本發(fā)明涉及一種五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)及其控制方法，屬于電機類的磁懸浮開關(guān)磁阻電機及其控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

磁懸浮開關(guān)磁阻電機，不僅具有磁軸承無摩擦、無潤滑等優(yōu)點，還繼承了開關(guān)磁阻電機的高速適應(yīng)性和滿足苛刻工作環(huán)境等特點，在航空航天、飛輪儲能和軍事等場合具有獨特優(yōu)勢。

磁懸浮開關(guān)磁阻電機通常由五自由度磁軸承和開關(guān)磁阻電機構(gòu)成，傳統(tǒng)永磁偏置式磁軸承需要較大的止推盤，其將導致較大渦流損耗和溫升問題；而傳統(tǒng)錐形電勵磁磁軸承則有較多的控制對象，且軸向懸浮力與控制繞組電流的平方相關(guān)，不利于系統(tǒng)的簡化和可靠性。懸浮力之間存在強耦合，也增加了懸浮系統(tǒng)的控制難度，同時懸浮控制的精度也隨之降低。

另外，傳統(tǒng)磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)中的電機與磁軸承控制系統(tǒng)之間獨立，集成度不高。因此，磁軸承系統(tǒng)與開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)間的有效集成，不僅可提高磁懸浮系統(tǒng)的集成度，還有助于提升機電能量轉(zhuǎn)換效率。

為此，發(fā)展集成度高、控制簡單、功率變換器成本低、且懸浮力間相互解耦、以及轉(zhuǎn)矩與懸浮力間可解耦控制的五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)，是目前該領(lǐng)域的研究熱點之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)及其控制方法。所述懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是一種懸浮力相互解耦、懸浮力和轉(zhuǎn)矩可解耦控制、及懸浮控制對象較少的新型五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)；所述控制方法可獨立控制電樞繞組電流和懸浮繞組電流，旋轉(zhuǎn)和懸浮系統(tǒng)間相互解耦，彼此影響弱；由于磁軸承偏置繞組僅通過四個二極管串聯(lián)在三相電樞繞組不對稱半橋功率變換器中的直流母線中，無需單獨控制，不需要額外的開關(guān)管，功率變換器集成度高，且成本較低；另外由于四個二極管對偏置繞組的穩(wěn)壓作用，使得偏置電流基本為恒值，便于懸浮電流的跟蹤與控制；還有，五自由度懸浮控制類似磁懸浮軸承，采用恒導通控制策略，并且僅需控制五個方向懸浮繞組電流，即可產(chǎn)生所需的五個方向懸浮力，控制變量少，懸浮力與懸浮繞組電流呈正比關(guān)系，懸浮控制簡單。

為了解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)，包括錐形磁軸承ⅰ、徑向磁軸承ⅰ、開關(guān)磁阻電機、徑向磁軸承ⅱ和錐形磁軸承ⅱ；所述錐形磁軸承ⅰ和徑向磁軸承ⅰ布置在開關(guān)磁阻電機一側(cè)，而徑向磁軸承ⅱ和錐形磁軸承ⅱ布置開關(guān)磁阻電機另一側(cè)；

所述錐形磁軸承ⅰ由錐形定子ⅰ、錐形轉(zhuǎn)子ⅰ、軸向偏置線圈ⅰ和軸向懸浮線圈ⅰ構(gòu)成；

所述錐形磁軸承ⅱ由錐形定子ⅱ、錐形轉(zhuǎn)子ⅱ、軸向偏置線圈ⅱ和軸向懸浮線圈ⅱ構(gòu)成；

所述徑向磁軸承ⅰ由徑向定子ⅰ、徑向轉(zhuǎn)子ⅰ、徑向偏置線圈ⅰ和徑向懸浮線圈ⅰ構(gòu)成；

所述徑向磁軸承ⅱ由徑向定子ⅱ、徑向轉(zhuǎn)子ⅱ、徑向偏置線圈ⅱ和徑向懸浮線圈ⅱ構(gòu)成；

所述開關(guān)磁阻電機由磁阻電機定子、磁阻電機轉(zhuǎn)子和磁阻電機線圈構(gòu)成；

所述錐形轉(zhuǎn)子ⅰ布置在錐形定子ⅰ內(nèi)，徑向轉(zhuǎn)子ⅰ布置在徑向定子ⅰ內(nèi)，磁阻電機轉(zhuǎn)子布置在磁阻電機定子內(nèi)，徑向轉(zhuǎn)子ⅱ布置在徑向定子ⅱ內(nèi)，錐形轉(zhuǎn)子ⅱ布置在錐形定子ⅱ內(nèi)；所述錐形轉(zhuǎn)子ⅰ、徑向轉(zhuǎn)子ⅰ、磁阻電機轉(zhuǎn)子、徑向轉(zhuǎn)子ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ套在轉(zhuǎn)軸上；所述錐形定子ⅰ、徑向定子ⅰ、磁阻電機定子、徑向定子ⅱ和錐形定子ⅱ串聯(lián)布置，且之間均存在間隙；

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有12/8、6/4、8/6三種組合形式；其中磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)組合為12/8和6/4時，開關(guān)磁阻電機的相數(shù)m為3，磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)組合為8/6時，開關(guān)磁阻電機的相數(shù)m為4；

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用12/8組合，即所述磁阻電機定子齒數(shù)為12、磁阻電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為8、電機相數(shù)m為3時，每4個相隔90°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，采用串聯(lián)、或并列、或串并結(jié)合的連接方式，連接在一起，構(gòu)成1個電樞繞組，共形成3個電樞繞組；

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用6/4組合，即所述磁阻電機定子齒數(shù)為6、磁阻電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4、電機相數(shù)m為3時，每2個相隔180°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，采用串聯(lián)、或并列的連接方式，連接在一起，構(gòu)成1個電樞繞組，共形成3個電樞繞組；

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用8/6組合，即所述磁阻電機定子齒數(shù)為8、磁阻電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為6、電機相數(shù)m為4時，每2個相隔180°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，采用串聯(lián)、或并列的連接方式，連接在一起，構(gòu)成1個電樞繞組，共形成4個電樞繞組；

所述錐形定子ⅰ和錐形定子ⅱ均為錐形凸極結(jié)構(gòu)，二者的定子齒數(shù)為4，所述錐形轉(zhuǎn)子ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ均為錐形圓柱結(jié)構(gòu)；錐形定子ⅰ、錐形定子ⅱ、錐形轉(zhuǎn)子ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ的錐形角相等；錐形定子ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子ⅰ的錐形角開口方向相同，錐形定子ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ的錐形角開口方向相同；錐形定子ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子ⅰ的錐形角開口方向與錐形定子ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ的錐形角開口方向相反；

所述徑向定子ⅰ和徑向定子ⅱ均為凸極結(jié)構(gòu)，二者的定子齒數(shù)為4，所述徑向定子ⅰ的4個定子齒和徑向定子ⅱ的4個定子齒對齊；所述徑向轉(zhuǎn)子ⅰ和徑向轉(zhuǎn)子ⅱ均為圓柱結(jié)構(gòu)；

所述錐形定子ⅰ的每個定子齒上繞有1個軸向懸浮線圈ⅰ和1個軸向偏置線圈ⅰ，共4個軸向懸浮線圈ⅰ和4個軸向偏置線圈??；

所述錐形定子ⅱ的每個定子齒上繞有1個軸向懸浮線圈ⅱ和1個軸向偏置線圈ⅱ，共4個軸向懸浮線圈ⅱ和4個軸向偏置線圈ⅱ；

所述徑向定子ⅰ的每個定子齒上繞有1個徑向懸浮線圈ⅰ和1個徑向偏置線圈ⅰ，共4個徑向懸浮線圈ⅰ和4個徑向偏置線圈?。?/p>

所述徑向定子ⅱ的每個定子齒上繞有1個徑向懸浮線圈ⅱ和1個徑向偏置線圈ⅱ，共4個徑向懸浮線圈ⅱ和4個徑向偏置線圈ⅱ；

所述徑向定子ⅰ的徑向懸浮線圈ⅰ連接方式為：在水平方向位置處相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個水平方向徑向懸浮繞組?。辉谪Q直方向位置處相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅰ；

所述徑向定子ⅱ的徑向懸浮線圈ⅱ連接方式為：在水平方向位置處相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個水平方向徑向懸浮繞組ⅱ；在豎直方向位置處相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅱ；

所述4個軸向懸浮線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向懸浮線圈串??；所述4個軸向懸浮線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向懸浮線圈串ⅱ；所述1個軸向懸浮線圈串ⅰ和1個軸向懸浮線圈串ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向懸浮繞組；

所述4個軸向偏置線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向偏置線圈串ⅰ，所述4個軸向偏置線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向偏置線圈串ⅱ；所述4個徑向偏置線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個徑向偏置線圈串ⅰ，所述4個徑向偏置線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個徑向偏置線圈串ⅱ；

所述1個軸向偏置線圈串ⅰ、1個徑向偏置線圈串ⅰ、1個軸向偏置線圈串ⅱ和1個徑向偏置線圈串ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個偏置繞組。

所述五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)包括一個開關(guān)磁阻磁阻電機、兩個徑向磁軸承和兩個錐形磁軸承，其中開關(guān)磁阻電機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，兩個徑向磁軸承產(chǎn)生4個徑向懸浮力，兩個錐形磁軸承產(chǎn)生軸向懸浮力，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子五個方向的懸浮運行；所述磁懸浮系統(tǒng)的繞組由m相電樞繞組、1個偏置繞組、4個徑向懸浮繞組和1個軸向懸浮繞組構(gòu)成，所述1個偏置繞組串聯(lián)到m相電樞繞組的不對稱半橋功率變換器的直流母線中，并經(jīng)四個二極管使所述偏置繞組的電流方向始終與m相電樞繞組電流方向相同；獨立控制m相電樞繞組電流，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，并產(chǎn)生偏置磁通；獨立控制5個懸浮繞組電流，實現(xiàn)五自由度懸浮調(diào)節(jié)；包括如下步驟：

步驟a，獲取給定電樞繞組電流、開通角和關(guān)斷角；具體步驟如下：

步驟a-1，采集轉(zhuǎn)子實時轉(zhuǎn)速，得到轉(zhuǎn)子角速度ω；

步驟a-2，將轉(zhuǎn)子角速度ω與設(shè)定的參考角速度ω^*相減，得到轉(zhuǎn)速差δω；

步驟a-3，當ω≤ω0時，ω0為臨界速度設(shè)定值，其由電機實際工況確定；所述轉(zhuǎn)速差δω，通過比例積分控制器，獲得電樞繞組電流參考值im^*；開通角θon和關(guān)斷角θoff固定不變，θon和θoff取值由電機結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定；

步驟a-4，當ω＞ω0時，所述轉(zhuǎn)速差δω，通過比例積分控制器，獲得開通角θon和關(guān)斷角θoff，電樞繞組電流不控制；

步驟b，獲取徑向磁軸承ⅰ的x軸和y軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：

步驟b-1，獲取徑向轉(zhuǎn)子ⅰ的x軸和y軸方向的實時位移信號α1和β1，其中，x軸為水平方向，y軸為豎直方向；

步驟b-2，將實時位移信號α1和β1分別與給定的參考位移信號α1^*和β1^*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實時位移信號差δα1和δβ1，將所述實時位移信號差δα1和δβ1經(jīng)過比例積分微分控制器，得到徑向磁軸承ⅰ的x軸方向懸浮力和y軸方向懸浮力

步驟c，獲取徑向磁軸承ⅱ的x軸和y軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：

步驟c-1，獲取徑向轉(zhuǎn)子ⅱ的x軸和y軸方向的實時位移信號α2和β2；

步驟c-2，將實時位移信號α2和β2分別與給定的參考位移信號α2^*和β2^*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實時位移信號差δα2和δβ2，將所述實時位移信號差δα2和δβ2經(jīng)過比例積分微分控制器，得到徑向磁軸承ⅱ的x軸方向懸浮力和y軸方向懸浮力

步驟d，獲取z軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：

步驟d-1，獲取轉(zhuǎn)子z軸方向的實時位移信號zz，其中z軸與x軸和y軸方向垂直；

步驟d-2，將實時位移信號zz與給定的參考位移信號zz^*相減，得到z軸方向的實時位移信號差δzz，將所述實時位移信號差δzz經(jīng)過比例積分微分控制器，得到的z軸方向懸浮力

步驟e，調(diào)節(jié)懸浮力，具體步驟如下：

步驟e-1，采集實時的偏置繞組電流ibias，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和解算得到徑向磁軸承ⅰ的x方向懸浮繞組電流參考值和y軸方向懸浮繞組電流參考值其中，kf1為懸浮力系數(shù)，μ0為真空磁導率，l1為徑向磁軸承的軸向長度，r1為徑向磁軸承轉(zhuǎn)子的半徑，αs1為徑向定子齒的極弧角，δ1為徑向磁軸承的單邊氣隙長度，nb、ns分別偏置繞組和徑向懸浮繞組的匝數(shù)，偏置繞組電流ibias由開關(guān)磁阻電機運行工況決定，經(jīng)電流傳感器檢查得到；

步驟e-2，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和解算得到徑向磁軸承ⅱ的x方向懸浮繞組電流參考值和y軸方向懸浮繞組電流參考值

步驟e-3，根據(jù)所述懸浮力以及電流計算公式解算得到z軸方向懸浮繞組電流參考值其中，kf2為懸浮力系數(shù)，l2為錐形磁軸承的軸向長度，r2為錐形磁軸承轉(zhuǎn)子的平均半徑，δ2為錐形磁軸承的單邊氣隙長度，αs2為錐形定子齒的極弧角，ε為錐形角，nz為軸向懸浮繞組的匝數(shù)；

步驟e-4，利用電流斬波控制方法，用徑向磁軸承ⅰ的x軸方向懸浮繞組實際電流ix1跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向懸浮繞組的實際電流iy1跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用徑向磁軸承ⅱ的x軸方向懸浮繞組實際電流ix2跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向懸浮繞組的實際電流iy2跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用z軸方向懸浮繞組實際電流iz跟蹤該方向懸繞組電流參考值從而實時調(diào)節(jié)懸浮力；

步驟f，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；具體步驟如下：

步驟f-1，當ω≤ω0時，利用電流斬波控制方法，以電樞繞組的實際電流im跟蹤電樞繞組電流參考值im^*，進而實時調(diào)節(jié)電樞繞組電流im，進而達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的；

步驟f-2，當ω＞ω0時，利用角度位置控制方法，調(diào)節(jié)開通角θon和關(guān)斷角θoff的取值，從而實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出了一種五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)及其控制方法，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，能夠達到如下技術(shù)效果：

(1)可實現(xiàn)五自由度懸浮運行，懸浮力間相互解耦，懸浮力和轉(zhuǎn)矩解耦，高速懸浮性能好；

(2)偏置繞組通過僅利用四個二極管，實現(xiàn)其電流恒為正值，且電流值基本恒定，功率變換器集成度高，成本低；

(3)只需控制五個懸浮繞組電流，不需要為懸浮運行而單獨控制電樞繞組或偏置繞組電流，便可產(chǎn)生五個方向所需懸浮力，控制簡單；

(4)軸向和徑向懸浮磁路隔離，磁軸承磁路與磁阻電機磁路也隔離，磁路耦合性弱，容錯性能好。

附圖說明

圖1是本發(fā)明五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)實施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例的功率變換器示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例的三相電樞電流和偏置電流的仿真圖。

圖4是本發(fā)明五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)實施例的控制方法的系統(tǒng)框圖。

圖5是本發(fā)明五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)實施例的控制方法中懸浮繞組電流計算方法框圖。

附圖標記說明：圖1至圖5中，1是磁阻電機定子，2是磁阻電機轉(zhuǎn)子，3是磁阻電機線圈，4是徑向定子，5是徑向轉(zhuǎn)子，6是徑向偏置線圈，7是徑向懸浮線圈，8是錐形定子，9是錐形轉(zhuǎn)子，10是軸向偏置線圈，11是軸向懸浮線圈，12是轉(zhuǎn)軸，13是開關(guān)磁阻電機，14是徑向磁軸承ⅰ，15是錐形磁軸承ⅰ，16是徑向磁軸承ⅱ，17是錐形磁軸承ⅱ，18、19、20分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向，21、22、23分別是開關(guān)磁阻電機a、b、c相電樞繞組電流的仿真波形，24是偏置繞組電流的仿真波形。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明一種五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)及控制方法的技術(shù)方案進行詳細說明：

如圖1所示，是本發(fā)明五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)實施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1是磁阻電機定子，2是磁阻電機轉(zhuǎn)子，3是磁阻電機線圈，4是徑向定子，5是徑向轉(zhuǎn)子，6是徑向偏置線圈，7是徑向懸浮線圈，8是錐形定子，9是錐形轉(zhuǎn)子，10是軸向偏置繞組，11是軸向懸浮線圈，12是轉(zhuǎn)軸，13是開關(guān)磁阻電機，14是徑向磁軸承ⅰ，15是錐形磁軸承ⅰ，16是徑向磁軸承ⅱ，17是錐形磁軸承ⅱ，18、19、20分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向。

一種五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)，包括錐形磁軸承ⅰ、徑向磁軸承ⅰ、開關(guān)磁阻電機、徑向磁軸承ⅱ和錐形磁軸承ⅱ；所述錐形磁軸承ⅰ和徑向磁軸承ⅰ布置在開關(guān)磁阻電機一側(cè)，而徑向磁軸承ⅱ和錐形磁軸承ⅱ布置開關(guān)磁阻電機另一側(cè)；

所述錐形磁軸承ⅰ由錐形定子ⅰ、錐形轉(zhuǎn)子ⅰ、軸向偏置線圈ⅰ和軸向懸浮線圈ⅰ構(gòu)成；

所述錐形磁軸承ⅱ由錐形定子ⅱ、錐形轉(zhuǎn)子ⅱ、軸向偏置線圈ⅱ和軸向懸浮線圈ⅱ構(gòu)成；

所述徑向磁軸承ⅰ由徑向定子ⅰ、徑向轉(zhuǎn)子ⅰ、徑向偏置線圈ⅰ和徑向懸浮線圈ⅰ構(gòu)成；

所述徑向磁軸承ⅱ由徑向定子ⅱ、徑向轉(zhuǎn)子ⅱ、徑向偏置線圈ⅱ和徑向懸浮線圈ⅱ構(gòu)成；

所述開關(guān)磁阻電機由磁阻電機定子、磁阻電機轉(zhuǎn)子和磁阻電機線圈構(gòu)成；

所述錐形轉(zhuǎn)子ⅰ布置在錐形定子ⅰ內(nèi)，徑向轉(zhuǎn)子ⅰ布置在徑向定子ⅰ內(nèi)，磁阻電機轉(zhuǎn)子布置在磁阻電機定子內(nèi)，徑向轉(zhuǎn)子ⅱ布置在徑向定子ⅱ內(nèi)，錐形轉(zhuǎn)子ⅱ布置在錐形定子ⅱ內(nèi)；所述錐形轉(zhuǎn)子ⅰ、徑向轉(zhuǎn)子ⅰ、磁阻電機轉(zhuǎn)子、徑向轉(zhuǎn)子ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ套在轉(zhuǎn)軸上；所述錐形定子ⅰ、徑向定子ⅰ、磁阻電機定子、徑向定子ⅱ和錐形定子ⅱ串聯(lián)布置，且之間均存在間隙；

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有12/8、6/4、8/6三種組合形式；其中磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)組合為12/8和6/4時，開關(guān)磁阻電機的相數(shù)m為3，磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)組合為8/6時，開關(guān)磁阻電機的相數(shù)m為4；

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用12/8組合，即所述磁阻電機定子齒數(shù)為12、磁阻電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為8、電機相數(shù)m為3時，每4個相隔90°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，采用串聯(lián)、或并列、或串并結(jié)合的連接方式，連接在一起，構(gòu)成1個電樞繞組，共形成3個電樞繞組；

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用6/4組合，即所述磁阻電機定子齒數(shù)為6、磁阻電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4、電機相數(shù)m為3時，每2個相隔180°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，采用串聯(lián)、或并列的連接方式，連接在一起，構(gòu)成1個電樞繞組，共形成3個電樞繞組；

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用8/6組合，即所述磁阻電機定子齒數(shù)為8、磁阻電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為6、電機相數(shù)m為4時，每2個相隔180°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，采用串聯(lián)、或并列的連接方式，連接在一起，構(gòu)成1個電樞繞組，共形成4個電樞繞組；

所述錐形定子ⅰ和錐形定子ⅱ均為錐形凸極結(jié)構(gòu)，二者的定子齒數(shù)為4，所述錐形轉(zhuǎn)子ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ均為錐形圓柱結(jié)構(gòu)；錐形定子ⅰ、錐形定子ⅱ、錐形轉(zhuǎn)子ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ的錐形角相等；錐形定子ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子ⅰ的錐形角開口方向相同，錐形定子ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ的錐形角開口方向相同；錐形定子ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子ⅰ的錐形角開口方向與錐形定子ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ的錐形角開口方向相反；

所述徑向定子ⅰ和徑向定子ⅱ均為凸極結(jié)構(gòu)，二者的定子齒數(shù)為4，所述徑向定子ⅰ的4個定子齒和徑向定子ⅱ的4個定子齒對齊；所述徑向轉(zhuǎn)子ⅰ和徑向轉(zhuǎn)子ⅱ均為圓柱結(jié)構(gòu)；

所述錐形定子ⅰ的每個定子齒上繞有1個軸向懸浮線圈ⅰ和1個軸向偏置線圈ⅰ，共4個軸向懸浮線圈ⅰ和4個軸向偏置線圈??；

所述錐形定子ⅱ的每個定子齒上繞有1個軸向懸浮線圈ⅱ和1個軸向偏置線圈ⅱ，共4個軸向懸浮線圈ⅱ和4個軸向偏置線圈ⅱ；

所述徑向定子ⅰ的每個定子齒上繞有1個徑向懸浮線圈ⅰ和1個徑向偏置線圈ⅰ，共4個徑向懸浮線圈ⅰ和4個徑向偏置線圈ⅰ；

所述徑向定子ⅱ的每個定子齒上繞有1個徑向懸浮線圈ⅱ和1個徑向偏置線圈ⅱ，共4個徑向懸浮線圈ⅱ和4個徑向偏置線圈ⅱ；

所述徑向定子ⅰ的徑向懸浮線圈ⅰ連接方式為：在水平方向位置處相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個水平方向徑向懸浮繞組??；在豎直方向位置處相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個豎直方向徑向懸浮繞組??；

所述徑向定子ⅱ的徑向懸浮線圈ⅱ連接方式為：在水平方向位置處相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個水平方向徑向懸浮繞組ⅱ；在豎直方向位置處相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅱ；

所述4個軸向懸浮線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向懸浮線圈串??；所述4個軸向懸浮線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向懸浮線圈串ⅱ；所述1個軸向懸浮線圈串ⅰ和1個軸向懸浮線圈串ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向懸浮繞組；

所述4個軸向偏置線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向偏置線圈串ⅰ，所述4個軸向偏置線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向偏置線圈串ⅱ；所述4個徑向偏置線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個徑向偏置線圈串ⅰ，所述4個徑向偏置線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個徑向偏置線圈串ⅱ；

所述1個軸向偏置線圈串ⅰ、1個徑向偏置線圈串ⅰ、1個軸向偏置線圈串ⅱ和1個徑向偏置線圈串ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個偏置繞組。

每相電樞繞組由4個彼此在空間上相隔90°的磁阻電機線圈，采用串聯(lián)、或并聯(lián)、或兩并兩串的方式連接而成；每相電樞繞組電流產(chǎn)生的四極對稱磁通，呈nsns分布。當一相電樞繞組導通時，在磁阻電機內(nèi)產(chǎn)生的磁場，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；a、b、c三相電樞繞組在磁軸承內(nèi)產(chǎn)生的合成磁場用于懸浮控制的偏置磁場。b、c相的電樞繞組與a相電樞繞組結(jié)構(gòu)相同，僅在位置上與a相相差30°和-30°。

對每個徑向磁軸承而言，在水平正方向的氣隙處懸浮繞組和偏置繞組產(chǎn)生磁通方向一樣，磁通增加；而水平負方向的氣隙處，方向相反，磁通減弱，進而產(chǎn)生一個x正方向的懸浮力。在豎直正方向的氣隙處懸浮繞組和電樞繞組產(chǎn)生磁通方向一樣，磁通增加，而在豎直負方向的氣隙處，磁通減弱，進而產(chǎn)生一個y正方向的懸浮力。同理，當懸浮繞組電流反向時，將產(chǎn)生反方向的懸浮力。

對兩個錐形磁軸承而言，一個錐形磁軸承的軸向懸浮繞組電流方向與偏置繞組電流方向相同，氣隙磁通增強；此時另一個錐形磁軸承的軸向懸浮繞組電流方向與偏置繞組電流方向相反，氣隙磁通減弱，進而可產(chǎn)生一個軸向懸浮力。

因此，當電機運行工況一定時，三相電樞繞組電流一定，這時處于其直流母線中的偏置繞組的電流也為定值，為此合理控制x、y、z軸懸浮繞組電流的大小和方向，即可產(chǎn)生大小和方向均可控的懸浮力。

三相電樞繞組電流可采用pwm控制、脈沖控制和角位置控制等，與傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機的控制方法相同，而懸浮電流采用斬波控制。偏置繞組電流可由電流傳感器實時檢測得到，轉(zhuǎn)子徑向位移由電渦流傳感器實時檢測獲得，經(jīng)pi調(diào)節(jié)得到兩個方向懸浮力的給定值。由于懸浮力與偏置繞組電流和五個方向懸浮繞組電流有關(guān)，進而可解算得到五個方向的懸浮電流，作為功率變換器中電流控制的給定值，最終實現(xiàn)電機的五自由度懸浮運行。

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用6/4組合，即所述磁阻電機定子齒數(shù)為6、磁阻電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4、電機相數(shù)m為3時，每2個相隔180°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，采用串聯(lián)、或并列的連接方式，連接在一起，構(gòu)成1個電樞繞組，共形成3個電樞繞組；此時可構(gòu)成本發(fā)明磁懸浮電機系統(tǒng)的實施例2。

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用8/6組合，即所述磁阻電機定子齒數(shù)為8、磁阻電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為6、電機相數(shù)m為4時，每2個相隔180°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，采用串聯(lián)、或并列的連接方式，連接在一起，構(gòu)成1個電樞繞組，共形成4個電樞繞組；此時可構(gòu)成本發(fā)明磁懸浮電機系統(tǒng)的實施例3。

圖2是本發(fā)明實施例的功率變換器示意圖。三相電樞繞組分別接到3個不對稱半橋支路中，而偏置繞組通過4個二極管串聯(lián)到其直流母線中。其中，二極管d7和d8為三相電樞繞組導通勵磁時，提供正方向的電流支路；而二極管d9和d10則為三相電樞繞組電流提供續(xù)流回路，并使偏置繞組電流的方向始終為正。另外偏置繞組可與二極管d7和d9形成一個回路，和二極管d8和d10形成另一個回路，將使得偏置繞組無論在勵磁或續(xù)流階段的端電壓保持為恒值，最終促使偏置電流也為恒值，這將有利于懸浮控制，并減小偏置繞組電流導致的鐵心損耗，進而提高系統(tǒng)效率。

由于四個二極管d7、d8、d9和d10對偏置繞組兩端的穩(wěn)壓作用，使得三相電樞繞組在勵磁和續(xù)流階段均存在徑偏置繞組閉合的電流回路。令三相電樞繞組導通相序為a-b-c，當a相勵磁時，c相續(xù)流導通，當b相勵磁導通時，a相續(xù)流，當c相勵磁導通時，b相續(xù)流。

以a相勵磁導通為例，此時a相勵磁，c相續(xù)流導通。a相電樞繞組的勵磁電流一部分經(jīng)過壓源us、二極管d7、偏置繞組bias、二極管d8、開關(guān)管s1、a相電樞繞組、開關(guān)管s2閉合；而另一部分經(jīng)a相電樞繞組、開關(guān)管s2、二極管d6、c相電樞繞組、二極管d5、開關(guān)管s1閉合；進而使得經(jīng)偏置繞組的電流始終為恒值。b、c相勵磁時也具有相同的效果。當相數(shù)m>3時，只需在圖2所示的功率電路增加相應(yīng)的支路，而偏置繞組部分的電路無需變化。

如圖3所示，為本發(fā)明實施例的三相電樞電流和偏置電流的仿真圖。仿真結(jié)果顯示，基于圖2所示的功率變換電路，三相電樞電流的波形與傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機的電流波形相同，說明圖2所示的功率電路具有傳統(tǒng)不對稱半橋電路的功能。另外，偏置繞組電流基本為恒值，說明四個二極管對偏置繞組有穩(wěn)流作用。

如圖4所示，為本發(fā)明五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)實施例的控制方法的系統(tǒng)框圖。轉(zhuǎn)矩控制可采用pwm控制、脈沖控制和角位置控制等傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機的控制方法，而懸浮控制則采用電流斬波控制的方式。

轉(zhuǎn)矩控制為：檢測電機轉(zhuǎn)子位置信息，經(jīng)計算分別得到實際轉(zhuǎn)速ω和每相的開通角θon和關(guān)斷角θoff，將轉(zhuǎn)速誤差信號進行pi調(diào)節(jié)，獲得電樞繞組電流參考值再利用電流斬波控制讓實際電樞繞組電流跟蹤并利用開通角θon和關(guān)斷角θoff控制電樞繞組功率電路的導通狀態(tài)，從而實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)。

懸浮控制為：將位移誤差信號進行pid調(diào)節(jié)獲得給定懸浮力再結(jié)合實測偏置繞組電流ibias，即可通過懸浮繞組電流控制器計算出：徑向磁軸承ⅰ的x方向懸浮繞組電流參考值和y軸方向懸浮繞組電流參考值徑向磁軸承ⅱ的x方向懸浮繞組電流參考值和y軸方向懸浮繞組電流參考值z軸方向懸浮繞組電流參考值

利用電流斬波控制方法，用徑向磁軸承ⅰ的x軸方向懸浮繞組實際電流ix1跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向懸浮繞組的實際電流iy1跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用徑向磁軸承ⅱ的x軸方向懸浮繞組實際電流ix2跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向懸浮繞組的實際電流iy2跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用z軸方向懸浮繞組實際電流iz跟蹤該方向懸繞組電流參考值從而實時調(diào)節(jié)懸浮力，實現(xiàn)磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的五自由度懸浮。

如圖5所示，為本發(fā)明五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)實施例的控制方法中懸浮繞組電流計算方法框圖。圖中，kf1、kf2為懸浮力系數(shù)，其表達式為：

式中，μ0為真空磁導率，l1為徑向磁軸承的軸向長度，r1為徑向磁軸承轉(zhuǎn)子的半徑，αs1為徑向定子齒的極弧角，δ1為徑向磁軸承的單邊氣隙長度，l2為錐形磁軸承的軸向長度，r2為錐形磁軸承轉(zhuǎn)子的平均半徑，δ2為錐形磁軸承的單邊氣隙長度，αs2為錐形定子齒的極弧角，ε為錐形角。

徑向磁軸承ⅰ的x和y軸方向懸浮力和的表達式為：

式中，ibias為偏置繞組的電流，由開關(guān)磁阻電機運行工況確定，經(jīng)電流傳感器檢查得到，分別為徑向磁軸承ⅰ的x、y軸方向懸浮繞組電流，nb、ns分別偏置繞組和徑向懸浮繞組的匝數(shù)。

徑向磁軸承ⅱ的x和y軸方向懸浮力和的表達式為：

式中，分別為徑向磁軸承ⅱ的x、y軸方向懸浮繞組電流。

兩錐形磁軸承產(chǎn)生的z軸方向懸浮力的表達式為：

式中，nz為軸向懸浮繞組的匝數(shù)，為軸向懸浮繞組的電流。

由表達式(3)～(7)可知，本發(fā)明磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的徑向、軸向懸浮力與轉(zhuǎn)子位置角θ無關(guān)，僅與電機結(jié)構(gòu)參數(shù)、一個偏置繞組電流和五個懸浮繞組電流有關(guān)。其中，四個徑向懸浮力僅與該方向徑向懸浮電流和偏置繞組電流有關(guān)，軸向懸浮力同樣僅與軸向懸浮電流和偏置繞組電流有關(guān)，并且偏置繞組電流可由檢查得到，與懸浮控制無關(guān)，因此五個懸浮力間相互解耦，轉(zhuǎn)矩和懸浮力間也可解耦控制。

需要指出的是，由于懸浮力正負隨懸浮繞組電流的正負變化而變化，因此五個懸浮繞組電流方向在控制時會發(fā)生變化，需采用可調(diào)電流方向的功率變換器。

所述五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)包括一個開關(guān)磁阻磁阻電機、兩個徑向磁軸承和兩個錐形磁軸承，其中開關(guān)磁阻電機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，兩個徑向磁軸承產(chǎn)生4個徑向懸浮力，兩個錐形磁軸承產(chǎn)生軸向懸浮力，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子五個方向的懸浮運行；所述磁懸浮系統(tǒng)的繞組由m相電樞繞組、1個偏置繞組、4個徑向懸浮繞組和1個軸向懸浮繞組構(gòu)成，所述1個偏置繞組串聯(lián)到m相電樞繞組的不對稱半橋功率變換器的直流母線中，并經(jīng)四個二極管使所述偏置繞組的電流方向始終與m相電樞繞組電流方向相同；獨立控制m相電樞繞組電流，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，并產(chǎn)生偏置磁通；獨立控制5個懸浮繞組電流，實現(xiàn)五自由度懸浮調(diào)節(jié)；包括如下步驟：

步驟a，獲取給定電樞繞組電流、開通角和關(guān)斷角；具體步驟如下：

步驟a-1，采集轉(zhuǎn)子實時轉(zhuǎn)速，得到轉(zhuǎn)子角速度ω；

步驟a-2，將轉(zhuǎn)子角速度ω與設(shè)定的參考角速度ω^*相減，得到轉(zhuǎn)速差δω；

步驟a-3，當ω≤ω0時，ω0為臨界速度設(shè)定值，其由電機實際工況確定；所述轉(zhuǎn)速差δω，通過比例積分控制器，獲得電樞繞組電流參考值im^*；開通角θon和關(guān)斷角θoff固定不變，θon和θoff取值由電機結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定；

步驟a-4，當ω＞ω0時，所述轉(zhuǎn)速差δω，通過比例積分控制器，獲得開通角θon和關(guān)斷角θoff，電樞繞組電流不控制；

步驟b，獲取徑向磁軸承ⅰ的x軸和y軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：

步驟b-1，獲取徑向轉(zhuǎn)子ⅰ的x軸和y軸方向的實時位移信號α1和β1，其中，x軸為水平方向，y軸為豎直方向；

步驟b-2，將實時位移信號α1和β1分別與給定的參考位移信號α1^*和β1^*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實時位移信號差δα1和δβ1，將所述實時位移信號差δα1和δβ1經(jīng)過比例積分微分控制器，得到徑向磁軸承ⅰ的x軸方向懸浮力和y軸方向懸浮力

步驟c，獲取徑向磁軸承ⅱ的x軸和y軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：

步驟c-1，獲取徑向轉(zhuǎn)子ⅱ的x軸和y軸方向的實時位移信號α2和β2；

步驟c-2，將實時位移信號α2和β2分別與給定的參考位移信號α2^*和β2^*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實時位移信號差δα2和δβ2，將所述實時位移信號差δα2和δβ2經(jīng)過比例積分微分控制器，得到徑向磁軸承ⅱ的x軸方向懸浮力和y軸方向懸浮力

步驟d，獲取z軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：

步驟d-1，獲取轉(zhuǎn)子z軸方向的實時位移信號zz，其中z軸與x軸和y軸方向垂直；

步驟d-2，將實時位移信號zz與給定的參考位移信號zz^*相減，得到z軸方向的實時位移信號差δzz，將所述實時位移信號差δzz經(jīng)過比例積分微分控制器，得到的z軸方向懸浮力

步驟e，調(diào)節(jié)懸浮力，具體步驟如下：

步驟e-1，采集實時的偏置繞組電流ibias，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和解算得到徑向磁軸承ⅰ的x方向懸浮繞組電流參考值和y軸方向懸浮繞組電流參考值其中，kf1為懸浮力系數(shù)，μ0為真空磁導率，l1為徑向磁軸承的軸向長度，r1為徑向磁軸承轉(zhuǎn)子的半徑，αs1為徑向定子齒的極弧角，δ1為徑向磁軸承的單邊氣隙長度，nb、ns分別偏置繞組和徑向懸浮繞組的匝數(shù)，偏置繞組電流ibias由開關(guān)磁阻電機運行工況決定，經(jīng)電流傳感器檢查得到；

步驟e-2，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計算公式和解算得到徑向磁軸承ⅱ的x方向懸浮繞組電流參考值和y軸方向懸浮繞組電流參考值

步驟e-3，根據(jù)所述懸浮力以及電流計算公式解算得到z軸方向懸浮繞組電流參考值其中，kf2為懸浮力系數(shù)，l2為錐形磁軸承的軸向長度，r2為錐形磁軸承轉(zhuǎn)子的平均半徑，δ2為錐形磁軸承的單邊氣隙長度，αs2為錐形定子齒的極弧角，ε為錐形角，nz為軸向懸浮繞組的匝數(shù)；

步驟e-4，利用電流斬波控制方法，用徑向磁軸承ⅰ的x軸方向懸浮繞組實際電流ix1跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向懸浮繞組的實際電流iy1跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用徑向磁軸承ⅱ的x軸方向懸浮繞組實際電流ix2跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向懸浮繞組的實際電流iy2跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用z軸方向懸浮繞組實際電流iz跟蹤該方向懸繞組電流參考值從而實時調(diào)節(jié)懸浮力；

步驟f，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；具體步驟如下：

步驟f-1，當ω≤ω0時，利用電流斬波控制方法，以電樞繞組的實際電流im跟蹤電樞繞組電流參考值im^*，進而實時調(diào)節(jié)電樞繞組電流im，進而達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的；

步驟f-2，當ω＞ω0時，利用角度位置控制方法，調(diào)節(jié)開通角θon和關(guān)斷角θoff的取值，從而實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。

需要指出的是，本發(fā)明結(jié)構(gòu)拓展性好，對開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)無限制，只要兩相工作制及以上的開關(guān)磁阻電機均適用。

綜上所述，本發(fā)明可實現(xiàn)五自由度懸浮運行，懸浮力間相互解耦，懸浮力和轉(zhuǎn)矩解耦，高速懸浮性能好；偏置繞組通過僅利用四個二極管，實現(xiàn)其電流恒為恒定正值，功率變換器集成度高，成本低；只需控制五個懸浮繞組電流，不需要為懸浮運行而單獨控制電樞繞組或偏置繞組電流，便可產(chǎn)生五個方向所需懸浮力，控制簡單；軸向和徑向懸浮磁路隔離，磁軸承磁路與磁阻電機磁路也隔離，磁路耦合性弱，容錯性能好。

對該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，根據(jù)以上實施類型可以很容易聯(lián)想其他的優(yōu)點和變形。因此，本發(fā)明并不局限于上述具體實例，其僅僅作為例子對本發(fā)明的一種形態(tài)進行詳細、示范性的說明。在不背離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)上述具體實例通過各種等同替換所得到的技術(shù)方案，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍及其等同范圍之內(nèi)。