本發(fā)明涉及一種錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制方法，屬于電機(jī)類的磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，不僅具有無摩擦、無潤滑等優(yōu)點(diǎn)，還繼承了開關(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、飛輪儲能和軍事等場合具有獨(dú)特優(yōu)勢。

錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型磁懸浮電機(jī)，該電機(jī)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力的自然解耦，并利用開關(guān)磁阻電機(jī)的電樞繞組電流在磁軸承內(nèi)產(chǎn)生的磁通，作為產(chǎn)生懸浮力所需的偏置磁通；另外由于磁軸承與開關(guān)磁阻電機(jī)相互隔離，懸浮運(yùn)行對電動旋轉(zhuǎn)運(yùn)行無影響。然而，由于三相電樞電流輪流作為產(chǎn)生偏置磁通的電流，因受e型磁軸承定子所限，一相導(dǎo)通時產(chǎn)生的偏置磁通與另外兩相不同，導(dǎo)致該懸浮電機(jī)輸出的懸浮力不均衡，從而影響懸浮運(yùn)行的平穩(wěn)性和高速懸浮精度。為此，本發(fā)明提出一種錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制方法，該電機(jī)每個軸向磁軸承中的軸向懸浮繞組串聯(lián)在一起，構(gòu)成一套軸向懸浮繞組，并獨(dú)立控制，除了控制軸向懸浮力外，還跟蹤b相和c相電樞繞組電流，并使他們與a相電樞繞組電流相等，從而形成對稱的偏置磁通，進(jìn)而解決各相單獨(dú)勵磁時的徑向懸浮力輸出不平衡問題。

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，提出一種錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制方法。所述電機(jī)是一種懸浮控制簡單、懸浮系統(tǒng)成本低、偏置繞組與電樞繞組為一體結(jié)構(gòu)的錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)；另外，由于在e型錐形定子中的兩邊定子齒上分別增加了一套軸向懸浮繞組，在產(chǎn)生軸向懸浮力的同時，還可改善偏置磁通的分布，使之為恒值，進(jìn)而簡化控制難度，及減小懸浮損耗；所述控制方法通過聯(lián)合控制5個懸浮繞組電流，并使軸向懸浮繞組電流跟蹤并優(yōu)化三相電樞繞組電流的合成波形，使之為恒值，進(jìn)而產(chǎn)生恒定的合成偏置磁通，增加懸浮控制精度；另外，旋轉(zhuǎn)和懸浮系統(tǒng)間相互解耦，彼此影響弱，控制變量較少，電流利用率高。

為了解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)，包括錐形磁軸承ⅰ、開關(guān)磁阻電機(jī)和錐形磁軸承ⅱ；所述錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ分別布置在開關(guān)磁阻電機(jī)的兩側(cè)；

所述錐形磁軸承ⅰ由錐形定子ⅰ、錐形轉(zhuǎn)子ⅰ、軸向懸浮繞組ⅰ和徑向懸浮繞組ⅰ構(gòu)成；

所述錐形磁軸承ⅱ由錐形定子ⅱ、錐形轉(zhuǎn)子ⅱ、軸向懸浮繞組ⅱ和徑向懸浮繞組ⅱ構(gòu)成；

所述開關(guān)磁阻電機(jī)由磁阻電機(jī)定子、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子、電樞繞組構(gòu)成；

所述錐形轉(zhuǎn)子ⅰ布置在錐形定子ⅰ內(nèi)，磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子布置在磁阻電機(jī)定子內(nèi)，錐形轉(zhuǎn)子ⅱ布置在錐形定子ⅱ內(nèi)；所述錐形轉(zhuǎn)子ⅰ、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ套在轉(zhuǎn)軸上；所述錐形定子ⅰ、磁阻電機(jī)定子和錐形定子ⅱ串聯(lián)布置，且錐形定子ⅰ和錐形定子ⅱ布置于磁阻電機(jī)定子的兩側(cè)，磁軸承定子ⅰ與磁阻電機(jī)定子間存在間隙，磁阻電機(jī)定子與磁軸承定子ⅱ間存在間隙；

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)定子的齒數(shù)12，磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為8，且所述開關(guān)磁阻電機(jī)為三相工作制；

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；

所述錐形定子ⅰ由4個e型結(jié)構(gòu)ⅰ構(gòu)成，4個e型結(jié)構(gòu)ⅰ均勻分布，每個e型結(jié)構(gòu)ⅰ之間相差90°；每個e型結(jié)構(gòu)ⅰ的齒數(shù)為3，齒與齒之間相差30°；e型結(jié)構(gòu)ⅰ的每個齒與所述磁阻電機(jī)定子齒處于對齊位置，且e型結(jié)構(gòu)ⅰ的定子齒與磁阻電機(jī)定子齒的齒寬相等；所述錐形轉(zhuǎn)子ⅰ為圓柱結(jié)構(gòu)；

所述錐形定子ⅱ由4個e型結(jié)構(gòu)ⅱ構(gòu)成，4個e型結(jié)構(gòu)ⅱ均勻分布，每個e型結(jié)構(gòu)ⅱ之間相差90°；每個e型結(jié)構(gòu)ⅱ的齒數(shù)為3，齒與齒之間相差30°；e型結(jié)構(gòu)ⅱ的每個齒與所述磁阻電機(jī)定子齒處于對齊位置，且e型結(jié)構(gòu)ⅱ的定子齒與磁阻電機(jī)定子齒的齒寬相等；所述錐形轉(zhuǎn)子ⅱ為圓柱結(jié)構(gòu)；

所述電樞繞組的纏繞方式為：每個電樞繞組橫跨處于同一圓周位置上的1個錐形定子ⅰ的定子齒、1個磁阻電機(jī)定子齒和1個錐形定子ⅱ的定子齒，并纏繞在三者之上，共12個；

所述徑向懸浮繞組ⅰ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅰ的中間定子齒上繞有1個徑向懸浮繞組ⅰ，共4個；

所述軸向懸浮繞組ⅰ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅰ的兩個邊齒上各繞有1個軸向懸浮繞組ⅰ，共8個；

所述徑向懸浮繞組ⅱ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅱ的中間定子齒上繞有1個徑向懸浮繞組ⅱ，共4個；

所述軸向懸浮繞組ⅱ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅱ的兩個邊齒上各繞有1個軸向懸浮繞組ⅱ，共8個；

所述電樞繞組的連接方式為：處于水平方向的2個電樞繞組和處于豎直方向的2個電樞繞組串聯(lián)，構(gòu)成a相電樞繞組；

圓周位置上與a相電樞繞組相差30°的4個電樞繞組串聯(lián)，構(gòu)成b相電樞繞組；

圓周位置上與a相電樞繞組相差60°的4個電樞繞組串聯(lián)，構(gòu)成c相電樞繞組；

所述錐形定子ⅰ的軸向懸浮繞組ⅰ連接方式為：8個軸向懸浮繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向正方向懸浮繞組；

所述錐形定子ⅱ的軸向懸浮繞組ⅱ連接方式為：8個軸向懸浮繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向負(fù)方向懸浮繞組；

所述錐形定子ⅰ的徑向懸浮繞組ⅰ連接方式為：在水平方向e型結(jié)構(gòu)ⅰ的2個徑向懸浮繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個水平方向徑向懸浮繞組ⅰ；在豎直方向e型結(jié)構(gòu)ⅰ的2個徑向懸浮繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個豎直方向徑向懸浮繞組??；

所述錐形定子ⅱ的徑向懸浮繞組ⅱ連接方式為：在水平方向e型結(jié)構(gòu)ⅱ的2個徑向懸浮繞組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e型結(jié)構(gòu)ⅱ的2個徑向懸浮繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅱ；

所述電機(jī)包括一個開關(guān)磁阻磁阻電機(jī)和兩個錐形磁軸承，其中開關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，兩個錐形磁軸承產(chǎn)生4個徑向懸浮力和1個軸向懸浮力，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五個方向的懸浮運(yùn)行；所述電機(jī)繞組由3相電樞繞組、4個徑向懸浮繞組和2個軸向懸浮繞組構(gòu)成，其中獨(dú)立控制三相電樞繞組電流，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，并產(chǎn)生懸浮所需的偏置磁通；聯(lián)合控制5個懸浮繞組電流，實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮調(diào)節(jié)的同時，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與懸浮力間的解耦；包括如下步驟：

步驟a，獲取開通角θon和關(guān)斷角θoff；具體步驟如下：

步驟a-1，采集磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時轉(zhuǎn)速，得到轉(zhuǎn)子角速度ω；

步驟a-2，將磁阻電機(jī)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，獲得開通角θon和關(guān)斷角θoff；

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，分別獲取錐形轉(zhuǎn)子ⅰ的x軸和y軸方向的實(shí)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(shí)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(shí)時位移信號差δα1和δβ1；

將所述實(shí)時位移信號差δα1和δβ1分別經(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，分別獲取錐形轉(zhuǎn)子ⅱ的x軸和y軸方向的實(shí)時位移信號α2和β2；

步驟c-2，將實(shí)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(shí)時位移信號差δα2和δβ2；

將所述實(shí)時位移信號差δα2和δβ2分別經(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，獲取錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ的z軸方向給定懸浮力，其中，z軸為軸向方向，與x、y軸相差90°；其具體步驟如下：

步驟d-1，獲取轉(zhuǎn)軸的z軸方向的實(shí)時位移信號zz；

步驟d-2，將實(shí)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(shí)時位移信號差δz，將所述實(shí)時位移信號差δz經(jīng)過比例積分微分控制器，得到錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ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3相實(shí)時的電樞繞組電流，根據(jù)所述懸浮力和以及計(jì)算公式：

解算得到錐形磁軸承ⅰ的x軸方向徑向懸浮繞組電流參考值和y軸方向徑向懸浮繞組電流參考值錐形磁軸承ⅱ的x軸方向徑向懸浮繞組電流參考值和y軸方向徑向懸浮繞組電流參考值以及兩個軸向懸浮繞組電流之差的參考值

其中kf為懸浮力系數(shù)，μ0為真空磁導(dǎo)率，l為錐形磁軸承的軸向長度，r為錐形轉(zhuǎn)子的平均半徑，αs為錐形磁軸承e型結(jié)構(gòu)定子齒的極弧角，δ為錐形磁軸承的單邊氣隙長度，nb、ns、nz分別電樞繞組、徑向懸浮繞組和軸向懸浮繞組的匝數(shù)，i1、i2和i3分別為三相電樞繞組電流，α為錐形角；

步驟e-2，計(jì)算錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ的軸向繞組電流的參考值；已知兩個軸向懸浮繞組電流之差的參考值根據(jù)軸向繞組電流計(jì)算公式和解算出錐形磁軸承ⅰ的軸向正方向懸浮繞組電流的參考值以及錐形磁軸承ⅱ的軸向負(fù)方向懸浮繞組電流的參考值

步驟e-3，利用電流斬波控制方法，用錐形磁軸承ⅰ的x軸方向徑向懸浮繞組實(shí)際電流is1跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向徑向懸浮繞組的實(shí)際電流is2跟蹤該方向徑向懸浮繞組電流參考值用z軸正方向懸浮繞組的實(shí)際電流iz1跟蹤該方向軸向懸浮繞組電流參考值

用錐形磁軸承ⅱ的x軸方向徑向懸浮繞組實(shí)際電流is3跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向徑向懸浮繞組的實(shí)際電流is4跟蹤該方向徑向懸浮繞組電流參考值用z軸負(fù)方向懸浮繞組的實(shí)際電流iz2跟蹤該方向軸向懸浮繞組電流參考值

步驟f，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；通過調(diào)節(jié)開通角θon和關(guān)斷角θoff的取值，從而實(shí)時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出了一種錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)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，懸浮力和轉(zhuǎn)矩解耦，高速懸浮性能好；

(2)三相電樞繞組在磁軸承內(nèi)產(chǎn)生的磁通作為懸浮所需的偏置磁通，電流利用率高，控制變量少，懸浮控制簡單；

(3)三相電樞繞組單獨(dú)勵磁時懸浮力輸出均衡，軸向懸浮繞組除產(chǎn)生軸向懸浮力外，還產(chǎn)生一定的偏置磁通，磁利用率高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明a相電樞繞組和兩個徑向懸浮繞組ⅰ在錐形磁軸承ⅰ部分的連接方式示意圖。

圖3是本發(fā)明錐形磁軸承ⅰ中軸向懸浮繞組ⅰ的連接方式示意圖。

圖4是本發(fā)明錐形磁軸承ⅰ的磁通分布圖。

圖5是本發(fā)明錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)控制方法的系統(tǒng)框圖。

圖6是五自由度懸浮繞組電流計(jì)算方法框圖。即四個徑向懸浮繞組電流和兩軸向懸浮電流之差的計(jì)算方法框圖。

圖7是為本發(fā)明兩個軸向懸浮繞組電流的計(jì)算方法框圖。

附圖標(biāo)記說明：圖1至圖7中，1是磁阻電機(jī)定子，2是磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，3是電樞繞組，4是錐形定子，5是錐形轉(zhuǎn)子，6是徑向懸浮繞組，7是軸向懸浮繞組，8是轉(zhuǎn)軸，9是12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)，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(biāo)軸的正方向，15是a相電樞繞組的流入電流i1+，16是a相電樞繞組的流出電流i1-，17是錐形磁軸承ⅰ的x方向徑向懸浮繞組的流入電流is1+，18是錐形磁軸承ⅰ的x方向徑向懸浮繞組的流入電流is1-，19是錐形磁軸承ⅰ的y方向徑向懸浮繞組的流入電流is2+，20是錐形磁軸承ⅰ的y方向徑向懸浮繞組的流入電流is2-，21是錐形磁軸承ⅰ的軸向正方向懸浮繞組的流入電流iz1+，22是錐形磁軸承ⅰ的軸向正方向懸浮繞組的流出電流iz1-，23是氣隙1，24是氣隙2，25是氣隙3，26是氣隙4，27為三相電樞繞組在錐形磁軸承ⅰ內(nèi)產(chǎn)生的偏置磁通，28為徑向懸浮繞組ⅰ在錐形磁軸承ⅰ內(nèi)產(chǎn)生的磁通，29為軸向正方向懸浮繞組電流在錐形磁軸承ⅰ內(nèi)產(chǎn)生的磁通，i2、i3分別為b、c相的電樞繞組電流，iz2為錐形磁軸承ⅱ的軸向負(fù)方向懸浮繞組電流。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明一種錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制方法的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：

如圖1所示，是本發(fā)明錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)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是電樞繞組，4是錐形定子，5是錐形轉(zhuǎn)子，6是徑向懸浮繞組，7是軸向懸浮繞組，8是轉(zhuǎn)軸，9是12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)，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(biāo)軸的正方向。

一種錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)，包括錐形磁軸承ⅰ、開關(guān)磁阻電機(jī)和錐形磁軸承ⅱ；所述錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ分別布置在開關(guān)磁阻電機(jī)的兩側(cè)；

所述錐形磁軸承ⅰ由錐形定子ⅰ、錐形轉(zhuǎn)子ⅰ、軸向懸浮繞組ⅰ和徑向懸浮繞組ⅰ構(gòu)成；

所述錐形磁軸承ⅱ由錐形定子ⅱ、錐形轉(zhuǎn)子ⅱ、軸向懸浮繞組ⅱ和徑向懸浮繞組ⅱ構(gòu)成；

所述開關(guān)磁阻電機(jī)由磁阻電機(jī)定子、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子、電樞繞組構(gòu)成；

所述錐形轉(zhuǎn)子ⅰ布置在錐形定子ⅰ內(nèi)，磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子布置在磁阻電機(jī)定子內(nèi)，錐形轉(zhuǎn)子ⅱ布置在錐形定子ⅱ內(nèi)；所述錐形轉(zhuǎn)子ⅰ、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子和錐形轉(zhuǎn)子ⅱ套在轉(zhuǎn)軸上；所述錐形定子ⅰ、磁阻電機(jī)定子和錐形定子ⅱ串聯(lián)布置，且錐形定子ⅰ和錐形定子ⅱ布置于磁阻電機(jī)定子的兩側(cè)，磁軸承定子ⅰ與磁阻電機(jī)定子間存在間隙，磁阻電機(jī)定子與磁軸承定子ⅱ間存在間隙；

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)定子的齒數(shù)12，磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為8，且所述開關(guān)磁阻電機(jī)為三相工作制；

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；

所述錐形定子ⅰ由4個e型結(jié)構(gòu)ⅰ構(gòu)成，4個e型結(jié)構(gòu)ⅰ均勻分布，每個e型結(jié)構(gòu)ⅰ之間相差90°；每個e型結(jié)構(gòu)ⅰ的齒數(shù)為3，齒與齒之間相差30°；e型結(jié)構(gòu)ⅰ的每個齒與所述磁阻電機(jī)定子齒處于對齊位置，且e型結(jié)構(gòu)ⅰ的定子齒與磁阻電機(jī)定子齒的齒寬相等；所述錐形轉(zhuǎn)子ⅰ為圓柱結(jié)構(gòu)；

所述錐形定子ⅱ由4個e型結(jié)構(gòu)ⅱ構(gòu)成，4個e型結(jié)構(gòu)ⅱ均勻分布，每個e型結(jié)構(gòu)ⅱ之間相差90°；每個e型結(jié)構(gòu)ⅱ的齒數(shù)為3，齒與齒之間相差30°；e型結(jié)構(gòu)ⅱ的每個齒與所述磁阻電機(jī)定子齒處于對齊位置，且e型結(jié)構(gòu)ⅱ的定子齒與磁阻電機(jī)定子齒的齒寬相等；所述錐形轉(zhuǎn)子ⅱ為圓柱結(jié)構(gòu)；

所述電樞繞組的纏繞方式為：每個電樞繞組橫跨處于同一圓周位置上的1個錐形定子ⅰ的定子齒、1個磁阻電機(jī)定子齒和1個錐形定子ⅱ的定子齒，并纏繞在三者之上，共12個；

所述徑向懸浮繞組ⅰ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅰ的中間定子齒上繞有1個徑向懸浮繞組ⅰ，共4個；

所述軸向懸浮繞組ⅰ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅰ的兩個邊齒上各繞有1個軸向懸浮繞組ⅰ，共8個；

所述徑向懸浮繞組ⅱ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅱ的中間定子齒上繞有1個徑向懸浮繞組ⅱ，共4個；

所述軸向懸浮繞組ⅱ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅱ的兩個邊齒上各繞有1個軸向懸浮繞組ⅱ，共8個；

所述電樞繞組的連接方式為：處于水平方向的2個電樞繞組和處于豎直方向的2個電樞繞組串聯(lián)，構(gòu)成a相電樞繞組；

圓周位置上與a相電樞繞組相差30°的4個電樞繞組串聯(lián)，構(gòu)成b相電樞繞組；

圓周位置上與a相電樞繞組相差60°的4個電樞繞組串聯(lián)，構(gòu)成c相電樞繞組；

所述錐形定子ⅰ的軸向懸浮繞組ⅰ連接方式為：8個軸向懸浮繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向正方向懸浮繞組；

所述錐形定子ⅱ的軸向懸浮繞組ⅱ連接方式為：8個軸向懸浮繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向負(fù)方向懸浮繞組；

所述錐形定子ⅰ的徑向懸浮繞組ⅰ連接方式為：在水平方向e型結(jié)構(gòu)ⅰ的2個徑向懸浮繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個水平方向徑向懸浮繞組??；在豎直方向e型結(jié)構(gòu)ⅰ的2個徑向懸浮繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個豎直方向徑向懸浮繞組??；

所述錐形定子ⅱ的徑向懸浮繞組ⅱ連接方式為：在水平方向e型結(jié)構(gòu)ⅱ的2個徑向懸浮繞組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e型結(jié)構(gòu)ⅱ的2個徑向懸浮繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅱ；

三相電樞繞組在磁軸承內(nèi)產(chǎn)生的磁通作為懸浮所需的偏置磁通，電流利用率高，控制變量少，懸浮控制簡單；三相電樞繞組單獨(dú)勵磁時懸浮力輸出均衡，軸向懸浮繞組除產(chǎn)生軸向懸浮力外，還產(chǎn)生一定的偏置磁通，磁利用率高。

圖2為本發(fā)明a相電樞繞組和兩個徑向懸浮繞組ⅰ在錐形磁軸承ⅰ部分的連接方式示意圖。處于水平方向和豎直方向的四個電樞串聯(lián)一起，構(gòu)成a相電樞繞組，其每個電樞繞組在空間上相隔90°；a相電樞繞組電流產(chǎn)生的四極對稱磁通，呈nsns分布。當(dāng)a相電樞繞組導(dǎo)通時，在磁阻電機(jī)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相電樞繞組、c相電樞繞組與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°。

圖3是本發(fā)明軸向懸浮繞組ⅰ的連接方式示意圖。8個軸向懸浮繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向正方向懸浮繞組；錐形定子ⅱ的軸向懸浮繞組ⅱ連接方式與之相同，即8個軸向懸浮繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個軸向負(fù)方向懸浮繞組。

圖4是本發(fā)明錐形磁軸承ⅰ的磁通分布圖。a、b、c三相電樞繞組產(chǎn)生的磁通如圖3中實(shí)線所示(線標(biāo)號為27)，徑向懸浮繞組產(chǎn)生的磁通如圖中點(diǎn)虛線所示(線標(biāo)號為28)，軸向懸浮繞組產(chǎn)生的磁通如圖中長點(diǎn)虛線所示(線標(biāo)號為29)。電樞繞組產(chǎn)生的磁通在每個e型結(jié)構(gòu)的中間齒上呈nsns分布。在氣隙1處徑向懸浮繞組和電樞繞組、軸向懸浮繞組產(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(jìn)而產(chǎn)生一個x軸正方向的懸浮力和一個z軸正方向的懸浮力。在氣隙2處徑向懸浮繞組和電樞繞組、軸向懸浮繞組產(chǎn)生磁通方向一樣，磁通增加，而在氣隙4處，磁通減弱，進(jìn)而產(chǎn)生一個y軸正方向的懸浮力和一個y軸正方向的懸浮力。同理，當(dāng)徑向懸浮繞組電流反向時，將產(chǎn)生反方向的徑向懸浮力，但軸向懸浮力仍為正向。因此，在給定a、b、c三相電樞繞組電流時，合理控制x、y徑向懸浮繞組電流的大小和方向，以及z軸向懸浮繞組的大小，即可產(chǎn)生大小和方向均可控的徑向懸浮力，以及大小控制的軸向正方向懸浮力。

同理，錐形磁軸承ⅱ也產(chǎn)生大小和方向均可控的徑向懸浮力，以及大小控制的軸向負(fù)方向懸浮力。聯(lián)合控制四個徑向懸浮繞組電流和兩個軸向懸浮繞組電流，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的五自由度懸浮運(yùn)行。

電樞繞組電流采用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(jī)的控制方法相同，而懸浮電流采用斬波控制。a、b、c三相電樞繞組電流由電流傳感器實(shí)時檢測得到，轉(zhuǎn)子位移由電渦流傳感器實(shí)時檢測獲得，經(jīng)pi調(diào)節(jié)得到五個方向懸浮力的給定值。由于懸浮力與a、b、c三相電樞繞組電流、四個徑向懸浮繞組電流及兩個軸向懸浮繞組電流有關(guān)，進(jìn)而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(shí)現(xiàn)電機(jī)的五自由度懸浮運(yùn)行。

如圖5所示，為本發(fā)明錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的系統(tǒng)框圖。旋轉(zhuǎn)控制采用pwm控制、脈沖控制和角位置控制等傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(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，將轉(zhuǎn)速誤差信號進(jìn)行pi調(diào)節(jié)，獲得開通角θon和關(guān)斷角θoff，進(jìn)而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：將位移誤差信號進(jìn)行pid調(diào)節(jié)獲得給定懸浮力和再結(jié)合實(shí)測三相電樞繞組電流i1、i2和i3，即通過五自由度懸浮繞組電流控制器計(jì)算出：錐形磁軸承ⅰ的x方向徑向懸浮繞組電流參考值和y軸方向徑向懸浮繞組電流參考值錐形磁軸承ⅱ的x方向徑向懸浮繞組電流參考值和y軸方向徑向懸浮繞組電流參考值并計(jì)算出兩軸向懸浮繞組電流之差的參考值然后經(jīng)過軸向懸浮繞組電流計(jì)算，得到兩個軸向懸浮繞組電流的參考值和

利用電流斬波控制方法，讓錐形磁軸承ⅰ的x軸方向徑向懸浮繞組實(shí)際電流is1跟蹤該方向懸繞組電流參考值讓y軸方向徑向懸浮繞組的實(shí)際電流is2跟蹤該方向徑向懸浮繞組電流參考值

讓錐形磁軸承ⅱ的x軸方向徑向懸浮繞組實(shí)際電流is3跟蹤該方向懸繞組電流參考值讓y軸方向徑向懸浮繞組的實(shí)際電流is4跟蹤該方向徑向懸浮繞組電流參考值

讓錐形磁軸承ⅰ的z軸方向軸向懸浮繞組實(shí)際電流iz1跟蹤該方向懸繞組電流參考值讓錐形磁軸承ⅱ的z軸方向軸向懸浮繞組實(shí)際電流iz2跟蹤該方向懸繞組電流參考值從而實(shí)時調(diào)節(jié)懸浮力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的五自由度懸浮。

如圖6為所示，為本發(fā)明的五自由度懸浮繞組電流計(jì)算方法框圖。圖中，kf為懸浮力系數(shù)，其表達(dá)式為：

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，l為錐形磁軸承的軸向長度，r為錐形轉(zhuǎn)子的半徑，αs為錐形磁軸承e型結(jié)構(gòu)定子的極弧角，δ為磁軸承部分的單邊氣隙長度。

錐形磁軸承ⅰ的x和y軸方向懸浮力和的表達(dá)式為：

式中，i1、i2、i3分別為a、b、c三相電樞繞組的電流，分別為錐形磁軸承ⅰ的x、y、z軸方向懸浮繞組電流，nb為電樞繞組的匝數(shù)，nz為軸向懸浮繞組的匝數(shù)，ns為徑向懸浮繞組的匝數(shù)，α為錐形角。

錐形磁軸承ⅱ的x和y軸方向懸浮力和的表達(dá)式為：

式中，分別為錐形磁軸承ⅱ的x、y、z軸方向懸浮繞組電流。

兩個錐形磁軸承的軸向合成懸浮力為：

由表達(dá)式(2)～(6)，當(dāng)五個方向懸浮力的給定值已知時，需要求解6個懸浮繞組電流變量，為此需要引入一個約束方程：

將式(7)，帶入(2)～(6)后，得：

如圖7所示，為本發(fā)明兩個軸向懸浮繞組電流的計(jì)算方法框圖。根據(jù)式(7)，寫出兩個軸向懸浮電流與二者之差關(guān)系為：

由表達(dá)式(8)～(12)知，五個懸浮力給定值計(jì)算出5個懸浮控制變量，另外，由于懸浮力系數(shù)與開關(guān)磁阻電機(jī)的位置角無關(guān)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與懸浮力的解耦控制。根據(jù)公式(13)，計(jì)算出兩個軸向懸浮繞組電流的給定值。

需要指出的是，由于懸浮力正負(fù)隨徑向懸浮繞組電流的正負(fù)變化而變化，因此四個徑向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。

所述一種錐形磁軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法，其特征在于，所述電機(jī)包括一個開關(guān)磁阻磁阻電機(jī)和兩個錐形磁軸承，其中開關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，兩個錐形磁軸承產(chǎn)生4個徑向懸浮力和1個軸向懸浮力，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五個方向的懸浮運(yùn)行；所述電機(jī)繞組由3相電樞繞組、4個徑向懸浮繞組和2個軸向懸浮繞組構(gòu)成，其中獨(dú)立控制三相電樞繞組電流，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，并產(chǎn)生懸浮所需的偏置磁通；聯(lián)合控制5個懸浮繞組電流，實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮調(diào)節(jié)的同時，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與懸浮力間的解耦；包括如下步驟：

步驟a，獲取開通角θon和關(guān)斷角θoff；具體步驟如下：

步驟a-1，采集磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時轉(zhuǎn)速，得到轉(zhuǎn)子角速度ω；

步驟a-2，將磁阻電機(jī)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，獲得開通角θon和關(guān)斷角θoff；

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，分別獲取錐形轉(zhuǎn)子ⅰ的x軸和y軸方向的實(shí)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(shí)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(shí)時位移信號差δα1和δβ1；

將所述實(shí)時位移信號差δα1和δβ1分別經(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，分別獲取錐形轉(zhuǎn)子ⅱ的x軸和y軸方向的實(shí)時位移信號α2和β2；

步驟c-2，將實(shí)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(shí)時位移信號差δα2和δβ2；

將所述實(shí)時位移信號差δα2和δβ2分別經(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，獲取錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ的z軸方向給定懸浮力，其中，z軸為軸向方向，與x、y軸相差90°；其具體步驟如下：

步驟d-1，獲取轉(zhuǎn)軸的z軸方向的實(shí)時位移信號zz；

步驟d-2，將實(shí)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(shí)時位移信號差δz，將所述實(shí)時位移信號差δz經(jīng)過比例積分微分控制器，得到錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ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3相實(shí)時的電樞繞組電流，根據(jù)所述懸浮力和以及計(jì)算公式：

解算得到錐形磁軸承ⅰ的x軸方向徑向懸浮繞組電流參考值和y軸方向徑向懸浮繞組電流參考值錐形磁軸承ⅱ的x軸方向徑向懸浮繞組電流參考值和y軸方向徑向懸浮繞組電流參考值以及兩個軸向懸浮繞組電流之差的參考值

其中kf為懸浮力系數(shù)，μ0為真空磁導(dǎo)率，l為錐形磁軸承的軸向長度，r為錐形轉(zhuǎn)子的平均半徑，αs為錐形磁軸承e型結(jié)構(gòu)定子齒的極弧角，δ為錐形磁軸承的單邊氣隙長度，nb、ns、nz分別電樞繞組、徑向懸浮繞組和軸向懸浮繞組的匝數(shù)，i1、i2和i3分別為三相電樞繞組電流，α為錐形角；

步驟e-2，計(jì)算錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ的軸向繞組電流的參考值；已知兩個軸向懸浮繞組電流之差的參考值根據(jù)軸向繞組電流計(jì)算公式和解算出錐形磁軸承ⅰ的軸向正方向懸浮繞組電流的參考值以及錐形磁軸承ⅱ的軸向負(fù)方向懸浮繞組電流的參考值

步驟e-3，利用電流斬波控制方法，用錐形磁軸承ⅰ的x軸方向徑向懸浮繞組實(shí)際電流is1跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向徑向懸浮繞組的實(shí)際電流is2跟蹤該方向徑向懸浮繞組電流參考值用z軸正方向懸浮繞組的實(shí)際電流iz1跟蹤該方向軸向懸浮繞組電流參考值

用錐形磁軸承ⅱ的x軸方向徑向懸浮繞組實(shí)際電流is3跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向徑向懸浮繞組的實(shí)際電流is4跟蹤該方向徑向懸浮繞組電流參考值用z軸負(fù)方向懸浮繞組的實(shí)際電流iz2跟蹤該方向軸向懸浮繞組電流參考值

步驟f，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；通過調(diào)節(jié)開通角θon和關(guān)斷角θoff的取值，從而實(shí)時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。

綜上所述，本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦，同時通過對兩個軸向懸浮繞組電流的單獨(dú)控制，跟蹤b相和c相電樞繞組電流，改善這兩相單獨(dú)勵磁時的偏置磁通，使之與a相相同，進(jìn)而解決了各相單獨(dú)勵磁時的徑向懸浮力輸出不均衡問題。

對該技術(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，其僅僅作為例子對本發(fā)明的一種形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)、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(shí)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)。