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。
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。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。
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。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。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。
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性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。
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。这些新提出的拓扑种类繁多，缺乏对这些拓扑的系统梳理。
电工材料电气绝缘全国重点实验室（西安交通大学）等单位的孙鹏程、贾少锋等研究者，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。
他们指出，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。
本文摘编自2025年第6期《电工技术学报》，原文标题为“冗余电机拓扑与应用综述及发展展望”。
