CN107529681A - 一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统及控制方法，所述系统由1个开关磁阻电机、1个混合磁轴承和1个径向磁轴承构成；两磁轴承的偏置绕组与开关磁阻电机m相电枢绕组合用一套功率变换器，采用共同励磁方式，在开关磁阻电机内产生转矩的同时，还在两磁轴承内产生偏置磁通；m相电枢绕组采用传统开关磁阻驱动模式，偏置绕组电流仅与开关磁阻电机工况有关，不做任何控制；另外，结合实时采集的偏置绕组电流，合理控制五个悬浮绕组电流，便可实现五自由度悬浮运行。本发明悬浮力间解耦，悬浮力与转矩也解耦，控制变量少，悬浮控制简单，集成度高，可靠性高，系统中无永磁体，环境适应性好，在高速或超高速应用场合具有独特优势。

Description

一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统及控制方法，属于电机类的磁悬浮开关磁阻电机及其控制技术领域。

背景技术

五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统，通常由一个开关磁阻电机、一个三自由度混合磁轴承和一个两自由度径向磁悬浮轴承构成，有效解决了高速电机的轴承支持问题，进而为开关磁阻电机在航空航天、飞轮储能、高速离心机、高速鼓风机和主轴电机等高速或超高速的应用奠定了基础。

电磁轴承因采用电励磁方式，设计容量更大，悬浮功率更高；另外，电磁轴承与开关磁阻电机构成的磁悬浮电机系统，由于不含永磁体，对工作环境的适应性更强，应用场合更为广泛。然而，电磁轴承中采用电励磁方式，其控制变量较多，功率系统支路数也随之增加，功率系统故障率也随之升高，且功率密度较低；再者，传统磁悬浮开关磁阻电机系统中的开关磁阻电机与磁轴承两系统之间相互独立，集成度不高，功率系统庞大，成本也较高。

因此，研究电磁轴承与开关磁阻电机的系统集成及联合驱动方法，降低系统复杂度，减小控制难度，进一步提升磁悬浮系统的集成度、可靠性及冗余能力，是当前该领域的研究热点。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统及控制方法。所述五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统，转矩磁路和悬浮力磁路分离，悬浮力和转矩相互解耦，整个系统不含永磁体，对工作环境的适应性强，偏置绕组和电枢绕组合用一套功率变换器，并采用共同励磁的方式，电磁转换效率高，集成度和可靠性进一步加强；所述控制方法通过控制m相电枢绕组电流，以调节输出转矩，控制方式与传统开关磁阻电机相同，进而实现旋转运行；通过控制五个悬浮绕组电流，以调节五个悬浮力，进而实现五自由度悬浮运行；系统控制变量少，控制简单，功率变换器成本低。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统，包括1个混合磁轴承、1个开关磁阻电机和1个径向磁轴承；

所述开关磁阻电机布置在混合磁轴承和径向磁轴承之间；

所述混合磁轴承，由径向定子Ⅰ、轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅰ、定子导磁轭、转子导磁轭、偏置线圈Ⅰ、径向悬浮线圈Ⅰ、轴向悬浮线圈组成；

所述径向磁轴承，由径向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅱ、偏置线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅱ组成；

所述开关磁阻电机，由磁阻电机定子、磁阻电机转子和电枢线圈构成；

所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数有12/8、6/4、8/6三种组合形式；其中磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为12/8和6/4时，开关磁阻电机为三相工作制，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机为四相工作制；

所述轴向定子Ⅰ、径向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ串联布置在定子导磁轭内，径向定子Ⅰ布置在轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ之间，径向定子Ⅰ与定子导磁轭间存在空气隙，轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ与定子导磁轭紧密布置；

所述磁轴承转子Ⅰ布置在径向定子Ⅰ内，且磁轴承转子Ⅰ套在转子导磁轭上；

所述磁轴承转子Ⅱ布置在径向定子Ⅱ内；

所述转子导磁轭、磁阻电机转子和磁轴承转子Ⅱ套在转轴上，且所述磁阻电机转子布置在转子导磁轭和磁轴承转子Ⅱ之间；

所述径向定子Ⅰ为双凸极结构，包括4个定子内齿和4个定子外齿；4个定子内齿均匀布置，在空间上相差90°；4个定子外齿均匀布置，在空间上相差90°；其中，2个定子内齿和2个定子外齿都位于水平方向，剩余2个定子内齿和2个定子外齿都位于竖直方向；

所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ均为├型结构，所述├型结构的凸极方向为轴向方向，与水平、竖直方向构成的平面垂直；所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ凸极朝向相反，均指向径向定子Ⅰ；所述├型结构内均有1个通孔，所述通孔的中心线与转轴的中心线重合；每个所述├型结构的凸极部分形成1个环形齿；所述环形齿的外径大于所述通孔的直径，所述通孔的直径大于转轴的外径；所述转轴贯穿所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ，且布置在所述通孔内；

所述定子导磁轭、磁轴承转子Ⅰ和转子导磁轭均为环形结构；

每个所述定子内齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅰ，共形成4个径向悬浮线圈Ⅰ；每个所述定子外齿上绕有1个偏置线圈Ⅰ，共形成4个偏置线圈Ⅰ；每个所述环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈，共形成2个轴向悬浮线圈；

在水平方向位置处，绕在2个定子内齿上的2个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅰ；

在竖直方向位置处，绕在2个定子内齿上的2个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；

4个所述偏置线圈Ⅰ串联构成1个偏置线圈串Ⅰ；

2个所述轴向悬浮线圈串联构成1个轴向悬浮绕组；

所述径向定子Ⅱ由4个E型结构构成，4个E型结构均匀分布，空间上相差90°；4个所述E型结构分别位于水平正方向、竖直正方向、水平负方向和竖直负方向；

每个E型结构的齿数为3，包括1个宽齿和2个窄齿，且所述宽齿处于2个窄齿的中间；所述E型结构的宽齿与其2个窄齿间的夹角相等，且宽齿的齿宽等于窄齿的二倍；

所述磁轴承转子Ⅱ为圆柱结构；

所述E型结构的每个宽齿上绕有1个偏置线圈Ⅱ，共形成4个偏置线圈Ⅱ；所述E型结构的每个窄齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅱ，共形成8个径向悬浮线圈Ⅱ；

4个所述偏置线圈Ⅱ串联构成1个偏置线圈串Ⅱ；

在水平正方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个水平正方向悬浮线圈串Ⅱ；

在水平负方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个水平负方向悬浮线圈串Ⅱ；

在竖直正方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个竖直正方向悬浮线圈串Ⅱ；

在竖直负方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个竖直负方向悬浮线圈串Ⅱ；

1个所述水平正方向悬浮线圈串Ⅱ和1个水平负方向悬浮线圈串Ⅱ反向串联在一起，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；

1个所述竖直正方向悬浮线圈串Ⅱ和1个竖直负方向悬浮线圈串Ⅱ反向串联在一起，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅱ；

1个所述偏置线圈串Ⅰ和1个所述偏置线圈串Ⅱ串联，构成1个偏置绕组；

所述开关磁阻电机的每个定子齿上绕有1个电枢线圈，所有磁阻电机定子齿上的电枢线圈，分m组，分别连接在一起，构成m个电枢绕组。

所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用12/8组合，即所述磁阻电机定子齿数为12、磁阻电机转子齿数为8、电机相数m为3时，每4个相隔90°的磁阻电机定子齿上的电枢线圈，采用串联、或并列、或串并结合的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组。

所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用6/4组合，即所述磁阻电机定子为6、磁阻电机转子齿数为4、电机相数m为3时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的电枢线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组。

所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用8/6组合，即所述磁阻电机定子为8、磁阻电机转子齿数为6、电机相数m为4时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的电枢线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成4个电枢绕组。

一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统的控制方法，其特征在于，所述五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统包括1个开关磁阻电机、1个混合磁轴承和1个径向磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，2个磁轴承产生五个悬浮力，以实现转子五自由度的悬浮运行；所述五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统中的绕组包括m相电枢绕组、1个偏置绕组、4个径向悬浮绕组和1个轴向悬浮绕组；独立控制m相电枢绕组电流，调节转矩的同时，偏置绕组将在两个磁轴承中产生悬浮所需的偏置磁通；所述偏置磁通仅与开关磁阻电机工作状况有关，其中开关磁阻电机工作状况不变时，所述偏置磁通基本恒定不变；控制中，在获得偏置绕组电流的基础上，独立控制5个悬浮绕组电流，即可实现五自由度悬浮调节；包括如下步骤：

步骤A，获取给定电枢绕组电流、开通角和关断角；具体步骤如下：

步骤A-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；

步骤A-2，将转子角速度ω与设定的参考角速度ω^*相减，得到转速差Δω；

步骤A-3，当ω≤ω₀时，ω₀为临界速度设定值，其由开关磁阻电机实际工况确定；所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得电枢绕组电流参考值i_m ^*；开通角θ_on和关断角θ_off固定不变，θ_on和θ_off取值由开关磁阻电机结构形式决定；

步骤A-4，当ω＞ω₀时，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得开通角θ_on和关断角θ_off，电枢绕组电流不控制；

步骤B，获取混合磁轴承的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤B-1，获取磁轴承转子Ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₁和β₁，其中，x轴为水平方向，y轴为竖直方向；

步骤B-2，将实时位移信号α₁和β₁分别与给定的参考位移信号α₁ ^*和β₁ ^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₁和Δβ₁，将所述实时位移信号差Δα₁和Δβ₁经过比例积分微分控制器，得到混合磁轴承的x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤C，获取五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统的z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤C-1，获取转轴z轴方向的实时位移信号z，其中，z轴与x轴和y轴方向垂直；

步骤C-2，将实时位移信号z与给定的参考位移信号z^*相减，得到z轴方向的实时位移信号差Δz，将所述实时位移信号差Δz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向给定悬浮力

步骤D，获取径向磁轴承的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤D-1，获取磁轴承转子Ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₂和β₂；

步骤D-2，将实时位移信号α₂和β₂分别与给定的参考位移信号α₂ ^*和β₂ ^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₂和Δβ₂，将所述实时位移信号差Δα₂和Δβ₂经过比例积分微分控制器，得到径向磁轴承的x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤E，调节悬浮力，具体步骤如下：

步骤E-1，采集实时的偏置绕组电流i_bias，根据所述悬浮力和以及电流计算公式和解算得到混合磁轴承的x轴方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值其中，k_f1为混合磁轴承的径向悬浮力系数，其表达式为：

μ₀为真空磁导率，l₁为径向定子Ⅰ的轴向长度，r₁为磁轴承转子Ⅰ的半径，r₂为径向定子Ⅰ的定子外齿的半径，r₃、r₄分别为轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ的环形齿的内径、外径，α_s1、α_s2分别为径向定子Ⅰ的定子内齿、定子外齿的极弧角，δ₁为径向定子Ⅰ与磁轴承转子Ⅰ间的径向气隙长度，δ₂为径向定子Ⅰ的定子外齿与定子导磁轭间的径向气隙长度，δ₃为轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ与转子导磁轭间的轴向气隙长度，N_b1、N_s1分别为偏置线圈Ⅰ和径向悬浮线圈Ⅰ的匝数；

步骤E-2，根据所述偏置绕组电流i_bias，所述悬浮力以及电流计算公式解算得到混合磁轴承的z轴方向悬浮绕组电流参考值其中，N_z为混合磁轴承的轴向悬浮线圈的匝数，k_f2为混合磁轴承的轴向悬浮力系数，其表达式为

步骤E-3，根据所述偏置绕组电流i_bias，所述悬浮力和以及电流计算公式和解算得到径向

轴承的x轴方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值其中，k_f3为径向磁轴承的径向悬浮力系数，l₂为径向定子Ⅱ的轴向长度，r₅为磁轴承转子Ⅱ的半径，δ₄为径向磁轴承的气隙长度，α_s3为E型结构中窄齿的极弧角，γ为E型结构中宽齿与窄齿中心间的夹角，N_b2、N_s2分别为偏置线圈Ⅱ和径向悬浮线圈Ⅱ的匝数；

步骤E-4，利用电流斩波控制方法，用混合磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流i_x1跟踪该方向悬浮绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流i_y1跟踪该方向悬浮绕组电流参考值用z轴方向悬浮绕组的实际电流i_z跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

用径向磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流i_x2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流i_y2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值从而实时调节5个悬浮力，进而实现五自由度悬浮运行；

步骤F，调节转矩；具体步骤如下：

步骤F-1，当ω≤ω₀时，利用电流斩波控制方法，以电枢绕组的实际电流i_m跟踪电枢绕组电流参考值i_m ^*，进而实时调节电枢绕组电流i_m，进而达到调节转矩的目的；

步骤F-2，当ω＞ω₀时，利用角度位置控制方法，调节开通角θ_on和关断角θ_off的取值，从而实时调节转矩。

本发明的有益效果：本发明提出了一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统及控制方法，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：

(1)开关磁阻电机的m相电枢绕组与两磁轴承的偏置绕组共用一套功率变换器，集成度；采用共同励磁的方式，同时产生转矩和偏置磁通，电磁转换效率高，且偏置绕组电流不控制，显著降低了系统控制复杂度，提高了系统可靠度；另外，该实施方式开关磁阻电机结构和相数均无限制，拓展性好；

(2)转矩控制与传统开关磁阻电机完全相同，控制简单，高速适应性强；

(3)偏置绕组电流仅与开关磁阻电机的工况相关，在工况一定情况下，偏置电流基本恒定，有利于降低磁轴承铁心损耗，提升悬浮电流的斩波和跟踪精度；只需控制五个悬浮绕组电流，便可产生五个方向所需悬浮力，五个悬浮力间相互解耦，控制变量少，悬浮控制简单，系统功率变换器成本低。

附图说明

图1是本发明五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统实施例1的三维结构示意图。

图2是本发明锥形磁轴承开关磁阻电机实施例2的三维结构示意图。

图3是本发明锥形磁轴承开关磁阻电机实施例3的三维结构示意图。

图4是本发明实施例1中混合磁轴承的径向磁通分布图。

图5是本发明实施例1中混合磁轴承的轴向磁通分布图。

图6是本发明实施例1径向磁轴承的磁通分布图。

图7是本发明实施例1三相电枢绕组和偏置绕组的功率变换器示意图。

图8是本发明实施例1三相电枢绕组和偏置绕组电流的仿真图。

图9是本发明实施例1的控制方法的系统框图。

图10是本发明实施例1的控制方法中五个悬浮绕组电流计算方法框图。

附图标记说明：图1至图10中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是电枢线圈，4是径向定子Ⅰ，5是偏置线圈Ⅰ，6是径向悬浮线圈Ⅰ，7是磁轴承转子Ⅰ，8是转子导磁轭，9是定子导磁轭，10是轴向定子Ⅰ，11是轴向定子Ⅱ，12是径向定子Ⅱ，13是偏置线圈Ⅱ，14是径向悬浮线圈Ⅱ，15是磁轴承转子Ⅱ，16是转轴，17是开关磁阻电机，18是混合磁轴承，19是径向磁轴承，20、21、22分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向，23是偏置线圈Ⅰ的电流在混合磁轴承内产生的偏置磁通，24是x轴方向径向悬浮线圈Ⅰ的电流在混合磁轴承内产生的悬浮磁通，25为径向定子Ⅰ的定子内齿与磁轴承转子Ⅰ间的径向气隙，26为径向定子Ⅰ的定子外齿与定子导磁轭间的径向气隙，27是轴向悬浮线圈的电流在混合磁轴承内产生的悬浮磁通，28为轴向定子Ⅰ与转子导磁轭间的轴向气隙，29是偏置线圈Ⅱ的电流在径向磁轴承内产生的偏置磁通，30是x轴方向径向悬浮线圈Ⅱ的电流在径向磁轴承内产生的悬浮磁通，31是y轴方向径向悬浮线圈Ⅱ的电流在径向磁轴承内产生的悬浮磁通，32是A相电枢绕组，33是B相电枢绕组，34是C相电枢绕组，35是偏置绕组，36是A相电枢绕组电流，37是B相电枢绕组电流，38是C相电枢绕组电流，39是偏置绕组电流。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统及控制方法的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是本发明五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统实施例1的三维结构示意图，其中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是电枢线圈，4是径向定子Ⅰ，5是偏置线圈Ⅰ，6是径向悬浮线圈Ⅰ，7是磁轴承转子Ⅰ，8是转子导磁轭，9是定子导磁轭，10是轴向定子Ⅰ，11是轴向定子Ⅱ，12是径向定子Ⅱ，13是偏置线圈Ⅱ，14是径向悬浮线圈Ⅱ，15是磁轴承转子Ⅱ，16是转轴，17是开关磁阻电机，18是混合磁轴承，19是径向磁轴承，20、21、22分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向。

一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统，包括1个混合磁轴承、1个开关磁阻电机和1个径向磁轴承；

所述开关磁阻电机布置在混合磁轴承和径向磁轴承之间；

所述混合磁轴承，由径向定子Ⅰ、轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅰ、定子导磁轭、转子导磁轭、偏置线圈Ⅰ、径向悬浮线圈Ⅰ、轴向悬浮线圈组成；

所述径向磁轴承，由径向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅱ、偏置线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅱ组成；

所述开关磁阻电机，由磁阻电机定子、磁阻电机转子和电枢线圈构成；

所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数有12/8、6/4、8/6三种组合形式；其中磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为12/8和6/4时，开关磁阻电机为三相工作制，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机为四相工作制；

所述轴向定子Ⅰ、径向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ串联布置在定子导磁轭内，径向定子Ⅰ布置在轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ之间，径向定子Ⅰ与定子导磁轭间存在空气隙，轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ与定子导磁轭紧密布置；

所述磁轴承转子Ⅰ布置在径向定子Ⅰ内，且磁轴承转子Ⅰ套在转子导磁轭上；

所述磁轴承转子Ⅱ布置在径向定子Ⅱ内；

所述转子导磁轭、磁阻电机转子和磁轴承转子Ⅱ套在转轴上，且所述磁阻电机转子布置在转子导磁轭和磁轴承转子Ⅱ之间；

所述径向定子Ⅰ为双凸极结构，包括4个定子内齿和4个定子外齿；4个定子内齿均匀布置，在空间上相差90°；4个定子外齿均匀布置，在空间上相差90°；其中，2个定子内齿和2个定子外齿都位于水平方向，剩余2个定子内齿和2个定子外齿都位于竖直方向；

所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ均为├型结构，所述├型结构的凸极方向为轴向方向，与水平、竖直方向构成的平面垂直；所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ凸极朝向相反，均指向径向定子Ⅰ；所述├型结构内均有1个通孔，所述通孔的中心线与转轴的中心线重合；每个所述├型结构的凸极部分形成1个环形齿；所述环形齿的外径大于所述通孔的直径，所述通孔的直径大于转轴的外径；所述转轴贯穿所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ，且布置在所述通孔内；

所述定子导磁轭、磁轴承转子Ⅰ和转子导磁轭均为环形结构；

每个所述定子内齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅰ，共形成4个悬浮线圈Ⅰ；每个所述定子外齿上绕有1个偏置线圈Ⅰ，共形成4个偏置线圈Ⅰ；每个所述环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈，共形成2个轴向悬浮线圈；

在水平方向位置处，绕在2个定子内齿上的2个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅰ；

在竖直方向位置处，绕在2个定子内齿上的2个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；

4个所述偏置线圈Ⅰ串联构成1个偏置线圈串Ⅰ；

2个所述轴向悬浮线圈串联构成1个轴向悬浮绕组；

所述径向定子Ⅱ由4个E型结构构成，4个E型结构均匀分布，空间上相差90°；4个所述E型结构分别位于水平正方向、竖直正方向、水平负方向和竖直负方向；

每个E型结构的齿数为3，包括1个宽齿和2个窄齿，且所述宽齿处于2个窄齿的中间；所述E型结构的宽齿与其2个窄齿间的夹角相等，且宽齿的齿宽等于窄齿的二倍；

所述磁轴承转子Ⅱ为圆柱结构；

所述E型结构的每个宽齿上绕有1个偏置线圈Ⅱ，共形成4个偏置线圈Ⅱ；所述E型结构的每个窄齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅱ，共形成8个径向悬浮线圈Ⅱ；

4个所述偏置线圈Ⅱ串联构成1个偏置线圈串Ⅱ；

在水平正方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个水平正方向悬浮线圈串Ⅱ；

在水平负方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个水平负方向悬浮线圈串Ⅱ；

在竖直正方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个竖直正方向悬浮线圈串Ⅱ；

在竖直负方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个竖直负方向悬浮线圈串Ⅱ；

1个所述水平正方向悬浮线圈串Ⅱ和1个水平负方向悬浮线圈串Ⅱ反向串联在一起，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；

1个所述竖直正方向悬浮线圈串Ⅱ和1个竖直负方向悬浮线圈串Ⅱ反向串联在一起，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅱ；

1个所述偏置线圈串Ⅰ和1个所述偏置线圈串Ⅱ串联，构成1个偏置绕组；

所述开关磁阻电机的每个定子齿上绕有1个电枢线圈，所有磁阻电机定子齿上的电枢线圈，分m组，分别连接在一起，构成m个电枢绕组。

所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用12/8组合，即所述磁阻电机定子齿数为12、磁阻电机转子齿数为8、电机相数m为3时，每4个相隔90°的磁阻电机定子齿上的电枢线圈，采用串联、或并列、或串并结合的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组。

定子导磁轭、转子导磁轭、两个轴向定子中由于存在轴向磁通，故采用实心导磁材料，而径向定子Ⅰ、磁轴承转子Ⅰ、径向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅱ因仅存在径向磁通，故可采用硅钢片叠压而出，从而减小铁心损耗。

如图2所示，是本发明五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统实施例2的三维结构示意图。与实施例1相比，实施例2中仅开关磁阻电机的结构形式不同，其他结构均相同。实施例2中开关磁阻电机的定子和转子的齿数采用6/4组合，即所述磁阻电机定子为6、磁阻电机转子齿数为4、电机相数m为3时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的电枢线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组。

如图3所示，是本发明五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统实施例3的三维结构示意图。与实施例1、实施2相比，实施例3中仅开关磁阻电机的结构形式不同，其他结构均相同。实施例3中开关磁阻电机的定子和转子的齿数采用8/6组合，即所述磁阻电机定子为8、磁阻电机转子齿数为6、电机相数m为4时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的电枢线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成4个电枢绕组。

如图4所示，是本发明实施例1中混合磁轴承的径向磁通分布图。其中，线标号23是偏置线圈Ⅰ的电流在混合磁轴承内产生的偏置磁通部，线标号24是x轴方向径向悬浮线圈Ⅰ的电流在混合磁轴承内产生的悬浮磁通。偏置磁通呈NNNN或SSSS分布，即四个偏置线圈Ⅰ产生磁场极性相同，因此需要轴向通路使其形成闭合回路。偏置磁通的径向部分经过转子导磁轭、磁轴承转子Ⅰ、径向气隙1(标号25)、径向定子Ⅰ的定子内齿、径向定子Ⅰ的定子轭、径向定子Ⅰ的定子外齿、径向气隙2(标号26)、定子导磁轭；轴向部分再经两个轴向定子、两个轴向气隙和转子导磁轭形成闭合回路。

x轴方向径向悬浮线圈Ⅰ均产生二极悬浮磁通，呈NS分布；其悬浮磁通经径向定子Ⅰ的x轴正方向定子内齿、径向定子Ⅰ的定子轭、x轴负方向定子内齿、x轴负方向径向气隙1、磁轴承转子Ⅰ、x轴正方向径向气隙1和x轴正方向定子内齿，形成闭合回路。y轴方向径向悬浮线圈Ⅰ产生的磁通与x轴方向径向悬浮线圈Ⅰ相同。

混合磁轴承径向悬浮力产生机理为：在x轴正方向，x轴方向径向悬浮绕组Ⅰ产生的磁通方向与偏置磁通方向相同，气隙合成磁通增加；在x轴负方向，x轴方向径向悬浮绕组Ⅰ产生的磁通方向与偏置磁通方向相反，气隙合成磁通减小，导致x轴正方向的气隙磁通大于x轴负方向，进而产生一个x轴正方向的径向悬浮力；当x轴方向径向悬浮绕组Ⅰ的电流方向反向时，将产生一个x轴负方向的径向悬浮力。同理，控制y轴方向径向悬浮绕组Ⅰ内电流的大小和方向，也可产生一个大小和方向均可控的y轴方向悬浮力。从而，合理控制x、y轴方向径向悬浮绕组Ⅰ电流的大小和方向，即可为混合磁轴承产生大小和方向均可控的径向悬浮力。

如图5所示，是本发明实施例1中混合磁轴承的轴向磁通分布图。其中，线标号27是轴向悬浮线圈的电流在混合磁轴承内产生的悬浮磁通，线标号28为轴向定子Ⅰ与转子导磁轭间的轴向气隙。偏置磁通经过转子导磁轭、磁轴承转子Ⅰ、径向气隙1(标号25)、径向定子Ⅰ的定子内齿、径向定子Ⅰ的定子轭、径向定子Ⅰ的定子外齿、径向气隙2(标号26)、定子导磁轭，再经两个轴向定子、两个轴向气隙和转子导磁轭形成闭合回路。轴向悬浮绕组产生的悬浮磁通，经轴向定子Ⅰ、定子导磁轭、轴向定子Ⅱ、z轴正方向轴向气隙、转子导磁轭、z轴负方向轴向气隙和轴向定子Ⅰ形成闭合回路。

在z轴负方向处，偏置磁通与控制磁通方向相反，磁通减弱，而在z轴正方向处，偏置磁通与控制磁通的方向相同，磁通增强，混合磁轴承将产生一个z轴正方向的轴向悬浮力；当轴向悬浮绕组电流方向改变时，将产生一个z轴负方向的轴向悬浮力，故仅需控制轴向悬浮绕组电流的大小和方向，即可得到一个任意大小和方向的z轴方向悬浮力。因此，合理控制混合磁轴承的x、y、z轴方向悬浮电流，便可获得大小和方向均可控制的三个悬浮力。

如图6所示，是本发明实施例1径向磁轴承中的磁通分布图。其中，线标号29是偏置线圈Ⅱ的电流在径向磁轴承内产生的偏置磁通，线标号30是x轴方向径向悬浮线圈Ⅱ的电流在径向磁轴承内产生的悬浮磁通，线标号31是y轴方向径向悬浮线圈Ⅱ的电流在径向磁轴承内产生的悬浮磁通。

偏置线圈Ⅱ电流和径向悬浮线圈Ⅱ电流产生的偏置磁通和悬浮磁通，均经径向定子Ⅱ的3个定子齿、定子轭、气隙和磁轴承转子Ⅱ闭合。

在x轴正方向处，x轴方向径向悬浮线圈Ⅱ产生的悬浮磁通与偏置线圈Ⅱ产生的偏置磁通方向相同，磁通增强，在x轴负方向处，两磁通方向相反，磁通减弱，进而产生一个x轴正方向的径向悬浮力；x轴方向径向悬浮线圈Ⅱ的电流反向时，将产生一个x轴负方向的径向悬浮力。同理，y轴方向径向悬浮线圈Ⅱ也可产生一个y轴正负方向的径向悬浮力。

如图7所示，是本发明实施例1三相电枢绕组和偏置绕组的功率变换器示意图。其中，线标号32是A相电枢绕组，线标号32是B相电枢绕组，线标号34是C相电枢绕组，线标号35是偏置绕组。

所述功率变换器由1个电源模块、1个三相不对称半桥电路和1个二极管整流电路构成；所述电源模块包括第一电源(U_s1)和第一电解电容(C₁)；所述三相不对称半桥电路，包括六个功率开关管即第一功率开关管(S₁)至第六功率开关管(S₆)、六个续流二极管即第一续流二极管(D₁)至第六续流二极管(D₆)；所述二极管整流电路，包括第一功率二极管(D₇)、第二功率二极管(D₈)、第七续流二极管(D₉)和第八续流二极管(D₁₀)；

所述功率变换器的连接方式为：第一电源(U_s1)的正极并接第一电解电容(C₁)的输入端后，分别接第一功率二极管(D₇)的阳极和第七续流二极管(D₉)的阴极；第一功率二极管(D₇)的阴极接第八续流二极管(D₁₀)的阴极，第七续流二极管(D₉)的阳极接第二功率二极管(D₈)的阳极；第二功率二极管(D₈)的阴极接第八续流二极管(D₁₀)的阳极后，分别接第一功率开关管(S₁)的漏极、第一续流二极管(D₁)的阴极、第三功率开关管(S₃)的漏极、第三续流二极管(D₃)的阴极、第五功率开关管(S₅)的漏极和第五续流二极管(D₅)的阴极；

第一电源(U_s1)的负极并接第一电解电容(C1)的输出端后，分别接第二续流二极管(D₂)的阳极、第二功率开关管(S₂)的源极、第四续流二极管(D₄)的阳极、第四功率开关管(S₄)的源极、第六续流二极管(D₆)的阳极和第六功率开关管(S₆)的源极；

第一功率开关管(S₁)的源极接第二续流二极管(D₂)的阴极，第二功率开关管(S₂)的漏极接第一续流二极管(D₁)的阳极；第三功率开关管(S₃)的源极接第四续流二极管(D₄)的阴极，第四功率开关管(S₄)的漏极接第三续流二极管(D₃)的阳极；第五功率开关管(S₅)的源极接第六续流二极管(D₆)的阴极，第六功率开关管(S₆)的漏极接第五续流二极管(D₅)的阳极；

第一功率二极管(D₇)的阴极与接第二功率二极管(D₈)的阳极间串接所述磁轴承的偏置绕组；第一功率开关管(S₁)的源极与第二功率开关管(S₂)的漏极间串接所述开关磁阻电机的A相电枢绕组；第三功率开关管(S₃)的源极与第四功率开关管(S₄)的漏极间串接所述开关磁阻电机的B相电枢绕组；第五功率开关管(S₅)的源极与第六功率开关管(S₆)的漏极间串接所述开关磁阻电机的C相电枢绕组；

当二极管D₇和D₈为三相电枢绕组导通励磁时，提供正方向的电流支路；而二极管D₉和D₁₀则为三相电枢绕组电流提供续流回路，并使偏置绕组电流的方向始终为正。另外偏置绕组可与二极管D₇和D₉形成一个回路，和二极管D₈和D₁₀形成另一个回路，将使得偏置绕组无论在励磁或续流阶段的端电压保持为恒值，最终促使偏置电流也为恒值，这将有利于悬浮控制，并减小偏置绕组电流导致的铁心损耗，进而提高系统效率。

由于四个二极管D₇、D₈、D₉和D₁₀对偏置绕组两端的稳压作用，使得三相电枢绕组在励磁和续流阶段均存在经偏置绕组闭合的电流回路。

开关磁阻电机的三相电枢绕组导通相序为A-B-C，当A相励磁时，C相续流导通，当B相励磁导通时，A相续流，当C相励磁导通时，B相续流。

以A相励磁导通为例，此时A相励磁，C相续流导通。A相电枢绕组的励磁电流一部分经过压源U_s、二极管D₇、偏置绕组、二极管D₈、开关管S₁、A相电枢绕组、开关管S₂闭合；而另一部分经A相电枢绕组、开关管S₂、二极管D₆、C相电枢绕组、二极管D₅、开关管S₁闭合；进而使得经偏置绕组的电流始终为恒值。B、C相励磁时也具有相同的效果。当开关磁阻电机相数m>3时，只需所述功率变换器中增加相应的支路，而偏置绕组部分的电路无需变化。

如图8所示，为本发明实施例1三相电枢绕组和偏置绕组电流的仿真图。其中，线标号36是A相电枢绕组电流，线标号37是B相电枢绕组电流，线标号38是C相电枢绕组电流，线标号39是偏置绕组电流。

仿真结果显示，基于图7所示的功率变换电路，三相电枢电流的波形与传统开关磁阻电机的电流波形相同，说明图7所示的功率电路具有传统不对称半桥电路的功能。另外，偏置绕组电流方向与电枢电流相同，说明四个二极管对偏置绕组有整流作用；又因为偏置电流基本为恒值，说明偏置绕组电感自身有稳流作用，进而可显著提升悬浮绕组电流的斩波和跟踪效果。

如图9所示，为本发明实施例1的控制方法的系统框图。转矩控制可采用PWM控制、脉冲控制和角位置控制等传统开关磁阻电机的控制方法，而悬浮控制则采用电流斩波控制的方式。

转矩控制为：检测电机转子位置信息，经计算分别得到实际转速ω和每相的开通角θ_on和关断角θ_off，将转速误差信号进行PI调节，获得转矩绕组电流参考值再利用电流斩波控制让实际转矩绕组电流跟踪并利用开通角θ_on和关断角θ_off控制转矩绕组功率电路的导通状态，从而实现电机旋转。

悬浮控制为：将位移误差信号进行PID调节获得给定悬浮力 再结合实测偏置绕组电流i_bias，即可通过悬浮绕组电流控制器计算出：混合磁轴承的x轴方向悬浮绕组电流参考值y轴方向悬浮绕组电流参考值和z轴方向悬浮绕组电流参考值以及径向磁轴承的x轴方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值

利用电流斩波控制方法，让混合磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流i_x1跟踪该方向悬浮绕组电流参考值让y轴方向悬浮绕组的实际电流i_y1跟踪该方向悬浮绕组电流参考值让z轴方向悬浮绕组的实际电流i_z，跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

让径向磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流i_x2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值让y轴方向悬浮绕组的实际电流i_y2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值从而实时调节悬浮力，实现系统的五自由度悬浮。

如图10所示，本发明实施例1的控制方法中五个悬浮绕组电流计算方法框图。图中，k_f1、k_f2分别为混合磁轴承的径向悬浮力系数、轴向悬浮力系数、k_f3为径向磁轴承的径向悬浮力系数，其表达式分别为：

μ₀为真空磁导率，l₁为径向定子Ⅰ的轴向长度，r₁为磁轴承转子Ⅰ的半径，r₂为径向定子Ⅰ的定子外齿的半径，r₃、r₄分别为轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ的环形齿的内径、外径，α_s1、α_s2分别为径向定子Ⅰ的定子内齿、定子外齿的极弧角，δ₁为径向定子Ⅰ与磁轴承转子Ⅰ间的径向气隙长度，δ₂为径向定子Ⅰ的定子外齿与定子导磁轭间的径向气隙长度，δ₃为轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ与转子导磁轭间的轴向气隙长度，l₂为径向定子Ⅱ的轴向长度，r₅为磁轴承转子Ⅱ的半径，δ₄为径向磁轴承的气隙长度，α_s3为E型结构中窄齿的极弧角，γ为E型结构中宽齿与窄齿中心间的夹角。

混合磁轴承的x和y轴方向悬浮力F_α1和F_β1的表达式为：

F_α1＝k_f1N_b1N_s1i_biasi_x1 (4)

F_β1＝k_f1N_b1N_s1i_biasi_y1 (5)

式中，i_bias为偏置绕组Ⅰ的电流，i_x1、i_y1分别为混合磁轴承的x、y轴方向径向悬浮绕组Ⅰ的电流，N_b1、N_s1分别偏置绕组Ⅰ和径向悬浮绕组Ⅰ的匝数。

混合磁轴承的z轴方向悬浮力F_z的表达式为：

F_z＝k_f2N_b1N_zi_biasi_z (6)

式中，N_z为混合磁轴承轴向悬浮绕组匝数，i_z为混合磁轴承轴向悬浮绕组电流。

径向磁轴承的x和y轴方向悬浮力F_α2和F_β2的表达式为：

F_α2＝k_f3N_b2N_s2i_biasi_x2 (7)

F_β2＝k_f3N_b2N_s2i_biasi_y2 (8)

式中，i_bias为偏置绕组Ⅱ的电流，i_x2、i_y2分别为径向磁轴承的x、y轴方向径向悬浮绕组Ⅱ的电流，N_b2、N_s2分别偏置绕组Ⅱ和径向悬浮绕组Ⅱ的匝数。

控制中，四个径向位移和一个轴向位移经PID调节后，可获得四个径向悬浮力和一个轴向悬浮力的参考值。其中，混合磁轴承的x和y轴方向悬浮力F_α1和F_β1的参考值分别为和以及其z轴方向悬浮力F_z的参考值为径向磁轴承的x和y轴方向悬浮力F_α2和F_β2的参考值分别为和另外，偏置绕组电流i_bias可通过实时检测得到。因此，可方便得到四个径向悬浮绕组和一个轴向悬浮绕组的电流参考值，其中，电流i_x1、i_y1、i_x2、i_y2、i_z的参考值分别为 计算公式如下：

由表达式(9)～(13)可知，五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统的径向、轴向悬浮力与转子位置角θ无关，仅与结构参数、偏置绕组电流和各自方向悬浮绕组电流有关。因此，五个悬浮力间相互解耦；又因为五个悬浮力均与转子位置角无关，因此转矩和悬浮力间可解耦控制。

需要指出的是，由于悬浮力正负随悬浮绕组电流的正负变化而变化，因此五个悬浮绕组电流方向在控制时会发生变化，需采用可调电流方向的功率变换器。

一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统的控制方法，所述五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统包括1个开关磁阻电机、1个混合磁轴承和1个径向磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，2个磁轴承产生五个悬浮力，以实现转子五自由度的悬浮运行；所述五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统包括m相电枢绕组、1个偏置绕组、4个径向悬浮绕组和1个轴向悬浮绕组，其中，m相电枢绕组串联到传统不对称半桥功率变换器的m个支路中，所述偏置绕组连同四个二极管一起接入到不对称半桥功率变换器的直流母线中，进而在独立控制m相电枢绕组电流，调节转矩的同时，分别在两个磁轴承中产生悬浮所需的偏置磁通；所述偏置磁通仅与开关磁阻电机工作状况有关，其中开关磁阻电机工作状况不变时，所述偏置磁通基本恒定不变；控制中，在获得偏置绕组电流的基础上，独立控制5个悬浮绕组电流，即可实现五自由度悬浮调节；包括如下步骤：

步骤A，获取给定电枢绕组电流、开通角和关断角；具体步骤如下：

步骤A-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；

步骤A-2，将转子角速度ω与设定的参考角速度ω^*相减，得到转速差Δω；

步骤A-3，当ω≤ω₀时，ω₀为临界速度设定值，其由开关磁阻电机实际工况确定；所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得电枢绕组电流参考值i_m ^*；开通角θ_on和关断角θ_off固定不变，θ_on和θ_off取值由开关磁阻电机结构形式决定；

步骤A-4，当ω＞ω₀时，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得开通角θ_on和关断角θ_off，电枢绕组电流不控制；

步骤B，获取混合磁轴承的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤B-1，获取磁轴承转子Ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₁和β₁，其中，x轴为水平方向，y轴为竖直方向；

步骤B-2，将实时位移信号α₁和β₁分别与给定的参考位移信号α₁ ^*和β₁ ^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₁和Δβ₁，将所述实时位移信号差Δα₁和Δβ₁经过比例积分微分控制器，得到混合磁轴承的x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤C，获取五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统的z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤C-1，获取转轴z轴方向的实时位移信号z，其中，z轴与x轴和y轴方向垂直；

步骤C-2，将实时位移信号z与给定的参考位移信号z^*相减，得到z轴方向的实时位移信号差Δz，将所述实时位移信号差Δz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向给定悬浮力

步骤D，获取径向磁轴承的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤D-1，获取磁轴承转子Ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₂和β₂；

步骤D-2，将实时位移信号α₂和β₂分别与给定的参考位移信号α₂ ^*和β₂ ^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₂和Δβ₂，将所述实时位移信号差Δα₂和Δβ₂经过比例积分微分控制器，得到径向磁轴承的x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤E，调节悬浮力，具体步骤如下：

步骤E-1，采集实时的偏置绕组电流i_bias，根据所述悬浮力和以及电流计算公式和解算得到混合磁轴承的x轴方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值其中，k_f1为混合磁轴承的径向悬浮力系数，其表达式为：

μ₀为真空磁导率，l₁为径向定子Ⅰ的轴向长度，r₁为磁轴承转子Ⅰ的半径，r₂为径向定子Ⅰ的定子外齿的半径，r₃、r₄分别为轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ的环形齿的内径、外径，α_s1、α_s2分别为径向定子Ⅰ的定子内齿、定子外齿的极弧角，δ₁为径向定子Ⅰ与磁轴承转子Ⅰ间的径向气隙长度，δ₂为径向定子Ⅰ的定子外齿与定子导磁轭间的径向气隙长度，δ₃为轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ与转子导磁轭间的轴向气隙长度，N_b1、N_s1分别为偏置线圈Ⅰ和径向悬浮线圈Ⅰ的匝数；

步骤E-2，根据所述偏置绕组电流i_bias，所述悬浮力以及电流计算公式解算得到混合磁轴承的z轴方向悬浮绕组电流参考值其中，N_z为混合磁轴承的轴向悬浮线圈的匝数，k_f2为混合磁轴承的轴向悬浮力系数，其表达式为

步骤E-3，根据所述偏置绕组电流i_bias，所述悬浮力和以及电流计算公式和解算得到径向磁轴承的x轴方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值其中，k_f3为径向磁轴承的径向悬浮力系数，l₂为径向定子Ⅱ的轴向长度，r₅为磁轴承转子Ⅱ的半径，δ₄为径向磁轴承的气隙长度，α_s3为E型结构中窄齿的极弧角，γ为E型结构中宽齿与窄齿中心间的夹角，N_b2、N_s2分别为偏置线圈Ⅱ和径向悬浮线圈Ⅱ的匝数；

步骤E-4，利用电流斩波控制方法，用混合磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流i_x1跟踪该方向悬浮绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流i_y1跟踪该方向悬浮绕组电流参考值用z轴方向悬浮绕组的实际电流i_z跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

用径向磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流i_x2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流i_y2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值从而实时调节5个悬浮力，进而实现五自由度悬浮运行；

步骤F，调节转矩；具体步骤如下：

步骤F-1，当ω≤ω₀时，利用电流斩波控制方法，以电枢绕组的实际电流i_m跟踪电枢绕组电流参考值i_m ^*，进而实时调节电枢绕组电流i_m，进而达到调节转矩的目的；

步骤F-2，当ω＞ω₀时，利用角度位置控制方法，调节开通角θ_on和关断角θ_off的取值，从而实时调节转矩。

本发明实施例2和实施例3的控制方法及实现方式，与实施例1均相同，不同之处在于，由于定、转子齿不同，开通角θ_on和关断角θ_off取值不同；以及因相数不同，电流传感器所需实时采集的电枢绕组相数不同。

综上所述，本发明在结构上实现了转矩和悬浮力的解耦，各悬浮力间也相互解耦；偏置绕组与电枢绕组共用一套功率变换器，集成度高，可靠性高；偏置绕组和电枢绕组采用共同励磁的方式，电磁转换效率高；由于偏置绕组电流不控制，仅与开关磁阻电机的工况有关，故只需控制五个方向悬浮绕组电流，即可产生五个方向的所需悬浮力，控制变量少，悬浮控制简单，且系统功率变换器成本小；旋转控制与传统开关磁阻电机相同，再配合磁悬浮支撑技术，电机系统的高速适应性进一步加强；另外，整个磁悬浮电机系统中不含永磁体，系统对温升和工作环境的适应性好。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。

Claims (5)

1.一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统，包括1个混合磁轴承、1个开关磁阻电机和1个径向磁轴承；

所述开关磁阻电机布置在混合磁轴承和径向磁轴承之间；

所述混合磁轴承，由径向定子Ⅰ、轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅰ、定子导磁轭、转子导磁轭、偏置线圈Ⅰ、径向悬浮线圈Ⅰ、轴向悬浮线圈组成；

所述径向磁轴承，由径向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅱ、偏置线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅱ组成；

所述开关磁阻电机，由磁阻电机定子、磁阻电机转子和电枢线圈构成；

所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数有12/8、6/4、8/6三种组合形式；其中磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为12/8和6/4时，开关磁阻电机为三相工作制，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机为四相工作制；

所述轴向定子Ⅰ、径向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ串联布置在定子导磁轭内，径向定子Ⅰ布置在轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ之间，径向定子Ⅰ与定子导磁轭间存在空气隙，轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ与定子导磁轭紧密布置；

所述磁轴承转子Ⅰ布置在径向定子Ⅰ内，且磁轴承转子Ⅰ套在转子导磁轭上；

所述磁轴承转子Ⅱ布置在径向定子Ⅱ内；

所述转子导磁轭、磁阻电机转子和磁轴承转子Ⅱ套在转轴上，且所述磁阻电机转子布置在转子导磁轭和磁轴承转子Ⅱ之间；

所述径向定子Ⅰ为双凸极结构，包括4个定子内齿和4个定子外齿；4个定子内齿均匀布置，在空间上相差90°；4个定子外齿均匀布置，在空间上相差90°；其中，2个定子内齿和2个定子外齿都位于水平方向，剩余2个定子内齿和2个定子外齿都位于竖直方向；

所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ均为├型结构，所述├型结构的凸极方向为轴向方向，与水平、竖直方向构成的平面垂直；所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ凸极朝向相反，均指向径向定子Ⅰ；所述├型结构内均有1个通孔，所述通孔的中心线与转轴的中心线重合；每个所述├型结构的凸极部分形成1个环形齿；所述环形齿的外径大于所述通孔的直径，所述通孔的直径大于转轴的外径；所述转轴贯穿所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ，且布置在所述通孔内；

所述定子导磁轭、磁轴承转子Ⅰ和转子导磁轭均为环形结构；

每个所述定子内齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅰ，共形成4个悬浮线圈Ⅰ；每个所述定子外齿上绕有1个偏置线圈Ⅰ，共形成4个偏置线圈Ⅰ；每个所述环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈，共形成2个轴向悬浮线圈；

在水平方向位置处，绕在2个定子内齿上的2个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅰ；

在竖直方向位置处，绕在2个定子内齿上的2个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；

4个所述偏置线圈Ⅰ串联构成1个偏置线圈串Ⅰ；

2个所述轴向悬浮线圈串联构成1个轴向悬浮绕组；

所述径向定子Ⅱ由4个E型结构构成，4个E型结构均匀分布，空间上相差90°；4个所述E型结构分别位于水平正方向、竖直正方向、水平负方向和竖直负方向；

每个E型结构的齿数为3，包括1个宽齿和2个窄齿，且所述宽齿处于2个窄齿的中间；所述E型结构的宽齿与其2个窄齿间的夹角相等，且宽齿的齿宽等于窄齿的二倍；

所述磁轴承转子Ⅱ为圆柱结构；

所述E型结构的每个宽齿上绕有1个偏置线圈Ⅱ，共形成4个偏置线圈Ⅱ；所述E型结构的每个窄齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅱ，共形成8个径向悬浮线圈Ⅱ；

4个所述偏置线圈Ⅱ串联构成1个偏置线圈串Ⅱ；

在水平正方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个水平正方向悬浮线圈串Ⅱ；

在水平负方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个水平负方向悬浮线圈串Ⅱ；

在竖直正方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个竖直正方向悬浮线圈串Ⅱ；

在竖直负方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个竖直负方向悬浮线圈串Ⅱ；

1个所述水平正方向悬浮线圈串Ⅱ和1个水平负方向悬浮线圈串Ⅱ反向串联在一起，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；

1个所述竖直正方向悬浮线圈串Ⅱ和1个竖直负方向悬浮线圈串Ⅱ反向串联在一起，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅱ；

1个所述偏置线圈串Ⅰ和1个所述偏置线圈串Ⅱ串联，构成1个偏置绕组；

所述开关磁阻电机的每个定子齿上绕有1个电枢线圈，所有磁阻电机定子齿上的电枢线圈，分m组，分别连接在一起，构成m个电枢绕组。

2.根据权利要求1所述的一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统，其特征在于，所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用12/8组合，即所述磁阻电机定子齿数为12、磁阻电机转子齿数为8、电机相数m为3时，每4个相隔90°的磁阻电机定子齿上的电枢线圈，采用串联、或并列、或串并结合的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组。

3.根据权利要求1所述的一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统，其特征在于，所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用6/4组合，即所述磁阻电机定子为6、磁阻电机转子齿数为4、电机相数m为3时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的电枢线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组。

4.根据权利要求1所述的一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统，其特征在于，所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用8/6组合，即所述磁阻电机定子为8、磁阻电机转子齿数为6、电机相数m为4时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的电枢线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成4个电枢绕组。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统的控制方法，其特征在于，所述五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统包括1个开关磁阻电机、1个混合磁轴承和1个径向磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，2个磁轴承产生五个悬浮力，以实现转子五自由度的悬浮运行；所述五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统中的绕组包括m相电枢绕组、1个偏置绕组、4个径向悬浮绕组和1个轴向悬浮绕组；独立控制m相电枢绕组电流，调节转矩的同时，偏置绕组将在两个磁轴承中产生悬浮所需的偏置磁通；所述偏置磁通仅与开关磁阻电机工作状况有关，其中开关磁阻电机工作状况不变时，所述偏置磁通基本恒定不变；控制中，在获得偏置绕组电流的基础上，独立控制5个悬浮绕组电流，即实现五自由度悬浮调节；包括如下步骤：

步骤A，获取给定电枢绕组电流、开通角和关断角；具体步骤如下：

步骤A-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；

步骤A-2，将转子角速度ω与设定的参考角速度ω^*相减，得到转速差Δω；

步骤A-3，当ω≤ω₀时，ω₀为临界速度设定值，由开关磁阻电机实际工况确定；所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得电枢绕组电流参考值i_m ^*；开通角θ_on和关断角θ_off固定不变，θ_on和θ_off取值由开关磁阻电机结构形式决定；

步骤A-4，当ω＞ω₀时，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得开通角θ_on和关断角θ_off，电枢绕组电流不控制；

步骤B，获取混合磁轴承的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤B-1，获取磁轴承转子Ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₁和β₁，其中，x轴为水平方向，y轴为竖直方向；

步骤B-2，将实时位移信号α₁和β₁分别与给定的参考位移信号α₁ ^*和β₁ ^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₁和Δβ₁，将所述实时位移信号差Δα₁和Δβ₁经过比例积分微分控制器，得到混合磁轴承的x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤C，获取五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统的z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤C-1，获取转轴z轴方向的实时位移信号z，其中，z轴与x轴和y轴方向垂直；

步骤C-2，将实时位移信号z与给定的参考位移信号z^*相减，得到z轴方向的实时位移信号差Δz，将所述实时位移信号差Δz经过比例积分微分控制器，得到z轴方向给定悬浮力

步骤D，获取径向磁轴承的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤D-1，获取磁轴承转子Ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₂和β₂；

步骤D-2，将实时位移信号α₂和β₂分别与给定的参考位移信号α₂ ^*和β₂ ^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₂和Δβ₂，将所述实时位移信号差Δα₂和Δβ₂经过比例积分微分控制器，得到径向磁轴承的x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤E，调节悬浮力，具体步骤如下：

步骤E-1，采集实时的偏置绕组电流i_bias，根据所述悬浮力和以及电流计算公式和解算得到混合磁轴承的x轴方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值其中，k_f1为混合磁轴承的径向悬浮力系数，其表达式为：

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μ₀为真空磁导率，l₁为径向定子Ⅰ的轴向长度，r₁为磁轴承转子Ⅰ的半径，r₂为径向定子Ⅰ的定子外齿的半径，r₃、r₄分别为轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ的环形齿的内径、外径，α_s1、α_s2分别为径向定子Ⅰ的定子内齿、定子外齿的极弧角，δ₁为径向定子Ⅰ与磁轴承转子Ⅰ间的径向气隙长度，δ₂为径向定子Ⅰ的定子外齿与定子导磁轭间的径向气隙长度，δ₃为轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ与转子导磁轭间的轴向气隙长度，N_b1、N_s1分别为偏置线圈Ⅰ和径向悬浮线圈Ⅰ的匝数；

步骤E-2，根据所述偏置绕组电流i_bias，所述悬浮力以及电流计算公式解算得到混合磁轴承的z轴方向悬浮绕组电流参考值其中，N_z为混合磁轴承的轴向悬浮线圈的匝数，k_f2为混合磁轴承的轴向悬浮力系数，其表达式为

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步骤E-3，根据所述偏置绕组电流i_bias，所述悬浮力和以及电流计算公式和解算得到径向磁轴承的x轴方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值其中，k_f3为径向磁轴承的径向悬浮力系数，l₂为径向定子Ⅱ的轴向长度，r₅为磁轴承转子Ⅱ的半径，δ₄为径向磁轴承的气隙长度，α_s3为E型结构中窄齿的极弧角，γ为E型结构中宽齿与窄齿中心间的夹角，N_b2、N_s2分别为偏置线圈Ⅱ和径向悬浮线圈Ⅱ的匝数；

步骤E-4，利用电流斩波控制方法，用混合磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流i_x1跟踪该方向悬浮绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流i_y1跟踪该方向悬浮绕组电流参考值用z轴方向悬浮绕组的实际电流i_z跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

用径向磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流i_x2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流i_y2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值从而实时调节5个悬浮力，进而实现五自由度悬浮运行；

步骤F，调节转矩；具体步骤如下：

步骤F-1，当ω≤ω₀时，利用电流斩波控制方法，以电枢绕组的实际电流i_m跟踪电枢绕组电流参考值i_m ^*，进而实时调节电枢绕组电流i_m，进而达到调节转矩的目的；

步骤F-2，当ω＞ω₀时，利用角度位置控制方法，调节开通角θ_on和关断角θ_off的取值，从而实时调节转矩。