本發明涉及一種混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機及控制方法，屬于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，傳統永磁偏置式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，且軸向懸浮力與控制繞組電流的平方相關，不利于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，還有助于提升機電能量轉換效率。

技術實現要素：

本發明目的是針對現有技術的不足，提出一種混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機及控制方法。所述電機是一種懸浮力和轉矩結構上解耦、五個懸浮力間相互解耦、功率變換器成本較低以及懸浮控制對象較少的新型五自由度磁懸浮開關磁阻電機；所述控制方法可獨立控制轉矩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；五自由度懸浮控制類似磁懸浮軸承，采用恒導通控制策略，并且僅需控制五個方向懸浮繞組電流，即可產生所需的五個方向懸浮力，控制變量少，懸浮力與懸浮繞組電流呈正比關系，懸浮控制簡單，懸浮系統功率變換器成本低。

為了解決上述問題，本發明采用的技術方案為：

一種混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機，包括錐形磁軸承Ⅰ、徑向磁軸承Ⅰ、開關磁阻電機、徑向磁軸承Ⅱ和錐形磁軸承Ⅱ；所述錐形磁軸承Ⅰ和徑向磁軸承Ⅰ布置在開關磁阻電機一側，而徑向磁軸承Ⅱ和錐形磁軸承Ⅱ布置開關磁阻電機另一側；

所述錐形磁軸承Ⅰ由錐形定子Ⅰ、錐形轉子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和軸向懸浮繞組Ⅰ構成；

所述錐形磁軸承Ⅱ由錐形定子Ⅱ、錐形轉子Ⅱ、偏置繞組Ⅱ和軸向懸浮繞組Ⅱ構成；

所述徑向磁軸承Ⅰ由徑向定子Ⅰ、徑向轉子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和徑向懸浮繞組Ⅰ構成；

所述徑向磁軸承Ⅱ由徑向定子Ⅱ、徑向轉子Ⅱ、偏置繞組Ⅱ和徑向懸浮繞組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繞組構成；

所述錐形轉子Ⅰ布置在錐形定子Ⅰ內，徑向轉子Ⅰ布置在徑向定子Ⅰ內，磁阻電機轉子布置在磁阻電機定子內，徑向轉子Ⅱ布置在徑向定子Ⅱ內，錐形轉子Ⅱ布置在錐形定子Ⅱ內；所述錐形轉子Ⅰ、徑向轉子Ⅰ、磁阻電機轉子、徑向轉子Ⅱ和錐形轉子Ⅱ套在轉軸上；所述錐形定子Ⅰ、徑向定子Ⅰ、磁阻電機定子、徑向定子Ⅱ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，開關磁阻電機為三相工作制，磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數組合為8/6時，開關磁阻電機為四相工作制；其中，12/8表示磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數分別為12和8；6/4表示磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數分別為6和4；8/6表示磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數分別為8和6；

所述錐形定子Ⅰ和錐形定子Ⅱ均為錐形凸極結構，二者的定子齒數都為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；

所述徑向定子Ⅰ由4個E型結構Ⅰ構成，4個E型結構Ⅰ均勻分布，每個E型結構Ⅰ之間相差90°；每個E型結構Ⅰ的齒數為3，包括1個寬齒Ⅰ和2個窄齒Ⅰ，且寬齒Ⅰ位于兩個窄齒Ⅰ之間；所述寬齒Ⅰ的齒寬是窄齒Ⅰ的二倍；所述徑向轉子Ⅰ為圓柱結構；

所述徑向定子Ⅱ由4個E型結構Ⅱ構成，4個E型結構Ⅱ均勻分布，每個E型結構Ⅱ之間相差90°；每個E型結構Ⅱ的齒數為3，包括1個寬齒Ⅱ和2個窄齒Ⅱ，且寬齒Ⅱ位于兩個窄齒Ⅱ之間；所述寬齒Ⅱ的齒寬是窄齒Ⅱ的二倍；所述徑向轉子Ⅱ為圓柱結構；

所述錐形定子Ⅰ的4個定子齒和徑向定子Ⅰ的4個寬齒Ⅰ對齊，所述錐形定子Ⅱ的4個齒和徑向定子Ⅱ的4個寬齒Ⅱ對齊；所述錐形定子Ⅰ和錐形定子Ⅱ的每個定子齒寬與寬齒Ⅰ、寬齒Ⅱ的齒寬相等；

所述錐形定子Ⅰ的每個定子齒上繞有1個軸向懸浮繞組Ⅰ和m個偏置繞組Ⅰ，共4個軸向懸浮繞組Ⅰ和4m個偏置繞組Ⅰ，其中m為開關磁阻電機的相數；

所述徑向定子Ⅰ的每個寬齒Ⅰ上繞有m個偏置繞組Ⅰ，每個窄齒Ⅰ上繞有1個徑向懸浮繞組Ⅰ，共8個徑向懸浮繞組Ⅰ和4m個偏置繞組Ⅰ；

所述偏置繞組Ⅰ的纏繞方式為：每m個偏置繞組Ⅰ橫跨處于同一圓周位置上的1個錐形定子Ⅰ定子齒和1個寬齒Ⅰ，并纏繞在二者之上，共4組；每組選取1個偏置繞組Ⅰ串聯，構成1個偏置繞組串Ⅰ，從而形成m個偏置繞組串Ⅰ；

所述錐形定子Ⅰ的4個軸向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個軸向懸浮繞組串Ⅰ；

所述徑向定子Ⅰ的徑向懸浮繞組Ⅰ連接方式為：在水平正方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在水平負方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅰ；

在豎直正方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在豎直負方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅰ；

所述錐形定子Ⅱ的每個定子齒上繞有1個軸向懸浮繞組Ⅱ和m個偏置繞組Ⅱ，共4個軸向懸浮繞組Ⅱ和4m個偏置繞組Ⅱ；

所述徑向定子Ⅱ的每個寬齒Ⅱ上繞有m個偏置繞組Ⅱ，每個窄齒Ⅱ上繞有1個徑向懸浮繞組Ⅱ，共8個徑向懸浮繞組Ⅱ和4m個偏置繞組Ⅱ；

所述偏置繞組Ⅱ的纏繞方式為：每m個偏置繞組Ⅱ橫跨處于同一圓周位置上的1個錐形定子Ⅱ定子齒和1個寬齒Ⅱ，并纏繞在二者之上，共4組；每組選取1個偏置繞組Ⅱ串聯，構成1個偏置繞組串Ⅱ，從而形成m個偏置繞組串Ⅱ；

所述錐形定子Ⅱ的4個軸向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個軸向懸浮繞組串Ⅱ；

所述徑向定子Ⅱ的徑向懸浮繞組Ⅱ連接方式為：在水平正方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在水平負方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅱ；

在豎直正方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在豎直負方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅱ；

所述1個軸向懸浮繞組Ⅰ和1個軸向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個軸向懸浮繞組；

所述開關磁阻電機的每個定子齒上繞有1個繞組，所有磁阻電機定子齒上的繞組，分m組，分別連接在一起，構成m個磁阻電機繞組；

1個磁阻電機繞組與1個偏置繞組串Ⅰ和1個偏置繞組串Ⅱ串聯，構成1個轉矩繞組，共m個。

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數采用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繞組，采用串聯、或并列、或串并結合的連接方式，連接在一起，構成1個磁阻電機繞組，共形成3個磁阻電機繞組；所述3個磁阻電機繞組再分別與所述3個偏置繞組串Ⅰ和3個偏置繞組串Ⅱ進行串聯，進而構成3個轉矩繞組，即為三相轉矩繞組。

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數采用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繞組，采用串聯、或并列的連接方式，連接在一起，構成1個磁阻電機繞組，共形成3個磁阻電機繞組；所述3個磁阻電機繞組再分別與所述3個偏置繞組串Ⅰ和3個偏置繞組串Ⅱ進行串聯，進而構成3個轉矩繞組，即為三相轉矩繞組。

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數采用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繞組，采用串聯、或并列的連接方式，連接在一起，構成1個磁阻電機繞組，共形成4個磁阻電機繞組，所述4個磁阻電機繞組再分別與所述4個偏置繞組串Ⅰ和4個偏置繞組串Ⅱ進行串聯，進而構成4個轉矩繞組，即為四相轉矩繞組。

所述混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機包括一個開關磁阻磁阻電機、兩個徑向磁軸承和兩個錐形磁軸承，其中開關磁阻電機產生旋轉轉矩，兩個徑向磁軸承產生4個徑向懸浮力，兩個錐形磁軸承產生軸向懸浮力，以實現轉子五個方向的懸浮運行；所述電機繞組由m相轉矩繞組，4個徑向懸浮繞組和1個軸向懸浮繞組構成，其中獨立控制m相轉矩繞組電流，以調節轉矩，并產生偏置磁通；獨立控制5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，獲取給定轉矩繞組電流、開通角和關斷角；具體步驟如下：

步驟A-1，采集轉子實時轉速，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，獲得轉矩繞組電流參考值i_m^*；開通角θ_on和關斷角θ_off保持不變，θ_on和θ_off的初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θ_on和關斷角θ_off，轉矩繞組電流不控制；

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，獲取徑向轉子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B-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，獲取徑向轉子Ⅱ的x軸和y軸方向的實時位移信號α₂和β₂；

步驟C-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，獲取z軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：

步驟D-1，獲取轉子z軸方向的實時位移信號z，其中z軸與x軸和y軸方向垂直；

步驟D-2，將實時位移信號z與給定的參考位移信號z^*相減，得到z軸方向的實時位移信號差Δz，將所述實時位移信號差Δz經過比例積分微分控制器，得到的z軸方向懸浮力

步驟E，調節懸浮力，具體步驟如下：

步驟E-1，采集m相實時的轉矩繞組電流，根據所述懸浮力和以及電流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，k_f1為懸浮力系數，μ₀為真空磁導率，l₁為徑向磁軸承的軸向長度，r₁為徑向磁軸承轉子的半徑，α_s為E型結構中寬齒的極弧角，δ₁為徑向磁軸承的單邊氣隙長度，N_b、N_s分別偏置繞組和徑向懸浮繞組的匝數，i_k為第k相轉矩繞組電流，γ為E型結構中寬齒與窄齒中心線間的夾角；

步驟E-2，根據所述懸浮力和以及電流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E-3，根據所述懸浮力以及電流計算公式解算得到z軸方向懸浮繞組電流參考值其中，k_f2為懸浮力系數，l₂為錐形磁軸承的軸向長度，r₂為錐形磁軸承轉子的平均半徑，δ₂為錐形磁軸承的單邊氣隙長度，ε為錐形角，N_z為軸向懸浮繞組的匝數；

步驟E-4，利用電流斬波控制方法，用徑向磁軸承Ⅰ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s1跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向懸浮繞組的實際電流i_s2跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用徑向磁軸承Ⅱ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s3跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向懸浮繞組的實際電流i_s4跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用z軸方向懸浮繞組實際電流i_z跟蹤該方向懸繞組電流參考值從而實時調節懸浮力；

步驟F，調節轉矩；具體步驟如下：

步驟F-1，當ω≤ω₀時，利用電流斬波控制方法，以轉矩繞組的實際電流i_m跟蹤轉矩繞組電流參考值i_m^*，進而實時調節轉矩繞組電流i_m，進而達到調節轉矩的目的；

步驟F-2，當ω>ω₀時，利用角度位置控制方法，調節開通角θ_on和關斷角θ_off的取值，從而實時調節轉矩。

本發明的有益效果：本發明提出了一種混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機及其控制方法，采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)采用轉矩繞組與偏置繞組串聯共同勵磁的方式，電流利用率高；

(3)m相轉矩繞組之和產生的磁通作為偏置磁通，只需控制五個懸浮繞組電流，不需要為懸浮運行而控制轉矩繞組電流，便可產生五個方向所需懸浮力，五個方向懸浮力間相互解耦，控制變量少，懸浮控制簡單，懸浮系統功率變換器成本小；

(4)轉矩控制與開關磁阻電機完全相同，控制簡單，可充分勵磁，轉矩輸出特性好，且高速適應性強；

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

(6)電機拓展性好，對開關磁阻電機結構無限制，只要兩相工作制以上的開關磁阻電機均適用。

附圖說明

圖1是本發明混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機實施例1的三維結構示意圖。

圖2是本發明實施例1中A相轉矩繞組在磁阻電機部分產生的磁通分布示意圖。

圖3是本發明實施例1中徑向磁軸承Ⅰ的磁通分布圖。

圖4是本發明實施例1中錐形磁軸承Ⅰ的磁通分布圖。

圖5是本發明混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機實施例2的三維結構示意圖。

圖6是本發明混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機實施例3的三維結構示意圖。

圖7是本發明混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機實施例1的控制方法的系統框圖。

圖8是本發明混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機實施例1的控制方法中懸浮繞組電流計算方法框圖。

附圖標記說明：圖1至圖8中，1是磁阻電機定子，2是磁阻電機轉子，3是磁阻電機繞組，4是徑向定子，5是徑向轉子，6是錐形定子，7是錐形轉子，8是偏置繞組，9是徑向懸浮繞組，10是軸向懸浮繞組，11是轉軸，12是開關磁阻電機，13是徑向磁軸承Ⅰ，14是錐形磁軸承Ⅰ，15是徑向磁軸承Ⅱ，16是錐形磁軸承Ⅱ，17、18、19分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向，20是開關磁阻電機繞組產生的磁通，21是氣隙1，22是氣隙2，23是氣隙3，24是氣隙4，25為三相轉矩繞組在徑向磁軸承Ⅰ內產生的偏置磁通，26為徑向懸浮繞組Ⅰ在徑向磁軸承Ⅰ內產生的磁通，27為三相轉矩繞組在錐形磁軸承Ⅰ內產生的偏置磁通，28為軸向懸浮繞組Ⅰ在錐形磁軸承Ⅰ內產生的磁通。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明一種混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機及控制方法的技術方案進行詳細說明：

如圖1所示，是本發明混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機實施例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是磁阻電機繞組，4是徑向定子，5是徑向轉子，6是錐形定子，7是錐形轉子，8是偏置繞組，9是徑向懸浮繞組，10是軸向懸浮繞組，11是轉軸，12是12/8極開關磁阻電機，13是徑向磁軸承Ⅰ，14是錐形磁軸承Ⅰ，15是徑向磁軸承Ⅱ，16是錐形磁軸承Ⅱ，17、18、19分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向。

所述混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機，包括錐形磁軸承Ⅰ、徑向磁軸承Ⅰ、開關磁阻電機、徑向磁軸承Ⅱ和錐形磁軸承Ⅱ；所述錐形磁軸承Ⅰ和徑向磁軸承Ⅰ布置在開關磁阻電機一側，而徑向磁軸承Ⅱ和錐形磁軸承Ⅱ布置開關磁阻電機另一側；

所述錐形磁軸承Ⅰ由錐形定子Ⅰ、錐形轉子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和軸向懸浮繞組Ⅰ構成；

所述錐形磁軸承Ⅱ由錐形定子Ⅱ、錐形轉子Ⅱ、偏置繞組Ⅱ和軸向懸浮繞組Ⅱ構成；

所述徑向磁軸承Ⅰ由徑向定子Ⅰ、徑向轉子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和徑向懸浮繞組Ⅰ構成；

所述徑向磁軸承Ⅱ由徑向定子Ⅱ、徑向轉子Ⅱ、偏置繞組Ⅱ和徑向懸浮繞組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繞組構成；

所述錐形轉子Ⅰ布置在錐形定子Ⅰ內，徑向轉子Ⅰ布置在徑向定子Ⅰ內，磁阻電機轉子布置在磁阻電機定子內，徑向轉子Ⅱ布置在徑向定子Ⅱ內，錐形轉子Ⅱ布置在錐形定子Ⅱ內；所述錐形轉子Ⅰ、徑向轉子Ⅰ、磁阻電機轉子、徑向轉子Ⅱ和錐形轉子Ⅱ套在轉軸上；所述錐形定子Ⅰ、徑向定子Ⅰ、磁阻電機定子、徑向定子Ⅱ和錐形定子Ⅱ串聯布置，且之間均存在間隙；

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；

所述徑向定子Ⅰ由4個E型結構Ⅰ構成，4個E型結構Ⅰ均勻分布，每個E型結構Ⅰ之間相差90°；每個E型結構Ⅰ的齒數為3，包括1個寬齒Ⅰ和2個窄齒Ⅰ，且寬齒Ⅰ位于兩個窄齒Ⅰ之間；所述寬齒Ⅰ的齒寬是窄齒Ⅰ的二倍；所述徑向轉子Ⅰ為圓柱結構；

所述徑向定子Ⅱ由4個E型結構Ⅱ構成，4個E型結構Ⅱ均勻分布，每個E型結構Ⅱ之間相差90°；每個E型結構Ⅱ的齒數為3，包括1個寬齒Ⅱ和2個窄齒Ⅱ，且寬齒Ⅱ位于兩個窄齒Ⅱ之間；所述寬齒Ⅱ的齒寬是窄齒Ⅱ的二倍；所述徑向轉子Ⅱ為圓柱結構；

所述錐形定子Ⅰ的4個定子齒和徑向定子Ⅰ的4個寬齒Ⅰ對齊，所述錐形定子Ⅱ的4個齒和徑向定子Ⅱ的4個寬齒Ⅱ對齊；所述錐形定子Ⅰ和錐形定子Ⅱ的每個定子齒寬與寬齒Ⅰ、寬齒Ⅱ的齒寬相等；

所述錐形定子Ⅰ的每個定子齒上繞有1個軸向懸浮繞組Ⅰ和m個偏置繞組Ⅰ，共4個軸向懸浮繞組Ⅰ和4m個偏置繞組Ⅰ，其中m為開關磁阻電機的相數；

所述徑向定子Ⅰ的每個寬齒Ⅰ上繞有m個偏置繞組Ⅰ，每個窄齒Ⅰ上繞有1個徑向懸浮繞組Ⅰ，共8個徑向懸浮繞組Ⅰ和4m個偏置繞組Ⅰ；

所述偏置繞組Ⅰ的纏繞方式為：每m個偏置繞組Ⅰ橫跨處于同一圓周位置上的1個錐形定子Ⅰ定子齒和1個寬齒Ⅰ，并纏繞在二者之上，共4組；每組選取1個偏置繞組Ⅰ串聯，構成1個偏置繞組串Ⅰ，從而形成m個偏置繞組串Ⅰ；

所述錐形定子Ⅰ的4個軸向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個軸向懸浮繞組串Ⅰ；

所述徑向定子Ⅰ的徑向懸浮繞組Ⅰ連接方式為：在水平正方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在水平負方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅰ；

在豎直正方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在豎直負方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅰ；

所述錐形定子Ⅱ的每個定子齒上繞有1個軸向懸浮繞組Ⅱ和m個偏置繞組Ⅱ，共4個軸向懸浮繞組Ⅱ和4m個偏置繞組Ⅱ；

所述徑向定子Ⅱ的每個寬齒Ⅱ上繞有m個偏置繞組Ⅱ，每個窄齒Ⅱ上繞有1個徑向懸浮繞組Ⅱ，共8個徑向懸浮繞組Ⅱ和4m個偏置繞組Ⅱ；

所述偏置繞組Ⅱ的纏繞方式為：每m個偏置繞組Ⅱ橫跨處于同一圓周位置上的1個錐形定子Ⅱ定子齒和1個寬齒Ⅱ，并纏繞在二者之上，共4組；每組選取1個偏置繞組Ⅱ串聯，構成1個偏置繞組串Ⅱ，從而形成m個偏置繞組串Ⅱ；

所述錐形定子Ⅱ的4個軸向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個軸向懸浮繞組串Ⅱ；

所述徑向定子Ⅱ的徑向懸浮繞組Ⅱ連接方式為：在水平正方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在水平負方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅱ；

在豎直正方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在豎直負方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅱ；

所述1個軸向懸浮繞組Ⅰ和1個軸向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個軸向懸浮繞組；

所述開關磁阻電機的每個定子齒上繞有1個繞組，所有磁阻電機定子齒上的繞組，分m組，分別連接在一起，構成m個磁阻電機繞組；

1個磁阻電機繞組與1個偏置繞組串Ⅰ和1個偏置繞組串Ⅱ串聯，構成1個轉矩繞組，共m個。

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數采用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繞組，采用串聯、或并列、或串并結合的連接方式，連接在一起，構成1個磁阻電機繞組，共形成3個磁阻電機繞組；所述3個磁阻電機繞組再分別與所述3個偏置繞組串Ⅰ和3個偏置繞組串Ⅱ進行串聯，進而構成3個轉矩繞組，即為三相轉矩繞組。

所述三相轉矩繞組電流之和產生的合成磁通，作為兩個徑向磁軸承和兩個錐形磁軸承的偏置磁通；3相轉矩繞組電流的控制方法與傳統開關磁阻電機相同；控制x和y方向的四個懸浮繞組電流的大小和方向，進而可產生徑向懸浮所需的大小和方向均可控的四個徑向磁拉力，進而實現轉子的徑向四自由度懸浮運行；控制z方向懸浮繞組電流的大小和方向，以及結合3相轉矩繞組電流，進而產生軸向懸浮所需的軸向磁拉力，從而實現轉子的軸向懸浮，最終實現轉子的五自由度懸浮，以及各懸浮力間的解耦控制，以及轉矩和懸浮力的解耦控制。

圖2為本發明實施例1中A相轉矩繞組在12/8極開關磁阻電機部分產生的磁通分布示意圖。A相轉矩繞組由4個彼此在空間上相隔90°的線圈，采用串聯、或并聯、或兩并兩串的方式連接而成；A相轉矩繞組電流產生的四極對稱磁通(線標號為20)，呈NSNS分布。當A相轉矩繞組導通時，在磁阻電機內產生的磁場，用于產生轉矩；A、B、C三相轉矩繞組在磁軸承內產生的合成磁場用于懸浮控制的偏置磁場。B、C相的轉矩繞組與A相轉矩繞組結構相同，僅在位置上與A相相差30°和-30°。

圖3是本發明實施例1中徑向磁軸承Ⅰ的磁通分布圖。A、B、C三相轉矩繞組產生的磁通如圖3中實線所示(線標號為25)，徑向懸浮繞組產生的磁通如圖中點虛線所示(線標號為26)。偏置繞組產生的磁通在4個寬齒上呈NNNN或SSSS分布。在氣隙1處懸浮繞組和轉矩繞組產生磁通方向一樣，磁通增加；而在氣隙3處，方向相反，磁通減弱，進而產生一個x正方向的懸浮力。在氣隙2處懸浮繞組和轉矩繞組產生磁通方向一樣，磁通增加，而在氣隙4處，磁通減弱，進而產生一個y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。因此，在給定A、B、C三相轉矩繞組電流時，合理控制x、y軸懸浮繞組電流的大小和方向，即可產生大小和方向均可控的懸浮力。

轉矩繞組電流可采用PWM控制、脈沖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，而懸浮電流采用斬波控制。A、B、C三相轉矩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。由于懸浮力與A、B、C三相轉矩繞組電流和兩個方向懸浮繞組電流有關，進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，最終實現電機的兩自由度懸浮運行。

圖4是本發明實施例1中錐形磁軸承Ⅰ的磁通分布圖。軸向懸浮繞組產生的磁通與偏置繞組磁通方向相同，如線27和28所示，而此時錐形磁軸承Ⅱ中，軸向懸浮繞組產生的磁通與偏置繞組磁通方向相反，因此將產生一個Z軸正方向的懸浮力；同理，控制軸向懸浮繞組電流的大小和方向，以及結合三相轉矩繞組電流，即可產生一個大小和方向均可控制的軸向懸浮力，從而實現轉子的軸向懸浮。

圖5是本發明混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機實施例2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是磁阻電機繞組，4是徑向定子，5是徑向轉子，6是錐形定子，7是錐形轉子，8是偏置繞組，9是徑向懸浮繞組，10是軸向懸浮繞組，11是轉軸，12是6/4極開關磁阻電機，13是徑向磁軸承Ⅰ，14是錐形磁軸承Ⅰ，15是徑向磁軸承Ⅱ，16是錐形磁軸承Ⅱ，17、18、19分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向。

所述混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機，包括錐形磁軸承Ⅰ、徑向磁軸承Ⅰ、開關磁阻電機、徑向磁軸承Ⅱ和錐形磁軸承Ⅱ；所述錐形磁軸承Ⅰ和徑向磁軸承Ⅰ布置在開關磁阻電機一側，而徑向磁軸承Ⅱ和錐形磁軸承Ⅱ布置開關磁阻電機另一側；

所述錐形磁軸承Ⅰ由錐形定子Ⅰ、錐形轉子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和軸向懸浮繞組Ⅰ構成；

所述錐形磁軸承Ⅱ由錐形定子Ⅱ、錐形轉子Ⅱ、偏置繞組Ⅱ和軸向懸浮繞組Ⅱ構成；

所述徑向磁軸承Ⅰ由徑向定子Ⅰ、徑向轉子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和徑向懸浮繞組Ⅰ構成；

所述徑向磁軸承Ⅱ由徑向定子Ⅱ、徑向轉子Ⅱ、偏置繞組Ⅱ和徑向懸浮繞組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繞組構成；

所述錐形轉子Ⅰ布置在錐形定子Ⅰ內，徑向轉子Ⅰ布置在徑向定子Ⅰ內，磁阻電機轉子布置在磁阻電機定子內，徑向轉子Ⅱ布置在徑向定子Ⅱ內，錐形轉子Ⅱ布置在錐形定子Ⅱ內；所述錐形轉子Ⅰ、徑向轉子Ⅰ、磁阻電機轉子、徑向轉子Ⅱ和錐形轉子Ⅱ套在轉軸上；所述錐形定子Ⅰ、徑向定子Ⅰ、磁阻電機定子、徑向定子Ⅱ和錐形定子Ⅱ串聯布置，且之間均存在間隙；

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；

所述徑向定子Ⅰ由4個E型結構Ⅰ構成，4個E型結構Ⅰ均勻分布，每個E型結構Ⅰ之間相差90°；每個E型結構Ⅰ的齒數為3，包括1個寬齒Ⅰ和2個窄齒Ⅰ，且寬齒Ⅰ位于兩個窄齒Ⅰ之間；所述寬齒Ⅰ的齒寬是窄齒Ⅰ的二倍；所述徑向轉子Ⅰ為圓柱結構；

所述徑向定子Ⅱ由4個E型結構Ⅱ構成，4個E型結構Ⅱ均勻分布，每個E型結構Ⅱ之間相差90°；每個E型結構Ⅱ的齒數為3，包括1個寬齒Ⅱ和2個窄齒Ⅱ，且寬齒Ⅱ位于兩個窄齒Ⅱ之間；所述寬齒Ⅱ的齒寬是窄齒Ⅱ的二倍；所述徑向轉子Ⅱ為圓柱結構；

所述錐形定子Ⅰ的4個定子齒和徑向定子Ⅰ的4個寬齒Ⅰ對齊，所述錐形定子Ⅱ的4個齒和徑向定子Ⅱ的4個寬齒Ⅱ對齊；所述錐形定子Ⅰ和錐形定子Ⅱ的每個定子齒寬與寬齒Ⅰ、寬齒Ⅱ的齒寬相等；

所述錐形定子Ⅰ的每個定子齒上繞有1個軸向懸浮繞組Ⅰ和m個偏置繞組Ⅰ，共4個軸向懸浮繞組Ⅰ和4m個偏置繞組Ⅰ，其中m為開關磁阻電機的相數；

所述徑向定子Ⅰ的每個寬齒Ⅰ上繞有m個偏置繞組Ⅰ，每個窄齒Ⅰ上繞有1個徑向懸浮繞組Ⅰ，共8個徑向懸浮繞組Ⅰ和4m個偏置繞組Ⅰ；

所述偏置繞組Ⅰ的纏繞方式為：每m個偏置繞組Ⅰ橫跨處于同一圓周位置上的1個錐形定子Ⅰ定子齒和1個寬齒Ⅰ，并纏繞在二者之上，共4組；每組選取1個偏置繞組Ⅰ串聯，構成1個偏置繞組串Ⅰ，從而形成m個偏置繞組串Ⅰ；

所述錐形定子Ⅰ的4個軸向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個軸向懸浮繞組串Ⅰ；

所述徑向定子Ⅰ的徑向懸浮繞組Ⅰ連接方式為：在水平正方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在水平負方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅰ；

在豎直正方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在豎直負方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅰ；

所述錐形定子Ⅱ的每個定子齒上繞有1個軸向懸浮繞組Ⅱ和m個偏置繞組Ⅱ，共4個軸向懸浮繞組Ⅱ和4m個偏置繞組Ⅱ；

所述徑向定子Ⅱ的每個寬齒Ⅱ上繞有m個偏置繞組Ⅱ，每個窄齒Ⅱ上繞有1個徑向懸浮繞組Ⅱ，共8個徑向懸浮繞組Ⅱ和4m個偏置繞組Ⅱ；

所述偏置繞組Ⅱ的纏繞方式為：每m個偏置繞組Ⅱ橫跨處于同一圓周位置上的1個錐形定子Ⅱ定子齒和1個寬齒Ⅱ，并纏繞在二者之上，共4組；每組選取1個偏置繞組Ⅱ串聯，構成1個偏置繞組串Ⅱ，從而形成m個偏置繞組串Ⅱ；

所述錐形定子Ⅱ的4個軸向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個軸向懸浮繞組串Ⅱ；

所述徑向定子Ⅱ的徑向懸浮繞組Ⅱ連接方式為：在水平正方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在水平負方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅱ；

在豎直正方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在豎直負方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅱ；

所述1個軸向懸浮繞組Ⅰ和1個軸向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個軸向懸浮繞組；

所述開關磁阻電機的每個定子齒上繞有1個繞組，所有磁阻電機定子齒上的繞組，分m組，分別連接在一起，構成m個磁阻電機繞組；

1個磁阻電機繞組與1個偏置繞組串Ⅰ和1個偏置繞組串Ⅱ串聯，構成1個轉矩繞組，共m個。

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數采用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繞組，采用串聯、或并列的連接方式，連接在一起，構成1個磁阻電機繞組，共形成3個磁阻電機繞組；所述3個磁阻電機繞組再分別與所述3個偏置繞組串Ⅰ和3個偏置繞組串Ⅱ進行串聯，進而構成3個轉矩繞組，即為三相轉矩繞組。

所述三相轉矩繞組電流之和產生的合成磁通，作為兩個徑向磁軸承和兩個錐形磁軸承的偏置磁通；3相轉矩繞組電流的控制方法與傳統開關磁阻電機相同；控制x和y方向的四個懸浮繞組電流的大小和方向，進而可產生徑向懸浮所需的大小和方向均可控的四個徑向磁拉力，進而實現轉子的徑向四自由度懸浮運行；控制z方向懸浮繞組電流的大小和方向，以及結合3相轉矩繞組電流，進而產生軸向懸浮所需的軸向磁拉力，從而實現轉子的軸向懸浮，最終實現轉子的五自由度懸浮，以及各懸浮力間的解耦控制，以及轉矩和懸浮力的解耦控制。

圖6是本發明混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機實施例3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是磁阻電機繞組，4是徑向定子，5是徑向轉子，6是錐形定子，7是錐形轉子，8是偏置繞組，9是徑向懸浮繞組，10是軸向懸浮繞組，11是轉軸，12是8/6極開關磁阻電機，13是徑向磁軸承Ⅰ，14是錐形磁軸承Ⅰ，15是徑向磁軸承Ⅱ，16是錐形磁軸承Ⅱ，17、18、19分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向。

所述混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機，包括錐形磁軸承Ⅰ、徑向磁軸承Ⅰ、開關磁阻電機、徑向磁軸承Ⅱ和錐形磁軸承Ⅱ；所述錐形磁軸承Ⅰ和徑向磁軸承Ⅰ布置在開關磁阻電機一側，而徑向磁軸承Ⅱ和錐形磁軸承Ⅱ布置開關磁阻電機另一側；

所述錐形磁軸承Ⅰ由錐形定子Ⅰ、錐形轉子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和軸向懸浮繞組Ⅰ構成；

所述錐形磁軸承Ⅱ由錐形定子Ⅱ、錐形轉子Ⅱ、偏置繞組Ⅱ和軸向懸浮繞組Ⅱ構成；

所述徑向磁軸承Ⅰ由徑向定子Ⅰ、徑向轉子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和徑向懸浮繞組Ⅰ構成；

所述徑向磁軸承Ⅱ由徑向定子Ⅱ、徑向轉子Ⅱ、偏置繞組Ⅱ和徑向懸浮繞組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繞組構成；

所述錐形轉子Ⅰ布置在錐形定子Ⅰ內，徑向轉子Ⅰ布置在徑向定子Ⅰ內，磁阻電機轉子布置在磁阻電機定子內，徑向轉子Ⅱ布置在徑向定子Ⅱ內，錐形轉子Ⅱ布置在錐形定子Ⅱ內；所述錐形轉子Ⅰ、徑向轉子Ⅰ、磁阻電機轉子、徑向轉子Ⅱ和錐形轉子Ⅱ套在轉軸上；所述錐形定子Ⅰ、徑向定子Ⅰ、磁阻電機定子、徑向定子Ⅱ和錐形定子Ⅱ串聯布置，且之間均存在間隙；

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；

所述徑向定子Ⅰ由4個E型結構Ⅰ構成，4個E型結構Ⅰ均勻分布，每個E型結構Ⅰ之間相差90°；每個E型結構Ⅰ的齒數為3，包括1個寬齒Ⅰ和2個窄齒Ⅰ，且寬齒Ⅰ位于兩個窄齒Ⅰ之間；所述寬齒Ⅰ的齒寬是窄齒Ⅰ的二倍；所述徑向轉子Ⅰ為圓柱結構；

所述徑向定子Ⅱ由4個E型結構Ⅱ構成，4個E型結構Ⅱ均勻分布，每個E型結構Ⅱ之間相差90°；每個E型結構Ⅱ的齒數為3，包括1個寬齒Ⅱ和2個窄齒Ⅱ，且寬齒Ⅱ位于兩個窄齒Ⅱ之間；所述寬齒Ⅱ的齒寬是窄齒Ⅱ的二倍；所述徑向轉子Ⅱ為圓柱結構；

所述錐形定子Ⅰ的4個定子齒和徑向定子Ⅰ的4個寬齒Ⅰ對齊，所述錐形定子Ⅱ的4個齒和徑向定子Ⅱ的4個寬齒Ⅱ對齊；所述錐形定子Ⅰ和錐形定子Ⅱ的每個定子齒寬與寬齒Ⅰ、寬齒Ⅱ的齒寬相等；

所述錐形定子Ⅰ的每個定子齒上繞有1個軸向懸浮繞組Ⅰ和m個偏置繞組Ⅰ，共4個軸向懸浮繞組Ⅰ和4m個偏置繞組Ⅰ，其中m為開關磁阻電機的相數；

所述徑向定子Ⅰ的每個寬齒Ⅰ上繞有m個偏置繞組Ⅰ，每個窄齒Ⅰ上繞有1個徑向懸浮繞組Ⅰ，共8個徑向懸浮繞組Ⅰ和4m個偏置繞組Ⅰ；

所述偏置繞組Ⅰ的纏繞方式為：每m個偏置繞組Ⅰ橫跨處于同一圓周位置上的1個錐形定子Ⅰ定子齒和1個寬齒Ⅰ，并纏繞在二者之上，共4組；每組選取1個偏置繞組Ⅰ串聯，構成1個偏置繞組串Ⅰ，從而形成m個偏置繞組串Ⅰ；

所述錐形定子Ⅰ的4個軸向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個軸向懸浮繞組串Ⅰ；

所述徑向定子Ⅰ的徑向懸浮繞組Ⅰ連接方式為：在水平正方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在水平負方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅰ；

在豎直正方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在豎直負方向E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯，構成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅰ；

所述錐形定子Ⅱ的每個定子齒上繞有1個軸向懸浮繞組Ⅱ和m個偏置繞組Ⅱ，共4個軸向懸浮繞組Ⅱ和4m個偏置繞組Ⅱ；

所述徑向定子Ⅱ的每個寬齒Ⅱ上繞有m個偏置繞組Ⅱ，每個窄齒Ⅱ上繞有1個徑向懸浮繞組Ⅱ，共8個徑向懸浮繞組Ⅱ和4m個偏置繞組Ⅱ；

所述偏置繞組Ⅱ的纏繞方式為：每m個偏置繞組Ⅱ橫跨處于同一圓周位置上的1個錐形定子Ⅱ定子齒和1個寬齒Ⅱ，并纏繞在二者之上，共4組；每組選取1個偏置繞組Ⅱ串聯，構成1個偏置繞組串Ⅱ，從而形成m個偏置繞組串Ⅱ；

所述錐形定子Ⅱ的4個軸向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個軸向懸浮繞組串Ⅱ；

所述徑向定子Ⅱ的徑向懸浮繞組Ⅱ連接方式為：在水平正方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在水平負方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅱ；

在豎直正方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在豎直負方向E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅱ；

所述1個軸向懸浮繞組Ⅰ和1個軸向懸浮繞組Ⅱ串聯，構成1個軸向懸浮繞組；

所述開關磁阻電機的每個定子齒上繞有1個繞組，所有磁阻電機定子齒上的繞組，分m組，分別連接在一起，構成m個磁阻電機繞組；

1個磁阻電機繞組與1個偏置繞組串Ⅰ和1個偏置繞組串Ⅱ串聯，構成1個轉矩繞組，共m個。

所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子的齒數采用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繞組，采用串聯、或并列的連接方式，連接在一起，構成1個磁阻電機繞組，共形成4個磁阻電機繞組，所述4個磁阻電機繞組再分別與所述4個偏置繞組串Ⅰ和4個偏置繞組串Ⅱ進行串聯，進而構成4個轉矩繞組，即為四相轉矩繞組。

所述四相轉矩繞組電流之和產生的合成磁通，作為兩個徑向磁軸承和兩個錐形磁軸承的偏置磁通；3相轉矩繞組電流的控制方法與傳統開關磁阻電機相同；控制x和y方向的四個懸浮繞組電流的大小和方向，進而可產生徑向懸浮所需的大小和方向均可控的四個徑向磁拉力，進而實現轉子的徑向四自由度懸浮運行；控制z方向懸浮繞組電流的大小和方向，以及結合3相轉矩繞組電流，進而產生軸向懸浮所需的軸向磁拉力，從而實現轉子的軸向懸浮，最終實現轉子的五自由度懸浮，以及各懸浮力間的解耦控制，以及轉矩和懸浮力的解耦控制。

如圖7所示，為本發明實施例1的系統框圖。轉矩控制可采用PWM控制、脈沖控制和角位置控制等傳統開關磁阻電機的控制方法，而懸浮控制則采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θ_on和關斷角θ_off，將轉速誤差信號進行PI調節，獲得轉矩繞組電流參考值再利用電流斬波控制讓實際轉矩繞組電流跟蹤并利用開通角θ_on和關斷角θ_off控制轉矩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三相轉矩繞組電流之和(i₁+i₂+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z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軸方向懸浮繞組實際電流i_s1跟蹤該方向懸繞組電流參考值讓y軸方向懸浮繞組的實際電流i_s2跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

讓徑向磁軸承Ⅱ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s3跟蹤該方向懸繞組電流參考值讓y軸方向懸浮繞組的實際電流i_s4跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

讓z軸方向懸浮繞組實際電流i_z跟蹤該方向懸繞組電流參考值從而實時調節懸浮力，實現電機的五自由度懸浮。

如圖8所示，為本發明的懸浮繞組電流計算方法框圖。圖中，k_f1、k_f2為懸浮力系數，其表達式為：

式中，μ₀為真空磁導率，l₁為徑向磁軸承的軸向長度，l₂為錐形磁軸承的軸向長度，r為磁軸承轉子的平均半徑，α_s為徑向磁軸承E型結構寬定子的極弧角，δ為磁軸承部分的單邊氣隙長度，γ為E型結構寬、窄定子磁極中心線的夾角，ε為錐形磁軸承的錐形角。

徑向磁軸承Ⅰ的x和y軸方向懸浮力和的表達式為：

式中，i₁、i₂、i₃分別為A、B、C三相轉矩繞組的電流，分別為徑向磁軸承Ⅰ的x、y軸方向懸浮繞組電流，N_b、N_s分別偏置繞組和徑向懸浮繞組的匝數。

徑向磁軸承Ⅱ的x和y軸方向懸浮力和的表達式為：

式中，分別為徑向磁軸承Ⅱ的x、y軸方向懸浮繞組電流。

兩錐形磁軸承產生的z軸方向懸浮力的表達式為：

式中，N_z為軸向懸浮繞組的匝數，i_z為軸向懸浮繞組的電流。

由表達式(3)～(7)可知，本發明混合磁軸承開關磁阻電機的徑向、軸向懸浮力與轉子位置角θ無關，僅與電機結構參數、三相轉矩繞組電流和五個懸浮繞組電流有關。其中，四個徑向懸浮力僅與該方向徑向懸浮電流和三相轉矩繞組電流有關，軸向懸浮力同樣僅與軸向懸浮電流和三相轉矩繞組電流有關，因此五個徑向懸浮力間相互解耦；又因為五個懸浮力均與轉子位置角無關，因此轉矩和懸浮力間可解耦控制。

需要指出的是，由于懸浮力正負隨懸浮繞組電流的正負變化而變化，因此五個懸浮繞組電流方向在控制時會發生變化，需采用可調電流方向的功率變換器。

本發明磁懸浮電機的控制方法，所述混合徑向錐形磁軸承開關磁阻電機包括一個開關磁阻磁阻電機、兩個徑向磁軸承和兩個錐形磁軸承，其中開關磁阻電機產生旋轉轉矩，兩個徑向磁軸承產生4個徑向懸浮力，兩個錐形磁軸承產生軸向懸浮力，以實現轉子五個方向的懸浮運行；所述電機繞組由m相轉矩繞組，4個徑向懸浮繞組和1個軸向懸浮繞組構成，其中獨立控制m相轉矩繞組電流，以調節轉矩，并產生偏置磁通；獨立控制5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，獲取給定轉矩繞組電流、開通角和關斷角；具體步驟如下：

步驟A-1，采集轉子實時轉速，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，獲得轉矩繞組電流參考值i_m^*；開通角θ_on和關斷角θ_off保持恒定，θ_on和θ_off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θ_on和關斷角θ_off，轉矩繞組電流不控制；

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，獲取徑向轉子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B-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，獲取徑向轉子Ⅱ的x軸和y軸方向的實時位移信號α₂和β₂；

步驟C-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，獲取z軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：

步驟D-1，獲取轉子z軸方向的實時位移信號z，其中z軸與x軸和y軸方向垂直；

步驟D-2，將實時位移信號z與給定的參考位移信號z^*相減，得到z軸方向的實時位移信號差Δz，將所述實時位移信號差Δz經過比例積分微分控制器，得到的z軸方向懸浮力

步驟E，調節懸浮力，具體步驟如下：

步驟E-1，采集m相實時的轉矩繞組電流，根據所述懸浮力和以及電流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，k_f1為懸浮力系數，μ₀為真空磁導率，l₁為徑向磁軸承的軸向長度，r₁為徑向磁軸承轉子的半徑，α_s為E型結構中寬齒的極弧角，δ₁為徑向磁軸承的單邊氣隙長度，N_b、N_s分別偏置繞組和徑向懸浮繞組的匝數，i_k為第k相轉矩繞組電流，γ為E型結構中寬齒與窄齒中心線間的夾角；

步驟E-2，根據所述懸浮力和以及電流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E-3，根據所述懸浮力以及電流計算公式解算得到z軸方向懸浮繞組電流參考值其中，k_f2為懸浮力系數，l₂為錐形磁軸承的軸向長度，r₂為錐形磁軸承轉子的平均半徑，δ₂為錐形磁軸承的單邊氣隙長度，ε為錐形角，N_z為軸向懸浮繞組的匝數；

步驟E-4，利用電流斬波控制方法，用徑向磁軸承Ⅰ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s1跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向懸浮繞組的實際電流i_s2跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用徑向磁軸承Ⅱ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s3跟蹤該方向懸繞組電流參考值用y軸方向懸浮繞組的實際電流i_s4跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用z軸方向懸浮繞組實際電流i_z跟蹤該方向懸繞組電流參考值從而實時調節懸浮力；

步驟F，調節轉矩；具體步驟如下：

步驟F-1，當ω≤ω₀時，利用電流斬波控制方法，以轉矩繞組的實際電流i_m跟蹤轉矩繞組電流參考值i_m^*，進而實時調節轉矩繞組電流i_m，進而達到調節轉矩的目的；

步驟F-2，當ω>ω₀時，利用角度位置控制方法，調節開通角θ_on和關斷角θ_off的取值，從而實時調節轉矩。

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，只要兩相工作制以上的開關磁阻電機均適用，僅需在磁軸承寬齒數上纏繞相對應相數個偏置繞組即可，而其他結構均不變。

綜上所述，本發明在結構上實現了轉矩和懸浮力的解耦；開關磁阻電機電樞繞組與磁軸承偏置繞組串聯同時勵磁的方式，提升了系統的機電能量轉換效率，以及提高了電流的利用率；僅需控制五個方向懸浮繞組電流，即可產生五個方向的所需懸浮力，且每個方向懸浮力均僅與該方向懸浮繞組電流成正比，控制變量少，懸浮控制簡單，懸浮系統功率變換器成本小；轉矩控制與傳統開關磁阻電機相同，利于轉矩輸出，高速適應性進一步加強。

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，本發明并不局限于上述具體實例，其僅僅作為例子對本發明的一種形態進行詳細、示范性的說明。在不背離本發明宗旨的范圍內，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范圍及其等同范圍之內。