一种锥形磁悬浮开关磁阻电机及控制方法技术领域
本发明涉及一种锥形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。
发明内容
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及控制方
法。所述电机是一种悬浮力和转矩结构上解耦、功率变换器成本较低以及悬浮控制对象较
少的新型五自由度磁悬浮开关磁阻电机；所述控制方法可独立控制转矩绕组电流和悬浮绕
组电流，旋转和悬浮系统间相互解耦，彼此影响弱；五自由度悬浮控制类似磁悬浮轴承，采
用恒导通控制策略，并且仅需控制五个方向悬浮绕组电流，即可产生所需的五个方向悬浮
力，控制变量少，悬浮控制简单，悬浮系统功率变换器成本低。
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，包括锥形磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承
Ⅱ；所述开关磁阻电机布置在锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ之间；
锥形磁轴承Ⅰ由锥形定子Ⅰ、锥形转子Ⅰ、偏置绕组Ⅰ、径向悬浮绕组Ⅰ和轴向悬浮绕
组Ⅰ构成；
锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、偏置绕组Ⅱ、径向悬浮绕组Ⅱ和轴向悬
浮绕组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绕组构成；
所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内，磁阻电机
转子布置在磁阻电机定子内；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和锥形定子Ⅱ均为锥形凸极结构，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；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子的齿数为12，磁
阻电机转子的齿数为8；所述开关磁阻电机的相数为3；
所述锥形定子Ⅰ由4个锥形E型结构Ⅰ构成，4个锥形E型结构Ⅰ均匀分布，每个锥形E
型结构Ⅰ之间相差90°；每个锥形E型结构Ⅰ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅰ和2个窄齿Ⅰ，且宽齿Ⅰ位
于两个窄齿Ⅰ之间；所述宽齿Ⅰ的齿宽是窄齿Ⅰ的二倍；
所述每个宽齿Ⅰ上均绕有3个宽齿绕组Ⅰ，在所述每个宽齿Ⅰ上选取1个宽齿绕组Ⅰ，
串联成1个偏置绕组Ⅰ，从而形成3个偏置绕组Ⅰ；
所述每个窄齿Ⅰ上均绕有1个径向悬浮绕组Ⅰ和1个轴向悬浮绕组Ⅰ，即共8个轴向悬
浮绕组Ⅰ和8个径向悬浮绕组Ⅰ；
所述8个轴向悬浮绕组Ⅰ串联一起，构成1个轴向悬浮绕组串Ⅰ；
在水平正方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一
起，构成1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅰ；在水平负方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ
上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅰ；所述1个水平正
方向径向悬浮绕组串Ⅰ和1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅰ串联在一起，构成1个水平径向悬
浮绕组Ⅰ；
在竖直正方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一
起，构成1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅰ；在竖直负方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ
上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅰ；所述1个竖直正
方向径向悬浮绕组串Ⅰ和1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅰ串联在一起，构成1个竖直径向悬
浮绕组Ⅰ；
所述锥形定子Ⅱ由4个锥形E型结构Ⅱ构成，4个锥形E型结构Ⅱ均匀分布，每个锥
形E型结构Ⅱ之间相差90°；每个锥形E型结构Ⅱ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅱ和2个窄齿Ⅱ，且
宽齿Ⅱ位于两个窄齿Ⅱ之间；所述宽齿Ⅱ的齿宽是窄齿Ⅱ的二倍；
所述每个宽齿Ⅱ上均绕有3个宽齿绕组Ⅱ，在所述每个宽齿Ⅱ上选取1个宽齿绕组
Ⅱ，串联成1个偏置绕组Ⅱ，从而形成3个偏置绕组Ⅱ；
所述每个窄齿Ⅱ上均绕有1个径向悬浮绕组Ⅱ和1个轴向悬浮绕组Ⅱ，即共8个轴
向悬浮绕组Ⅱ和8个径向悬浮绕组Ⅱ；
所述8个轴向悬浮绕组Ⅱ串联一起，构成1个轴向悬浮绕组串Ⅱ；
在水平正方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联
在一起，构成1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅱ；在水平负方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两
个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅱ；所
述1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅱ和1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅱ串联在一起，构成
1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；
在竖直正方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联
在一起，构成1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅱ；在竖直负方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两
个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅱ；所
述1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅱ和1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅱ串联在一起，构成
1个竖直径向悬浮绕组Ⅱ；
所述1个轴向悬浮绕组Ⅰ和1个轴向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个轴向悬浮绕组；
所述开关磁阻电机定子齿数为12，其每个定子齿上绕有1个绕组，每4个相隔90°的
磁阻电机定子齿上的绕组，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
个磁阻电机绕组，共形成3个磁阻电机绕组；
1个磁阻电机绕组与1个偏置绕组Ⅰ和1个偏置绕组Ⅱ串联，构成1个转矩绕组，共3
个，即为三相转矩绕组。
所述锥形磁悬浮开关磁阻电机包括1个开关磁阻磁阻电机和2个锥形磁轴承，其中
开关磁阻电机产生旋转转矩，2个锥形磁轴承产生五个方向悬浮力，以实现转子五个方向的
悬浮运行；所述电机包括3相转矩绕组，4个径向悬浮绕组和1个轴向悬浮绕组，其中，独立控
制3相转矩绕组电流，以调节转矩，并产生偏置磁通；独立控制5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，获取给定转矩绕组电流、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，获得转矩绕组电流参考值im*；开通角θon和关断角θoff保持不
变，θon和θoff的初值都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，转矩绕组电流不控制；
步骤B，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B-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B-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C，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C-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，得到锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力
步骤D，获取z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤D-1，获取转子z轴方向的实时位移信号z，其中z轴与x轴和y轴方向垂直；
步骤D-2，将实时位移信号z与给定的参考位移信号z*相减，得到z轴方向的实时位
移信号差Δz，将所述实时位移信号差Δz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向悬浮力
步骤E，调节悬浮力，具体步骤如下：
步骤E-1，采集m相实时的转矩绕组电流，根据所述悬浮力和以及电流计算
公式和解
算得到锥形磁轴承Ⅰ的x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其
中，kf1、kf2为悬浮力系数，μ0为真空磁导率，l为
磁轴承部分的轴向长度，r为磁轴承转子的平均半径，αs为E型结构窄齿的极弧角，δ为磁轴
承部分的单边气隙长度，Nb、Ns分别偏置绕组和径向悬浮绕组的匝数，Nz为轴向悬浮绕组的
匝数，ik为第k相转矩绕组电流，m为相数，其值为3，γ为E型结构宽齿与窄齿间的夹角，ε为
锥形角；
步骤E-2，根据所述悬浮力和以及电流计算公式
和解
算得到锥形磁轴承Ⅱ的x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
步骤E-3，采集m相实时的转矩绕组电流和四个径向悬浮绕组电流，根据所述悬浮
力以及电流计算公式解算得到z轴方向悬浮绕组电流参考值
步骤E-4，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承Ⅰ的x轴方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轴方向悬浮绕组的实际电流is2跟踪该方向悬浮绕组
电流参考值
用锥形磁轴承Ⅱ的x轴方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轴方向悬浮绕组的实际电流is4跟踪该方向悬浮绕组电流参考值
用z轴方向悬浮绕组实际电流iz跟踪该方向悬绕组电流参考值从而实时调节悬
浮力；
步骤F，调节转矩；具体步骤如下：
步骤F-1，当ω≤ω0时，利用电流斩波控制方法，以转矩绕组的实际电流im跟踪转
矩绕组电流参考值im*，进而实时调节转矩绕组电流im，进而达到调节转矩的目的；
步骤F-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：本发明提出了一种锥形磁悬浮开关磁阻电机及其控制方法，
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)采用转矩绕组与偏置绕组串联共同励磁的方式，电流利用率高；
(3)3相转矩绕组之和产生的磁通作为偏置磁通，只需控制五个悬浮绕组电流，不
需要为悬浮运行而控制转矩绕组电流，便可产生五个方向所需悬浮力，四个径向悬浮力间
相互解耦，控制变量少，悬浮控制简单，悬浮系统功率变换器成本小；
(4)削除了运动电动势的对绕组电流斩波控制的影响，电流实时控制效果好；
(5)电机拓展性好，对开关磁阻电机结构无限制，只要两相工作制以上的开关磁阻
电机均适用。
附图说明
图1是本发明锥形磁悬浮开关磁阻电机的三维结构示意图。
图2是本发明A相转矩绕组在磁阻电机部分产生的磁通分布示意图。
图3是锥形磁轴承Ⅰ的磁通分布图。
图4是锥形磁轴承Ⅱ的磁通分布图。
图5是本发明锥形磁悬浮开关磁阻电机控制方法的系统框图。
图6是本发明锥形磁悬浮开关磁阻电机控制方法中悬浮绕组电流计算方法框图。
附图标记说明：图1至图6中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是磁阻电机绕
组，4是锥形定子，5是锥形转子，6是偏置绕组，7是径向悬浮绕组，8是轴向悬浮绕组，9是转
轴，10是12/8极开关磁阻电机，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是开关磁阻电机绕组产生的磁通，17是气隙1，18是气隙2，19是
气隙3，20是气隙4，21为三相转矩绕组在锥形磁轴承Ⅰ内产生的偏置磁通，22是锥形磁轴承Ⅰ
径向绕组产生的磁通，23是轴向绕组在锥形磁轴承Ⅰ内产生的磁通，24为三相转矩绕组在锥
形磁轴承Ⅱ内产生的偏置磁通，25是锥形磁轴承Ⅱ径向绕组产生的磁通，26是轴向绕组在
锥形磁轴承Ⅱ内产生的磁通。
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，是本发明锥形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是磁阻电机绕组，4是锥形定子，5是锥形转子，6是偏
置绕组，7是径向悬浮绕组，8是轴向悬浮绕组，9是转轴，10是12/8极开关磁阻电机绕组，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。
所述锥形磁悬浮开关磁阻电机，包括锥形磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承
Ⅱ；
所述开关磁阻电机布置在锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ之间；
锥形磁轴承Ⅰ由锥形定子Ⅰ、锥形转子Ⅰ、偏置绕组Ⅰ、径向悬浮绕组Ⅰ和轴向悬浮绕
组Ⅰ构成；
锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、偏置绕组Ⅱ、径向悬浮绕组Ⅱ和轴向悬
浮绕组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绕组构成；
所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内，磁阻电机
转子布置在磁阻电机定子内；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和锥形定子Ⅱ均为锥形凸极结构，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；
所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子的齿数为12，磁
阻电机转子的齿数为8；所述开关磁阻电机的相数为3；
所述锥形定子Ⅰ由4个锥形E型结构Ⅰ构成，4个锥形E型结构Ⅰ均匀分布，每个锥形E
型结构Ⅰ之间相差90°；每个锥形E型结构Ⅰ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅰ和2个窄齿Ⅰ，且宽齿Ⅰ位
于两个窄齿Ⅰ之间；所述宽齿Ⅰ的齿宽是窄齿Ⅰ的二倍；
所述每个宽齿Ⅰ上均绕有3个宽齿绕组Ⅰ，在所述每个宽齿Ⅰ上选取1个宽齿绕组Ⅰ，
串联成1个偏置绕组Ⅰ，从而形成3个偏置绕组Ⅰ；
所述每个窄齿Ⅰ上均绕有1个径向悬浮绕组Ⅰ和1个轴向悬浮绕组Ⅰ，即共8个轴向悬
浮绕组Ⅰ和8个径向悬浮绕组Ⅰ；
所述8个轴向悬浮绕组Ⅰ串联一起，构成1个轴向悬浮绕组串Ⅰ；
在水平正方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一
起，构成1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅰ；在水平负方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ
上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅰ；所述1个水平正
方向径向悬浮绕组串Ⅰ和1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅰ串联在一起，构成1个水平径向悬
浮绕组Ⅰ；
在竖直正方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一
起，构成1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅰ；在竖直负方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ
上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅰ；所述1个竖直正
方向径向悬浮绕组串Ⅰ和1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅰ串联在一起，构成1个竖直径向悬
浮绕组Ⅰ；
所述锥形定子Ⅱ由4个锥形E型结构Ⅱ构成，4个锥形E型结构Ⅱ均匀分布，每个锥
形E型结构Ⅱ之间相差90°；每个锥形E型结构Ⅱ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅱ和2个窄齿Ⅱ，且
宽齿Ⅱ位于两个窄齿Ⅱ之间；所述宽齿Ⅱ的齿宽是窄齿Ⅱ的二倍；
所述每个宽齿Ⅱ上均绕有3个宽齿绕组Ⅱ，在所述每个宽齿Ⅱ上选取1个宽齿绕组
Ⅱ，串联成1个偏置绕组Ⅱ，从而形成3个偏置绕组Ⅱ；
所述每个窄齿Ⅱ上均绕有1个径向悬浮绕组Ⅱ和1个轴向悬浮绕组Ⅱ，即共8个轴
向悬浮绕组Ⅱ和8个径向悬浮绕组Ⅱ；
所述8个轴向悬浮绕组Ⅱ串联一起，构成1个轴向悬浮绕组串Ⅱ；
在水平正方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联
在一起，构成1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅱ；在水平负方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两
个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅱ；所
述1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅱ和1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅱ串联在一起，构成
1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；
在竖直正方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联
在一起，构成1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅱ；在竖直负方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两
个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅱ；所
述1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅱ和1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅱ串联在一起，构成
1个竖直径向悬浮绕组Ⅱ；
所述1个轴向悬浮绕组Ⅰ和1个轴向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个轴向悬浮绕组；
所述开关磁阻电机定子齿数为12，其每个定子齿上绕有1个绕组，每4个相隔90°的
磁阻电机定子齿上的绕组，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
个磁阻电机绕组，共形成3个磁阻电机绕组；
1个磁阻电机绕组与1个偏置绕组Ⅰ和1个偏置绕组Ⅱ串联，构成1个转矩绕组，共3
个，即为三相转矩绕组。
所述三相转矩绕组电流之和产生的合成磁通，作为两锥形转子悬浮的偏置磁通；3
相转矩绕组电流的控制方法与传统开关磁阻电机相同；控制x和y方向的四个悬浮绕组电
流，以及轴向绕组电流的大小和方向，进而可产生径向悬浮所需的大小和方向均可控的四
个径向磁拉力，进而实现转子的径向四自由度悬浮运行；控制z方向悬浮绕组电流的大小和
方向，以及结合四个径向悬浮绕组电流和3相转矩绕组电流，进而产生轴向悬浮所需的轴向
磁拉力，从而实现转子的轴向悬浮，最终实现转子的五自由度悬浮。
图2为本发明A相转矩绕组在12/8极开关磁阻电机部分产生的磁通分布示意图。A
相转矩绕组由4个彼此在空间上相隔90°的线圈，采用串联、或并联、或两并两串的方式连接
而成；A相转矩绕组电流产生的四极对称磁通，图2中标号为16，呈NSNS分布。当A相转矩绕组
导通时，在磁阻电机内产生的磁场，用于产生转矩；A、B、C三相转矩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相的转矩绕组与A相转矩绕组结构相同，仅在位置
上与A相相差30°和-30°。
图3是锥形磁轴承Ⅰ的磁通分布图。A、B、C三相转矩绕组产生的磁通如图3中实线所
示，其标号为21；径向悬浮绕组产生的磁通如图中点虚线所示，其标号为22；轴向悬浮绕组
产生的磁通如图中长虚线所示，其标号为23。偏置绕组产生的磁通在4个轴向力定子齿上呈
NNNN或SSSS分布，此时轴向悬浮绕组产生的磁通与偏置绕组磁通方向相同。在气隙1处悬浮
绕组和转矩绕组产生磁通方向一样，磁通增加；而在气隙3处，方向相反，磁通减弱，进而产
生一个x正方向的悬浮力。在气隙2处悬浮绕组和转矩绕组产生磁通方向一样，磁通增加，而
在气隙4处，磁通减弱，进而产生一个y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。因此，在给定A、B、C三相转矩绕组电流时，合理控制x、y、z轴悬浮绕组电
流的大小和方向，即可产生大小和方向均可控的悬浮力。
转矩绕组电流可采用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。A、B、C三相转矩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。
图4是锥形磁轴承Ⅱ的磁通分布图。此时轴向悬浮绕组产生的磁通与偏置绕组磁
通方向相反。由于轴向悬浮绕组在两个锥形磁轴承中的磁通方向相反，因此将产生一个大
小和方向均可控制的轴向悬浮力，从而实现转子的轴向悬浮。
如图5所示，为本发明锥形磁悬浮开关磁阻电机控制方法的系统框图。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，获得转矩绕组电流参考值再利用电流
斩波控制让实际转矩绕组电流跟踪并利用开通角θon和关断角θoff控制转矩绕组功率电
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
再结合实测三相转矩绕组电流之和(i1+i2+i3)，即可通过悬浮绕组电流控制器计
算出：锥形磁轴承Ⅰ的x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锥形
磁轴承Ⅱ的x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轴方向悬浮
绕组电流参考值
利用电流斩波控制方法，让锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向悬浮绕组实际电流is1跟踪该方
向悬绕组电流参考值让y轴方向悬浮绕组的实际电流is2跟踪该方向悬浮绕组电流参考
值
让锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮绕组实际电流is3跟踪该方向悬绕组电流参考值
让y轴方向悬浮绕组的实际电流is4跟踪该方向悬浮绕组电流参考值
让z轴方向悬浮绕组实际电流iz跟踪该方向悬绕组电流参考值从而实时调节悬
浮力，实现电机的五自由度悬浮。
如图6所示，为本发明的悬浮绕组电流计算方法框图。图中，kf1、kf2为悬浮力系数，
其表达式为：
式中，μ0为真空磁导率，l为磁轴承部分的轴向长度，r为磁轴承转子的平均半径，αs
为E型结构窄定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，γ为E型结构宽、窄定子磁极
中心线的夹角，ε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，i1、i2、i3分别为A、B、C三相转矩绕组的电流，分别为锥形磁轴承Ⅰ的x、
y轴方向悬浮绕组电流，Nb、Ns分别偏置绕组和径向悬浮绕组的匝数，Nz为轴向悬浮绕组的匝
数，iz为轴向悬浮绕组的电流。
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轴方向悬浮绕组电流。
z轴方向悬浮力的表达式为：
式中，Nz为轴向悬浮绕组的匝数，iz为轴向悬浮绕组的电流。
为减小控制难度，令
则，z轴方向悬浮力的表达式变为：
进而，可以得到锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的x和y轴方向悬浮力表达式分别为：
由表达式(9)～(13)可知，通过简化处理后，锥形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，仅与电机结构参数、三相转矩绕组电流和四个悬浮绕组电流
有关。其中，四个径向悬浮力仅与该方向径向力电流、三相转矩绕组电流以及轴向悬浮力有
关；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可解耦控制。
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。
本发明磁悬浮电机的控制方法，所述锥形磁悬浮开关磁阻电机包括1个开关磁阻
磁阻电机和2个锥形磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，2个锥形磁轴承产生五个方
向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；所述电机包括3相转矩绕组，4个径向悬浮绕组
和1个轴向悬浮绕组，其中，独立控制3相转矩绕组电流，以调节转矩，并产生偏置磁通；独立
控制5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，获取给定转矩绕组电流、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，获得转矩绕组电流参考值im*；开通角θon和关断角θoff保持恒
定，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，转矩绕组电流不控制；
步骤B，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B-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B-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C，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C-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，得到锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力
步骤D，获取z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：
步骤D-1，获取转子z轴方向的实时位移信号z，其中z轴与x轴和y轴方向垂直；
步骤D-2，将实时位移信号z与给定的参考位移信号z*相减，得到z轴方向的实时位
移信号差Δz，将所述实时位移信号差Δz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向悬浮力
步骤E，调节悬浮力，具体步骤如下：
步骤E-1，采集m相实时的转矩绕组电流，根据所述悬浮力和以及电流计算
公式和
解算得到锥形磁轴承Ⅰ的x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
其中，kf1、kf2为悬浮力系数，μ0为真空磁导率，l
为磁轴承部分的轴向长度，r为磁轴承转子的平均半径，αs为E型结构窄齿的极弧角，δ为磁
轴承部分的单边气隙长度，Nb、Ns分别偏置绕组和径向悬浮绕组的匝数，Nz为轴向悬浮绕组
的匝数，ik为第k相转矩绕组电流，m为相数，其值为3，γ为E型结构宽齿与窄齿间的夹角，ε
为锥形角；
步骤E-2，根据所述悬浮力和以及电流计算公式
和
解算得到锥形磁轴承Ⅱ的x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
步骤E-3，采集m相实时的转矩绕组电流和四个径向悬浮绕组电流，根据所述悬浮
力以及电流计算公式解算得到z轴方向悬浮绕组电流参考值
步骤E-4，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承Ⅰ的x轴方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轴方向悬浮绕组的实际电流is2跟踪该方向悬浮绕组
电流参考值
用锥形磁轴承Ⅱ的x轴方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轴方向悬浮绕组的实际电流is4跟踪该方向悬浮绕组电流参考值
用z轴方向悬浮绕组实际电流iz跟踪该方向悬绕组电流参考值从而实时调节悬
浮力；
步骤F，调节转矩；具体步骤如下：
步骤F-1，当ω≤ω0时，利用电流斩波控制方法，以转矩绕组的实际电流im跟踪转
矩绕组电流参考值im*，进而实时调节转矩绕组电流im，进而达到调节转矩的目的；
步骤F-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。
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
制以上的开关磁阻电机均适用，仅需在磁轴承宽齿数上缠绕相对应相数个偏置绕组即可，
而其他结构均不变。
综上所述，本发明在结构上实现了转矩和悬浮力的解耦；开关磁阻电机电枢绕组
与磁轴承偏置绕组串联同时励磁的方式，提升了系统的机电能量转换效率，以及提高了电
流的利用率；仅需控制五个方向悬浮绕组电流，即可产生五个方向的所需悬浮力，控制变量
少，悬浮控制简单，悬浮系统功率变换器成本小；转矩控制与传统开关磁阻电机相同，利于
转矩输出，高速适应性进一步加强。
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。