一種錐形磁懸浮開關磁阻電機系統及其控制方法與流程
2023-05-26 21:56:11 1
本發明涉及一種錐形磁懸浮開關磁阻電機系統及其控制方法，屬於電機類的磁懸浮開關磁阻電機及其控制技術領域。
背景技術：
磁懸浮開關磁阻電機，不僅具有磁軸承無摩擦、無潤滑等優點，還繼承了開關磁阻電機的高速適應性和滿足苛刻工作環境等特點，在航空航天、飛輪儲能和軍事等場合具有獨特優勢。
磁懸浮開關磁阻電機通常由五自由度磁軸承和開關磁阻電機構成，傳統磁軸承需要較大的止推盤，其將導致較大渦流損耗和溫升問題；而傳統錐形電勵磁磁軸承則有較多的控制對象，不利於系統的簡化和可靠性。另外，傳統磁懸浮開關磁阻電機系統中的電機與磁軸承控制系統之間獨立，集成度不高。因此，磁軸承系統與開關磁阻電機系統間的有效集成，不僅可提高磁懸浮系統的集成度，還有助於提升機電能量轉換效率。
技術實現要素：
本發明為了克服現有技術的不足，提出一種錐形磁懸浮開關磁阻電機系統及其控制方法。所述懸浮轉子系統是一種集成度高、懸浮力和轉矩可解耦控制、及懸浮控制對象較少的新型錐形磁懸浮開關磁阻電機系統；所述控制方法可獨立控制電樞繞組電流和懸浮繞組電流，旋轉和懸浮系統間相互解耦，彼此影響弱；另外，偏置繞組串聯到電樞繞組的新型不對稱半橋功率變換器的直流母線中，並且偏置電流始終為三相電樞電流之和，不進行任何人為控制；每個磁軸承的軸向懸浮繞組串聯，構成兩軸向懸浮繞組，獨立控制，除產生軸向力外，還產生一定的偏置磁通；旋轉控制方式與傳統開關磁阻電機相同；懸浮力僅與偏置電流和六個懸浮電流有關，且懸浮力間解耦，轉矩與懸浮力間也可解耦控制。本發明集成度高，電樞電流利用率高，結構簡單，控制簡單，高速適應性強。
為了解決上述問題，本發明採用的技術方案為：
一種錐形磁懸浮開關磁阻電機系統，包括錐形磁軸承ⅰ、開關磁阻電機和錐形磁軸承ⅱ；所述錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ分別布置於開關磁阻電機的兩側；
所述錐形磁軸承ⅰ由錐形定子ⅰ、錐形轉子ⅰ、偏置線圈ⅰ、徑向懸浮線圈ⅰ和軸向懸浮線圈ⅰ構成；
所述錐形磁軸承ⅱ由錐形定子ⅱ、錐形轉子ⅱ、偏置線圈ⅱ、徑向懸浮線圈ⅱ和軸向懸浮線圈ⅱ構成；
所述開關磁阻電機由磁阻電機定子、磁阻電機轉子和磁阻電機線圈構成；
所述錐形轉子ⅰ布置在錐形定子ⅰ內，磁阻電機轉子布置在磁阻電機定子內，錐形轉子ⅱ布置在錐形定子ⅱ內；所述錐形轉子ⅰ、磁阻電機轉子和錐形轉子ⅱ套在轉軸上；所述錐形定子ⅰ、磁阻電機定子和錐形定子ⅱ串聯布置，且之間均存在間隙；
所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子均為凸極結構，磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數有12/8、6/4、8/6三種組合形式；其中磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數組合為12/8和6/4時，開關磁阻電機的相數m為3，磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數組合為8/6時，開關磁阻電機的相數m為4；
所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數採用12/8組合，即所述磁阻電機定子齒數為12、磁阻電機轉子齒數為8、電機相數m為3時，每4個相隔90°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，採用串聯、或並列、或串並結合的連接方式，連接在一起，構成1個電樞繞組，共形成3個電樞繞組；
所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數採用6/4組合，即所述磁阻電機定子齒數為6、磁阻電機轉子齒數為4、電機相數m為3時，每2個相隔180°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，採用串聯、或並列的連接方式，連接在一起，構成1個電樞繞組，共形成3個電樞繞組；
所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數採用8/6組合，即所述磁阻電機定子齒數為8、磁阻電機轉子齒數為6、電機相數m為4時，每2個相隔180°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，採用串聯、或並列的連接方式，連接在一起，構成1個電樞繞組，共形成4個電樞繞組。
所述錐形定子ⅰ和錐形定子ⅱ均為錐形凸極結構，二者的定子齒數為4，所述錐形轉子ⅰ和錐形轉子ⅱ均為錐形圓柱結構；錐形定子ⅰ、錐形定子ⅱ、錐形轉子ⅰ和錐形轉子ⅱ的錐形角相等；錐形定子ⅰ和錐形轉子ⅰ的錐形角開口方向相同，錐形定子ⅱ和錐形轉子ⅱ的錐形角開口方向相同；錐形定子ⅰ和錐形轉子ⅰ的錐形角開口方向與錐形定子ⅱ和錐形轉子ⅱ的錐形角開口方向相反；
其特徵在於，所述錐形定子ⅰ的每個定子齒上繞有1個偏置線圈ⅰ、1個軸向懸浮線圈ⅰ和1個徑向懸浮線圈ⅰ，共4個偏置線圈ⅰ、4個軸向懸浮線圈ⅰ和4徑向懸浮線圈ⅰ；
所述錐形定子ⅱ的每個定子齒上繞有1個偏置線圈ⅱ、1個軸向懸浮線圈ⅱ和1個徑向懸浮線圈ⅱ，共4個偏置線圈ⅱ、4個軸向懸浮線圈ⅱ和4徑向懸浮線圈ⅱ；
所述錐形定子ⅰ的徑向懸浮線圈ⅰ連接方式為：在水平方向相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅰ串聯，構成1個水平方向徑向懸浮繞組ⅰ；在豎直方向相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅰ串聯，構成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅰ；
所述錐形定子ⅱ的徑向懸浮線圈ⅱ連接方式為：在水平方向相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅱ串聯，構成1個水平方向徑向懸浮繞組ⅱ；在豎直方向相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅱ串聯，構成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅱ；
所述錐形定子ⅰ的4個軸向懸浮線圈ⅰ串聯，構成1個軸向懸浮繞組ⅰ；所述錐形定子ⅱ的4個軸向懸浮線圈ⅱ串聯，構成1個軸向懸繞組ⅱ；
所述錐形定子ⅰ的4個偏置線圈ⅰ串聯，構成1個偏置線圈串ⅰ，所述錐形定子ⅱ的4個偏置線圈ⅱ串聯，構成1個偏置線圈串ⅱ；所述1個偏置線圈串ⅰ和1個偏置線圈串ⅱ串聯，構成1個偏置繞組。
所述一種錐形磁懸浮開關磁阻電機系統的控制方法，其特徵在於，所述錐形磁懸浮開關磁阻電機系統包括一個開關磁阻磁阻電機和兩個錐形磁軸承，其中開關磁阻電機產生旋轉轉矩，兩個錐形磁軸承產生4個徑向懸浮力和1個軸向懸浮力，以實現轉子五個方向的懸浮運行；所述磁懸浮系統的繞組由m相電樞繞組，1個偏置繞組、4個徑向懸浮繞組和2個軸向懸浮繞組構成，所述1個偏置繞組串聯到m相電樞繞組的不對稱半橋功率變換器的母線中，其中電樞繞組的勵磁迴路和續流迴路各有1個直流電壓源，並且勵磁和續流階段電樞繞組和偏置繞組的電流方向始終相同；獨立控制m相電樞繞組電流，以調節轉矩，並產生偏置磁通；獨立控制6個懸浮繞組電流，實現五自由度懸浮調節；包括如下步驟：
步驟a，獲取給定電樞繞組電流、開通角和關斷角；具體步驟如下：
步驟a-1，採集磁阻電機轉子實時轉速，得到轉子角速度ω；
步驟a-2，將磁阻電機轉子角速度ω與設定的參考角速度ω*相減，得到轉速差δω；
步驟a-3，當ω≤ω0時，ω0為臨界速度設定值，其由電機實際工況確定；所述轉速差δω，通過比例積分控制器，獲得電樞繞組電流參考值im*；開通角θon和關斷角θoff固定不變，θon和θoff取值由電機結構形式決定；
步驟a-4，當ω＞ω0時，所述轉速差δω，通過比例積分控制器，獲得開通角θon和關斷角θoff，電樞繞組電流不控制；
步驟b，調節轉矩；具體步驟如下：
步驟b-1，當ω≤ω0時，利用電流斬波控制方法，以電樞繞組的實際電流im跟蹤電樞繞組電流參考值im*，進而實時調節電樞繞組電流im，進而達到調節轉矩的目的；
步驟b-2，當ω＞ω0時，利用角度位置控制方法，調節開通角θon和關斷角θoff的取值，從而實時調節轉矩；
步驟c，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c-1，獲取錐形轉子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c-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d，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d-1，獲取錐形轉子ⅱ的x軸和y軸方向的實時位移信號α2和β2；
步驟d-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e，獲取z軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：
步驟e-1，獲取轉軸z軸方向的實時位移信號zz，其中z軸垂直於x軸和y軸構成的平面；
步驟e-2，將實時位移信號zz與給定的參考位移信號zz*相減，得到z軸方向的實時位移信號差δzz，將所述實時位移信號差δzz經過比例積分微分控制器，得到的z軸方向懸浮力
步驟f，調節懸浮力，具體步驟如下：
步驟f-1，採集實時的偏置繞組電流ibias和偏置繞組最大電流值ip，
方式一，通過電流傳感器直接採集實時的偏置繞組電流ibias，然後再獲取其最大值即為ip；
方式二，通過電流傳感器採集實時的m相電樞繞組電流，然後根據計算公式計算得到實時的偏置繞組電流ibias，然後再採集其最大值即為ip，其中ik為第k相電樞繞組的電流；
步驟f-2，根據所述偏置繞組最大電流值ip和所述懸浮力和以及計算公式：
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，kf1為徑向懸浮力係數，kf2為軸向懸浮力係數，其表達式分別為和μ0為真空磁導率，l為錐形磁軸承的軸向長度，r為錐形轉子的平均半徑，αs為錐形定子的極弧角，δ為磁軸承部分的單邊氣隙長度，γ為錐形角，nb為偏置繞組的匝數，nz為軸向懸浮繞組的匝數，ns為徑向懸浮繞組的匝數；
步驟f-3，計算軸向懸浮繞組ⅰ的電流參考值和軸向懸浮繞組ⅱ的電流參考值
根據所述ibias、ip、及軸向繞組電流計算公式和解算出軸向懸浮繞組ⅰ的電流參考值以及軸向懸浮繞組ⅱ的電流參考值
步驟f-4，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際電流is2跟蹤該方向徑向懸浮繞組電流參考值用軸向懸浮繞組ⅰ的實際電流iz1跟蹤其電流參考值
用錐形磁軸承ⅱ的x軸方向徑向懸浮繞組實際電流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際電流is4跟蹤該方向徑向懸浮繞組電流參考值用軸向懸浮繞組ⅱ的實際電流iz2跟蹤其電流參考值進而實現五自由度懸浮控制。
本發明的有益效果：本發明提出了一種錐形磁懸浮開關磁阻電機系統及其控制方法，採用本發明的技術方案，能夠達到如下技術效果：
(1)可實現五自由度懸浮運行，懸浮力和轉矩解耦，高速懸浮性能好；
(2)採用新型的不對稱半橋功率變換器，電樞繞組勵磁和續流階段的具有獨立的電壓源，且勵磁與續流期間彼此影響較弱，方便調節勵磁和續流階段的電壓值；
(3)偏置繞組電流始終與m相電樞繞組電流之和相等，便於採集其實時值和最大值；
(4)軸向繞組電流除產生軸向力外，還貢獻一定的偏置磁通，有利於改善偏置繞組電流產生的偏置磁通，進而提高懸浮電流的跟蹤和控制精度；
(5)磁軸承磁路與磁阻電機磁路隔離，磁路耦合性弱，容錯性能好。
附圖說明
圖1是本發明錐形磁懸浮開關磁阻電機系統實施例1的三維結構示意圖。
圖2是本發明實施例1的功率變換器示意圖。
圖3是本發明實施例1的三相電樞繞組電流和偏置繞組電流的仿真圖。
圖4是本發明錐形磁懸浮開關磁阻電機系統實施例1的控制方法的系統框圖。
圖5是本發明錐形磁懸浮開關磁阻電機系統實施例1的控制方法中各懸浮繞組電流計算方法框圖。
圖6是本發明兩個軸向懸浮繞組電流的計算方法框圖。
附圖標記說明：圖1至圖5中，1是磁阻電機定子，2是磁阻電機轉子，3是磁阻電機線圈，4是錐形定子，5是錐形轉子，6是偏置線圈，7是徑向懸浮線圈，8是軸向懸浮線圈，9是轉軸，10是開關磁阻電機，11是錐形磁軸承ⅰ，12是錐形磁軸承ⅱ，13、14、15分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向，16、17、18分別是12/8極開關磁阻電機a、b、c相電樞繞組電流的仿真波形，19是偏置繞組電流的仿真波形，20是偏置繞組最大電流的仿真波形。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明一種錐形磁懸浮開關磁阻電機系統及其控制方法的技術方案進行詳細說明：
如圖1所示，是本發明錐形磁懸浮開關磁阻電機系統實施例1的三維結構示意圖，其中，1是磁阻電機定子，2是磁阻電機轉子，3是磁阻電機線圈，4是錐形定子，5是錐形轉子，6是偏置線圈，7是徑向懸浮線圈，8是軸向懸浮線圈，9是轉軸，10是開關磁阻電機，11是錐形磁軸承ⅰ，12是錐形磁軸承ⅱ，13、14、15分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向。
一種錐形磁懸浮開關磁阻電機系統，包括錐形磁軸承ⅰ、開關磁阻電機和錐形磁軸承ⅱ；所述錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ分別布置於開關磁阻電機的兩側；
所述錐形磁軸承ⅰ由錐形定子ⅰ、錐形轉子ⅰ、偏置線圈ⅰ、徑向懸浮線圈ⅰ和軸向懸浮線圈ⅰ構成；
所述錐形磁軸承ⅱ由錐形定子ⅱ、錐形轉子ⅱ、偏置線圈ⅱ、徑向懸浮線圈ⅱ和軸向懸浮線圈ⅱ構成；
所述開關磁阻電機由磁阻電機定子、磁阻電機轉子和磁阻電機線圈構成；
所述錐形轉子ⅰ布置在錐形定子ⅰ內，磁阻電機轉子布置在磁阻電機定子內，錐形轉子ⅱ布置在錐形定子ⅱ內；所述錐形轉子ⅰ、磁阻電機轉子和錐形轉子ⅱ套在轉軸上；所述錐形定子ⅰ、磁阻電機定子和錐形定子ⅱ串聯布置，且之間均存在間隙；
所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子均為凸極結構，磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數有12/8、6/4、8/6三種組合形式；其中磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數組合為12/8和6/4時，開關磁阻電機的相數m為3，磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數組合為8/6時，開關磁阻電機的相數m為4；
所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數採用12/8組合，即所述磁阻電機定子齒數為12、磁阻電機轉子齒數為8、電機相數m為3時，每4個相隔90°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，採用串聯、或並列、或串並結合的連接方式，連接在一起，構成1個電樞繞組，共形成3個電樞繞組；
所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數採用6/4組合，即所述磁阻電機定子齒數為6、磁阻電機轉子齒數為4、電機相數m為3時，每2個相隔180°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，採用串聯、或並列的連接方式，連接在一起，構成1個電樞繞組，共形成3個電樞繞組；
所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數採用8/6組合，即所述磁阻電機定子齒數為8、磁阻電機轉子齒數為6、電機相數m為4時，每2個相隔180°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，採用串聯、或並列的連接方式，連接在一起，構成1個電樞繞組，共形成4個電樞繞組。
所述錐形定子ⅰ和錐形定子ⅱ均為錐形凸極結構，二者的定子齒數為4，所述錐形轉子ⅰ和錐形轉子ⅱ均為錐形圓柱結構；錐形定子ⅰ、錐形定子ⅱ、錐形轉子ⅰ和錐形轉子ⅱ的錐形角相等；錐形定子ⅰ和錐形轉子ⅰ的錐形角開口方向相同，錐形定子ⅱ和錐形轉子ⅱ的錐形角開口方向相同；錐形定子ⅰ和錐形轉子ⅰ的錐形角開口方向與錐形定子ⅱ和錐形轉子ⅱ的錐形角開口方向相反；
其特徵在於，所述錐形定子ⅰ的每個定子齒上繞有1個偏置線圈ⅰ、1個軸向懸浮線圈ⅰ和1個徑向懸浮線圈ⅰ，共4個偏置線圈ⅰ、4個軸向懸浮線圈ⅰ和4徑向懸浮線圈ⅰ；
所述錐形定子ⅱ的每個定子齒上繞有1個偏置線圈ⅱ、1個軸向懸浮線圈ⅱ和1個徑向懸浮線圈ⅱ，共4個偏置線圈ⅱ、4個軸向懸浮線圈ⅱ和4徑向懸浮線圈ⅱ；
所述錐形定子ⅰ的徑向懸浮線圈ⅰ連接方式為：在水平方向相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅰ串聯，構成1個水平方向徑向懸浮繞組ⅰ；在豎直方向相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅰ串聯，構成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅰ；
所述錐形定子ⅱ的徑向懸浮線圈ⅱ連接方式為：在水平方向相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅱ串聯，構成1個水平方向徑向懸浮繞組ⅱ；在豎直方向相隔180°的2個徑向懸浮線圈ⅱ串聯，構成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅱ；
所述錐形定子ⅰ的4個軸向懸浮線圈ⅰ串聯，構成1個軸向懸浮繞組ⅰ；所述錐形定子ⅱ的4個軸向懸浮線圈ⅱ串聯，構成1個軸向懸繞組ⅱ；
所述錐形定子ⅰ的4個偏置線圈ⅰ串聯，構成1個偏置線圈串ⅰ，所述錐形定子ⅱ的4個偏置線圈ⅱ串聯，構成1個偏置線圈串ⅱ；所述1個偏置線圈串ⅰ和1個偏置線圈串ⅱ串聯，構成1個偏置繞組。
每相電樞繞組由4個彼此在空間上相隔90°的磁阻電機線圈，採用串聯、或並聯、或兩並兩串的方式連接而成；每相電樞繞組電流產生的四極對稱磁通，呈nsns分布。當一相電樞繞組導通時，在磁阻電機內產生的磁場，用於產生轉矩；a、b、c三相電樞繞組在磁軸承內產生的合成磁場用於懸浮控制的偏置磁場。b、c相的電樞繞組與a相電樞繞組結構相同，僅在位置上與a相相差30°和-30°。
對磁軸承ⅰ而言，在水平正方向的氣隙處徑向懸浮繞組和偏置繞組產生磁通方向一樣，磁通增加；而水平負方向的氣隙處，方向相反，磁通減弱，進而產生一個x正方向的懸浮力和一個z正方向的懸浮力。在豎直正方向的氣隙處徑向懸浮繞組和電樞繞組產生磁通方向一樣，磁通增加，而在豎直負方向的氣隙處，磁通減弱，進而產生一個y正方向的懸浮力和一個z正方向的懸浮力。同理，當懸浮繞組電流反向時，將產生反方向的懸浮力，但軸向懸浮力的方向仍為正。
對磁軸承ⅱ而言，在水平正方向的氣隙處徑向懸浮繞組和偏置繞組產生磁通方向一樣，磁通增加；而水平負方向的氣隙處，方向相反，磁通減弱，進而產生一個x正方向的懸浮力和一個z負方向的懸浮力。在豎直正方向的氣隙處徑向懸浮繞組和電樞繞組產生磁通方向一樣，磁通增加，而在豎直負方向的氣隙處，磁通減弱，進而產生一個y正方向的懸浮力和一個z負方向的懸浮力。同理，當懸浮繞組電流反向時，將產生反方向的懸浮力，但軸向懸浮力的方向仍為負。
對兩個磁軸承的軸向懸浮繞組而言，兩個錐形磁軸承的軸向懸浮繞組電流方向與偏置繞組電流方向相同，氣隙磁通增強；此時，僅需控制兩個軸向懸浮繞組電流的大小不同，即產生一個軸向力。
因此，當電機運行工況一定時，三相電樞繞組電流一定，這時處於其直流母線中的偏置繞組的電流也為定值，為此合理控制x、y軸懸浮繞組電流的大小和方向，以兩個z軸懸浮繞組電流的大小，即產生大小和方向均可控的懸浮力。
三相電樞繞組電流可採用pwm控制、脈衝控制和角位置控制等，與傳統開關磁阻電機的控制方法相同，而懸浮電流採用斬波控制。偏置繞組電流可由電流傳感器實時檢測得到，轉子徑向位移由電渦流傳感器實時檢測獲得，經pi調節得到兩個方向懸浮力的給定值。由於懸浮力與偏置繞組電流與四個徑向懸浮繞組電流和兩個軸向懸浮繞組電流有關，通過引入一個約束方程，即可解算得到六個懸浮電流，作為功率變換器中電流控制的給定值，最終實現電機的五自由度懸浮運行。
所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數採用6/4組合，即所述磁阻電機定子齒數為6、磁阻電機轉子齒數為4、電機相數m為3時，每2個相隔180°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，採用串聯、或並列的連接方式，連接在一起，構成1個電樞繞組，共形成3個電樞繞組；此時構成本發明磁懸浮電機系統的實施例2。
所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數採用8/6組合，即所述磁阻電機定子齒數為8、磁阻電機轉子齒數為6、電機相數m為4時，每2個相隔180°的磁阻電機定子齒上的磁阻電機線圈，採用串聯、或並列的連接方式，連接在一起，構成1個電樞繞組，共形成4個電樞繞組；此時構成本發明磁懸浮電機系統的實施例3。
圖2是本發明實施例1的功率變換器示意圖。與傳統三相不對稱半橋功率變換器不同，本方法採用的功率變換器具有兩個獨立的電壓源，分別為us1和us2，並勵磁階段和續流階段具有兩個電流迴路。以a相為例，在勵磁階段，開關管s1和s2導通，電流徑電壓源us1、二極體d7、偏置繞組bias、二極體d8、開關管s1、a相電樞繞組、開關管s2閉合；在續流階段，開關管s1和s2關斷，電流經a相電樞繞組、二極體d1、二極體d10、偏置繞組bias、二極體d9、電壓源us2、二極體d2閉合；兩階段偏置繞組電流方向和大小始終與a相電樞繞組電流相同。同理，b、c相電樞也具有相似的勵磁和續流過程。因此，偏置繞組電流與三相電樞繞組電流之和相等。當相數m>3時，只需在圖2所示的功率電路增加相應的支路，而偏置繞組部分的功率電路無需變化。
如圖3所示，為本發明實施例1的三相電樞繞組電流和偏置繞組電流的仿真圖。仿真結果顯示，基於圖2所示的功率變換電路，三相電樞電流的波形與傳統開關磁阻電機的電流波形相同，說明圖2所示的功率電路具有傳統不對稱半橋電路的功能。另外，任意時刻，偏置繞組電流始終與三相電樞繞組電流之和相等，有利於偏置繞組電流及其最大值的採集。
如圖4所示，為本發明實施例1的系統框圖。轉矩控制可採用pwm控制、脈衝控制和角位置控制等傳統開關磁阻電機的控制方法，而懸浮控制則採用電流斬波控制的方式。
轉矩控制為：檢測電機轉子位置信息，經計算分別得到實際轉速ω和每相的開通角θon和關斷角θoff，將轉速誤差信號進行pi調節，獲得電樞繞組電流參考值再利用電流斬波控制讓實際電樞繞組電流跟蹤並利用開通角θon和關斷角θoff控制電樞繞組功率電路的導通狀態，從而實現電機旋轉。
懸浮控制為：將位移誤差信號進行pid調節獲得給定懸浮力再結合實測偏置繞組電流ibias及其最大值ip，即通過懸浮繞組電流控制器計算出：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z軸方向兩懸浮繞組電流之差的參考值然後，再根據軸向繞組電流計算公式解算出錐形磁軸承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的軸向負方向懸浮繞組電流的參考值
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際電流is4跟蹤該方向徑向懸浮繞組電流參考值用z軸負方向懸浮繞組的實際電流iz2跟蹤該方向軸向懸浮繞組電流參考值進而實現五自由度懸浮控制。
如圖5為所示，為本發明的五自由度懸浮繞組電流計算方法框圖。圖中，kf1為徑向懸浮力係數，kf2為軸向懸浮力係數，其表達式為：
式中，μ0為真空磁導率，l為錐形磁軸承的軸向長度，r為錐形轉子的平均半徑，αs為錐形定子的極弧角，δ為磁軸承部分的單邊氣隙長度，γ為錐形角。
錐形磁軸承ⅰ的x和y軸方向懸浮力和的表達式為：
式中，ibias為偏置繞組的電流，分別為錐形磁軸承ⅰ的x、y、z軸方向懸浮繞組電流，nb為偏置繞組的匝數，nz為軸向懸浮繞組的匝數，ns為徑向懸浮繞組的匝數。
偏置繞組電流ibias與m相電樞繞組電流間的關係為：
其中，ik為第k相電樞繞組的電流。
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、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：
為方便控制，令：
式中，為兩軸向懸浮電流之差，ip為偏置電流峰值，即每個轉子周期內偏置繞組電流的最大值。偏置繞組電流由電流傳感器實時監測得到，故其每個周期內的峰值電流也實時採集得到；另外，偏置電流還由實時監測得到三相電樞繞組電流求和獲得，之後比較這個電流和即得到偏置電流峰值。
將式(9)，帶入(3)、(4)、(6)和(7)後，得：
由表達式(10)～(14)知，當五個方向懸浮力的給定值和偏置電流峰值已知時，求解五個懸浮電流變量。
如圖6所示，為本發明兩個軸向懸浮繞組電流的計算方法框圖。根據式(9)，寫出兩個軸向懸浮電流與二者之差關係為：
由表達式(10)～(14)知，五個懸浮力給定值計算出5個懸浮控制變量，另外，由於懸浮力係數與開關磁阻電機的位置角無關，故可實現轉矩與懸浮力的解耦控制。根據公式(15)，計算出兩個軸向懸浮繞組電流的給定值。
需要指出的是，由於懸浮力正負隨徑向懸浮繞組電流的正負變化而變化，因此四個徑向懸浮繞組電流方向在控制時會發生變化，需採用可調電流方向的功率變換器。
所述錐形磁懸浮開關磁阻電機系統包括一個開關磁阻磁阻電機和兩個錐形磁軸承，其中開關磁阻電機產生旋轉轉矩，兩個錐形磁軸承產生4個徑向懸浮力和1個軸向懸浮力，以實現轉子五個方向的懸浮運行；所述磁懸浮系統的繞組由m相電樞繞組，1個偏置繞組、4個徑向懸浮繞組和2個軸向懸浮繞組構成，所述1個偏置繞組串聯到m相電樞繞組的不對稱半橋功率變換器的母線中，其中電樞繞組的勵磁迴路和續流迴路各有1個直流電壓源，並且勵磁和續流階段電樞繞組和偏置繞組的電流方向始終相同；獨立控制m相電樞繞組電流，以調節轉矩，並產生偏置磁通；獨立控制6個懸浮繞組電流，實現五自由度懸浮調節；包括如下步驟：
步驟a，獲取給定電樞繞組電流、開通角和關斷角；具體步驟如下：
步驟a-1，採集轉子實時轉速，得到轉子角速度ω；
步驟a-2，將轉子角速度ω與設定的參考角速度ω*相減，得到轉速差δω；
步驟a-3，當ω≤ω0時，ω0為臨界速度設定值，其由電機實際工況確定；所述轉速差δω，通過比例積分控制器，獲得電樞繞組電流參考值im*；開通角θon和關斷角θoff固定不變，θon和θoff取值由電機結構形式決定；
步驟a-4，當ω＞ω0時，所述轉速差δω，通過比例積分控制器，獲得開通角θon和關斷角θoff，電樞繞組電流不控制；
步驟b，調節轉矩；具體步驟如下：
步驟b-1，當ω≤ω0時，利用電流斬波控制方法，以電樞繞組的實際電流im跟蹤電樞繞組電流參考值im*，進而實時調節電樞繞組電流im，進而達到調節轉矩的目的；
步驟b-2，當ω＞ω0時，利用角度位置控制方法，調節開通角θon和關斷角θoff的取值，從而實時調節轉矩；
步驟c，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c-1，獲取錐形轉子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c-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d，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d-1，獲取錐形轉子ⅱ的x軸和y軸方向的實時位移信號α2和β2；
步驟d-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e，獲取z軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：
步驟e-1，獲取轉軸z軸方向的實時位移信號zz，其中z軸與x軸和y軸方向垂直；
步驟e-2，將實時位移信號zz與給定的參考位移信號zz*相減，得到z軸方向的實時位移信號差δzz，將所述實時位移信號差δzz經過比例積分微分控制器，得到的z軸方向懸浮力
步驟f，調節懸浮力，具體步驟如下：
步驟f-1，採集實時的偏置繞組電流ibias和偏置繞組最大電流值ip，
方式一，通過電流傳感器直接採集實時的偏置繞組電流ibias，然後再獲取其最大值即為ip；
方式二，通過電流傳感器採集實時的m相電樞繞組電流，然後根據計算公式計算得到實時的偏置繞組電流ibias，然後再採集其最大值即為ip，其中ik為第k相電樞繞組的電流；
步驟f-2，根據所述偏置繞組最大電流值ip和所述懸浮力和以及計算公式：
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，kf1為徑向懸浮力係數，kf2為軸向懸浮力係數，其表達式分別為和μ0為真空磁導率，l為錐形磁軸承的軸向長度，r為錐形轉子的平均半徑，αs為錐形定子的極弧角，δ為磁軸承部分的單邊氣隙長度，γ為錐形角，nb為偏置繞組的匝數，nz為軸向懸浮繞組的匝數，ns為徑向懸浮繞組的匝數；
步驟f-3，計算錐形磁軸承ⅰ軸向懸浮繞組電流的參考值和錐形磁軸承ⅱ軸向懸浮繞組電流的參考值
根據所述ibias、ip、及軸向繞組電流計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的軸向負方向懸浮繞組電流的參考值
步驟f-4，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際電流is4跟蹤該方向徑向懸浮繞組電流參考值用z軸負方向懸浮繞組的實際電流iz2跟蹤該方向軸向懸浮繞組電流參考值進而實現五自由度懸浮控制。
需要指出的是，本發明結構拓展性好，對開關磁阻電機結構無限制，只要兩相工作制及以上的開關磁阻電機均適用。
綜上所述，本發明可實現五自由度懸浮運行，懸浮力和轉矩解耦；採用新型的不對稱半橋功率變換器，電樞繞組勵磁和續流階段的具有獨立的電壓源，且勵磁與續流期間彼此影響較弱，方便調節勵磁和續流階段的電壓值；偏置繞組電流始終與m相電樞繞組電流之和相等，便於採集其實時值和最大值；軸向繞組電流除產生軸向力外，還貢獻一定的偏置磁通，有利於改善偏置繞組電流產生的偏置磁通，進而提高懸浮電流的跟蹤和控制精度；磁軸承磁路與磁阻電機磁路隔離，磁路耦合性弱，容錯性能好。
對該技術領域的普通技術人員而言，根據以上實施類型可以很容易聯想其他的優點和變形。因此，本發明並不局限於上述具體實例，其僅僅作為例子對本發明的一種形態進行詳細、示範性的說明。在不背離本發明宗旨的範圍內，本領域普通技術人員根據上述具體實例通過各種等同替換所得到的技術方案，均應包含在本發明的權利要求範圍及其等同範圍之內。