本發(fā)明涉及一種錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機及控制方法，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)磁軸承需要較大的止推盤，其將導(dǎo)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，不利于系統(tǒng)的簡化和可靠性。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，尤其是與具有冗余功能的雙通道開關(guān)磁阻電機的集合，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。

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，提出一種錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機及控制方法。所述電機是一種懸浮力和轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)上解耦、懸浮系統(tǒng)功率變換器成本較低、以及懸浮控制對象較少的新型五自由度磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機；所述控制方法通過控制兩個通道轉(zhuǎn)矩繞組電流和四個徑向懸浮電流，進而同時實現(xiàn)五自由度懸浮和旋轉(zhuǎn)運行，懸浮和旋轉(zhuǎn)控制簡單，懸浮系統(tǒng)功率變換器成本低。

為了解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機，包括錐形磁軸承Ⅰ、開關(guān)磁阻電機和錐形磁軸承Ⅱ；

所述開關(guān)磁阻電機布置在錐形磁軸承Ⅰ和錐形磁軸承Ⅱ之間；

錐形磁軸承Ⅰ由錐形定子Ⅰ、錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和徑向懸浮繞組Ⅰ構(gòu)成；

錐形磁軸承Ⅱ由錐形定子Ⅱ、錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ、偏置繞組Ⅱ和徑向懸浮繞組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)子和磁阻電機繞組構(gòu)成；

所述錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ布置在錐形定子Ⅰ內(nèi)，錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ布置在錐形定子Ⅱ內(nèi)，磁阻電機轉(zhuǎn)子布置在磁阻電機定子內(nèi)；所述錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ、磁阻電機轉(zhuǎn)子和錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ套在轉(zhuǎn)軸上；

所述錐形定子Ⅰ和錐形定子Ⅱ均為錐形凸極結(jié)構(gòu)，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)，磁阻電機定子的齒數(shù)為12，磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為8；所述開關(guān)磁阻電機的相數(shù)為3；所述開關(guān)磁阻電機的每相繞組由4個相隔90°的磁阻電機定子齒上的繞組組成，每相4個繞組分別連接在一起，構(gòu)成該相2個通道繞組，三相繞組共可構(gòu)成6個通道繞組；連接方式為：每相4個繞組中，相隔180°的兩個繞組，串聯(lián)在一起，構(gòu)成該相通道Ⅰ繞組，剩余兩個相隔180°的繞組，串聯(lián)在一起，構(gòu)成該相通道Ⅱ繞組；

所述錐形定子Ⅰ由4個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ構(gòu)成，4個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ均勻分布，每個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ之間相差90°；每個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ的齒數(shù)為3，包括1個寬齒Ⅰ和2個窄齒Ⅰ，且寬齒Ⅰ位于兩個窄齒Ⅰ之間；所述寬齒Ⅰ的齒寬是窄齒Ⅰ的二倍；

所述每個寬齒Ⅰ上均繞有3個寬齒繞組Ⅰ，在所述每個寬齒Ⅰ上選取1個寬齒繞組Ⅰ，串聯(lián)成1個偏置繞組Ⅰ，從而形成3個偏置繞組Ⅰ；

所述每個窄齒Ⅰ上均繞有1個徑向懸浮繞組Ⅰ，即共8個徑向懸浮繞組Ⅰ；

在水平正方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在水平負方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個水平徑向懸浮繞組Ⅰ；

在豎直正方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在豎直負方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅰ；

所述錐形定子Ⅱ由4個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ構(gòu)成，4個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ均勻分布，每個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ之間相差90°；每個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ的齒數(shù)為3，包括1個寬齒Ⅱ和2個窄齒Ⅱ，且寬齒Ⅱ位于兩個窄齒Ⅱ之間；所述寬齒Ⅱ的齒寬是窄齒Ⅱ的二倍；

所述每個寬齒Ⅱ上均繞有3個寬齒繞組Ⅱ，在所述每個寬齒Ⅱ上選取1個寬齒繞組Ⅱ，串聯(lián)成1個偏置繞組Ⅱ，從而形成3個偏置繞組Ⅱ；

所述每個窄齒Ⅱ上均繞有1個徑向懸浮繞組Ⅱ，即共8個徑向懸浮繞組Ⅱ；

在水平正方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在水平負方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個水平徑向懸浮繞組Ⅱ；

在豎直正方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在豎直負方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅱ；

所述開關(guān)磁阻電機的1個通道Ⅰ繞組和1個偏置繞組Ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個通道Ⅰ轉(zhuǎn)矩繞組，共3個，即三相通道Ⅰ轉(zhuǎn)矩繞組；

所述開關(guān)磁阻電機的1個通道Ⅱ繞組和1個偏置繞組Ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩繞組，共3個，即三相通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩繞組。

所述錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機包括1個開關(guān)磁阻磁阻電機和2個錐形磁軸承，其中開關(guān)磁阻電機每個通道繞組獨立控制，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并分別為兩個錐形磁軸承提供偏置磁通，同時與2個錐形磁軸承協(xié)調(diào)控制，共同產(chǎn)生五個方向懸浮力，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子五個方向的懸浮運行；包括如下步驟：

步驟A，獲取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩繞組平均電流的參考值、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，所述轉(zhuǎn)速差Δω，通過比例積分控制器，獲得每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的轉(zhuǎn)矩繞組平均電流的參考值i_av^*；開通角θ_on和關(guān)斷角θ_off保持不變，θ_on和θ_off的初值都由電機結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定；

步驟B，獲取錐形磁軸承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，獲取錐形轉(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，得到錐形磁軸承Ⅰ的x軸方向懸浮力和y軸方向懸浮力

步驟C，獲取錐形磁軸承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，獲取錐形轉(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，得到錐形磁軸承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z，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z與給定的參考位移信號z^*相減，得到z軸方向的實時位移信號差Δz，將所述實時位移信號差Δz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，獲取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的轉(zhuǎn)矩繞組電流的參考值，具體步驟如下：

步驟E-1，根據(jù)所述懸浮力和轉(zhuǎn)矩繞組電流參考值i_av^*，以及計算公式解算通道Ⅰ和通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩繞組電流差的參考值Δi^*；其中，k_f1、k_f2為懸浮力系數(shù)，μ₀為真空磁導(dǎo)率，l為磁軸承部分的軸向長度，r為磁軸承轉(zhuǎn)子的平均半徑，α_s為E型結(jié)構(gòu)窄齒的極弧角，δ為磁軸承部分的單邊氣隙長度，N_b、N_s分別偏置繞組和徑向懸浮繞組的匝數(shù)，N_z為軸向懸浮繞組的匝數(shù)，γ為E型結(jié)構(gòu)寬齒與窄齒間的夾角，ε為錐形角；

步驟E-2，根據(jù)所述i_av^*和Δi^*，以及計算公式和分別計算得到通道Ⅰ轉(zhuǎn)矩電流的參考值和通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩電流的參考值

步驟F，調(diào)節(jié)徑向懸浮力，具體步驟如下：

步驟F-1，根據(jù)所述懸浮力和通道Ⅰ轉(zhuǎn)矩電流的參考值和通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩電流的參考值以及電流計算公式和解算得到錐形磁軸承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

步驟F-2，根據(jù)所述懸浮力和通道Ⅰ轉(zhuǎn)矩電流的參考值和通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩電流的參考值以及電流計算公式和解算得到錐形磁軸承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F-3，利用電流斬波控制方法，用錐形磁軸承Ⅰ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s1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i_s2跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用錐形磁軸承Ⅱ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s3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i_s4跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

步驟G，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和軸向懸浮力；用通道Ⅰ的轉(zhuǎn)矩繞組實際電流i_1I跟蹤該轉(zhuǎn)矩繞組電流參考值用通道Ⅱ的轉(zhuǎn)矩繞組實際電流i_1II跟蹤該轉(zhuǎn)矩繞組電流參考值進而達到同時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和軸向懸浮力的目的。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出了一種錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機及其控制方法，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，懸浮力和轉(zhuǎn)矩解耦，高速懸浮性能好；

(2)采用轉(zhuǎn)矩繞組與偏置繞組串聯(lián)共同勵磁的方式，電流利用率高；

(3)3相轉(zhuǎn)矩繞組之和產(chǎn)生的磁通作為偏置磁通，只需控制五個懸浮繞組電流，不需要為懸浮運行而控制轉(zhuǎn)矩繞組電流，便可產(chǎn)生五個方向所需懸浮力，四個徑向懸浮力間相互解耦，控制變量少，懸浮控制簡單，懸浮系統(tǒng)功率變換器成本小；

(4)削除了運動電動勢的對繞組電流斬波控制的影響，電流實時控制效果好；

(5)電機拓展性好，對開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)無限制，只要兩相工作制以上的開關(guān)磁阻電機均適用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明A相兩通道轉(zhuǎn)矩繞組在磁阻電機部分產(chǎn)生的磁通分布示意圖。

圖3是錐形磁軸承Ⅰ的磁通分布圖。

圖4是本發(fā)明錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機控制方法的系統(tǒng)框圖。

圖5是本發(fā)明錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機控制方法中各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是磁阻電機繞組，4是錐形定子，5是錐形轉(zhuǎn)子，6是偏置繞組，7是徑向懸浮繞組，8是轉(zhuǎn)軸，9是12/8極開關(guān)磁阻電機，10是錐形磁軸承Ⅰ，11是錐形磁軸承Ⅱ，12、13、14分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向，15是12/8極開關(guān)磁阻電機A相雙通道繞組產(chǎn)生的磁通，16是氣隙1，17是氣隙2，18是氣隙3，19是氣隙4，20為三相轉(zhuǎn)矩繞組在錐形磁軸承Ⅰ內(nèi)產(chǎn)生的偏置磁通，21是錐形磁軸承Ⅰ徑向繞組產(chǎn)生的磁通。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明一種錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機及控制方法的技術(shù)方案進行詳細說明：

如圖1所示，是本發(fā)明錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機實施例1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是磁阻電機繞組，4是錐形定子，5是錐形轉(zhuǎn)子，6是偏置繞組，7是徑向懸浮繞組，8是轉(zhuǎn)軸，9是12/8極開關(guān)磁阻電機，10是錐形磁軸承Ⅰ，11是錐形磁軸承Ⅱ，12、13、14分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向。

所述錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機，包括錐形磁軸承Ⅰ、開關(guān)磁阻電機和錐形磁軸承Ⅱ；

所述開關(guān)磁阻電機布置在錐形磁軸承Ⅰ和錐形磁軸承Ⅱ之間；

錐形磁軸承Ⅰ由錐形定子Ⅰ、錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和徑向懸浮繞組Ⅰ構(gòu)成；

錐形磁軸承Ⅱ由錐形定子Ⅱ、錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ、偏置繞組Ⅱ和徑向懸浮繞組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)子和磁阻電機繞組構(gòu)成；

所述錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ布置在錐形定子Ⅰ內(nèi)，錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ布置在錐形定子Ⅱ內(nèi)，磁阻電機轉(zhuǎn)子布置在磁阻電機定子內(nèi)；所述錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ、磁阻電機轉(zhuǎn)子和錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ套在轉(zhuǎn)軸上；

所述錐形定子Ⅰ和錐形定子Ⅱ均為錐形凸極結(jié)構(gòu)，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)，磁阻電機定子的齒數(shù)為12，磁阻電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為8；所述開關(guān)磁阻電機的相數(shù)為3；所述開關(guān)磁阻電機的每相繞組由4個相隔90°的磁阻電機定子齒上的繞組組成，每相4個繞組分別連接在一起，構(gòu)成該相2個通道繞組，三相繞組共可構(gòu)成6個通道繞組；連接方式為：每相4個繞組中，相隔180°的兩個繞組，串聯(lián)在一起，構(gòu)成該相通道Ⅰ繞組，剩余兩個相隔180°的繞組，串聯(lián)在一起，構(gòu)成該相通道Ⅱ繞組；

所述錐形定子Ⅰ由4個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ構(gòu)成，4個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ均勻分布，每個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ之間相差90°；每個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ的齒數(shù)為3，包括1個寬齒Ⅰ和2個窄齒Ⅰ，且寬齒Ⅰ位于兩個窄齒Ⅰ之間；所述寬齒Ⅰ的齒寬是窄齒Ⅰ的二倍；

所述每個寬齒Ⅰ上均繞有3個寬齒繞組Ⅰ，在所述每個寬齒Ⅰ上選取1個寬齒繞組Ⅰ，串聯(lián)成1個偏置繞組Ⅰ，從而形成3個偏置繞組Ⅰ；

所述每個窄齒Ⅰ上均繞有1個徑向懸浮繞組Ⅰ，即共8個徑向懸浮繞組Ⅰ；

在水平正方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在水平負方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個水平徑向懸浮繞組Ⅰ；

在豎直正方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在豎直負方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅰ；

所述錐形定子Ⅱ由4個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ構(gòu)成，4個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ均勻分布，每個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ之間相差90°；每個錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ的齒數(shù)為3，包括1個寬齒Ⅱ和2個窄齒Ⅱ，且寬齒Ⅱ位于兩個窄齒Ⅱ之間；所述寬齒Ⅱ的齒寬是窄齒Ⅱ的二倍；

所述每個寬齒Ⅱ上均繞有3個寬齒繞組Ⅱ，在所述每個寬齒Ⅱ上選取1個寬齒繞組Ⅱ，串聯(lián)成1個偏置繞組Ⅱ，從而形成3個偏置繞組Ⅱ；

所述每個窄齒Ⅱ上均繞有1個徑向懸浮繞組Ⅱ，即共8個徑向懸浮繞組Ⅱ；

在水平正方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在水平負方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個水平徑向懸浮繞組Ⅱ；

在豎直正方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在豎直負方向錐形E型結(jié)構(gòu)Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯(lián)在一起，構(gòu)成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅱ；

所述開關(guān)磁阻電機的1個通道Ⅰ繞組和1個偏置繞組Ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個通道Ⅰ轉(zhuǎn)矩繞組，共3個，即三相通道Ⅰ轉(zhuǎn)矩繞組；

所述開關(guān)磁阻電機的1個通道Ⅱ繞組和1個偏置繞組Ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩繞組，共3個，即三相通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩繞組。

所述開關(guān)磁阻電機的每相兩個通道繞組，同時導(dǎo)通分別為兩個錐形磁軸承提供偏置磁通，每個通道的三相轉(zhuǎn)矩繞組電流的控制方法與傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機相同；控制x和y方向的四個懸浮繞組電流，以及軸向繞組電流的大小和方向，進而可產(chǎn)生徑向懸浮所需的大小和方向均可控的四個徑向磁拉力，進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的徑向四自由度懸浮運行；控制兩個通道轉(zhuǎn)矩繞組電流的大小，以及結(jié)合四個徑向懸浮繞組電流，進而產(chǎn)生軸向懸浮所需的軸向磁拉力和旋轉(zhuǎn)環(huán)境，最終實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的五自由度懸浮運行。

圖2為本發(fā)明A相雙通道轉(zhuǎn)矩繞組在12/8極開關(guān)磁阻電機部分產(chǎn)生的磁通分布示意圖。A相轉(zhuǎn)矩繞組由4個彼此在空間上相隔90°的線圈構(gòu)成，其中相對極的兩個線圈串聯(lián)，構(gòu)成A相通道Ⅰ繞組；另外兩個相對極的線圈串聯(lián)，構(gòu)成A相通道Ⅱ繞組。圖中，i_1Ⅰ+、i_1Ⅰ-分別為A相通道Ⅰ繞組的流入和流出電流，i_1Ⅱ+、i_1Ⅱ-分別為A相通道Ⅱ繞組的流入和流出電流，兩通道產(chǎn)生的磁通極性呈NSNS分布。B、C相的兩通道轉(zhuǎn)矩繞組與A相轉(zhuǎn)矩繞組結(jié)構(gòu)相同，僅在位置上與A相相差30°和-30°。

圖3是錐形磁軸承Ⅰ的磁通分布圖。A、B、C三相轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的磁通如圖3中實線所示(線標號為20)，徑向懸浮繞組產(chǎn)生的磁通如圖中點虛線所示(線標號為21)。偏置繞組產(chǎn)生的磁通在4個軸向力定子齒上呈NNNN或SSSS分布。在氣隙1處懸浮繞組和轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生磁通方向一樣，磁通增加；而在氣隙3處，方向相反，磁通減弱，進而產(chǎn)生一個x正方向的懸浮力。在氣隙2處懸浮繞組和轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生磁通方向一樣，磁通增加，而在氣隙4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。因此，合理控制三相兩通道轉(zhuǎn)矩繞組電流時，以及四個懸浮繞組電流的大小和方向，即可實現(xiàn)五自由度懸浮和旋轉(zhuǎn)。

三相兩通道轉(zhuǎn)矩繞組電流可采用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。A、B、C三相轉(zhuǎn)矩繞組電流可由電流傳感器實時檢測得到，轉(zhuǎn)子徑向和軸向位移由電渦流傳感器實時檢測獲得，經(jīng)PID調(diào)節(jié)得到三個方向懸浮力的給定值。

如圖4所示，為本發(fā)明錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機控制方法的系統(tǒng)框圖?？刂扑悸窞椋簷z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θ_on和關(guān)斷角θ_off，將轉(zhuǎn)速誤差信號進行PI調(diào)節(jié)，獲得兩通道轉(zhuǎn)矩繞組平均電流參考值

將位移誤差信號進行PID調(diào)節(jié)獲得給定懸浮力根據(jù)和兩通道電流差Δi^*，之后通過電流計算獲得兩通道轉(zhuǎn)矩繞組電流參考值和然后通過懸浮繞組控制器，可分別計算得到兩個錐形磁軸承的四個懸浮繞組電流的參考值，即錐形磁軸承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錐形磁軸承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

利用電流斬波控制方法，讓錐形磁軸承Ⅰ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s1跟蹤該方向懸繞組電流參考值讓y軸方向懸浮繞組的實際電流i_s2跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

讓錐形磁軸承Ⅱ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s3跟蹤該方向懸繞組電流參考值讓y軸方向懸浮繞組的實際電流i_s4跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用通道Ⅰ的轉(zhuǎn)矩繞組實際電流i_1I跟蹤該轉(zhuǎn)矩繞組電流參考值用通道Ⅱ的轉(zhuǎn)矩繞組實際電流i_1II跟蹤該轉(zhuǎn)矩繞組電流參考值進而達到同時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和軸向懸浮力的目的。

如圖5所示，為本發(fā)明的懸浮繞組電流計算方法框圖。圖中，k_f1、k_f2為懸浮力系數(shù)，其表達式為：

式中，μ₀為真空磁導(dǎo)率，l為磁軸承部分的軸向長度，r為磁軸承轉(zhuǎn)子的平均半徑，α_s為E型結(jié)構(gòu)窄定子的極弧角，δ為磁軸承部分的單邊氣隙長度，γ為E型結(jié)構(gòu)寬、窄定子磁極中心線的夾角，ε為錐形角。

A相導(dǎo)通時，錐形磁軸承Ⅰ的x和y軸方向懸浮力和的表達式為：

式中，i₁、i₂、i₃分別為A、B、C三相轉(zhuǎn)矩繞組的電流，分別為錐形磁軸承Ⅰ的x、y軸方向懸浮繞組電流，N_b、N_s分別偏置繞組和徑向懸浮繞組的匝數(shù)，N_z為軸向懸浮繞組的匝數(shù)，i_z為軸向懸浮繞組的電流。

A相導(dǎo)通時，錐形磁軸承Ⅱ的x和y軸方向懸浮力和的表達式為：

式中，分別為錐形磁軸承Ⅱ的x、y軸方向懸浮繞組電流。

A相導(dǎo)通時，z軸方向懸浮力的表達式為：

式中，N_z為軸向懸浮繞組的匝數(shù)，i_z為軸向懸浮繞組的電流。

為減小控制難度，令

其中，為A相兩通道繞組電流的平均值，Δi^*為A相兩通道繞組電流的平均差。則，z軸方向懸浮力的表達式變?yōu)椋?/p>

將式(3)～(6)帶入式(9)中，則，z軸方向懸浮力的表達式變?yōu)椋?/p>

由于Δi^*相對于較小，為簡化控制，忽略式(10)中分母中的Δi^*，進而可得到z軸方向懸浮力的表達式為：

由表達式(3)～(6)和(11)可知，通過簡化處理后，錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機的徑向、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)、該相兩通道轉(zhuǎn)矩繞組電流和四個懸浮繞組電流有關(guān)。

所述錐形磁懸浮雙通道開關(guān)磁阻電機包括1個開關(guān)磁阻磁阻電機和2個錐形磁軸承，其中開關(guān)磁阻電機每個通道繞組獨立控制，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并分別為兩個錐形磁軸承提供偏置磁通，同時與2個錐形磁軸承協(xié)調(diào)控制，共同產(chǎn)生五個方向懸浮力，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子五個方向的懸浮運行；包括如下步驟：

步驟A，獲取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩繞組平均電流的參考值、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，所述轉(zhuǎn)速差Δω，通過比例積分控制器，獲得每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的轉(zhuǎn)矩繞組平均電流的參考值i_av^*；開通角θ_on和關(guān)斷角θ_off固定不變，θ_on和θ_off取值由電機結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定；

步驟B，獲取錐形磁軸承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，獲取錐形轉(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，得到錐形磁軸承Ⅰ的x軸方向懸浮力和y軸方向懸浮力

步驟C，獲取錐形磁軸承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，獲取錐形轉(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，得到錐形磁軸承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z，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z與給定的參考位移信號z^*相減，得到z軸方向的實時位移信號差Δz，將所述實時位移信號差Δz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，獲取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的轉(zhuǎn)矩繞組電流的參考值，具體步驟如下：

步驟E-1，根據(jù)所述懸浮力和轉(zhuǎn)矩繞組電流參考值i_av^*，以及計算公式解算通道Ⅰ和通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩繞組電流差的參考值Δi^*；其中，k_f1、k_f2為懸浮力系數(shù)，μ₀為真空磁導(dǎo)率，l為磁軸承部分的軸向長度，r為磁軸承轉(zhuǎn)子的平均半徑，α_s為E型結(jié)構(gòu)窄齒的極弧角，δ為磁軸承部分的單邊氣隙長度，N_b、N_s分別偏置繞組和徑向懸浮繞組的匝數(shù)，N_z為軸向懸浮繞組的匝數(shù)，γ為E型結(jié)構(gòu)寬齒與窄齒間的夾角，ε為錐形角；

步驟E-2，根據(jù)所述i_av^*和Δi^*，以及計算公式和分別計算得到通道Ⅰ轉(zhuǎn)矩電流的參考值和通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩電流的參考值

步驟F，調(diào)節(jié)徑向懸浮力，具體步驟如下：

步驟F-1，根據(jù)所述懸浮力和通道Ⅰ轉(zhuǎn)矩電流的參考值和通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩電流的參考值以及電流計算公式和解算得到錐形磁軸承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

步驟F-2，根據(jù)所述懸浮力和通道Ⅰ轉(zhuǎn)矩電流的參考值和通道Ⅱ轉(zhuǎn)矩電流的參考值以及電流計算公式和解算得到錐形磁軸承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F-3，利用電流斬波控制方法，用錐形磁軸承Ⅰ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s1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i_s2跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用錐形磁軸承Ⅱ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s3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i_s4跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

步驟G，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和軸向懸浮力；用通道Ⅰ的轉(zhuǎn)矩繞組實際電流i_1I跟蹤該轉(zhuǎn)矩繞組電流參考值用通道Ⅱ的轉(zhuǎn)矩繞組實際電流i_1II跟蹤該轉(zhuǎn)矩繞組電流參考值進而達到同時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和軸向懸浮力的目的。

綜上所述，本發(fā)明每個錐形磁軸承的偏置繞組與開關(guān)磁阻電機的一個通道繞組串聯(lián)在一起，構(gòu)成三相轉(zhuǎn)矩繞組；每個錐形磁軸承的兩個徑向懸浮繞組控制兩個自由度的懸浮，共四個徑向自由度，且徑向懸浮力間可解耦控制；通過開關(guān)磁阻電機兩個通道繞組的電流，進而控制轉(zhuǎn)矩和軸向懸浮，無需單獨軸向懸浮繞組，即可實現(xiàn)五自由度懸浮。本發(fā)明電機及控制方法，控制變量少，控制簡單，且冗余度高。

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)。