本發(fā)明涉及一種四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)及控制方法，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)：

無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)，不僅具有磁軸承無摩擦、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。

四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(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。

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，提出一種四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)及控制方法。所述電機(jī)是一種懸浮控制簡單、懸浮系統(tǒng)成本低、且偏置繞組與磁阻電機(jī)繞組采用串聯(lián)共勵式的四自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)；另外，由于在e型磁軸承定子中的兩邊定子齒上分別增加了一套繞組，其匝數(shù)與電樞繞組相同，并與相對于的另兩相電樞繞組串聯(lián)，從而改善偏置磁通的分布，使得三相電樞繞組單獨(dú)勵磁時懸浮力輸出均衡對稱；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；四自由度懸浮控制類似磁懸浮軸承，采用恒導(dǎo)通控制策略，并且僅需控制四個方向懸浮繞組電流，即可產(chǎn)生所需的四個方向懸浮力，控制變量少。

為了解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)，所述電機(jī)包括徑向磁軸承ⅰ、開關(guān)磁阻電機(jī)和徑向磁軸承ⅱ；所述徑向磁軸承ⅰ和徑向磁軸承ⅱ分別布置在開關(guān)磁阻電機(jī)的兩側(cè)；

所述徑向磁軸承ⅰ由磁軸承定子ⅰ、磁軸承轉(zhuǎn)子ⅰ、偏置繞組ⅰ和懸浮繞組ⅰ構(gòu)成；

所述徑向磁軸承ⅱ由磁軸承定子ⅱ、磁軸承轉(zhuǎn)子ⅱ、偏置繞組ⅱ和懸浮繞組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；

所述磁軸承轉(zhuǎn)子ⅰ布置在磁軸承定子ⅰ內(nèi)，磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子布置在磁阻電機(jī)定子內(nèi)，磁軸承轉(zhuǎn)子ⅱ布置在磁軸承定子ⅱ內(nèi)；所述磁軸承轉(zhuǎn)子ⅰ、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子和磁軸承轉(zhuǎn)子ⅱ套在轉(zhuǎn)軸上；所述磁軸承定子ⅰ、磁阻電機(jī)定子和磁軸承定子ⅱ串聯(lián)布置，且磁軸承定子ⅰ和磁軸承定子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；

所述磁軸承定子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；所述磁軸承轉(zhuǎn)子ⅰ為圓柱結(jié)構(gòu)；

所述磁軸承定子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；所述磁軸承轉(zhuǎn)子ⅱ為圓柱結(jié)構(gòu)；

所述電樞繞組的纏繞方式為：處于同一圓周位置上的磁軸承定子ⅰ的1個齒、磁阻電機(jī)定子的1個齒和磁軸承定子ⅱ的1個齒，共同繞有1個電樞繞組，共12個；

所述懸浮繞組ⅰ的纏繞方式為：每個磁軸承定子ⅰ的中間定子齒上繞有1個懸浮繞組ⅰ，共4個懸浮繞組??；

所述偏置繞組ⅰ的纏繞方式為：每個磁軸承定子ⅰ的兩個邊齒上各繞有1個偏置繞組ⅰ，共8個偏置繞組??；

所述懸浮繞組ⅱ的纏繞方式為：每個磁軸承定子ⅱ的中間定子齒上繞有1個懸浮繞組ⅱ，共4個懸浮繞組ⅱ；

所述偏置繞組ⅱ的纏繞方式為：每個磁軸承定子ⅱ的兩個邊齒上各繞有1個偏置繞組ⅱ，共8個偏置繞組ⅱ；

所述電樞繞組、偏置繞組ⅰ和偏置繞組ⅱ的匝數(shù)相等；

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相電樞繞組串；

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相電樞繞組串；

所述磁軸承定子ⅰ的偏置繞組ⅰ連接方式為：與a相電樞繞組相差30°的4個偏置繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成c相偏置繞組串ⅰ；與a相電樞繞組相差60°的4個偏置繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成b相偏置繞組串??；

所述磁軸承定子ⅱ的偏置繞組ⅱ連接方式為：與a相電樞繞組相差30°的4個偏置繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成c相偏置繞組串ⅱ；與a相電樞繞組相差60°的4個偏置繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成b相偏置繞組串ⅱ；

所述b相電樞繞組串、b相偏置繞組串ⅰ和b相偏置繞組串ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成b相電樞繞組；

所述c相電樞繞組串、c相偏置繞組串ⅰ和c相偏置繞組串ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成c相電樞繞組；

所述磁軸承定子ⅰ的懸浮繞組ⅰ連接方式為：在水平方向e型結(jié)構(gòu)ⅰ的2個懸浮繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個水平方向懸浮繞組??；在豎直方向e型結(jié)構(gòu)ⅰ的2個懸浮繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個豎直方向懸浮繞組?。?/p>

所述磁軸承定子ⅱ的懸浮繞組ⅱ連接方式為：在水平方向e型結(jié)構(gòu)ⅱ的2個懸浮繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個水平方向懸浮繞組ⅱ；在豎直方向e型結(jié)構(gòu)ⅱ的2個懸浮繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個豎直方向懸浮繞組ⅱ。

所述一種四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法，所述電機(jī)包括一個開關(guān)磁阻磁阻電機(jī)和兩個徑向磁軸承，其中開關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，兩個徑向磁軸承產(chǎn)生4個徑向懸浮力，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子四個徑向的懸浮運(yùn)行；所述電機(jī)繞組由三相電樞繞組和四個懸浮繞組構(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)生對稱的偏置磁通，從而保證三相繞組單獨(dú)勵磁時輸出的徑向懸浮力對稱；獨(dú)立控制四個懸浮繞組電流，實(shí)現(xiàn)四自由度懸浮調(diào)節(jié)，并且實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與徑向懸浮力間的解耦，以及徑向懸浮力間的解耦；所述控制方法包括如下步驟：

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，獲取磁軸承轉(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，分別得到徑向磁軸承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，獲取磁軸承轉(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，分別得到徑向磁軸承ⅱ的x軸方向懸浮力和y軸方向懸浮力

步驟d，調(diào)節(jié)懸浮力，具體步驟如下：

步驟d-1，采集3相實(shí)時的電樞繞組電流，根據(jù)所述懸浮力和以及公式和得到徑向磁軸承ⅰ的x軸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，kf為懸浮力系數(shù)，μ0為真空磁導(dǎo)率，l為徑向磁軸承的軸向長度，r為磁軸承轉(zhuǎn)子的半徑，αs為徑向磁軸承e型結(jié)構(gòu)定子的極弧角，δ為徑向磁軸承的單邊氣隙長度，nb、ns分別電樞繞組和徑向懸浮繞組的匝數(shù)，i1、i2和i3分別為三相電樞繞組電流；

步驟d-2，根據(jù)所述懸浮力和以及計算公式和解算得到徑向磁軸承ⅱ的x軸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d-3，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is1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is2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is3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is4跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

步驟e，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)明提出了一種四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組連接方式及控制方法，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)四自由度懸浮運(yùn)行，懸浮力和轉(zhuǎn)矩解耦，高速懸浮性能好；

(2)采用電樞繞組與偏置繞組串聯(lián)共同勵磁的方式，電流利用率高；

(3)三相電樞繞組產(chǎn)生的磁通作為偏置磁通，只需控制四個懸浮繞組電流，不需要為懸浮運(yùn)行而控制電樞繞組電流，便可產(chǎn)生四個方向所需懸浮力，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)轉(zhuǎn)矩控制與開關(guān)磁阻電機(jī)完全相同，控制簡單，可充分勵磁，轉(zhuǎn)矩輸出特性好，且高速適應(yīng)性強(qiáng)；

(5)各相懸浮磁路分離，軸向和徑向懸浮磁路隔離，且轉(zhuǎn)矩磁路與懸浮磁路也隔離，磁路耦合性弱；

(6)解決了現(xiàn)有的四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)懸浮力輸出不均衡問題，以及徑向懸浮力間的耦合問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(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在徑向磁軸承ⅰ部分的連接方式示意圖。

圖3是本發(fā)明b和c相電樞繞組在徑向磁軸承ⅰ部分的連接方式示意圖。

圖4是本發(fā)明徑向磁軸承ⅰ的磁通分布圖。

圖5是本發(fā)明四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)控制方法的系統(tǒng)框圖。

圖6是本發(fā)明懸浮繞組電流計算方法框圖。

附圖標(biāo)記說明：圖1至圖6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是磁軸承定子，5是磁軸承轉(zhuǎn)子，6是懸浮繞組，7是偏置繞組，8是轉(zhuǎn)軸，9是12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)，10是徑向磁軸承ⅰ，11是徑向磁軸承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是徑向磁軸承ⅰ的x方向懸浮繞組的流入電流is1+，18是徑向磁軸承ⅰ的x方向懸浮繞組的流入電流is1-，19是徑向磁軸承ⅰ的y方向懸浮繞組的流入電流is2+，20是徑向磁軸承ⅰ的y方向懸浮繞組的流入電流is2-，21是b相電樞繞組的流入電流i2+，22是b相電樞繞組的流出電流i2-，23是c相電樞繞組的流入電流i3+，24是a相電樞繞組的流出電流i3-，25是氣隙1，26是氣隙2，27是氣隙3，28是氣隙4，29為三相電樞繞組在徑向磁軸承ⅰ內(nèi)產(chǎn)生的偏置磁通，30為懸浮繞組ⅰ在徑向磁軸承ⅰ內(nèi)產(chǎn)生的磁通。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明一種四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組連接方式及控制方法的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：

如圖1所示，是本發(fā)明四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(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是磁軸承定子，5是磁軸承轉(zhuǎn)子，6是懸浮繞組，7是偏置繞組，8是轉(zhuǎn)軸，9是12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)，10是徑向磁軸承ⅰ，11是徑向磁軸承ⅱ，12、13、14分別為x、y、z軸方向坐標(biāo)軸的正方向。

所述四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)，包括徑向磁軸承ⅰ、開關(guān)磁阻電機(jī)和徑向磁軸承ⅱ；所述徑向磁軸承ⅰ和徑向磁軸承ⅱ分別布置在開關(guān)磁阻電機(jī)的兩側(cè)；

所述徑向磁軸承ⅰ由磁軸承定子ⅰ、磁軸承轉(zhuǎn)子ⅰ、偏置繞組ⅰ和懸浮繞組ⅰ構(gòu)成；

所述徑向磁軸承ⅱ由磁軸承定子ⅱ、磁軸承轉(zhuǎn)子ⅱ、偏置繞組ⅱ和懸浮繞組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；

所述磁軸承轉(zhuǎn)子ⅰ布置在磁軸承定子ⅰ內(nèi)，磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子布置在磁阻電機(jī)定子內(nèi)，磁軸承轉(zhuǎn)子ⅱ布置在磁軸承定子ⅱ內(nèi)；所述磁軸承轉(zhuǎn)子ⅰ、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子和磁軸承轉(zhuǎn)子ⅱ套在轉(zhuǎn)軸上；所述磁軸承定子ⅰ、磁阻電機(jī)定子和磁軸承定子ⅱ串聯(lián)布置，且磁軸承定子ⅰ和磁軸承定子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；

所述磁軸承定子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；所述磁軸承轉(zhuǎn)子ⅰ為圓柱結(jié)構(gòu)；

所述磁軸承定子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；所述磁軸承轉(zhuǎn)子ⅱ為圓柱結(jié)構(gòu)；

所述電樞繞組的纏繞方式為：處于同一圓周位置上的磁軸承定子ⅰ的1個齒、磁阻電機(jī)定子的1個齒和磁軸承定子ⅱ的1個齒，共同繞有1個電樞繞組，共12個；

所述懸浮繞組ⅰ的纏繞方式為：每個磁軸承定子ⅰ的中間定子齒上繞有1個懸浮繞組ⅰ，共4個懸浮繞組??；

所述偏置繞組ⅰ的纏繞方式為：每個磁軸承定子ⅰ的兩個邊齒上各繞有1個偏置繞組ⅰ，共8個偏置繞組??；

所述懸浮繞組ⅱ的纏繞方式為：每個磁軸承定子ⅱ的中間定子齒上繞有1個懸浮繞組ⅱ，共4個懸浮繞組ⅱ；

所述偏置繞組ⅱ的纏繞方式為：每個磁軸承定子ⅱ的兩個邊齒上各繞有1個偏置繞組ⅱ，共8個偏置繞組ⅱ；

所述電樞繞組、偏置繞組ⅰ和偏置繞組ⅱ的匝數(shù)相等；

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相電樞繞組串；

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相電樞繞組串；

所述磁軸承定子ⅰ的偏置繞組ⅰ連接方式為：與a相電樞繞組相差30°的4個偏置繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成c相偏置繞組串ⅰ；與a相電樞繞組相差60°的4個偏置繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成b相偏置繞組串??；

所述磁軸承定子ⅱ的偏置繞組ⅱ連接方式為：與a相電樞繞組相差30°的4個偏置繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成c相偏置繞組串ⅱ；與a相電樞繞組相差60°的4個偏置繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成b相偏置繞組串ⅱ；

所述b相電樞繞組串、b相偏置繞組串ⅰ和b相偏置繞組串ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成b相電樞繞組；

所述c相電樞繞組串、c相偏置繞組串ⅰ和c相偏置繞組串ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成c相電樞繞組；

所述磁軸承定子ⅰ的懸浮繞組ⅰ連接方式為：在水平方向e型結(jié)構(gòu)ⅰ的2個懸浮繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個水平方向懸浮繞組??；在豎直方向e型結(jié)構(gòu)ⅰ的2個懸浮繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個豎直方向懸浮繞組?。?/p>

所述磁軸承定子ⅱ的懸浮繞組ⅱ連接方式為：在水平方向e型結(jié)構(gòu)ⅱ的2個懸浮繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個水平方向懸浮繞組ⅱ；在豎直方向e型結(jié)構(gòu)ⅱ的2個懸浮繞組ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個豎直方向懸浮繞組ⅱ。

所述三相電樞繞組電流產(chǎn)生的合成磁通，作為兩個徑向磁軸承的偏置磁通；三相電樞繞組電流的控制方法與傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)相同；控制x和y方向的四個懸浮繞組電流的大小和方向，進(jìn)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的徑向四自由度懸浮運(yùn)行。

圖2為本發(fā)明a相電樞繞組和兩個徑向懸浮繞組ⅰ在徑向磁軸承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相電樞繞組串、c相電樞繞組串與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b和c相電樞繞組在徑向磁軸承ⅰ部分的連接方式示意圖。

在徑向磁軸承ⅰ內(nèi)，與a相電樞繞組相差30°的4個偏置繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成c相偏置繞組串??；與a相電樞繞組相差60°的4個偏置繞組ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成b相偏置繞組串ⅰ；

同樣的方式，可得到徑向磁軸承ⅱ內(nèi)的b相偏置繞組串ⅱ和c相偏置繞組串ⅱ

所述b相電樞繞組串、b相偏置繞組串ⅰ和b相偏置繞組串ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成b相電樞繞組；

所述c相電樞繞組串、c相偏置繞組串ⅰ和c相偏置繞組串ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成c相電樞繞組；

另外，所述電樞繞組、偏置繞組ⅰ和偏置繞組ⅱ的匝數(shù)相等；

圖4是本發(fā)明徑向磁軸承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所示b和c相電樞繞組在徑向磁軸承ⅰ部分的連接方式示意圖中實(shí)線所示(線標(biāo)號為29)，懸浮繞組產(chǎn)生的磁通如圖中點(diǎn)虛線所示(線標(biāo)號為30)。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處懸浮繞組和電樞繞組產(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正方向的懸浮力。在氣隙2處懸浮繞組和電樞繞組產(chǎn)生磁通方向一樣，磁通增加，而在氣隙4處，磁通減弱，進(jìn)而產(chǎn)生一個y正方向的懸浮力。同理，當(dāng)懸浮繞組電流反向時，將產(chǎn)生反方向的懸浮力。因此，在給定a、b、c三相電樞繞組電流時，合理控制x、y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。

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三相電樞繞組電流可由電流傳感器實(shí)時檢測得到，轉(zhuǎn)子徑向位移由電渦流傳感器實(shí)時檢測獲得，經(jīng)pi調(diào)節(jié)得到兩個方向懸浮力的給定值。由于懸浮力與a、b、c三相電樞繞組電流和兩個方向懸浮繞組電流有關(guān)，進(jìn)而可解算得到兩個方向的懸浮電流，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)的四自由度懸浮運(yùn)行。

如圖5所示，為本發(fā)明四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)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)獲得給定懸浮力再結(jié)合實(shí)測三相電樞繞組電流i1、i2和i3，即可通過懸浮繞組電流控制器計算出：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

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

讓徑向磁軸承ⅱ的x軸方向懸浮繞組實(shí)際電流is3跟蹤該方向懸繞組電流參考值讓y軸方向懸浮繞組的實(shí)際電流is4跟蹤該方向懸浮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)的四自由度懸浮。

如圖6所示，為本發(fā)明的懸浮繞組電流計算方法框圖。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為徑向磁軸承的軸向長度，r為磁軸承轉(zhuǎn)子的半徑，αs為徑向磁軸承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。

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，i1、i2、i3分別為a、b、c三相電樞繞組的電流，分別為徑向磁軸承ⅰ的x、y軸方向懸浮繞組電流，nb為電樞繞組的匝數(shù)，且兩種偏置繞組匝數(shù)與電樞繞組相等，ns為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。

由表達(dá)式(2)～(5)可知，本發(fā)明四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的徑向、軸向懸浮力與轉(zhuǎn)子位置角θ無關(guān)，僅與電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、三相電樞繞組電流和四個懸浮繞組電流有關(guān)。其中，四個徑向懸浮力僅與該方向徑向懸浮電流和三相電樞繞組電流有關(guān)，各徑向懸浮力間自然解耦；又因?yàn)樗膫€懸浮力均與轉(zhuǎn)子位置角無關(guān)，因此轉(zhuǎn)矩和懸浮力間又可解耦控制，另外，只要各相電樞電流對稱，即可保證各相電樞繞組單獨(dú)勵磁時，輸出的懸浮力均衡對稱。從而解決了現(xiàn)有復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的徑向懸浮力間的耦合問題，以及懸浮力輸出不均衡問題。

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，因此四個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。

本發(fā)明磁懸浮電機(jī)的控制方法，所述四自由度復(fù)合結(jié)構(gòu)無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)包括一個開關(guān)磁阻磁阻電機(jī)和兩個徑向磁軸承，其中開關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，兩個徑向磁軸承產(chǎn)生4個徑向懸浮力，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子四個方向的懸浮運(yùn)行；所述電機(jī)繞組由三相電樞繞組和四個徑向懸浮繞組構(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)生偏置磁通；獨(dú)立控制四個懸浮繞組電流，實(shí)現(xiàn)四自由度懸浮調(diào)節(jié)；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，獲取磁軸承轉(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經(jīng)過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，獲取磁軸承轉(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經(jīng)過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，調(diào)節(jié)懸浮力，具體步驟如下：

步驟d-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，kf為懸浮力系數(shù)，μ0為真空磁導(dǎo)率，l為徑向磁軸承的軸向長度，r為磁軸承轉(zhuǎn)子的半徑，αs為徑向磁軸承e型結(jié)構(gòu)定子的極弧角，δ為徑向磁軸承的單邊氣隙長度，nb、ns分別電樞繞組和徑向懸浮繞組的匝數(shù)，i1、i2和i3分別為三相電樞繞組電流；

步驟d-2，根據(jù)所述懸浮力和以及計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d-3，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is1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is2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is3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is4跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

步驟e，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，以及徑向懸浮力間的解耦，并解決了現(xiàn)有電機(jī)的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)。