“E”型鐵芯容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)，如圖20 所示。文章比較了6/10、6/11、6/13“E”型鐵芯容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)的電磁性能。與6/10、6/13 電機(jī)相比，6/11 電機(jī)具有相對(duì)較高的轉(zhuǎn)矩輸出能力。而與傳統(tǒng)的12/10 永磁磁通切換電機(jī)相比，6/11“E”型鐵芯容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度可以高出15%左右。

圖20 6/10“E”型鐵芯容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)[44]Fig.20 6/10 E-core fault tolerant FSPM machine[44]

文獻(xiàn)[45]在“E”型鐵芯容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)的基礎(chǔ)上，引入了定子齒和容錯(cuò)齒的極靴設(shè)計(jì)，如圖21 所示，研究表明：引入了定子齒和容錯(cuò)齒的極靴設(shè)計(jì)，可以將電樞繞組的自感提高到原始拓?fù)涞?00%左右，極大地提高了電機(jī)的短路電流抑制能力；同時(shí)進(jìn)一步減小了相鄰兩相繞組之間的互感，所付出的代價(jià)是降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

文獻(xiàn)[46]比較了圖22 中3 種容錯(cuò)電機(jī)的電磁性能和容錯(cuò)能力，并分析了隔磁齒磁障尺寸對(duì)電機(jī)性能的影響：

圖21 容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)（加極靴）[45]Fig.21 Fault tolerant FSPM machine (with pole shoe)[45]

圖22 4 種永磁磁通切換電機(jī)[46]Fig.22 Four types of FSPM machine[46]

（1）與原始的12/10 電機(jī)相比，所有容錯(cuò)拓?fù)涞霓D(zhuǎn)矩輸出能力均有所降低，同時(shí)，由于自感的增加，容錯(cuò)拓?fù)涞墓β室蛩鼐兴档汀?/p>

（2）在圖23 的6 種結(jié)構(gòu)中可以看成是同一種電機(jī)在不同磁障寬度下的變化結(jié)構(gòu)，當(dāng)磁障寬度為0°時(shí)，該電機(jī)為E?core 電機(jī)，當(dāng)磁障寬度由0°向負(fù)值變化時(shí)，隔磁齒寬度逐漸減小。當(dāng)磁障寬度減小為-15°時(shí)，該電機(jī)變成C?core 電機(jī)。在由E?core電機(jī)逐步變成C?core 電機(jī)的過(guò)程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力逐漸減小。當(dāng)磁障寬度由0°向正值變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力也逐漸減小，如圖24所示。

（3）對(duì)于傳統(tǒng)12/10 結(jié)構(gòu)和C?core 結(jié)構(gòu)，相鄰兩相繞組之間沒(méi)有容錯(cuò)齒這樣的旁路結(jié)構(gòu)，因此，當(dāng)某一相繞組發(fā)生短路時(shí)，短路電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)無(wú)阻礙地經(jīng)過(guò)相鄰相的永磁體，如圖25（a）和圖25（b）所示，導(dǎo)致這兩種電機(jī)的不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)較大。E?core 電機(jī)中，由于部分短路磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)容錯(cuò)齒閉合，減小了不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)，如圖25（c）所示。與E?core 電機(jī)相比，模塊化結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)齒不僅可以為短路電流磁場(chǎng)提供旁路路徑，其磁障結(jié)構(gòu)增加了短路電流磁場(chǎng)的磁路路徑的磁阻，如圖25（d）所示，從而使得穿過(guò)相鄰相永磁體的短路電流磁場(chǎng)進(jìn)一步減小，因此模塊化結(jié)構(gòu)具有最強(qiáng)的抗不可逆退磁能力。

極靴設(shè)計(jì)可以提高電機(jī)的短路電流抑制能力，本質(zhì)上是提高了電機(jī)自感中的漏感數(shù)值，必然會(huì)引起功率密度的降低；而增加電機(jī)激磁電感數(shù)值，則可以有效地提高電感數(shù)值并保持相對(duì)高的轉(zhuǎn)矩輸出能力?；谶@一思路，將多齒結(jié)構(gòu)[47?48]和容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)相結(jié)合，文獻(xiàn)[49]研究了一種多齒容錯(cuò)永磁磁通切換電機(jī)，與傳統(tǒng)容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)相比：

（1）多齒結(jié)構(gòu)的永磁磁鏈幅值有所降低，但是較高的轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)提高了電機(jī)的反電勢(shì)系數(shù)和轉(zhuǎn)矩密度。

圖23 6 種模塊化結(jié)構(gòu)[46]Fig.23 Six modular structures[46]

圖24 磁障寬度變化時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[46]Fig.24 Average torque and torque ripple under different flux gap opening[46]

圖25 退磁磁場(chǎng)磁力線[46]Fig.25 Demagnetizing flux lines[46]

（2）多齒結(jié)構(gòu)提高了電機(jī)的氣隙磁導(dǎo)和電感，從而電機(jī)具有較強(qiáng)的抑制短路電流的能力。

（3）多齒結(jié)構(gòu)平滑了氣隙磁導(dǎo)的變化趨勢(shì)，使得電機(jī)具有相對(duì)較小的定位力矩。

特別地，當(dāng)磁通切換電機(jī)工作在多相時(shí)（每相繞組線圈個(gè)數(shù)為“1”），繞組“互補(bǔ)性”將丟失，電機(jī)空載反電勢(shì)中存在諧波。經(jīng)典的斜槽結(jié)構(gòu)固然可以降低諧波，但是反電勢(shì)基波的幅值也會(huì)降低，從而影響了轉(zhuǎn)矩輸出能力。

為了保證容錯(cuò)型磁通切換電機(jī)的反電勢(shì)對(duì)稱度，同時(shí)不降低反電勢(shì)基波幅值和轉(zhuǎn)矩輸出能力，文獻(xiàn)[49]同時(shí)研究了分段轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖26，27所示。

圖26 轉(zhuǎn)子分段式多齒結(jié)構(gòu)永磁磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)[49]Fig.26 Multi?tooth FSPM motor with twisted rotor[49]

轉(zhuǎn)子分段式多齒容錯(cuò)永磁磁通切換電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）兩部分轉(zhuǎn)子的角度錯(cuò)開(kāi)180°電角度。

（2）同一定子齒上兩部分的永磁體勵(lì)磁方向相反。

采用以上結(jié)構(gòu)，任一電樞線圈的中兩部分反電勢(shì)相位相差180°，反電勢(shì)疊加后具有高正弦度，同時(shí) 基 波 疊 加 系 數(shù) 為1（-cos180°=1），如 圖27所示。

分段轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在6/19 多齒容錯(cuò)永磁磁通切換電機(jī)上應(yīng)用之后，文獻(xiàn)[50?52]將其推廣到其余永磁磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)中，建立了任意結(jié)構(gòu)磁通切換電機(jī)采用分段轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí)分段角的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，有益效果如下：

（1）使得任意結(jié)構(gòu)磁通切換電機(jī)無(wú)需繞組?！盎パa(bǔ)性”即可實(shí)現(xiàn)線圈的空載反電勢(shì)高正弦度和對(duì)稱性，豐富了磁通切換電機(jī)的定/轉(zhuǎn)子數(shù)組合。

（2）分段角的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以在保證空載反電勢(shì)高正弦度的前提下，同時(shí)減小定位力矩。

圖27 轉(zhuǎn)子分段式結(jié)構(gòu)Fig.27 Twisted rotor structure

2 容錯(cuò)電機(jī)的控制算法

當(dāng)電機(jī)發(fā)生開(kāi)路或短路故障時(shí)，故障相的缺失以及短路電流的影響都會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。必須調(diào)整剩余健康相電流的幅值和相位來(lái)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本節(jié)將從轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小的角度，對(duì)各種容錯(cuò)電機(jī)的容錯(cuò)控制算法進(jìn)行總結(jié)。

2.1 容錯(cuò)型開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制算法

文獻(xiàn)[53]研究了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)路及短路故障下的電流重構(gòu)算法，在圖28，29 中，通過(guò)建立電機(jī)相繞組電流ia、ib、ic與兩個(gè)特定電流傳感器（LEM1 和LEM2）的 輸 出 電 流iL1和iL2的 函 數(shù) 關(guān)系，求解不同狀態(tài)下ia、ib及ic的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩輸出。

圖28 電流傳感器放置方式[53]Fig.28 Arrangement of current sensor[53]

圖29 電樞繞組纏繞方式[53]Fig.29 Winding mode of armature winding[53]

2.2 容錯(cuò)型永磁同步電機(jī)控制算法

文獻(xiàn)[54]研究了“補(bǔ)償故障相的平均轉(zhuǎn)矩”的控制算法，當(dāng)?shù)趉 相故障時(shí)，健康相電流表達(dá)式為

式中：T*e為給定電磁轉(zhuǎn)矩；Pr為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)；ωr為電機(jī)同步機(jī)械角頻率。

上述控制算法在系統(tǒng)發(fā)生故障后僅補(bǔ)償了轉(zhuǎn)矩的平均量，并沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)量進(jìn)行抵消。若能夠?qū)收蠎B(tài)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,即對(duì)缺相不對(duì)稱脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和短路脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行相應(yīng)抵消，那么系統(tǒng)在故障態(tài)的輸出性能將進(jìn)一步提高，文獻(xiàn)[55]基于這一思路提出了最優(yōu)電流控制策略，不但補(bǔ)償故障相的平均轉(zhuǎn)矩，而且抵消故障態(tài)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)故障態(tài)下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化控制，其電流表達(dá)式如式（3）所示，從而使電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)容錯(cuò)的基礎(chǔ)上，提高故障態(tài)的輸出性能。

式中：T*e為給定電磁轉(zhuǎn)矩；a1指平均轉(zhuǎn)矩系數(shù)；a2為脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；θ(k)為不同故障組合時(shí)的綜合脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩相量的相角；Ts為短路相擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

2.3 容錯(cuò)型永磁雙凸極電機(jī)控制算法

Zhao 等率先開(kāi)展了永磁雙凸極電機(jī)容錯(cuò)控制算法的研究，基于合成電磁轉(zhuǎn)矩不變?cè)瓌t，推導(dǎo)了四相永磁雙凸極電機(jī)在A 相開(kāi)路時(shí)的健康相補(bǔ)償電流[56]

式中：ib、ic、id為健康運(yùn)行時(shí)的電機(jī)b～d 相的相電流；i'b、i'c、i'd為容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)的電機(jī)b～d 相的補(bǔ)償相電流。

電機(jī)健康運(yùn)行時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比為7.5 N·m 和96.4%（轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)實(shí)際值為7.23 N·m）；開(kāi)路故障后，平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比為5.74 N·m和131.7%；開(kāi)路故障后采用補(bǔ)償電流控制，平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比為7.1 N·m 和106.0%（轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)實(shí)際值為7.53 N·m）。電流重構(gòu)技術(shù)有效地減小了故障相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并獲得了與健康狀態(tài)相等的平均輸出轉(zhuǎn)矩。

雙凸極電機(jī)的空載反電勢(shì)并不是標(biāo)準(zhǔn)的120°方波，而是呈馬鞍形，忽略馬鞍形波形的諧波，雙凸極電機(jī)也是運(yùn)行在BLAC 模式。因此，文獻(xiàn)[57]進(jìn)一步研究了運(yùn)行在BLAC 模式下雙凸極電機(jī)的容錯(cuò)控制策略。

BLAC 模式下，電機(jī)相電流表達(dá)式為

開(kāi)路故障時(shí)，電機(jī)相電流表達(dá)式為

電機(jī)健康運(yùn)行時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比為2.94 N·m 和102.3%；開(kāi)路故障后采用式（2）補(bǔ)償電流控制，平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比為2.98 N·m 和93.5%。同樣，電流矢量重構(gòu)技術(shù)獲得了與健康狀態(tài)相等的平均輸出轉(zhuǎn)矩，并具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

2.4 容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)控制算法

由于具有繞組“互補(bǔ)性”優(yōu)勢(shì)，永磁磁通切換電機(jī)空載反電勢(shì)具有高正弦度，適合運(yùn)行在BLAC模式。

文獻(xiàn)[58]研究了三相FSPM 電機(jī)的開(kāi)路故障控制，BLAC 模式下，電機(jī)相電流表達(dá)式為

開(kāi)路故障時(shí)，電機(jī)相電流表達(dá)式如下

電機(jī)健康運(yùn)行和容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)平均轉(zhuǎn)矩分別為6.7 N·m 和6.6 N·m，轉(zhuǎn) 矩 脈 動(dòng) 分 別 為58.9% 和62.7%。

上述容錯(cuò)控制策略在三相FSPM 電機(jī)上實(shí)現(xiàn)以后，文獻(xiàn)[59]進(jìn)一步研究了其在六相FSPM 電機(jī)的應(yīng)用。

電機(jī)在單相開(kāi)路和兩相開(kāi)路情況下的重構(gòu)電流分別如式（8，9）所示。

當(dāng)六相12/10FSPM 工作在缺相狀態(tài)，繞組“互補(bǔ)性”優(yōu)勢(shì)失去，部分健康相繞組中的反電勢(shì)會(huì)出現(xiàn)一定幅值的低次諧波，基于此，文獻(xiàn)[60]進(jìn)一步研究了考慮諧波注入的容錯(cuò)控制策略，其重構(gòu)電流為

諧波電流的注入，進(jìn)一步減小了由諧波反電勢(shì)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了穩(wěn)態(tài)性能。

類比于基于電流重構(gòu)的矢量控制技術(shù)，基于電壓矢量重構(gòu)的直接轉(zhuǎn)矩控制也被廣泛提出，其核心思想：根據(jù)故障狀態(tài)，重新推導(dǎo)基本電壓矢量，確定其幅值和相角，并重新劃分定子扇區(qū)[61?62]。

文獻(xiàn)[62]研究了五相容錯(cuò)電機(jī)在A 相缺失時(shí)的電壓矢量重構(gòu)，如圖30 所示，一般地，重構(gòu)的電壓矢量長(zhǎng)度不再相等?？梢灾苯永脠D30（a）中的電壓矢量直接建立開(kāi)關(guān)狀態(tài)表對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，也可以利用上述基本矢量進(jìn)行空間電壓矢量合成，如圖30（b）所示，減小一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖30 A 相缺失時(shí)的電壓矢量重構(gòu)[62]Fig.30 Voltage vector reconstruction under phase A fault[62]

文獻(xiàn)[63]將預(yù)測(cè)控制與電壓矢量重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合，研究了磁通切換電機(jī)開(kāi)路故障下的模型電流預(yù)測(cè)控制算法，同時(shí)提高了轉(zhuǎn)矩控制的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，控制框圖如圖31 所示。

圖31 容錯(cuò)型磁通切換電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制[63]Fig.31 Model predictive controlled fault-tolerant flux switching motor[63]

基于電流矢量重構(gòu)技術(shù)的矢量控制和基于電壓矢量重構(gòu)技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制算法均可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)電機(jī)的故障補(bǔ)償，但是，后者不存在電流閉環(huán)控制，具有更優(yōu)秀的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。然而，對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制本身而言，仍然存在一個(gè)問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。由于直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速環(huán)采用的是PI 控制，轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)性能仍然受到該P(yáng)I 參數(shù)的影響。PI 控制器屬于線性控制，其特點(diǎn)如下[64?66]：

（1）PI 控制器的設(shè)計(jì)原則是使得轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差為零，并在較寬的帶寬范圍內(nèi)有足夠的相角裕度。

（2）PI 控制器的設(shè)計(jì)是基于頻域分析的方法，并不關(guān)注時(shí)域響應(yīng)的最優(yōu)效果。

（3）PI 控制器設(shè)計(jì)關(guān)注的是小信號(hào)模型的響應(yīng)，它不能保證大信號(hào)動(dòng)態(tài)性能的最優(yōu)。轉(zhuǎn)速環(huán)采用PI 控制，其典型的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速優(yōu)化曲線如圖32 所示。為解決直接轉(zhuǎn)矩控制算法中轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)性能受PI 參數(shù)影響的問(wèn)題，文獻(xiàn)[67]研究了永磁磁通切換電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化算法。對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制策略理論分析，其動(dòng)態(tài)過(guò)程的轉(zhuǎn)速性能受到PI 參數(shù)影響，不能達(dá)到快速收斂。針對(duì)在負(fù)載變化前后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不發(fā)生變化，結(jié)合電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩沖量，從而精確求得逆變器發(fā)送前進(jìn)矢量和后退矢量的時(shí)間，使得負(fù)載突變后轉(zhuǎn)速只經(jīng)過(guò)一次調(diào)節(jié)過(guò)程即可收斂，轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)紋波最小，轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間最短，如圖33 所示。

圖32 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速優(yōu)化曲線（PI 控制）[67]Fig.32 Optimization of torque and speed(PI control)[67]

文獻(xiàn)[68?69]研究了單相開(kāi)路情況下6/19 永磁磁通切換容錯(cuò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩沖量平衡控制策略，在電壓矢量重構(gòu)的前提下，推導(dǎo)了開(kāi)路狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩沖量平衡控制的計(jì)算方程，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)路狀態(tài)下轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)性能的最優(yōu)化。

進(jìn)一步，文獻(xiàn)[70]實(shí)現(xiàn)了磁通切換電機(jī)單相及多相開(kāi)路情況下轉(zhuǎn)矩沖量平衡控制策略研究，重點(diǎn)分析了不同開(kāi)路故障下重構(gòu)電壓矢量的差異對(duì)沖量平衡控制策略控制下動(dòng)態(tài)性能的影響。

文獻(xiàn)[71]實(shí)現(xiàn)了短路故障下容錯(cuò)型磁通切換電機(jī)的轉(zhuǎn)矩沖量平衡控制，如圖34 所示，采用前饋控制（DTC with feed forward control，F(xiàn)DTC），考慮了短路相擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響，修改了短路狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩沖量平衡控制的計(jì)算方程，實(shí)現(xiàn)了短路狀態(tài)下轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)性能的最優(yōu)化。轉(zhuǎn)矩沖量平衡控制能使電機(jī)達(dá)到最優(yōu)動(dòng)態(tài)性能，然而，轉(zhuǎn)矩沖量平衡控制與直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct torque control, DTC)之間的常規(guī)切換模式導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩仍然需要DTC 的重新調(diào)節(jié)才能收斂。文獻(xiàn)[72]提出兩種優(yōu)化切換策略修正控制算法切換瞬間DTC 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器或者電壓空間矢量選擇表的輸入，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的快速收斂，減小二次調(diào)節(jié)時(shí)間。對(duì)本節(jié)中容錯(cuò)算法的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了總結(jié)，如表1 所示。

圖33 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩角和轉(zhuǎn)速優(yōu)化曲線（負(fù)載突變）[67]Fig.33 Optimization of the torque, torque angle and speed(load sudden change)[67]

圖34 短路故障下永磁磁通切換電機(jī)轉(zhuǎn)矩沖量平衡控制框圖[71]Fig.34 FDTC system with torque integral balance control method (IB-FDTC)[71]

表1 容錯(cuò)電機(jī)控制算法優(yōu)化目標(biāo)Table 1 Optimization objectives of control schemes for fault?tolerant machines

3 仿真及實(shí)驗(yàn)

3.1 電磁性能比較

綜合比較容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)（拓?fù)?）、6/10 容錯(cuò)型FSPM 電機(jī)（拓?fù)?）、6/14 容錯(cuò)型FSPM電機(jī)（拓?fù)?）、6/7“E?core”容錯(cuò)型FSPM 電機(jī)（拓?fù)?）、加極靴6/7“E?core”容錯(cuò)型FSPM（拓?fù)?）、6/19 轉(zhuǎn)子分段式多齒容錯(cuò)型FSPM 電機(jī)（拓?fù)?）的電磁性能，為其進(jìn)一步的優(yōu)化和應(yīng)用提供理論依據(jù)依據(jù)。

圖35（a）給出了容錯(cuò)型轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)。在傳統(tǒng)12/10FSPM 電機(jī)的基礎(chǔ)上所提出的6/10 容錯(cuò)型FSPM 電機(jī)，其永磁體用量是12/10FSPM 電機(jī)的一半，在不填充永磁體的容錯(cuò)齒上，嵌入高磁阻的材料來(lái)提高各電樞線圈之間的磁隔離能力，如圖35（b）所示。為了提高12/10FSPM 容錯(cuò)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力，并減小定位力矩，同時(shí)比較研究了6/14容錯(cuò)型FSPM 電機(jī)，如圖35（c）所示。圖35（d）為6/7“E?core”容錯(cuò)型FSPM 電機(jī)，其主要目的是在減少6/10FSPM 電機(jī)永磁體用量的基礎(chǔ)上，同時(shí)提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，而該電機(jī)“E”型鐵芯的中間齒的存在使得各繞組具有一定的磁隔離能力。為進(jìn)一步提高電機(jī)的短路電流抑制能力和磁隔離能力，將轉(zhuǎn)子永磁型容錯(cuò)電機(jī)拓?fù)渲械亩ㄗ育X極靴設(shè)計(jì)應(yīng)用到6/7“E?core”容錯(cuò)型FSPM 電機(jī)，如圖35（e）所示。圖35（f）為6/19 轉(zhuǎn)子分段式多齒容錯(cuò)型FSPM 電機(jī)。

容錯(cuò)型永磁電機(jī)拓?fù)鋷缀纬叽鐦?biāo)識(shí)和具體電機(jī)參數(shù)分別如圖36 和表2 所示。圖37 給出了容錯(cuò)型永磁電機(jī)永磁磁鏈波形，從圖36 中可以看出，拓?fù)? 和容錯(cuò)拓?fù)? 的磁鏈具有較高的對(duì)稱度，拓?fù)?～5 由于沒(méi)有繞組互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，磁鏈波形在0～90°和90°～180°以及180°～270°和270°～360°分別存在差異。圖38 給出了容錯(cuò)型永磁電機(jī)永磁磁鏈波形的幅值，從圖38 中可以看出，對(duì)于磁通切換拓?fù)?，拓?fù)? 具有最高的磁鏈幅值0.040 5 Wb，拓?fù)? 在拓?fù)? 的基礎(chǔ)上，加入了定子齒極靴設(shè)計(jì)，其永磁磁鏈幅值降低為0.039 Wb。

圖39 給出了容錯(cuò)型永磁電機(jī)定位力矩，其峰?峰值比較如圖40 所示。從圖40 可以看出，拓?fù)湟欢ㄎ涣胤?峰值為0.8 N·m，拓?fù)? 的定位力矩最大，峰?峰值為5.6 N·m，拓?fù)? 的定位力矩峰?峰值為1 N·m。

圖35 容錯(cuò)型永磁電機(jī)拓?fù)銯ig.35 Topologies of fault tolerant permanent magnet mo?tor

圖36 容錯(cuò)型永磁電機(jī)拓?fù)鋷缀纬叽鐦?biāo)識(shí)Fig.36 Dimensions of fault?tolerant permanent magnet mo?tors

表2 容錯(cuò)型永磁電機(jī)拓?fù)潆姍C(jī)參數(shù)Table 2 Parameters of fault?tolerant permanent magnet motor

容錯(cuò)型永磁電機(jī)自感和互感波形如圖41 所示，自感平均值如圖42 所示，互感平均值如圖43所示，互感與自感比值如圖44 所示。從圖中可以看出，拓?fù)? 的極靴設(shè)計(jì)增加了電機(jī)的電感值。對(duì)于容錯(cuò)型磁通切換電機(jī)，拓?fù)? 具有最高的自感平均值（2.9 mH），拓?fù)? 在拓?fù)? 的基礎(chǔ)上，引入了極靴的設(shè)計(jì)，增加了電機(jī)的自感值（1.25 mH 增加到2.45 mH），但這是以增加漏感、減低轉(zhuǎn)矩密度為代價(jià)的。拓?fù)? 是從增加電樞繞組主磁路結(jié)構(gòu)的磁導(dǎo)入手，提高電樞電感中的自感分量，電機(jī)保持了相對(duì)高的轉(zhuǎn)矩密度。

圖37 容錯(cuò)型永磁電機(jī)永磁磁鏈Fig.37 PM flux linkage of fault tolerant permanent magnet motors

圖38 容錯(cuò)型永磁電機(jī)永磁磁鏈幅值Fig.38 Magnitude of PM flux linkage of fault tolerant per?manent magnet motors

圖39 容錯(cuò)型永磁電機(jī)定位力矩Fig.39 Cogging torque of fault tolerant permanent mag?net motors

圖40 容錯(cuò)型永磁電機(jī)定位力矩峰-峰值Fig.40 Peak to peak cogging force of fault-tolerant perma?nent magnet motor

圖41 容錯(cuò)型永磁電機(jī)自感和互感Fig.41 Self-inductance and mutual inductance of fault-toler?ant permanent magnet motors

圖42 容錯(cuò)型永磁電機(jī)自感平均值Fig.42 Average self-inductance of fault-tolerant permanent magnet motor

對(duì)于互感，拓?fù)?～3 具有相對(duì)較小的互感，對(duì)于容錯(cuò)型磁通切換電機(jī)，拓?fù)? 和拓?fù)? 比其他3種拓?fù)渚哂邢鄬?duì)較小的互感值，主要是因?yàn)槿蒎e(cuò)齒上存在著高磁阻的隔磁材料。就減小互感值來(lái)看，容錯(cuò)齒加入隔磁材料（拓?fù)? 和拓?fù)?）比加入導(dǎo)磁磁料（拓?fù)?、拓?fù)? 及拓?fù)?）的隔磁能力更強(qiáng)。

圖43 容錯(cuò)型永磁電機(jī)互感平均值Fig.43 Average mutual inductance of fault-tolerant perma?nent magnet motor

圖44 容錯(cuò)型永磁電機(jī)互感/自感比值Fig.44 Mutual inductance/self-inductance ratio of fault-tol?erant permanent magnet motor

從圖44 可以看出，在互感與自感比值這一指標(biāo)上，拓?fù)? 要遜色于拓?fù)?～3。拓?fù)? 相對(duì)于拓?fù)? 降低了轉(zhuǎn)矩密度，但是從互感與自感比這一指標(biāo)上來(lái)看是值得的，互感與自感比由31%降低到12.5%。

圖45 給出了容錯(cuò)型永磁電機(jī)永磁磁鏈與電樞電感比值，該比值決定了電機(jī)的短路電流抑制能力，從圖45 中可以看出，拓?fù)? 短路電流抑制能力最強(qiáng)，其永磁磁鏈與電樞電感比值為6.7 A，短路電流實(shí)驗(yàn)值為6.2 A。

圖45 容錯(cuò)型永磁電機(jī)永磁磁鏈/電樞電感比值Fig.45 Ratio of PM flux linkage to armature inductance of fault-tolerant permanent magnet motor

對(duì)于永磁電機(jī)而言，永磁磁鏈與電樞電感比值將決定電機(jī)的恒功率區(qū)域運(yùn)行能力。容錯(cuò)型永磁電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)短路電流抑制能力，其永磁磁鏈與電樞電感比值一般要求小于額定電流幅值，這樣一來(lái)，容錯(cuò)型永磁電機(jī)在減小短路電流的同時(shí)，客觀上也提高了電機(jī)的恒功率區(qū)域運(yùn)行能力，圖46 給出了電機(jī)在相同基速時(shí)（調(diào)節(jié)母線電壓使得在基速相同）的轉(zhuǎn)矩?轉(zhuǎn)速特性。從圖46 中可以看出，拓?fù)? 具有最強(qiáng)的恒功率區(qū)域運(yùn)行能力，拓?fù)? 在拓?fù)? 的基礎(chǔ)上加入了增加電感數(shù)值的極靴設(shè)計(jì)，很大程度的提高了電機(jī)的恒功率區(qū)域運(yùn)行能力。各種容錯(cuò)型永磁電機(jī)恒功率區(qū)域運(yùn)行能力大小與前文永磁磁鏈與電樞電感比值大小排列是一致的。

圖46 容錯(cuò)型永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性Fig.46 Torque-speed characteristics of the fault-tolerant permanent magnet motor

圖47 給出了容錯(cuò)電機(jī)在健康運(yùn)行和單相短路運(yùn)行時(shí)的效率?？梢钥闯觯糠N拓?fù)鋯蜗喽搪愤\(yùn)行的效率均要低于其健康運(yùn)行時(shí)的效率，這主要是由于短路電流的存在以及在健康相中需要另外注入特定的電流來(lái)抑制短路電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。拓?fù)? 具有相對(duì)較高的效率，健康運(yùn)行和單相短路運(yùn)行時(shí)的效率分別為92%和88%。

圖47 容錯(cuò)電機(jī)效率Fig.47 Efficiency of fault-tolerant machines

綜上所述，由于容錯(cuò)型永磁電機(jī)在保證電機(jī)高可靠性、高效率、高轉(zhuǎn)矩密度的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了永磁電機(jī)的恒功率區(qū)域運(yùn)行能力，在混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中也具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

3.2 容錯(cuò)控制算法

容錯(cuò)型多齒永磁磁通切換電機(jī)樣機(jī)如圖48 所示。電機(jī)由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)六相均開(kāi)路，圖49 為空載反電勢(shì)波形。從圖49（b）中可以看出，采用轉(zhuǎn)子分段式結(jié)構(gòu)，電機(jī)繞組的反電勢(shì)具有高度的對(duì)稱性和正弦性，這與前文理論分析和仿真結(jié)果相一致。

圖48 容錯(cuò)型多齒永磁磁通切換電機(jī)Fig.48 Fault tolerant multi?tooth FSPM motor

圖49 空載反電勢(shì)（六相開(kāi)路）[49]Fig.49 No?load back?EMF(six phases open?circuit)[49]

電機(jī)B 相短路的空載反電勢(shì)波形如圖50 所示。從圖50（b）中可以看出，在B 相短路的條件下，其相鄰相A 相和C 相的反電勢(shì)與圖49（b）相比，波形幅值和形狀無(wú)明顯變化，電機(jī)具有良好的磁隔離能力和模塊性。

圖51 給出了電機(jī)短路電流波形。在100 r/min時(shí)，短路電流幅值為6.2 A，在1 600 r/min 時(shí)，短路電流幅值為6.5 A，均小于電機(jī)的額定電流（8.6 A），電機(jī)具有良好的短路電流抑制能力。

FDTC 及TIB?FDTC 算法比較中參數(shù)設(shè)置如下：

圖50 空載反電勢(shì)（一相短路）[49]Fig.50 No?load back?EMF(one phase short?circuit)[49]

圖51 短路電流[49]Fig.51 Short?circuit current[49]

調(diào)節(jié)時(shí)間ts：轉(zhuǎn)速響應(yīng)達(dá)到目標(biāo)值并且誤差穩(wěn)定在目標(biāo)值的2%以內(nèi)所需要的最短時(shí)間。

峰值時(shí)間tp：轉(zhuǎn)速響應(yīng)達(dá)到目標(biāo)值后達(dá)到第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間。

轉(zhuǎn)速跌落Δn：轉(zhuǎn)速響應(yīng)跌落的最大值。

超調(diào)比值σ：σ=(n(tp)-n(∞))/n(∞)×100%，n(∞) 為轉(zhuǎn)速最終值，n(tp)為轉(zhuǎn)速響應(yīng)的動(dòng)態(tài)峰值。

調(diào)節(jié)次數(shù)Z：動(dòng)態(tài)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速響應(yīng)的瞬時(shí)值等于n(∞)的次數(shù)。

圖52（a）給出了DTC 控制下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電磁轉(zhuǎn)矩的頻譜分析如圖52（b）所示。圖52（c）給出了FDTC 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電磁轉(zhuǎn)矩的頻譜分析如圖52（d）所示。

FDTC 算法的目的是引入前饋控制，減小DTC 算法在短路故障時(shí)由短路電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，主要對(duì)比其穩(wěn)態(tài)特性。從圖52（b）和圖52（d）中可以看出，采用FDTC，由Ts引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以得到有效的抑制。圖52（a）中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值為2.4 N·m，而52（c）中，轉(zhuǎn) 矩 脈 動(dòng) 的 幅 值 僅 為1.2 N·m。

TIB?FDTC 是為了解決FDTC 算法中轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)性能受轉(zhuǎn)速環(huán)PI 控制器的影響問(wèn)題，主要對(duì)比兩者的動(dòng)態(tài)性能。圖53 給出了FDTC 的動(dòng)態(tài)性能（P=8, I=0.006;P=6.8, I=0.000 4）。

圖52 DTC 與FDTC 實(shí)驗(yàn)結(jié)果[71]Fig.52 Experimental results for DTC and FDTC[71]

圖53（a）是典型的PI 控制下的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速波形，轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)多次調(diào)節(jié)過(guò)程才能收斂，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間為350 ms。

對(duì)于FDTC 控制系統(tǒng)，采用時(shí)域分析法對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)PI 參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，圖53 中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速波形僅僅存在一次超調(diào)過(guò)程，且轉(zhuǎn)速收斂時(shí)間為105 ms。

圖53 也給出了TIB?FDTC 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，動(dòng)態(tài)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速的收斂時(shí)間為80 ms，且轉(zhuǎn)速不存在超調(diào)。

FDTC 和TIB?FDTC 的動(dòng)態(tài)性能比較如表3所示，根據(jù)表3 中的比較可以看出，與理論分析相一致，TIB?FDTC 算法可以使得轉(zhuǎn)速收斂時(shí)間最短且不存在超調(diào)。

4 容錯(cuò)電機(jī)的研究展望與應(yīng)用拓展

4.1 兼顧容錯(cuò)能力、轉(zhuǎn)矩輸出和過(guò)載能力的容錯(cuò)電機(jī)統(tǒng)一設(shè)計(jì)

容錯(cuò)型電機(jī)具有電感大和短路電流抑制能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而電感大則意味著電樞繞組磁路的磁導(dǎo)相對(duì)較大，所以這一類電機(jī)更容易飽和，導(dǎo)致過(guò)載能力一般。例如,從文獻(xiàn)[47?48]比較得出，與12/10FSPM 相比，6/19FSPM 電機(jī)采用多齒結(jié)構(gòu)，提高了反電勢(shì)系數(shù)和氣隙磁導(dǎo)，即提高了電機(jī)在額定電流范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩輸出能力以及短路電流抑制能力，然而，較大的氣隙磁將導(dǎo)致電樞反應(yīng)嚴(yán)重，隨著電流增加，電機(jī)飽和加速，6/19FSPM 電機(jī)的過(guò)載能力要遜色于12/10FSPM 電機(jī)。因此，研究并建立兼顧容錯(cuò)能力、轉(zhuǎn)矩輸出和過(guò)載能力的容錯(cuò)電機(jī)統(tǒng)一設(shè)計(jì)理論十分必要：（1）客觀梳理出各種容錯(cuò)電機(jī)拓?fù)湓谌蒎e(cuò)能力、額定轉(zhuǎn)矩和過(guò)載能力之間的折衷范圍；（2）指導(dǎo)建立新型電機(jī)結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)理論與方法；（3）針對(duì)特定容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合和具體容錯(cuò)指標(biāo)，使用統(tǒng)一設(shè)計(jì)理論可以快速、高效地指導(dǎo)容錯(cuò)電機(jī)拓?fù)涞倪x型和參數(shù)設(shè)計(jì)。

圖53 FDTC 與TIB-FDTC 實(shí)驗(yàn)結(jié)果[71]Fig.53 Experimental results for FDTC and TIB-FDTC[71]

表3 不同控制算法控制性能表Table 3 Comparison of different strategies

4.2 容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法與理論與新型電機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)合

近些年，磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)、定子分區(qū)式電機(jī)、記憶電機(jī)等新型電機(jī)的關(guān)注和研究逐年提升，其中：

（1）磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)基于磁齒輪的場(chǎng)調(diào)制原理，將轉(zhuǎn)速較低的永磁磁場(chǎng)調(diào)制成轉(zhuǎn)速較高的定子氣隙磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了“自增速”效果，提高了空載反電勢(shì)幅值和轉(zhuǎn)矩密度，特別適合運(yùn)行在直驅(qū)場(chǎng)合。

（2）由于永磁體和電樞繞組均置于唯一的定子上，傳統(tǒng)定子勵(lì)磁型電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度受到了限制[73?75]。文獻(xiàn)[76]提出具有更高轉(zhuǎn)矩密度的新型定子分區(qū)式混合勵(lì)磁電機(jī)。勵(lì)磁源（永磁體、勵(lì)磁繞組）和電樞繞組被分別置于兩個(gè)定子區(qū)域，而轉(zhuǎn)子由調(diào)制塊組成，電機(jī)利用率和轉(zhuǎn)矩密度提高顯著?；诜謪^(qū)思想，種類繁多的定子分區(qū)式電機(jī)被提出[77?82]:圖54（a）為 經(jīng) 典 的12/10 永 磁 磁 通 切 換 電機(jī)，圖54（b）為其所對(duì)應(yīng)的12/10 定子分區(qū)式永磁磁通切換電機(jī)，可以看出，后者充分利用了原型電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)部空間，釋放了原型電機(jī)的定子空間，從而在相同的電樞銅耗下，可以提高電機(jī)的電樞安匝。文獻(xiàn)[75]通過(guò)比較指出，在相同的電機(jī)體積和銅耗下，定子分區(qū)式電機(jī)可以比原型電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度提高17%左右。

圖54 12/10 永磁磁通切換電機(jī)[71]Fig.54 12/10 FSPM motor[71]

同理，圖55（a）為6/10 E?core 容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)，圖55（b）為其所對(duì)應(yīng)的6/10 E?core 容錯(cuò)型永磁磁通切換電機(jī)。后者在具有強(qiáng)容錯(cuò)能力的同時(shí)，又顯著地提高了轉(zhuǎn)矩密度。

（3）記憶電機(jī)繼承了混合勵(lì)磁電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍寬的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步改進(jìn)了混合勵(lì)磁機(jī)理[41,83]，改變了永磁體和勵(lì)磁繞組的工作模式和“合作關(guān)系”，可以使得穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁繞組銅耗為零，提高了電機(jī)的效率和功率密度[84]。

典型的單定子記憶電機(jī)和雙定子記憶電機(jī)如圖56 所示[84]。勵(lì)磁繞組在實(shí)現(xiàn)永磁體的剩磁改變以后，即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，勵(lì)磁電流為零，減小了勵(lì)磁損耗，提高了電機(jī)效率。

圖55 6/10 永磁磁通切換電機(jī)[84]Fig.55 6/10 FSPM motor[84]

圖56 記憶電機(jī)[84]Fig.56 Memory motor[84]

上述兩種記憶電機(jī)在相鄰兩相之間加入容錯(cuò)齒或者采用非交疊集中式繞組結(jié)構(gòu)分別可以得到6 相或者3 相容錯(cuò)型記憶電機(jī)。

在研究經(jīng)典的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)、永磁雙凸極電機(jī)和永磁磁通切換電機(jī)的容錯(cuò)拓?fù)渲兴纬傻脑O(shè)計(jì)方法與理論可以應(yīng)用到以上3 種新型結(jié)構(gòu)中，根據(jù)新型電機(jī)特有的結(jié)構(gòu)與磁路進(jìn)行“創(chuàng)新型移植”，不經(jīng)可以豐富電力作動(dòng)系統(tǒng)用容錯(cuò)電機(jī)的拓?fù)溥x擇，而且可以提升新型電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電、混合動(dòng)力汽車以及船舶驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)的可靠性和容錯(cuò)性能。

4.3 容錯(cuò)型航空發(fā)電機(jī)拓?fù)渑c設(shè)計(jì)理論

多電飛機(jī)技術(shù)可以極大地提高飛機(jī)的可靠性、維修性和地面保障能力，多電飛機(jī)電源系統(tǒng)由主電源、應(yīng)急電源和二次電源3 部分組成，主電源由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)和保護(hù)裝置等組成。當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)系統(tǒng)將作為應(yīng)急電源。不管是主發(fā)電機(jī)還是應(yīng)急發(fā)電機(jī)，都應(yīng)具備較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。雖然電力作動(dòng)器用容錯(cuò)電機(jī)一般工作在電動(dòng)狀態(tài)，但是其容錯(cuò)設(shè)計(jì)理論和方法是可以給航空容錯(cuò)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)提供借鑒。需要注意的是，除了以上兼顧容錯(cuò)能力、轉(zhuǎn)矩輸出和過(guò)載能力的容錯(cuò)電機(jī)統(tǒng)一設(shè)計(jì)思想，特別地，對(duì)于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，還必須重點(diǎn)考慮以下3 點(diǎn)：（1）寬轉(zhuǎn)速范圍下的電壓調(diào)節(jié)能力；（2）寬轉(zhuǎn)速范圍下的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)范圍；（3）故障狀態(tài)下的不間斷供電能力。

4.4 高動(dòng)態(tài)性能控制方法

基于電流矢量重構(gòu)的矢量控制技術(shù)和基于電壓矢量重構(gòu)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于容錯(cuò)電機(jī)的故障狀態(tài)的控制系統(tǒng)中，可以補(bǔ)償平均轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速控制器采用的都是PI 控制器。與PI 控制器相比，PID 控制器一定程度上提高了被控量的動(dòng)態(tài)性能，但是動(dòng)態(tài)性能很難做到最優(yōu)[32]。不管是PI 控制器還是PID 控制器，都屬于線性控制，其特點(diǎn)如下：（1）線性控制器的設(shè)計(jì)原則是使得轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差為零，并在較寬的帶寬范圍內(nèi)有足夠的相角裕度；（2）線性控制器的設(shè)計(jì)是基于頻域分析的方法，并不關(guān)注時(shí)域響應(yīng)的最優(yōu)效果。

因此，研究新型的高動(dòng)態(tài)性能控制算法，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制量（轉(zhuǎn)速）的最優(yōu)動(dòng)態(tài)性能具有十分重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。同時(shí)，研究傳統(tǒng)PI 控制器（穩(wěn)態(tài)）與高動(dòng)態(tài)性能控制器（動(dòng)態(tài)）的平滑切換也是必然趨勢(shì)。

5 結(jié) 論

原始結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)、定子永磁式電機(jī)通過(guò)繞組結(jié)構(gòu)與磁路的改進(jìn)，可以得到相對(duì)應(yīng)的容錯(cuò)電機(jī)，適合在多電飛機(jī)電力作動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。本文從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略兩方面對(duì)容錯(cuò)電機(jī)的研究現(xiàn)狀與最新進(jìn)展進(jìn)行了分析與歸納，總結(jié)出如下兩方面結(jié)論。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面：

（1）容錯(cuò)電機(jī)系統(tǒng)的電氣隔離能力可以通過(guò)每相繞組采用一套獨(dú)立的“H”橋變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）容錯(cuò)電機(jī)系統(tǒng)的物理隔離能力和熱隔離能力可以通過(guò)采用非交疊集中式繞組來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般地，與交疊集中式繞組相比，采用非交疊集中式繞組后，電機(jī)的電感值增加，電樞反應(yīng)增強(qiáng)，電樞磁場(chǎng)的磁路更容易飽和，所以電機(jī)的過(guò)載能力有所下降。

（3）對(duì)于容錯(cuò)電機(jī)的磁隔離能力，半周期工作的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)由于特殊的工作原理和磁路結(jié)構(gòu)，其本省即具有較小的互感值；而對(duì)于永磁類電機(jī)，則需要采用非交疊集中式繞組結(jié)構(gòu)，同時(shí)，容錯(cuò)齒（隔磁齒）的結(jié)構(gòu)對(duì)磁隔離能力影響很大，在容錯(cuò)齒（鐵磁材料，高磁導(dǎo)）中設(shè)置高磁阻的磁障（空氣、永磁體或者不銹鋼），變“導(dǎo)”為“阻”，可以進(jìn)一步提高磁隔離能力。

值得一提的是，在容錯(cuò)齒（鐵磁材料，高磁導(dǎo)）中設(shè)置空氣磁障提高了容錯(cuò)電機(jī)的模塊性，極大程度地降低了電機(jī)的加工難度。

（4）短路電流抑制能力除了受到采用繞組結(jié)構(gòu)的影響之外，還重點(diǎn)受到電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)的影響，主要表現(xiàn)如下：

①轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)中的表貼式永磁同步電機(jī)中，電樞磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)式串聯(lián)關(guān)系，所以，在采用非交疊集中式繞組的前提下，還必須通過(guò)定子極靴、槽口漏感設(shè)計(jì)來(lái)增加漏感。漏感的增加使得轉(zhuǎn)矩密度有所降低。轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)中的嵌入式永磁同步電機(jī)、永磁同步磁阻電機(jī)電樞磁場(chǎng)的磁路對(duì)永磁體影響小，可以不增加漏感來(lái)抑制短路電流。

②定子永磁式電機(jī)中的永磁雙凸極電機(jī)、永磁磁通切換電機(jī)除了永磁體工作安全、退磁風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn)之外，電樞磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)式并聯(lián)關(guān)系，所以，直接采用非交疊集中式繞組、不增加漏感即可提高抑制短路電流能力，在提高容錯(cuò)能力的同時(shí)，可以保持較高的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

③容錯(cuò)型定子永磁式電機(jī)存在著定子勵(lì)磁源集中、磁路易于飽和的缺點(diǎn)，容錯(cuò)型磁齒輪雙邊電機(jī)可以保證電機(jī)容錯(cuò)能力的同時(shí)，充分利用電機(jī)空間，進(jìn)一步提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

控制策略方面：

（1）當(dāng)容錯(cuò)電機(jī)工作在開(kāi)路狀態(tài)，可以采用基于電流矢量重構(gòu)的矢量控制算法來(lái)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高穩(wěn)態(tài)性能。其核心思想的重構(gòu)后的電流綜合矢量與健康運(yùn)行時(shí)相同。短路運(yùn)行時(shí)，在電流矢量重構(gòu)時(shí)考慮短路電流產(chǎn)生的擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩即可。

（2）基于電壓矢量重構(gòu)的直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)重新推導(dǎo)開(kāi)關(guān)電壓矢量并建立定子磁鏈分區(qū)，同樣可以快速地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩跟蹤并解決開(kāi)路相的干擾問(wèn)題。短路運(yùn)行時(shí)，將短路電流產(chǎn)生的擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩通過(guò)前饋控制思想引入到給定轉(zhuǎn)矩中即可。

（3）與基于電流矢量重構(gòu)的矢量控制算法相比，基于電壓矢量重構(gòu)的直接轉(zhuǎn)矩控制可以在一定程度上提高轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)性能，但是兩種算法中轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)性能都受到轉(zhuǎn)速環(huán)PI 參數(shù)的影響。

（4）在健康狀態(tài)和故障狀態(tài)下，采用轉(zhuǎn)矩沖量平衡控制，使得電磁轉(zhuǎn)矩按照最優(yōu)軌跡變化，轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)一次調(diào)節(jié)過(guò)程即可收斂，沒(méi)有超調(diào)，動(dòng)態(tài)時(shí)間最短。