一种五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机及控制方法与流程
本发明涉及一种五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机及控制方法，属于电机类的磁悬浮开关磁阻电机领域。
背景技术：
电磁型磁轴承和开关磁阻电机构成的磁悬浮电机系统，因系统中无永磁体，对高温、高湿、强腐蚀等恶劣工作环境适应性强，在航空航天、舰船等可靠性要求高、工作环境恶劣等应用场合具有独特优势。
传统电磁型磁悬浮开关磁阻电机系统中的电磁型磁轴承和开关磁阻电机两个系统单独控制，需要两个微处理器分别控制，控制变量多，功率系统庞大，成本高，且集成度和可靠性不高。另外，由于需要较大的偏置电流来产生所需偏置磁通，故传统电磁型磁轴承的悬浮功率损耗较大，应用所限。
技术实现要素：
本发明为了克服现有技术的不足，提出一种五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机。所述五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机包括1个电磁型轴向径向磁轴承、1个开关磁阻电机和1个电磁型径向磁轴承；开关磁阻电机产生转矩，实现旋转运行；电磁型轴向径向磁轴承产生两个径向悬浮力和1个轴向悬浮力，电磁型径向磁轴承产生两个径向悬浮力，进而实现五自由度悬浮运行；两个磁轴承的偏置绕组和开关磁阻电机的m相电枢绕组采用一套功率变换器共同励磁，同时产生转矩和偏置磁通，电磁转换效率高，系统集成度和可靠性高，实现了电机、磁轴承和控制系统的综合集成；所述控制方法通过控制m相电枢绕组电流，以调节输出转矩，控制方法与传统开关磁阻电机相同；通过控制五个悬浮绕组电流，以调节五个悬浮力，控制变量少，控制简单；另外，由于偏置磁通不再需要悬浮系统产生，悬浮功率损耗大大减低，悬浮控制器设计更为便利。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机，包括1个电磁型轴向径向磁轴承、1个开关磁阻电机和1个电磁型径向磁轴承；
所述开关磁阻电机串联布置在电磁型轴向径向磁轴承和电磁型径向磁轴承之间；
所述开关磁阻电机，由磁阻电机定子、磁阻电机转子和电枢线圈构成；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；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，开关磁阻电机为三相工作制，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机为四相工作制；
所述电磁型轴向径向磁轴承，由径向定子ⅰ、径向转子ⅰ、径向悬浮线圈ⅰ、偏置线圈ⅰ、偏置定子ⅰ、轴向定子ⅰ、轴向转子ⅰ、轴向悬浮线圈ⅰ、偏置定子ⅱ、轴向定子ⅱ、轴向转子ⅱ和轴向悬浮线圈ⅱ构成；
偏置定子ⅰ、径向定子ⅰ和偏置定子ⅱ紧密串联布置，且径向定子ⅰ布置于偏置定子ⅰ和偏置定子ⅱ之间；偏置定子ⅰ紧密布置在轴向定子ⅰ内，偏置定子ⅱ紧密布置在轴向定子ⅱ内；所述径向转子ⅰ布置在径向定子ⅰ内，所述轴向转子ⅰ布置在偏置定子ⅰ内，所述轴向转子ⅱ布置在偏置定子ⅱ内；
所述轴向转子ⅰ、径向转子ⅰ和轴向转子ⅱ紧密串联布置，且径向转子ⅰ布置于轴向转子ⅰ和轴向转子ⅱ之间；所述轴向转子ⅰ、径向转子ⅰ和轴向转子ⅱ套在转轴上；
所述径向定子ⅰ由4个e型结构ⅰ构成，4个e型结构ⅰ均匀分布，空间上相差90°，其中2个e型结构ⅰ位于水平方向，剩余2个e型结构ⅰ位于竖直方向；每个e型结构ⅰ的齿数为3，包括1个宽齿ⅰ和2个窄齿ⅰ，且所述宽齿ⅰ处于2个窄齿ⅰ的中间；所述e型结构ⅰ的宽齿ⅰ与其2个窄齿ⅰ间的夹角相等，且宽齿ⅰ的齿宽等于窄齿ⅰ的齿宽的二倍；所述径向转子ⅰ为圆柱结构；
所述偏置定子ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子ⅰ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子ⅰ的2个齿位于水平方向，偏置定子ⅰ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向转子ⅰ为圆柱结构；
所述偏置定子ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子ⅱ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子ⅱ的2个齿位于水平方向，偏置定子ⅱ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向转子ⅱ为圆柱结构；
所述e型结构ⅰ中宽齿ⅰ的齿宽与偏置定子ⅰ、偏置定子ⅱ的齿宽相等；处于同一空间位置的e型结构ⅰ的1个宽齿ⅰ与偏置定子ⅰ的1个齿和偏置定子ⅱ的1个齿共同组合成1个复合齿，共形成4个复合齿；
所述轴向定子ⅰ为轴向凸极结构，包括两个圆柱型定子齿，分别为外环形齿ⅰ和内环形齿ⅰ，且外环形齿ⅰ的齿高大于内环形齿ⅰ的齿高；所述内环形齿ⅰ内有1个通孔ⅰ，所述通孔ⅰ的中心线与转轴的中心线重合；所述内环形齿ⅰ的外径大于所述通孔ⅰ的内径，所述通孔ⅰ的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子ⅰ，且布置在所述通孔ⅰ内；
所述轴向定子ⅱ为轴向凸极结构，包括两个圆柱型定子齿，分别为外环形齿ⅱ和内环形齿ⅱ，且外环形齿ⅱ的齿高大于内环形齿ⅱ的齿高；所述内环形齿ⅱ内有1个通孔ⅱ，所述通孔ⅱ的中心线与转轴的中心线重合；所述内环形齿ⅱ的外径大于所述通孔ⅱ的内径，所述通孔ⅱ的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子ⅱ，且布置在所述通孔ⅱ内；
所述电磁型径向磁轴承，包括径向定子ⅱ、径向转子ⅱ、偏置线圈ⅱ和径向悬浮线圈ⅱ；
所述径向定子ⅱ由4个e型结构ⅱ和4个隔磁板组成，且4个e型结构ⅱ和4个隔磁板交替布置；4个e型结构ⅱ均匀分布，空间上相差90°，其中2个e型结构ⅱ位于水平方向，剩余2个e型结构ⅱ位于竖直方向；每个e型结构ⅱ的齿数为3，包括1个宽齿ⅱ和2个窄齿ⅱ，且所述宽齿ⅱ处于2个窄齿ⅱ的中间；所述e型结构ⅱ的宽齿ⅱ与其2个窄齿ⅱ间的夹角相等，且宽齿ⅱ的齿宽等于窄齿ⅱ的二倍；每个所述隔磁板与相邻的两个窄齿ⅱ紧密布置，并构成一个组合齿，共4个；
所述径向转子ⅱ为圆柱结构，且布置于所述径向定子ⅱ内，所述径向转子ⅱ套在转轴上；所述轴向转子ⅰ、径向转子ⅰ、轴向转子ⅱ、磁阻电机转子和径向转子ⅱ依次共同套在转轴上；
每个所述窄齿ⅰ上绕有1个径向悬浮线圈ⅰ，共8个；在水平方向位置处，2个所述e型结构ⅰ中4个窄齿ⅰ上的4个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个水平径向悬浮绕组ⅰ；在竖直方向位置处，2个所述e型结构ⅰ中4个窄齿ⅰ上的4个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组ⅰ；共计两个径向悬浮绕组ⅰ；
每个所述复合齿上绕有1个偏置线圈ⅰ，共4个；4个所述偏置线圈ⅰ串联，构成1个偏置线圈串ⅰ；
所述轴向定子ⅰ的内环形齿ⅰ上绕有1个轴向悬浮线圈ⅰ，共1个；所述轴向定子ⅱ的内环形齿ⅱ上绕有1个轴向悬浮线圈ⅱ，共1个；所述轴向悬浮线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个轴向悬浮绕组；
每个所述组合齿上绕有1个偏置线圈ⅱ，共4个；4个所述偏置线圈ⅱ串联形成1个偏置线圈串ⅱ；
每个所述宽齿ⅱ上绕有1个径向悬浮线圈ⅱ，共4个，其中两个径向悬浮线圈ⅱ位于水平方向，剩余两个径向悬浮线圈ⅱ位于竖直方向；位于水平方向的两个径向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个水平径向悬浮绕组ⅱ；位于竖直方向的两个径向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个竖直径向悬浮绕组ⅱ；共计两个径向悬浮绕组ⅱ；
1个所述偏置线圈串ⅰ和1个偏置线圈串ⅱ串联，构成1个偏置绕组；
所述开关磁阻电机的每个定子齿上绕有1个电枢线圈，所有磁阻电机定子齿上的电枢线圈，分m组，分别连接在一起，构成m个电枢绕组。
当所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用12/8组合时，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电枢线圈，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。
当所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用6/4组合时，即所述磁阻电机定子为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电枢线圈，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。
当所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用8/6组合时，即所述磁阻电机定子为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电枢线圈，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。
所述五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机包括1个电磁型轴向径向磁轴承、1个开关磁阻电机和1个电磁型径向磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，电磁型轴向径向磁轴承产生两个径向悬浮力和一个轴向悬浮力，电磁型径向磁轴承产生两个径向悬浮力，进而实现转轴五个方向的悬浮运行；所述五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机包括m相电枢绕组、1个偏置绕组、4个径向悬浮绕组和1个轴向悬浮绕组，其中，m相电枢绕组串联到传统不对称半桥功率变换器的m个支路中，所述偏置绕组连同四个二极管一起接入到不对称半桥功率变换器的直流母线中；利用电流斩波或角度位置控制方法，控制开关磁阻电机m相电枢绕组电流，进而达到动态调节输出转矩，实现旋转运行；同时，偏置绕组产生一个方向不变的偏置电流控制悬浮力；另外所述偏置电流仅与开关磁阻电机的运行工况有关；通过电流传感器实时采集偏置电流之后，再利用电流斩波控制方法，独立控制5个悬浮绕组电流，即实现转轴的五自由度悬浮运行；所述五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机的控制方法包括如下步骤：
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，得到磁阻电机转子角速度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；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取值由开关磁阻电机结构形式决定；
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，获取电磁型轴向径向磁轴承的x轴、y轴和z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤b-1，获取径向转子ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号α1和β1，以及获取轴向转子ⅰ的z轴方向的实时位移信号z，其中，x轴为水平方向，y轴为竖直方向，z轴与x轴和y轴确定的xy平面垂直；
步骤b-2，将实时位移信号α1、β1和z分别与给定的参考位移信号α1*、β1*和z*相减，分别得到x轴、y轴和z轴方向的实时位移信号差δα1、δβ1和δz，将所述实时位移信号差δα1、δβ1和δz经过比例积分微分控制器，得到电磁型轴向径向磁轴承的x轴方向给定悬浮力
步骤c，获取电磁型径向磁轴承的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤c-1，获取径向转子ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α2和β2；
步骤c-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，得到电磁型径向磁轴承的x轴方向给定悬浮力
步骤d，调节悬浮力，具体步骤如下：
步骤d-1，采集实时的偏置绕组电流ibias，根据所述悬浮力
步骤d-2，根据所述偏置绕组电流ibias，所述悬浮力
步骤d-3，利用电流斩波控制方法，用电磁型轴向径向磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流ix1跟踪该方向悬绕组电流参考值
用电磁型径向磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流ix2跟踪该方向悬绕组电流参考值
步骤e，调节转矩；具体步骤如下：
步骤e-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e-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。
本发明的有益效果：本发明提出了一种五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机及控制方法，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：
(1)五个悬浮力在结构上自然解耦，且转矩与悬浮力也解耦，悬浮性能好，系统无永磁体，环境适应性强，可靠性高，固有刚度大，临界转速高；
(2)开关磁阻电机的m相电枢绕组与两个磁轴承的偏置绕组共用一套功率变换器共同励磁，集成度高，成本优势明显，悬浮系统功率损耗小；
(3)在开关磁阻电机工况一定情况下，偏置电流恒定，悬浮控制简单，且便于实施；仅需控制五个悬浮绕组电流，便可产生五个方向所需悬浮力，控制变量少，悬浮精度高；
(4)系统中无永磁体，环境适应强，偏置磁通调节方便，固有刚度大，临界转速高，悬浮承载力强，适合大功率超高速应用场合。
附图说明
图1是本发明五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机实施例1的三维结构示意图。
图2是本发明实施例2的三维结构示意图。
图3是本发明实施例3的三维结构示意图。
图4是电磁型轴向径向磁轴承的径向磁通分布图。
图5是电磁型轴向径向磁轴承的轴向磁通分布图。
图6是电磁型轴向径向磁轴承的轴向磁通在偏置定子和轴向转子内的分布图。
图7是电磁型径向磁轴承的磁通分布图。
图8是本发明实施例1三相电枢绕组和偏置绕组的功率变换器示意图。
图9是本发明实施例1三相电枢绕组和偏置绕组电流的仿真曲线图。
图10是本发明实施例1的控制方法的系统框图。
图11是本发明实施例1的控制方法中五个悬浮绕组电流计算方法框图。
附图标记说明：图1至图11中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是电枢线圈，4是径向定子ⅰ，5是径向转子ⅰ，6是径向悬浮线圈ⅰ，7是偏置线圈ⅰ，8是偏置定子ⅰ，9是轴向定子ⅰ，10是轴向转子ⅰ，11是轴向悬浮线圈ⅰ，12是偏置定子ⅱ，13是轴向定子ⅱ，14是轴向转子ⅱ，15是轴向悬浮线圈ⅱ，16是径向定子ⅱ，17是非导磁隔板，18是径向转子ⅱ，19是偏置线圈ⅱ，20是径向悬浮线圈ⅱ，21是转轴，22是开关磁阻电机，23是电磁型轴向径向磁轴承，24是电磁型径向磁轴承，25、26、27分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向，28是偏置绕组电流在电磁型轴向径向磁轴承中产生的径向偏置磁通，29是x轴径向悬浮绕组ⅰ产生的悬浮磁通，30是y轴径向悬浮绕组ⅰ产生的悬浮磁通，31是偏置线圈ⅰ在偏置定子ⅰ、轴向定子ⅰ和轴向转子ⅰ内产生的轴向偏置磁通，32是轴向悬浮绕组在偏置定子ⅰ、轴向定子ⅰ和轴向转子ⅰ内产生的悬浮磁通，33是轴向定子ⅰ与轴向转子ⅰ间的轴向气隙，34是偏置线圈ⅱ在偏置定子ⅱ、轴向定子ⅱ和轴向转子ⅱ内产生的轴向偏置磁通，35是轴向悬浮绕组在偏置定子ⅱ、轴向定子ⅱ和轴向转子ⅱ内产生的悬浮磁通，36是轴向定子ⅱ与轴向转子ⅱ间的轴向气隙，37是偏置线圈ⅱ在电磁型径向磁轴承内产生的径向偏置磁通，38是x轴径向悬浮绕组ⅱ产生的悬浮磁通，39是y轴径向悬浮绕组ⅱ产生的悬浮磁通，40是a相电枢绕组，41是b相电枢绕组，42是c相电枢绕组，43是偏置绕组，44是a相电枢绕组电流，45是b相电枢绕组电流，46是c相电枢绕组电流，47是偏置绕组电流。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机及控制方法的技术方案进行详细说明：
如图1所示，是本发明五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机实施例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是电枢线圈，4是径向定子ⅰ，5是径向转子ⅰ，6是径向悬浮线圈ⅰ，7是偏置线圈ⅰ，8是偏置定子ⅰ，9是轴向定子ⅰ，10是轴向转子ⅰ，11是轴向悬浮线圈ⅰ，12是偏置定子ⅱ，13是轴向定子ⅱ，14是轴向转子ⅱ，15是轴向悬浮线圈ⅱ，16是径向定子ⅱ，17是非导磁隔板，18是径向转子ⅱ，19是偏置线圈ⅱ，20是径向悬浮线圈ⅱ，21是转轴，22是开关磁阻电机，23是电磁型轴向径向磁轴承，24是电磁型径向磁轴承，25、26、27分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向。
一种五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机，包括1个电磁型轴向径向磁轴承、1个开关磁阻电机和1个电磁型径向磁轴承；
所述开关磁阻电机串联布置在电磁型轴向径向磁轴承和电磁型径向磁轴承之间；
所述开关磁阻电机，由磁阻电机定子、磁阻电机转子和电枢线圈构成；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；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，开关磁阻电机为三相工作制，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机为四相工作制；
所述电磁型轴向径向磁轴承，由径向定子ⅰ、径向转子ⅰ、径向悬浮线圈ⅰ、偏置线圈ⅰ、偏置定子ⅰ、轴向定子ⅰ、轴向转子ⅰ、轴向悬浮线圈ⅰ、偏置定子ⅱ、轴向定子ⅱ、轴向转子ⅱ和轴向悬浮线圈ⅱ构成；
偏置定子ⅰ、径向定子ⅰ和偏置定子ⅱ紧密串联布置，且径向定子ⅰ布置于偏置定子ⅰ和偏置定子ⅱ之间；偏置定子ⅰ紧密布置在轴向定子ⅰ内，偏置定子ⅱ紧密布置在轴向定子ⅱ内；所述径向转子ⅰ布置在径向定子ⅰ内，所述轴向转子ⅰ布置在偏置定子ⅰ内，所述轴向转子ⅱ布置在偏置定子ⅱ内；
所述轴向转子ⅰ、径向转子ⅰ和轴向转子ⅱ紧密串联布置，且径向转子ⅰ布置于轴向转子ⅰ和轴向转子ⅱ之间；所述轴向转子ⅰ、径向转子ⅰ和轴向转子ⅱ套在转轴上；
所述径向定子ⅰ由4个e型结构ⅰ构成，4个e型结构ⅰ均匀分布，空间上相差90°，其中2个e型结构ⅰ位于水平方向，剩余2个e型结构ⅰ位于竖直方向；每个e型结构ⅰ的齿数为3，包括1个宽齿ⅰ和2个窄齿ⅰ，且所述宽齿ⅰ处于2个窄齿ⅰ的中间；所述e型结构ⅰ的宽齿ⅰ与其2个窄齿ⅰ间的夹角相等，且宽齿ⅰ的齿宽等于窄齿ⅰ的齿宽的二倍；所述径向转子ⅰ为圆柱结构；
所述偏置定子ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子ⅰ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子ⅰ的2个齿位于水平方向，偏置定子ⅰ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向转子ⅰ为圆柱结构；
所述偏置定子ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子ⅱ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子ⅱ的2个齿位于水平方向，偏置定子ⅱ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向转子ⅱ为圆柱结构；
所述e型结构ⅰ中宽齿ⅰ的齿宽与偏置定子ⅰ、偏置定子ⅱ的齿宽相等；处于同一空间位置的e型结构ⅰ的1个宽齿ⅰ与偏置定子ⅰ的1个齿和偏置定子ⅱ的1个齿共同组合成1个复合齿，共形成4个复合齿；
所述轴向定子ⅰ为轴向凸极结构，包括两个圆柱型定子齿，分别为外环形齿ⅰ和内环形齿ⅰ，且外环形齿ⅰ的齿高大于内环形齿ⅰ的齿高；所述内环形齿ⅰ内有1个通孔ⅰ，所述通孔ⅰ的中心线与转轴的中心线重合；所述内环形齿ⅰ的外径大于所述通孔ⅰ的内径，所述通孔ⅰ的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子ⅰ，且布置在所述通孔ⅰ内；
所述轴向定子ⅱ为轴向凸极结构，包括两个圆柱型定子齿，分别为外环形齿ⅱ和内环形齿ⅱ，且外环形齿ⅱ的齿高大于内环形齿ⅱ的齿高；所述内环形齿ⅱ内有1个通孔ⅱ，所述通孔ⅱ的中心线与转轴的中心线重合；所述内环形齿ⅱ的外径大于所述通孔ⅱ的内径，所述通孔ⅱ的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子ⅱ，且布置在所述通孔ⅱ内；
所述电磁型径向磁轴承，包括径向定子ⅱ、径向转子ⅱ、偏置线圈ⅱ和径向悬浮线圈ⅱ；
所述径向定子ⅱ由4个e型结构ⅱ和4个隔磁板组成，且4个e型结构ⅱ和4个隔磁板交替布置；4个e型结构ⅱ均匀分布，空间上相差90°，其中2个e型结构ⅱ位于水平方向，剩余2个e型结构ⅱ位于竖直方向；每个e型结构ⅱ的齿数为3，包括1个宽齿ⅱ和2个窄齿ⅱ，且所述宽齿ⅱ处于2个窄齿ⅱ的中间；所述e型结构ⅱ的宽齿ⅱ与其2个窄齿ⅱ间的夹角相等，且宽齿ⅱ的齿宽等于窄齿ⅱ的二倍；每个所述隔磁板与相邻的两个窄齿ⅱ紧密布置，并构成一个组合齿，共4个；
所述径向转子ⅱ为圆柱结构，且布置于所述径向定子ⅱ内，所述径向转子ⅱ套在转轴上；所述轴向转子ⅰ、径向转子ⅰ、轴向转子ⅱ、磁阻电机转子和径向转子ⅱ依次共同套在转轴上；
每个所述窄齿ⅰ上绕有1个径向悬浮线圈ⅰ，共8个；在水平方向位置处，2个所述e型结构ⅰ中4个窄齿ⅰ上的4个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个水平径向悬浮绕组ⅰ；在竖直方向位置处，2个所述e型结构ⅰ中4个窄齿ⅰ上的4个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组ⅰ；共计两个径向悬浮绕组ⅰ；且两个径向悬浮绕组ⅰ的匝数相等；
每个所述复合齿上绕有1个偏置线圈ⅰ，共4个；4个所述偏置线圈ⅰ串联，构成1个偏置线圈串ⅰ；
所述轴向定子ⅰ的内环形齿ⅰ上绕有1个轴向悬浮线圈ⅰ，共1个；所述轴向定子ⅱ的内环形齿ⅱ上绕有1个轴向悬浮线圈ⅱ，共1个；所述轴向悬浮线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个轴向悬浮绕组；
每个所述组合齿上绕有1个偏置线圈ⅱ，共4个；4个所述偏置线圈ⅱ串联形成1个偏置线圈串ⅱ；
每个所述宽齿ⅱ上绕有1个径向悬浮线圈ⅱ，共4个，其中两个径向悬浮线圈ⅱ位于水平方向，剩余两个径向悬浮线圈ⅱ位于竖直方向；位于水平方向的两个径向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个水平径向悬浮绕组ⅱ；位于竖直方向的两个径向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个竖直径向悬浮绕组ⅱ；共计两个径向悬浮绕组ⅱ；且两个径向悬浮绕组ⅱ的匝数相等；
1个所述偏置线圈串ⅰ和1个1个偏置线圈串ⅱ串联，构成1个偏置绕组；
所述开关磁阻电机的每个定子齿上绕有1个电枢线圈，所有磁阻电机定子齿上的电枢线圈，分m组，分别连接在一起，构成m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电枢线圈，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。
如图2所示，是本发明实施例2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是电枢线圈，4是径向定子ⅰ，5是径向转子ⅰ，6是径向悬浮线圈ⅰ，7是偏置线圈ⅰ，8是偏置定子ⅰ，9是轴向定子ⅰ，10是轴向转子ⅰ，11是轴向悬浮线圈ⅰ，12是偏置定子ⅱ，13是轴向定子ⅱ，14是轴向转子ⅱ，15是轴向悬浮线圈ⅱ，16是径向定子ⅱ，17是非导磁隔板，18是径向转子ⅱ，19是偏置线圈ⅱ，20是径向悬浮线圈ⅱ，21是转轴，22是开关磁阻电机，23是电磁型轴向径向磁轴承，24是电磁型径向磁轴承，25、26、27分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向。
一种五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机，包括1个电磁型轴向径向磁轴承、1个开关磁阻电机和1个电磁型径向磁轴承；
所述开关磁阻电机串联布置在电磁型轴向径向磁轴承和电磁型径向磁轴承之间；
所述开关磁阻电机，由磁阻电机定子、磁阻电机转子和电枢线圈构成；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；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，开关磁阻电机为三相工作制，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机为四相工作制；
所述电磁型轴向径向磁轴承，由径向定子ⅰ、径向转子ⅰ、径向悬浮线圈ⅰ、偏置线圈ⅰ、偏置定子ⅰ、轴向定子ⅰ、轴向转子ⅰ、轴向悬浮线圈ⅰ、偏置定子ⅱ、轴向定子ⅱ、轴向转子ⅱ和轴向悬浮线圈ⅱ构成；
偏置定子ⅰ、径向定子ⅰ和偏置定子ⅱ紧密串联布置，且径向定子ⅰ布置于偏置定子ⅰ和偏置定子ⅱ之间；偏置定子ⅰ紧密布置在轴向定子ⅰ内，偏置定子ⅱ紧密布置在轴向定子ⅱ内；所述径向转子ⅰ布置在径向定子ⅰ内，所述轴向转子ⅰ布置在偏置定子ⅰ内，所述轴向转子ⅱ布置在偏置定子ⅱ内；
所述轴向转子ⅰ、径向转子ⅰ和轴向转子ⅱ紧密串联布置，且径向转子ⅰ布置于轴向转子ⅰ和轴向转子ⅱ之间；所述轴向转子ⅰ、径向转子ⅰ和轴向转子ⅱ套在转轴上；
所述径向定子ⅰ由4个e型结构ⅰ构成，4个e型结构ⅰ均匀分布，空间上相差90°，其中2个e型结构ⅰ位于水平方向，剩余2个e型结构ⅰ位于竖直方向；每个e型结构ⅰ的齿数为3，包括1个宽齿ⅰ和2个窄齿ⅰ，且所述宽齿ⅰ处于2个窄齿ⅰ的中间；所述e型结构ⅰ的宽齿ⅰ与其2个窄齿ⅰ间的夹角相等，且宽齿ⅰ的齿宽等于窄齿ⅰ的二倍；所述径向转子ⅰ为圆柱结构；
所述偏置定子ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子ⅰ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子ⅰ的2个齿位于水平方向，偏置定子ⅰ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向转子ⅰ为圆柱结构；
所述偏置定子ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子ⅱ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子ⅱ的2个齿位于水平方向，偏置定子ⅱ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向转子ⅱ为圆柱结构；
所述e型结构ⅰ中宽齿ⅰ的齿宽与偏置定子ⅰ、偏置定子ⅱ的齿宽相等；处于同一空间位置的e型结构ⅰ的1个宽齿ⅰ与偏置定子ⅰ的1个齿和偏置定子ⅱ的1个齿共同组合成1个复合齿，共形成4个复合齿；
所述轴向定子ⅰ为轴向凸极结构，包括两个圆柱型定子齿，分别为外环形齿ⅰ和内环形齿ⅰ，且外环形齿ⅰ的齿高大于内环形齿ⅰ的齿高；所述内环形齿ⅰ内有1个通孔ⅰ，所述通孔ⅰ的中心线与转轴的中心线重合；所述内环形齿ⅰ的外径大于所述通孔ⅰ的内径，所述通孔ⅰ的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子ⅰ，且布置在所述通孔ⅰ内；
所述轴向定子ⅱ为轴向凸极结构，包括两个圆柱型定子齿，分别为外环形齿ⅱ和内环形齿ⅱ，且外环形齿ⅱ的齿高大于内环形齿ⅱ的齿高；所述内环形齿ⅱ内有1个通孔ⅱ，所述通孔ⅱ的中心线与转轴的中心线重合；所述内环形齿ⅱ的外径大于所述通孔ⅱ的内径，所述通孔ⅱ的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子ⅱ，且布置在所述通孔ⅱ内；
所述电磁型径向磁轴承，包括径向定子ⅱ、径向转子ⅱ、偏置线圈ⅱ和径向悬浮线圈ⅱ；
所述径向定子ⅱ由4个e型结构ⅱ和4个隔磁板组成，且4个e型结构ⅱ和4个隔磁板交替布置；4个e型结构ⅱ均匀分布，空间上相差90°，其中2个e型结构ⅱ位于水平方向，剩余2个e型结构ⅱ位于竖直方向；每个e型结构ⅱ的齿数为3，包括1个宽齿ⅱ和2个窄齿ⅱ，且所述宽齿ⅱ处于2个窄齿ⅱ的中间；所述e型结构ⅱ的宽齿ⅱ与其2个窄齿ⅱ间的夹角相等，且宽齿ⅱ的齿宽等于窄齿ⅱ的二倍；每个所述隔磁板与相邻的两个窄齿ⅱ紧密布置，并构成一个组合齿，共4个；
所述径向转子ⅱ为圆柱结构，且布置于所述径向定子ⅱ内，所述径向转子ⅱ套在转轴上；所述轴向转子ⅰ、径向转子ⅰ、轴向转子ⅱ、磁阻电机转子和径向转子ⅱ依次共同套在转轴上；
每个所述窄齿ⅰ上绕有1个径向悬浮线圈ⅰ，共8个；在水平方向位置处，2个所述e型结构ⅰ中4个窄齿ⅰ上的4个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个水平径向悬浮绕组ⅰ；在竖直方向位置处，2个所述e型结构ⅰ中4个窄齿ⅰ上的4个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组ⅰ；共计两个径向悬浮绕组ⅰ；且两个径向悬浮绕组ⅰ的匝数相等；
每个所述复合齿上绕有1个偏置线圈ⅰ，共4个；4个所述偏置线圈ⅰ串联，构成1个偏置线圈串ⅰ；
所述轴向定子ⅰ的内环形齿ⅰ上绕有1个轴向悬浮线圈ⅰ，共1个；所述轴向定子ⅱ的内环形齿ⅱ上绕有1个轴向悬浮线圈ⅱ，共1个；所述轴向悬浮线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个轴向悬浮绕组；
每个所述组合齿上绕有1个偏置线圈ⅱ，共4个；4个所述偏置线圈ⅱ串联形成1个偏置线圈串ⅱ；
每个所述宽齿ⅱ上绕有1个径向悬浮线圈ⅱ，共4个，其中两个径向悬浮线圈ⅱ位于水平方向，剩余两个径向悬浮线圈ⅱ位于竖直方向；位于水平方向的两个径向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个水平径向悬浮绕组ⅱ；位于竖直方向的两个径向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个竖直径向悬浮绕组ⅱ；共计两个径向悬浮绕组ⅱ；且两个径向悬浮绕组ⅱ的匝数相等；
1个所述偏置线圈串ⅰ和1个1个偏置线圈串ⅱ串联，构成1个偏置绕组；
所述开关磁阻电机的每个定子齿上绕有1个电枢线圈，所有磁阻电机定子齿上的电枢线圈，分m组，分别连接在一起，构成m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电枢线圈，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。
如图3所示，是本发明实施例3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是电枢线圈，4是径向定子ⅰ，5是径向转子ⅰ，6是径向悬浮线圈ⅰ，7是偏置线圈ⅰ，8是偏置定子ⅰ，9是轴向定子ⅰ，10是轴向转子ⅰ，11是轴向悬浮线圈ⅰ，12是偏置定子ⅱ，13是轴向定子ⅱ，14是轴向转子ⅱ，15是轴向悬浮线圈ⅱ，16是径向定子ⅱ，17是非导磁隔板，18是径向转子ⅱ，19是偏置线圈ⅱ，20是径向悬浮线圈ⅱ，21是转轴，22是开关磁阻电机，23是电磁型轴向径向磁轴承，24是电磁型径向磁轴承，25、26、27分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向。
一种五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机，包括1个电磁型轴向径向磁轴承、1个开关磁阻电机和1个电磁型径向磁轴承；
所述开关磁阻电机串联布置在电磁型轴向径向磁轴承和电磁型径向磁轴承之间；
所述开关磁阻电机，由磁阻电机定子、磁阻电机转子和电枢线圈构成；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；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，开关磁阻电机为三相工作制，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机为四相工作制；
所述电磁型轴向径向磁轴承，由径向定子ⅰ、径向转子ⅰ、径向悬浮线圈ⅰ、偏置线圈ⅰ、偏置定子ⅰ、轴向定子ⅰ、轴向转子ⅰ、轴向悬浮线圈ⅰ、偏置定子ⅱ、轴向定子ⅱ、轴向转子ⅱ和轴向悬浮线圈ⅱ构成；
偏置定子ⅰ、径向定子ⅰ和偏置定子ⅱ紧密串联布置，且径向定子ⅰ布置于偏置定子ⅰ和偏置定子ⅱ之间；偏置定子ⅰ紧密布置在轴向定子ⅰ内，偏置定子ⅱ紧密布置在轴向定子ⅱ内；所述径向转子ⅰ布置在径向定子ⅰ内，所述轴向转子ⅰ布置在偏置定子ⅰ内，所述轴向转子ⅱ布置在偏置定子ⅱ内；
所述轴向转子ⅰ、径向转子ⅰ和轴向转子ⅱ紧密串联布置，且径向转子ⅰ布置于轴向转子ⅰ和轴向转子ⅱ之间；所述轴向转子ⅰ、径向转子ⅰ和轴向转子ⅱ套在转轴上；
所述径向定子ⅰ由4个e型结构ⅰ构成，4个e型结构ⅰ均匀分布，空间上相差90°，其中2个e型结构ⅰ位于水平方向，剩余2个e型结构ⅰ位于竖直方向；每个e型结构ⅰ的齿数为3，包括1个宽齿ⅰ和2个窄齿ⅰ，且所述宽齿ⅰ处于2个窄齿ⅰ的中间；所述e型结构ⅰ的宽齿ⅰ与其2个窄齿ⅰ间的夹角相等，且宽齿ⅰ的齿宽等于窄齿ⅰ的齿宽的二倍；所述径向转子ⅰ为圆柱结构；
所述偏置定子ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子ⅰ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子ⅰ的2个齿位于水平方向，偏置定子ⅰ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向转子ⅰ为圆柱结构；
所述偏置定子ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子ⅱ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子ⅱ的2个齿位于水平方向，偏置定子ⅱ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向转子ⅱ为圆柱结构；
所述e型结构ⅰ中宽齿ⅰ的齿宽与偏置定子ⅰ、偏置定子ⅱ的齿宽相等；处于同一空间位置的e型结构ⅰ的1个宽齿ⅰ与偏置定子ⅰ的1个齿和偏置定子ⅱ的1个齿共同组合成1个复合齿，共形成4个复合齿；
所述轴向定子ⅰ为轴向凸极结构，包括两个圆柱型定子齿，分别为外环形齿ⅰ和内环形齿ⅰ，且外环形齿ⅰ的齿高大于内环形齿ⅰ的齿高；所述内环形齿ⅰ内有1个通孔ⅰ，所述通孔ⅰ的中心线与转轴的中心线重合；所述内环形齿ⅰ的外径大于所述通孔ⅰ的内径，所述通孔ⅰ的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子ⅰ，且布置在所述通孔ⅰ内；
所述轴向定子ⅱ为轴向凸极结构，包括两个圆柱型定子齿，分别为外环形齿ⅱ和内环形齿ⅱ，且外环形齿ⅱ的齿高大于内环形齿ⅱ的齿高；所述内环形齿ⅱ内有1个通孔ⅱ，所述通孔ⅱ的中心线与转轴的中心线重合；所述内环形齿ⅱ的外径大于所述通孔ⅱ的内径，所述通孔ⅱ的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子ⅱ，且布置在所述通孔ⅱ内；
所述电磁型径向磁轴承，包括径向定子ⅱ、径向转子ⅱ、偏置线圈ⅱ和径向悬浮线圈ⅱ；
所述径向定子ⅱ由4个e型结构ⅱ和4个隔磁板组成，且4个e型结构ⅱ和4个隔磁板交替布置；4个e型结构ⅱ均匀分布，空间上相差90°，其中2个e型结构ⅱ位于水平方向，剩余2个e型结构ⅱ位于竖直方向；每个e型结构ⅱ的齿数为3，包括1个宽齿ⅱ和2个窄齿ⅱ，且所述宽齿ⅱ处于2个窄齿ⅱ的中间；所述e型结构ⅱ的宽齿ⅱ与其2个窄齿ⅱ间的夹角相等，且宽齿ⅱ的齿宽等于窄齿ⅱ的二倍；每个所述隔磁板与相邻的两个窄齿ⅱ紧密布置，并构成一个组合齿，共4个；
所述径向转子ⅱ为圆柱结构，且布置于所述径向定子ⅱ内，所述径向转子ⅱ套在转轴上；所述轴向转子ⅰ、径向转子ⅰ、轴向转子ⅱ、磁阻电机转子和径向转子ⅱ依次共同套在转轴上；
每个所述窄齿ⅰ上绕有1个径向悬浮线圈ⅰ，共8个；在水平方向位置处，2个所述e型结构ⅰ中4个窄齿ⅰ上的4个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个水平径向悬浮绕组ⅰ；在竖直方向位置处，2个所述e型结构ⅰ中4个窄齿ⅰ上的4个径向悬浮线圈ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组ⅰ；共计两个径向悬浮绕组ⅰ；且两个径向悬浮绕组ⅰ的匝数相等；
每个所述复合齿上绕有1个偏置线圈ⅰ，共4个；4个所述偏置线圈ⅰ串联，构成1个偏置线圈串ⅰ；
所述轴向定子ⅰ的内环形齿ⅰ上绕有1个轴向悬浮线圈ⅰ，共1个；所述轴向定子ⅱ的内环形齿ⅱ上绕有1个轴向悬浮线圈ⅱ，共1个；所述轴向悬浮线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个轴向悬浮绕组；
每个所述组合齿上绕有1个偏置线圈ⅱ，共4个；4个所述偏置线圈ⅱ串联形成1个偏置线圈串ⅱ；
每个所述宽齿ⅱ上绕有1个径向悬浮线圈ⅱ，共4个，其中两个径向悬浮线圈ⅱ位于水平方向，剩余两个径向悬浮线圈ⅱ位于竖直方向；位于水平方向的两个径向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个水平径向悬浮绕组ⅱ；位于竖直方向的两个径向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个竖直径向悬浮绕组ⅱ；共计两个径向悬浮绕组ⅱ；且两个径向悬浮绕组ⅱ的匝数相等；
1个所述偏置线圈串ⅰ和1个偏置线圈串ⅱ串联，构成1个偏置绕组；
所述开关磁阻电机的每个定子齿上绕有1个电枢线圈，所有磁阻电机定子齿上的电枢线圈，分m组，分别连接在一起，构成m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电枢线圈，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。
如图4所示，是电磁型轴向径向磁轴承的径向磁通分布图。其中，线标号28是偏置绕组电流在电磁型轴向径向磁轴承中产生的径向偏置磁通，线标号29是x轴水平径向悬浮绕组ⅰ产生的悬浮磁通，线标号30是y轴竖直径向悬浮绕组ⅰ产生的悬浮磁通。
由于径向定子的四个e型结构ⅰ间相互隔离，其磁路也相互隔离，偏置绕组在每个e型结构ⅰ内产生的径向偏置磁通经宽齿、两个窄齿、两个窄齿下的气隙、径向转子、宽齿下的气隙和宽齿闭合；而每个径向悬浮线圈ⅰ产生的悬浮磁通经窄齿、宽齿、宽齿下的气隙、径向转子、窄齿下的气隙和窄齿闭合。
轴向径向混合磁轴承的径向悬浮力产生机理为：在x轴正方向，x轴径向悬浮绕组ⅰ产生的磁通方向与径向偏置磁通方向相同，气隙合成磁通增加；在x轴负方向，x轴径向悬浮绕组ⅰ产生的磁通方向与径向偏置磁通方向相反，气隙合成磁通减小，导致x轴正方向的气隙磁通大于x轴负方向，进而产生一个x轴正方向的径向悬浮力；当x轴径向悬浮绕组ⅰ的电流方向反向时，将产生一个x轴负方向的径向悬浮力。
同理，控制y轴径向悬浮绕组ⅰ内电流的大小和方向，也产生一个大小和方向均可控的y轴径向悬浮力。从而，合理控制x、y轴径向悬浮绕组ⅰ中电流的大小和方向，即为轴向径向电磁型磁轴承产生大小和方向均可控的径向悬浮力。
如图5和图6所示，分别为电磁型轴向径向磁轴承的轴向磁通分布图和其轴向磁通在偏置定子和轴向转子内的分布图。其中，线标号31是偏置线圈ⅰ在偏置定子ⅰ、轴向定子ⅰ和轴向转子ⅰ内产生的轴向偏置磁通，线标号32是轴向悬浮绕组在偏置定子ⅰ、轴向定子ⅰ和轴向转子ⅰ内产生的悬浮磁通，线标号33是轴向定子ⅰ与轴向转子ⅰ间的轴向气隙，线标号34是偏置线圈ⅱ在偏置定子ⅱ、轴向定子ⅱ和轴向转子ⅱ内产生的轴向偏置磁通，线标号35是轴向悬浮绕组在偏置定子ⅱ、轴向定子ⅱ和轴向转子ⅱ内产生的悬浮磁通，线标号36是轴向定子ⅱ与轴向转子ⅱ间的轴向气隙。
由于轴向定子ⅰ、偏置定子ⅰ与轴向定子ⅱ、偏置定子ⅱ相互隔离，偏置绕组电流分别在z轴正方向和z轴负方向各产生一个轴向偏置磁通，两个轴向偏置磁通相互隔离。轴向偏置磁通经过偏置定子、轴向定子、轴向气隙、轴向定子、径向气隙和偏置定子闭合。
轴向悬浮线圈ⅰ中的电流产生的悬浮控制磁通，经偏置定子ⅰ、轴向定子ⅰ、轴向气隙、轴向转子ⅰ、径向气隙和偏置定子ⅰ闭合。因此，在z轴正方向的偏置绕组和轴向悬浮线圈ⅰ产生的磁通的路径相同。
轴向悬浮线圈ⅱ中的电流产生的悬浮控制磁通，经偏置定子ⅱ、轴向定子ⅱ、轴向气隙、轴向转子ⅱ、径向气隙和偏置定子ⅱ闭合。因此，在z轴负方向的偏置绕组和轴向悬浮线圈ⅱ产生的磁通的路径也相同。
轴向悬浮力产生原理：当偏置绕组施加直流激励时，在z轴正方向处的轴向气隙中，轴向偏置磁通与轴向悬浮控制磁通方向相同，磁通增强，产生一个z轴正方向悬浮力；在z轴负方向处的轴向气隙中，轴向偏置磁通与轴向悬浮控制磁通的方向相反，磁通减弱，同时产生一个z轴负方向悬浮力；由于z轴正方向处轴向气隙中的磁通大于z轴负方向处的磁通，进而使z轴正方向悬浮力大于z轴负方向悬浮力，进而产生一个z轴正方向悬浮力；当轴向悬浮绕组电流方向改变时，将产生一个z轴负方向的浮力，故仅需控制轴向悬浮绕组电流的大小和方向，即得到一个任意大小和方向的z轴方向悬浮力。
在z轴正、负方向处，两个偏置定子内的径向气隙中合成磁通均是同时增大或同时减小，因此轴向悬浮绕组不产生径向悬浮力，仅产生轴向悬浮力。
因此，偏置绕组施加直流激励时，只需合理控制电磁型轴向径向磁轴承的两个径向悬浮绕组和一个轴向悬浮绕组中的三个电流，便获得大小和方向均可控的三个悬浮力。
如图7所示，是电磁型径向磁轴承的磁通分布图。其中，线标号37是偏置线圈ⅱ在电磁型径向磁轴承内产生的径向偏置磁通，线标号38是x轴径向悬浮绕组ⅱ产生的悬浮磁通，线标号39是y轴径向悬浮绕组ⅱ产生的悬浮磁通。
此时，偏置线圈ⅱ产生的偏置磁通呈nnnn或ssss分布，即四个偏置线圈产生磁场极性相同，因此需要宽齿配合使其形成闭合回路。每个组合齿上的偏置线圈产生的偏置磁通具有两个相互隔离的磁路，每个磁路的路径包括：窄齿、定子轭、宽齿、气隙、转子、气隙和窄齿。
x轴方向水平径向悬浮绕组ⅱ，分别在x轴正方向和x轴负方向，产生两个相互隔离且极性相反的悬浮控制磁通，其中，两个悬浮控制磁通均经宽齿、两个定子轭、两个窄齿、两个气隙形成闭合回路。
当水平方向径向悬浮绕组ⅱ施加图7所示的电流时，在x轴正方向，径向悬浮控制磁通与偏置磁通方向相同，气隙中的磁通增强；在x轴负方向，径向悬浮控制磁通与偏置磁通方向相反，使得x轴方向的磁通大于x轴负方向的磁通，进而产生一个x轴正方向的径向悬浮力。当水平方向径向悬浮绕组施加相反方向的电流时，将产生一个x轴负方向的径向悬浮力。因此，控制水平方向径向悬浮绕组电流的大小和方向，即调节x轴方向悬浮力的大小和方向。
同理，控制y轴方向竖直径向悬浮绕组ⅱ中电流的大小和方向，即调节y轴方向悬浮力的大小和方向。因此，合理控制两个径向悬浮绕组ⅱ中电流的大小和方向，即产生一个大小和方向均可控制的径向悬浮力，从而实现转子的径向悬浮。
因此，合理控制两个磁轴承的五个方向悬浮电流，便获得大小和方向均可控制的五个悬浮力，进而实现转轴的稳定悬浮。另外，根据径向和轴向承载力要求，动态调节偏置磁通的大小，之后再合理控制五个悬浮绕组的电流，不仅可有效提升电能转换效率，还有利于减小悬浮功耗和提高悬浮精度。
如图8所示，是本发明实施例1三相电枢绕组和偏置绕组的功率变换器示意图。其中，线标号40是a相电枢绕组，线标号41是b相电枢绕组，线标号42是c相电枢绕组，线标号43是偏置绕组。
所述功率变换器由1个电源模块、1个三相不对称半桥电路和1个二极管整流电路构成；所述电源模块包括第一电源(us1)和第一电解电容(c1)；所述三相不对称半桥电路，包括六个功率开关管即第一功率开关管(s1)至第六功率开关管(s6)、六个续流二极管即第一续流二极管(d1)至第六续流二极管(d6)；所述二极管整流电路，包括第一功率二极管(d7)、第二功率二极管(d8)、第七续流二极管(d9)和第八续流二极管(d10)；
所述功率变换器的连接方式为：第一电源(us1)的正极，分别接第一功率二极管(d7)的阳极和第七续流二极管(d9)的阴极；第一功率二极管(d7)的阴极接第八续流二极管(d10)的阴极，第七续流二极管(d9)的阳极接第二功率二极管(d8)的阳极；第二功率二极管(d8)的阴极接第八续流二极管(d10)的阳极后，分别接第一电解电容(c1)的输入端、第一功率开关管(s1)的漏极、第一续流二极管(d1)的阴极、第三功率开关管(s3)的漏极、第三续流二极管(d3)的阴极、第五功率开关管(s5)的漏极和第五续流二极管(d5)的阴极；
第一电源(us1)的负极分别接第一电解电容(c1)的输出端、第二续流二极管(d2)的阳极、第二功率开关管(s2)的源极、第四续流二极管(d4)的阳极、第四功率开关管(s4)的源极、第六续流二极管(d6)的阳极和第六功率开关管(s6)的源极；
第一功率开关管(s1)的源极接第二续流二极管(d2)的阴极，第二功率开关管(s2)的漏极接第一续流二极管(d1)的阳极；第三功率开关管(s3)的源极接第四续流二极管(d4)的阴极，第四功率开关管(s4)的漏极接第三续流二极管(d3)的阳极；第五功率开关管(s5)的源极接第六续流二极管(d6)的阴极，第六功率开关管(s6)的漏极接第五续流二极管(d5)的阳极；
第一功率二极管(d7)的阴极与接第二功率二极管(d8)的阳极间串接所述磁轴承的偏置绕组；第一功率开关管(s1)的源极与第二功率开关管(s2)的漏极间串接所述开关磁阻电机的a相电枢绕组；第三功率开关管(s3)的源极与第四功率开关管(s4)的漏极间串接所述开关磁阻电机的b相电枢绕组；第五功率开关管(s5)的源极与第六功率开关管(s6)的漏极间串接所述开关磁阻电机的c相电枢绕组；
当三相电枢绕组导通励磁时，二极管d7和d8为偏置绕组提供正方向的电流支路；而二极管d9和d10则为三相电枢绕组电流提供续流回路，并使偏置绕组电流的方向始终为正。由于电解电容c1的稳压和充放电作用，一方面使得电枢绕组两端的电压与电源电压相等，另一方面，还使得偏置绕组电流恒定，从而简化悬浮控制难度，提升悬浮精度。
当开关磁阻电机相数m>3时，只需所述功率变换器中增加相应的支路，而偏置绕组部分的电路无需变化。
如图9所示，为本发明实施例1三相电枢绕组和偏置绕组电流的仿真曲线图。其中，线标号44是a相电枢绕组电流，线标号45是b相电枢绕组电流，线标号46是c相电枢绕组电流，线标号47是偏置绕组电流。
仿真结果显示，基于图8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7所示的功率电路具有传统不对称半桥电路的功能。另外，偏置绕组电流方向与电枢电流相同，说明四个二极管对偏置绕组有整流作用；又因为偏置电流为恒值，说明电解电容的充放电作用，重构了电枢绕组的能量传输路径，起到了平稳偏置绕组电流的作用，进而可显著提升悬浮绕组电流的斩波和跟踪效果。
如图10所示，为本发明实施例1的控制方法的系统框图。转矩控制采用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：检测开关磁阻电机的转子位置信息，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
悬浮控制为：将位移误差信号进行pid调节获得给定悬浮力
利用电流斩波控制方法，让电磁型轴向径向磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流ix1跟踪该方向悬绕组电流参考值
如图11所示，本发明实施例1的控制方法中五个悬浮绕组电流计算方法框图。图中，kf1、kf2、kf3分别为径向悬浮力系数ⅰ、轴向悬浮力系数和径向悬浮力系数ⅱ。
式中，μ0为真空磁导率，l1为径向定子ⅰ的轴向长度，r1为径向转子ⅰ的半径，αs1为e型结构ⅰ中窄齿ⅰ的极弧角，δ1为径向定子ⅰ与径向转子ⅰ的径向气隙长度，γ1为e型结构ⅰ中宽齿ⅰ与窄齿ⅰ间的夹角，l2为轴向转子ⅰ与轴向转子ⅱ的轴向长度，δ2为轴向定子ⅰ与轴向转子ⅰ间的轴向气隙长度，同时轴向定子ⅱ与轴向转子ⅱ间的轴向气隙长度也为δ2，r2、r3分别为轴向定子ⅰ与轴向定子ⅱ的环形齿的内、外半径，且r2＜r3≤r1，l3为径向定子ⅱ的轴向长度，r4为径向转子ⅱ的半径，αs2为e型结构ⅱ中窄齿ⅱ的极弧角，δ3为径向定子ⅱ与径向转子ⅱ的径向气隙长度，γ2为e型结构ⅱ中宽齿ⅱ与窄齿ⅱ间的夹角。
电磁型轴向径向磁轴承的x、y和z轴方向悬浮力fα1、fβ1和fz的表达式为：
fα1＝kf1nb1ns1ibiasix1(4)
fβ1＝kf1nb1ns1ibiasiy1(5)
fz＝kf2nb1nzibiasiz(6)
式中，ibias为偏置绕组电流，ix1、iy1、iz分别为电磁型轴向径向磁轴承的x、y、z轴方向悬浮绕组电流，nb1、ns1、nz分别为偏置线圈ⅰ、径向悬浮线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅰ的匝数。
电磁型径向磁轴承的x和y轴方向悬浮力fα2和fβ2的表达式为：
fα2＝kf3nb2ns2ibiasix2(7)
fβ2＝kf3nb2ns2ibiasiy2(8)
式中，ix2、iy2分别为电磁型径向磁轴承的x、y轴方向径向悬浮绕组电流，nb2、ns2分别为偏置线圈ⅱ和径向悬浮线圈ⅱ的匝数。
控制中，四个径向位移和一个轴向位移经pid调节后，获得四个径向悬浮力和一个轴向悬浮力的参考值。其中，电磁型轴向径向磁轴承的x、y、z轴方向悬浮力fα1、fβ1、fz的参考值分别为
由表达式(9)～(13)知，五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机的径向、轴向悬浮力与转子位置角θ无关，仅与结构参数、偏置绕组电流和各自方向悬浮绕组电流有关。因此，五个悬浮力间相互解耦；又因为五个悬浮力均与转子位置角无关，因此转矩和悬浮力间解耦控制。
需要指出的是，由于悬浮力正负随悬浮绕组电流的正负变化而变化，因此五个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。
所述五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机包括1个电磁型轴向径向磁轴承、1个开关磁阻电机和1个电磁型径向磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，电磁型轴向径向磁轴承可产生两个径向悬浮力和一个轴向悬浮力，电磁型径向磁轴承产生两个径向悬浮力，进而实现转轴五个方向的悬浮运行；所述五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机包括m相电枢绕组、1个偏置绕组、4个径向悬浮绕组和1个轴向悬浮绕组，其中，m相电枢绕组串联到传统不对称半桥功率变换器的m个支路中，所述偏置绕组连同四个二极管一起接入到不对称半桥功率变换器的直流母线中；利用电流斩波或角度位置控制方法，控制开关磁阻电机m相电枢绕组电流，进而达到动态调节输出转矩，实现旋转运行；同时，偏置绕组也将产生一个方向不变且具有一定幅值的偏置电流，该偏置电流还具有较好的平稳性，以利于悬浮力的可靠控制；另外所述偏置电流仅与开关磁阻电机的运行工况有关；通过电流传感器实时采集偏置电流之后，再利用电流斩波控制方法，独立控制5个悬浮绕组电流，即实现转轴的五自由度悬浮运行；所述五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机的控制方法包括如下步骤：
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，得到磁阻电机转子角速度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，其由开关磁阻电机实际工况确定；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取值由开关磁阻电机结构形式决定；
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，获取电磁型轴向径向磁轴承的x轴、y轴和z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤b-1，获取径向转子ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号α1和β1，以及获取轴向转子ⅰ的z轴方向的实时位移信号z，其中，x轴为水平方向，y轴为竖直方向，z轴与x轴和y轴方向垂直；
步骤b-2，将实时位移信号α1、β1和z分别与给定的参考位移信号α1*、β1*和z*相减，分别得到x轴、y轴和z轴方向的实时位移信号差δα1、δβ1和δz，将所述实时位移信号差δα1、δβ1和δz经过比例积分微分控制器，得到电磁型轴向径向磁轴承的x轴方向给定悬浮力
步骤c，获取电磁型径向磁轴承的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤c-1，获取径向转子ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α2和β2；
步骤c-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，得到电磁型径向磁轴承的x轴方向给定悬浮力
步骤d，调节悬浮力，具体步骤如下：
步骤d-1，采集实时的偏置绕组电流ibias，根据所述悬浮力
步骤d-2，根据所述偏置绕组电流ibias，所述悬浮力
步骤d-3，利用电流斩波控制方法，用电磁型轴向径向磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流ix1跟踪该方向悬绕组电流参考值
用电磁型径向磁轴承的x轴方向悬浮绕组实际电流ix2跟踪该方向悬绕组电流参考值
步骤e，调节转矩；具体步骤如下：
步骤e-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e-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。
本发明实施例2和实施例3的控制方法及实现方式，与实施例1均相同，不同之处在于，由于定、转子齿不同，开通角θon和关断角θoff取值不同；以及因相数不同，电流传感器所需实时采集的电枢绕组相数不同。
综上所述，本发明五自由度电磁型磁悬浮开关磁阻电机的五个悬浮力在结构上自然解耦，且转矩与悬浮力也解耦，悬浮性能好，系统无永磁体，环境适应性强，可靠性高，固有刚度大，临界转速高；开关磁阻电机的m相电枢绕组与两个磁轴承的偏置绕组共用一套功率变换器共同励磁，集成度高，成本优势明显，悬浮系统功率损耗小；在开关磁阻电机工况一定情况下，偏置电流恒定，悬浮控制简单，且便于实施；控制中，仅需控制五个悬浮绕组电流，便可产生五个方向所需悬浮力，控制变量少，悬浮精度高；另外，系统中无永磁体，环境适应强，偏置磁通调节方便，固有刚度大，临界转速高，悬浮承载力强，适合大功率超高速应用场合。
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。
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