航空用高可靠永磁容錯電機及其驅動系統的研究現狀與發(fā)展

蔣雪峰, 黃文新, 李 潔, 王紹帥, 徐 波

(1．南京理工大學 自動化學院, 南京 210094;2.南京航空航天大學 自動化學院, 南京 210016)

0 引 言

近年來，隨著飛機電氣化的快速發(fā)展，多電飛機已成為國內外航空領域研究的熱點[1-5]。目前多電飛機主要有美國F-22和F-35戰(zhàn)斗機，空客A380和波音B787，分別代表軍、民航空領域最先進技術[1-5]。據報道，未來10年全球民用飛機總值將達2萬億美元，而國務院發(fā)布的《中國制造2025》中，指出力爭到2025年，我國實現超2000億的民用飛機產業(yè)營收[4]。由此可見，飛機的發(fā)展在我國進入了一個飛速發(fā)展的階段。

對于當前前沿的多電飛機，其特征是將傳統飛機上的部分氣壓、液壓傳動系統替換成電作動系統，從而可以大大減輕飛機重量，減少燃料的使用，節(jié)省運行成本，使多電飛機具有體積小，重量輕，能源消耗少等優(yōu)點，顯著提高了飛機的可維護性和可靠性等[1-3]。圖1顯示了傳統飛機逐漸向多電飛機過渡的能源系統結構分布圖，圖中可以看出傳統飛機主要包括四種二次能源系統即機械系統、液壓系統、氣動系統和電氣系統，由于存在多種能源共存，使得飛機內部結構臃腫、發(fā)動機附件復雜和安裝空間緊張，檢修維護變得困難，且存在氣壓能和液壓能發(fā)生泄露等危險，將會造成飛機可靠性差、故障率高以及降低飛機運行性能等問題。

圖1 傳統飛機向多電飛機過渡的能源系統結構分布

因此在傳統飛機的起落架控制系統、環(huán)境控制系統、舵面控制系統、燃油泵系統以及機翼除冰等系統的液壓和氣壓部分都逐漸被電作動系統替代，發(fā)揮了重要作用。其中航空法規(guī)中就有規(guī)定：在飛機飛行過程中，發(fā)生的電氣故障不應該導致飛機飛行停擺或者推進力控制的損失，即在關鍵部件中任意單一電氣故障都不應該引起系統額定轉矩或額定輸出功率的減少[5-9]。因此，用于多電飛機的電機驅動系統，除了要滿足飛機的基本性能要求，還需要驅動系統具備故障情況下的高容錯性和高可靠性，從而保障飛機的穩(wěn)定和安全，為了實現這一目標就必然會采用到容錯電驅動系統。

經過幾十年的發(fā)展，目前國內外比較成熟的容錯電驅動系統主要包括永磁容錯電機容錯驅動系統、開關磁阻電機容錯驅動系統和雙余度電機容錯驅動系統[4-8]。通過對這三種驅動系統的比較可以發(fā)現永磁容錯電機容錯驅動系統與雙余度電機容錯驅動系統相比，它具有更強的容錯能力，與開關磁阻電機容錯驅動系統相比，它具有更穩(wěn)定的輸出性能，所以永磁容錯電機容錯驅動系統在航空航天等領域得到了廣泛研究和高度關注，也是目前來說極具前景的一種容錯電驅動系統[2-3,5-9]。因此，本文主要針對永磁容錯電機及其容錯驅動系統進行詳細分析與研究。

本文首先針對當前研究較多、關注較高、極具前景的永磁容錯電機及其驅動系統，詳細介紹了現有永磁容錯電機及其驅動系統的研究現狀，然后對永磁容錯電機驅動系統容錯控制策略的研究現狀進行了介紹與分析，最后對現有常見的各種航空用永磁容錯電機驅動系統進行了綜合性能的對比分析。并對航空用高可靠永磁容錯電機及其驅動系統未來的發(fā)展進行了討論與展望。

1 永磁容錯電機及驅動系統的研究現狀

近年來，由于永磁容錯電機及其驅動系統的高可靠性和強容錯性，得到了越來越多的關注，具有巨大的發(fā)展前景。其中三相、四相、五相、六相永磁容錯電機及其驅動系統得到了廣泛研究，同時，也有不少學者對雙繞組、三通道三相永磁容錯電機及其驅動系統、冗余式磁通切換永磁電機及其驅動系統、三通道三相永磁輔助式同步磁阻電機及其驅動系統等進行了研究[5-20]。

1.1 三相永磁容錯電機及其驅動系統

圖2為應用于飛機舵面電作動系統中的三相永磁容錯電機及其驅動系統圖[5]，該永磁容錯電機的結構是十二槽十極，電樞繞組采用的繞制方式是集中式隔齒繞制，并由A、B、C三相繞組組成，每相繞組由一套H橋逆變器電路驅動和一個獨立的供電電源供電，因此需要三套H橋逆變器和三個獨立供電電源，磁隔離和抑制短路電流是該電機的優(yōu)點。由于歐洲空客公司的A380飛機機翼只提供三個交流供電電源，因此剛好適用于該驅動系統，同時更多的獨立電源與驅動逆變器也會帶來飛機的空間和體積增加、硬件成本變高以及系統控制復雜化等問題。一方面該容錯電機和驅動系統具有較好的控制性能，電機能提供3.4 Nm的力矩和10000 r/min的轉速，通過變速器可以精確控制飛機后緣襟翼的狀態(tài)，實現飛機的穩(wěn)定飛行。另一方面，在電機發(fā)生一相繞組故障的情況下，該容錯電機和驅動系統能夠通過剩余兩相保證系統正常運轉，展現了該電機良好的容錯性能[5-9]。

1.2 四相永磁容錯電機及其驅動系統

飛機燃油泵系統主要是按飛機發(fā)動機所要求壓力和流量向發(fā)動機持續(xù)不間斷地供油，飛機電驅動燃油泵系統是用于代替當前傳統的飛機液壓燃油泵系統，這樣便于節(jié)省空間、增加效率、提高可靠性和降低維護性。飛機電驅動燃油泵系統常采用的電機是一種四相永磁容錯電機，如圖3所示。

圖3 飛機燃油泵用四相永磁容錯電機

該四相永磁容錯電機采用的是八槽六極的結構，電機定子采用的是集中式隔齒繞制繞組，有四相繞組，每相繞組采用一套H橋逆變器電路驅動，每個H橋驅動電路由一個獨立的供電電源供電[9]。該類容錯電機最高轉速可達20000 r/min，最大功率可達100 kW。該飛機電驅動燃油泵系統可以實時動態(tài)地控制燃油流量與實際需求所匹配，可減少燃油消耗、運行和維護成本。同時，該系統還具備較強的容錯能力，當系統出現單一電氣故障時，系統仍能持續(xù)穩(wěn)定運行[5-9]。

1.3 五相永磁容錯電機及其驅動系統

2002年以來，英國謝菲爾德大學的D.Howe教授、汪佳斌教授等學者提出了模塊化永磁容錯電機的概念[10]，圖4為五相模塊化永磁容錯電機結構圖。所提出的容錯電機不僅具有磁隔離、熱隔離、電氣隔離、物理隔離等優(yōu)點，還可以抑制短路電流提高系統安全性，其中單個模塊化定子采用集中繞組形式，每一相模塊化繞組都由一個H橋逆變器驅動電路單獨驅動，并且每個H橋驅動電路由一個獨立的供電電源供電。圖5所示為美國倫斯勒理工學院L.Parsa教授等學者提出了一種五相分數槽分布式繞組內嵌式PMSM，實驗分析表明采用五相分數槽分布繞組拓撲結構，電機具有很低的轉矩脈動[31]。

圖4 五相模塊化永磁容錯電機

圖5 五相內嵌式永磁容錯電機

此外，美國的T.A.Lipo教授提出了基于軟磁復合材料的模塊化永磁容錯電機[11]，美國的M.T.Abolhassani教授提出了雙層集中繞組的五相永磁容錯電機[12]。

圖6為國內江蘇大學趙文祥教授團隊提出的五相模塊化磁通切換永磁容錯電機(M-FSPM)，采取10/18極拓撲，并且引入容錯齒與電樞齒交錯分布實現相間解耦，結合了傳統磁通切換電機與多相電機優(yōu)點，提升了容錯性能[37]。哈爾濱工業(yè)大學鄭萍教授等學者近年來對電動汽車用五相永磁容錯電機及其驅動系統也進行了相關研究，并取得了較好的成果[13-16]。

圖6 五相模塊化磁通切換永磁容錯電機

1.4 六相永磁容錯電機及其驅動系統

1996年，英國紐卡斯爾大學的B.C.Mecrow教授首次提出了六相八極非備份式永磁容錯電機[5-9]，2008年以來，國內南京航空航天大學的胡育文教授、黃文新教授、郝振洋博士等學者對電力作動器用六相十極永磁容錯電機進行了深入研究[17]。圖7為六相永磁容錯電機驅動系統結構圖，其中六相繞組分別由六個獨立的H橋逆變器驅動電路單獨驅動，并且每個H橋驅動電路由一個獨立的供電電源供電，既保障了各相的獨立和安全，又可以使系統發(fā)生單相故障的情況下，采用剩余的五個模塊化單相進行容錯運行。

圖7 六相永磁容錯電機驅動系統

1.5 雙繞組永磁容錯電機及其驅動系統

圖8為一種基于雙繞組永磁容錯電機的飛機起落架電作動系統圖。該系統主要包含兩個位置傳感器、兩個微控制器、兩個離合器電磁閥、一個變速器和一個雙繞組永磁容錯電機，可以用于代替當前傳統的飛機起落架液壓作動系統。其中電機采用的是二十四槽二十極的雙繞組永磁容錯電機，能夠提供額定轉速1000 r/min和額定轉矩12 Nm，通過變速器和離合器實現對飛機起落架的精確控制[5-9]。

圖8 基于雙繞組永磁容錯電機的飛機起落架電動系統

此外，南京航天航空大學的黃文新教授、蔣雪峰博士等學者針對飛機電作動系統應用提出了一種高可靠性雙繞組永磁容錯(Dual-winding Fault-tolerant Permanent Magnet，DFPM)電機及其驅動系統[18-19]。高可靠性雙繞組永磁容錯電機的結構如圖9所示，該雙繞組永磁容錯電機的結構主要由十二槽定子和五對極表貼式永磁體轉子組成，其中十二槽定子包含兩套相互獨立且對稱的三相電樞繞組，分別為ABC繞組和XYZ繞組，繞制方式為單層集中式隔齒繞制，轉子的結構為磁鋼離心式。高可靠性DFPM電機驅動系統結構圖如圖10所示，它包含一臺高可靠性的DFPM電機、兩套能耗制動電路(R1、S1和R2、S2)、兩套三相全橋驅動電路以及兩個獨立270 V的直流電源(Udc1和Udc2)。每套三相繞組分別由三相全橋驅動電路進行驅動，每個三相全橋驅動電路由一個獨立的供電電源供電。當一套三相繞組出現故障時，只需將故障套繞組從系統切除，讓剩余的正常套繞組繼續(xù)正常工作即可實現系統的容錯運行。

圖9 高可靠性雙繞組永磁容錯電機結構

圖10 高可靠性雙繞組永磁容錯電機驅動系統結構

圖11 DFPM電機A相繞組短路故障態(tài)磁力線和磁密分布

圖11為DFPM電機在有限元仿真軟件Ansoft Maxwell上進行的建模和仿真，假設A相繞組端部發(fā)生短路故障，通過仿真可以看到電機內部的磁力線和磁密分布情況，其中各相繞組之間幾乎沒有磁力線的耦合，同時短路故障繞組A相也沒有產生磁力線，仿真表明DFPM電機在短路故障情況下依然具有很好的磁隔離性能。DFPM電機定轉子軛部磁密不大于1.6 T，DFPM電機定子齒磁密不大于1.8 T，不會超過硅鋼片的飽和值，在短路故障情況下仍然滿足材料磁密飽和度的設計要求。

1.6 冗余式磁通切換永磁電機及其驅動系統

圖12為江蘇大學趙文祥教授提出的12/10極冗余式磁通切換永磁電機(R-FSPM)電機結構，圖13為其驅動系統，定子采取6相繞組，12個定子凸極各包含一塊條形永磁體。在磁極上的兩個相對的繞組形成一個線圈，如線圈A1和A2。在傳統的12/10 R-FSPM電機中，線圈A1和A2串聯構成A相。

與定子具有永磁體PMSM相比，R-FSPM電機結合了SR電機和轉子-PM電機的優(yōu)點，具有堅固的轉子結構、良好的磁體冷卻條件和較高的功率密度。與容錯電機相比，R-FSPM電機具有繞組結構冗余、電路和磁路相對獨立的特點，從而可以故障態(tài)容錯運行[40,41]。

圖12 冗余式磁通切換永磁電機

圖13 冗余式磁通切換永磁電機驅動系統

1.7 三通道三相永磁容錯電機及其驅動系統

三通道三相永磁容錯電機及其驅動系統結構圖如圖14所示[20]，該驅動系統主要包括了三通道三相永磁容錯電機和三套三相全橋驅動電路，其中電機由三套三相繞組組成，采取集中式繞組結構，分別為A1、B1、C1三相繞組、A2、B2、C2三相繞組和A3、B3、C3三相繞組，而每套三相繞組分別由一個三相全橋驅動電路進行驅動和一個獨立的供電電源供電，因此該系統需要三個獨立供電電源和三套三相全橋驅動電路。當一個通道的三相繞組出現故障時，只需將發(fā)生故障的三相繞組通道從系統切除，讓剩余的兩個通道的正常套繞組繼續(xù)正常工作即可實現系統的容錯運行[20]。

圖14 三通道永磁容錯電機驅動系統

1.8 三通道三相永磁輔助式同步磁阻電機及其驅動系統

英國謝菲爾德大學汪佳斌教授團隊提出的三通道三相永磁輔助式同步磁阻電機如圖14所示，電機繞組采用分布式結構，每套三相繞組分別由一個三相全橋驅動電路進行驅動，在繞組開路、開關開路故障或控制故障的情況下，三相繞組的故障組應通過打開所有的逆變開關而停止工作，剩余正常驅動橋提供系統所需的功率。實驗分析表明在各種故障情況下采取相應的容錯控制方案具有良好的容錯能力。另外所提出的繞組隔離方案也適用于同步磁阻電機、感應電機等在關鍵場合的應用[38]。

圖15 三通道三相永磁輔助式同步磁阻電機驅動系統

1.9 其他永磁容錯電機及其驅動系統

近二十年來，學者們還對七相、十相、十二相、十五相、雙轉子永磁容錯電機、雙定子永磁容錯電機等其他永磁容錯電機及其驅動系統進行了深入研究，例如，東南大學的程明教授、安徽大學的杭俊博士等學者對九相磁通切換永磁容錯電機系統進行了相關研究[21]，北京航空航天大學郭宏教授、徐金全博士等學者對十相雙定子雙轉子永磁容錯電機及其驅動系統進行了相關研究[7]，江蘇大學的趙文祥教授等學者還對永磁容錯游標電機及其驅動系統、容錯式永磁游標直線電機及其驅動系統進行了相關研究[16,22-23]，江蘇大學的朱孝勇教授，北京理工大學劉向東教授等學者對雙轉子磁通切換永磁容錯電機進行了多目標優(yōu)化設計相關的研究[24]，東南大學林明耀教授等學者對磁通切換永磁容錯電機進行了深入研究[43]，南京航空航天大學周波教授等學者對雙定子雙凸極電機容錯性能進行了全面的研究分析[44]。

圖16為北京航空航天大學郭宏教授、徐金全博士等學者研究的十相雙定子雙轉子永磁容錯電機結構圖[7]。該電機包含A、B兩套定轉子，其中每套永磁容錯電機的定轉子采用的是五相八極單層集中繞組式結構，其額定功率為200 W，額定轉速為6000 r/min，額定轉矩為0.3 Nm，額定電流5 A，具有抑制短路電流和磁隔離等優(yōu)點。其中每套定轉子的每相繞組都是由一個獨立的H橋逆變器驅動電路驅動，兩個獨立的28 V電源對A、B兩套定轉子的驅動電路分別進行供電，最后實驗表明該十相雙定子雙轉子永磁容錯電機驅動系統具有較好的容錯能力。

圖16 十相永磁容錯電機結構

除此之外，針對多電飛機單電源供電體制，以及永磁容錯電機驅動逆變器存在功率開關管、獨立電源數過多，控制策略復雜等問題，為使高可靠性DFPM電機驅動系統供電電源適應于單電源供電體制，提高驅動系統故障后利用率，南京理工大學的蔣雪峰博士等學者研究提出了基于橋臂冗余的DFPM電機驅動系統[25]。如圖17所示即為基于橋臂冗余的DFPM電機驅動系統圖，該系統包括DFPM電機、兩套三相全橋驅動電路、控制開關(S1和S2)、熔斷器、冗余橋臂(T13和T14)和獨立的270V直流電源。為實現冗橋臂與ABC繞組或XYZ繞組的星形相連，系統中加入了控制開關S1或S2。同時為抑制中性線電流，改善冗余橋臂輸出波形質量，冗余橋臂與電機中性點之間加入了中性線電感L0。該容錯驅動系統能實現ABC繞組和XYZ繞組中一相繞組或者多相繞組的開路或短路故障容錯[25]。

圖17 基于橋臂冗余的DFPM電機驅動系統圖

圖18為北京交通大學劉向東教授提出的雙轉子永磁容錯電機，內、外轉子通過端部法蘭連接。定子嵌套在內外轉子之間。內轉子和內定子繞組結合作為內電機，外轉子和外部定子繞組作為外電機。內外電機采用相同的極槽數。內部和外部繞組可以采取串聯或并聯刑事，根據內外繞組連接形式不同可以選取不同的驅動結構，內外繞組串聯可采取一套三相驅動橋或H橋驅動拓撲，內外繞組并聯形式可采取兩套獨立的三相驅動拓撲結構，此外，采用單層繞組結構隔離故障相和其他正常相，且并聯連接比串聯具有更好的電磁特性和容錯能力。由于外部轉子采取懸臂式機械結構，所以一般適用于低速應用場合[42]。

圖18 雙轉子永磁容錯電機

圖19為東南大學林明耀教授、張蔚博士提出軸向磁通磁通切換電機容錯設計，實驗表明采用E形磁芯的中間齒，使相繞組之間不發(fā)生物理接觸，與傳統的拓撲結構相比，該拓撲結構的自感度大大提高，互感比降低了51%，當磁通加強時，輸出轉矩將得到改善。當磁通減弱時，可在基準速度以上運行。因此，與傳統的U形結構磁芯相比，該電機具有轉矩密度大、速度范圍寬、容錯性高、成本低等優(yōu)點[43]。

圖19 軸向磁通磁通切換永磁電機

2 永磁容錯電機驅動系統容錯控制策略的研究現狀

分析可知，永磁容錯電機不僅具有永磁電機體積小、轉矩脈動小、效率高等特點，還具有磁隔離、熱隔離、電氣隔離、物理隔離和抑制短路電流等優(yōu)點。但當電機驅動系統發(fā)生電氣故障時，電機性能將會大大降低，為保證系統能夠維持正常功能，此時就需要采用必要的容錯控制策略[5-9,25-36]。下面將對永磁容錯電機驅動系統的容錯控制策略進行詳細介紹：

2.1 基于電機特性表的查表容錯控制策略

1996年以后，英國紐卡斯爾大學的B.C.Mecrow教授等學者提出了基于電機特性表的查表容錯控制策略，主要針對六相八極非備份式永磁容錯電機系統和四相六極永磁容錯電機系統，其控制框圖如圖20所示，可以看出主要將采樣到的電壓、電流、轉子角度信號送到電機特性表，通過查表得到相應的給定電流，從而產生特定的驅動信號實現電機的容錯運行[26-28]。

圖20 基于電機特性表的容錯控制

2.2 基于最優(yōu)轉矩的容錯控制策略

2002年以后，英國謝菲爾德大學的D.Howe教授、J.B.Wang教授等學者以轉矩脈動最小為優(yōu)化目標提出了基于最優(yōu)轉矩的容錯控制策略[10]。隨后2010年，他們又提出了適用于弱磁區(qū)域的多相電機最優(yōu)轉矩容錯控制策略，其控制框圖如圖21所示，主要包括了轉矩估計器、電流限制器、加權因子調整模塊以及最優(yōu)轉矩控制模塊，在轉矩脈動最小的目標基礎上，再引入氣隙合成磁鏈幅值最小進行多目標優(yōu)化，從而實現弱磁區(qū)域的容錯控制[29]。

圖21 基于最優(yōu)轉矩的容錯控制

2.3 基于故障態(tài)解耦的矢量控制策略

2004年，韓國首爾大學S.Seung-Ki教授等學者針對五相電機提出了基于故障態(tài)解耦的矢量控制策略，將電流轉矩分量和勵磁分量分別進行解耦控制來實現對電機的容錯運行[30]。

2.4 基于磁動勢守恒的容錯控制策略

2005年，美國德州農工大學的H.A.Toliyat教授等學者針對五相永磁容錯電機研究了基于磁動勢守恒的容錯控制策略，其控制框圖如圖22所示，通過在驅動系統中加入分離的母線和中性點連接線，從而產生零序分量來提供一個不受干擾的旋轉磁動勢，當發(fā)生單相或者多相開路故障時，此磁動勢可以合成缺相的磁動勢，從而保證電機在故障情況下提供足夠的轉矩，實驗表明該容錯方法能夠對故障狀態(tài)下的電機轉矩特性進行有效改善[31]。

圖22 基于磁動勢守恒的容錯控制

2.5 基于瞬時功率理論的容錯控制策略

2007年，美國倫斯勒理工學院的L.Parsa教授等學者以弱化電機容錯運行時的轉矩波動為目標提出了基于最優(yōu)電流的容錯控制策略[32]。2011年，L. Parsa教授等學者又提出了基于瞬時功率理論的容錯控制策略，其控制框圖如圖23所示，對五相永磁容錯電機的定子相電流和轉子位置進行了故障檢測和滯環(huán)控制，該方法的目的在于保持電機繞組故障前后的輸出功率不變，因此故障后剩余相繞組的電流幅值會比正常時大[33]。2013年，該團隊又將基于瞬時功率理論的容錯控制策略和最優(yōu)電流的容錯控制策略應用于繞組為五角星形連接的五相容錯電機[34]。

圖23 基于瞬時功率理論的容錯控制

近年來，國內的東南大學、哈爾濱工業(yè)大學、南京航空航天大學、江蘇大學、北京航空航天大學、浙江大學等單位也相繼進行了容錯電機驅動系統類似的容錯控制技術研究，并且取得了一定的成果[6-8,13-19,21-24,35-36]。

2.6 容錯控制策略研究現狀分析

通過分析可知，基于電機特性表的查表容錯控制策略雖然控制簡單，結構易于實現，但存在電機特性表因容錯電機功率等級的差別而不同以及前期電機特性表測量工作量巨大等問題，且該控制算法不具備較好的移植性，因此該控制策略受到了一定的限制。

另外，基于故障態(tài)解耦的矢量控制策略雖然省去電流滯環(huán)控制可以減小電流波動，但在解耦過程中會存在計算量大、占用內存大以及運算復雜等問題。在基于最優(yōu)轉矩、基于磁動勢守恒以及基于瞬時功率理論的容錯控制策略中，都是采用滯環(huán)控制的方法對電機電流進行控制，因此會存在開關頻率不固定、電流波動大等問題。同時，這幾種控制策略給定電流通常是采用離線計算在線應用的形式，計算的過程中將會涉及到電機的相關參數，且參數在電機運行時會有一定的變化，疊加檢測誤差后將會產生一定的參數偏差，從而導致理論分析與實際應用所產生的效果有所不同?？偟膩碚f，當前的容錯控制方法仍存在或多或少的問題，在實現系統可靠性和容錯性上依然有進一步提升的空間。

3 現有航空用永磁容錯電機驅動系統綜合性能的對比分析

表1 現有航空用永磁容錯電機驅動拓撲結構的對比

常見的航空用永磁容錯電機及其驅動系統拓撲結構主要可以分為兩大類，第一類是多個模塊化單相容錯電機驅動系統(n+1)，如三相、四相、五相、六相永磁容錯電機及其驅動系統；第二類是多通道三相容錯電機驅動系統(3n+3)，如雙繞組永磁容錯電機驅動系統、三通道三相永磁容錯電機驅動系統[5-9,18-20]。

理論上，多個模塊化單相容錯電機驅動系統提供的容錯能力與其相數成正比，但是，相數的增加也會使系統成本和復雜度成比例的增加。由于當容錯電機驅動系統相數超過六相時，系統將變得過于復雜，成本過于昂貴，同時也增加了單個通道的故障發(fā)生概率，因此容錯電機驅動系統相數一般不超過六相?，F有研究最多的多個模塊化單相容錯電機驅動系統主要為三相、四相、五相、六相永磁容錯電機驅動系統；現有研究最多的多通道三相容錯電機驅動系統主要為雙繞組永磁容錯電機驅動系統、三通道、四通道三相永磁容錯電機驅動系統。

表1提供了現有的航空用永磁容錯電機驅動系統不同拓撲結構的綜合性能對比分析結果。從表中可以明確看出各個永磁容錯電機驅動系統中相結構形式、電機相數、故障后通道數、所需獨立電源個數、功率開關管數量和整體容量功率比。例如，六相永磁容錯電機驅動系統故障后通道數為5，所需獨立電源個數為6個，所需功率開關管數量為24個，整體容量功率比為1.2。

為了更直觀地了解各種永磁容錯電機驅動系統在功率開關管數量和整體容量功率比方面的對比情況，圖24中給出了永磁容錯電機驅動系統在的功率開關管數量和整體容量功率比方面的對比圖。

圖24 永磁容錯電機驅動系統在功率開關管數量和整體容量功率比方面的對比圖

從表1和圖24中可以看出，對于多個模塊化單相容錯電機驅動系統(n+1)和多通道三相容錯電機驅動系統(3n+3)，隨著模塊數n的增加，系統整體容量功率比將減小，所需功率開關管數量將增加，所需獨立電源數量也將增加。

綜合對比分析后，可發(fā)現如下結果：

(1)在具有容錯能力方面

即故障后仍能提供通道進行持續(xù)容錯運行的能力，除了標準常規(guī)的三相電機外，其余的三相、四相、五相、六相永磁容錯電機驅動系統和雙繞組永磁容錯電機驅動系統、三通道和四通道三相永磁容錯電機驅動系統都具備容錯運行能力。

(2)在所需獨立電源個數上

雙繞組永磁容錯電機驅動系統只需要2個獨立電源，是具有容錯運行能力系統中所需獨立電源個數最少的；其次是三相永磁容錯電機驅動系統和三通道三相永磁容錯電機驅動系統，只需3個獨立電源；而六相永磁容錯電機驅動系統所需的獨立電源個數最多，需要6個獨立電源。

(3)在所需功率開關管數量上

三相永磁容錯電機驅動系統和雙繞組永磁容錯電機驅動系統只需要12個功率開關管，是具有容錯運行能力系統中所需功率開關管數量最少的；其次是四相永磁容錯電機驅動系統，只需16個功率開關管；而六相永磁容錯電機驅動系統和四通道三相永磁容錯電機驅動系統所需的功率開關管數量最多，需要24個功率開關管。

(4)在整體容量功率比方面

當功率輸出需求一定時，能夠提供的整體容量功率比(kVA/kW)越大，其系統具有的容量空間就越大，功率輸出能力就越強。雙繞組永磁容錯電機驅動系統具有的整體容量功率比最大，為2倍；其次是三相永磁容錯電機驅動系統和三通道三相永磁容錯電機驅動系統，其整體容量功率比為1.5倍；而六相永磁容錯電機驅動系統是具有容錯運行能力系統中整體容量功率比最小的，為1.2倍，即只能當一相繞組出現故障后能提供100%的額定功率，當出現兩相或三相繞組故障時就只能降額運行了，出現三相繞組故障時，只能輸出60%的額定功率了，從而不再具有提供100%額定功率的能力。

(5)在容錯控制策略上

四相永磁容錯電機驅動系統和雙繞組永磁容錯電機驅動系統在容錯控制策略上實現簡單易行，而五相永磁容錯電機驅動系統、六相永磁容錯電機驅動系統以及四通道三相永磁容錯電機驅動系統在容錯控制策略上實現較為復雜。

對于航空用永磁容錯電機驅動系統的選擇，需要根據具體的應用，如飛機的起落架控制系統、環(huán)境控制系統、舵面控制系統、燃油泵系統以及機翼除冰系統等，綜合考慮實際應用中的各個方面進行選擇，只有能很好地解決實際需求的方案才是適用的方案。

4 總結與展望

本文針對當前研究較多、關注較高、極具前景的永磁容錯電機及其驅動系統，詳細介紹并分析了現有永磁容錯電機及其驅動系統、永磁容錯電機驅動系統容錯控制策略的研究現狀，并對現有常見的各種航空用永磁容錯電機驅動系統進行了綜合性能的對比分析。對于航空用高可靠性永磁容錯電機及其驅動系統未來在以下幾個方面還有待于進一步深入研究與探討：

(1)在優(yōu)化和選擇永磁容錯電機驅動系統拓撲結構時，對于其容錯能力、實際需求與系統復雜性需要綜合考慮。

(2)當前的容錯控制方法仍存在或多或少的問題，在實現系統可靠性和容錯性上還有進一步地提升的空間。

(3)對于永磁容錯電機驅動系統除了研究其容錯控制策略外，還應該對診斷速度快、精度高的系統開路故障診斷策略進行研究。

(4)用系統的觀點設計永磁容錯電機及控制器，實現電機與驅動控制器的一體化設計。

(5)對高可靠性永磁容錯電機及其控制系統中繞組短路故障研究中，研究電機繞組匝間短路故障的診斷方法與容錯控制是值得進一步研究的。

(6)當驅動系統同時出現多相繞組故障時，研究如何實現多相繞組同時故障仍能容錯運行的容錯拓撲結構及其容錯控制策略。

(7)SiC功率器件的特點決定了其將在航空領域有取代普通Si功率器件的趨勢，研究基于SiC器件的新型永磁容錯電機驅動系統將可能成為未來的趨勢。