摘要：永磁電機(jī)因其高功率密度和高效率等優(yōu)勢(shì)，已成為電動(dòng)飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)部件。然而，電動(dòng)飛機(jī)對(duì)推進(jìn)電機(jī)的安全性與可靠性提出了極為苛刻的要求。當(dāng)繞組發(fā)生短路故障時(shí)，若短路電流不能得到有效抑制，將迅速引發(fā)繞組溫升失控、絕緣材料損毀甚至永磁體不可逆退磁，直接威脅飛行安全。本文圍繞永磁電機(jī)容錯(cuò)技術(shù)這一關(guān)鍵問題，首先梳理了電動(dòng)航空的發(fā)展趨勢(shì)及其對(duì)電機(jī)容錯(cuò)能力的特殊要求；其次系統(tǒng)闡述了永磁容錯(cuò)電機(jī)的研究現(xiàn)狀，涵蓋定子結(jié)構(gòu)改進(jìn)、多相繞組設(shè)計(jì)等主流技術(shù)路線；在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了一種模塊化繞組結(jié)構(gòu)方案，深入分析了其基于槽電勢(shì)星形圖的構(gòu)造原理以及通過提升自感抑制短路電流的物理機(jī)制；最后，結(jié)合有限元仿真數(shù)據(jù)，從磁動(dòng)勢(shì)諧波、電感特性、短路電流幅值與轉(zhuǎn)矩性能等維度論證了該方案在抑制短路電流、增強(qiáng)相間隔離和保持轉(zhuǎn)矩輸出等方面的綜合優(yōu)勢(shì)。該模塊化繞組結(jié)構(gòu)在不改變?cè)卸ㄗ育X槽幾何尺寸、不引入額外轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的條件下，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)容錯(cuò)能力與電磁性能的兼顧，為電動(dòng)飛機(jī)推進(jìn)電機(jī)的安全設(shè)計(jì)提供了具有工程應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)飛機(jī)；永磁容錯(cuò)電機(jī)；模塊化繞組；短路電流抑制；相間隔離

一、電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展趨勢(shì)分析

1.1 航空電氣化的技術(shù)驅(qū)動(dòng)力

航空電氣化浪潮受到多重因素的共同驅(qū)動(dòng)。首先是環(huán)境規(guī)制的外部壓力。全球航空業(yè)的碳排放約占人類活動(dòng)碳排放總量的2.5%左右，且隨著民航運(yùn)輸量的持續(xù)增長(zhǎng)，這一比例有進(jìn)一步上升的趨勢(shì)。為兌現(xiàn)氣候承諾，各國(guó)政府和行業(yè)組織不斷收緊排放標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)從化石燃料依賴向清潔能源方向轉(zhuǎn)型。其次，電推進(jìn)技術(shù)的自身成熟度也在快速提升。高能量密度電池、寬禁帶電力電子器件、高性能稀土永磁材料和輕量化復(fù)合材料的相繼突破，為電推進(jìn)系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證走向工程應(yīng)用提供了上游技術(shù)支撐。

此外，低空經(jīng)濟(jì)作為新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的崛起，為電動(dòng)航空創(chuàng)造了巨大的市場(chǎng)空間。中國(guó)低空經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)規(guī)模在2025年已達(dá)約1.5萬(wàn)億元，eVTOL年度訂單總額突破300億元。2026年國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告已將低空經(jīng)濟(jì)明確列為“新興支柱產(chǎn)業(yè)”，五部門聯(lián)合制定了低空經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的硬性指標(biāo)。低空經(jīng)濟(jì)對(duì)飛行器動(dòng)力系統(tǒng)提出了低噪聲、低振動(dòng)、零排放的剛性要求，這恰恰是電推進(jìn)相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)的天然優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。

1.2 電推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)特征

電推進(jìn)系統(tǒng)的核心在于以電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳或涵道風(fēng)扇產(chǎn)生推力。與傳統(tǒng)燃油動(dòng)力系統(tǒng)相比，電推進(jìn)系統(tǒng)在多個(gè)技術(shù)維度表現(xiàn)出色。從能量轉(zhuǎn)換效率來看，電動(dòng)機(jī)的電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率通常在90%以上，而航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率普遍不超過35%，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)也僅在40%左右。這意味著在同等能源輸入條件下，電推進(jìn)飛行器有望獲得更長(zhǎng)的航程或更大的有效載荷。從系統(tǒng)復(fù)雜度來看，電動(dòng)機(jī)省去了氣缸、曲軸、氣門機(jī)構(gòu)、渦輪組件等大量機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，可靠性和維護(hù)性顯著改善。

在現(xiàn)代電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)中，分布式電推進(jìn)是一個(gè)重要的技術(shù)方向。通過將多臺(tái)小功率電動(dòng)機(jī)沿翼展或機(jī)身分布，替代傳統(tǒng)的集中式大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，一方面可以改善氣動(dòng)布局、提高升力系數(shù)，另一方面也為冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)提供了物理基礎(chǔ)——當(dāng)一臺(tái)或幾臺(tái)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，其余電動(dòng)機(jī)仍可維持飛行器在安全包線內(nèi)運(yùn)行。然而，分布式構(gòu)型對(duì)單臺(tái)電機(jī)的功率密度和可靠性提出了更高要求，因?yàn)槊恳慌_(tái)電機(jī)的失效都可能威脅飛行安全，這就將電機(jī)的容錯(cuò)能力提升到了核心設(shè)計(jì)指標(biāo)的位置。

1.3 航空推進(jìn)電機(jī)面臨的特殊挑戰(zhàn)

盡管電推進(jìn)系統(tǒng)在諸多方面具有優(yōu)勢(shì)，但航空應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)推進(jìn)電機(jī)提出了一系列地面交通工具所不需要或可以放寬的嚴(yán)苛要求。

首先是高功率密度與高可靠性的矛盾。航空推進(jìn)電機(jī)的功率密度指標(biāo)通常在5 kW/kg以上，遠(yuǎn)高于車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的2-3 kW/kg水平。提高功率密度意味著更高的電負(fù)荷和磁負(fù)荷，更薄弱的絕緣裕度，以及更緊湊的散熱設(shè)計(jì)。這種緊湊化設(shè)計(jì)在提升性能的同時(shí)，也增加了繞組局部過熱、絕緣劣化和匝間短路的風(fēng)險(xiǎn)。

其次是短路故障的嚴(yán)重后果。電動(dòng)飛機(jī)在高空飛行時(shí)，一旦電機(jī)發(fā)生短路故障，短路電流不僅會(huì)燒毀故障相繞組，還可能通過互感耦合傳播至相鄰相，引發(fā)連鎖故障。尤其值得關(guān)注的是永磁體的不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)——航空推進(jìn)電機(jī)通常采用高磁能積的釹鐵硼永磁材料，其矯頑力對(duì)溫度高度敏感。當(dāng)短路電流產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫超過永磁體的熱穩(wěn)定性極限時(shí)，退磁將不可逆轉(zhuǎn)，電機(jī)即使在保護(hù)停機(jī)和故障隔離后也無法恢復(fù)正常運(yùn)行能力。

再者是相間隔離問題。在多相電機(jī)中，各相繞組之間的磁耦合通過互感路徑傳播故障能量。當(dāng)故障相的短路電流通過磁路耦合在健康相中感應(yīng)出額外的電流分量時(shí)，將干擾剩余相的電流波形，造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，甚至導(dǎo)致健康相的過載。因此，抑制相間互感、增強(qiáng)各相繞組間的物理和電磁隔離，是提升電機(jī)容錯(cuò)能力的另一重要維度。

綜上所述，電動(dòng)飛機(jī)的推廣離不開推進(jìn)電機(jī)安全性的兜底保障。如何使永磁電機(jī)在保持高功率密度和良好轉(zhuǎn)矩性能的前提下，具備強(qiáng)大的短路電流自抑制能力和相間隔離能力，是當(dāng)前電機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域亟待突破的核心問題。

二、永磁電機(jī)容錯(cuò)能力研究

2.1 容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則

容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)可以概括為三個(gè)層面：故障前保持正常性能、故障時(shí)限制故障傳播、故障后維持降額運(yùn)行能力。在電機(jī)本體層面，容錯(cuò)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下基本原則：其一，限制故障電流幅值，使短路電流不超過電機(jī)熱容量和永磁體退磁安全閾值；其二，增強(qiáng)各相之間的電磁隔離，防止故障從一相傳播至其他相；其三，在部分相退出運(yùn)行后，剩余的健全相仍能以可接受的轉(zhuǎn)矩品質(zhì)繼續(xù)工作，為飛機(jī)安全降落提供足夠的剩余推力。

從設(shè)計(jì)路徑來看，容錯(cuò)能力的提升可分為本體被動(dòng)容錯(cuò)和系統(tǒng)主動(dòng)容錯(cuò)兩個(gè)層面。前者通過在電機(jī)鐵心結(jié)構(gòu)、繞組拓?fù)涞葘用孢M(jìn)行優(yōu)化，使電機(jī)自身具備固有的故障抑制特性；后者則依賴于故障檢測(cè)、隔離算法和控制策略重構(gòu)，在故障發(fā)生后通過改變逆變器調(diào)制方式和電流分配策略來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行。本文討論的模塊化繞組結(jié)構(gòu)屬于本體被動(dòng)容錯(cuò)范疇，其優(yōu)勢(shì)在于不依賴外部控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)短路電流的固有抑制，從根本上降低了故障發(fā)生時(shí)的初始危害程度。

2.2 定子結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法

電機(jī)本體容錯(cuò)設(shè)計(jì)的主流技術(shù)路線之一，是通過改變定子的物理和磁路結(jié)構(gòu)來抑制短路故障。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一方向進(jìn)行了大量探索。

一種具有代表性的技術(shù)方案是定子偏移型永磁容錯(cuò)電機(jī)。該結(jié)構(gòu)通過將相鄰相的定子齒沿圓周方向進(jìn)行微小偏移，使各相繞組所匝鏈的磁路具有更高的漏磁分量，從而增加相繞組的自感，抑制短路電流。同時(shí)，定子齒的偏移也在空間上增大了各相繞組之間的物理距離和磁阻，改善了相間隔離。然而，這種結(jié)構(gòu)改變了氣隙磁場(chǎng)的空間分布，使齒槽區(qū)域的氣隙磁導(dǎo)發(fā)生周期性畸變，導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩明顯增大。齒槽轉(zhuǎn)矩的增大在電動(dòng)飛機(jī)應(yīng)用中尤為不利，因?yàn)樗苯愚D(zhuǎn)化為飛行中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和機(jī)身振動(dòng)，影響飛行舒適性和結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

另一類技術(shù)路線是在定子齒中引入徑向氣隙或輔助槽等結(jié)構(gòu)，形成定子模塊化磁路。例如，針對(duì)混合勵(lì)磁永磁電機(jī)，有學(xué)者提出了在定子齒引入徑向氣隙的模塊化結(jié)構(gòu)，通過解析磁路模型和有限元仿真驗(yàn)證了其降低匝間短路電流的效果。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，該定子模塊化方案可使短路電流降低約16.38%，電機(jī)的可靠性得到相應(yīng)提升。這類方案的核心思想是通過在磁路中串聯(lián)額外的氣隙磁阻來提高繞組自感，但代價(jià)是增大了漏磁通，降低了主磁通的利用效率。

還有研究探索了改變定子齒空間分布以實(shí)現(xiàn)相間磁隔離的方案。通過將每個(gè)相的定子齒在空間上與其他相隔離，并利用寬大的軛部或隔離齒實(shí)現(xiàn)磁路解耦，可以在物理層面阻斷故障相磁通向健康相的耦合路徑。然而，這類方案同樣會(huì)引入齒槽轉(zhuǎn)矩增大和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)惡化的問題。

此外，閉口槽方案通過采用半封閉或全封閉槽口設(shè)計(jì)，利用槽口區(qū)域的磁飽和效應(yīng)增加繞組漏感，從而抑制短路電流。漏感增加的優(yōu)點(diǎn)是不需要改變定子鐵心的主要幾何尺寸，但槽口磁飽和會(huì)導(dǎo)致漏磁通比例過高，降低功率因數(shù)，并使永磁體的有效磁通利用率下降。

有學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)定子結(jié)構(gòu)與C形、E形和模塊化三種定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比研究。結(jié)果表明，后三種結(jié)構(gòu)在短路電流抑制和永磁體抗退磁能力方面均優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的共性問題。這表明，在容錯(cuò)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，容錯(cuò)能力的提升往往伴隨著轉(zhuǎn)矩品質(zhì)的犧牲，如何在二者之間取得平衡是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。

2.3 多相繞組與冗余驅(qū)動(dòng)

在系統(tǒng)層面，多相繞組和冗余驅(qū)動(dòng)架構(gòu)是提升電機(jī)容錯(cuò)能力的另一重要途徑。其基本思想是通過增加相數(shù)或繞組套數(shù)，使電機(jī)具備固有的冗余能力——當(dāng)某一相或某一套繞組發(fā)生故障時(shí)，只需將其從系統(tǒng)中隔離，剩余的正常繞組仍可維持電機(jī)的基本運(yùn)行。

多三相永磁電機(jī)系統(tǒng)是這一技術(shù)路線的代表方案。該類系統(tǒng)將電機(jī)設(shè)計(jì)為多套三相繞組并聯(lián)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)形式，每一套繞組由獨(dú)立的逆變器驅(qū)動(dòng)和電源供電。在正常運(yùn)行時(shí)，各套繞組協(xié)同工作；當(dāng)其中一套繞組發(fā)生短路或開路故障時(shí)，控制系統(tǒng)檢測(cè)到故障并迅速將故障套組從系統(tǒng)中切除，剩余套組通過電流重分配維持轉(zhuǎn)矩輸出。在航空航天等高可靠性領(lǐng)域，多三相永磁電機(jī)系統(tǒng)因其強(qiáng)容錯(cuò)特性受到廣泛關(guān)注，相關(guān)研究重點(diǎn)包括電機(jī)本體的被動(dòng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)、強(qiáng)短路電流抑制技術(shù)、多單元電機(jī)間的高效協(xié)同控制技術(shù)以及故障后的歸一化容錯(cuò)控制策略等。

在三通道三相永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)由三套相互獨(dú)立的集中繞組構(gòu)成，每套繞組配以獨(dú)立的功率逆變器和獨(dú)立電源。正常運(yùn)行狀態(tài)下，三套繞組均參與出力，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)額定功率輸出；當(dāng)某一套繞組發(fā)生故障時(shí)，該套繞組被從電路中斷開，剩余兩套繞組通過提高輸出功率補(bǔ)償功率缺口，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行。這種方案的優(yōu)勢(shì)在于故障隔離簡(jiǎn)單高效——只需切除故障套組即可，不需要對(duì)電機(jī)本體進(jìn)行復(fù)雜的故障重構(gòu)。但代價(jià)是系統(tǒng)復(fù)雜度增加，需要三套完整的功率電子和電源系統(tǒng)，這在重量和體積上對(duì)航空應(yīng)用構(gòu)成一定的負(fù)擔(dān)。

值得注意的是，多相繞組方案與容錯(cuò)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間存在協(xié)同優(yōu)化的空間。通過將模塊化定子結(jié)構(gòu)與多套獨(dú)立集中繞組相結(jié)合，可以在實(shí)現(xiàn)磁路解耦的同時(shí)，保持電路上的獨(dú)立控制能力，從而在故障隔離的兩個(gè)維度——電磁隔離和電路隔離——同時(shí)獲得增強(qiáng)效果。

三、不同繞組連接方式對(duì)電機(jī)容錯(cuò)能力的影響

3.1 分?jǐn)?shù)槽集中繞組與容錯(cuò)能力

繞組連接方式是影響電機(jī)容錯(cuò)能力的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)之一，其影響主要體現(xiàn)在自感水平、互感耦合程度及磁動(dòng)勢(shì)諧波分布三個(gè)維度。在容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)中，分?jǐn)?shù)槽集中繞組憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)受到特別關(guān)注。

分?jǐn)?shù)槽集中繞組的定義為每極每相槽數(shù)小于1的繞組結(jié)構(gòu)。在容錯(cuò)設(shè)計(jì)的語(yǔ)境下，滿足槽數(shù)Z與極對(duì)數(shù)p的關(guān)系Z=2p±i的極槽配合被認(rèn)為特別有利于模塊化繞組的構(gòu)造。這類繞組結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特征是每個(gè)線圈僅圍繞一個(gè)定子齒進(jìn)行繞制，各相線圈在空間上相對(duì)集中，不與其他相線圈共享定子槽。這種物理上的分離為相間電磁隔離提供了天然的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究表明，采用軸裂相整數(shù)槽集中繞組設(shè)計(jì)的永磁容錯(cuò)電機(jī)，由于其繞組結(jié)構(gòu)的獨(dú)特空間分布，對(duì)匝間短路故障具有良好的抑制效果。

分?jǐn)?shù)槽集中繞組的另一個(gè)有利特征是其較豐富的繞組漏感分量。與分布繞組相比，集中繞組由于端部長(zhǎng)度短、互感耦合路徑少、漏磁路徑相對(duì)延長(zhǎng)，在同等主磁通條件下往往具有更高的漏感。漏感的提升直接轉(zhuǎn)化為短路回路阻抗的增加，從而減小短路電流的穩(wěn)態(tài)幅值。

3.2 繞組相移角度對(duì)短路電流的影響

在多相繞組設(shè)計(jì)中，不同相之間的電角度偏移不僅影響電機(jī)的正常轉(zhuǎn)矩特性，也顯著影響短路故障時(shí)的電流響應(yīng)。以雙三相繞組結(jié)構(gòu)為例，眾所周知，當(dāng)兩套三相繞組之間相移30°時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能最優(yōu)—空間諧波得到最大程度的消除，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小。然而，這一被認(rèn)為最有利于正常運(yùn)行的相移角度，在短路故障場(chǎng)景下的表現(xiàn)卻不盡如人意。

以48槽22極永磁電機(jī)為研究對(duì)象的對(duì)比分析表明，分別采用7.5°、15°和30°相移結(jié)構(gòu)時(shí)，7.5°相移結(jié)構(gòu)的短路電流幅值最小，而30°相移結(jié)構(gòu)雖然轉(zhuǎn)矩品質(zhì)最好，但短路電流抑制能力反而最弱。對(duì)于24槽10極的永磁電機(jī)，則發(fā)現(xiàn)15°的繞組結(jié)構(gòu)更有利于短路電流的抑制。該現(xiàn)象的背后機(jī)理在于：不同相移角度改變了各相繞組函數(shù)之間的空間相位關(guān)系，進(jìn)而影響故障相短路電流在非故障相中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)幅值和相位。當(dāng)相移角度使得非故障相的反電動(dòng)勢(shì)與故障相電流之間的耦合關(guān)系更加有利于抵消短路磁動(dòng)勢(shì)時(shí)，短路電流便可得到有效抑制。

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)具有重要的啟示：最優(yōu)的繞組相移角度需要在正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩品質(zhì)和故障條件下的電流抑制能力之間進(jìn)行綜合權(quán)衡，這是容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)中不可回避的多目標(biāo)優(yōu)化問題。

3.3 模塊化繞組的相間隔離特性

繞組模塊化的核心思想是通過巧妙的繞組連接方式重組，使原本分散分布的同一相繞組線圈在定子圓周上集中排布，形成空間上相對(duì)獨(dú)立、電磁上彼此解耦的各個(gè)相模塊。這種結(jié)構(gòu)的直接效果是相間互感的顯著降低。

已有研究總結(jié)了多種模塊化繞組結(jié)構(gòu)的適用槽極配合關(guān)系。在這類結(jié)構(gòu)中，各相繞組的線圈集中排布在相鄰的數(shù)個(gè)槽內(nèi)，不相鄰的相之間在物理上被空氣區(qū)域或無繞組定子齒所阻隔，磁場(chǎng)耦合路徑被有效切斷。即使對(duì)于相鄰的兩個(gè)相，由于線圈的集中排布使得繞組端部和槽內(nèi)導(dǎo)體的空間距離增大，互感幅值也大為降低。需要指出的是，傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中，部分模塊化繞組結(jié)構(gòu)需要引入專用的隔離齒或增大某些定子齒的寬度來增強(qiáng)相間磁阻，這種幾何尺寸的改變會(huì)不可避免地影響氣隙磁導(dǎo)分布，導(dǎo)致附加的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成分。

因此，如何在實(shí)現(xiàn)模塊化繞組電磁解耦優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，避免定子鐵心物理結(jié)構(gòu)的改變帶來的副作用，是模塊化繞組設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)。下文將要介紹的方案正是從這一角度出發(fā)，不改變定子齒槽幾何尺寸，僅通過改變繞組引出線的連接方式即可實(shí)現(xiàn)相間隔離度的提升。

四、模塊化繞組結(jié)構(gòu)方案

4.1 槽電勢(shì)星形圖的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

槽電勢(shì)星形圖是分析和設(shè)計(jì)交流電機(jī)繞組的經(jīng)典工具，其本質(zhì)是將定子各槽中導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的基波分量的空間相位關(guān)系以矢量圖的形式直觀呈現(xiàn)。每個(gè)槽對(duì)應(yīng)一個(gè)矢量，矢量的方向代表該槽導(dǎo)體中感應(yīng)電勢(shì)在電氣角中的相位角，矢量的模代表感應(yīng)電勢(shì)的幅值。通過觀察槽電勢(shì)星形圖中矢量的空間分布規(guī)律，可以系統(tǒng)地確定各線圈之間的連接方式，從而構(gòu)造出滿足特定電磁性能要求的繞組結(jié)構(gòu)。

在模塊化繞組的設(shè)計(jì)中，槽電勢(shì)星形圖的關(guān)鍵作用在于揭示哪些槽的電勢(shì)矢量在方向上接近或相反。將電勢(shì)矢量方向相近或相反的槽中導(dǎo)體繞制成同一相的線圈，可以實(shí)現(xiàn)該相繞組磁鏈的最大化耦合，同時(shí)使該相線圈在空間上相對(duì)集中。

以18槽16極九相永磁電機(jī)為具體設(shè)計(jì)對(duì)象展開分析。在18槽16極這一極槽配合下，槽距角應(yīng)為160°電角度，槽電勢(shì)星形圖中各矢量呈現(xiàn)特定的空間分布模式。通過對(duì)矢量分布規(guī)律的觀察可以發(fā)現(xiàn)，將相鄰兩槽的槽電勢(shì)矢量進(jìn)行反接（即將其中的一個(gè)線圈正向連接，另一個(gè)線圈反向連接），即可自然地將同一相的兩個(gè)線圈安排在相鄰的定子齒上，實(shí)現(xiàn)每相繞組的集中排布。這種利用矢量反接實(shí)現(xiàn)集中排布的方法，不需要改變定子鐵心的任何幾何參數(shù)，僅需調(diào)整繞組引出線的極性即可完成從傳統(tǒng)繞組到模塊化繞組的轉(zhuǎn)換。

4.2 傳統(tǒng)繞組與模塊化繞組的結(jié)構(gòu)對(duì)比

傳統(tǒng)九相繞組結(jié)構(gòu)中，同一相的各個(gè)線圈分布在定子圓周的不同位置，甚至跨過圓心分布于兩側(cè)。以18槽16極電機(jī)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為例，每一相包含兩個(gè)線圈，這兩個(gè)線圈在定子圓周上的位置相隔較大角度，使得該相繞組的空間分布較為分散。在這種排布方式下，不同相繞組的線圈在定子圓周上相互交錯(cuò)，同一齒槽內(nèi)可能存在屬于不同相的線圈邊，這在電磁上導(dǎo)致了相與相之間較強(qiáng)的互感耦合路徑。

模塊化繞組結(jié)構(gòu)則遵循完全不同的排布邏輯。通過前述的相鄰槽矢量反接方法，實(shí)現(xiàn)了同一相各線圈在空間上的集中排列——即一相的所有線圈圍繞在相互鄰接的少量定子齒上。具體到18槽16極九相電機(jī)的案例，相鄰兩槽的槽矢量經(jīng)反接后構(gòu)成同一相的線圈，這兩個(gè)線圈緊密相鄰，與其他相線圈之間不再交錯(cuò)分布。

從定子圓周的整體視角來看，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各相繞組函數(shù)在空間上存在大幅度的重疊，相鄰相之間、甚至不相鄰的相之間均存在較強(qiáng)的磁路耦合。而模塊化繞組結(jié)構(gòu)中，每一相的繞組函數(shù)在空間上是局域化的、不重疊的，各相繞組在空間上自然形成獨(dú)立的模塊單元。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在根本上切斷了相間磁場(chǎng)耦合的主要通路，為降低互感和提升相間隔離度提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在上述兩種結(jié)構(gòu)的對(duì)比中，除了繞組線圈之間的連接方式不同以外，電機(jī)的定子鐵心幾何尺寸、齒槽形狀、永磁體尺寸和排布、氣隙長(zhǎng)度等所有電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)均保持一致。這種“唯一變量”的對(duì)比設(shè)計(jì)確保了后續(xù)性能差異的歸因是清晰明確的——所有觀測(cè)到的性能改善應(yīng)純粹來源于繞組連接方式的改變。

4.3 繞組函數(shù)與磁動(dòng)勢(shì)諧波分析

繞組函數(shù)是描述繞組在空間分布特性的有力數(shù)學(xué)工具。其定義為N(θ)=n(θ)?avg(n(θ))，其中n(θ)為匝數(shù)函數(shù)，表示在角度位置θ處沿定子圓周方向的線圈匝數(shù)分布；avg(n(θ))為匝數(shù)函數(shù)沿圓周的平均值。繞組函數(shù)本質(zhì)上表征了繞組沿定子圓周的空間分布規(guī)律，其傅里葉級(jí)數(shù)展開直接決定了電樞磁動(dòng)勢(shì)的諧波含量。

對(duì)于傳統(tǒng)九相繞組結(jié)構(gòu)，18槽16極電機(jī)可視為三組三相繞組的組合，相鄰三相組之間的相移角度為40°。這種特定的空間相位關(guān)系使得傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠消除某些階次的磁動(dòng)勢(shì)諧波：2次、4次、16次、20次等階次的諧波在合成磁動(dòng)勢(shì)中被自然抵消。這是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)行條件下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小的主要物理原因。

對(duì)于模塊化繞組結(jié)構(gòu)，由于同一相線圈的集中排布改變了繞組函數(shù)的空間分布形態(tài)，磁動(dòng)勢(shì)的諧波含量發(fā)生了顯著變化。首先，模塊化繞組結(jié)構(gòu)的單相磁動(dòng)勢(shì)諧波含量明顯比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為豐富，原因在于集中排布使得單相繞組函數(shù)的空間分布更偏離正弦，諧波分解后各次諧波的權(quán)重相對(duì)均勻。其次，在合成磁動(dòng)勢(shì)層面，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所具備的某些諧波對(duì)消效應(yīng)在模塊化結(jié)構(gòu)中不完全保留，因此合成磁動(dòng)勢(shì)的諧波含量也更為豐富。

從基波角度看，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊化繞組結(jié)構(gòu)的基波繞組因數(shù)分別約為0.985和0.970。后者略微降低，這是由于模塊化繞組改變了繞組的系數(shù)分布效應(yīng)——集中排布的線圈雖然有利于提高自感，但基波繞組因數(shù)不可避免地受到輕微影響。值得注意的是，繞組因數(shù)的降幅僅為約1.5%，這為后續(xù)幾乎不犧牲轉(zhuǎn)矩性能的結(jié)論提供了理論基礎(chǔ)。單相磁動(dòng)勢(shì)諧波含量的豐富性在容錯(cuò)設(shè)計(jì)中是一個(gè)有利因素，因?yàn)樗馕吨鴨蜗嗬@組的自感更高——磁動(dòng)勢(shì)的每一次諧波都對(duì)應(yīng)著一定的電感貢獻(xiàn)，諧波越豐富，自感的諧波分量疊加效果越明顯。

五、模塊化繞組結(jié)構(gòu)的短路電流抑制原理

5.1 電感與短路電流的理論關(guān)系

短路電流的抑制能力是衡量永磁電機(jī)容錯(cuò)性能的核心指標(biāo)。要理解模塊化繞組結(jié)構(gòu)抑制短路電流的機(jī)理，首先需要從電路理論上揭示電感參數(shù)與穩(wěn)態(tài)短路電流之間的定量關(guān)系。

當(dāng)電機(jī)某一相發(fā)生短路故障時(shí)，該相繞組形成閉合回路。根據(jù)等效電路模型，在忽略繞組電阻（電抗遠(yuǎn)大于電阻）的簡(jiǎn)化假設(shè)下，穩(wěn)態(tài)短路電流的幅值近似與永磁體磁鏈除以繞組自感成正比關(guān)系。因此，在永磁體磁鏈基本不變的條件下，提升相繞組的自感是抑制短路電流幅值最直接、最有效的途徑。

從繞組函數(shù)理論出發(fā)，一相繞組的自感可由該相繞組函數(shù)的自平方沿氣隙周向的積分來表示。繞組函數(shù)中每一次空間諧波分量都對(duì)自感產(chǎn)生獨(dú)立的貢獻(xiàn)項(xiàng)，且貢獻(xiàn)大小與該次諧波幅值的平方成正比。因此，繞組函數(shù)中諧波含量越豐富，自感的累積值越高。這正是上一節(jié)所分析的模塊化繞組結(jié)構(gòu)磁動(dòng)勢(shì)諧波含量更豐富所導(dǎo)致的直接電磁效應(yīng)。

除了自感的直接貢獻(xiàn)外，繞組電阻雖然在穩(wěn)態(tài)短路電流的幅值計(jì)算中屬于次要因素，但在短路暫態(tài)過程中對(duì)電流峰值的抑制具有重要作用。不過，從設(shè)計(jì)角度而言，依靠增加繞組電阻來抑制短路電流并不可取，因?yàn)殡娮柙龃髸?huì)同時(shí)增加正常運(yùn)行的銅耗，降低電機(jī)的效率。相比之下，通過增大電感來抑制短路電流是在不犧牲運(yùn)行效率的前提下實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)能力提升的理想途徑。

5.2 單相磁動(dòng)勢(shì)諧波與自感增強(qiáng)機(jī)制

進(jìn)一步從物理本質(zhì)上理解模塊化繞組結(jié)構(gòu)自感增強(qiáng)的機(jī)制，需要考察單相磁動(dòng)勢(shì)諧波的空間分解特性。單相繞組的磁動(dòng)勢(shì)空間分布直接取決于繞組函數(shù)，當(dāng)繞組函數(shù)因線圈集中排布而偏離正弦分布時(shí)，其傅里葉展開將包含豐富的奇次和偶次諧波分量。每一諧波分量對(duì)應(yīng)一組特定極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)波，這些諧波磁動(dòng)勢(shì)在氣隙中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的諧波磁場(chǎng)。從電磁能量轉(zhuǎn)換的角度看，這些諧波磁場(chǎng)同樣能夠與該相繞組的導(dǎo)體發(fā)生磁鏈耦合，從而對(duì)自感產(chǎn)生貢獻(xiàn)。

具體而言，一相自感可以表示為各次諧波磁動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)電感分量的求和。在模塊化繞組結(jié)構(gòu)中，由于線圈集中排布，低次空間諧波和高次空間諧波的含量均有所增加，這些新增的諧波分量在電感求和公式中提供了額外的正貢獻(xiàn)項(xiàng)，從而使自感總值增大。反之，傳統(tǒng)繞組結(jié)構(gòu)由于線圈分布更為均勻，空間磁動(dòng)勢(shì)更接近正弦分布，諧波含量較低，自感相對(duì)較小。

還有一個(gè)值得注意的機(jī)理是：集中排布的線圈之間在空間上更為靠近，相鄰線圈導(dǎo)體的鄰近效應(yīng)使得槽漏感也有所增大。槽漏感雖然不是主磁路電感的一部分，但它同樣對(duì)短路回路的總電感產(chǎn)生貢獻(xiàn)，因此也有利于短路電流的抑制。

5.3 一相短路等效電路模型

為定量分析短路電流與自感之間的關(guān)系，可以建立一相短路時(shí)的等效電路模型。以A相發(fā)生短路為例，正常相B、C……繼續(xù)由逆變器供電或處于開路狀態(tài)。故障相A的電壓方程中，端電壓降為零，永磁體在A相繞組中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)短路電流流經(jīng)A相繞組的自感和電阻。在電阻分量相對(duì)于感抗較小的高頻或高電感電機(jī)中，短路電流近似為反電動(dòng)勢(shì)幅值除以自感電抗。這一簡(jiǎn)潔的定量關(guān)系直觀地說明了：增大自感即可等比例地減小短路電流。模塊化繞組結(jié)構(gòu)正是通過提升自感這一電磁參數(shù)來達(dá)成短路電流抑制的目的。

此外，還需要考慮互感耦合對(duì)短路電流的影響。正常相電流通過互感在故障相中感應(yīng)附加的電壓分量，通常會(huì)對(duì)短路電流產(chǎn)生影響。但在理想情況下，如果正常相的電流可以適時(shí)調(diào)節(jié)為零或保持較小的幅值，則互感的貢獻(xiàn)相對(duì)有限。因此，抑制互感同樣有助于降低正常相電流對(duì)故障相短路電流的助增效應(yīng)，進(jìn)一步限制故障嚴(yán)重程度。

六、有限元仿真與性能對(duì)比驗(yàn)證

6.1 仿真模型與參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證前述理論分析的準(zhǔn)確性和模塊化繞組結(jié)構(gòu)的實(shí)際抑制效果，采用有限元數(shù)值仿真方法對(duì)18槽16極九相永磁電機(jī)的傳統(tǒng)繞組和模塊化繞組兩種方案進(jìn)行了系統(tǒng)的性能對(duì)比。有限元模型包含定子鐵心、電樞繞組、永磁體和轉(zhuǎn)子軛等全部電磁結(jié)構(gòu)部件。兩種方案的定子鐵心幾何尺寸、齒槽形狀、永磁體牌號(hào)和尺寸、氣隙長(zhǎng)度、鐵心材料等參數(shù)完全相同，唯一的差異在于繞組線圈之間的連接關(guān)系。模塊化繞組結(jié)構(gòu)通過將相鄰兩槽的線圈反向串聯(lián)實(shí)現(xiàn)了一相線圈的集中排布，具體映射關(guān)系如前所述由槽電勢(shì)星形圖的分析給出。

仿真在額定轉(zhuǎn)速、額定工作點(diǎn)的條件下進(jìn)行，計(jì)算了兩種結(jié)構(gòu)在正常工況和單相短路故障工況下的多組電磁性能數(shù)據(jù)。

6.2 電樞磁動(dòng)勢(shì)諧波對(duì)比

單相磁動(dòng)勢(shì)的諧波分析顯示，模塊化繞組結(jié)構(gòu)的單相磁動(dòng)勢(shì)含有更豐富的諧波成分，各次諧波的幅值分布更為均勻。這一結(jié)果直接驗(yàn)證了前述“模塊化繞組結(jié)構(gòu)磁動(dòng)勢(shì)諧波含量更豐富”的理論判斷，也為自感的提升提供了諧波層面的物理依據(jù)。

在合成磁動(dòng)勢(shì)方面，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頻譜中確實(shí)不存在2次、4次、16次、20次的階次諧波，驗(yàn)證了九相繞組諧波消除規(guī)律的解析推導(dǎo)。模塊化繞組結(jié)構(gòu)的合成磁動(dòng)勢(shì)中，這些階次的諧波有所顯現(xiàn)，但幅值可控。在基波層面，模塊化繞組結(jié)構(gòu)的基波磁動(dòng)勢(shì)幅值略低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降幅與基波繞組因數(shù)從0.985降至0.970的比例一致，二者相互印證。

6.3 空載反電勢(shì)分析

空載反電勢(shì)是反映電機(jī)電磁設(shè)計(jì)合理性的重要基礎(chǔ)指標(biāo)。當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子繞組中感應(yīng)產(chǎn)生的空載反電勢(shì)波形和諧波總畸變率直接關(guān)系到電機(jī)的電壓波形質(zhì)量和系統(tǒng)控制性能。

兩種繞組結(jié)構(gòu)的空載反電勢(shì)主要諧波成分均為3次和5次諧波。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，模塊化繞組結(jié)構(gòu)的反電勢(shì)基波幅值和各次諧波幅值均有所降低，這與繞組因數(shù)的變化趨勢(shì)一致——基波繞組因數(shù)從0.985降至0.970，意味著在相同的永磁磁鏈條件下，模塊化繞組結(jié)構(gòu)每相繞組的感應(yīng)電勢(shì)略小。這一輕微降低的幅度很小，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力的影響幾乎可以忽略。

更為值得關(guān)注的是空載反電勢(shì)的波形正弦度。諧波總畸變率是衡量波形正弦度的參數(shù)，數(shù)值越低表示波形越接近理想正弦波。仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的空載反電勢(shì)諧波總畸變率為5.1%，而模塊化繞組結(jié)構(gòu)降低至3.7%，諧波含量下降了約27.5%。這表明模塊化繞組結(jié)構(gòu)雖然單相磁動(dòng)勢(shì)諧波含量更豐富，但感應(yīng)電勢(shì)的波形正弦度反而有所改善。其原因可能在于：模塊化繞組中各相線圈的集中排布使得各相感應(yīng)電勢(shì)的空間平均效應(yīng)發(fā)生變化，某些在合成磁動(dòng)勢(shì)中存在的諧波在單個(gè)繞組的感應(yīng)電勢(shì)中因線圈集中排布而衰減。

良好的反電勢(shì)正弦度對(duì)電動(dòng)飛機(jī)的意義在于：正弦度高的反電勢(shì)意味著轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的諧波激勵(lì)源更少，有利于減小振動(dòng)和噪聲，提升飛行品質(zhì)；同時(shí)也意味著控制系統(tǒng)可以更容易地實(shí)現(xiàn)高性能的矢量控制，不需要設(shè)置復(fù)雜的諧波電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

6.4 自感與短路電流抑制效果

自感與短路電流是衡量模塊化繞組結(jié)構(gòu)容錯(cuò)性能最直接、最核心的兩個(gè)指標(biāo)。

仿真計(jì)算的自感數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相繞組自感平均值約為921.7 μH，模塊化繞組結(jié)構(gòu)的自感平均值提升至約1210.3 μH，提升幅度達(dá)到31.3%。這一顯著的自感增幅直接來源于模塊化繞組結(jié)構(gòu)中更豐富的單相磁動(dòng)勢(shì)諧波含量，各次諧波的電感貢獻(xiàn)疊加效應(yīng)使自感總值獲得了可觀的增長(zhǎng)。

短路電流的有限元仿真采用將一相繞組在額定轉(zhuǎn)速下直接短路的邊界條件進(jìn)行。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)短路電流幅值約為35.5 A，而模塊化繞組結(jié)構(gòu)的短路電流幅值降低至約26.1 A，降幅約為26.5%，與自感提升31.3%的幅度基本對(duì)應(yīng)（按照短路電流與自感成反比的簡(jiǎn)化關(guān)系，31.3%的自感增幅對(duì)應(yīng)約23.8%的電流降幅，二者數(shù)值接近，誤差來自繞組電阻及互感耦合等因素的綜合影響）。

短路電流降低26.5%對(duì)于電機(jī)安全運(yùn)行的實(shí)際意義不容低估。短路電流與繞組銅損之間呈平方關(guān)系，26.5%的電流降幅對(duì)應(yīng)的銅損降低約46%，這意味著故障相的發(fā)熱速率幾乎減半。繞組的瞬時(shí)溫升由此得到有效控制，為故障檢測(cè)和保護(hù)動(dòng)作爭(zhēng)取到寶貴的時(shí)間窗口。同時(shí)，降低的峰值電流也減小了瞬時(shí)去磁磁動(dòng)勢(shì)的幅值，使永磁體的工作點(diǎn)更安全地遠(yuǎn)離退磁拐點(diǎn)，降低了不可逆退磁的發(fā)生概率。

6.5 互感與相間隔離性能

互感的幅值直接表征了相與相之間的電磁耦合程度。在故障情境下，互感越小，故障相電流對(duì)健康相的影響越弱，相間隔離效果越好。

仿真結(jié)果對(duì)比顯示，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相間互感平均值約為289.3 μH，而模塊化繞組結(jié)構(gòu)的互感平均值降至約115.7 μH，降低幅度高達(dá)60%。這一顯著的互感抑制效果得益于模塊化繞組中每相線圈的空間集中排布——不同相的線圈在定子圓周上不再交錯(cuò)分布，磁力線耦合路徑被有效切斷。

為了更直觀地體現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)的相間耦合差異，仿真中設(shè)計(jì)了僅對(duì)A相繞組通入額定電流的測(cè)試工況，提取A相自身產(chǎn)生的磁鏈以及與A相相鄰的B相和相隔相中的感應(yīng)磁鏈。結(jié)果顯示，模塊化繞組結(jié)構(gòu)中A相的自磁鏈幅值大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與前文自感增大的分析一致；而相鄰相和相隔相的感應(yīng)磁鏈幅值均小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這意味著模塊化繞組結(jié)構(gòu)下，某一相的磁場(chǎng)能量更集中地局限在自身模塊內(nèi)，向其他相的泄漏明顯減少。

電樞磁力線的空間分布為上述互感對(duì)比提供了直觀的物理解釋。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，一相激勵(lì)下產(chǎn)生的磁力線流經(jīng)較多的定子齒，穿越其他相繞組的有效截面面積較大，導(dǎo)致多相繞組之間磁鏈耦合廣泛。而模塊化繞組結(jié)構(gòu)中，磁力線集中分布在激勵(lì)相相鄰的數(shù)個(gè)齒中，其他相的繞組線圈所在區(qū)域磁力線稀疏，耦合程度顯著減弱。這種磁力線空間分布的差異正是自感提升和互感降低的物理根源所在。

6.6 轉(zhuǎn)矩性能對(duì)比

在電機(jī)容錯(cuò)設(shè)計(jì)中保持轉(zhuǎn)矩性能是一個(gè)眾所周知的難題，許多容錯(cuò)措施都以犧牲轉(zhuǎn)矩密度或增大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為代價(jià)。因此，對(duì)模塊化繞組結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩性能的評(píng)估具有重要的工程意義。

在額定電流激勵(lì)條件下，仿真得到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的平均輸出轉(zhuǎn)矩約為7.8 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)（峰峰值與平均值之比）約為3.4%。模塊化繞組結(jié)構(gòu)的平均輸出轉(zhuǎn)矩約為7.7 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)約為3.6%。對(duì)比可知，采用模塊化繞組結(jié)構(gòu)后，平均轉(zhuǎn)矩僅下降了約1.3%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)僅增加了0.2個(gè)百分點(diǎn)——這一變化幅度在工程上幾乎可以忽略不計(jì)。

平均轉(zhuǎn)矩的微弱下降是由于基波繞組因數(shù)從0.985降至0.970所帶來的基波磁動(dòng)勢(shì)減少所致。但下降幅度極為有限，說明模塊化繞組結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)正常工作的轉(zhuǎn)矩輸出能力幾乎沒有實(shí)質(zhì)性影響。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的輕微增加可能與合成磁動(dòng)勢(shì)中某些被傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)消除的諧波在模塊化結(jié)構(gòu)中重新出現(xiàn)有關(guān)，但增加幅度極小，不會(huì)對(duì)電動(dòng)飛機(jī)的飛行平穩(wěn)性造成可感知的影響。

將轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)與容錯(cuò)指標(biāo)進(jìn)行綜合比較，可以得出一個(gè)重要結(jié)論：模塊化繞組結(jié)構(gòu)在幾乎不犧牲轉(zhuǎn)矩性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了自感提升31.3%、短路電流降低26.5%以及互感降低60%的容錯(cuò)能力多維度提升。這種容錯(cuò)性能與正常運(yùn)行性能的非零和共贏，是該方案在航空推進(jìn)應(yīng)用中最具吸引力的特點(diǎn)。

七、永磁電機(jī)模塊化繞組結(jié)構(gòu)總結(jié)分析

電動(dòng)飛機(jī)作為航空業(yè)應(yīng)對(duì)環(huán)境約束和實(shí)現(xiàn)技術(shù)跨越的戰(zhàn)略方向，其安全性高度依賴于推進(jìn)電機(jī)在極端故障條件下的容錯(cuò)能力。短路故障引發(fā)的瞬時(shí)大電流是威脅電機(jī)完整性乃至飛行安全的直接因素，對(duì)其進(jìn)行有效抑制是容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

本文系統(tǒng)綜述了永磁容錯(cuò)電機(jī)在定子結(jié)構(gòu)改進(jìn)、多相繞組設(shè)計(jì)和模塊化繞組等方面的主要技術(shù)進(jìn)展，揭示了一個(gè)貫穿各種方案的共性規(guī)律：容錯(cuò)能力的提升通常伴隨著轉(zhuǎn)矩品質(zhì)的犧牲，兩者之間的平衡是設(shè)計(jì)的核心挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了一種基于槽電勢(shì)星形圖構(gòu)造的模塊化繞組結(jié)構(gòu)方案。該方案的核心創(chuàng)新在于不改變定子鐵心的物理幾何尺寸，僅通過優(yōu)化繞組線圈之間的連接關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)同一相線圈的空間集中排布。

理論分析和有限元仿真驗(yàn)證表明，該模塊化繞組方案通過以下三個(gè)層面的機(jī)制實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)能力與轉(zhuǎn)矩性能的兼顧：其一，豐富的單相磁動(dòng)勢(shì)諧波含量使相自感提升了31.3%，進(jìn)而在物理本質(zhì)上抑制了短路電流約26.5%，顯著降低了故障相的瞬時(shí)發(fā)熱速率和永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)；其二，每相線圈的集中排布和相同的空間解耦使相間互感降低了60%，有效阻斷了故障能量向健康相的傳播路徑，增強(qiáng)了相間隔離能力；其三，得益于基波繞組因數(shù)僅下降約1.5%，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩僅犧牲了1.3%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)僅增加0.2個(gè)百分點(diǎn)，正常運(yùn)行性能幾乎完好無損。

從電動(dòng)飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的角度審視，該模塊化繞組結(jié)構(gòu)方案提供了一條兼顧性能與安全的工程實(shí)現(xiàn)路徑。它啟示我們，通過繞組拓?fù)鋵用娴木?xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化，有望在不增加系統(tǒng)重量和復(fù)雜度的前提下，顯著提升推進(jìn)電機(jī)的固有容錯(cuò)能力。這種思路與電動(dòng)飛機(jī)對(duì)輕量化、高可靠性一體化的追求高度契合，對(duì)于推動(dòng)永磁容錯(cuò)電機(jī)在航空領(lǐng)域的工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值和實(shí)踐意義。

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