飞行器永磁同步电机定子相间短路保护方案

在航空领域，尤其是直升机等航空器中，永磁同步电机因其高功率质量密度，成为电动推进或混合动力架构的核心设备，承担着提供推进扭矩(电动机模式)或生成电能(发电机模式)的关键功能。此类电机的基本结构包含定子与转子，定子固定于航空器机匣部件，转子相对定子旋转且内置永磁体。定子通常设置三相，每相由绕组、控制支路和中性支路组成，控制支路连接至功率转换器(通常为逆变器/整流器)，所有中性支路汇聚于中性点形成电机公共端。

在运行过程中，定子的两相绕组可能意外接触形成短路点CC，转子的持续旋转会通过励磁磁通维持短路点CC与中性点之间的电流循环。由于绕组的阻抗极低，短路电流会迅速激增，引发定子部件过热甚至永久性损坏，严重威胁航空器飞行安全。因此，开发高效、可靠的定子相间短路保护方案，成为航空电机设计中的关键技术需求，既要避免现有解决方案的缺陷，又要满足航空器对设备轻量化、小型化、高集成度的严苛要求。

针对航空永磁同步电机的定子相间短路问题，现有技术提出的解决方案均存在显著缺陷，难以兼顾保护效果、设备性能与工程实用性，具体问题如下：

法国专利FR3057029A1提出通过添加机械解耦装置(如离合器或棘爪)，在检测到短路后停止转子旋转以切断短路电流。该方案的核心逻辑是从短路电流的源头(转子励磁)入手，通过机械制动终止能量供给。但航空器用永磁同步电机的转子通常与推进系统或传动链刚性连接，机械解耦装置需要承受极大的瞬时扭矩，导致其必须采用高强度材料制造，进而带来两大问题：一是装置自身质量庞大，与航空器“减重增效”的设计理念冲突，增加了整机负载；二是制造成本高昂，且机械结构的集成难度大，需要对电机与传动系统的连接方式进行大幅改造，兼容性差，难以适配现有航空电机的安装布局。此外，机械制动的响应速度较慢，短路电流在制动过程中仍会持续一段时间，无法完全避免绕组的过热损坏。

另一类方案是将电机设计为可承受短路直至航空器着陆，具体通过加厚绕组的导线截面或增强绝缘层厚度来提升短路耐受能力。该方案看似直接有效，但存在不可忽视的性能牺牲：首先，绕组和绝缘层的强化会显著增加定子的体积与重量，破坏永磁同步电机高功率质量密度的核心优势，导致电机效率下降——绝缘层增厚会增大绕组铜损，导线加粗则增加了电机的转动惯量；其次，这种“被动承受”的保护方式并未从根本上切断短路电流，仅能延长电机损坏的时间窗口，无法避免绕组、定子铁芯等关键部件在短路过程中受到的累积损伤，可能导致电机在着陆后无法正常使用，增加了维护成本与停机时间；最后，强化设计需按最恶劣的短路场景预留冗余，导致电机在正常运行时的能耗与尺寸均处于非最优状态，不符合航空设备的能效要求。

法国专利FR3091060A1提出从热力发电系统抽取热空气，注入电机转子区域，使永磁体达到居里温度从而丧失 ferromagnetic性能，切断励磁磁通以终止短路电流。该方案的核心是通过永磁体失磁实现电流切断，但存在致命缺陷：热空气的注入会使电机内部温度急剧升高，远超正常运行的温度阈值。高温不仅会损坏定子的绝缘层、绕组的导线材料，还可能影响功率转换器等关联设备的稳定性，导致二次故障；此外，永磁体在居里温度下的失磁可能是永久性的，即使短路故障解除，电机也无法恢复正常励磁功能，需更换永磁体才能修复，维护成本极高；同时，热空气的抽取与传输需要额外的管路系统，增加了设备的复杂性与集成难度，且热空气的温度控制精度要求高，实际工程应用中易出现失磁不完全或过度加热的问题。

现有方案的共同短板是未能针对性解决短路电流的“快速激增”问题。如图1、2所示，当定子1的两个绕组130(对应本文后续的绕组12)接触形成短路点CC后，转子2的旋转会持续产生励磁磁通，在短路点CC与中性点150(对应本文的中性点14)之间形成闭合回路。由于绕组130的阻抗极低，根据欧姆定律，短路电流会在毫秒级时间内达到峰值，现有机械解耦、热空气失磁等方案的响应速度均无法匹配这一特性，导致保护动作完成前，绕组已遭受不可逆的过热损坏；而强化绕组/绝缘的方案则是通过牺牲电机常规性能来被动应对，未能从保护机制上实现突破。

图1 是现有技术中与功率转换器相连的永磁同步电机的示意图

图2 是图1中永磁同步电机定子两相之间发生短路的示意图

本文提出的航空电机定子相间短路保护方案，通过在定子中性支路配置可切换的保护元件，结合精准的电流测量与自动控制逻辑，实现了短路故障的快速检测与靶向切断，从根本上解决了现有技术的缺陷。该方案的核心设计围绕“保护元件的优化配置、控制-测量系统的协同、保护流程的高效执行”三大维度展开，具体细节如下：

本方案的核心创新在于将保护元件5直接集成于定子1的中性支路13，而非传统的控制支路或电机内部，形成“中性支路断流”的保护机制。如图3、图4所示，电机3的基本结构仍包含定子1、转子2、三相10(每相10由绕组12、控制支路11、中性支路13组成)、功率转换器4(逆变器/整流器)，所有中性支路13汇聚于中性点14。保护元件5被安装在至少一个相10的中性支路13上，且中性支路13上安装保护元件5的部分延伸至定子1的外部壳体15之外。

图3 是根据本发明一个实施例的与功率转换器相连

且配备有保护机构的永磁同步电机的示意图

图4 是图3中永磁同步电机的示意图，其中未示出转子

这一安装布局具有关键优势：首先，外部安装避免了保护元件5受到定子1内部高温、电磁干扰的影响，延长了使用寿命；其次，便于维护人员进行检修、更换，降低了维护难度；最后，无需对定子1的内部结构进行改造，兼容性强，可适配径向磁通、反向径向磁通、轴向磁通等多种类型的永磁同步电机。

为确保对任意两相短路的全面覆盖，方案优选在定子1的N-1个相10的中性支路13上安装保护元件5(N为定子相数，通常为3)。如图3、图4所示，对于三相10的电机，仅在两个相的中性支路13上安装保护元件5即可实现全场景保护——由于短路故障必然涉及两相，而N-1个保护元件已覆盖所有可能的故障组合，只要切断其中一相的中性支路电流，即可打破短路回路的完整性，终止电流循环。若需更全面的保护，也可在所有相10的中性支路13上安装保护元件5(如图5所示)，进一步提升保护的冗余度。

图5 是根据本发明另一个实施例的永磁同步电机的示意图

其中未示出转子

此外，方案对中性点14的位置进行了优化设计：一是将中性点14设置于定子1的外部壳体15之外，使所有中性支路13的汇聚点暴露在外，便于保护元件5的安装与布线；二是可将中性点14设置于功率转换器4的外部壳体40内部(图3、图4)，使中性支路13从定子1延伸至功率转换器4的过程中，保护元件5可安装在两者之间的外部区域，既简化了布线，又提升了保护元件5的可访问性，同时便于与功率转换器4的控制系统协同。

保护元件5是实现短路切断的执行单元，设计为“双状态切换”结构，即包含 inactive状态P1与保护状态P2：在 inactive状态P1(图3、图4)，保护元件5保持导通，允许电流在中性支路13正常流通，不影响电机的常规运行；在保护状态P2(图6、图7)，保护元件5快速断开，切断对应中性支路13的电流，打破短路回路。根据电机的相数、安装空间与成本需求，保护元件5提供两种实现形式：

图6 是根据本发明一个实施方式、在定子两相之间发生短路时，图3中永磁同步电机的保护方法示意图

图7 是根据本发明一个实施方式、在功率转换装置内部发生短路时，图3中永磁同步电机的保护方法示意图

如图3、图4所示，双极型保护元件5为独立单元，每个保护元件5仅安装于一个相10的中性支路13。该形式的优势在于结构简单、成本低廉，且可实现“靶向切断”——当检测到特定两相短路时，仅需激活故障相关相的保护元件5，无需切断所有相的电流，使未故障相仍可维持基本运行(若电机设计支持降级运行)。例如，在三相电机中，若A、B两相发生短路，仅需激活A相或B相的保护元件5，即可切断短路电流，C相仍可通过正常回路工作，提升了电机运行的冗余性。

如图5所示，多极型保护元件5为集成单元，可同时安装于多个相10的中性支路13(优选覆盖所有相)。“多极型”指该元件包含超过两个电极，每个电极对应一个相的中性支路13，例如三相电机的多极型保护元件5为六极结构，包含三个输入电极与三个输出电极，分别连接三相的中性支路13与中性点14。该形式的优势在于集成度高，可减少保护元件的数量，降低体积与重量，且便于同步控制——激活保护状态P2时，可同时切断所有相的中性支路电流，无需定位故障相，进一步缩短保护响应时间。

无论双极型还是多极型保护元件5，其核心均为开关单元，方案优选三种开关类型：半导体功率控制器(SSPC)、电磁继电器(EMR)、静态继电器(SSR)或烟火熔断器(PSS)，其中SSPC为最优选择[0054]。SSPC具有体积小、重量轻、响应速度快(微秒级)、无机械磨损的优势，完全匹配航空电机短路电流的快速激增特性；EMR与SSR成本较低，适用于对响应速度要求稍低的场景；烟火熔断器(PSS)则适用于极端环境，可通过烟火触发实现瞬时断开，但为一次性使用部件，故障后需更换。开关单元的选择需根据航空器的运行环境、维护周期与成本预算综合确定，但核心要求是确保保护状态P2的切换时间不超过短路电流峰值出现的时间(通常需小于10毫秒)。

为实现保护动作的自动化与精准化，方案配置了控制元件7与测量元件6，形成“测量-判断-执行”的闭环控制逻辑，确保短路故障的快速检测与保护激活。

测量元件6的核心功能是实时监测定子1各相的电流参数，为短路检测提供数据支撑，其配置方式与安装位置经过优化设计：

• 配置方式：分为两种形式(图3、4与图8、5)。第一种是“单相独立测量”，如图3、4所示，每个相10的控制支路11(或中性支路13)均安装一个测量元件6，可精准监测每相的电流变化，便于定位故障相；第二种是“总电流测量”，如图8、5所示，仅设置一个测量元件6，其磁环环绕所有相10的控制支路11或中性支路13，测量所有相电流的代数和。根据基尔霍夫电流定律，正常运行时三相电流之和为零，当发生相间短路时，电流之和会出现异常峰值，因此总电流测量可快速检测短路故障，且无需为每个相配置独立元件，降低了成本与体积。

图8 是根据本发明另一个实施例的永磁同步电机的示意图，其中未示出转子

• 元件类型：测量元件6采用磁电流传感器，优选霍尔效应传感器。该类型传感器具有体积小、精度高、响应速度快、无接触测量的优势，其磁环环绕支路11或13(图7为单支路线圈环绕，图8为多支路线圈环绕)，可实时感应电流产生的磁场变化，转化为电信号输出。霍尔效应传感器的无接触特性避免了对支路电流的影响，且耐高温、抗电磁干扰能力强，适用于航空电机的恶劣运行环境。

控制元件7作为保护系统的“大脑”，优选采用计算器(如航空专用MCU)，通过有线连接与所有保护元件5、测量元件6通信。其核心功能包括：

• 数据采集与处理：实时接收测量元件6输出的电流信号，进行滤波、放大等预处理，去除干扰噪声，提取准确的电流参数；

• 短路检测判断(对应保护流程的E1步骤)：将处理后的电流参数与预设阈值进行对比。阈值根据电机的额定电流、绕组阻抗、短路电流峰值等参数预先设定，存储于控制元件7的数据库中。当电流参数超过阈值(如总电流测量中三相电流和大于阈值，或单相测量中某相电流突变超过阈值)，则判定为发生短路故障；若为单相独立测量，还可通过异常电流的相序定位故障相(如图6中，绕组12之间的短路点CC会导致对应两相电流异常，控制元件7可通过测量元件6的位置识别故障相)；

• 保护指令发送(对应保护流程的E2步骤)：一旦检测到短路故障，控制元件7立即向对应的保护元件5发送激活指令，触发其从 inactive状态P1切换至保护状态P2。指令传输采用有线方式，确保响应速度与可靠性，避免无线传输的延迟或干扰。

控制元件7的工作模式支持自动控制与手动控制结合：正常运行时采用自动控制，无需人工干预，确保短路故障的快速响应；特殊情况下(如测量元件故障)，可通过航空器的控制系统进行手动操作，激活保护元件5，提升系统的冗余性。

本方案的保护流程分为“短路检测(E1)”与“保护激活(E2)”两个核心步骤，全程自动化执行，确保在短路电流峰值出现前切断回路，具体流程结合图6、图7的应用场景详细说明：

电机3正常运行时，所有保护元件5均处于 inactive状态P1(图3、图4)，中性支路13保持导通，电流可正常从绕组12经中性支路13流向中性点14，测量元件6持续采集电流参数并传输至控制元件7，控制元件7实时监测参数变化。此时电机可正常工作于电动机或发电机模式：电动机模式下，功率转换器4通过控制支路11向绕组12供电，产生电磁转矩驱动转子2旋转；发电机模式下，转子2旋转带动绕组12切割磁感线，产生的交流电经控制支路11传输至功率转换器4整流。

当定子1发生相间短路时，测量元件6首先捕捉到电流异常，控制元件7通过阈值对比判定故障类型与位置：

• 场景一：定子绕组间短路(图6)。如图6所示，定子1的两个绕组12接触形成短路点CC，此时短路点CC与中性点14之间形成闭合回路，转子2的旋转持续提供励磁磁通，导致故障相的电流急剧增大。若采用单相独立测量(图3、4)，对应故障相的测量元件6会检测到电流突变超过阈值，控制元件7根据异常电流的相序定位故障相(如A、B两相)；若采用总电流测量(图8、5)，三相电流之和会从正常的零值突变为异常峰值，控制元件7直接判定短路故障，无需定位故障相。

• 场景二：功率转换器侧短路(图7)。如图7所示，短路点CC出现在功率转换器4的两个功率晶体管之间，此时短路电流会通过控制支路11反向流入定子1的绕组12，再经中性支路13形成回路。测量元件6(安装于控制支路11)会检测到反向电流的异常激增，控制元件7判定短路故障，无论故障位置在电机内部还是功率转换器侧，均可通过中性支路的保护元件5切断回路，实现全面保护。

短路检测步骤(E1)的响应时间小于5毫秒，得益于霍尔效应传感器的快速感应与控制元件7的高速数据处理能力，确保在短路电流达到峰值前完成故障识别。

控制元件7判定短路故障后，立即向保护元件5发送激活指令，触发保护状态P2，切断对应中性支路13的电流，具体分为两种执行方式：

• 靶向切断(适用于双极型保护元件+单相测量)：控制元件7根据故障相定位结果，仅向故障相关的一个保护元件5发送指令。如图6所示，若A、B两相短路，且A相中性支路13安装有保护元件5，则激活该保护元件5切换至P2状态，切断A相中性支路的电流，短路回路因缺少A相的中性路径而中断，电流停止流通。这种方式可保留未故障相(如C相)的正常运行，若电机设计支持“N-1相降级运行”，则可维持部分功率输出，确保航空器在故障状态下仍能保持基本飞行能力，直至着陆。

• 全面切断(适用于多极型保护元件+总电流测量)：控制元件7无需定位故障相，直接向多极型保护元件5发送指令，使其切换至P2状态，同时切断所有相的中性支路13电流。如图5所示，多极型保护元件5的所有开关同步断开，所有中性支路13与中性点14的连接中断，无论短路发生在任意两相，均可彻底切断回路。这种方式的响应速度更快(小于3毫秒)，无需复杂的故障定位逻辑，适用于对保护速度要求极高的场景，且结构更简单，维护成本更低。

短路故障解除后(如着陆后修复短路点)，控制元件7可通过手动复位或自动检测(确认电流参数恢复正常)，向保护元件5发送复位指令，使其切换回 inactive状态P1，电机恢复正常运行。对于烟火熔断器等一次性保护元件5，需更换后才能恢复系统功能，适用于对可靠性要求极高、短路故障概率极低的场景。

与现有技术相比，本方案通过“中性支路保护元件+精准控制-测量”的创新设计，实现了四大核心优势：

1. 轻量化与高集成度：保护元件5体积小、重量轻，且安装于定子外部，无需额外的机械解耦装置或热空气传输系统，避免了现有方案的质量与体积冗余，符合航空设备的轻量化要求；N-1个保护元件的配置在确保全面保护的同时，最小化了元件数量，进一步降低重量。

2. 快速响应与高效保护：保护元件5的切换时间小于3毫秒，结合霍尔效应传感器与高速控制元件，整个保护流程(E1+E2)的总响应时间小于8毫秒，可在短路电流达到峰值前切断回路，彻底避免绕组12与定子1的过热损坏，保护效果远超机械解耦、热空气失磁等方案。

3. 无性能损耗与高兼容性：正常运行时，保护元件5处于导通状态，对电机的电流传输、效率无任何影响，解决了强化绕组/绝缘方案的性能牺牲问题；保护元件的外部安装方式无需改造电机内部结构，可适配径向磁通、轴向磁通等多种类型的永磁同步电机，兼容性强，便于现有航空电机的升级改造。

4. 低成本与易维护：保护元件5采用成熟的开关技术(如SSPC、EMR)，制造成本低；外部安装布局便于维护人员检修、更换，无需拆解电机或传动系统，降低了维护难度与停机时间；多极型保护元件的集成设计进一步简化了系统结构，减少了故障点。

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