本發明涉及一種錐形磁懸浮雙通道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，尤其是與具有冗余功能的雙通道開關磁阻電機的集合，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：

本發明為了克服現有技術的不足，提出一種錐形磁懸浮雙通道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、懸浮系統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雙通道開關磁阻電機；所述控制方法通過控制兩個通道轉矩繞組電流和四個徑向懸浮電流，進而同時實現五自由度懸浮和旋轉運行，懸浮和旋轉控制簡單，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：

一種錐形磁懸浮雙通道開關磁阻電機，包括錐形磁軸承Ⅰ、開關磁阻電機和錐形磁軸承Ⅱ；

所述開關磁阻電機布置在錐形磁軸承Ⅰ和錐形磁軸承Ⅱ之間；

錐形磁軸承Ⅰ由錐形定子Ⅰ、錐形轉子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和徑向懸浮繞組Ⅰ構成；

錐形磁軸承Ⅱ由錐形定子Ⅱ、錐形轉子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，錐形轉子Ⅱ布置在錐形定子Ⅱ內，磁阻電機轉子布置在磁阻電機定子內；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和錐形定子Ⅱ均為錐形凸極結構，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，磁阻電機定子的齒數為12，磁阻電機轉子的齒數為8；所述開關磁阻電機的相數為3；所述開關磁阻電機的每相繞組由4個相隔90°的磁阻電機定子齒上的繞組組成，每相4個繞組分別連接在一起，構成該相2個通道繞組，三相繞組共可構成6個通道繞組；連接方式為：每相4個繞組中，相隔180°的兩個繞組，串聯在一起，構成該相通道Ⅰ繞組，剩余兩個相隔180°的繞組，串聯在一起，構成該相通道Ⅱ繞組；

所述錐形定子Ⅰ由4個錐形E型結構Ⅰ構成，4個錐形E型結構Ⅰ均勻分布，每個錐形E型結構Ⅰ之間相差90°；每個錐形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；

所述每個寬齒Ⅰ上均繞有3個寬齒繞組Ⅰ，在所述每個寬齒Ⅰ上選取1個寬齒繞組Ⅰ，串聯成1個偏置繞組Ⅰ，從而形成3個偏置繞組Ⅰ；

所述每個窄齒Ⅰ上均繞有1個徑向懸浮繞組Ⅰ，即共8個徑向懸浮繞組Ⅰ；

在水平正方向錐形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串聯在一起，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在水平負方向錐形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串聯在一起，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串聯在一起，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅰ；

在豎直正方向錐形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串聯在一起，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在豎直負方向錐形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串聯在一起，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串聯在一起，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅰ；

所述錐形定子Ⅱ由4個錐形E型結構Ⅱ構成，4個錐形E型結構Ⅱ均勻分布，每個錐形E型結構Ⅱ之間相差90°；每個錐形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；

所述每個寬齒Ⅱ上均繞有3個寬齒繞組Ⅱ，在所述每個寬齒Ⅱ上選取1個寬齒繞組Ⅱ，串聯成1個偏置繞組Ⅱ，從而形成3個偏置繞組Ⅱ；

所述每個窄齒Ⅱ上均繞有1個徑向懸浮繞組Ⅱ，即共8個徑向懸浮繞組Ⅱ；

在水平正方向錐形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串聯在一起，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在水平負方向錐形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串聯在一起，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串聯在一起，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅱ；

在豎直正方向錐形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串聯在一起，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在豎直負方向錐形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串聯在一起，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串聯在一起，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅱ；

所述開關磁阻電機的1個通道Ⅰ繞組和1個偏置繞組Ⅰ串聯，構成1個通道Ⅰ轉矩繞組，共3個，即三相通道Ⅰ轉矩繞組；

所述開關磁阻電機的1個通道Ⅱ繞組和1個偏置繞組Ⅱ串聯，構成1個通道Ⅱ轉矩繞組，共3個，即三相通道Ⅱ轉矩繞組。

所述錐形磁懸浮雙通道開關磁阻電機包括1個開關磁阻磁阻電機和2個錐形磁軸承，其中開關磁阻電機每個通道繞組獨立控制，產生旋轉轉矩，并分別為兩個錐形磁軸承提供偏置磁通，同時與2個錐形磁軸承協調控制，共同產生五個方向懸浮力，以實現轉子五個方向的懸浮運行；包括如下步驟：

步驟A，獲取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ轉矩繞組平均電流的參考值、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，所述轉速差Δω，通過比例積分控制器，獲得每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的轉矩繞組平均電流的參考值i_av^*；開通角θ_on和關斷角θ_off保持不變，θ_on和θ_off的初值都由電機結構形式決定；

步驟B，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B-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，得到錐形磁軸承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C-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，得到錐形磁軸承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，獲取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的轉矩繞組電流的參考值，具體步驟如下：

步驟E-1，根據所述懸浮力和轉矩繞組電流參考值i_av^*，以及計算公式解算通道Ⅰ和通道Ⅱ轉矩繞組電流差的參考值Δi^*；其中，k_f1、k_f2為懸浮力系數，μ₀為真空磁導率，l為磁軸承部分的軸向長度，r為磁軸承轉子的平均半徑，α_s為E型結構窄齒的極弧角，δ為磁軸承部分的單邊氣隙長度，N_b、N_s分別偏置繞組和徑向懸浮繞組的匝數，N_z為軸向懸浮繞組的匝數，γ為E型結構寬齒與窄齒間的夾角，ε為錐形角；

步驟E-2，根據所述i_av^*和Δi^*，以及計算公式和分別計算得到通道Ⅰ轉矩電流的參考值和通道Ⅱ轉矩電流的參考值

步驟F，調節徑向懸浮力，具體步驟如下：

步驟F-1，根據所述懸浮力和通道Ⅰ轉矩電流的參考值和通道Ⅱ轉矩電流的參考值以及電流計算公式和解算得到錐形磁軸承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

步驟F-2，根據所述懸浮力和通道Ⅰ轉矩電流的參考值和通道Ⅱ轉矩電流的參考值以及電流計算公式和解算得到錐形磁軸承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F-3，利用電流斬波控制方法，用錐形磁軸承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

用錐形磁軸承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

步驟G，調節轉矩和軸向懸浮力；用通道Ⅰ的轉矩繞組實際電流i_1I跟蹤該轉矩繞組電流參考值用通道Ⅱ的轉矩繞組實際電流i_1II跟蹤該轉矩繞組電流參考值進而達到同時調節轉矩和軸向懸浮力的目的。

本發明的有益效果：本發明提出了一種錐形磁懸浮雙通道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)3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，四個徑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)削除了運動電動勢的對繞組電流斬波控制的影響，電流實時控制效果好；

(5)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是本發明錐形磁懸浮雙通道開關磁阻電機的三維結構示意圖。

圖2是本發明A相兩通道轉矩繞組在磁阻電機部分產生的磁通分布示意圖。

圖3是錐形磁軸承Ⅰ的磁通分布圖。

圖4是本發明錐形磁懸浮雙通道開關磁阻電機控制方法的系統框圖。

圖5是本發明錐形磁懸浮雙通道開關磁阻電機控制方法中各繞組電流計算方法框圖。

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是磁阻電機繞組，4是錐形定子，5是錐形轉子，6是偏置繞組，7是徑向懸浮繞組，8是轉軸，9是12/8極開關磁阻電機，10是錐形磁軸承Ⅰ，11是錐形磁軸承Ⅱ，12、13、14分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向，15是12/8極開關磁阻電機A相雙通道繞組產生的磁通，16是氣隙1，17是氣隙2，18是氣隙3，19是氣隙4，20為三相轉矩繞組在錐形磁軸承Ⅰ內產生的偏置磁通，21是錐形磁軸承Ⅰ徑向繞組產生的磁通。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明一種錐形磁懸浮雙通道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，是本發明錐形磁懸浮雙通道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是錐形定子，5是錐形轉子，6是偏置繞組，7是徑向懸浮繞組，8是轉軸，9是12/8極開關磁阻電機，10是錐形磁軸承Ⅰ，11是錐形磁軸承Ⅱ，12、13、14分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向。

所述錐形磁懸浮雙通道開關磁阻電機，包括錐形磁軸承Ⅰ、開關磁阻電機和錐形磁軸承Ⅱ；

所述開關磁阻電機布置在錐形磁軸承Ⅰ和錐形磁軸承Ⅱ之間；

錐形磁軸承Ⅰ由錐形定子Ⅰ、錐形轉子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和徑向懸浮繞組Ⅰ構成；

錐形磁軸承Ⅱ由錐形定子Ⅱ、錐形轉子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，錐形轉子Ⅱ布置在錐形定子Ⅱ內，磁阻電機轉子布置在磁阻電機定子內；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和錐形定子Ⅱ均為錐形凸極結構，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，磁阻電機定子的齒數為12，磁阻電機轉子的齒數為8；所述開關磁阻電機的相數為3；所述開關磁阻電機的每相繞組由4個相隔90°的磁阻電機定子齒上的繞組組成，每相4個繞組分別連接在一起，構成該相2個通道繞組，三相繞組共可構成6個通道繞組；連接方式為：每相4個繞組中，相隔180°的兩個繞組，串聯在一起，構成該相通道Ⅰ繞組，剩余兩個相隔180°的繞組，串聯在一起，構成該相通道Ⅱ繞組；

所述錐形定子Ⅰ由4個錐形E型結構Ⅰ構成，4個錐形E型結構Ⅰ均勻分布，每個錐形E型結構Ⅰ之間相差90°；每個錐形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；

所述每個寬齒Ⅰ上均繞有3個寬齒繞組Ⅰ，在所述每個寬齒Ⅰ上選取1個寬齒繞組Ⅰ，串聯成1個偏置繞組Ⅰ，從而形成3個偏置繞組Ⅰ；

所述每個窄齒Ⅰ上均繞有1個徑向懸浮繞組Ⅰ，即共8個徑向懸浮繞組Ⅰ；

在水平正方向錐形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串聯在一起，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在水平負方向錐形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串聯在一起，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串聯在一起，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅰ；

在豎直正方向錐形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串聯在一起，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在豎直負方向錐形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串聯在一起，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串聯在一起，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅰ；

所述錐形定子Ⅱ由4個錐形E型結構Ⅱ構成，4個錐形E型結構Ⅱ均勻分布，每個錐形E型結構Ⅱ之間相差90°；每個錐形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；

所述每個寬齒Ⅱ上均繞有3個寬齒繞組Ⅱ，在所述每個寬齒Ⅱ上選取1個寬齒繞組Ⅱ，串聯成1個偏置繞組Ⅱ，從而形成3個偏置繞組Ⅱ；

所述每個窄齒Ⅱ上均繞有1個徑向懸浮繞組Ⅱ，即共8個徑向懸浮繞組Ⅱ；

在水平正方向錐形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串聯在一起，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在水平負方向錐形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串聯在一起，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串聯在一起，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅱ；

在豎直正方向錐形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串聯在一起，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在豎直負方向錐形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串聯在一起，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串聯在一起，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅱ；

所述開關磁阻電機的1個通道Ⅰ繞組和1個偏置繞組Ⅰ串聯，構成1個通道Ⅰ轉矩繞組，共3個，即三相通道Ⅰ轉矩繞組；

所述開關磁阻電機的1個通道Ⅱ繞組和1個偏置繞組Ⅱ串聯，構成1個通道Ⅱ轉矩繞組，共3個，即三相通道Ⅱ轉矩繞組。

所述開關磁阻電機的每相兩個通道繞組，同時導通分別為兩個錐形磁軸承提供偏置磁通，每個通道的三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，以及軸向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；控制兩個通道轉矩繞組電流的大小，以及結合四個徑向懸浮繞組電流，進而產生軸向懸浮所需的軸向磁拉力和旋轉環境，最終實現轉子的五自由度懸浮運行。

圖2為本發明A相雙通道轉矩繞組在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°的線圈構成，其中相對極的兩個線圈串聯，構成A相通道Ⅰ繞組；另外兩個相對極的線圈串聯，構成A相通道Ⅱ繞組。圖中，i_1Ⅰ+、i_1Ⅰ-分別為A相通道Ⅰ繞組的流入和流出電流，i_1Ⅱ+、i_1Ⅱ-分別為A相通道Ⅱ繞組的流入和流出電流，兩通道產生的磁通極性呈NSNS分布。B、C相的兩通道轉矩繞組與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是錐形磁軸承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20)，徑向懸浮繞組產生的磁通如圖中點虛線所示(線標號為21)。偏置繞組產生的磁通在4個軸向力定子齒上呈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，合理控制三相兩通道轉矩繞組電流時，以及四個懸浮繞組電流的大小和方向，即可實現五自由度懸浮和旋轉。

三相兩通道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，轉子徑向和軸向位移由電渦流傳感器實時檢測獲得，經PID調節得到三個方向懸浮力的給定值。

如圖4所示，為本發明錐形磁懸浮雙通道開關磁阻電機控制方法的系統框圖。控制思路為：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，獲得兩通道轉矩繞組平均電流參考值

將位移誤差信號進行PID調節獲得給定懸浮力根據和兩通道電流差Δi^*，之后通過電流計算獲得兩通道轉矩繞組電流參考值和然后通過懸浮繞組控制器，可分別計算得到兩個錐形磁軸承的四個懸浮繞組電流的參考值，即錐形磁軸承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錐形磁軸承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

利用電流斬波控制方法，讓錐形磁軸承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

讓錐形磁軸承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

用通道Ⅰ的轉矩繞組實際電流i_1I跟蹤該轉矩繞組電流參考值用通道Ⅱ的轉矩繞組實際電流i_1II跟蹤該轉矩繞組電流參考值進而達到同時調節轉矩和軸向懸浮力的目的。

如圖5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，l為磁軸承部分的軸向長度，r為磁軸承轉子的平均半徑，α_s為E型結構窄定子的極弧角，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為錐形角。

A相導通時，錐形磁軸承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，分別為錐形磁軸承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，N_z為軸向懸浮繞組的匝數，i_z為軸向懸浮繞組的電流。

A相導通時，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軸方向懸浮繞組電流。

A相導通時，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。

為減小控制難度，令

其中，為A相兩通道繞組電流的平均值，Δi^*為A相兩通道繞組電流的平均差。則，z軸方向懸浮力的表達式變為：

將式(3)～(6)帶入式(9)中，則，z軸方向懸浮力的表達式變為：

由于Δi^*相對于較小，為簡化控制，忽略式(10)中分母中的Δi^*，進而可得到z軸方向懸浮力的表達式為：

由表達式(3)～(6)和(11)可知，通過簡化處理后，錐形磁懸浮雙通道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、該相兩通道轉矩繞組電流和四個懸浮繞組電流有關。

所述錐形磁懸浮雙通道開關磁阻電機包括1個開關磁阻磁阻電機和2個錐形磁軸承，其中開關磁阻電機每個通道繞組獨立控制，產生旋轉轉矩，并分別為兩個錐形磁軸承提供偏置磁通，同時與2個錐形磁軸承協調控制，共同產生五個方向懸浮力，以實現轉子五個方向的懸浮運行；包括如下步驟：

步驟A，獲取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ轉矩繞組平均電流的參考值、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，所述轉速差Δω，通過比例積分控制器，獲得每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的轉矩繞組平均電流的參考值i_av^*；開通角θ_on和關斷角θ_off固定不變，θ_on和θ_off取值由電機結構形式決定；

步驟B，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B-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，得到錐形磁軸承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C-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，得到錐形磁軸承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，獲取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的轉矩繞組電流的參考值，具體步驟如下：

步驟E-1，根據所述懸浮力和轉矩繞組電流參考值i_av^*，以及計算公式解算通道Ⅰ和通道Ⅱ轉矩繞組電流差的參考值Δi^*；其中，k_f1、k_f2為懸浮力系數，μ₀為真空磁導率，l為磁軸承部分的軸向長度，r為磁軸承轉子的平均半徑，α_s為E型結構窄齒的極弧角，δ為磁軸承部分的單邊氣隙長度，N_b、N_s分別偏置繞組和徑向懸浮繞組的匝數，N_z為軸向懸浮繞組的匝數，γ為E型結構寬齒與窄齒間的夾角，ε為錐形角；

步驟E-2，根據所述i_av^*和Δi^*，以及計算公式和分別計算得到通道Ⅰ轉矩電流的參考值和通道Ⅱ轉矩電流的參考值

步驟F，調節徑向懸浮力，具體步驟如下：

步驟F-1，根據所述懸浮力和通道Ⅰ轉矩電流的參考值和通道Ⅱ轉矩電流的參考值以及電流計算公式和解算得到錐形磁軸承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

步驟F-2，根據所述懸浮力和通道Ⅰ轉矩電流的參考值和通道Ⅱ轉矩電流的參考值以及電流計算公式和解算得到錐形磁軸承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F-3，利用電流斬波控制方法，用錐形磁軸承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

用錐形磁軸承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

步驟G，調節轉矩和軸向懸浮力；用通道Ⅰ的轉矩繞組實際電流i_1I跟蹤該轉矩繞組電流參考值用通道Ⅱ的轉矩繞組實際電流i_1II跟蹤該轉矩繞組電流參考值進而達到同時調節轉矩和軸向懸浮力的目的。

綜上所述，本發明每個錐形磁軸承的偏置繞組與開關磁阻電機的一個通道繞組串聯在一起，構成三相轉矩繞組；每個錐形磁軸承的兩個徑向懸浮繞組控制兩個自由度的懸浮，共四個徑向自由度，且徑向懸浮力間可解耦控制；通過開關磁阻電機兩個通道繞組的電流，進而控制轉矩和軸向懸浮，無需單獨軸向懸浮繞組，即可實現五自由度懸浮。本發明電機及控制方法，控制變量少，控制簡單，且冗余度高。

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。