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

背景技術(shù)：

磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，不僅具有磁軸承無(wú)摩擦、無(wú)潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)，還繼承了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的高速適應(yīng)性和滿足苛刻工作環(huán)境等特點(diǎn)，在航空航天、飛輪儲(chǔ)能和軍事等場(chǎng)合具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)通常由五自由度磁軸承和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)構(gòu)成，傳統(tǒng)永磁偏置式磁軸承需要較大的止推盤(pán)，其將導(dǎo)致較大渦流損耗和溫升問(wèn)題；而傳統(tǒng)錐形電勵(lì)磁磁軸承則有較多的控制對(duì)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(jiǎn)化和可靠性。懸浮力之間存在強(qiáng)耦合，也增加了懸浮系統(tǒng)的控制難度，同時(shí)懸浮控制的精度也隨之降低。

另外，傳統(tǒng)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)與磁軸承控制系統(tǒng)之間獨(dú)立，集成度不高。因此，磁軸承系統(tǒng)與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率。

為此，發(fā)展集成度高、控制簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)，是目前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

技術(shù)實(shí)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)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(duì)象較少的新型五自由度磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)；所述控制方法可獨(dú)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(guò)四個(gè)二極管串聯(lián)在三相電樞繞組不對(duì)稱半橋功率變換器中的直流母線中，無(wú)需單獨(dú)控制，不需要額外的開(kāi)關(guān)管，功率變換器集成度高，且成本較低；另外由于四個(gè)二極管對(duì)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(dǎo)通控制策略，并且僅需控制五個(gè)方向懸浮繞組電流，即可產(chǎn)生所需的五個(gè)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(jiǎn)單。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種五自由度磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)，包括錐形磁軸承ⅰ、徑向磁軸承ⅰ、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)一側(cè)，而徑向磁軸承ⅱ和錐形磁軸承ⅱ布置開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)由磁阻電機(jī)定子、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子和磁阻電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子布置在磁阻電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)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(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)組合為12/8和6/4時(shí)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相數(shù)m為3，磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)組合為8/6時(shí)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相數(shù)m為4；

所述磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用12/8組合，即所述磁阻電機(jī)定子齒數(shù)為12、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為8、電機(jī)相數(shù)m為3時(shí)，每4個(gè)相隔90°的磁阻電機(jī)定子齒上的磁阻電機(jī)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(gè)電樞繞組，共形成3個(gè)電樞繞組；

所述磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用6/4組合，即所述磁阻電機(jī)定子齒數(shù)為6、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4、電機(jī)相數(shù)m為3時(shí)，每2個(gè)相隔180°的磁阻電機(jī)定子齒上的磁阻電機(jī)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(gè)電樞繞組，共形成3個(gè)電樞繞組；

所述磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用8/6組合，即所述磁阻電機(jī)定子齒數(shù)為8、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為6、電機(jī)相數(shù)m為4時(shí)，每2個(gè)相隔180°的磁阻電機(jī)定子齒上的磁阻電機(jī)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(gè)電樞繞組，共形成4個(gè)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(kāi)口方向相同，錐形定子ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ的錐形角開(kāi)口方向相同；錐形定子ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子ⅰ的錐形角開(kāi)口方向與錐形定子ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ的錐形角開(kāi)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(gè)定子齒和徑向定子ⅱ的4個(gè)定子齒對(duì)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(gè)定子齒上繞有1個(gè)軸向懸浮線圈ⅰ和1個(gè)軸向偏置線圈ⅰ，共4個(gè)軸向懸浮線圈ⅰ和4個(gè)軸向偏置線圈?。?/p>

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

所述徑向定子ⅰ的每個(gè)定子齒上繞有1個(gè)徑向懸浮線圈ⅰ和1個(gè)徑向偏置線圈ⅰ，共4個(gè)徑向懸浮線圈ⅰ和4個(gè)徑向偏置線圈??；

所述徑向定子ⅱ的每個(gè)定子齒上繞有1個(gè)徑向懸浮線圈ⅱ和1個(gè)徑向偏置線圈ⅱ，共4個(gè)徑向懸浮線圈ⅱ和4個(gè)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(gè)徑向懸浮線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)水平方向徑向懸浮繞組ⅰ；在豎直方向位置處相隔180°的2個(gè)徑向懸浮線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)豎直方向徑向懸浮繞組?。?/p>

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(gè)徑向懸浮線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)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(gè)徑向懸浮線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)豎直方向徑向懸浮繞組ⅱ；

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

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

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

所述五自由度磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)包括一個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻磁阻電機(jī)、兩個(gè)徑向磁軸承和兩個(gè)錐形磁軸承，其中開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，兩個(gè)徑向磁軸承產(chǎn)生4個(gè)徑向懸浮力，兩個(gè)錐形磁軸承產(chǎn)生軸向懸浮力，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五個(gè)方向的懸浮運(yùn)行；所述磁懸浮系統(tǒng)的繞組由m相電樞繞組、1個(gè)偏置繞組、4個(gè)徑向懸浮繞組和1個(gè)軸向懸浮繞組構(gòu)成，所述1個(gè)偏置繞組串聯(lián)到m相電樞繞組的不對(duì)稱半橋功率變換器的直流母線中，并經(jīng)四個(gè)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(dú)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(dú)立控制5個(gè)懸浮繞組電流，實(shí)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(kāi)通角和關(guān)斷角；具體步驟如下：

步驟a-1，采集轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)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(dāng)ω≤ω0時(shí)，ω0為臨界速度設(shè)定值，其由電機(jī)實(shí)際工況確定；所述轉(zhuǎn)速差δω，通過(guò)比例積分控制器，獲得電樞繞組電流參考值im^*；開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff固定不變，θon和θoff取值由電機(jī)結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定；

步驟a-4，當(dāng)ω＞ω0時(shí)，所述轉(zhuǎn)速差δω，通過(guò)比例積分控制器，獲得開(kāi)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(shí)時(shí)位移信號(hào)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(shí)時(shí)位移信號(hào)α1和β1分別與給定的參考位移信號(hào)α1^*和β1^*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實(shí)時(shí)位移信號(hào)差δα1和δβ1，將所述實(shí)時(shí)位移信號(hào)差δα1和δβ1經(jīng)過(guò)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(shí)時(shí)位移信號(hào)α2和β2；

步驟c-2，將實(shí)時(shí)位移信號(hào)α2和β2分別與給定的參考位移信號(hào)α2^*和β2^*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實(shí)時(shí)位移信號(hào)差δα2和δβ2，將所述實(shí)時(shí)位移信號(hào)差δα2和δβ2經(jīng)過(guò)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(shí)時(shí)位移信號(hào)zz，其中z軸與x軸和y軸方向垂直；

步驟d-2，將實(shí)時(shí)位移信號(hào)zz與給定的參考位移信號(hào)zz^*相減，得到z軸方向的實(shí)時(shí)位移信號(hào)差δzz，將所述實(shí)時(shí)位移信號(hào)差δzz經(jīng)過(guò)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(shí)時(shí)的偏置繞組電流ibias，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計(jì)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(dǎo)率，l1為徑向磁軸承的軸向長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)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(jì)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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)際電流iz跟蹤該方向懸繞組電流參考值從而實(shí)時(shí)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(dāng)ω≤ω0時(shí)，利用電流斬波控制方法，以電樞繞組的實(shí)際電流im跟蹤電樞繞組電流參考值im^*，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電樞繞組電流im，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的；

步驟f-2，當(dāng)ω＞ω0時(shí)，利用角度位置控制方法，調(diào)節(jié)開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff的取值，從而實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，能夠達(dá)到如下技術(shù)效果：

(1)可實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮運(yùn)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(guò)僅利用四個(gè)二極管，實(shí)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(gè)懸浮繞組電流，不需要為懸浮運(yùn)行而單獨(dú)控制電樞繞組或偏置繞組電流，便可產(chǎn)生五個(gè)方向所需懸浮力，控制簡(jiǎn)單；

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

附圖說(shuō)明

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

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的功率變換器示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)實(shí)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)實(shí)施例的控制方法中懸浮繞組電流計(jì)算方法框圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：圖1至圖5中，1是磁阻電機(jī)定子，2是磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，3是磁阻電機(jī)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，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(biāo)軸的正方向，21、22、23分別是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明一種五自由度磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)及控制方法的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

如圖1所示，是本發(fā)明五自由度磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1是磁阻電機(jī)定子，2是磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，3是磁阻電機(jī)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，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(biāo)軸的正方向。

一種五自由度磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)，包括錐形磁軸承ⅰ、徑向磁軸承ⅰ、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)一側(cè)，而徑向磁軸承ⅱ和錐形磁軸承ⅱ布置開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)由磁阻電機(jī)定子、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子和磁阻電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子布置在磁阻電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)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(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)組合為12/8和6/4時(shí)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相數(shù)m為3，磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)組合為8/6時(shí)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相數(shù)m為4；

所述磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用12/8組合，即所述磁阻電機(jī)定子齒數(shù)為12、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為8、電機(jī)相數(shù)m為3時(shí)，每4個(gè)相隔90°的磁阻電機(jī)定子齒上的磁阻電機(jī)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(gè)電樞繞組，共形成3個(gè)電樞繞組；

所述磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用6/4組合，即所述磁阻電機(jī)定子齒數(shù)為6、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4、電機(jī)相數(shù)m為3時(shí)，每2個(gè)相隔180°的磁阻電機(jī)定子齒上的磁阻電機(jī)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(gè)電樞繞組，共形成3個(gè)電樞繞組；

所述磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用8/6組合，即所述磁阻電機(jī)定子齒數(shù)為8、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為6、電機(jī)相數(shù)m為4時(shí)，每2個(gè)相隔180°的磁阻電機(jī)定子齒上的磁阻電機(jī)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(gè)電樞繞組，共形成4個(gè)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(kāi)口方向相同，錐形定子ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ的錐形角開(kāi)口方向相同；錐形定子ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子ⅰ的錐形角開(kāi)口方向與錐形定子ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ的錐形角開(kāi)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(gè)定子齒和徑向定子ⅱ的4個(gè)定子齒對(duì)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(gè)定子齒上繞有1個(gè)軸向懸浮線圈ⅰ和1個(gè)軸向偏置線圈ⅰ，共4個(gè)軸向懸浮線圈ⅰ和4個(gè)軸向偏置線圈?。?/p>

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

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

所述徑向定子ⅱ的每個(gè)定子齒上繞有1個(gè)徑向懸浮線圈ⅱ和1個(gè)徑向偏置線圈ⅱ，共4個(gè)徑向懸浮線圈ⅱ和4個(gè)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(gè)徑向懸浮線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)水平方向徑向懸浮繞組??；在豎直方向位置處相隔180°的2個(gè)徑向懸浮線圈ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)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(gè)徑向懸浮線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)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(gè)徑向懸浮線圈ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)豎直方向徑向懸浮繞組ⅱ；

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

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

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

每相電樞繞組由4個(gè)彼此在空間上相隔90°的磁阻電機(jī)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(duì)稱磁通，呈nsns分布。當(dāng)一相電樞繞組導(dǎo)通時(shí)，在磁阻電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，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(chǎng)用于懸浮控制的偏置磁場(chǎng)。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(duì)每個(gè)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(fù)方向的氣隙處，方向相反，磁通減弱，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)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(fù)方向的氣隙處，磁通減弱，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)y正方向的懸浮力。同理，當(dāng)懸浮繞組電流反向時(shí)，將產(chǎn)生反方向的懸浮力。

對(duì)兩個(gè)錐形磁軸承而言，一個(gè)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(qiáng)；此時(shí)另一個(gè)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(jìn)而可產(chǎn)生一個(gè)軸向懸浮力。

因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行工況一定時(shí)，三相電樞繞組電流一定，這時(shí)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)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(shí)時(shí)檢測(cè)得到，轉(zhuǎn)子徑向位移由電渦流傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)獲得，經(jīng)pi調(diào)節(jié)得到兩個(gè)方向懸浮力的給定值。由于懸浮力與偏置繞組電流和五個(gè)方向懸浮繞組電流有關(guān)，進(jìn)而可解算得到五個(gè)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的五自由度懸浮運(yùn)行。

所述磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用6/4組合，即所述磁阻電機(jī)定子齒數(shù)為6、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4、電機(jī)相數(shù)m為3時(shí)，每2個(gè)相隔180°的磁阻電機(jī)定子齒上的磁阻電機(jī)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(gè)電樞繞組，共形成3個(gè)電樞繞組；此時(shí)可構(gòu)成本發(fā)明磁懸浮電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)施例2。

所述磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用8/6組合，即所述磁阻電機(jī)定子齒數(shù)為8、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為6、電機(jī)相數(shù)m為4時(shí)，每2個(gè)相隔180°的磁阻電機(jī)定子齒上的磁阻電機(jī)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(gè)電樞繞組，共形成4個(gè)電樞繞組；此時(shí)可構(gòu)成本發(fā)明磁懸浮電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)施例3。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的功率變換器示意圖。三相電樞繞組分別接到3個(gè)不對(duì)稱半橋支路中，而偏置繞組通過(guò)4個(gè)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(dǎo)通勵(lì)磁時(shí)，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(gè)回路，和二極管d8和d10形成另一個(gè)回路，將使得偏置繞組無(wú)論在勵(lì)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(dǎo)致的鐵心損耗，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率。

由于四個(gè)二極管d7、d8、d9和d10對(duì)偏置繞組兩端的穩(wěn)壓作用，使得三相電樞繞組在勵(lì)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(dǎo)通相序?yàn)閍-b-c，當(dāng)a相勵(lì)磁時(shí)，c相續(xù)流導(dǎo)通，當(dāng)b相勵(lì)磁導(dǎo)通時(shí)，a相續(xù)流，當(dāng)c相勵(lì)磁導(dǎo)通時(shí)，b相續(xù)流。

以a相勵(lì)磁導(dǎo)通為例，此時(shí)a相勵(lì)磁，c相續(xù)流導(dǎo)通。a相電樞繞組的勵(lì)磁電流一部分經(jīng)過(guò)壓源us、二極管d7、偏置繞組bias、二極管d8、開(kāi)關(guān)管s1、a相電樞繞組、開(kāi)關(guān)管s2閉合；而另一部分經(jīng)a相電樞繞組、開(kāi)關(guān)管s2、二極管d6、c相電樞繞組、二極管d5、開(kāi)關(guān)管s1閉合；進(jìn)而使得經(jīng)偏置繞組的電流始終為恒值。b、c相勵(lì)磁時(shí)也具有相同的效果。當(dāng)相數(shù)m>3時(shí)，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(wú)需變化。

如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電流波形相同，說(shuō)明圖2所示的功率電路具有傳統(tǒng)不對(duì)稱半橋電路的功能。另外，偏置繞組電流基本為恒值，說(shuō)明四個(gè)二極管對(duì)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)實(shí)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)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(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，經(jīng)計(jì)算分別得到實(shí)際轉(zhuǎn)速ω和每相的開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff，將轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)進(jìn)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(shí)際電樞繞組電流跟蹤并利用開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff控制電樞繞組功率電路的導(dǎo)通狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

懸浮控制為：將位移誤差信號(hào)進(jìn)行pid調(diào)節(jié)獲得給定懸浮力再結(jié)合實(shí)測(cè)偏置繞組電流ibias，即可通過(guò)懸浮繞組電流控制器計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)際電流iz跟蹤該方向懸繞組電流參考值從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)懸浮力，實(shí)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)實(shí)施例的控制方法中懸浮繞組電流計(jì)算方法框圖。圖中，kf1、kf2為懸浮力系數(shù)，其表達(dá)式為：

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，l1為徑向磁軸承的軸向長(zhǎng)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(zhǎng)度，l2為錐形磁軸承的軸向長(zhǎng)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(zhǎng)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(dá)式為：

式中，ibias為偏置繞組的電流，由開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)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(dá)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(dá)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(dá)式(3)～(7)可知，本發(fā)明磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的徑向、軸向懸浮力與轉(zhuǎn)子位置角θ無(wú)關(guān)，僅與電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、一個(gè)偏置繞組電流和五個(gè)懸浮繞組電流有關(guān)。其中，四個(gè)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(wú)關(guān)，因此五個(gè)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(fù)隨懸浮繞組電流的正負(fù)變化而變化，因此五個(gè)懸浮繞組電流方向在控制時(shí)會(huì)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)包括一個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻磁阻電機(jī)、兩個(gè)徑向磁軸承和兩個(gè)錐形磁軸承，其中開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，兩個(gè)徑向磁軸承產(chǎn)生4個(gè)徑向懸浮力，兩個(gè)錐形磁軸承產(chǎn)生軸向懸浮力，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五個(gè)方向的懸浮運(yùn)行；所述磁懸浮系統(tǒng)的繞組由m相電樞繞組、1個(gè)偏置繞組、4個(gè)徑向懸浮繞組和1個(gè)軸向懸浮繞組構(gòu)成，所述1個(gè)偏置繞組串聯(lián)到m相電樞繞組的不對(duì)稱半橋功率變換器的直流母線中，并經(jīng)四個(gè)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(dú)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(dú)立控制5個(gè)懸浮繞組電流，實(shí)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(kāi)通角和關(guān)斷角；具體步驟如下：

步驟a-1，采集轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)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(dāng)ω≤ω0時(shí)，ω0為臨界速度設(shè)定值，其由電機(jī)實(shí)際工況確定；所述轉(zhuǎn)速差δω，通過(guò)比例積分控制器，獲得電樞繞組電流參考值im^*；開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff固定不變，θon和θoff取值由電機(jī)結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定；

步驟a-4，當(dāng)ω＞ω0時(shí)，所述轉(zhuǎn)速差δω，通過(guò)比例積分控制器，獲得開(kāi)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(shí)時(shí)位移信號(hào)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(shí)時(shí)位移信號(hào)α1和β1分別與給定的參考位移信號(hào)α1^*和β1^*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實(shí)時(shí)位移信號(hào)差δα1和δβ1，將所述實(shí)時(shí)位移信號(hào)差δα1和δβ1經(jīng)過(guò)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(shí)時(shí)位移信號(hào)α2和β2；

步驟c-2，將實(shí)時(shí)位移信號(hào)α2和β2分別與給定的參考位移信號(hào)α2^*和β2^*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實(shí)時(shí)位移信號(hào)差δα2和δβ2，將所述實(shí)時(shí)位移信號(hào)差δα2和δβ2經(jīng)過(guò)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(shí)時(shí)位移信號(hào)zz，其中z軸與x軸和y軸方向垂直；

步驟d-2，將實(shí)時(shí)位移信號(hào)zz與給定的參考位移信號(hào)zz^*相減，得到z軸方向的實(shí)時(shí)位移信號(hào)差δzz，將所述實(shí)時(shí)位移信號(hào)差δzz經(jīng)過(guò)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(shí)時(shí)的偏置繞組電流ibias，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計(jì)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(dǎo)率，l1為徑向磁軸承的軸向長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)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(jì)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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)際電流iz跟蹤該方向懸繞組電流參考值從而實(shí)時(shí)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(dāng)ω≤ω0時(shí)，利用電流斬波控制方法，以電樞繞組的實(shí)際電流im跟蹤電樞繞組電流參考值im^*，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電樞繞組電流im，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的；

步驟f-2，當(dāng)ω＞ω0時(shí)，利用角度位置控制方法，調(diào)節(jié)開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff的取值，從而實(shí)時(shí)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(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)限制，只要兩相工作制及以上的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)均適用。

綜上所述，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮運(yùn)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(guò)僅利用四個(gè)二極管，實(shí)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(gè)懸浮繞組電流，不需要為懸浮運(yùn)行而單獨(dú)控制電樞繞組或偏置繞組電流，便可產(chǎn)生五個(gè)方向所需懸浮力，控制簡(jiǎn)單；軸向和徑向懸浮磁路隔離，磁軸承磁路與磁阻電機(jī)磁路也隔離，磁路耦合性弱，容錯(cuò)性能好。

對(duì)該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，根據(jù)以上實(shí)施類型可以很容易聯(lián)想其他的優(yōu)點(diǎn)和變形。因此，本發(fā)明并不局限于上述具體實(shí)例，其僅僅作為例子對(duì)本發(fā)明的一種形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)、示范性的說(shuō)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(shí)例通過(guò)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)。