近年來，隨著我國「雙碳」戰略的推進，綠色航空製造和船舶製造發展綱要陸續提出，電機設計技術、電力電子技術和電機控制技術獲得了長足發展，電機系統在航空航天、船舶推進、新能源汽車等重要領域得到廣泛的應用。
相比於傳統的化石能源驅動系統，電機系統具有結構簡單、功率密度高、效率高的優點。然而，隨著應用領域的不斷拓展，對驅動電機的要求越來越高，如直升機動力系統和電傳操縱系統要求故障率低於10-9/飛行小時。在航空航天、極地探測、軍事裝備等應用場合，複雜惡劣的工作環境中，設備維修不便，因此對電機系統的可靠性和安全性提出了極其苛刻的要求。
一般而言，電機系統由電機本體、功率變換器、控制器、感測器（如位置、電流、母線電壓等）等功能單元構成。每個單元都有發生故障的可能性，進而導致整個系統的崩潰。電機本體可能出現的故障有電樞繞組故障（如短路和開路）和勵磁故障（如永磁退磁）。功率變換器的典型故障有功率開關管的開路故障和短路故障。
為了增強電機系統的容錯能力，國內外眾多學者研究了電機系統在各種故障情況下的容錯控制策略。然而這些軟體層面的控制策略需要有硬體層面的拓撲設計作為基礎，例如，實現多相容錯控制策略的前提是存在多相繞組，而傳統三相電機實現容錯的前提是存在中性點橋臂。
在拓撲設計中，冗餘設計的理念經常被採用以提高可靠性和容錯能力。冗餘設計指的是採用兩個或多個可執行預定功能部件、單元或者子系統的設計理念，也被稱為余度設計。通過邏輯監測和診斷缺失的功能單元，有效調用並行功能單元，以減輕故障對整個系統的影響。
顯而易見的是，冗餘設計需要投入更高的成本構建額外系統，使系統變得相對複雜，增加了系統後期的維護成本。然而，一些對安全性和可靠性要求極高的應用場合如航空航天，往往缺乏維護能力和維修能力。一旦電機發生故障，如果其自身沒有冗餘和容錯能力，該功能單元將徹底失效，進而導致災難性的後果。因此，冗餘作為一種提升系統安全和可靠性的直接且有效的設計理念，被廣泛應用於航天航空領域，如電傳操縱系統、電靜液作動系統、電磁閥等。
為了提高電機的可靠性和容錯能力，國內外研究人員提出了許多拓撲，大量採用了冗餘設計的理念。這類電機的部分工作單元引入冗餘配置，使電機具備在一個或數個工作單元故障的情況下繼續正常工作的能力，被統稱為冗餘電機。這些新提出的拓撲種類繁多，缺乏對這些拓撲的系統梳理。
電工材料電氣絕緣全國重點實驗室（西安交通大學）等單位的孫鵬程、賈少鋒等研究者，對現有冗餘電機進行回顧和分類，為不同應用場合選擇合適的電機類型提供參考。
他們指出，為了提升電機系統的可靠性和安全性，冗餘設計的理念貫穿了電機系統中不同維度和各方面，形成了多種新型冗餘電機結構與拓撲。這些新型結構拓撲從各方面提升電機系統整體性能，拓展了電機系統在多種領域的應用前景。
隨著應用場景的不斷多樣化，電機系統將面臨更多的挑戰，未來的相關發展方向與關鍵科學技術問題將主要集中在以下幾個方面：
（1）新型冗餘電機的拓撲研究與應用
傳統冗餘設計方法已經較為成熟，其中許多已經得到了應用。然而隨著應用場合的拓展，電機對高可靠性也將提出更高的指標。在傳統冗餘電機的基礎上，研究新型具備複合容錯能力的電機拓撲。此外，複合冗餘電機可變拓撲多，其中一些較新的複合冗餘電機方案還未真正實際應用，其可靠性和可行性還需要在應用中進一步驗證。
（2）冗餘能力與高功率密度的協同提升
冗餘電機主要面向一些對安全性和可靠性需求較高的應用場合，但是這些場合往往對電機系統的體積、質量要求也十分敏感。因此，一些新穎的高功率密度電機拓撲應用冗餘技術能夠同時提升電機系統的功率密度和可靠性指標，這將是未來電驅動系統發展的重要方向。
（3）高效可靠的驅動控制和容錯控制
冗餘設計是實現高可靠性和容錯的硬體基礎，然而系統的可靠運行必須依賴高效可靠的驅動控制技術。針對冗餘電機的容錯控制往往還需要結合故障診斷才能準確切除故障單元和選擇後續的容錯控制策略。尤其是冗餘電機本身比普通電機複雜，在具有更高控制自由度的優勢下也給電機控制帶來了新的挑戰和機遇。
（4）系統級模擬與可靠性評估方法
單電機系統內子單元數量的增多，如多繞組和多永磁體的引入，以及電機系統集成度明顯提升，使得設計人員必須同時考慮電機的溫升、機械強度、振動雜訊等多物理場耦合問題。同時，電機是一個動態系統，在一些惡劣工況下，電機可能面臨動態的溫度、振動及電壓電流波動衝擊，而不是預設的故障類型，其實際的可靠性難以預測和分析。因此，有必要研究系統級的多物理場耦合模擬和可靠性評估方法。
本文摘編自2025年第6期《電工技術學報》，原文標題為「冗餘電機拓撲與應用綜述及發展展望」。
