第1章容错电机系统概述
1.1电机系统可靠性问题的提出
可靠性理论是第二次世界大战时从航天工业和电子工业中发展起来的，并于20世纪年代渗透到电力工业、电力设备制造等行业，得到了迅速发展。随着社会经济和科学技术的迅猛发展，系统的高可靠运行越来越成为各国政府以及科研人员追逐的目标，它对国民经济的发展起着至关重要的作用。1998年8月12日，美国空军的“大力神”4A火箭在发射美国侦察办公室的一颗间谍卫星时，因电路短路故障导致制导系统失灵，火箭起飞不久即发生爆炸，经济损失估计达10亿美元。反之，也有比较成功的例子。俄罗斯“和平号”轨道空间站于1986年被送入太空，原计划运行5年，但直到2001年才结束历史使命。尽管其间发生了1400余次故障，但系统仍能保持良好的运行状态，创造了一个又一个的航天奇迹。各国政府以及科研人员在取得了诸多科研成果的同时，也带来了巨大的经济效益，而这不得不归功于系统的高可靠性设计以及超强的带故障运行能力。
众所周知，电机是能量转换与动能传递的直接执行者，起着“设备心脏”的作用。随着电机驱动控制系统在军事、民用等领域的广泛应用尤其是在一些特殊应用场合，如航空航天、军事装备、矿井、交通等，不仅要求电机驱动系统效率高、体积小、重量轻，更希望系统在有效寿命内不出故障或少出故障，即可靠性要高。但是，电机及其控制系统的电力电子器件不可避免地存在着一定的故障率这也使得电机驱动系统的可靠性问题逐渐凸现出来，系统的连续运行显得尤为重要。电机驱动系统的可靠性问题也成为现代技术领域的重大课题，引起国内外学者的重视。因此，对电机驱动系统的可靠性技术进行研究，提高系统的带故障运行能力，具有非常重大的理论和现实意义间。
1.2电机系统可靠性技术研究现状
20世纪70年代以来，国内外学者逐步开展了对电机系统可靠性技术的研究。从现有文献来看，方法主要有两种：采用冗余结构和提高系统容错性能。在电机本体方面，对具有容错性能的电机结构进行研究是一种有效的手段。而对于在工农业生产、生活领域应用较为广泛的其他大多数电机结构而言，其本体并不具备容错性能。因此，要提高系统的可靠性，在对电机本体结构运用冗余技术以提高
其可靠性的基础上，研究的重点更多地放在了针对电机本体以外的故障源，通过开发高可靠性驱动电路的拓扑结构、智能控制策略以及传感器集成技术等来提高系统可靠性。
1.2.1可靠性基本理论
可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，或者说是产品保持其功能的时间。这里需要指出的是，电机系统作为一种非常普及的电力设备，其应用领域是多样化的，而对于不同的应用场合，则“完成规定功能的能力”具有各自特定的含义。例如，高射炮的功能包括射速、射程和命中精度等性能指标，如果由于发生故障使得其发射系统只有射速和射程达到要求，而命中精度达不到要求，则不能说它完成了规定的功能。再如，对于电动汽车而言，虽然其电机或者驱动系统的某一部分发生了故障，但该系统具有一定的容错能力，可以带故障运行，这样，即使电动汽车的输出转矩或者转速在一定程度上有所下降，但是并不影响其运行，可以保证电动汽车开到附近的修理厂，则可以认为，该电机驱动系统在发生故障的情况下仍然完成了规定的功能，不能算作失效。因此，要判断产品是否具有“完成规定功能的能力”，就必须规定明确的失效判据或者故障判据。不同的工况，其失效的判定标准是不同的，必须根据具体条件给出相应的失效判据。
通过对大量现场运行设备的故障数据分析发现，系统的失效率A与时间t的关系近似为浴盆*线，如图1.1所示。由图可知，一个产品的寿命周期可分为三个阶段。
图1.1系统失效浴盆*线
（1）早期失效阶段。在这一阶段，主要表现为产品在设计、制造和安装过程中的缺陷导致故障发生。
（2）偶然失效阶段。某产品经过一定时间的磨合以后，在这一阶段表现出来的失效率趋于稳定，其可靠性大幅度提高，这主要取决于产品设计制造水平，而这正是可靠性问题研究的目的和对象。
（3）耗损失效阶段。产品经过一定时间的使用，元器件已经趋于老化，在这一阶段表现为失效率的急速增大。
对于发生早期故障的产品，一般工厂可以通过试验予以剔除，因而可以近似认为现场使用的产品基本都运行于偶然失效阶段。
设T是某电机驱动系统的寿命，定义可靠性为概率。易知，R（t）是t的非递增函数，且有。用A⑷表示失效率，这里指的是瞬时失效率，也就是电机工作到t时间后在单位时间内发生失效事件的概率，则有
（1.1）
若将某电机系统视为主要由以下几个部分组成——转子、轴承、绕组、驱动电路、控制芯片和信号检测，则其中任何一个单元发生故障都将影响系统正常工作。因此，这是一个可靠性串联系统。图1.2（a）为这一电机驱动系统可靠性框图。其中，R^t）？蝴是这几个单元对应的可靠性，且都可以表示为时间的函数。假设只存在正常和故障两种状态，且每个部件的可靠性都是相互*立的，则可以求出该电机的可靠性：
（1.2）
若每个单元的寿命都呈指数分布则可以求得
（1.3）
即如果每个单元的寿命服从指数分布，则该电机驱动系统的寿命仍服从指数分布，其失效率也为各部件失效率之和。
冗余技术是提高电机驱动系统可靠性、降低其失效率的有效方法。在部件的设计和制造水平一定的前提下，电机或者驱动系统的单元可靠性是很难大幅度提高的。但是，通过并联某个或多个器件可以达到提髙系统可靠性的目的。如果将图1.2（a）中的串联结构通过冗余技术转换为并联结构，如图1.2（b）所示，则其可靠性计算公式变为
（1.4）
式中，Rsj为并联支路数的可靠性；为并联支路数。假设该系统原来的可靠性，则通过并联结构，其可靠性i?⑷可以提高到0.99，可见提高幅度较
大。因此，通过冗余技术可以很好地提高系统的可靠性。而通常的冗余技术中，主要采用的有两种：储备冗余和工作冗余。前者是工作元件处于运行状态，而其他元件处于备用状态；后者则是系统并非只有一个元件运行，实际上其他储备元件也处于运行状态。
1.2.2电机系统主要故障
电机系统主要存在着两类故障：机械故障和电气故障。本书将主要对电气故障进行研究。通常情况下，对于不同类型的电机，其主要故障表现是不同的。由于普通电机内通常存在两套绕组，即励磁绕组和电枢绕组，因此，电机本体内的主要故障就表现为这两套绕组的短路以及断路故障。相比较而言，由于永磁电机内的励磁磁场由永磁体提供，所以该种电机只存在电枢绕组，而没有励磁绕组，因此在同等条件下发生绕组故障的可能性有所降低。当然，永磁电机在可靠性方面
也有其自身缺点。通常，永磁体被安置在转子上，不易冷却，因而存在永磁体高温退磁故障的可能，且易弓丨发机械故障。总而言之，永磁电机本体故障可分为绕组断路、绕组相间短路、绕组出线端短路、绕组匝间短路、绕组接地短路以及永磁体退磁故障等。此外，电机驱动系统的故障还表现为驱动电路的功率变换器故障，主要有以下几类：输入电源对地短路、直流母线接地、功率开关器件断路、功率开关器件短路和功率开关器件的误操作等。
因此，一个高可靠性的电机驱动系统应具备如下基本特点：电机的结构设计以及驱动控制电路相间的电耦合、磁耦合、热耦合达到*小，使得以上故障发生时能够对故障部分进行有效的电、磁、热和物理隔离；把故障相对其他工作相的影响程度降到*低，即一个或多个故障发生时，电机仍可以在满足某些具体技术指标的前提下带故障运行，具有较高的可靠性。
1.3容错电机拓扑结构
就电机本体固有特性而言，与其他结构的电机相比，开关磁阻电机在容错性方面的优势较为明显，备受关注开关磁阻电机的定转子均采用凸极结构，且转子上没有永磁体、绕组、电刷，使其结构简单，也降低了在高速运行时温度和机械等方面故障的发生率。同时，开关磁阻电机定子采用集中绕组，空间上径向相对的定子极串联形成一相，因此相与相之间是*立的（这种*立包括电路和磁路的*立）。当某一相发生故障（短路或者断路）时，并不影响其他非故障相的正常工作，在检测到故障源并将其从系统中切除后，电机仍然可以运行。当然，若保持电机非故障相电流不变，则此时电机输出的平均转矩会有所下降，转矩脉动也会相应增加。
为了更大程度地提高故障状态下开关磁阻电机的电磁性能，Miller对定子绕组结构进行了优化。如图1.3⑷所示，传统的开关磁阻电机将空间上径向相对的两个定子绕组相串联形成一相，当某一极下绕组发生断路故障时，该相电流变为零，即这一相将不会产生转矩输出。为了提髙开关磁阻电机的带故障运行特性，在如图1.3所示的*立绕组结构中，每个极下的绕组分别与驱动电路连接，而不是串联。当某一极绕组发生断路故障时，该极下绕组电压为零，此时电机的转矩由该相另外一极的绕组产生。但是，这种结构的开关磁阻电机在故障状态下所产生的不平衡电磁力也不容忽视。双绕组结构的开关磁阻电机布局解决了这一问题，如图1.3（c）所示，每个定子极上面有两套绕组，它们分别与空间上径向相对的另外一个定子极上的两套绕组相串联，形成双余度结构的绕组。当其中一套定子绕组发生故障时，可以由另外一套绕组来工作。
与开关磁阻电机相比，永磁电机具有更高的转矩密度、功率密度和效率。因此，将容错概念引入永磁电机，研究开发具有高功率密度、高容错性能的永磁容错电机，成为十分迫切的研究课题，国内外学者逐步取得了一些有价值的研究成果。Mecrow等于1996年*次提出表贴式永磁型容错电机从图1.4（a）可以看出，该电机的永磁体采用表面贴装的形式，电机每个定子槽中只有一套绕组，没有绕组的定子齿作为容错齿，起隔离作用，相与相之间实现电路、磁路以及温度的隔离，使得相与相之间的*立性增强。已有研究表明，该类电机在有效抑制电机短路电流的同时，电机的功率密度较传统绕组结构的永磁电机并没有降低，成为当前国际电机领域的研究热点[12]。在此基础上，Abolhassani设计制作一台如图1.4所示的采用双层分数槽集中绕组的永磁容错电机，由于该电机相间互感与自感比仅为4%，实现了相间的磁隔离，容错性能较好。为了改善表贴式电机的气隙谐波，提出Halbach永磁体阵列的永磁容错电机（图1.4）。将磁性齿轮的结构特点引入永磁容错电机中，提出既利用气隙主谐波，又利用气隙特定次数谐波的永磁容错游标电机@（图1.4（d））。如图1.4所示，Lipo等和Bianchi等对模块化永磁容错电机进行研究。该电机每个定子齿形成一个单*的单元使得电机结构紧凑、绕组装配简单，*主要的是模块化定子使得槽满率得到很大的提升。Wang等提出针对4相到6相模块化电机的槽极配合选取原则，同时对每种极数的单元电机进行设计，并比较了不同相数电机的反电势和齿槽转矩，结果表明，增加电机的相数可降低电机齿槽转矩[181。国内学者也开始对这种表贴式永磁容错电机进行研究。这些永磁容错电机的永磁体采用表面贴装的形式，而已有研究表明，采用内嵌式永磁体的电机具有更好的弱磁性能，更能满足电动汽车宽调速范围这一要求。正是出于此目的，Chau等提出永磁体表嵌式的永磁容错电机Toliyat等提出如图1.4（所示的可用于电动汽车领域的五相永磁体内嵌式永磁容错电机，该电机结构中将g轴部分磁路切除，进一步增大电机的凸极率。然而，由于采用每槽两套绕组，相间物理隔离不好[21]。而为解决
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