图1 电机系统示意图
Fig.1 Electric machine system diagram
摘要 冗余电机是一类采用了冗余设计的高可靠性电机，其工作单元或者部分工作单元有冗余配置，使电机具备在一个或数个工作单元故障的情况下继续工作的能力。在复杂恶劣的工作环境，如航空航天、船舶推进和军事装备领域，冗余电机展现出巨大的应用潜力。冗余电机包含的电机种类繁多，目前仍然缺乏系统的梳理。因此，该文旨在对现有冗余电机进行回顾和分类，为不同应用场合选择合适的电机类型提供参考。首先，介绍了冗余设计和冗余电机的基本概念，并从冗余级别的角度将冗余电机按照模块冗余电机、组件冗余电机和复合冗余电机进行了分类。其次，在此基础上，依次介绍不同冗余电机的工作原理，分析其拓扑结构和创新，总结优点与不足。然后，讨论了不同拓扑的应用场景。最后，对冗余电机的关键技术和未来发展趋势进行展望。
关键词：冗余电机 高可靠性 电机拓扑 容错 安全
近年来，随着我国“双碳”战略的推进，绿色航空制造和船舶制造发展纲要陆续提出，电机设计技术、电力电子技术和电机控制技术获得了长足发展，电机系统在航空航天、船舶推进、新能源汽车等重要领域得到广泛的应用[1-5]。相比于传统的化石能源驱动系统，电机系统具有结构简单、功率密度高、效率高的优点。然而，随着应用领域的不断拓展，对驱动电机的要求越来越高，如直升机动力系统和电传操纵系统要求故障率低于10-9/飞行小时[6-7]。在航空航天、极地探测、军事装备等应用场合，复杂恶劣的工作环境中，设备维修不便，因此对电机系统的可靠性和安全性提出了极其苛刻的要求[8]。
一般而言，电机系统由电机本体、功率变换器、控制器、传感器（如位置、电流、母线电压等）等功能单元构成，电机系统示意图如图1所示。每个单元都有发生故障的可能性，进而导致整个系统的崩溃。电机本体可能出现的故障有电枢绕组故障（如短路和开路）和励磁故障（如永磁退磁）。功率变换器的典型故障有功率开关管的开路故障和短路故障。为了增强电机系统的容错能力，国内外众多学者研究了电机系统在各种故障情况下的容错控制策略[9-11]。然而这些软件层面的控制策略需要有硬件层面的拓扑设计作为基础，例如，实现多相容错控制策略的前提是存在多相绕组，而传统三相电机实现容错的前提是存在中性点桥臂。因此，本文主要关注电机硬件层面的拓扑设计，从而最终实现容错控制。
图1 电机系统示意图
Fig.1 Electric machine system diagram
在拓扑设计中，冗余设计的理念经常被采用以提高可靠性和容错能力。冗余设计指的是采用两个或多个可执行预定功能部件、单元或者子系统的设计理念，也被称为余度设计。通过逻辑监测和诊断缺失的功能单元，有效调用并行功能单元，以减轻故障对整个系统的影响。显而易见的是，冗余设计需要投入更高的成本构建额外系统，使系统变得相对复杂，增加了系统后期的维护成本。然而，一些对安全性和可靠行要求极高的应用场合如航空航天，往往缺乏维护能力和维修能力。一旦电机发生故障，如果其自身没有冗余和容错能力，该功能单元将彻底失效，进而导致灾难性的后果。因此，冗余作为一种提升系统安全和可靠性的直接且有效的设计理念，被广泛应用于航天航空领域，如电传操纵系统、电静液作动系统、电磁阀等[12-13]。
为了提高电机的可靠性和容错能力，国内外研究人员提出了许多拓扑，大量采用了冗余设计的理念。这类电机的部分工作单元引入冗余配置，使电机具备在一个或数个工作单元故障的情况下继续正常工作的能力，被统称为冗余电机[14]。这些新提出的拓扑种类繁多，缺乏对这些拓扑的系统梳理。因此，本文首先从冗余设计理念出发，以冗余级别为基础，将冗余电机分为模块冗余电机、组件冗余电机和复合冗余电机；其次依次对三种冗余电机中的相关拓扑进行梳理和归纳；最后展望了冗余电机系统中的研究方向、发展趋势和应用前景。
冗余电机是一个比较宽泛的定义，凡是采用了冗余技术的电机都可以被称为冗余电机。本文专注于硬件系统结构（主要包括电机本体和变换器）采用冗余技术的电机系统。按照采用冗余的级别，将冗余电机的类型分为模块冗余电机、组件冗余电机和复合冗余电机，如图2所示。
图2 冗余电机分类
Fig.2 Classification of redundancy machines
模块冗余包括电机冗余和通道冗余。电机冗余的特征是通常会备用一个或多个完整的电机，是目前最简单、技术成熟且应用最广泛的冗余方法。通道冗余是将电机定子分为多个具备独立工作能力的通道，每个通道都包含一套完整的三相绕组，能够在发生故障时自动切除，从而不影响其他通道的正常工作。模块冗余是一种冗余级别较高的冗余技术，模块具有一定的独立产生转矩的能力，主要应用于传统三相电机。
组件冗余包括绕组冗余、相冗余、励磁冗余和桥臂冗余。绕组冗余将定子绕组重新分组为多套绕组，即使一套绕组故障，另外一套绕组仍然能够产生转矩。相冗余将传统的三相绕组拓展为四相及以上，当某相发生故障时，切断故障相，然后通过重构剩余的健康相的电流，继续输出稳定的转矩。励磁冗余增加了磁源来源，如混合励磁或多磁源励磁，能够有效应对潜在的退磁风险。桥臂冗余是驱动器应用冗余技术的范例，通过为中性点配置冗余桥臂获得桥臂或相故障容错能力，有效提升传统三相电机驱动器的可靠性。相比于模块冗余，组件冗余的冗余级别较低，更关注实现转矩输出所需要的组件，在不同组件上采用冗余设计，可以应对不同的故障风险。
复合冗余需通过合理设计具备两种及以上冗余配置，应对更多类型的故障，从而提升电机系统的可靠性。本文将对近年来冗余电机的相关研究成果和实际应用进行梳理，总结其技术特征，并对未来的发展趋势进行展望。
电机冗余是在一个电机系统配置多个相同的电机的设计方案。常见的电机连接方式有共轴连接和齿轮箱耦合[15-16]，其结构如图3和图4所示。电机冗余有冷备用和热备用两种运行模式。冷备用指辅助电机在系统正常运行时不工作，仅在工作电机发生故障时替代工作电机；而热备用是指当系统正常运行时，所有电机一起工作；当某个电机发生故障时，通过剩余的健康电机过载，输出需要的转矩。相对而言，热备用在电机利用率和故障响应速度方面表现更为优越。
在大型游轮、液化天然气运输船、极地破冰船、军事车辆等维护不便的应用场合，通常要求驱动系统在面临最严重故障的情况下仍然能够输出50%以上的转矩，因此双电机/多电机冗余的驱动方式被广泛采用[17-19]。慕尼黑工业大学I. Bolvashenkov教授等研究了多电机与多相电机不同方案的容错性和可靠性[6]，对比了包括了六个三相电机、三个六相电机、两个九相电机和一个十八相电机四种应用方案。研究结果表明，在不频繁维护的工况下，六个三相电机并联的方案更为适用。在此基础上，提出了破冰船牵引电机的最优拓扑和维护策略。目前，电机冗余在多旋翼无人机、固定翼垂直起降飞行器、多电/全电飞机、多电机船舶推进等具有分布式动力系统的领域得到广泛应用[20-24]。
图3 共轴电机冗余系统
Fig.3 Coaxial machine redundancy system
图4 齿轮箱耦合电机冗余系统
Fig.4 Gearbox coupling machine redundancy system
得益于轴向磁通电机较好的轴向空间拓展能力，在最简单的单定子单转子拓扑基础上，多定子多转子模块叠加的多盘式轴向磁场电机被广泛研究，永磁（Permanent Magnet, PM）电机拓扑如图5所示。文献[25]提出了一种双定子绕组相位差为30°的轴向磁通电机，这种方案相比于对称双定子轴向磁通电机具有更低的反电动势谐波、涡流损耗和绕组间互感，通过样机实验论证了其容错能力。南京航空航天大学张卓然等提出了应用于全电飞机推进的四个250 kW轴向磁通电机叠加的方案，其功率密度和效率分别大于13 kW/kg和96%，为MW级航空推进电机提供了一种可行方案[26]。这四个电机独立配置了控制单元，进一步实现了其容错能力。
图5 多盘式轴向磁通永磁电机拓扑
Fig.5 Topology of multi-disc axial flux PM machines
总而言之，电机冗余是提升电机系统可靠性最简单、最直接的方法之一。工作电机发生故障后，可以直接切除故障电机，切换备用电机，保证转矩输出，而且控制算法相对简单。同时，由于电机间完全独立，不存在任何电磁耦合，因此可以完全隔绝故障的二次影响，能够有效提升电机系统的可靠性。但是，电机冗余的缺点在于系统体积较大、功率密度较低，因此一定程度上降低了其竞争力。
通道冗余是指将电机划分为多个独立的通道，三通道永磁同步电机拓扑如图6所示。每个通道包含一组完整的三相绕组，每组绕组由独立的三相功率变换器驱动，且每个通道都能在所有角度输出转矩。尽管通道冗余需要更多的功率器件，但是其容错控制方法和故障操作更简单。当一个通道发生故障后，由于通道间具有独立性，只需要通过容错控制切除故障通道，然后增加所有剩余健康通道的电流幅值即可。
图6 三通道永磁同步电机拓扑
Fig.6 Topology of three-channel PM synchronous machine
诺丁汉大学提出了一种将定子分为三个通道的永磁同步电机，每个通道的绕组由准三相逆变器供电，该设计的目的是增加容错性，同时可以产生径向悬浮力，以应对轴承故障[27]。所提出的控制策略实现了电机在一个或多个逆变器故障时维持运行的可能性，验证了模块化所获得的冗余优势。最后通过实验验证了电机在健康和普通轴承故障情况下的可靠运行[28]。
东南大学汪波等对三通道电机开展了研究，提出了一种基于永磁辅助同步磁阻电机的三冗余驱动器，用于可靠性和安全性至关重要的航空航天领域[29]。文献[30]对比采用分布式绕组和集中式绕组的三通道永磁磁阻电机，发现集中式绕组电机的转矩密度更高，开路状态下具有更高的转矩输出能力。通道冗余由于强容错能力受到十二相和十五相电机青睐，这类电机也被广泛应用于舰艇驱动、电动汽车、风力发电等[31-33]。
绕组冗余电机是指具有绕组冗余的电机，其电枢绕组被分为两套或多套绕组。这些绕组之间具有相对的独立性，能够独立产生转矩。当一套绕组发生故障时，可以切除故障绕组，降低故障单元对健康单元的影响，从而保持电机系统的持续可靠运行。相比传统的多电机冗余系统，绕组冗余电机具备一定的热隔离、磁隔离和电气隔离能力，且系统的控制难度增加，但是其结构紧凑和功率密度高的优点吸引了国内外研究机构和学者大量的关注与研究。
3.1.1 定子双绕组冗余
定子双绕组冗余电机是一种典型的等效绕组冗余电机，也被称为双三相电机或六相电机，是应用最广泛的一种。两种双绕组电机如图7所示，定子绕组被分为两套，常见的两套绕组的电角度相位差有30°和60°两种方式[34]。相位差30°的称为不对称双绕组冗余电机，而相位差60°的称为对称双绕组冗余电机。两组绕组由两组单独的逆变电路供电，具有相对独立性，一组绕组故障不会影响另一组绕组工作。双绕组电机的转矩脉动与双绕组相位差有关，相位差为30°时转矩脉动最小。相位差为60°时相邻绕组之间的互感非常小，电机的容错能力更强[35]。对于一般双n相电机，可以通过利用最佳相位差来减小特定电流谐波引起的转矩脉动。
图7 两种双绕组电机
Fig.7 Two types of dual winding machine
定子双绕组冗余电机在航空航天领域得到广泛地应用[36-39]。文献[36]设计了一种用于电驱动直升机的绞盘系统的定子双绕组冗余电机，并分析了基于速度、电流、电压双向控制（电动和制动）的冗余控制方法。文献[37]展示了一种定子双绕组冗余电机在深层月壤钻取上的应用，提高了系统钻进采用过程的可靠性，为“嫦娥五号”月球采样返回任务提供了支持。此外，文献[38]展示了一种飞机的前轮转向电作动系统，采用定子双绕组冗余电机，由270 V直流电源供电，额定负载12 N·m，取代了传统的液压系统。文献[39]提出了一种使用双绕组冗余的永磁电机的航空电动反推力装置，两套绕组相位差为360°，但是放在不同的定子槽中，采用热备用工作模式以提高可靠性。
3.1.2 定转子绕组冗余
浙江大学吴立建等提出了一种定子和转子上都有电枢绕组的双馈开关磁链永磁电机[40]，其结构如图8所示。这一拓扑充分利用电机的转子槽空间，巧妙地布置了两组绕组，使得两组绕组均能输出转矩。通过气隙隔离，两套绕组实现了更好的电、磁、热的隔离效果，从而具备了极高的容错能力和可靠性。在此基础上，其研究团队进一步提出了采用双电枢绕组的磁通反向电机[41]和双凸极电机[42]等。
图8 双馈开关磁链永磁电机[40]
Fig.8 Doubly-fed flux-switching PM machine[40]
西安交通大学贾少锋等提出了一种采用电励磁的双绕组游标磁阻电机的新型拓扑[43]。该电机同样在转子槽空间引入一组绕组，其结构如图9所示，通过巧妙的槽极配合，可以输出四种转矩分量，从而提高了转矩密度。文献[44]分析了该电机的数学模型，推导了考虑多转矩分量的控制方法。由于双绕组供电方式多样，电机具有多种运行状态，能够适应多种工况，进一步提升了电机的可靠性。
图9 双绕组游标磁阻电机[43]
Fig.9 Dual-winding vernier reluctance machine[43]
尽管目前集电环技术有了很大的进步，但是其使用的寿命始终是有限的。这两类拓扑的一种应用场合是将转子绕组完全作为定子绕组的主从备用，仅当定子绕组故障后才启用转子绕组，能够提高电机的使用寿命。此外，在一些以有限的角度或圈数旋转并往复运动的场合可能有应用的机会，如电动阀门、直线电机等。这种情况下只需要给转子增加一个稍长的引出线即可。
传统三相电机在发生缺相故障后，旋转磁场会发生畸变，导致电机停转。相冗余电机是在传统三相电机的基础上采用了更多的相数，因此也被称为多相电机。在某一相发生开路或短路故障时，相冗余电机可以通过切除故障相并重新构建健康相的电流来继续输出转矩，从而提高电机的可靠性[45]。因此，多相电机由于具有更多的控制自由度，能够提供更灵活的电机控制，因此在容错性能和可靠性方面表现更优越[46]。此外，相比于传统的三相永磁电机，多相永磁电机具有更接近梯形的反电动势，因此具有更高的转矩密度[47]。在相同约束条件下，与传统三相交流永磁电机相比，五相交流永磁电机的转矩高30%以上[48]。
英国纽卡斯尔大学的B. C. Mecrow教授等较早地提出了多相永磁电机的概念，设计了一台四相六极Halbach阵列转子形式的容错永磁电机，如图10所示，并应用于飞机电驱动燃油泵系统中[49]。随着时间的推移，多相电机已经在航天航空和舰船推进等领域有了更多的应用。文献[50]设计了一种用于航空航天电静液作动器的新型高速湿式五相容错永磁同步电机，该电机的定子和转子全部浸入液压油中，可以解决电静液作动器旋转油封问题。所提出的电机转速达到20 kr/min，功率密度达到3.3 kW/kg。文献[51]提出了一种应用在运载火箭上为燃料持续加压的电机泵。为了保证在任务执行期间具有高度的可靠性，也采用了五相永磁电机作为驱动电机。文献[52]展示了将五相和六相电机应用在推车升降系统和襟翼作动系统中的案例。襟翼作动系统的结构如图11所示，两种系统都采用了将旋转运动转换为直线运动的丝杠装置，通过开路和短路试验验证了其在故障时的性能。
图10 四相永磁电机[49]
Fig.10 Four-phase PM machine[49]
图11 襟翼作动系统结构示意图[52]
Fig.11 Schematic diagram of the flap actuator system[52]
在舰船推进领域，电力推进系统要求推进电机可以驱动较重的负载，且对可靠性要求较高，因此以九相电机和十五相电机为代表的多相电机被广泛研究[53-54]。相比于传统的三相电机，其转矩脉动小、功率密度高，可以实现低压大功率驱动。除了三相和五相整数倍的多相电机，浙江大学研究了七相电机在高可靠性领域的应用[55]。但是，并非相数越多越好，随着相数的增加，需要的功率器件数量也在增加。因此，也有一些学者认为，虽然四相电机所能提升的容错性有限，但它是电机系统容错性和复杂度之间的一个权衡方案[56]。此外，多相电机和三相电机对比，在拓扑层面变化不大，大部分研究主要面向控制策略。
传统的同步电机只能把励磁单元放置于转子上，备份励磁单元方法较少。磁场调制原理的提出极大地拓展了电机的拓扑结构，为电机分析提供了全新的视角和方法[57-58]。基于磁场调制原理，励磁单元不再局限于转子侧，还可以放置于定子侧。因此，基于磁场调制原理的混合励磁电机、双永磁电机、多磁源电机近年来相继被提出。
3.3.1 混合励磁电机
传统混合励磁电机直接将励磁绕组放置在转子上，实质上是永磁励磁和电励磁的叠加[59]。由于电励磁的引入，使得电机的气隙磁场易于调节。增强磁场时可以提高电机的最大转矩，削弱磁场时可以提高电机的最高转速，进而实现低速高转矩区和高速弱磁区的效率提升[60]。近些年，一些定子混合励磁型电机被研究和提出，如双凸极混合励磁电机，其结构如图12所示。励磁绕组和永磁体均布置于定子侧，励磁绕组与永磁体的极对数和磁路相同，被凸极转子调制后共同产生调制磁场，其功能与转子混合励磁同步电机相同[61]。除此之外，其他基于磁场调制原理的混合励磁电机，如开关磁链混合励磁电机、磁通反向混合励磁电机、齿部永磁体布置的混合励磁电机等也被广泛研究[62-65]。
图12 双凸极混合励磁电机
Fig.12 Double-salient hybrid excitation machine
3.3.2 双永磁电机
双永磁电机在定子和转子上各设置一组永磁体，实现了永磁体的冗余配置。即使一侧永磁体发生退磁故障，电机仍然可以输出转矩。香港理工大学牛双霞等提出了一种外转子双永磁游标电机，如图13所示，借助双重调制效应，实现了强大的转矩输出[66]。该团队再次提出了一种定子永磁体设置在槽口处的双永磁游标电机[67]，其中定子永磁和转子永磁充磁方向一致。通过绕组系数和气隙谐波分析，对两套永磁体产生的有效励磁分量进行定量分析。研究指出了转子永磁体比定子永磁体具有更高的转矩产生能力，这主要是定子槽口布置径向充磁永磁体的漏磁导致的。因此，华中科技大学曲荣海等提出了一种槽口永磁采用Halbach阵列的双永磁游标电机[68]，如图14所示。该结构改善了槽口布置永磁体的漏磁问题，提高了电机的转矩密度和功率因数。
图13 外转子双永磁游标电机[66]
Fig.13 External rotor dual-PM vernier machine[66]
图14 采用Halbach阵列的双永磁游标电机[68]
Fig.14 Dual-PM vernier machine with Halbach array PM[68]
得益于双调制效应，双永磁电机具有极高的转矩密度，在一些低速大转矩的场合有很大的应用潜力，如风力发电、工业机器人、船舶驱动[69-70]。
3.3.3 多磁源电机
文献[71]提出了一种新型双永磁游标电机，其中定子永磁体放置于定子齿端，其结构如图15所示。定子包括两组绕组：一组为电枢绕组，用于产生旋转电枢磁势；另一组为直流励磁绕组，用于调节气隙磁场。该结构不仅具备两组永磁冗余，还引入了一组直流励磁绕组作为励磁冗余，进一步提升了应对永磁体故障的容错能力。另一方面，文献[72]提出了直流偏置电流双永磁电机，采用了直流偏置电流绕组取代了定子的电枢绕组和励磁绕组，从而降低了定子绕组的铜耗，同时保持了三种磁源的存在。
基于混合励磁的特性，此类新型拓扑被认为有潜力应用于同时需要高过载能力和宽调速范围的场合，如电动汽车起动发电机、风力发电等[73-74]。
图15 混合励磁游标电机[71]
Fig.15 Hybrid excitation vernier machine[71]
传统三相电机的驱动拓扑采用三桥臂六个开关管的结构，具有结构简单和低成本的优势。功率变换器故障是电机系统中最常发生的故障，可分为功率开关管的短路故障和开路故障[75]。电机的驱动系统对功率变换器的故障非常敏感。当其中一个开关管或者桥臂故障时，驱动器会被严重影响，甚至直接导致电机停机。传统三相电机的驱动拓扑不能满足高可靠性应用场景的要求，因此对于桥臂冗余的研究一直是高可靠性电机系统研究的重要方向之一。这类研究旨在提高电机系统对功率变换器故障的容错能力，以确保在故障发生时仍能保持系统的正常运行，从而提高整个电机系统的可靠性。
3.4.1 单相桥臂冗余
基于冗余设计的思想，可以采用独立的H桥驱动电路（也称为开绕组）对每相绕组进行独立控制[76]。每相的控制从一个桥臂变为两个桥臂，如图16所示。当一个功率器件发生开路或短路故障时，禁止与其在同一桥臂串联的功率器件开通，此时该H桥驱动电路能够继续导通，从而维持绕组的正常供电[77]。
图16 H桥驱动
Fig.16 H-bridge drive
为进一步防止功率器件或绕组短路故障引起的各种危害，通常在H桥驱动电路的母线上串联熔断器，第一时间切断故障模块[78]。如图17所示，文献[78]提出了一种含有熔断器的H桥驱动系统。为了实现逆变器拓扑重构，使用三个三极管将三个H桥连接起来；如果支路
发生故障，通过熔断器切除支路，然后通过三极管1将绕组b的端连接到a相支路上，实现拓扑重构；通过仿真和实验验证了这种拓扑和控制策略有效。
图17 含熔断器的H桥驱动[78]
Fig.17 H-bridge drive with fuses[78]
虽然H桥驱动电路在一定程度上隔离了每相绕组，减小单相故障对其他相的影响，对功率器件的故障具有较好的容错能力，但是无法应对三相电机的绕组故障。同时，尽管容错能力得到提升，但是由于功率器件的数量增加，导致发生功率器件故障的总体概率也增加。
3.4.2 中性点桥臂冗余
为了应对传统三相电机的绕组故障，提升其可靠性和容错能力，也可以在星形联结的中性点增设冗余桥臂[79]。在正常工况下，中性点桥臂不工作；当发生单相故障时，四臂驱动器为中性点提供了电流通路。尽管仍然存在不对称的空间磁动势和较大的转矩脉动，但是电机可以利用剩余两相绕组继续运行[80]。文献[81]对比了四种采用开关管或电容器作为冗余桥臂的四臂驱动器在不同故障场景的容错能力，如图18所示。其中，电容式和开关管式四臂驱动器只能应对逆变侧故障，无法解决绕组侧开路故障。而连接了中性点的电容式和开关管式四臂驱动器，可以解决绕组侧开路故障，但是不能应对单臂直通故障（一条臂中的两个开关管短路）。
图18 四种四臂驱动器[81]
Fig.18 Four types four-leg drives[81]
模块冗余与组件冗余处于不同的冗余级别，它们之间不容易出现空间冲突。因此，模块冗余与组件冗余可以直接组合，产生一些新的拓扑。这种类型的复合冗余电机能够应对不同级别的故障类型，从而大幅提高系统的可靠性。
4.1.1 电机冗余+相冗余
北京航天航空大学郭宏等提出了一种航空航天用十相永磁电机，如图19所示。该电机的结构实质上为两个并列的五相永磁电机，严格同轴连接。该电机同时采用了单层集中绕组，以增强电机的故障隔离能力[82]。文献[83]系统分析了此电机在不同故障条件下的负载能力，采用基于故障模式限制转矩的容错控制方法，使电机系统能够在系统负载容量60%以上的限制下应对四次甚至五次开路故障和短路故障，具有极强的容错能力。文献[84]研究了应用于舰船推进的两台同轴运行的十五相感应电机，其中十五相为三组相差12°电角度的五相绕组。同时采用电机冗余和相冗余极大地提高了整个推进系统的可靠性。
图19 十相永磁电机[82]
Fig.19 Ten-phase PM machine[82]
4.1.2 电机冗余+励磁冗余
传统混合励磁电机只有一个定子或转子，而不同励磁源需要放置在定子或转子的不同位置，容易导致空间冲突。另一种解决方案是将励磁源与转子分段结构结合，如图20所示[85]。在这种结构中，永磁转子与电励磁转子同轴连接，磁路独立，极对数一致。相比于图12所示的混合励磁，采用转子分段混合励磁电机的电励磁磁场无需穿过永磁体，能够更充分地发挥电励磁的磁通调节作用[86]，同时一定程度上降低设计和制造难度，缓解空间冲突问题。
图20 转子分段混合励磁电机
Fig.20 Hybrid-excitation machine with rotor segment
南京航空航天大学的学者研究了应用于航空直流电源系统的并列式混合励磁无刷直流发电机，其电机分为两部分：一是定子励磁磁场调制电机；二是典型表贴式永磁电机，如图21所示[87]。这种结构目的在于解决传统分段式混合励磁电机有电刷的问题。根据应用场合和性能指标需求，两段式电机的长度比例可灵活调整，如在正常运行下施加反向励磁电流能使输出电压降为零，降低了短路故障风险。这种结构的固有问题在于电励磁绕组的端部需要占用轴向空间，因此电机轴向空间的利用率有所降低。
图21 并列式混合励磁电机[87]
Fig.21 Structure-parallel hybrid excitation machine[87]
4.1.3 电机冗余+绕组冗余
湖北工业大学王晓光团队在三盘式永磁电机的基础上提出了一种多盘式五相无铁心轴向磁通永磁容错电机[88]，如图22所示。该电机由五个定子盘和六个转子盘构成，每个定子盘都是单相的，因此每相绕组无物理接触，能够产生明显的物理隔离，降低了故障扩散的可能性。每个定子盘由两个层叠的绕组盘并联而成，每套绕组同相位，分别引出接线端，形成独立通道。此外，每个绕组盘由独立的H桥驱动，能够有效应对某个绕组盘的故障。综合上述功能，该电机具有较强的容错能力，但是其五层气隙可能对加工制造提出巨大挑战。
图22 多盘式轴向磁通永磁电机[88]
Fig.22 Multi-disk axial flux PM machine[88]
针对不同组件同时采用冗余设计，能够使电机更有效地应对不同类型的故障。这种复合冗余电机结合了不同组件冗余的优点，扩大了电机可处理故障的范围。这样的设计能够在提高电机可靠性的同时，保持较高的功率密度，使其更适用于各种实际应用场景。
4.2.1 相冗余+桥臂冗余
多相电机应对故障时，需要准确控制各相绕组，切除故障相绕组并重构健康相电流。采用H桥能够准确及时地对故障相绕组进行有效的故障隔离，降低故障二次传播的可能性。同时，采用H桥可确保各相绕组独立工作，相电流被独立控制，因此能够进一步增强多相电机的容错能力，产生1+1＞2的效果。在许多四相、五相、六相电机中都有采用H桥式桥臂冗余的应用[89-91]。
4.2.2 绕组冗余+励磁冗余
在双永磁调制电机的基础上，西安交通大学贾少锋等提出了双永磁双绕组调制电机[92]，如图23所示。定子和转子各有一组电枢绕组，永磁体采用Halbach阵列，布置于槽口。定子永磁体通过转子齿调制产生的定子励磁磁场，可分别与定子和转子绕组作用，产生两个电磁转矩。转子永磁体类似，也能够与两套绕组作用，产生两个电磁转矩。这四种转矩分量能够叠加，使得合成的电磁转矩极大，显著提升电机的转矩密度。当一组绕组或永磁体发生故障时，电机能够继续产生两个转矩分量。最严重故障情况下，即永磁体和绕组都只剩一组，无论它们在定子侧或转子侧，电机仍然能够输出转矩。这种永磁体与电枢绕组的双重冗余极大地提升了该电机的可靠性。
图23 双绕组双永磁电机[92]
Fig.23 Dual-winding dual-PM machine[92]
4.2.3 绕组冗余+桥臂冗余
为了提高航空航天驱动电机的可靠性，文献[93]提出了一种基于冗余桥臂的双绕组冗余电机系统和基于短路故障诊断与处理方法的容错控制策略，其结构如图24所示。两套绕组共用一个电源，并在中性点增设了一组共用的桥臂，减少独立电源和开关的数量，降低了驱动器成本。基于这一拓扑，针对九种开路或短路情况设计了不同的开关动作和处理方法，实现了此电机系统的高可靠性。类似地，文献[94]将开关磁阻电机的绕组分为两段，通过一个七桥臂的驱动拓扑连接，如图25所示。这样不仅实现了两套绕组串联和并联灵活切换，也实现了较宽的速度运行区间。同时，提出了有效的容错策略以处理两种模式下的开路故障，在样机上验证了所提方案的可行性。
图24 冗余桥臂双绕组永磁电机[93]
Fig.24 Redundancy-leg dual winding PM machine[93]
图25 冗余桥臂开关磁阻电机[94]
Fig.25 Redundancy-leg switch reluctance machine[94]
随着多个领域加入深度电气化的浪潮，电机系统被越来越多地研究和应用。冗余电机由于具有高可靠性的优点，在各类高端装备上展示了其应用潜力。表1整理了本文中提及的各类冗余电机拓扑的实际或潜在应用。整体来看，冗余电机的应用覆盖了航空航天、舰艇船舶、电动汽车等领域。
（1）航空航天应用往往缺乏维护和维修能力，因此一旦电机发生故障，如果其自身没有冗余和容错能力，该工作单元即彻底失效，可能导致灾难性的后果。因此，对可靠性要求最高的航空航天领域应用了最多的冗余电机。
（2）安全性和可靠性是海洋推进的重中之重，特别是对军舰、潜艇和远洋船舶而言。由于多相电机功率密度高、转矩脉动小，可以实现低压大功率驱动，因此在舰船推进电机中大量应用。虽然电机冗余具有体积大的缺点，但是由于冗余级别更高，在破冰船和天然气运输船等大型船舶中仍然有应用[17-18]。兼顾相冗余和电机冗余的复合冗余电机或许是舰船推进中更高可靠性需求的解决方案[6, 84]。
（3）电动汽车希望驱动电机转矩密度更大、最高转速更高和高效率区间面积更大，这与励磁冗余的特点非常契合，诸多混合励磁电机被研究和应用。除了主驱电机，电动汽车中的刹车电机往往被要求具有冗余功能来实现极高的可靠性[95]。此外，电动战车这类特殊军用装备对主驱电机还有额外的高可靠性需求，因此也必须采用冗余设计[19]。
表1 各类冗余电机的应用与特点
Tab.1 Various redundancy machine applications
冗余类型实际 (或潜在) 应用特点 模块冗余电机冗余破冰船[17]、军用战车[19]、垂直起降飞行器[21]、多旋翼无人机[20]、多电/全电飞机[24]等电机完全独立控制、容错控制简单、系统体积较大、功率密度低 通道冗余舰船推进[31]、电动汽 车[32]、风力发电等[33]等三通道相对独立、仍然存在电磁耦合 组件冗余绕组冗余直升机绞盘[36]、航空电作动系统[38]、航天反推力装置[39]、汽车刹车电机[95]等功率密度表现好、绕组间相对独立、具备一定的热和磁隔离能力、容错能力较强 相冗余燃油泵[49]、静液压执行器[50]、燃料增压泵[51]、襟翼作动系统[52]、舰船推 进[53-54]等控制自由度高、相额定功率小、转矩密度高、转矩脉动小、容错能力较强 励磁冗余低速大扭矩应用[69-70]、风力发电[73]；起动发电机[74]等过载和弱磁能力强、转矩密度高、调速范围宽、高效率区间面积大、作为发电机时能快速消磁 复合冗余复合冗余航空电作动系统[82]、舰船推进[84]、航空混合励磁发电机[87]等能应对的故障工况多、容错能力强、系统复杂、控制难度高、成本高
实际应用中，实现模块冗余比组件更容易，在生产、安装和维护方面需要更少的时间和工作经验，但是组件冗余在功率密度方面表现更好。单一的冗余设计能应对的电机故障类型较少，而复合冗余能够应对更多电机故障，进一步提升系统的可靠性。但是，复合冗余电机在系统复杂度、控制难度和成本上都有显著的上升，给其应用带来了一些挑战。因此，设计人员必须根据具体应用场景的需求进而确定合适的复合冗余电机方案。
综上所述，为了提升电机系统的可靠性和安全性，冗余设计的理念贯穿了电机系统中不同维度和各方面，形成了多种新型冗余电机结构与拓扑。这些新型结构拓扑从各方面提升电机系统整体性能，拓展了电机系统在多种领域的应用前景。随着应用场景的不断多样化，电机系统将面临更多的挑战，未来的相关发展方向与关键科学技术问题将主要集中在以下几个方面：
（1）新型冗余电机的拓扑研究与应用。传统冗余设计方法已经较为成熟，其中许多已经得到了应用。然而随着应用场合的拓展，电机对高可靠性也将提出更高的指标。在传统冗余电机的基础上，研究新型具备复合容错能力的电机拓扑。此外，复合冗余电机可变拓扑多，其中一些较新的复合冗余电机方案还未真正实际应用，其可靠性和可行性还需要在应用中进一步验证。
（2）冗余能力与高功率密度的协同提升。冗余电机主要面向一些对安全性和可靠性需求较高的应用场合，但是这些场合往往对电机系统的体积、质量要求也十分敏感。因此，一些新颖的高功率密度电机拓扑应用冗余技术能够同时提升电机系统的功率密度和可靠性指标，这将是未来电驱动系统发展的重要方向。
（3）高效可靠的驱动控制和容错控制。冗余设计是实现高可靠性和容错的硬件基础，然而系统的可靠运行必须依赖高效可靠的驱动控制技术。针对冗余电机的容错控制往往还需要结合故障诊断才能准确切除故障单元和选择后续的容错控制策略。尤其是冗余电机本身比普通电机复杂，在具有更高控制自由度的优势下也给电机控制带来了新的挑战和机遇。
（4）系统级仿真与可靠性评估方法。单电机系统内子单元数量的增多，如多绕组和多永磁体的引入，以及电机系统集成度明显提升，使得设计人员必须同时考虑电机的温升、机械强度、振动噪声等多物理场耦合问题。同时，电机是一个动态系统，在一些恶劣工况下，电机可能面临动态的温度、振动及电压电流波动冲击，而不是预设的故障类型，其实际的可靠性难以预测和分析。因此，有必要研究系统级的多物理场耦合仿真和可靠性评估方法。
本文对近年来冗余电机的相关研究成果进行了整理与分析。首先从冗余级别的角度将冗余电机分为模块冗余电机、组件冗余电机和复合冗余电机；然后系统梳理了这三种冗余电机中的多种冗余配置设计，同时对比和讨论了不同拓扑的优缺点，总结了现有冗余电机的应用及特点；最后展望了冗余电机的发展趋势。总体而言，冗余技术在电机设计的多个维度都有研究或应用，并催生了一系列新型电机拓扑。随着电机系统被广泛应用到各个安全关键应用领域，电机系统的安全性与可靠性将会越来越受到重视。因此，针对电机冗余技术的研究也将吸引更多关注，冗余电机有望在未来展现出更广阔的应用前景。
参考文献
[1] Sayed E, Abdalmagid M, Pietrini G, et al. Review of electric machines in more-/hybrid-/turbo-electric air- craft[J]. IEEE Transactions on Transportation Elec- trification, 2021, 7(4): 2976-3005.
[2] 李亚, 周庆林, 丁石川, 等. 表嵌式交替极永磁电机拓扑演化及气隙磁场调制效应研究[J]. 电工技术学报, 2023, 38(12): 3188-3198.
Li Ya, Zhou Qinglin, Ding Shichuan, et al. Investi- gation of topologies evolution and air-gap field modulation effect on surface-inset consequent-pole PM machines[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2023, 38(12): 3188-3198.
[3] Liu Chunhua, Chau K T, Lee C H T, et al. A critical review of advanced electric machines and control strategies for electric vehicles[J]. Proceedings of the IEEE, 2021, 109(6): 1004-1028.
[4] 关涛, 刘大猛, 何永勇. 永磁轮毂电机技术发展综述[J]. 电工技术学报, 2024, 39(2): 378-396.
Guan Tao, Liu Dameng, He Yongyong. Review on development of permanent magnet in-wheel motors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(2): 378-396.
[5] Barzkar A, Ghassemi M. Electric power systems in more and all electric aircraft: a review[J]. IEEE Access, 2020, 8: 169314-169332.
[6] Bolvashenkov I, Herzog H G, Ismagilov F, et al. Reliability and fault tolerance assessment of multi- motor electric drives with multi-phase traction motors[M]//Fault-tolerant traction electric drives, Singapore: Springer, 2020: 1-24.
[7] 段富海, 马骏, 张慕天. 基于GO法的某型飞机电传操纵杆系统余度研究[J]. 大连理工大学学报, 2020, 60(2): 149-158.
Duan Fuhai, Ma Jun, Zhang Mutian. Study of redundancy of fly-by-wire joystick system of a certain aircraft based on GO methodology[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2020, 60(2): 149-158.
[8] Zhao Tianxu, Wu Shaopeng, Cui Shumei. Multiphase PMSM with asymmetric windings for more electric aircraft[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2020, 6(4): 1592-1602.
[9] 贾少锋, 刘紫薇, 梁得亮. 多相电机容错控制策略综述[J]. 西安交通大学学报, 2021, 55(6): 176-184.
Jia Shaofeng, Liu Ziwei, Liang Deliang. Review of fault-tolerant control strategies for multiphase machines[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2021, 55(6): 176-184.
[10] 陶涛, 赵文祥, 程明, 等. 多相电机容错控制及其关键技术综述[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(2): 315-326.
Tao Tao, Zhao Wenxiang, Cheng Ming, et al. Review on fault-tolerant control of multi-phase machines and their key technologies[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(2): 315-326.
[11] 王宇, 张成糕, 郝雯娟. 永磁电机及其驱动系统容错技术综述[J]. 中国电机工程学报, 2022, 42(1): 351-371.
Wang Yu, Zhang Chenggao, Hao Wenjuan. Overview of fault-tolerant technologies of permanent magnet brushless machine and its control system[J]. Pro- ceedings of the CSEE, 2022, 42(1): 351-371.
[12] 孙晓哲, 吴江, 石林轩, 等. 双余度机电作动系统动态力均衡控制方法研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2024, 44(增刊1): 195-206.
Sun Xiaozhe, Wu Jiang, Shi Linxuan. Mechanism and sensitivity of force fight in dual redundant electro- mechanical actuators[J]. Acta Aeronautica et Astro- nautica Sinica, 2024, 44(S1): 195-206.
[13] 陈思敏. 航空航天用对称结构型双余度永磁电机的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2022.
Chen Simin. Research on dual-redundancy PM motor with symmetrical structure for aerospace[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2022.
[14] Sun Pengcheng, Jia Shaofeng, Liang Deliang, et al. A review on the development of high-reliability motor system for safety-critical applications-from redun- dancy design prospective[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2023, 10(3): 7374- 7388.
[15] 肖雄, 白秉堃, 张勇军, 等. 一种减小双电机转矩差的主从结构模型预测直接转矩控制优化控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2023, 43(15): 6086-6098.
Xiao Xiong, Bai Bingkun, Zhang Yongjun, et al. An optimized reduction of torque difference master-slave model predictive direct torque control scheme for the dual motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2023, 43(15): 6086-6098.
[16] Wang Wenwei, Li Yiding, Shi Junhui, et al. Vibration control method for an electric city bus driven by a dual motor coaxial series drive system based on model predictive control[J]. IEEE Access, 2018, 6: 41188-41200.
[17] 马吴涵, 陈颖, 马天宇, 等. 破冰船电力推进系统在特殊工况下的控制策略[J]. 船电技术, 2024, 44(1): 58-63.
Ma Wuhan, Chen Ying, Ma Tianyu, et al. Control strategies for the power propulsion system of icebreakers in special conditions[J]. Marine Electric & Electronic Engineering, 2024, 44(1): 58-63.
[18] Feng Yanbiao, Zhu Haijia, Dong Zuomin. Simu- ltaneous and global optimizations of LNG-fueled hybrid electric ship for substantial fuel cost, CO2, and methane emission reduction[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2023, 9(2): 2282-2295.
[19] Boulon L, Hissel D, Bouscayrol A, et al. Simulation model of a military HEV with a highly redundant architecture[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2010, 59(6): 2654-2663.
[20] Mazeh H, Saied M, Shraim H, et al. Fault-tolerant control of an hexarotor unmanned aerial vehicle applying outdoor tests and experiments[J]. IFAC- Papers On Line, 2018, 51(22): 312-317.
[21] Ortiz-Torres G, Castillo P, Sorcia-Vázquez F D J, et al. Fault estimation and fault tolerant control strategies applied to VTOL aerial vehicles with soft and aggressive actuator faults[J]. IEEE Access, 2020, 8: 10649-10661.
[22] 韩建斌, 张卓然, 黄健, 等. 分布式电驱动系统永磁同步电机改进型反馈式弱磁控制策略研究[J]. 电气工程学报, 2021, 16(4): 85-92.
Han Jianbin, Zhang Zhuoran, Huang Jian, et al. Research on improved feedback field-weakening control strategy of permanent magnet synchronous motor for distributed drive system[J]. Journal of Electrical Engineering, 2021, 16(4): 85-92.
[23] 杨植, 严新平, 欧阳武, 等. 船舶轮缘推进装置驱动电机及控制方法研究进展[J]. 电工技术学报, 2022, 37(12): 2949-2960.
Yang Zhi, Yan Xinping, Ouyang Wu, et al. A review of electric motor and control technology for rim- driven thruster[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2022, 37(12): 2949-2960.
[24] Buticchi G, Wheeler P, Boroyevich D. The more- electric aircraft and beyond[J]. Proceedings of the IEEE, 2023, 111(4): 356-370.
[25] Lu Yang, Li Jian, Lu Hanxiao, et al. Six-phase double-stator inner-rotor axial flux PM machines with novel detached winding[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2017, 53(3): 1931-1941.
[26] Zhang Zhuoran, Geng Weiwei, Liu Ye, et al. Feasibi- lity of a new ironless-stator axial flux permanent magnet machine for aircraft electric propulsion application[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2019, 3(1): 30-38.
[27] Sala G, Gerada D, Gerada C, et al. Radial force control for triple three-phase sectored SPM machines. part I: machine model[C]//2017 IEEE Workshop on Electrical Machines Design, Control and Diagnosis (WEMDCD), Nottingham, UK, 2017: 193-198.
[28] Wen Zhuang, Di Nardo M, Sala G, et al. Modular power sharing control for bearingless multithree phase permanent magnet synchronous machine[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022, 69(7): 6600-6610.
[29] 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.
[30] 汪波, 徐文翰, 查陈诚, 等. 多三相分布式绕组和集中式绕组永磁磁阻电机对比研究[J]. 电工技术学报, 2024, 39(10): 2984-2994.
Wang Bo, Xu Wenhan, Zha Chencheng, et al. Comparative study on triple 3-phase PMA-SynRM with distributed winding and concentrated winding[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(10): 2984-2994.
[31] 魏永清, 康军, 曾海燕, 等. 十二相永磁电机驱动系统的容错控制策略[J]. 电工技术学报, 2019, 34(21): 4467-4473.
Wei Yongqing, Kang Jun, Zeng Haiyan, et al. Fault- tolerant control strategy for twelve-phase permanent magnet synchronous motor propulsion system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(21): 4467-4473.
[32] Wang Bo, Hu Jiapeng, Hua Wei, et al. Fault operation analysis of a triple-redundant three-phase PMA- SynRM for EV application[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2021, 7(1): 183-192.
[33] Wu Lijian, Wang Wenting, Lü Zekai, et al. Coupling effect on unbalanced voltages and power under faulty condition in triple three-phase wind power gen- erators[J]. IEEE Transactions on Industrial Elec- tronics, 2024, 71(2): 1308-1318.
[34] 张玉峰, 高文韬, 史乔宁, 等. 基于改进迭代田口法的双余度永磁同步电机优化设计[J]. 电工技术学报, 2023, 38(10): 2637-2647, 2685.
Zhang Yufeng, Gao Wentao, Shi Qiaoning, et al. Optimization design of dual-redundancy permanent magnet synchronous motor based on improved iterations taguchi method[J]. Transactions of China Electrotech- nical Society, 2023, 38(10): 2637-2647, 2685.
[35] Jiang Xuefeng, Huang Wenxin, Cao Ruiwu, et al. Electric drive system of dual-winding fault-tolerant permanent-magnet motor for aerospace appli- cations[J]. IEEE Transactions on Industrial Elec- tronics, 2015, 62(12): 7322-7330.
[36] Jiang Xuefeng, Huang Wenxin, Cao Ruiwu, et al. Analysis of a dual-winding fault-tolerant permanent magnet machine drive for aerospace applications[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2015, 51(11): 1-4.
[37] 王迎春, 王国欣, 赵帆, 等. 深层月壤钻取冗余绕组电机控制方法[J]. 深空探测学报, 2021, 8(3): 259-268.
Wang Yingchun, Wang Guoxin, Zhao Fan, et al. Control method of redundant winding BLDC for deep lunar soil drilling[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2021, 8(3): 259-268.
[38] Bennett J W, Mecrow B C, Atkinson D J, et al. Safety-critical design of electromechanical actuation systems in commercial aircraft[J]. IET Electric Power Applications, 2011, 5(1): 37.
[39] 蒋佳楠, 袁瑞林, 赵群弼, 等. 航空电反推用永磁同步电机余度设计与仿真分析[J]. 微电机, 2021, 54(8): 12-18.
Jiang Jianan, Yuan Ruilin, Zhao Qunbi, et al. Redun- dancy design and simulation analysis of permanent magnet synchronous motor for aero-engine electric thrust reverser[J]. Micromotors, 2021, 54(8): 12-18.
[40] Wu Lijian, Zhu Jiabei, Fang Youtong. A novel doubly-fed flux-switching permanent magnet machine with armature windings wound on both stator poles and rotor teeth[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, 67(12): 10223-10232.
[41] Wu Lijian, Zheng Yuting, Fang Youtong, et al. Novel fault-tolerant doubly fed flux reversal machine with armature windings wound on both stator and rotor teeth[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(6): 4780-4789.
[42] Ming Guangqiang, Wu Lijian, Zhang Liu, et al. Comparative study of biased flux PM machines having different stator core segments and armature winding configurations[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2022, 8(3): 3379-3389.
[43] Jia Shaofeng, Sun Pengcheng, Feng Shuai, et al. Analysis and validation of dual armature winding magnetless machines with multi-torque component[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2023, 38(4): 2832-2842.
[44] Jia Shaofeng, Dong Xiaozhuang, Liang Deliang, et al. Control strategy of different operation modes for a multiple torque component single air gap magnetless machine[J]. IEEE Transactions on Industry Appli- cations, 2023, 59(1): 726-735.
[45] 孙玉华, 赵文祥, 吉敬华, 等. 高转矩性能多相组永磁电机及其关键技术综述[J]. 电工技术学报, 2023, 38(6): 1403-1420.
Sun Yuhua, Zhao Wenxiang, Ji Jinghua, et al. Overview of multi-star multi-phase permanent magnet machines with high torque performance and its key technologies[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2023, 38(6): 1403-1420.
[46] 刘国海, 孙汶超, 周华伟, 等. 五相永磁同步电机改进型无差拍直接转矩和磁链控制[J]. 电工技术学报, 2023, 38(24): 6658-6667.
Liu Guohai, Sun Wenchao, Zhou Huawei, et al. An improved deadbeat direct torque and flux control strategy of five-phase permanent magnet synchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(24): 6658-6667.
[47] Gong Jinlin, Zahr H, Semail E, et al. Design considerations of five-phase machine with double p/3p polarity[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2019, 34(1): 12-24.
[48] Wang Jin, Zhou Libing, Qu Ronghai. Harmonic current effect on torque density of a multiphase permanent magnet machine[C]//2011 International Conference on Electrical Machines and Systems, Beijing, China, 2011: 1-6.
[49] Mecrow B C, Jack A G, Atkinson D J, et al. Design and testing of a four-phase fault-tolerant permanent- magnet machine for an engine fuel pump[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2004, 19(4): 671-678.
[50] Xu Jinquan, Jin Wenbo, Guo Hong, et al. Design and analysis of a high speed wet-type fault tolerant permanent magnet motor considering oil frictional loss for aerospace electro-hydrostatic actuator appli- cation[J]. IEEE Transactions on Transportation Elec- trification, 2023, 10(3): 4667-4677.
[51] Assoun I, Idkhajine L, Nahid-Mobarakeh B, et al. Wide-speed range sensorless control of five-phase PMSM drive under healthy and open phase fault conditions for aerospace applications[J]. Energies, 2022, 16(1): 279.
[52] Villani M, Tursini M, Fabri G, et al. High reliability permanent magnet brushless motor drive for aircraft application[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(5): 2073-2081.
[53] 沈宏源. 开绕组九相永磁同步电机谐波电流抑制策略研究[D]. 青岛: 青岛大学, 2023.
Shen Hongyuan. Research on harmonic current suppression strategy of open-winding nine-phase permanent magnet synchronous motor[D]. Qingdao: Qingdao University, 2023.
[54] 杨倩. 十五相感应电机绕组不同连接方式下的运行性能分析[D]. 沈阳: 沈阳工业大学, 2023.
Yang Qian. Performance analysis of fifteen-phase induction motor windings under different connection modes. Shenyang: Shenyang University of Tech- nology, 2023.
[55] 李晟. 基于气隙磁场定向的七相感应电机非正弦供电控制策略研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2023.
Li Sheng. Investigation of non-sinusoidal power supply control strategy for seven-phase induction machine based on air-gap flux orientation[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2023.
[56] Li Sufei, Zhang Shen, Habetler T G, et al. Modeling, design optimization, and applications of switched reluctance machines-a review[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, 55(3): 2660-2681.
[57] Cheng Ming, Han Peng, Hua Wei. General airgap field modulation theory for electrical machines[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(8): 6063-6074.
[58] Kim B, Lipo T A. Operation and design principles of a PM vernier motor[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2014, 50(6): 3656-3663.
[59] 佟文明, 王萍, 吴胜男, 等. 基于三维等效磁网络模型的混合励磁同步电机电磁特性分析[J]. 电工技术学报, 2023, 38(3): 692-702.
Tong Wenming, Wang Ping, Wu Shengnan, et al. Electromagnetic performance analysis of a hybrid excitation synchronous machine based on 3D equivalent magnetic network[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(3): 692-702.
[60] 张卓然, 王东, 花为. 混合励磁电机结构原理, 设计与运行控制技术综述及展望[J]. 中国电机工程学报, 2020, 40(24): 7834-7850.
Zhang Zhuoran, Wang Dong, Hua wei. Overview of configuration, design and control technology of hybrid excitation machines[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(24): 7834-7850.
[61] Cai Shun, Zhu Z Q, Mipo J C, et al. A novel parallel hybrid excited machine with enhanced flux regulation capability[J]. IEEE Transactions on Energy Con- version, 2019, 34(4): 1938-1949.
[62] Li Xianglin, Shen Fawen, Yu Shiyang, et al. Flux- regulation principle and performance analysis of a novel axial partitioned stator hybrid-excitation flux- switching machine using parallel magnetic circuit[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(8): 6560-6573.
[63] Wei Fangrui, Zhu Z Q, Yan Luocheng, et al. Investigation of stator/rotor pole number combin- ations and PM numbers in consequent-pole hybrid excited flux reversal machine[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2022, 37(3): 2092-2106.
[64] 吴胜男, 庞先文, 佟文明, 等. 模块化定子混合励磁同步电机磁网络建模与分析[J]. 电机与控制学报, 2023, 27(12): 95-104.
Wu Shengnan, Pang Xianwen, Tong Wenming, et al. Modeling and analysis of magnetic network of modular stator hybrid excitation synchronous motors[J]. Electric Machines and Control, 2023, 27(12): 95-104.
[65] Jiang Tingting, Zhao Wenxiang, Xu Liang, et al. A novel parallel hybrid excitation field modulated machine with efficient utilization of multiworking harmonics[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022, 69(2): 1177-1188.
[66] Niu Shuangxia, Ho S L, Fu W N. A novel stator and rotor dual PM vernier motor with space vector pulse width modulation[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2014, 50(2): 7019904.
[67] Wang Qingsong, Niu Shuangxia, Yang Lin. Design optimization and comparative study of novel dual-PM excited machines[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(12): 9924-9933.
[68] Xie Kangfu, Li Dawei, Qu Ronghai, et al. A novel permanent magnet vernier machine with halbach array magnets in stator slot opening[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2017, 53(6): 7207005.
[69] Shi Yujun, Jian Linni, Ching T W. Quantitative identification of airgap flux density harmonics contributing to back EMF in dual-permanent- magnet-excited machine[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2022, 58(2): 8100705.
[70] Shi Yujun, Jian Linni. A novel dual-permanent- magnet-excited machine with flux strengthening effect for low-speed large-torque applications[J]. Energies, 2018, 11(1): 153.
[71] Wang Qingsong, Niu Shuangxia. A novel hybrid- excited dual-PM machine with bidirectional flux modulation[J]. IEEE Transactions on Energy Con- version, 2017, 32(2): 424-435.
[72] Jia Shaofeng, Yan Kuankuan, Liang Deliang, et al. A novel DC-biased current dual PM vernier machine[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, 57(5): 4595-4605.
[73] Zhao Xing, Niu Shuangxia, Zhang Xiaodong, et al. Flux-modulated relieving-DC-saturation hybrid relu- ctance machine with synthetic slot-PM excitation for electric vehicle In-wheel propulsion[J]. IEEE Transa- ctions on Industrial Electronics, 2021, 68(7): 6075- 6086.
[74] Zhao Xing, Niu Shuangxia, Fu Weinong. Sensitivity analysis and design optimization of a new hybrid- excited dual-PM generator with relieving-DC- saturation structure for stand-alone wind power generation[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2020, 56(1): 7504105.
[75] 申永鹏, 刘迪, 梁伟华, 等. 三相桥式逆变电路电流检测方法综述[J]. 电工技术学报, 2023, 38(2): 465-484.
Shen Yongpeng, Liu Di, Liang Weihua, et al. Review of current detection methods for three-phase bridge inverter circuits[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2023, 38(2): 465-484.
[76] 陈彦丞, 王学庆, 贺明智, 等. 基于混合逆变器的开绕组永磁同步电机驱动系统简化模型预测控制[J]. 电机与控制学报, 2023, 27(1): 120-127.
Chen Yancheng, Wang Xueqing, He Mingzhi, et al. Simplified model predictive control for hybrid inverter- based open-end winding PMSM driving system[J]. Electric Machines and Control, 2023, 27(1): 120- 127.
[77] Dong Zhiping, Wen Hao, Song Zaixin, et al. 3-D SVM for three-phase open-end winding drives with common DC bus[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2023, 38(8): 9340-9346.
[78] Wei Jiadan, Kong Xianghao, Hong Ying, et al. Integrated control strategy for distortion current elimination of fault-tolerant open-end winding per- manent magnet synchronous machine with topology reconfiguration[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2023, 11(2): 1397-1406.
[79] Tang Haoyue, Li Weili, Li Jinyang, et al. Calculation and analysis of the electromagnetic field and temperature field of the PMSM based on fault-tolerant control of four-leg inverters[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2020, 35(4): 2141-2151.
[80] 蔡春伟, 郭玉兴, 安普风, 等. 三相四线制逆变器中性点电压脉动抑制新型拓扑[J]. 电机与控制学报, 2018, 22(2): 49-56.
Cai Chunwei, Guo Yuxing, An Pufeng, et al. A neutral point voltage ripple inhibition topology for three-phase four-wire inverter[J]. Electric Machines and Control, 2018, 22(2): 49-56.
[81] Mirafzal B. Survey of fault-tolerance techniques for three-phase voltage source inverters[J]. IEEE Transa- ctions on Industrial Electronics, 2014, 61(10): 5192- 5202.
[82] Guo Hong, Xu Jinquan, Chen Y H. Robust control of fault-tolerant permanent-magnet synchronous motor for aerospace application with guaranteed fault switch process[J]. IEEE Transactions on Industrial Electro- nics, 2015, 62(12): 7309-7321.
[83] Guo Hong, Xu Jinquan. Fault tolerant control with torque limitation based on fault mode for ten-phase permanent magnet synchronous motor[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2015, 28(5): 1464-1475.
[84] 刘自程, 郑泽东, 彭凌, 等. 船舶电力推进中十五相感应电机同轴运行及容错控制策略[J]. 电工技术学报, 2014, 29(3): 65-74.
Liu Zicheng, Zheng Zedong, Peng Ling, et al. Fixed joint double fifteen-phase induction motor control and fault-tolerant control in ship propulsion system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(3): 65-74.
[85] 赵圣杰, 夏加宽. 并列双转子混合励磁同步电机振动分析[J]. 船电技术, 2022, 42(8): 22-26.
Zhao Shengjie, Xia Jiakuan. Vibration analysis of hybrid excitation synchronous motor with electrically excited rotor[J]. Marine Electric & Electronic Engineering, 2022, 42(8): 22-26.
[86] Zhu Z Q, Cai S. Hybrid excited permanent magnet machines for electric and hybrid electric vehicles[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2019, 3(3): 233-247.
[87] 于立, 吴咏梅, 孙林楠, 等. 航空并列式混合励磁无刷直流发电机短路特性研究[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41(14): 4994-5003.
Yu Li, Wu Yongmei, Sun Linnan, et al. Research on short-circuit characteristics of structure-parallel hybrid excitation brushless DC generator for aircraft electrical power system application[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(14): 4994-5003.
[88] 赵萌. 多盘式开绕组定子无铁心轴向磁通永磁同步容错电机研究[D]. 武汉: 湖北工业大学, 2021.
Zhao Meng. Study of fault-tolerant axial flux per- manent magnet synchronous motor with multi-disc type coreless open-end winding. Wuhan: Hubei University of Technology, 2021.
[89] Si Binqiang, Fu Qiang, Wang Tao, et al. Twofold fail- work remedy for reconfigurable driver and windings of four-phase permanent magnet fault-tolerant motor system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(8): 7763-7774.
[90] Mavila P C, Rajeevan P P. A five-level torque controller based DTC scheme for open-end winding five-phase IM drives with single DC source and auxiliary plane harmonic elimination[J]. IEEE Transa- ctions on Industry Applications, 2022, 58(2): 2063- 2074.
[91] Ding Wen, Hu Yanfang, Wu Luming. Investigation and experimental test of fault-tolerant operation of a mutually coupled dual three-phase SRM drive under faulty conditions[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(12): 6857-6872.
[92] Jia Shaofeng, Sun Pengcheng, Feng Shuai, et al. Analysis and experiment of a dual stator/rotor PM and winding flux modulated PM machine[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2023, 59(2): 1659-1669.
[93] Jiang Xuefeng, Li Qiang, Huang Wenxin, et al. A dual-winding fault-tolerant motor drive system based on the redundancy bridge arm[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(1): 654-662.
[94] Gan Chun, Li Xue, Yu Zhiyue, et al. Modular seven- leg switched reluctance motor drive with flexible winding configuration and fault-tolerant capability[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2023, 9(2): 2711-2722.
[95] Song B K, Kim J H, Hwang K Y, et al. Electro- mechanical characteristics of dual-winding motor according to winding arrangement for brake systems in highly automated driving vehicles[J]. IEEE Transa- ctions on Vehicular Technology, 2023, 72(10): 12524-12539.
Abstract Redundancy machines are a class of high-reliability machines with redundancy design. They have redundancy configurations of operating units and can continue to work if one or several operating units fail. Therefore, redundancy machines have significant potential in complex and harsh environments, such as aerospace, ship propulsion, and electric vehicles. This paper aims to review and categorize existing redundancy machines, offering a reference for selecting suitable machines for different applications.
From the perspective of redundancy level, redundancy machines can be categorized into modular, component, and compound redundancy machines. This paper sequentially introduces the operating principles of different redundancy machines, analyzes innovations in their topologies, and summarizes their advantages and disadvantages.
(1) Modular-redundancy machines consist of multiple modules with independent operating capabilities within the machine system. It is one of the most direct methods of improving motor system reliability. Module redundancy includes motor redundancy and channel redundancy. Motor redundancy, which operates at a higher level than channel redundancy, can completely isolate the secondary effects of faults and effectively improve system reliability. However, it has a large system volume and low power density.
(2) The proper operation of a motor system requires the collaboration of several components, including the armature windings, excitation sources, and power converter. Component redundancy is designed for different components in the motor system, including winding redundancy, phase redundancy, excitation redundancy, and bridge redundancy. Component redundancy has a lower redundancy level than modular redundancy and focuses on the components needed to achieve torque output. Component redundancy occurs within a single motor system and is characterized by higher power density than modular redundancy.
(3) Compound redundancy combines modular and component redundancy within a motor system. With two or more redundancy designs, compound redundancy can address a wide range of faults, increasing the motor system’s reliability. Many feasible compound redundancy machines have been widely studied and applied. However, the reliability and feasibility of some novel topologies need to be further verified in applications.
Finally, this paper reviews redundancy machines’ actual and potential applications in aerospace, ship propulsion, and electric vehicles. As motor systems are widely used in safety-critical applications, their safety and reliability will garner increasing attention. The main development directions in redundancy machines will focus on the topology and application of new redundancy machines, synergistic enhancement of reliability and power density, efficient and reliable drive control and fault-tolerant control, and system-level simulation and reliability assessment methods. As researchers continue to improve performance, redundancy machines are expected to have broader application prospects in the future.
keywords：Redundancy machines, high reliability, machine topologies, fault tolerance, safety
中图分类号：TM351
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.240448
国家自然科学基金（52277066）和电工材料电气绝缘全国重点实验室基金（EIPE23131）资助项目。
收稿日期2024-03-21
改稿日期2024-05-28
孙鹏程 男，1996年生，博士研究生，研究方向为电机设计与优化。E-mail: sunpengcheng123@stu.xjtu.edu.cn
贾少锋 男，1989年生，副教授，博士生导师，研究方向为电机设计、驱动及其控制。E-mail: shaofengjia@xjtu.edu.cn（通信作者）
（编辑 崔文静）