一种四自由度磁悬浮开关磁阻电机及共励磁驱动方法

本发明涉及一种四自由度磁悬浮开关磁阻电机及共励磁驱动方法，属于磁悬浮电机领域。

背景技术：

开关磁阻电机结构简单，定转子均为凸极结构，定子上绕有集中式绕组，转子无绕组、无永磁体，高速性能好，容错性能强，耐高温耐油脂，环境适应性强，在航空航天、电动汽车、飞轮储能，纺织石油矿山等领域应用广泛。磁悬浮轴承具有无接触、无摩擦、便于维护等优点，可有效解决高速电机的轴承支撑问题，在电机领域应用广泛。

由磁轴承和开关磁阻电机构成的传统磁悬浮开关磁阻电机系统，电机和磁轴承分别独立控制，需要两个控制器，驱动系统庞大，成本高，不利于在对成本敏感的众多民用领域的推广和应用。为此，进一步降低磁悬浮开关磁阻电机的系统成本是该领域亟待解决的难点。

技术实现要素：

本发明目的是提出一种四自由度磁悬浮开关磁阻电机及共励磁驱动方法。所述电机为一种结构简单、高速适应性强的四自由度磁悬浮开关磁阻电机；所述驱动方法为低成本共励磁驱动方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种四自由度磁悬浮开关磁阻电机，包括磁轴承ⅰ，开关磁阻电机ⅰ，开关磁阻电机ⅱ和磁轴承ⅱ，且所述磁轴承ⅰ，开关磁阻电机ⅰ，开关磁阻电机ⅱ和磁轴承ⅱ依次串联布置；所述磁轴承ⅰ和磁轴承ⅱ的结构和尺寸均相同，所述开关磁阻电机ⅰ和开关磁阻电机ⅱ的结构和尺寸均相同；

所述磁轴承ⅰ包括磁轴承定子ⅰ，磁轴承线圈ⅰ和磁轴承转子ⅰ；所述磁轴承定子ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述磁轴承定子ⅰ的4个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔90°，其中两个齿中心线与水平方向重合，剩余两个齿的中心线与竖直方向重合；磁轴承转子ⅰ为圆柱结构，且布置在磁轴承定子ⅰ；所述磁轴承定子ⅰ的每个齿上绕有1个磁轴承线圈ⅰ，共4个；绕在水平正方向齿上的磁轴承线圈ⅰ为悬浮线圈α1，绕在水平负方向齿上的磁轴承线圈ⅰ为悬浮线圈α2，绕在竖直正方向齿上的磁轴承线圈ⅰ为悬浮线圈β1，绕在竖直负方向齿上的磁轴承线圈ⅰ为悬浮线圈β2；

所述开关磁阻电机ⅰ包括磁阻电机定子ⅰ、磁阻电机线圈ⅰ和磁阻电机转子ⅰ；所述磁阻电机定子ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述磁阻电机定子ⅰ的4个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔90°，其中两个齿中心线与水平方向重合，剩余两个齿的中心线与竖直方向重合；所述磁阻电机转子ⅰ为凸极结构，齿数为2，且布置在磁阻电机定子ⅰ内；所述磁阻电机转子ⅰ的2个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔180°；所述磁阻电机定子ⅰ的每个齿上绕有1个磁轴承线圈ⅰ，共4个；绕在水平正方向齿上的磁阻电机线圈ⅰ为转矩线圈α3，绕在水平负方向齿上的磁阻电机线圈ⅰ为转矩线圈α4，绕在竖直正方向齿上的磁阻电机线圈ⅰ为转矩线圈β3，绕在竖直负方向齿上的磁阻电机线圈ⅰ为转矩线圈β4；

所述开关磁阻电机ⅱ包括磁阻电机定子ⅱ、磁阻电机线圈ⅱ和磁阻电机转子ⅱ；所述磁阻电机定子ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述磁阻电机定子ⅱ的4个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔90°，其中两个齿中心线与水平方向重合，剩余两个齿的中心线与竖直方向重合；所述磁阻电机转子ⅱ为凸极结构，齿数为2，且布置在磁阻电机定子ⅱ内；所述磁阻电机转子ⅱ的2个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔180°；所述磁阻电机定子ⅱ的每个齿上绕有1个磁轴承线圈ⅱ，共4个；绕在水平正方向齿上的磁阻电机线圈ⅱ为转矩线圈α5，绕在水平负方向齿上的磁阻电机线圈ⅱ为转矩线圈α6，绕在竖直正方向齿上的磁阻电机线圈ⅱ为转矩线圈β5，绕在竖直负方向齿上的磁阻电机线圈ⅱ为转矩线圈β6；

所述磁轴承ⅱ包括磁轴承定子ⅱ，磁轴承线圈ⅱ和磁轴承转子ⅱ；所述磁轴承定子ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述磁轴承定子ⅱ的4个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔90°，其中两个齿中心线与水平方向重合，剩余两个齿的中心线与竖直方向重合；磁轴承转子ⅱ为圆柱结构，且布置在磁轴承定子ⅱ内；所述磁轴承定子ⅱ的每个齿上绕有1个磁轴承线圈ⅱ，共4个；绕在水平正方向齿上的磁轴承线圈ⅱ为悬浮线圈α7，绕在水平负方向齿上的磁轴承线圈ⅱ为悬浮线圈α8，绕在竖直正方向齿上的磁轴承线圈ⅱ为悬浮线圈β7，绕在竖直负方向齿上的磁轴承线圈ⅱ为悬浮线圈β8；

所述磁轴承转子ⅰ、磁阻电机转子ⅰ、磁阻电机转子ⅱ和磁轴承转子ⅱ依次套在转轴上，且磁阻电机转子ⅰ的齿中心线与磁阻电机转子ⅱ的齿中心线在空间上相差45°；

所述悬浮线圈α1和转矩线圈α3串联构成绕组a1，所述悬浮线圈α2和转矩线圈α4串联构成绕组a2，所述绕组a1和绕组a2构成a相绕组；

所述悬浮线圈β1和转矩线圈β3串联构成绕组b1，所述悬浮线圈β2和转矩线圈β4串联构成绕组b2，所述绕组b1和绕组b2构成b相绕组；

所述悬浮线圈α5和转矩线圈α7串联构成绕组c1，所述悬浮线圈α6和转矩线圈α8串联构成绕组c2，所述绕组c1和绕组c2构成c相绕组；

所述悬浮线圈β5和转矩线圈β7串联构成绕组d1，所述悬浮线圈β6和转矩线圈β8串联构成绕组d2，所述绕组d1和绕组d2构成d相绕组；

进而，所述四自由度磁悬浮开关磁阻电机为四相工作制电机。

所述一种四自由度磁悬浮开关磁阻电机的共励磁驱动方法，包括如下步骤：

步骤a，获取转子位置角θ，确定一个转子周期内的四个励磁区间；

定义a相定子齿中心线与转子齿中心线重合位置为零度转子位置角，即此时θ＝0；对所述开关磁阻电机ⅰ和ⅱ而言，转子一个周期角为π；四个励磁区间分别为：区间ⅰ、区间ⅱ、区间ⅲ和区间ⅳ，其中区间ⅰ对应的转子位置范围为-π/4≤θ＜0，区间ⅱ对应的转子位置范围为0≤θ＜π/4，区间ⅲ对应的转子位置范围为π/4≤θ＜π/2，区间ⅳ对应的转子位置范围为π/2≤θ＜3π/4；

步骤b，获取磁轴承ⅰ和磁轴承ⅱ在x轴和y轴方向的悬浮力参考值；具体步骤如下：

步骤b-1，获取磁轴承转子ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号x1和y1，获取磁轴承转子ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号x2和y2；其中，x轴与水平方向重合，y轴与竖直方向重合，x轴与y轴在空间上相差90°；

步骤b-2，将实时位移信号x1和y1分别与给定的参考位移信号x1^*和y1^*相减，分别得到磁轴承转子ⅰ的x轴方向和y轴方向的实时位移信号差△x1和△y1，将所述实时位移信号差△x1和△y1经过比例积分微分控制器，得到磁轴承ⅰ的x轴悬浮力参考值fx1^*和y轴悬浮力参考值fy1^*；

步骤b-3，将实时位移信号x2和y2分别与给定的参考位移信号x2^*和y2^*相减，分别得到磁轴承转子ⅱ的x轴方向和y轴方向的实时位移信号差△x2和△y2，将所述实时位移信号差△x2和△y2经过比例积分微分控制器，得到磁轴承ⅱ的x轴悬浮力参考值fx2^*和y轴悬浮力参考值fy2^*；

步骤c，获取开关磁阻电机ⅰ和开关磁阻电机ⅱ的总输出转矩参考值；具体步骤如下：

步骤c-1，采集转子实时转速，计算得到转子角速度ω；

步骤c-2，转子角速度ω与设定的转子角速度参考值ω^*相减，得到转速差δω；

步骤c-3，所述转速差δω，通过比例积分控制器，获得总输出转矩参考值tsum^*；

步骤d，四相转矩分配，确定四个励磁区间内总输出转矩参考值tsum^*与各相电流的关系式；具体步骤如下：

步骤d-1，区间ⅰ内，其中，

式中ta^*、td^*分别为a、d相单独产生转矩的参考值，jt(θ)为转矩系数，是电机自身尺寸参数和转子位置角的函数，nt为磁阻电机线圈ⅰ、ⅱ的匝数，ht为开关磁阻电机ⅰ、ⅱ的轴向长度，μ0为真空磁导率，r为磁轴承转子ⅰ、ⅱ和磁阻电机转子ⅰ、ⅱ的半径，l0为磁轴承ⅰ、ⅱ和开关磁阻电机ⅰ、ⅱ的气隙长度，ia1^*、ia2^*分别为a相中绕组a1、绕组a2中电流的参考值，id1^*、id2^*分别为d相中绕组d1、绕组d2中电流的参考值；c为常数，其取值为1.49；

步骤d-2，区间ⅱ内，其中，式中，tc^*为c相单独产生转矩的参考值，ic1^*、ic2^*分别为c相中绕组c1、绕组c2中电流的参考值；

步骤d-3，区间ⅲ内，其中，式中，tb^*为b相单独产生转矩的参考值，ib1^*、ib2^*分别为b相中绕组b1、绕组b2中电流的参考值；

步骤d-4，区间ⅳ内，其中，

步骤e，计算区间ⅰ内四相8个绕组电流的参考值；具体步骤如下：

步骤e-1，当且时，c和d相电流的参考值分别为：式中，kf为悬浮力系数，nf为磁轴承线圈ⅰ、ⅱ的匝数，μ0为真空磁导率，hf为磁轴承转子ⅰ、ⅱ的轴向长度，αs为磁轴承ⅰ、ⅱ定子的极弧角；

步骤e-2，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤e-3，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤e-4，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤e-5，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：式中，u1、v1、w1的表达式分别为：

步骤e-6，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

步骤e-7，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

步骤e-8，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

步骤f，计算区间ⅱ内四相8个绕组电流的参考值；具体步骤如下：

步骤f-1，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤f-2，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤f-3，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤f-4，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤f-5，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：式中，u2、v2、w2的表达式分别为：

步骤f-6，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：

步骤f-7，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：

步骤f-8，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：

步骤g，计算区间ⅲ内四相8个绕组电流的参考值；具体步骤如下：

步骤g-1，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤g-2，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤g-3，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤g-4，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤g-5，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：式中，u3、v3、w3的表达式分别为：

步骤g-6，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

步骤g-7，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

步骤g-8，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

步骤h，计算区间ⅳ内四相8个绕组电流的参考值；具体步骤如下：

步骤h-1，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤h-2，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤h-3，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤h-4，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤h-5，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：式中，u4、v4、w4的表达式分别为：

步骤h-6，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：

步骤h-7，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：

步骤h-8，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：

步骤i，实时调节四个悬浮力和输出转矩；在四个励磁区间内，利用电流斩波控制方法，让绕组a1的实际电流ia1跟踪其参考值ia1^*，让绕组a2的实际电流ia2跟踪其参考值ia2^*，让绕组b1的实际电流ib1跟踪其参考值ib1^*，让绕组b2的实际电流ib2跟踪其参考值ib2^*，让绕组c1的实际电流ic1跟踪其参考值ic1^*，让绕组c2的实际电流ic2跟踪其参考值ic2^*，让绕组d1的实际电流id1跟踪其参考值id1^*，让绕组d2的实际电流id2跟踪其参考值id2^*；通过对四相8个绕组中的电流实时控制，进而达到动态调节四个悬浮力和输出转矩的目的。

本发明的有益效果：本发明提出了一种四自由度磁悬浮开关磁阻电机及共励磁驱动方法，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：

(1)磁悬浮电机结构简单，磁轴承采用四极结构，开关磁阻电机转子齿数为2，高速适应性强；

(2)驱动系统成本低，1个磁轴承和1个开关磁阻电机合用1个功率变换器实现两自由度悬浮和两相旋转，从而实现了磁轴承和电机的高效共同励磁；

(3)两个开关磁阻电机通过转子错位布置，构成了四相工作制电机，通过转矩补偿和悬浮力协调控制，进而实现了系统高精度悬浮运行和高品质转矩输出。

附图说明

图1是本发明四自由度磁悬浮开关磁阻电机的三维结构示意图。

图2是本发明中磁轴承ⅰ的磁通示意图。

图3是本发明中开关磁阻电机ⅰ的b相电流产生的磁通示意图。

图4是本发明四自由度磁悬浮开关磁阻电机驱动方法的系统框图。

图5是本发明四自由度磁悬浮开关磁阻电机的四相电感示意图。

附图标记说明：图1至图5中，1是磁轴承ⅰ，2是开关磁阻电机ⅰ，3是开关磁阻电机ⅱ，4是磁轴承ⅱ，5是磁轴承定子ⅰ，6是磁轴承线圈ⅰ，7是磁轴承转子ⅰ，8是磁阻电机定子ⅰ，9是磁阻电机线圈ⅰ，10是磁阻电机转子ⅰ，11是磁阻电机定子ⅱ，12是磁阻电机线圈ⅱ，13是磁阻电机转子ⅱ，14是磁轴承定子ⅱ，15是磁轴承线圈ⅱ，16是磁轴承转子ⅱ，17是转轴，18是磁轴承ⅰ的四极磁通，19是磁阻电机ⅰ中b相绕组产生的两极磁通；ia1+、ia2+分别为a相两个绕组的流入电流，ia1-、ia2-分别为a相两个绕组的流出电流，ib1+、ib2+分别为b相两个绕组的流入电流，ib1-、ib2-分别为b相两个绕组的流出电流，ia1、ia1*分别为a相x轴正方向绕组电流的实际值和参考值，ia2、ia2*分别为a相x轴负方向绕组电流的实际值和参考值，ib1、ib1*分别为b相y轴正方向绕组电流的实际值和参考值，ib2、ib2*分别为b相y轴负方向绕组电流的实际值和参考值，ic1、ic1*分别为c相x轴正方向绕组电流的实际值和参考值，ic2、ic2*分别为c相x轴负方向绕组电流的实际值和参考值，id1、id1*分别为d相y轴正方向绕组电流的实际值和参考值，id2、id2*分别为d相y轴负方向绕组电流的实际值和参考值，x、y、z分别为直角坐标系的三坐标轴，fx1、fy1为分别磁轴承ⅰ的x、y轴方向悬浮力实际值，fx1*、fy1*为分别磁轴承ⅰ的x、y轴方向悬浮力参考值，fx2、fy2为分别磁轴承ⅱ的x、y轴方向悬浮力实际值，fx2*、fy2*为分别磁轴承ⅱ的x、y轴方向悬浮力参考值，x1、y1分别为磁轴承转子ⅰ在在x、y轴方向上的偏心位移实际值，x1*、y1*分别为磁轴承转子ⅰ在在x、y轴方向上的偏心位移参考值，x2、y2分别为磁轴承转子ⅰ在在x、y轴方向上的偏心位移实际值，x2*、y2*分别为磁轴承转子ⅱ在在x、y轴方向上的偏心位移参考值，ω为转子角速度实际值，ω*为转子角速度参考值。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种四自由度磁悬浮开关磁阻电机及共励磁驱动方法的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是四自由度磁悬浮开关磁阻电机的三维结构示意图，其中，1是磁轴承ⅰ，2是开关磁阻电机ⅰ，3是开关磁阻电机ⅱ，4是磁轴承ⅱ，5是磁轴承定子ⅰ，6是磁轴承线圈ⅰ，7是磁轴承转子ⅰ，8是磁阻电机定子ⅰ，9是磁阻电机线圈ⅰ，10是磁阻电机转子ⅰ，11是磁阻电机定子ⅱ，12是磁阻电机线圈ⅱ，13是磁阻电机转子ⅱ，14是磁轴承定子ⅱ，15是磁轴承线圈ⅱ，16是磁轴承转子ⅱ，17是转轴。

所述四自由度磁悬浮开关磁阻电机，包括磁轴承ⅰ，开关磁阻电机ⅰ，开关磁阻电机ⅱ和磁轴承ⅱ，且所述磁轴承ⅰ，开关磁阻电机ⅰ，开关磁阻电机ⅱ和磁轴承ⅱ依次串联布置；所述磁轴承ⅰ和磁轴承ⅱ的结构和尺寸均相同，所述开关磁阻电机ⅰ和开关磁阻电机ⅱ的结构和尺寸均相同；

所述磁轴承ⅰ包括磁轴承定子ⅰ，磁轴承线圈ⅰ和磁轴承转子ⅰ；所述磁轴承定子ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述磁轴承定子ⅰ的4个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔90°，其中两个齿中心线与水平方向重合，剩余两个齿的中心线与竖直方向重合；磁轴承转子ⅰ为圆柱结构，且布置在磁轴承定子ⅰ；所述磁轴承定子ⅰ的每个齿上绕有1个磁轴承线圈ⅰ，共4个；绕在水平正方向齿上的磁轴承线圈ⅰ为悬浮线圈α1，绕在水平负方向齿上的磁轴承线圈ⅰ为悬浮线圈α2，绕在竖直正方向齿上的磁轴承线圈ⅰ为悬浮线圈β1，绕在竖直负方向齿上的磁轴承线圈ⅰ为悬浮线圈β2；

所述开关磁阻电机ⅰ包括磁阻电机定子ⅰ、磁阻电机线圈ⅰ和磁阻电机转子ⅰ；所述磁阻电机定子ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述磁阻电机定子ⅰ的4个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔90°，其中两个齿中心线与水平方向重合，剩余两个齿的中心线与竖直方向重合；所述磁阻电机转子ⅰ为凸极结构，齿数为2，且布置在磁阻电机定子ⅰ内；所述磁阻电机转子ⅰ的2个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔180°；所述磁阻电机定子ⅰ的每个齿上绕有1个磁轴承线圈ⅰ，共4个；绕在水平正方向齿上的磁阻电机线圈ⅰ为转矩线圈α3，绕在水平负方向齿上的磁阻电机线圈ⅰ为转矩线圈α4，绕在竖直正方向齿上的磁阻电机线圈ⅰ为转矩线圈β3，绕在竖直负方向齿上的磁阻电机线圈ⅰ为转矩线圈β4；

所述开关磁阻电机ⅱ包括磁阻电机定子ⅱ、磁阻电机线圈ⅱ和磁阻电机转子ⅱ；所述磁阻电机定子ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述磁阻电机定子ⅱ的4个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔90°，其中两个齿中心线与水平方向重合，剩余两个齿的中心线与竖直方向重合；所述磁阻电机转子ⅱ为凸极结构，齿数为2，且布置在磁阻电机定子ⅱ内；所述磁阻电机转子ⅱ的2个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔180°；所述磁阻电机定子ⅱ的每个齿上绕有1个磁轴承线圈ⅱ，共4个；绕在水平正方向齿上的磁阻电机线圈ⅱ为转矩线圈α5，绕在水平负方向齿上的磁阻电机线圈ⅱ为转矩线圈α6，绕在竖直正方向齿上的磁阻电机线圈ⅱ为转矩线圈β5，绕在竖直负方向齿上的磁阻电机线圈ⅱ为转矩线圈β6；

所述磁轴承ⅱ包括磁轴承定子ⅱ，磁轴承线圈ⅱ和磁轴承转子ⅱ；所述磁轴承定子ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述磁轴承定子ⅱ的4个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔90°，其中两个齿中心线与水平方向重合，剩余两个齿的中心线与竖直方向重合；磁轴承转子ⅱ为圆柱结构，且布置在磁轴承定子ⅱ内；所述磁轴承定子ⅱ的每个齿上绕有1个磁轴承线圈ⅱ，共4个；绕在水平正方向齿上的磁轴承线圈ⅱ为悬浮线圈α7，绕在水平负方向齿上的磁轴承线圈ⅱ为悬浮线圈α8，绕在竖直正方向齿上的磁轴承线圈ⅱ为悬浮线圈β7，绕在竖直负方向齿上的磁轴承线圈ⅱ为悬浮线圈β8；

所述磁轴承转子ⅰ、磁阻电机转子ⅰ、磁阻电机转子ⅱ和磁轴承转子ⅱ依次套在转轴上，且磁阻电机转子ⅰ的齿中心线与磁阻电机转子ⅱ的齿中心线在空间上相差45°；

所述悬浮线圈α1和转矩线圈α3串联构成绕组a1，所述悬浮线圈α2和转矩线圈α4串联构成绕组a2，所述绕组a1和绕组a2构成a相绕组；

所述悬浮线圈β1和转矩线圈β3串联构成绕组b1，所述悬浮线圈β2和转矩线圈β4串联构成绕组b2，所述绕组b1和绕组b2构成b相绕组；

所述悬浮线圈α5和转矩线圈α7串联构成绕组c1，所述悬浮线圈α6和转矩线圈α8串联构成绕组c2，所述绕组c1和绕组c2构成c相绕组；

所述悬浮线圈β5和转矩线圈β7串联构成绕组d1，所述悬浮线圈β6和转矩线圈β8串联构成绕组d2，所述绕组d1和绕组d2构成d相绕组；进而，所述四自由度磁悬浮开关磁阻电机为四相工作制电机。

如图2所示，是本发明中磁轴承ⅰ的磁通示意图。定义x轴位于水平方向，y轴位于竖直方向。磁轴承ⅰ包括4个线圈，分别为悬浮线圈a1、悬浮线圈b1、悬浮线圈a2和悬浮线圈b2；四个线圈独立控制，用于产生两个径向悬浮力；当四个线圈通入图2所示的电流时，产生四极磁通(标号18所示)，在空间上呈nsns分布；当悬浮线圈a1中的电流大于悬浮线圈a2中的电流时，将产生一个x轴正方向悬浮力；反之，将产生x轴负方向悬浮力；当悬浮线圈b1中的电流大于悬浮线圈b2中的电流时，将产生一个y轴正方向悬浮力；反之，将产生y轴负方向悬浮力。

同理，磁轴承ⅱ的x轴方向悬浮力可由悬浮线圈c1和悬浮线圈c2中电流的控制；磁轴承ⅱ的y轴方向悬浮力可由悬浮线圈d1和悬浮线圈d2中电流的控制；进而可实现四自由度悬浮运行。

如图3所示，是本发明中开关磁阻电机ⅰ的b相电流产生的磁通示意图。开关磁阻电机ⅰ包括4个线圈，分别为转矩线圈a1、转矩线圈b1、转矩线圈a2和转矩线圈b2；四个线圈独立控制，用于产生转矩；当转矩线圈b1和转矩线圈b2通入图3所示的电流时，将产生一个两极对称磁通(标号19所示)，由于两个线圈产生磁通呈ns分布，两个线圈磁路为串联连接方式，故在y轴正负两个方向气隙中的磁通始终相等，仅产生转矩，不产生悬浮力；类似，当转矩线圈a1和转矩线圈a2通入图3所示的电流时，也将产生一个两极对称磁通，同样只产生转矩，不产生悬浮力。

同理，开关磁阻电机ⅱ的转矩线圈c1和转矩线圈c2也产生两极对称磁通，只产生转矩；开关磁阻电机ⅱ的转矩线圈d1和转矩线圈d2也产生两极对称磁通，同样只产生转矩。

如图4所示，是本发明四自由度磁悬浮开关磁阻电机驱动方法的系统框图。a、b、c和d相均采用恒导通策略，并且四相8个绕组通过不对称励磁控制，同时四个径向悬浮力和一个转矩；任意时刻存在一相绕组产生正转矩，且还一相产生负转矩，故增大正转矩励磁相的电流和减小负转矩励磁相的电流，以产生正输出转矩，进而实现转子的旋转运行；为保证电机输出转矩的平稳性，同时减少转矩脉动，故在对四个悬浮力控制时，需要输出转矩进行动态调节。

具体控制过程为：实时检测磁轴承转子ⅰ在x、y轴上的位移x1、y1，分别与给定位移参考值x1*、y1*比较，位移误差信号进行pid调节获得磁轴承转子ⅰ在x、y轴上悬浮力的参考值fx1*、fy1*；实时检测磁轴承转子ⅱ在x、y轴上的位移x2、y2，分别与给定位移参考值x2*、y2*比较，位移误差信号进行pid调节获得磁轴承转子ⅱ在x、y轴上悬浮力的参考值fx2*、fy2*；检测电机转子位置信息，经计算分别得到实际转速ω，将转速误差信号进行pi调节，获得电机的总输出转矩参考值tsum*；基于实时检测获得的转子位置角θ，通过四相转矩分配，由总输出转矩参考值tsum*计算出每相输出转矩的给定值，即ta*、tb*、tc*和td*；

由fx1*、fy1*、fx2*、fy2*和tsum*与电流和电机参数的关系式，再结合转子位置角θ，计算出每个转子周期角各区间内的8个绕组电流的参考值，利用电流斩波控制，让这8个实际电流跟踪各自电流的参考值，同时调节转矩和悬浮力，进而实现四自由度悬浮运行和旋转。

如图5所示，是本发明四自由度磁悬浮开关磁阻电机的四相电感示意图。定义a相定子齿中心线与转子齿中心线重合位置为零度角位置，即此时θ＝0。对所述两相开关磁阻电机而言，转子一个周期角为π。根据电感分布特性，将一个转子周期分为四个区间，区间ⅰ对应的转子位置范围为-π/4≤θ＜0，区间ⅱ对应的转子位置范围为0≤θ＜π/4，区间ⅲ对应的转子位置范围为π/4≤θ＜π/2，区间ⅳ对应的转子位置范围为π/2≤θ＜3π/4。在区间ⅰ内，a相产生正转矩，d相产生负转矩，b和c相产生的转矩为零；在区间ⅱ内，c相产生正转矩，a相产生负转矩，b和d相产生的转矩为零；在区间ⅲ内，b相产生正转矩，c相产生负转矩，a和d相产生的转矩为零；在区间ⅳ内，d相产生正转矩，b相产生负转矩，a和c相产生的转矩为零。

所述磁轴承ⅰ的x和y方向悬浮力fx1和fy1的表达式为：

所述磁轴承ⅱ的x和y方向悬浮力fx2和fy2的表达式为：

其中，kf为悬浮力系数，表达式为：

其中，nf为磁轴承ⅰ、ⅱ悬浮线圈的匝数，μ0为真空磁导率，hf为圆柱转子ⅰ、ⅱ的轴向长度，αs为磁轴承ⅰ、ⅱ定子的极弧角，r为圆柱转子ⅰ、ⅱ的半径，l0为磁轴承ⅰ、ⅱ气隙长度，ia1、ia2分别为a相中绕组a1、绕组a2中的电流，ib1、ib2分别为b相中绕组b1、绕组b2中的电流，ic1、ic2分别为c相中绕组c1、绕组c2中的电流，id1、id2分别为d相中绕组d1、绕组d2中的电流。

a相绕组电流产生的电磁转矩ta为：

式中，jt(θ)为转矩系数，是电机自身尺寸参数和转子位置角的函数，其表达式为：

其中，nt为开关磁阻电机ⅰ、ⅱ转矩线圈的匝数，ht为开关磁阻电机ⅰ、ⅱ的轴向长度，c＝1.49；

在a相绕组电感上升区域，即-π/4≤θ≤0时，ta为正；在a相绕组电感上升区域，即0≤θ≤π/4时，ta为负。

b相绕组电流产生的电磁转矩tb、c相绕组电流产生的电磁转矩tc和d相绕组电流产生的电磁转矩td等计算公式与a相类同，仅需将改变转子位置角和各相电流即可。

一个转子周期内四相绕组电流产生的总电磁转矩tsum为：

在一个周期内，需降低负转矩幅值，以降低输出转矩脉动，并提升转矩输出品质。本发明中基于悬浮力/电流比最大和磁场利用率最高的优化算法，最大化地减小负转矩励磁相产生的负转矩。在区间ⅰ、ⅱ、ⅲ和ⅳ内，四相电流参考值的计算方式计算过程如下：

(1)根据转子位置角判别每个区间内两个开关磁阻电机输出转矩的正负，获取输出正转矩相和输出负转矩相；

(2)确定与输出负转矩开关磁阻电机绕组串联的磁轴承四个绕组电流的约束条件和参考值；此时约束条件规则为：设定与两个方向悬浮力方向相反的两个电流参考值为零(此时悬浮力/电流比最大和磁场利用率最高)；然后利用该磁轴承的悬浮力公式，计算出剩余两个绕组电流的参考值；

(3)确定与输出正转矩开关磁阻电机绕组串联的磁轴承四个绕组电流的约束条件和参考值；此时约束条件规则为：设定每相两个绕组电流参考值之和相等；然后利用该磁轴承的悬浮力公式和总输出转矩公式，计算出两相四个绕组电流的参考值。

控制中，让四相8个绕组电流的实际值跟踪已计算出的相应绕组电流的参考值，即可同时实现四自由度悬浮运行和高速旋转。

由于磁轴承悬浮线圈和开关磁阻电机转矩线圈串联在一起，为此，采用共同励磁方法对转矩和四个悬浮力进行实时控制。四相共8个绕组分别接入8个低成本半桥电路中，由于半桥电路仅能单方向励磁，8个绕组电流方向不变。8个绕组采用不对称励磁和独立控制，将在每个磁轴承中产生两个径向悬浮力，进而实现四自由度悬浮；另外，还在两个开关磁阻电机产生转矩，并构成四相工作制电机。由于开关磁阻电机也采用恒导通励磁方法，势必在电感上升区产生正转矩，在电感下降区产生负转矩；为此需要增大正输出转矩，并且降低负输出转矩，以实现电机正常旋转和提升转矩输出品质。另外，再通过转矩控制算法，减小转矩脉动，提高输出转矩的平稳性。

所述四自由度磁悬浮开关磁阻电机的共励磁驱动方法，包括如下步骤：

步骤a，获取转子位置角θ，确定一个转子周期内的四个励磁区间；

定义a相定子齿中心线与转子齿中心线重合位置为零度转子位置角，即此时θ＝0；对所述开关磁阻电机ⅰ和ⅱ而言，转子一个周期角为π；四个励磁区间分别为：区间ⅰ、区间ⅱ、区间ⅲ和区间ⅳ，其中区间ⅰ对应的转子位置范围为-π/4≤θ＜0，区间ⅱ对应的转子位置范围为0≤θ＜π/4，区间ⅲ对应的转子位置范围为π/4≤θ＜π/2，区间ⅳ对应的转子位置范围为π/2≤θ＜3π/4；

步骤b，获取磁轴承ⅰ和磁轴承ⅱ在x轴和y轴方向的悬浮力参考值；具体步骤如下：

步骤b-1，获取磁轴承转子ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号x1和y1，获取磁轴承转子ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号x2和y2；其中，x轴与水平方向重合，y轴与竖直方向重合，x轴与y轴在空间上相差90°；

步骤b-2，将实时位移信号x1和y1分别与给定的参考位移信号x1^*和y1^*相减，分别得到磁轴承转子ⅰ的x轴方向和y轴方向的实时位移信号差△x1和△y1，将所述实时位移信号差△x1和△y1经过比例积分微分控制器，得到磁轴承ⅰ的x轴悬浮力参考值fx1^*和y轴悬浮力参考值fy1^*；

步骤b-3，将实时位移信号x2和y2分别与给定的参考位移信号x2^*和y2^*相减，分别得到磁轴承转子ⅱ的x轴方向和y轴方向的实时位移信号差△x2和△y2，将所述实时位移信号差△x2和△y2经过比例积分微分控制器，得到磁轴承ⅱ的x轴悬浮力参考值fx2^*和y轴悬浮力参考值fy2^*；

步骤c，获取开关磁阻电机ⅰ和开关磁阻电机ⅱ的总输出转矩参考值；具体步骤如下：

步骤c-1，采集转子实时转速，计算得到转子角速度ω；

步骤c-2，转子角速度ω与设定的转子角速度参考值ω^*相减，得到转速差δω；

步骤c-3，所述转速差δω，通过比例积分控制器，获得总输出转矩参考值tsum^*；

步骤d，四相转矩分配，确定四个励磁区间内总输出转矩参考值tsum^*与各相电流的关系式；具体步骤如下：

步骤d-1，区间ⅰ内，其中，

式中ta^*、td^*分别为a、d相单独产生转矩的参考值，jt(θ)为转矩系数，是电机自身尺寸参数和转子位置角的函数，nt为磁阻电机线圈ⅰ、ⅱ的匝数，ht为开关磁阻电机ⅰ、ⅱ的轴向长度，μ0为真空磁导率，r为磁轴承转子ⅰ、ⅱ和磁阻电机转子ⅰ、ⅱ的半径，l0为磁轴承ⅰ、ⅱ和开关磁阻电机ⅰ、ⅱ的气隙长度，ia1^*、ia2^*分别为a相中绕组a1、绕组a2中电流的参考值，id1^*、id2^*分别为d相中绕组d1、绕组d2中电流的参考值；c为常数，其取值为1.49；

步骤d-2，区间ⅱ内，其中，式中，tc^*为c相单独产生转矩的参考值，ic1^*、ic2^*分别为c相中绕组c1、绕组c2中电流的参考值；

步骤d-3，区间ⅲ内，其中，式中，tb^*为b相单独产生转矩的参考值，ib1^*、ib2^*分别为b相中绕组b1、绕组b2中电流的参考值；

步骤d-4，区间ⅳ内，其中，

步骤e，计算区间ⅰ内四相8个绕组电流的参考值；具体步骤如下：

步骤e-1，当且时，c和d相电流的参考值分别为：式中，kf为悬浮力系数，nf为磁轴承线圈ⅰ、ⅱ的匝数，μ0为真空磁导率，hf为磁轴承转子ⅰ、ⅱ的轴向长度，αs为磁轴承ⅰ、ⅱ定子的极弧角；

步骤e-2，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤e-3，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤e-4，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤e-5，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

式中，u1、v1、w1的表达式分别为：

步骤e-6，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

步骤e-7，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

步骤e-8，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

步骤f，计算区间ⅱ内四相8个绕组电流的参考值；具体步骤如下：

步骤f-1，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤f-2，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤f-3，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤f-4，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤f-5，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：式中，u2、v2、w2的表达式分别为：

步骤f-6，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：

步骤f-7，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：

步骤f-8，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：

步骤g，计算区间ⅲ内四相8个绕组电流的参考值；具体步骤如下：

步骤g-1，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤g-2，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤g-3，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤g-4，当且时，c和d相电流的参考值分别为：

步骤g-5，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：式中，u3、v3、w3的表达式分别为：

步骤g-6，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

步骤g-7，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

步骤g-8，当且时，引入约束条件a和b相电流的参考值分别为：

步骤h，计算区间ⅳ内四相8个绕组电流的参考值；具体步骤如下：

步骤h-1，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤h-2，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤h-3，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤h-4，当且时，a和b相电流的参考值分别为：

步骤h-5，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：式中，u4、v4、w4的表达式分别为：

步骤h-6，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：

步骤h-7，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：

步骤h-8，当且时，引入约束条件c和d相电流的参考值分别为：

步骤i，实时调节四个悬浮力和输出转矩；在四个励磁区间内，利用电流斩波控制方法，让绕组a1的实际电流ia1跟踪其参考值ia1^*，让绕组a2的实际电流ia2跟踪其参考值ia2^*，让绕组b1的实际电流ib1跟踪其参考值ib1^*，让绕组b2的实际电流ib2跟踪其参考值ib2^*，让绕组c1的实际电流ic1跟踪其参考值ic1^*，让绕组c2的实际电流ic2跟踪其参考值ic2^*，让绕组d1的实际电流id1跟踪其参考值id1^*，让绕组d2的实际电流id2跟踪其参考值id2^*；通过对四相8个绕组中的电流实时控制，进而达到动态调节四个悬浮力和输出转矩的目的。

综上所述，本发明将一个磁轴承绕组与一个两相开关磁阻电机绕组分别单独串联为四个方向绕组，并采用四个半桥功率变换器，以实现对磁轴承和开关磁阻电机的共同励磁，从而有效减小了驱动系统的成本；采用两个磁轴承和两个开关磁阻电机构成一个四相四自由度磁悬浮开关磁阻电机，其中两个磁轴承用于产生悬浮力，两个开关磁阻电机用于产生转矩；为削除两相开关磁阻电机的转矩死区，将两个电机转子相互错位45度，使其作为一个四相工作制电机运行；基于悬浮力/电流比最大和磁场利用率最高的优化算法，最大化地减小负转矩励磁相产生的负转矩；在计算正转矩励磁相电流时，通过计及负转矩相的电流影响，以增加输出转矩和提升输出转矩品质。

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。