CN107547010B - 一种电磁轴承开关磁阻电机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种电磁轴承开关磁阻电机系统及控制方法。所述电机系统由1个开关磁阻电机、1个三自由度磁轴承和1个径向磁轴承构成；两磁轴承的偏置绕组串联之后，经四个二极管接入到开关磁阻电机m相电枢绕组的不对称半桥功率变换器的直流母线中；m相电枢绕组采用传统开关磁阻驱动模式，由于四个二极管的整流作用，在偏置绕组内产生一个连续恒定的电流，为两磁轴承提供偏置磁通；再通过合理控制五个悬浮绕组电流，即可实现五自由度悬浮运行；五个悬浮力间相互解耦，悬浮力与转矩间也解耦。本发明集成度高，机电能量转换利用率高，控制变量少，悬浮控制简单，可靠性高，因无永磁体，对工作环境适应性强，特别适合高速或超高速应用场合。

Description

一种电磁轴承开关磁阻电机系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种电磁轴承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

磁悬浮开关磁阻电机系统，通常由一个开关磁阻电机和两个磁悬浮轴承构成，不仅具有磁悬浮轴承的无摩擦、无润滑等优点，还可充分发挥开关磁阻电机的高速和环境适应性等特点，在航空航天、飞轮储能、高速离心机、高速鼓风机、高速主轴电机等军事民用场合具有独特优势。

磁悬浮轴承根据励磁方式不同，可分为永磁偏置式磁轴承和电磁轴承。永磁偏置式磁轴承因利用永磁体产生偏置磁通，悬浮力/电流比大，功率密度高，损耗小，且效率高，但永磁体对温升较为敏感，抗腐蚀能力差，且长时间运行存在退磁或消磁的风险，因此其应用场合受限，且永磁体存储有限，价格较贵；而电磁轴承由于采用电励磁方式，可有效解决永磁体存在的上述问题，但其控制变量多，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。

为此，研究磁轴承系统与开关磁阻电机系统间的有效集成，进一步提升磁悬浮开关磁阻电机系统的集成度，可靠性及对工作环境的适应性，已成该领域中的一个热点问题。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种电磁轴承开关磁阻电机系统及控制方法。本发明将1个三自由度轴向径向电磁轴承、1个两自由度径向电磁轴承和1个开关磁阻电机集合成一个新型的五自由度电磁轴承开关磁阻电机系统，将两个电磁轴承的偏置绕组串联一起后，与开关磁阻电机的电枢绕组共用一套功率变换器，仍采用传统开关磁阻电机的驱动方式，在开关磁阻电机内产生旋转转矩的同时，在两个电磁轴承内产生偏置磁通，通过控制五个悬浮绕组电流进而控制五个方向的悬浮力，进而实现五自由度悬浮运行。本发明，显著减少了电磁轴承的控制变量和功率变换器支路数，功率系统成本低，可靠性高，有效提高了磁悬浮电机系统的集成度；还因采用电枢绕组和偏置绕组共励磁方式，系统机电能量转换效率得到进一步提升。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种电磁轴承开关磁阻电机系统，包括1个三自由度磁轴承、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三自由度磁轴承和径向磁轴承之间；

所述三自由度磁轴承，由径向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ、轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅰ、环形导磁轭Ⅰ、非导磁构件、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Ⅲ、径向定子Ⅳ、磁轴承转子Ⅱ、环形导磁轭Ⅱ、偏置线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅲ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；

所述径向定子Ⅰ和非导磁构件均布置在径向定子Ⅱ内，所述非导磁构件布置在径向定子Ⅰ与径向定子Ⅱ之间，且非导磁构件与径向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ均紧密布置；

所述轴向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ、轴向定子Ⅱ串联布置，且径向定子Ⅱ布置在轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ之间；轴向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ、轴向定子Ⅱ均布置在环形导磁轭Ⅰ内；所述磁轴承转子Ⅰ布置在径向定子Ⅰ和径向定子Ⅱ内；所述轴向定子Ⅰ与径向定子Ⅱ间、径向定子Ⅱ与轴向定子Ⅱ间都存在间隙，且两个间隙的长度相等；

所述径向定子Ⅲ与径向定子Ⅳ串联布置，且径向定子Ⅲ、径向定子Ⅳ布置在环形导磁轭Ⅱ内；所述磁轴承转子Ⅱ布置径向定子Ⅲ和径向定子Ⅳ内；所述径向定子Ⅲ与径向定子Ⅳ之间嵌有1个偏置线圈Ⅱ，所述偏置线圈Ⅱ为环形结构；

所述磁阻电机转子串联布置磁轴承转子Ⅰ与磁轴承转子Ⅱ之间；磁阻电机转子、磁轴承转子Ⅰ、磁轴承转子Ⅱ套在转轴上；

所述径向定子Ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述径向定子Ⅰ由8个C型结构构成，每个所述C型结构的齿数为2，进而所述径向定子Ⅰ的齿共有16个；所述非导磁构件由4个E型结构构成，每个所述E型结构的齿数为3，且每个所述E型结构的中间齿的高度小于剩余两齿；

所述径向定子Ⅱ的4个齿圆周上均匀分布，相邻齿与齿间的夹角为90°，其中与水平方向重合的两个齿分别称为水平正方向齿和水平负方向齿，与竖直方向重合的两个齿称为竖直正方向齿和竖直负方向齿；径向定子Ⅱ的相邻齿与齿之间存在空气隙，进而形成4个定子槽；

每个所述定子槽中均放置径向定子Ⅰ的2个C型结构和非导磁构件的1个E型结构，每个E型结构紧密布置在2个C型结构和径向定子Ⅱ之间，且所述E型结构中间齿的齿宽等于与之紧密布置的2个C型结构之间的间距；

在水平正方向齿位置处，形成1个由水平正方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；在水平负方向齿位置处，形成1个由水平负方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；在竖直正方向齿位置处，形成1个由竖直正方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；在竖直负方向齿位置处，形成1个由竖直负方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；从而，共形成4个宽齿；

4个所述宽齿组合时利用了每个C型结构中的1个齿，即共利用了8个齿，每个所述C型结构中剩余1个齿，形成1个窄齿，共形成8个窄齿；

每个所述宽齿上绕有1个偏置线圈Ⅰ，共形成4个偏置线圈Ⅰ；4个所述偏置线圈Ⅰ串联，构成1个偏置线圈串Ⅰ；

每个所述窄齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅰ，共形成8个径向悬浮线圈Ⅰ；径向悬浮线圈Ⅰ的连接方式为：在水平正方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个水平正方向绕组串Ⅰ；在水平负方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个水平负方向绕组串Ⅰ；所述1个水平正方向绕组串Ⅰ和1个水平负方向绕组串Ⅰ串联，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅰ；

在竖直正方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个竖直正方向绕组串Ⅰ；在竖直负方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个竖直负方向绕组串Ⅰ；所述1个竖直正方向绕组串Ⅰ和1个竖直负方向绕组串Ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；

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Ⅱ；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内径，所述通孔的内径大于转轴的外径；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；

每个所述环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈，共2个轴向悬浮线圈；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Ⅲ为凸极结构，齿数为4；所述径向定子Ⅲ的4个齿圆周上均匀分布，相邻齿与齿间的夹角为90°，其中2个齿位于水平方向，剩余2个齿位于竖直方向；

所述径向定子Ⅳ为凸极结构，齿数为4；所述径向定子Ⅳ的4个齿圆周上均匀分布，相邻齿与齿间的夹角为90°，其中2个齿位于水平位置，剩余2个齿位于竖直位置；

所述径向定子Ⅲ与径向定子Ⅳ的所有齿的长、宽、高均相等；

所述径向定子Ⅲ的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅱ，共4个径向悬浮线圈Ⅱ；其中绕在处于水平位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个水平径向悬浮线圈串Ⅱ，绕在处于竖直位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个竖直径向悬浮线圈串Ⅱ；

所述径向定子Ⅳ的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅲ，共4个径向悬浮线圈Ⅲ；其中绕处于水平位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅲ串联，构成1个水平径向悬浮线圈串Ⅲ，绕在处于竖直位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅲ串联，构成1个竖直径向悬浮线圈串Ⅲ；

1个所述水平径向悬浮线圈串Ⅱ和1个水平径向悬浮线圈串Ⅲ串联，形成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；

1个所述竖直径向悬浮线圈串Ⅱ和1个竖直径向悬浮线圈串Ⅲ串联，形成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，m为电机相数。

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。

所述电磁轴承开关磁阻电机系统的控制方法，所述电磁轴承开关磁阻电机系统包括1个开关磁阻电机、1个三自由度磁轴承和1个径向磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，2个磁轴承产生五个方向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；所述电磁轴承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；在获得偏置磁通的基础上，独立控制5个悬浮绕组电流，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，获取三自由度磁轴承的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，得到三自由度磁轴承的x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤C，获取三自由度磁轴承的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轴确定的平面垂直；

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三自由度磁轴承的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为三自由度磁轴承的径向悬浮力系数，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，α_s1为径向定子Ⅰ的极弧角，δ₁为三自由度磁轴承的径向气隙长度，γ₁、γ₂分别为C型结构两齿中心与相邻径向定子Ⅱ齿极中心的夹角，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三自由度磁轴承的z轴方向悬浮绕组电流参考值其中，k_f2为三自由度磁轴承的轴向悬浮力系数，δ₂为三自由度磁轴承的轴向气隙长度，α_s2为径向定子Ⅱ的极弧角，r₂、r₃分别为轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ的环形齿的内、外半径，且r₂＜r₃≤r₁，N_z为三自由度磁轴承的轴向悬浮线圈的匝数；

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Ⅲ和径向定子Ⅳ的轴向长度，r₄为磁轴承转子Ⅱ的半径，δ₃为径向磁轴承的气隙长度，α_s3为径向定子Ⅲ和径向定子Ⅳ的极弧角，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，用三自由度磁轴承的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；

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，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：本发明提出了一种电磁轴承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)整个磁悬浮电机系统不含永磁体，对工作环境适应性强，可靠性高；

(2)可实现五自由度悬浮运行，悬浮力和转矩解耦，悬浮性能好；

(3)采用电枢绕组与偏置绕组共同励磁的方式，共用一套功率变换器，集成度，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；

(4)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；

(5)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；

(6)拓展性好，对开关磁阻电机结构和相数均无限制。

附图说明

图1是本发明电磁轴承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中三自由度磁轴承的径向磁通分布图。

图5是本发明实施例1中三自由度磁轴承的轴向磁通分布图。

图6是本发明实施例1径向磁轴承中径向定子Ⅲ部分的径向磁通分布图。

图7是本发明实施例1径向磁轴承中径向定子Ⅳ部分的径向磁通分布图。

图8是本发明实施例1径向磁轴承的轴向磁通分布图。

图9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10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11是本发明实施例1的控制方法的系统框图。

图12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12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Ⅱ，5是径向定子Ⅰ，6是磁轴承转子Ⅰ，7是偏置线圈Ⅰ，8是径向悬浮线圈Ⅰ，9是非导磁构件，10是环形导磁轭Ⅰ，11是轴向定子Ⅰ，12是轴向定子Ⅱ，13是轴向悬浮线圈，14是径向定子Ⅲ，15是径向定子Ⅳ，16是环形导磁轭Ⅱ，17是偏置线圈Ⅱ，18是径向悬浮线圈Ⅱ，19是径向悬浮线圈Ⅲ，20是磁轴承转子Ⅱ，21是转轴，22是开关磁阻电机，23是三自由度磁轴承，24是径向磁轴承，25、26、27分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向，28是偏置线圈Ⅰ的电流在径向定子Ⅱ和磁轴承转子Ⅰ内产生的径向偏置磁通，29是偏置线圈Ⅰ的电流在径向定子Ⅰ和磁轴承转子Ⅰ内产生的径向偏置磁通，30是径向悬浮线圈Ⅰ的电流在径向定子Ⅰ和磁轴承转子Ⅰ内产生的径向悬浮磁通，31是轴向悬浮线圈的电流在三自由度磁轴承内产生的轴向悬浮磁通，32是偏置线圈Ⅰ的电流在三自由度磁轴承内产生的轴向偏置磁通，33是偏置线圈Ⅱ的电流在径向磁轴承内产生的偏置磁通，34是x轴方向径向悬浮线圈Ⅱ的电流在径向定子Ⅲ和磁轴承转子Ⅱ内产生的径向悬浮磁通，35是y轴方向径向悬浮线圈Ⅱ的电流在径向定子Ⅲ和磁轴承转子Ⅱ内产生的径向悬浮磁通，36是x轴方向径向悬浮线圈Ⅲ的电流在径向定子Ⅳ和磁轴承转子Ⅱ内产生的径向悬浮磁通，37是y轴方向径向悬浮线圈Ⅲ的电流在径向定子Ⅳ和磁轴承转子Ⅱ内产生的径向悬浮磁通，38是A相电枢绕组，39是B相电枢绕组，40是C相电枢绕组，41是偏置绕组，42是A相电枢绕组电流，43是B相电枢绕组电流，44是C相电枢绕组电流，45是偏置绕组电流。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种电磁轴承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，是本发明电磁轴承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Ⅱ，5是径向定子Ⅰ，6是磁轴承转子Ⅰ，7是偏置线圈Ⅰ，8是径向悬浮线圈Ⅰ，9是非导磁构件，10是环形导磁轭Ⅰ，11是轴向定子Ⅰ，12是轴向定子Ⅱ，13是轴向悬浮线圈，14是径向定子Ⅲ，15是径向定子Ⅳ，16是环形导磁轭Ⅱ，17是偏置线圈Ⅱ，18是径向悬浮线圈Ⅱ，19是径向悬浮线圈Ⅲ，20是磁轴承转子Ⅱ，21是转轴，22是开关磁阻电机，23是三自由度磁轴承，24是径向磁轴承。

所述电磁轴承开关磁阻电机系统，包括1个三自由度磁轴承、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三自由度磁轴承和径向磁轴承之间；

所述三自由度磁轴承，由径向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ、轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅰ、环形导磁轭Ⅰ、非导磁构件、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Ⅲ、径向定子Ⅳ、磁轴承转子Ⅱ、环形导磁轭Ⅱ、偏置线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅲ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；

所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，所述磁阻电机定子齿数为12、磁阻电机转子齿数为8，开关磁阻电机相数m为3；所述开关磁阻电机的每个定子齿上绕有1个电枢线圈；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。

所述径向定子Ⅰ、非导磁构件均布置在径向定子Ⅱ内，其中非导磁构件布置在径向定子Ⅰ与径向定子Ⅱ之间，且非导磁构件与径向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ均紧密布置；

所述轴向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ、轴向定子Ⅱ串联布置，且径向定子Ⅱ布置在轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ之间；轴向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ、轴向定子Ⅱ均布置在环形导磁轭Ⅰ内；所述磁轴承转子Ⅰ布置在径向定子Ⅰ和径向定子Ⅱ内；所述轴向定子Ⅰ与径向定子Ⅱ间、径向定子Ⅱ与轴向定子Ⅱ间都存在间隙，且两个间隙的长度相等；

所述径向定子Ⅲ与径向定子Ⅳ串联布置，且径向定子Ⅲ、径向定子Ⅳ布置在环形导磁轭Ⅱ内；所述磁轴承转子Ⅱ布置径向定子Ⅲ和径向定子Ⅳ内；在径向定子Ⅲ与径向定子Ⅳ之间嵌有1个偏置线圈Ⅱ，所述偏置线圈Ⅱ为环形结构；

所述磁阻电机转子串联布置在磁轴承转子Ⅰ与磁轴承转子Ⅱ之间；磁阻电机转子、磁轴承转子Ⅰ、磁轴承转子Ⅱ套在转轴上；

所述径向定子Ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述径向定子Ⅰ由8个C型结构构成，每个所述C型结构的齿数为2，进而所述径向定子Ⅰ的齿共有16个；所述非导磁构件由4个E型结构构成，每个所述E型结构的齿数为3，且每个所述E型结构的中间齿的高度小于剩余两齿；

所述径向定子Ⅱ的4个齿圆周上均匀分布，相邻齿与齿间的夹角为90°，其中与水平方向重合的两个齿分别称为水平正方向齿和水平负方向齿，与竖直方向重合的两个齿称为竖直正方向齿和竖直负方向齿；径向定子Ⅱ的相邻齿与齿之间存在空气隙，进而形成4个定子槽；

每个所述定子槽中均放置径向定子Ⅰ的2个C型结构和非导磁构件的1个E型结构，每个E型结构紧密布置在2个C型结构和径向定子Ⅱ之间，且所述E型结构中间齿的齿宽等于与之紧密布置的2个C型结构之间的间距；

在水平正方向齿位置处，形成1个由水平正方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；在水平负方向齿位置处，形成1个由水平负方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；在竖直正方向齿位置处，形成1个由竖直正方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；在竖直负方向齿位置处，形成1个由竖直负方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；从而，共形成4个宽齿；

4个所述宽齿组合时利用了每个C型结构中的1个齿，即共利用了8个齿，每个所述C型结构中剩余1个齿，形成1个窄齿，共形成8个窄齿；

每个所述宽齿上绕有1个偏置线圈Ⅰ，共形成4个偏置线圈Ⅰ；4个所述偏置线圈Ⅰ串联，构成1个偏置线圈串Ⅰ；

每个所述窄齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅰ，共形成8个径向悬浮线圈Ⅰ；径向悬浮线圈Ⅰ的连接方式为：在水平正方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个水平正方向绕组串Ⅰ；在水平负方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个水平负方向绕组串Ⅰ；所述1个水平正方向绕组串Ⅰ和1个水平负方向绕组串Ⅰ串联，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅰ；

在竖直正方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个竖直正方向绕组串Ⅰ；在竖直负方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个竖直负方向绕组串Ⅰ；所述1个竖直正方向绕组串Ⅰ和1个竖直负方向绕组串Ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；

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Ⅱ；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内径，所述通孔的内径大于转轴的外径；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；

每个所述环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈，共2个轴向悬浮线圈；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Ⅲ为凸极结构，齿数为4；所述径向定子Ⅲ的4个齿圆周上均匀分布，相邻齿与齿间的夹角为90°，其中2个齿位于水平方向，剩余2个齿位于竖直方向；

所述径向定子Ⅳ为凸极结构，齿数为4；所述径向定子Ⅳ的4个齿圆周上均匀分布，相邻齿与齿间的夹角为90°，其中2个齿位于水平位置，剩余2个齿位于竖直位置；

所述径向定子Ⅲ与径向定子Ⅳ的所有齿的长、宽、高均相等；

所述径向定子Ⅲ的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅱ，共4个径向悬浮线圈Ⅱ；其中绕在处于水平位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个水平径向悬浮线圈串Ⅱ，绕在处于竖直位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个竖直径向悬浮线圈串Ⅱ；

所述径向定子Ⅳ的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅲ，共4个径向悬浮线圈Ⅲ；其中绕处于水平位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅲ串联，构成1个水平径向悬浮线圈串Ⅲ，绕在处于竖直位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅲ串联，构成1个竖直径向悬浮线圈串Ⅲ；

1个所述水平径向悬浮线圈串Ⅱ和1个水平径向悬浮线圈串Ⅲ串联，形成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；

1个所述竖直径向悬浮线圈串Ⅱ和1个竖直径向悬浮线圈串Ⅲ串联，形成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Ⅱ串联，构成1个偏置绕组。

如图2所示，是本发明电磁轴承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中的开关磁阻电机的定子齿数为6、转子齿数为4，相数m为3；所述开关磁阻电机的每个定子齿上绕有1个电枢线圈；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，是本发明电磁轴承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中的开关磁阻电机的定子齿数为8、转子齿数为6，相数m为4；所述开关磁阻电机的每个定子齿上绕有1个电枢线圈；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中三自由度磁轴承的径向磁通分布图。其中，线标号28是偏置线圈Ⅰ的电流在径向定子Ⅱ和磁轴承转子Ⅰ内产生的径向偏置磁通部分，线标号29是偏置线圈Ⅰ的电流在径向定子Ⅰ和磁轴承转子Ⅰ内产生的径向偏置磁通，线标号30是径向悬浮线圈Ⅰ的电流在径向定子Ⅰ和磁轴承转子Ⅰ内产生的径向悬浮磁通。由于径向定子Ⅰ和径向定子Ⅱ相互隔离，偏置绕组Ⅰ在他们内部产生的偏置磁通也相关隔离。四个宽齿上的偏置磁通呈NNNN或SSSS分布，为此，径向定子Ⅱ的4个定子齿内的偏置磁通方向相同，对于径向定子Ⅰ内的偏置磁通可经过其两个定子齿、定子轭和磁轴承转子Ⅰ形成闭环回路，为三自由度磁轴承的径向悬浮力的产生提供偏置磁通；而对于径向定子Ⅱ内的偏置磁通需经其定子齿、环形导磁轭Ⅰ、两个轴向定子及磁轴承转子Ⅰ闭合，故存在轴向偏置磁通，并且仅为三自由度磁轴承的轴向悬浮力的产生提供偏置磁通。

三自由度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，即可为三自由度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中三自由度磁轴承的轴向磁通分布图。其中，线标号28是偏置线圈Ⅰ的电流在径向定子Ⅱ和磁轴承转子Ⅰ内产生的径向偏置磁通部分，线标号31是轴向悬浮线圈的电流在三自由度磁轴承内产生的轴向悬浮磁通，线标号32是偏置线圈Ⅰ的电流在三自由度磁轴承内产生的轴向偏置磁通部分。偏置磁通需经径向定子Ⅱ的定子齿、环形导磁轭Ⅰ、两个轴向定子及磁轴承转子Ⅰ闭合，故同时存在轴向和径向偏置磁通，进而为轴向悬浮力的产生提供偏置磁通。轴向悬浮绕组产生的控制磁通则通过环形导磁轭Ⅰ、两个轴向定子及磁轴承转子Ⅰ闭合。进而，在z轴正方向处，偏置磁通与控制磁通方向相反，磁通减弱，而在z轴负方向处，偏置磁通与控制磁通的方向相同，磁通增强，三自由度磁轴承将产生一个z轴负方向的轴向悬浮力；当轴向悬浮绕组电流方向改变时，将产生一个z轴正方向的轴向悬浮力，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，合理控制三自由度磁轴承的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径向磁轴承中径向定子Ⅲ部分的径向磁通分布图。其中，线标号33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34是x轴方向径向悬浮线圈Ⅱ的电流在径向定子Ⅲ和磁轴承转子Ⅱ内产生的径向悬浮磁通，线标号35是y轴方向径向悬浮线圈Ⅱ的电流在径向定子Ⅲ和磁轴承转子Ⅱ内产生的径向悬浮磁通。径向定子Ⅲ四个定子齿内的偏置磁通均呈NNNN分布，x轴方向径向悬浮线圈Ⅱ产生两极对称磁通，呈NS分布，y轴方向径向悬浮线圈Ⅱ也产生两极对称磁通，也呈NS分布。在x轴正方向处，x轴方向径向悬浮线圈Ⅱ产生的控制磁通与偏置线圈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径向磁轴承中径向定子Ⅳ部分的径向磁通分布图。其中，线标号33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36是x轴方向径向悬浮线圈Ⅲ的电流在径向定子Ⅳ和磁轴承转子Ⅱ内产生的径向悬浮磁通，线标号37是y轴方向径向悬浮线圈Ⅲ的电流在径向定子Ⅳ和磁轴承转子Ⅱ内产生的径向悬浮磁通。此时，径向定子Ⅳ四个定子齿内的偏置磁通均呈SSSS分布，恰好与径向定子Ⅲ内的偏置磁通方向相反；x轴方向径向悬浮线圈Ⅲ产生两极对称磁通，呈NS分布，y轴方向径向悬浮线圈Ⅲ也产生两极对称磁通，也呈NS分布。在x轴正方向处，x轴方向径向悬浮线圈Ⅲ产生的控制磁通与偏置线圈Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ也可产生一个y轴正负方向的径向悬浮力。

如图8所示，是本发明实施例1径向磁轴承的轴向磁通分布图。其中，线标号33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35是y轴方向径向悬浮线圈Ⅱ的电流在径向定子Ⅲ和磁轴承转子Ⅱ内产生的径向悬浮磁通，线标号37是y轴方向径向悬浮线圈Ⅲ的电流在径向定子Ⅳ和磁轴承转子Ⅱ内产生的径向悬浮磁通。偏置线圈Ⅱ产生的偏置磁通经环形导磁轭Ⅱ、径向定子Ⅲ、磁轴承转子Ⅱ和径向定子Ⅳ闭合。由于x轴方向径向悬浮线圈Ⅱ和x轴方向径向悬浮线圈Ⅲ串联在一起，构成x轴方向径向悬浮绕组Ⅱ，y轴方向径向悬浮线圈Ⅱ和y轴方向径向悬浮线圈Ⅲ串联在一起，构成y轴方向径向悬浮绕组Ⅱ；因此，合理控制x、y方向径向悬浮绕组Ⅱ电流的大小和方向，即可产生两个大小和方向均可控制的径向悬浮力，从而实现径向磁轴承的径向两自由度的悬浮。

另外，偏置线圈串Ⅰ和偏置线圈Ⅱ串联在一起，共同形成一个偏置绕组，且偏置绕组经四个二极管串联在开关磁阻电机m相电枢绕组的不对称半桥功率变换器中的直流母线中，偏置绕组电流不控制，仅与开关磁阻电机的工况有关。这种集合方式，提高了系统的集成度和可靠性，简化了控制算法，还因转矩与悬浮力控制相对独立，实现了二者的解耦。

如图9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38是A相电枢绕组，线标号39是B相电枢绕组，线标号40是C相电枢绕组，线标号41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10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42是A相电枢绕组电流，线标号43是B相电枢绕组电流，线标号44是C相电枢绕组电流，线标号45是偏置绕组电流。

仿真结果显示，基于图9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9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11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：三自由度磁轴承的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，让三自由度磁轴承的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12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分别为三自由度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，其表达式为：

式中，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，α_s1为径向定子Ⅰ的极弧角，δ₁为三自由度磁轴承的径向气隙长度，γ₁、γ₂分别为C型结构两齿中心与相邻径向定子Ⅱ齿极中心的夹角，δ₂为三自由度磁轴承的轴向气隙长度，α_s2为径向定子Ⅱ的极弧角，r₂、r₃分别为轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ的环形齿的内、外半径，且r₂＜r₃≤r₁，l₂为径向定子Ⅲ和径向定子Ⅳ的轴向长度，r₄为磁轴承转子Ⅱ的半径，δ₃为径向磁轴承的气隙长度，α_s3为径向定子Ⅲ和径向定子Ⅳ的极弧角。

三自由度磁轴承的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分别为三自由度磁轴承的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。

三自由度磁轴承的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为三自由度磁轴承的轴向悬浮绕组的匝数，i_z为三自由度磁轴承的轴向悬浮绕组电流。

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，三自由度磁轴承的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，电磁轴承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。

本发明电磁轴承开关磁阻电机系统的控制方法，其特征在于，所述电磁轴承开关磁阻电机系统包括1个开关磁阻电机、1个三自由度磁轴承和1个径向磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，2个磁轴承产生五个方向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；所述电磁轴承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，并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；在获得偏置磁通的基础上，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，获取三自由度磁轴承的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，得到三自由度磁轴承的x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤C，获取电励磁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三自由度磁轴承的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为三自由度磁轴承的径向悬浮力系数，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，α_s1为径向定子Ⅰ的极弧角，δ₁为三自由度磁轴承的径向气隙长度，γ₁、γ₂分别为C型结构两齿中心与相邻径向定子Ⅱ齿极中心的夹角，N_b1、N_s1分别偏置线圈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三自由度磁轴承的z轴方向悬浮绕组电流参考值其中，k_f2为三自由度磁轴承的轴向悬浮力系数，δ₂为三自由度磁轴承的轴向气隙长度，α_s2为径向定子Ⅱ的极弧角，r₂、r₃分别为轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ的环形齿的内、外半径，且r₂＜r₃≤r₁，N_z为三自由度磁轴承的轴向悬浮线圈的匝数；

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Ⅲ和径向定子Ⅳ的轴向长度，r₄为磁轴承转子Ⅱ的半径，δ₃为径向磁轴承的气隙长度，α_s3为径向定子Ⅲ和径向定子Ⅳ的极弧角，N_b2、N_s2分别偏置线圈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，用三自由度磁轴承的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；

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；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)

1.一种电磁轴承开关磁阻电机系统，包括1个三自由度磁轴承、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三自由度磁轴承和径向磁轴承之间；

所述三自由度磁轴承，由径向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ、轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅰ、环形导磁轭Ⅰ、非导磁构件、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Ⅲ、径向定子Ⅳ、磁轴承转子Ⅱ、环形导磁轭Ⅱ、偏置线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅲ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或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；

其特征在于，所述三自由度磁轴承中，径向定子Ⅰ、非导磁构件均布置在径向定子Ⅱ内，其中非导磁构件布置在径向定子Ⅰ与径向定子Ⅱ之间，且非导磁构件与径向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ均紧密布置；

所述轴向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ、轴向定子Ⅱ串联布置，且径向定子Ⅱ布置在轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ之间；轴向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ、轴向定子Ⅱ均布置在环形导磁轭Ⅰ内；所述磁轴承转子Ⅰ布置在径向定子Ⅰ和径向定子Ⅱ内；所述轴向定子Ⅰ与径向定子Ⅱ间、径向定子Ⅱ与轴向定子Ⅱ间都存在间隙，且两个间隙的长度相等；

所述径向定子Ⅲ与径向定子Ⅳ串联布置，且径向定子Ⅲ、径向定子Ⅳ布置在环形导磁轭Ⅱ内；所述磁轴承转子Ⅱ布置径向定子Ⅲ和径向定子Ⅳ内；径向定子Ⅲ与径向定子Ⅳ之间嵌有1个偏置线圈Ⅱ，所述偏置线圈Ⅱ为环形结构；

所述磁阻电机转子串联布置磁轴承转子Ⅰ与磁轴承转子Ⅱ之间；磁阻电机转子、磁轴承转子Ⅰ、磁轴承转子Ⅱ套在转轴上；

所述径向定子Ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述径向定子Ⅰ由8个C型结构构成，每个所述C型结构的齿数为2，进而所述径向定子Ⅰ的齿共有16个；所述非导磁构件由4个E型结构构成，每个所述E型结构的齿数为3，且每个所述E型结构的中间齿的高度小于剩余两齿；

所述径向定子Ⅱ的4个齿圆周上均匀分布，相邻齿与齿间的夹角为90°，其中与水平方向重合的两个齿分别称为水平正方向齿和水平负方向齿，与竖直方向重合的两个齿称为竖直正方向齿和竖直负方向齿；径向定子Ⅱ的相邻齿与齿之间存在空气隙，进而形成4个定子槽；

每个所述定子槽中均放置径向定子Ⅰ的2个C型结构和非导磁构件的1个E型结构，每个E型结构紧密布置在2个C型结构和径向定子Ⅱ之间，且所述E型结构中间齿的齿宽等于与之紧密布置的2个C型结构之间的间距；

在水平正方向齿位置处，形成1个由水平正方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；在水平负方向齿位置处，形成1个由水平负方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；在竖直正方向齿位置处，形成1个由竖直正方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；在竖直负方向齿位置处，形成1个由竖直负方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；从而共形成4个宽齿；

4个所述宽齿组合时利用了每个C型结构中的1个齿，即共利用了8个齿，每个所述C型结构中剩余1个齿，形成1个窄齿，共形成8个窄齿；

每个所述宽齿上绕有1个偏置线圈Ⅰ，共形成4个偏置线圈Ⅰ；4个所述偏置线圈Ⅰ串联，构成1个偏置线圈串Ⅰ；

每个所述窄齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅰ，共形成8个径向悬浮线圈Ⅰ；径向悬浮线圈Ⅰ的连接方式为：在水平正方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个水平正方向绕组串Ⅰ；在水平负方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个水平负方向绕组串Ⅰ；所述1个水平正方向绕组串Ⅰ和1个水平负方向绕组串Ⅰ串联，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅰ；

在竖直正方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个竖直正方向绕组串Ⅰ；在竖直负方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个竖直负方向绕组串Ⅰ；所述1个竖直正方向绕组串Ⅰ和1个竖直负方向绕组串Ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；

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Ⅱ；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内径，所述通孔的内径大于转轴的外径；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；

每个所述环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈，共2个轴向悬浮线圈；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Ⅲ为凸极结构，齿数为4；所述径向定子Ⅲ的4个齿圆周上均匀分布，相邻齿与齿间的夹角为90°，其中2个齿位于水平方向，剩余2个齿位于竖直方向；

所述径向定子Ⅳ为凸极结构，齿数为4；所述径向定子Ⅳ的4个齿圆周上均匀分布，相邻齿与齿间的夹角为90°，其中2个齿位于水平位置，剩余2个齿位于竖直位置；

所述径向定子Ⅲ与径向定子Ⅳ的所有齿的长、宽、高均相等；

所述径向定子Ⅲ的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅱ，共4个径向悬浮线圈Ⅱ；其中绕在处于水平位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个水平径向悬浮线圈串Ⅱ，绕在处于竖直位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个竖直径向悬浮线圈串Ⅱ；

所述径向定子Ⅳ的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅲ，共4个径向悬浮线圈Ⅲ；其中绕处于水平位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅲ串联，构成1个水平径向悬浮线圈串Ⅲ，绕在处于竖直位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅲ串联，构成1个竖直径向悬浮线圈串Ⅲ；

1个所述水平径向悬浮线圈串Ⅱ和1个水平径向悬浮线圈串Ⅲ串联，形成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；

1个所述竖直径向悬浮线圈串Ⅱ和1个竖直径向悬浮线圈串Ⅲ串联，形成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所述的一种电磁轴承开关磁阻电机系统，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所述的一种电磁轴承开关磁阻电机系统，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所述的一种电磁轴承开关磁阻电机系统，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所述的一种电磁轴承开关磁阻电机系统的控制方法，其特征在于，所述电磁轴承开关磁阻电机系统包括1个开关磁阻电机、1个三自由度磁轴承和1个径向磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，2个磁轴承产生五个方向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；所述电磁轴承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，所述偏置磁通恒定不变；在获得偏置磁通的基础上，独立控制5个悬浮绕组电流，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，获取三自由度磁轴承的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，得到三自由度磁轴承的x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤C，获取三自由度磁轴承的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三自由度磁轴承的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为三自由度磁轴承的径向悬浮力系数，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，α_s1为径向定子Ⅰ的极弧角，δ₁为三自由度磁轴承的径向气隙长度，γ₁、γ₂分别为C型结构两齿中心与相邻径向定子Ⅱ齿极中心的夹角，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三自由度磁轴承的z轴方向悬浮绕组电流参考值其中，k_f2为三自由度磁轴承的轴向悬浮力系数，δ₂为三自由度磁轴承的轴向气隙长度，α_s2为径向定子Ⅱ的极弧角，r₂、r₃分别为轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ的环形齿的内、外半径，且r₂＜r₃≤r₁，N_z为三自由度磁轴承的轴向悬浮线圈的匝数；

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Ⅲ和径向定子Ⅳ的轴向长度，r₄为磁轴承转子Ⅱ的半径，δ₃为径向磁轴承的气隙长度，α_s3为径向定子Ⅲ和径向定子Ⅳ的极弧角，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，用三自由度磁轴承的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；

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。