一种锥形磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种锥形磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法，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，不仅具有磁轴承无摩擦、无润滑等优点，还继承了开关磁阻电机的高速适应性和满足苛刻工作环境等特点，在航空航天、飞轮储能和军事等场合具有独特优势。

磁悬浮开关磁阻电机通常由五自由度磁轴承和开关磁阻电机构成，传统磁轴承需要较大的止推盘，其将导致较大涡流损耗和温升问题；而传统锥形电励磁磁轴承则有较多的控制对象，不利于系统的简化和可靠性。另外，传统磁悬浮开关磁阻电机系统中的电机与磁轴承控制系统之间独立，集成度不高。因此，磁轴承系统与开关磁阻电机系统间的有效集成，不仅可提高磁悬浮系统的集成度，还有助于提升机电能量转换效率。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种锥形磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法。所述悬浮转子系统是一种集成度高、悬浮力和转矩可解耦控制、及悬浮控制对象较少的新型锥形磁悬浮开关磁阻电机系统；所述控制方法可独立控制电枢绕组电流和悬浮绕组电流，旋转和悬浮系统间相互解耦，彼此影响弱；另外，偏置绕组串联到电枢绕组的新型不对称半桥功率变换器的直流母线中，并且偏置电流始终为三相电枢电流之和，不进行任何人为控制；每个磁轴承的轴向悬浮绕组串联，构成两轴向悬浮绕组，独立控制，除产生轴向力外，还产生一定的偏置磁通；旋转控制方式与传统开关磁阻电机相同；悬浮力仅与偏置电流和六个悬浮电流有关，且悬浮力间解耦，转矩与悬浮力间也可解耦控制。本发明集成度高，电枢电流利用率高，结构简单，控制简单，高速适应性强。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种锥形磁悬浮开关磁阻电机系统，包括锥形磁轴承ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承ⅱ；所述锥形磁轴承ⅰ和锥形磁轴承ⅱ分别布置于开关磁阻电机的两侧；

所述锥形磁轴承ⅰ由锥形定子ⅰ、锥形转子ⅰ、偏置线圈ⅰ、径向悬浮线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅰ构成；

所述锥形磁轴承ⅱ由锥形定子ⅱ、锥形转子ⅱ、偏置线圈ⅱ、径向悬浮线圈ⅱ和轴向悬浮线圈ⅱ构成；

所述开关磁阻电机由磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机线圈构成；

所述锥形转子ⅰ布置在锥形定子ⅰ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，锥形转子ⅱ布置在锥形定子ⅱ内；所述锥形转子ⅰ、磁阻电机转子和锥形转子ⅱ套在转轴上；所述锥形定子ⅰ、磁阻电机定子和锥形定子ⅱ串联布置，且之间均存在间隙；

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，开关磁阻电机的相数m为3，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机的相数m为4；

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磁阻电机线圈，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齿数为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磁阻电机线圈，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齿数为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磁阻电机线圈，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。

所述锥形定子ⅰ和锥形定子ⅱ均为锥形凸极结构，二者的定子齿数为4，所述锥形转子ⅰ和锥形转子ⅱ均为锥形圆柱结构；锥形定子ⅰ、锥形定子ⅱ、锥形转子ⅰ和锥形转子ⅱ的锥形角相等；锥形定子ⅰ和锥形转子ⅰ的锥形角开口方向相同，锥形定子ⅱ和锥形转子ⅱ的锥形角开口方向相同；锥形定子ⅰ和锥形转子ⅰ的锥形角开口方向与锥形定子ⅱ和锥形转子ⅱ的锥形角开口方向相反；

其特征在于，所述锥形定子ⅰ的每个定子齿上绕有1个偏置线圈ⅰ、1个轴向悬浮线圈ⅰ和1个径向悬浮线圈ⅰ，共4个偏置线圈ⅰ、4个轴向悬浮线圈ⅰ和4径向悬浮线圈ⅰ；

所述锥形定子ⅱ的每个定子齿上绕有1个偏置线圈ⅱ、1个轴向悬浮线圈ⅱ和1个径向悬浮线圈ⅱ，共4个偏置线圈ⅱ、4个轴向悬浮线圈ⅱ和4径向悬浮线圈ⅱ；

所述锥形定子ⅰ的径向悬浮线圈ⅰ连接方式为：在水平方向相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组ⅰ；在竖直方向相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组ⅰ；

所述锥形定子ⅱ的径向悬浮线圈ⅱ连接方式为：在水平方向相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅱ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组ⅱ；在竖直方向相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅱ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组ⅱ；

所述锥形定子ⅰ的4个轴向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个轴向悬浮绕组ⅰ；所述锥形定子ⅱ的4个轴向悬浮线圈ⅱ串联，构成1个轴向悬绕组ⅱ；

所述锥形定子ⅰ的4个偏置线圈ⅰ串联，构成1个偏置线圈串ⅰ，所述锥形定子ⅱ的4个偏置线圈ⅱ串联，构成1个偏置线圈串ⅱ；所述1个偏置线圈串ⅰ和1个偏置线圈串ⅱ串联，构成1个偏置绕组。

所述一种锥形磁悬浮开关磁阻电机系统的控制方法，其特征在于，所述锥形磁悬浮开关磁阻电机系统包括一个开关磁阻磁阻电机和两个锥形磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，两个锥形磁轴承产生4个径向悬浮力和1个轴向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；所述磁悬浮系统的绕组由m相电枢绕组，1个偏置绕组、4个径向悬浮绕组和2个轴向悬浮绕组构成，所述1个偏置绕组串联到m相电枢绕组的不对称半桥功率变换器的母线中，其中电枢绕组的励磁回路和续流回路各有1个直流电压源，并且励磁和续流阶段电枢绕组和偏置绕组的电流方向始终相同；独立控制m相电枢绕组电流，以调节转矩，并产生偏置磁通；独立控制6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，采集磁阻电机转子实时转速，得到转子角速度ω；

步骤a-2，将磁阻电机转子角速度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im^*；开通角θon和关断角θoff固定不变，θon和θoff取值由电机结构形式决定；

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θon和关断角θoff，电枢绕组电流不控制；

步骤b，调节转矩；具体步骤如下：

步骤b-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im跟踪电枢绕组电流参考值im^*，进而实时调节电枢绕组电流im，进而达到调节转矩的目的；

步骤b-2，当ω＞ω0时，利用角度位置控制方法，调节开通角θon和关断角θoff的取值，从而实时调节转矩；

步骤c，获取锥形磁轴承ⅰ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤c-1，获取锥形转子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c-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，得到锥形磁轴承ⅰ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力

步骤d，获取锥形磁轴承ⅱ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤d-1，获取锥形转子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，得到锥形磁轴承ⅱ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力

步骤e，获取z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤e-1，获取转轴z轴方向的实时位移信号zz，其中z轴垂直于x轴和y轴构成的平面；

步骤e-2，将实时位移信号zz与给定的参考位移信号zz^*相减，得到z轴方向的实时位移信号差δzz，将所述实时位移信号差δzz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向悬浮力

步骤f，调节悬浮力，具体步骤如下：

步骤f-1，采集实时的偏置绕组电流ibias和偏置绕组最大电流值ip，

方式一，通过电流传感器直接采集实时的偏置绕组电流ibias，然后再获取其最大值即为ip；

方式二，通过电流传感器采集实时的m相电枢绕组电流，然后根据计算公式计算得到实时的偏置绕组电流ibias，然后再采集其最大值即为ip，其中ik为第k相电枢绕组的电流；

步骤f-2，根据所述偏置绕组最大电流值ip和所述悬浮力和以及计算公式：

解算得到锥形磁轴承ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值锥形磁轴承ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值以及两个轴向悬浮绕组电流之差的参考值

其中，kf1为径向悬浮力系数，kf2为轴向悬浮力系数，其表达式分别为和μ0为真空磁导率，l为锥形磁轴承的轴向长度，r为锥形转子的平均半径，αs为锥形定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，γ为锥形角，nb为偏置绕组的匝数，nz为轴向悬浮绕组的匝数，ns为径向悬浮绕组的匝数；

步骤f-3，计算轴向悬浮绕组ⅰ的电流参考值和轴向悬浮绕组ⅱ的电流参考值

根据所述ibias、ip、及轴向绕组电流计算公式和解算出轴向悬浮绕组ⅰ的电流参考值以及轴向悬浮绕组ⅱ的电流参考值

步骤f-4，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is1跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is2跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用轴向悬浮绕组ⅰ的实际电流iz1跟踪其电流参考值

用锥形磁轴承ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is3跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is4跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用轴向悬浮绕组ⅱ的实际电流iz2跟踪其电流参考值进而实现五自由度悬浮控制。

本发明的有益效果：本发明提出了一种锥形磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：

(1)可实现五自由度悬浮运行，悬浮力和转矩解耦，高速悬浮性能好；

(2)采用新型的不对称半桥功率变换器，电枢绕组励磁和续流阶段的具有独立的电压源，且励磁与续流期间彼此影响较弱，方便调节励磁和续流阶段的电压值；

(3)偏置绕组电流始终与m相电枢绕组电流之和相等，便于采集其实时值和最大值；

(4)轴向绕组电流除产生轴向力外，还贡献一定的偏置磁通，有利于改善偏置绕组电流产生的偏置磁通，进而提高悬浮电流的跟踪和控制精度；

(5)磁轴承磁路与磁阻电机磁路隔离，磁路耦合性弱，容错性能好。

附图说明

图1是本发明锥形磁悬浮开关磁阻电机系统实施例1的三维结构示意图。

图2是本发明实施例1的功率变换器示意图。

图3是本发明实施例1的三相电枢绕组电流和偏置绕组电流的仿真图。

图4是本发明锥形磁悬浮开关磁阻电机系统实施例1的控制方法的系统框图。

图5是本发明锥形磁悬浮开关磁阻电机系统实施例1的控制方法中各悬浮绕组电流计算方法框图。

图6是本发明两个轴向悬浮绕组电流的计算方法框图。

附图标记说明：图1至图5中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是磁阻电机线圈，4是锥形定子，5是锥形转子，6是偏置线圈，7是径向悬浮线圈，8是轴向悬浮线圈，9是转轴，10是开关磁阻电机，11是锥形磁轴承ⅰ，12是锥形磁轴承ⅱ，13、14、15分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向，16、17、18分别是12/8极开关磁阻电机a、b、c相电枢绕组电流的仿真波形，19是偏置绕组电流的仿真波形，20是偏置绕组最大电流的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种锥形磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是本发明锥形磁悬浮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是磁阻电机线圈，4是锥形定子，5是锥形转子，6是偏置线圈，7是径向悬浮线圈，8是轴向悬浮线圈，9是转轴，10是开关磁阻电机，11是锥形磁轴承ⅰ，12是锥形磁轴承ⅱ，13、14、15分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向。

一种锥形磁悬浮开关磁阻电机系统，包括锥形磁轴承ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承ⅱ；所述锥形磁轴承ⅰ和锥形磁轴承ⅱ分别布置于开关磁阻电机的两侧；

所述锥形磁轴承ⅰ由锥形定子ⅰ、锥形转子ⅰ、偏置线圈ⅰ、径向悬浮线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅰ构成；

所述锥形磁轴承ⅱ由锥形定子ⅱ、锥形转子ⅱ、偏置线圈ⅱ、径向悬浮线圈ⅱ和轴向悬浮线圈ⅱ构成；

所述开关磁阻电机由磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机线圈构成；

所述锥形转子ⅰ布置在锥形定子ⅰ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，锥形转子ⅱ布置在锥形定子ⅱ内；所述锥形转子ⅰ、磁阻电机转子和锥形转子ⅱ套在转轴上；所述锥形定子ⅰ、磁阻电机定子和锥形定子ⅱ串联布置，且之间均存在间隙；

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，开关磁阻电机的相数m为3，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机的相数m为4；

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磁阻电机线圈，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齿数为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磁阻电机线圈，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齿数为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磁阻电机线圈，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。

所述锥形定子ⅰ和锥形定子ⅱ均为锥形凸极结构，二者的定子齿数为4，所述锥形转子ⅰ和锥形转子ⅱ均为锥形圆柱结构；锥形定子ⅰ、锥形定子ⅱ、锥形转子ⅰ和锥形转子ⅱ的锥形角相等；锥形定子ⅰ和锥形转子ⅰ的锥形角开口方向相同，锥形定子ⅱ和锥形转子ⅱ的锥形角开口方向相同；锥形定子ⅰ和锥形转子ⅰ的锥形角开口方向与锥形定子ⅱ和锥形转子ⅱ的锥形角开口方向相反；

其特征在于，所述锥形定子ⅰ的每个定子齿上绕有1个偏置线圈ⅰ、1个轴向悬浮线圈ⅰ和1个径向悬浮线圈ⅰ，共4个偏置线圈ⅰ、4个轴向悬浮线圈ⅰ和4径向悬浮线圈ⅰ；

所述锥形定子ⅱ的每个定子齿上绕有1个偏置线圈ⅱ、1个轴向悬浮线圈ⅱ和1个径向悬浮线圈ⅱ，共4个偏置线圈ⅱ、4个轴向悬浮线圈ⅱ和4径向悬浮线圈ⅱ；

所述锥形定子ⅰ的径向悬浮线圈ⅰ连接方式为：在水平方向相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组ⅰ；在竖直方向相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组ⅰ；

所述锥形定子ⅱ的径向悬浮线圈ⅱ连接方式为：在水平方向相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅱ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组ⅱ；在竖直方向相隔180°的2个径向悬浮线圈ⅱ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组ⅱ；

所述锥形定子ⅰ的4个轴向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个轴向悬浮绕组ⅰ；所述锥形定子ⅱ的4个轴向悬浮线圈ⅱ串联，构成1个轴向悬绕组ⅱ；

所述锥形定子ⅰ的4个偏置线圈ⅰ串联，构成1个偏置线圈串ⅰ，所述锥形定子ⅱ的4个偏置线圈ⅱ串联，构成1个偏置线圈串ⅱ；所述1个偏置线圈串ⅰ和1个偏置线圈串ⅱ串联，构成1个偏置绕组。

每相电枢绕组由4个彼此在空间上相隔90°的磁阻电机线圈，采用串联、或并联、或两并两串的方式连接而成；每相电枢绕组电流产生的四极对称磁通，呈nsns分布。当一相电枢绕组导通时，在磁阻电机内产生的磁场，用于产生转矩；a、b、c三相电枢绕组在磁轴承内产生的合成磁场用于悬浮控制的偏置磁场。b、c相的电枢绕组与a相电枢绕组结构相同，仅在位置上与a相相差30°和-30°。

对磁轴承ⅰ而言，在水平正方向的气隙处径向悬浮绕组和偏置绕组产生磁通方向一样，磁通增加；而水平负方向的气隙处，方向相反，磁通减弱，进而产生一个x正方向的悬浮力和一个z正方向的悬浮力。在竖直正方向的气隙处径向悬浮绕组和电枢绕组产生磁通方向一样，磁通增加，而在竖直负方向的气隙处，磁通减弱，进而产生一个y正方向的悬浮力和一个z正方向的悬浮力。同理，当悬浮绕组电流反向时，将产生反方向的悬浮力，但轴向悬浮力的方向仍为正。

对磁轴承ⅱ而言，在水平正方向的气隙处径向悬浮绕组和偏置绕组产生磁通方向一样，磁通增加；而水平负方向的气隙处，方向相反，磁通减弱，进而产生一个x正方向的悬浮力和一个z负方向的悬浮力。在竖直正方向的气隙处径向悬浮绕组和电枢绕组产生磁通方向一样，磁通增加，而在竖直负方向的气隙处，磁通减弱，进而产生一个y正方向的悬浮力和一个z负方向的悬浮力。同理，当悬浮绕组电流反向时，将产生反方向的悬浮力，但轴向悬浮力的方向仍为负。

对两个磁轴承的轴向悬浮绕组而言，两个锥形磁轴承的轴向悬浮绕组电流方向与偏置绕组电流方向相同，气隙磁通增强；此时，仅需控制两个轴向悬浮绕组电流的大小不同，即产生一个轴向力。

因此，当电机运行工况一定时，三相电枢绕组电流一定，这时处于其直流母线中的偏置绕组的电流也为定值，为此合理控制x、y轴悬浮绕组电流的大小和方向，以两个z轴悬浮绕组电流的大小，即产生大小和方向均可控的悬浮力。

三相电枢绕组电流可采用pwm控制、脉冲控制和角位置控制等，与传统开关磁阻电机的控制方法相同，而悬浮电流采用斩波控制。偏置绕组电流可由电流传感器实时检测得到，转子径向位移由电涡流传感器实时检测获得，经pi调节得到两个方向悬浮力的给定值。由于悬浮力与偏置绕组电流与四个径向悬浮绕组电流和两个轴向悬浮绕组电流有关，通过引入一个约束方程，即可解算得到六个悬浮电流，作为功率变换器中电流控制的给定值，最终实现电机的五自由度悬浮运行。

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齿数为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磁阻电机线圈，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；此时构成本发明磁悬浮电机系统的实施例2。

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齿数为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磁阻电机线圈，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；此时构成本发明磁悬浮电机系统的实施例3。

图2是本发明实施例1的功率变换器示意图。与传统三相不对称半桥功率变换器不同，本方法采用的功率变换器具有两个独立的电压源，分别为us1和us2，并励磁阶段和续流阶段具有两个电流回路。以a相为例，在励磁阶段，开关管s1和s2导通，电流径电压源us1、二极管d7、偏置绕组bias、二极管d8、开关管s1、a相电枢绕组、开关管s2闭合；在续流阶段，开关管s1和s2关断，电流经a相电枢绕组、二极管d1、二极管d10、偏置绕组bias、二极管d9、电压源us2、二极管d2闭合；两阶段偏置绕组电流方向和大小始终与a相电枢绕组电流相同。同理，b、c相电枢也具有相似的励磁和续流过程。因此，偏置绕组电流与三相电枢绕组电流之和相等。当相数m>3时，只需在图2所示的功率电路增加相应的支路，而偏置绕组部分的功率电路无需变化。

如图3所示，为本发明实施例1的三相电枢绕组电流和偏置绕组电流的仿真图。仿真结果显示，基于图2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2所示的功率电路具有传统不对称半桥电路的功能。另外，任意时刻，偏置绕组电流始终与三相电枢绕组电流之和相等，有利于偏置绕组电流及其最大值的采集。

如图4所示，为本发明实施例1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θon和关断角θoff，将转速误差信号进行pi调节，获得电枢绕组电流参考值再利用电流斩波控制让实际电枢绕组电流跟踪并利用开通角θon和关断角θoff控制电枢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ibias及其最大值ip，即通过悬浮绕组电流控制器计算出：径向磁轴承ⅰ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径向磁轴承ⅱ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z轴方向两悬浮绕组电流之差的参考值然后，再根据轴向绕组电流计算公式解算出锥形磁轴承ⅰ的轴向正方向悬浮绕组电流的参考值以及锥形磁轴承ⅱ的轴向负方向悬浮绕组电流的参考值

利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is1跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is2跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用z轴正方向悬浮绕组的实际电流iz1跟踪该方向轴向悬浮绕组电流参考值

用锥形磁轴承ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is3跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is4跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用z轴负方向悬浮绕组的实际电流iz2跟踪该方向轴向悬浮绕组电流参考值进而实现五自由度悬浮控制。

如图5为所示，为本发明的五自由度悬浮绕组电流计算方法框图。图中，kf1为径向悬浮力系数，kf2为轴向悬浮力系数，其表达式为：

式中，μ0为真空磁导率，l为锥形磁轴承的轴向长度，r为锥形转子的平均半径，αs为锥形定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，γ为锥形角。

锥形磁轴承ⅰ的x和y轴方向悬浮力和的表达式为：

式中，ibias为偏置绕组的电流，分别为锥形磁轴承ⅰ的x、y、z轴方向悬浮绕组电流，nb为偏置绕组的匝数，nz为轴向悬浮绕组的匝数，ns为径向悬浮绕组的匝数。

偏置绕组电流ibias与m相电枢绕组电流间的关系为：

其中，ik为第k相电枢绕组的电流。

锥形磁轴承ⅱ的x和y轴方向悬浮力和的表达式为：

式中，分别为锥形磁轴承ⅱ的x、y、z轴方向悬浮绕组电流。

两个锥形磁轴承的轴向合成悬浮力为：

为方便控制，令：

式中，为两轴向悬浮电流之差，ip为偏置电流峰值，即每个转子周期内偏置绕组电流的最大值。偏置绕组电流由电流传感器实时监测得到，故其每个周期内的峰值电流也实时采集得到；另外，偏置电流还由实时监测得到三相电枢绕组电流求和获得，之后比较这个电流和即得到偏置电流峰值。

将式(9)，带入(3)、(4)、(6)和(7)后，得：

由表达式(10)～(14)知，当五个方向悬浮力的给定值和偏置电流峰值已知时，求解五个悬浮电流变量。

如图6所示，为本发明两个轴向悬浮绕组电流的计算方法框图。根据式(9)，写出两个轴向悬浮电流与二者之差关系为：

由表达式(10)～(14)知，五个悬浮力给定值计算出5个悬浮控制变量，另外，由于悬浮力系数与开关磁阻电机的位置角无关，故可实现转矩与悬浮力的解耦控制。根据公式(15)，计算出两个轴向悬浮绕组电流的给定值。

需要指出的是，由于悬浮力正负随径向悬浮绕组电流的正负变化而变化，因此四个径向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。

所述锥形磁悬浮开关磁阻电机系统包括一个开关磁阻磁阻电机和两个锥形磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，两个锥形磁轴承产生4个径向悬浮力和1个轴向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；所述磁悬浮系统的绕组由m相电枢绕组，1个偏置绕组、4个径向悬浮绕组和2个轴向悬浮绕组构成，所述1个偏置绕组串联到m相电枢绕组的不对称半桥功率变换器的母线中，其中电枢绕组的励磁回路和续流回路各有1个直流电压源，并且励磁和续流阶段电枢绕组和偏置绕组的电流方向始终相同；独立控制m相电枢绕组电流，以调节转矩，并产生偏置磁通；独立控制6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im^*；开通角θon和关断角θoff固定不变，θon和θoff取值由电机结构形式决定；

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θon和关断角θoff，电枢绕组电流不控制；

步骤b，调节转矩；具体步骤如下：

步骤b-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im跟踪电枢绕组电流参考值im^*，进而实时调节电枢绕组电流im，进而达到调节转矩的目的；

步骤b-2，当ω＞ω0时，利用角度位置控制方法，调节开通角θon和关断角θoff的取值，从而实时调节转矩；

步骤c，获取锥形磁轴承ⅰ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤c-1，获取锥形转子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c-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，得到锥形磁轴承ⅰ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力

步骤d，获取锥形磁轴承ⅱ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤d-1，获取锥形转子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，得到锥形磁轴承ⅱ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力

步骤e，获取z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤e-1，获取转轴z轴方向的实时位移信号zz，其中z轴与x轴和y轴方向垂直；

步骤e-2，将实时位移信号zz与给定的参考位移信号zz^*相减，得到z轴方向的实时位移信号差δzz，将所述实时位移信号差δzz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向悬浮力

步骤f，调节悬浮力，具体步骤如下：

步骤f-1，采集实时的偏置绕组电流ibias和偏置绕组最大电流值ip，

方式一，通过电流传感器直接采集实时的偏置绕组电流ibias，然后再获取其最大值即为ip；

方式二，通过电流传感器采集实时的m相电枢绕组电流，然后根据计算公式计算得到实时的偏置绕组电流ibias，然后再采集其最大值即为ip，其中ik为第k相电枢绕组的电流；

步骤f-2，根据所述偏置绕组最大电流值ip和所述悬浮力和以及计算公式：

解算得到锥形磁轴承ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值锥形磁轴承ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值以及两个轴向悬浮绕组电流之差的参考值

其中，kf1为径向悬浮力系数，kf2为轴向悬浮力系数，其表达式分别为和μ0为真空磁导率，l为锥形磁轴承的轴向长度，r为锥形转子的平均半径，αs为锥形定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，γ为锥形角，nb为偏置绕组的匝数，nz为轴向悬浮绕组的匝数，ns为径向悬浮绕组的匝数；

步骤f-3，计算锥形磁轴承ⅰ轴向悬浮绕组电流的参考值和锥形磁轴承ⅱ轴向悬浮绕组电流的参考值

根据所述ibias、ip、及轴向绕组电流计算公式和解算出锥形磁轴承ⅰ的轴向正方向悬浮绕组电流的参考值以及锥形磁轴承ⅱ的轴向负方向悬浮绕组电流的参考值

步骤f-4，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is1跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is2跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用z轴正方向悬浮绕组的实际电流iz1跟踪该方向轴向悬浮绕组电流参考值

用锥形磁轴承ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is3跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is4跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用z轴负方向悬浮绕组的实际电流iz2跟踪该方向轴向悬浮绕组电流参考值进而实现五自由度悬浮控制。

需要指出的是，本发明结构拓展性好，对开关磁阻电机结构无限制，只要两相工作制及以上的开关磁阻电机均适用。

综上所述，本发明可实现五自由度悬浮运行，悬浮力和转矩解耦；采用新型的不对称半桥功率变换器，电枢绕组励磁和续流阶段的具有独立的电压源，且励磁与续流期间彼此影响较弱，方便调节励磁和续流阶段的电压值；偏置绕组电流始终与m相电枢绕组电流之和相等，便于采集其实时值和最大值；轴向绕组电流除产生轴向力外，还贡献一定的偏置磁通，有利于改善偏置绕组电流产生的偏置磁通，进而提高悬浮电流的跟踪和控制精度；磁轴承磁路与磁阻电机磁路隔离，磁路耦合性弱，容错性能好。

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。