CN115001183A - 磁悬浮开关磁阻电机及其悬浮力控制装置、方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮开关磁阻电机及其悬浮力控制装置、方法和***。其中，磁悬浮开关磁阻电机集成开关磁阻电机与磁悬浮轴承功能于一体，在结构上实现转矩绕组和悬浮绕组的自然解耦，利用转矩绕组产生输出转矩，利用悬浮绕组产生径向悬浮力，此外，各相转矩绕组以及各相悬浮绕组均相互隔离，容错性能好，铁心损耗小；其中悬浮力控制装置采用三相全桥逆变电路产生三相悬浮绕组电流，以控制磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力，集成度高，控制简单，节约控制硬件成本；其中，悬浮力控制方法根据转子的径向位移量、悬浮绕组的实时电流信号以及预设的参考位移确定各导通状态持续时长，使得实时电流信号跟踪上参考电流值，使得转子稳定在参考位置。

Description

磁悬浮开关磁阻电机及其悬浮力控制装置、方法和***
技术领域
本发明涉及磁悬浮开关磁阻电机及其悬浮力控制装置、方法和***，属于磁悬浮开关磁阻电机技术领域。
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，通过检测转子的实时位置定时给定子绕组激励脉冲性电流，使其产生磁阻性正转矩驱动电机电动运行。由于其高速性能好，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。
磁悬浮轴承针对传统电机中存在支撑轴承导致的轴承摩擦和机械振动等弊端应运而生的，磁悬浮轴承是利用位置传感器检测转子位置，基于功率放大器对定子绕组电流进行控制，将高速旋转的转子悬浮在空中，避免了机械接触高速电机能够有效减少装置体积重量、提高设备性能，在分布式发电***、不间断电源、微型发动机、高速车床主轴、电动/混合动力汽车、多电全电飞机等中大功率场合具有良好的应用前景。
若无轴承开关磁阻电机集旋转与悬浮两功能于一体，不仅可有效解决高速运行时轴承摩擦带来的损耗和发热等问题，还能进一步发挥开关磁阻电机的高速适应性，从而强化其在航空航天、飞轮储能、舰船等高速领域的应用基础。然而，传统结构的磁悬浮开关磁阻电机，如12/8、6/4和8/6等,因运行机理制约，使得转矩和悬浮力存在强耦合关系，控制上难以彻底解决二者的耦合，进而导致该类结构电机高速悬浮性能较差,控制电路复杂庞大。
因此，本申请提供磁悬浮开关磁阻电机及其悬浮力控制装置、方法和***。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种磁悬浮开关磁阻电机及其悬浮力控制装置、方法和***，使转矩绕组与悬浮绕组在结构上解耦，能够独立控制悬浮力。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供磁悬浮开关磁阻电机，包括多个转矩线圈、多个悬浮线圈、转轴、永磁环以及两个并列设置的定转模组；
各定转模组包括径向力定子、转矩定子、非导磁支撑架、定子环形导磁轭、转子以及转子环形导磁轭；
两个定转模组的定子环形导磁轭之间设有永磁环；
所述转子环形导磁轭、转子、径向力定子以及定子环形导磁轭依次从里往外同轴套设在转轴外；
所述转矩定子包括基座Ⅱ，基座Ⅱ内侧设有两个相对设置的凸齿Ⅱ；
所述转子包括环形基座Ⅲ，环形基座Ⅲ的外周部等距设有16个凸齿Ⅲ；
所述径向力定子包括环形基座Ⅰ，环形基座Ⅰ的内周部等距设有6个凸齿Ⅰ；
各相邻凸齿Ⅰ之间同轴嵌设有非导磁支撑架，非导磁支撑架一侧连接环形基座Ⅰ，非导磁支撑架另一侧同轴设有转矩定子的基座Ⅱ；
所述转矩线圈和悬浮线圈缠绕的方式为以下D1+D3、D2+D3、D1+D4以及D2+D4四种组合中的任意一种：
D1：位于两个定转模组同一径向上并列的转矩定子中各并列的凸齿Ⅱ上共同绕有一个转矩线圈，各并列的转矩定子的两个转矩线圈串联，获得转矩线圈串，轴对称的转矩线圈串两两串联为转矩绕组，获得电枢一体的三相转矩绕组；
D2：各凸齿Ⅱ上单独绕有一个转矩线圈，各转矩定子的两个转矩线圈串联，获得转矩线圈串，各定转模组中轴对称的转矩线圈串两两串联为转矩绕组，获得电枢分体的三相转矩绕组；
D3：各凸齿Ⅰ上单独绕有一个悬浮线圈，位于两个定转模组同一径向上并列的凸齿Ⅰ上的悬浮线圈分别串联，获得悬浮线圈串，轴对称的悬浮线圈串两两串联为悬浮绕组，获得二自由度的三相悬浮绕组；
D4：各凸齿Ⅰ上单独绕有一个悬浮线圈，各定转模组中轴对称的悬浮线圈两两串联为悬浮绕组，获得四自由度的三相悬浮绕组。
进一步地，所述永磁环为环形结构。
进一步地，所述永磁环采用轴向充磁方式充磁。
进一步地，各凸齿Ⅰ的极弧角为22.5°。
进一步地，所述非导磁支撑架弧形设置。
第二方面，本发明提供磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制装置，包括控制单元、clark变换单元、比例积分控制器、位移检测传感器以及电流传感器；
所述位移检测传感器检测转子的径向位移量，位移检测传感器输出端连接比例积分控制器，比例积分控制器输出端连接控制单元；
所述电流传感器输检测悬浮绕组的实时电流信号，电流传感器输出端连接clark变换单元，clark变换单元输出端连接控制单元；
所述控制单元输出端的设置方式包括以下E和F两种中任意一种：
E：所述接控制单元输出端设有一路三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路包括三个桥臂，各桥臂包括互补导通的上开关管和下开关管，各开关管耦接于径向力定子；
F：所述接控制单元输出端设有两路并联的三相全桥逆变电路，各路三相全桥逆变电路均包括三个桥臂，各桥臂包括互补导通的上开关管和下开关管，其中一路三相全桥逆变电路中各开关管耦接于一个定转模组的径向力定子，另一路三相全桥逆变电路中各开关管耦接于另一个定转模组的径向力定子。
进一步地，所述接控制单元输出端设有一路不对称桥式驱动电路，不对称桥式驱动电路耦接于转矩定子。
进一步地，所述接控制单元输出端设有两路并联的不对称桥式驱动电路，其中一路不对称桥式驱动电路耦接于一个定转模组的转矩定子，另一路不对称桥式驱动电路耦接于另一个定转模组的转矩定子。
第三方面，本发明提供磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制方法，包括以下步骤：
循环迭代以下步骤，直到转子X轴和Y轴的径向位移量与预设的参考位移的差值为：
获取转子X轴和Y轴的径向位移量；
获取悬浮绕组X轴和Y轴的实时电流信号；
利用获取的径向位移量、实时电流信号以及预设的参考位移计算电流参考值和电流误差值；
利用实时电流信号、电流参考值和电流误差值计算扇区判别坐标，并将扇区判别坐标映射入预设的矢量扇区；
根据扇区判别坐标在矢量扇区的位置，确定三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序；
根据三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序调整各导通状态持续时长，用以控制磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力，使转子保持在参考位移上。
进一步地，所述利用获取的径向位移量、实时电流信号以及预设的参考位移计算电流误差值包括：
计算径向位移量与参考位移的差值，获得位移信号差；
利用位移信号差计算电流参考值，并利用电流参考值计算实时电流信号与电流参考值的差值，获得电流误差值。
进一步地，所述利用实时电流信号、电流参考值和电流误差值计算扇区判别坐标(△ix',△iy')包括下式：
Figure BDA0003721240970000041
Figure BDA0003721240970000042
式中，R为三相悬浮绕组的电阻值，L为三相悬浮绕组的电感值，Ts为一个控制周期的时长，ixref为悬浮绕组X轴的电流参考值，iyref为悬浮绕组Y轴的电流参考值，ix为悬浮绕组X轴的实时电流信号，iy为悬浮绕组Y轴的实时电流信号，△ix为悬浮绕组X轴的电流误差值，△iy为悬浮绕组Y轴的电流误差值。
进一步地，所述矢量扇区包括顺次设置在xoy坐标第一相至第四相的六个扇区，各扇区的圆心角均为60°；
其中，X轴与A相悬浮绕组的中心线重合，Y轴与BC相悬浮绕组的中心线重合。
进一步地，所述根据扇区判别坐标在矢量扇区的位置，确定三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序包括：
当扇区判别坐标在矢量扇区的第一扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V4→V6→V7→V6→V4→V0；
当扇区判别坐标在矢量扇区的第二扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V2→V6→V7→V6→V2→V0；
当扇区判别坐标在矢量扇区的第三扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V2→V3→V7→V3→V2→V0；
当扇区判别坐标在矢量扇区的第四扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V1→V3→V7→V3→V1→V0；
当扇区判别坐标在矢量扇区的第五扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V1→V5→V7→V5→V1→V0；
当扇区判别坐标在矢量扇区的第六扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V4→V5→V7→V5→V4→V0；
其中，V0为ABC相的桥臂均下桥臂开关管导通，V1为AB相的桥臂均下桥臂开关管导通，C相的桥臂上桥臂开关管导通，V2为AC相的桥臂均下桥臂开关管导通，B相的桥臂上桥臂开关管导通，V3为A相的桥臂下桥臂开关管导通，BC相的桥臂上桥臂开关管导通，V4为A相的桥臂上桥臂开关管导通，BC相的桥臂下桥臂开关管导通，V5为AC相的桥臂均上桥臂开关管导通，B相的桥臂下桥臂开关管导通，V6为AB相的桥臂均上桥臂开关管导通，C相的桥臂下桥臂开关管导通，V7为ABC相的桥臂均上桥臂开关管导通。
进一步地，所述根据三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序调整各导通状态持续时长包括
若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V4→V6→V7→V6→V4→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure BDA0003721240970000051
Figure BDA0003721240970000052
Figure BDA0003721240970000053
Figure BDA0003721240970000054
T0＝T7＝(Ts-T4-T6)/2
式中，△ix'和△iy'均为时长参数，Udc为悬浮力控制装置的母线电压，T为V导通状态的持续时长，T为V导通状态的持续时长，T为V导通状态的持续时长，T为V导通状态的持续时长；
若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V2→V6→V7→V6→V2→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure BDA0003721240970000061
Figure BDA0003721240970000062
T0＝T7＝(Ts-T2-T6)/2
式中，T为V导通状态的持续时长；
若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V2→V3→V7→V3→V2→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure BDA0003721240970000063
Figure BDA0003721240970000064
T0＝T7＝(Ts-T2-T3)/2
式中，T为V导通状态的持续时长；
若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V1→V3→V7→V3→V1→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure BDA0003721240970000065
Figure BDA0003721240970000066
T0＝T7＝(Ts-T1-T3)/2
式中，T为V导通状态的持续时长；
若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V1→V5→V7→V5→V1→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure BDA0003721240970000071
Figure BDA0003721240970000072
T0＝T7＝(Ts-T1-T5)/2
式中，T为V导通状态的持续时长；
若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V4→V5→V7→V5→V4→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure BDA0003721240970000073
Figure BDA0003721240970000074
T0＝T7＝(Ts-T4-T5)/2。
进一步地，所述根据三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序调整各导通状态持续时长包括：
判断各导通状态持续时长与控制周期时长的关系：
其中，当T4+T6>Ts时，通过下式更新T和T：
Figure BDA0003721240970000075
当T2+T6>Ts时，通过下式更新T和T：
Figure BDA0003721240970000076
当T2+T3>Ts时，通过下式更新T和T：
Figure BDA0003721240970000081
当T1+T3>Ts时，通过下式更新T和T：
Figure BDA0003721240970000082
当T1+T5>Ts时，通过下式更新T和T：
Figure BDA0003721240970000083
当T4+T5>Ts时，通过下式更新T和T：
Figure BDA0003721240970000084
第四方面，本发明提供磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制***，包括：
径向位移量模块，用于获取转子X轴和Y轴的径向位移量；
实时电流信号模块，用于获取悬浮绕组X轴和Y轴的实时电流信号；
计算模块，用于利用获取的径向位移量、实时电流信号以及预设的参考位移计算电流参考值和电流误差值；
矢量映射模块，用于利用实时电流信号、电流参考值和电流误差值计算扇区判别坐标，并将扇区判别坐标映射入预设的矢量扇区；
导通状态确定模块，用于根据扇区判别坐标在矢量扇区的位置，确定三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序；
时长控制模块，用于根据三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序调整各导通状态持续时长，用以控制磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力，使转子保持在参考位移上。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明的电机集成开关磁阻电机与磁悬浮轴承功能于一体，在结构上实现转矩绕组和悬浮绕组的自然解耦，利用转矩绕组产生输出转矩，利用悬浮绕组产生径向悬浮力；本发明各相转矩绕组以及各相悬浮绕组均相互隔离，容错性能好，铁心损耗小；本发明采用三相全桥逆变电路产生三相悬浮绕组电流，以控制磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力，集成度高，控制简单，节约控制硬件成本；本发明根据转子的径向位移量、悬浮绕组的实时电流信号以及预设的参考位移确定各导通状态持续时长，使得实时电流信号跟踪上参考电流值，使得转子稳定在参考位置。
附图说明
图1所示为本发明电枢分体式四自由度磁悬浮开关磁阻电机的一种实施例结构示意图；
图2所示为本发明电枢一体式磁悬浮开关磁阻电机的一种实施例结构示意图；
图3所示为本发明相邻两凸齿Ⅲ的中心线与转矩定子的中心线重合的一种实施例结构示意图；
图4所示为本发明凸齿Ⅲ的齿中线与转矩定子的中心线重合的一种实施例结构示意图；
图5所示为本发明永磁环产生的偏置磁通的一种实施例闭合回路示意图；
图6所示为本发明一个定转模组的悬浮绕组产生的径向两极对称磁通的一种实施例闭合回路示意图；
图7所示为本发明另一个定转模组的悬浮绕组产生的径向两极对称磁通的一种实施例闭合回路示意图；
图8是本发明磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制装置的实施例结构示意图；
图9是本发明三相全桥逆变电路图；
图10是本发明矢量扇区的一种实施例结构示意图；
图11所示为本发明的实时电流信号和电流参考值的仿真波形图；
图中：1、径向力定子，3、转矩定子，4、非导磁支撑架，5、转矩线圈，6、悬浮线圈，8、永磁环，9、定子环形导磁轭，11、转子，12、转子环形导磁轭，13、转轴，16和20分别是永磁环在两个定转模组产生的偏置磁通，17和21分别是两个定转模组A相悬浮绕组电流产生的径向两极对称磁通，18和22分别是两个定转模组B相悬浮绕组电流产生的径向两极对称磁通，19和23分别是两个定转模组C相悬浮绕组电流产生的径向两极对称磁通，27、X轴电流参考值的仿真波形，28、X轴实时电流信号的仿真波形，29、Y轴电流参考值的仿真波形，30、Y轴实时电流信号的仿真波形，ia+为A相转矩绕组的流入电流，ia-为A相转矩绕组的流出电流，iA+、iB+、iC+分别为A,B,C相悬浮绕组的流入电流，iA-、iB-、iC-分别为A,B,C相悬浮绕组的流出电流，ix *和iy *分别为X轴和Y轴参考电流值。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例提供一种电枢分体式四自由度磁悬浮开关磁阻电机。
本实施例的磁悬浮开关磁阻电机包括多个转矩线圈5、多个悬浮线圈6、转轴13、永磁环8以及两个并列设置的定转模组。其中，两个定转模组并列紧密套设在转轴13上，本领域技术人员能够根据实际需求设置转轴13长度。此外，各定转模组包括径向力定子1、转矩定子3、非导磁支撑架4、定子环形导磁轭9、转子11以及转子环形导磁轭12。
应用中，永磁环8采用轴向充磁方式充磁，并且永磁环8设置在两个定转模组之间，永磁环一侧连接一个定转模组的定子环形导磁轭9，永磁环另一侧连接另一个定转模组的定子环形导磁轭9。
参考图1，转子环形导磁轭12、转子11、径向力定子1以及定子环形导磁轭9依次从里往外同轴套设在转轴13外，其中，转子环形导磁轭12与转轴13转动连接。
参考图1，转矩定子3包括弧形结构的基座Ⅱ，基座Ⅱ内侧设有两个相对设置的凸齿Ⅱ；转子11包括环形结构的环形基座Ⅲ，环形基座Ⅲ的外周部等距设有16个凸齿Ⅲ，相邻凸齿Ⅲ之间的圆心角为22.5°；径向力定子1包括环形结构的环形基座Ⅰ，环形基座Ⅰ的内周部等距设有6个凸齿Ⅰ，凸齿Ⅰ与凸齿Ⅲ相对设置，且各凸齿Ⅰ的极弧角为22.5°，相邻凸齿Ⅰ之间的圆心角为60°。
应用中，各相邻凸齿Ⅰ之间同轴嵌设有弧形结构的非导磁支撑架4，非导磁支撑架一侧连接环形基座Ⅰ，非导磁支撑架另一侧同轴设有转矩定子3的基座Ⅱ，转矩定子3的凸齿Ⅱ均与凸齿Ⅲ相对设置。即转矩定子3的中心线、非导磁支撑架4的中心线与对应转矩定子的两个凸齿Ⅱ的中心线重合，且非导磁支撑架4和转矩定子3的数量均为6。
本实施例磁悬浮开关磁阻电机的转矩绕组和悬浮绕组接线相互独立。参考图1，两个定转模组的各转矩定子3中各凸齿Ⅱ上单独绕有一个转矩线圈5，各转矩定子3的两个转矩线圈5串联，则获得转矩线圈串，各定转模组中轴对称设置的转矩线圈串两两串联为转矩绕组，即空间相差180°的两个转矩线圈串两两串联，获得电枢分体的三相转矩绕组。此外，各凸齿Ⅰ上单独绕有一个悬浮线圈6，各定转模组中轴对称设置的悬浮线圈6两两串联为悬浮绕组，即空间相差180°的悬浮线圈两两串联，获得四自由度的三相悬浮绕组。
本发明的电机集成开关磁阻电机与磁悬浮轴承功能于一体，在结构上实现转矩绕组和悬浮绕组的自然解耦，利用转矩绕组产生输出转矩，利用悬浮绕组产生径向悬浮力；本发明各相转矩绕组以及各相悬浮绕组均相互隔离，容错性能好，铁心损耗小。
实施例2：
本实施例提供一种电枢一体式二自由度磁悬浮开关磁阻电机。
本实施例与实施例1的区别在于转矩线圈和悬浮线圈的设置，具体如下：
参考图2，位于两个定转模组同一径向上并列的转矩定子中各并列的凸齿Ⅱ上共同绕有一个转矩线圈5，各并列的转矩定子3的两个转矩线圈5串联，获得转矩线圈串，轴对称设置的转矩线圈串两两串联为转矩绕组，即空间相差180°的转矩线圈串两两串联，获电枢一体的三相转矩绕组。
此外，各凸齿Ⅰ上单独绕有一个悬浮线圈6，两个定转模组中各并列的凸齿Ⅰ上的悬浮线圈串联，获得悬浮线圈串，轴对称设置的悬浮线圈串两两串联为悬浮绕组，即空间相差180°的悬浮线圈串两两串联，获得二自由度的三相悬浮绕组。
实施例3：
本实施例提供一种电枢分体式二自由度磁悬浮开关磁阻电机。
本实施例与实施例1的区别在于悬浮线圈的设置，具体如下：
各凸齿Ⅰ上单独绕有一个悬浮线圈6，位于两个定转模组同一径向上并列的凸齿Ⅰ的悬浮线圈分别串联，获得悬浮线圈串，轴对称设置的悬浮线圈串两两串联为悬浮绕组，即空间相差180°的悬浮线圈串两两串联，获得二自由度的三相悬浮绕组。
则本实施例获得电枢分体式二自由度磁悬浮开关磁阻电机。
实施例4：
本实施例提供一种电枢一体式四自由度磁悬浮开关磁阻电机。
本实施例与实施例2的区别在于悬浮线圈的设置，具体如下：
各凸齿Ⅰ上单独绕有一个悬浮线圈6，各定转模组中轴对称设置的悬浮线圈6两两串联为悬浮绕组，即空间相差180°的悬浮线圈两两串联，获得四自由度的三相悬浮绕组。
磁悬浮开关磁阻电机的转矩绕组和悬浮绕组接线相互独立。
本实施例对一相转矩绕组施加电流时，产生一个两极对称的磁通。
磁通在一个转矩定子3的两个凸齿Ⅱ呈NS分布，且磁通闭合回路为：转矩定子的一个凸齿Ⅱ、径向气隙、凸齿Ⅲ或凸齿Ⅲ及转子环形导磁轭、径向气隙、转矩定子的另一个凸齿Ⅱ、基座Ⅱ、转矩定子的一个凸齿Ⅱ，实际应用时，所述磁通为一短磁路分布的磁通。
参考图3，相邻两凸齿Ⅲ的中心线与转矩定子的中心线重合时为对齐位置，此时磁通闭合回路的磁阻最小；参考图4，凸齿Ⅲ的齿中线与转矩定子的中心线重合时为不对齐位置，此时磁通闭合回路的磁阻最大。
实际应用时，对一相转矩绕组通以单极性电流，此时转矩绕组电流产生磁通，且磁通闭合回路的磁阻总是趋于“磁阻最小”，则产生磁阻性电磁转矩使转子由该相的定转子极的“不对齐”位置转向“对齐”位置。参考图4，当A相转矩绕组与转子处于定转子极“不对齐”位置时，给A相转矩绕组通以电流，产生输出转矩使转子转动达到定转子极的“对齐”位置，参考图3。接着，导通下一相转矩绕组，转矩绕组与转子的位置由定转子极“不对齐”向定转子极的“对齐”位置转动，A、B、C三相转矩绕组轮流导通产生输出转矩，实现所述电机旋转运行。
本实施例采用轴向充磁方式为永磁环充磁，永磁环产生偏置磁通。
参考图5，偏置磁通闭合回路为：首先从永磁环到一个定转模组的定子环形导磁轭、径向力定子、径向气隙、转子以及转子环形导磁轭，接着到转轴，再到另一个定转模组的转子环形导磁轭、转子、径向气隙、径向力定子以及定子环形导磁轭，最后回到永磁环。
本实施例对一相悬浮绕组通以电流，此时悬浮绕组电流产生径向两极对称磁通。
应用中，水平正方向为零度空间角位置，逆时针方向变化时空间角度为正，规定X轴与水平方向平行，且X轴与A相悬浮绕组的中心线重合，Y轴与BC相悬浮绕组的中心线重合。
对一个定转模组的A相悬浮绕组施加电流方向为0°-180°的电流iA时，产生的径向两极对称磁通的闭合回路为：所述定转模组0°位置上的凸齿Ⅰ、径向气隙、0°位置上的凸齿III、转子环形导磁轭、180°位置上的凸齿III、径向气隙、180°位置上的凸齿Ⅰ、定子环形导磁轭以及0°位置上的凸齿Ⅰ。参考图6，对所述定转模组的A相悬浮绕组施加电流iA时，位于0°位置处气隙磁通增强，位于180°位置处气隙磁通减弱，产生一个指向0°位置角方向悬浮力；对所述定转模组的A相悬浮绕组施加电流-iA时，产生一个指向180°位置角方向的反向悬浮力。
对另一个定转模组的A相悬浮绕组施加电流方向为180°-0°的电流-iA时，产生的径向两极对称磁通的闭合回路为：所述定转模组180°位置上的凸齿Ⅰ、径向气隙、180°位置上的凸齿III、转子环形导磁轭、0°位置上的凸齿III、径向气隙、0°位置上的凸齿Ⅰ、定子环形导磁轭以及180°位置上的凸齿Ⅰ。参考图7，对所述定转模组的A相悬浮绕组施加电流-iA时，位于0°位置处气隙磁通增强，位于180°位置处气隙磁通减弱，将产生一个指向0°位置角方向悬浮力；对所述定转模组的A相悬浮绕组施加电流iA时，产生一个指向180°位置角方向的反向悬浮力。
对一个定转模组的B相悬浮绕组施加电流方向为120°-300°的电流iB时，产生的径向两极对称磁通的闭合回路为：所述定转模组120°位置上的凸齿Ⅰ、径向气隙、120°位置上的凸齿III、转子环形导磁轭、300°位置上的凸齿III、径向气隙、300°位置上的凸齿Ⅰ、定子环形导磁轭以及120°位置上的凸齿Ⅰ。参考图6，对所述定转模组的B相悬浮绕组施加电流iB时，位于120°位置处气隙磁通增强，位于300°位置处气隙磁通减弱，产生一个指向120°位置角方向悬浮力；对所述定转模组的B相悬浮绕组施加电流-iB时，产生一个指向300°位置角方向的反向悬浮力。
对另一个定转模组的B相悬浮绕组施加电流方向为300°-120°的电流-iB时，产生的径向两极对称磁通的闭合回路为：所述定转模组300°位置上的凸齿Ⅰ、径向气隙、300°位置上的凸齿III、转子环形导磁轭、120°位置上的凸齿III、径向气隙、120°位置上的凸齿Ⅰ、定子环形导磁轭以及300°位置上的凸齿Ⅰ。参考图7，对所述定转模组的B相悬浮绕组施加电流-iB时，位于120°位置处气隙磁通增强，位于300°位置处气隙磁通减弱，将产生一个指向120°位置角方向悬浮力；对所述定转模组的B相悬浮绕组施加电流iB时，产生一个指向300°位置角方向的反向悬浮力。
对一个定转模组的C相悬浮绕组施加电流方向为60°-240°的电流iC时，产生的径向两极对称磁通的闭合回路为：所述定转模组60°位置上的凸齿Ⅰ、径向气隙、60°位置上的凸齿III、转子环形导磁轭、240°位置上的凸齿III、径向气隙、240°位置上的凸齿Ⅰ、定子环形导磁轭以及60°位置上的凸齿Ⅰ。参考图6，对所述定转模组的C相悬浮绕组施加电流iC时，位于60°位置处气隙磁通增强，位于240°位置处气隙磁通减弱，产生一个指向60°位置角方向悬浮力；对所述定转模组的C相悬浮绕组施加电流-iC时，产生一个指向240°位置角方向的反向悬浮力。
对另一个定转模组的C相悬浮绕组施加电流方向为240°-60°的电流-iC时，产生的径向两极对称磁通的闭合回路为：所述定转模组240°位置上的凸齿Ⅰ、径向气隙、240°位置上的凸齿III、转子环形导磁轭、60°位置上的凸齿III、径向气隙、60°位置上的凸齿Ⅰ、定子环形导磁轭以及240°位置上的凸齿Ⅰ。参考图7，对所述定转模组的C相悬浮绕组施加电流-iC时，位于60°位置处气隙磁通增强，位于240°位置处气隙磁通减弱，将产生一个指向60°位置角方向悬浮力；对所述定转模组的C相悬浮绕组施加电流iC时，产生一个指向240°位置角方向的反向悬浮力。
实施例5：
本实施例提供一种磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制装置。
本实施例的磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制装置包括控制单元、clark变换单元、比例积分控制器、位移检测传感器以及电流传感器。
参考图8，位移检测传感器用于检测转子X轴和Y轴的径向位移量，位移检测传感器输出端连接比例积分控制器，比例积分控制器输出端连接控制单元。
其中，电流传感器用于检测悬浮绕组X轴和Y轴的实时电流信号，电流传感器输出端连接clark变换单元，clark变换单元输出端连接控制单元。
此外，接控制单元输出端设有三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路包括三个桥臂，各桥臂包括互补导通的上开关管和下开关管，各开关管耦接于径向力定子的悬浮绕组。
应用中，A、B、C三相悬浮绕组采用星型接法耦接于三相全桥逆变电路，即各桥臂的上开关管和下开关管之间耦接一相悬浮绕组。
合理控制各相悬浮绕组电流的大小和方向即可控制三个悬浮力的大小和方向，从而产生三个任意方向和大小的悬浮力，进而实现转子一个径向二自由度稳定悬浮运行。
实施例6：
本实施例提供一种磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制装置。
本实施例与实施例5的区别在于：本实施例的接控制单元输出端设有两路并联的三相全桥逆变电路，各三相全桥逆变电路均包括三个桥臂，各桥臂包括互补导通的上开关管和下开关管，其中一路三相全桥逆变电路中各开关管耦接于一个定转模组的径向力定子的悬浮绕组，另一路三相全桥逆变电路中各开关管耦接于另一个定转模组的径向力定子的悬浮绕组。
应用中，A、B、C三相悬浮绕组采用星型接法耦接于三相全桥逆变电路，即各桥臂的上开关管和下开关管之间耦接一相悬浮绕组。
合理控制各相悬浮绕组电流的大小和方向即可控制三个悬浮力的大小和方向，从而产生三个任意方向和大小的悬浮力，进而实现转子一个径向四自由度稳定悬浮运行。
实施例7：
在实施例5或6的基础上，本实施例提供一种磁悬浮开关磁阻电机的转矩控制装置。
本实施例的接控制单元输出端设有不对称桥式驱动电路，不对称桥式驱动电路耦接于转矩定子3。
实施例8：
在实施例5或6的基础上，本实施例提供一种磁悬浮开关磁阻电机的转矩控制装置。
本实施例与实施例8的区别在于：本实施例的接控制单元输出端设有两路并联的不对称桥式驱动电路，其中一路不对称桥式驱动电路耦接于一个定转模组的转矩定子3，另一路不对称桥式驱动电路耦接于另一个定转模组的转矩定子3。
实施例9：
在实施例5或6的基础上，本实施例提供一种磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制方法。
本实施例的磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制方法包括以下步骤：
循环迭代以下步骤，直到转子X轴和Y轴的径向位移量与预设的参考位移的差值为0：
S1获取转子X轴和Y轴的径向位移量；
S2获取悬浮绕组X轴和Y轴的实时电流信号；
S3利用获取的径向位移量、实时电流信号以及预设的参考位移计算电流参考值和电流误差值；
S4利用实时电流信号、电流参考值和电流误差值计算扇区判别坐标，并将扇区判别坐标映射入预设的矢量扇区；
S5根据扇区判别坐标在矢量扇区的位置，确定三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序；
S6根据三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序调整各导通状态持续时长，用以控制磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力，使转子保持在参考位移上。
本发明根据转子的径向位移量、悬浮绕组的实时电流信号以及预设的参考位移确定各导通状态持续时长，使得实时电流信号跟踪上参考电流值，使得转子稳定在参考位置。
实施例10：
本实施例介绍了用于径向二自由度磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制方法，在实施例9的基础上，本实施例详细介绍了电流误差值计算方法、扇区判别坐标计算方法、各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序确定方法以及各导通状态持续时长确定方法。
(一)电流误差值
利用获取的径向位移量、实时电流信号以及预设的参考位移计算电流误差值包括：
计算径向位移量与参考位移的差值，获得位移信号差；
利用位移信号差计算电流参考值，并利用电流参考值计算实时电流信号与电流参考值的差值，获得电流误差值。
图11所示为本实施例的实时电流信号和电流参考值的仿真波形图。其中，X轴的电流参考值的波形预设为sin(80π*x)的正弦量，且在0.03秒后发生突变；Y轴电流参考值的波形预设为sin(80π*x+π/2)的正弦量，在0.02秒后发生突变。
通过图11可知，本实施例的X轴实时电流信号和Y轴实时电流信号跟踪精度高，电流纹波小，均具有良好的跟踪效果。
(二)扇区判别坐标
利用实时电流信号、电流参考值和电流误差值计算扇区判别坐标(△ix',△iy')包括下式：
Figure BDA0003721240970000161
Figure BDA0003721240970000171
式中，R为三相悬浮绕组的电阻值，L为三相悬浮绕组的电感值，Ts为一个控制周期的时长，ixref为悬浮绕组X轴的电流参考值，iyref为悬浮绕组Y轴的电流参考值，ix为悬浮绕组X轴的实时电流信号，iy为悬浮绕组Y轴的实时电流信号，△ix为悬浮绕组X轴的电流误差值，△iy为悬浮绕组Y轴的电流误差值。
(三)各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序
首先，构建矢量扇区，矢量扇区包括顺次设置在xoy坐标第一相至第四相的六个扇区，各扇区的圆心角均为60°，参考图10。其中，X轴与A相悬浮绕组的中心线重合，Y轴与BC相悬浮绕组的中心线重合。
接着，根据扇区判别坐标在矢量扇区的位置，确定三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序，具体如下：
3.1当扇区判别坐标在矢量扇区的第一扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V4→V6→V7→V6→V4→V0；
3.2当扇区判别坐标在矢量扇区的第二扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V2→V6→V7→V6→V2→V0；
3.3当扇区判别坐标在矢量扇区的第三扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V2→V3→V7→V3→V2→V0；
3.4当扇区判别坐标在矢量扇区的第四扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V1→V3→V7→V3→V1→V0；
3.5当扇区判别坐标在矢量扇区的第五扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V1→V5→V7→V5→V1→V0；
3.6当扇区判别坐标在矢量扇区的第六扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V4→V5→V7→V5→V4→V0；
其中，V0为ABC相的桥臂均下桥臂开关管导通，V1为AB相的桥臂均下桥臂开关管导通，C相的桥臂上桥臂开关管导通，V2为AC相的桥臂均下桥臂开关管导通，B相的桥臂上桥臂开关管导通，V3为A相的桥臂下桥臂开关管导通，BC相的桥臂上桥臂开关管导通，V4为A相的桥臂上桥臂开关管导通，BC相的桥臂下桥臂开关管导通，V5为AC相的桥臂均上桥臂开关管导通，B相的桥臂下桥臂开关管导通，V6为AB相的桥臂均上桥臂开关管导通，C相的桥臂下桥臂开关管导通，V7为ABC相的桥臂均上桥臂开关管导通。
(四)各导通状态持续时长
根据三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序调整各导通状态持续时长，具体如下：
4.1若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V4→V6→V7→V6→V4→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure BDA0003721240970000181
Figure BDA0003721240970000182
Figure BDA0003721240970000183
Figure BDA0003721240970000184
T0＝T7＝(Ts-T4-T6)/2
式中，△ix'和△iy'均为时长参数，Udc为悬浮力控制装置的母线电压，T0为V0导通状态的持续时长，T4为V4导通状态的持续时长，T6为V6导通状态的持续时长，T7为V7导通状态的持续时长。
应用中，判断各导通状态持续时长与控制周期时长的关系：当T4+T6>Ts时，通过下式更新T4和T6：
Figure BDA0003721240970000185
4.2若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V2→V6→V7→V6→V2→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure BDA0003721240970000186
Figure BDA0003721240970000191
T0＝T7＝(Ts-T2-T6)/2
式中，T2为V2导通状态的持续时长。
应用中，判断各导通状态持续时长与控制周期时长的关系：当T2+T6>Ts时，通过下式更新T2和T6：
Figure BDA0003721240970000192
4.3若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V2→V3→V7→V3→V2→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure BDA0003721240970000193
Figure BDA0003721240970000194
T0＝T7＝(Ts-T2-T3)/2
式中，T3为V3导通状态的持续时长。
应用中，判断各导通状态持续时长与控制周期时长的关系：当T2+T3>Ts时，通过下式更新T2和T3：
Figure BDA0003721240970000195
4.4若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V1→V3→V7→V3→V1→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure BDA0003721240970000196
Figure BDA0003721240970000197
T0＝T7＝(Ts-T1-T3)/2
式中，T1为V1导通状态的持续时长。
应用中，判断各导通状态持续时长与控制周期时长的关系：当T1+T3>Ts时，通过下式更新T1和T3：
Figure BDA0003721240970000201
4.5若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V1→V5→V7→V5→V1→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure BDA0003721240970000202
Figure BDA0003721240970000203
T0＝T7＝(Ts-T1-T5)/2
式中，T5为V5导通状态的持续时长。
应用中，判断各导通状态持续时长与控制周期时长的关系：当T1+T5>Ts时，通过下式更新T1和T5：
Figure BDA0003721240970000204
4.6若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V4→V5→V7→V5→V4→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure BDA0003721240970000205
Figure BDA0003721240970000206
T0＝T7＝(Ts-T4-T5)/2。
应用中，判断各导通状态持续时长与控制周期时长的关系：当T4+T5>Ts时，通过下式更新T4和T5：
Figure BDA0003721240970000207
实际应用时，三相全桥逆变电路中各桥臂的上下开关管之间耦接一相悬浮绕组。参考图9，VD1～VD6均为开关管；LA、LB、LC分别为A、B、C三相悬浮绕组的电感值，且LA＝LB＝LC＝L；RA、RB、RC分别为A、B、C三相悬浮绕组的电阻值，且RA＝RB＝RC＝R。
实施例11：
在实施例10的基础上，本实施例详细介绍了一个控制周期各时刻段的电流变化值。
步骤1：计算一个控制周期中A相悬浮绕组电流的理论变化值
步骤11：通过下式计算A相悬浮绕组电流：
Figure BDA0003721240970000211
式中，i(t)为A相悬浮绕组实时电流，U为A相悬浮绕组两端电压，应用中，开关管不同导通状态下A相两端电压不同。
步骤12：表1所示为扇区判别坐标(△ix',△iy')位于第一扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序，其中1表示桥臂上开关管导通，0表示桥臂下开关管导通；表2是本实施例中各导通状态对应相的悬浮绕组两端电压，时间t0～t1内，开关管导通状态为000，则U＝0，故通过下式计算t0～t1时刻段的A相悬浮绕组电流变化：
Figure BDA0003721240970000212
Figure BDA0003721240970000213
式中，i(t1)为t1时刻A相悬浮绕组电流，i(t0)为t0时刻A相悬浮绕组电流，△1为t0～t1时刻段的A相悬浮绕组电流变化。
表1各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序
Figure BDA0003721240970000214
表2导通状态对应相的悬浮绕组两端电压
Figure BDA0003721240970000215
Figure BDA0003721240970000221
步骤13：通过下式计算t1～t2时刻段的A相悬浮绕组电流变化：
Figure BDA0003721240970000222
式中，i(t2)为t2时刻A相悬浮绕组电流，△2为t1～t2时刻段的A相悬浮绕组电流变化。步骤14：通过下式计算t2～t3时刻段的A相悬浮绕组电流变化：
Figure BDA0003721240970000223
式中，i(t3)为t3时刻A相悬浮绕组电流，△3为t2～t3时刻段的A相悬浮绕组电流变化。步骤15：通过下式计算t3～t4时刻段的A相悬浮绕组电流变化：
Figure BDA0003721240970000224
式中，i(t4)为t4时刻A相悬浮绕组电流，△4为t3～t4时刻段的A相悬浮绕组电流变化。步骤16：通过下式计算t4～t5时刻段的A相悬浮绕组电流变化：
Figure BDA0003721240970000225
式中，i(t5)为t5时刻A相悬浮绕组电流，△5为t4～t5时刻段的A相悬浮绕组电流变化。步骤17：通过下式计算t5～t6时刻段的A相悬浮绕组电流变化：
Figure BDA0003721240970000226
式中，i(t6)为t6时刻A相悬浮绕组电流，△6为t5～t6时刻段的A相悬浮绕组电流变化。步骤18：通过下式计算t6～t7时刻段的A相悬浮绕组电流变化：
Figure BDA0003721240970000231
式中，i(t7)为t7时刻A相悬浮绕组电流，△7为t6～t7时刻段的A相悬浮绕组电流变化。
步骤19：通过下式计算一个控制周期的A相悬浮绕组电流变化：
Figure BDA0003721240970000232
式中，△A为一个控制周期的A相悬浮绕组电流变化。
应用中，电流内环的时间常数远小于位移外环的时间常数，将i(t0),i(t1),i(t2),i(t3),i(t4),i(t5),i(t6)近似等于一个开关周期内的电流平均值，即：
Figure BDA0003721240970000233
其中iAref(t0)，iA(t0)分别为控制周期起始时刻A相电流的参考值和实际值。
实际应用时，通过下式更新一个控制周期的A相悬浮绕组电流变化：
Figure BDA0003721240970000234
步骤2：通过下式计算一个控制周期中B相悬浮绕组电流的理论变化值：
Figure BDA0003721240970000235
式中，iBref(t0)，iB(t0)分别为控制周期起始时刻B相电流得参考值和实际值，△B为一个控制周期的B相悬浮绕组电流变化。
步骤3：通过下式计算一个控制周期中C相悬浮绕组电流的理论变化值：
Figure BDA0003721240970000236
式中，iCref(t0)，iC(t0)分别为控制周期起始时刻C相电流得参考值和实际值，△C为一个控制周期的C相悬浮绕组电流变化。
步骤4：通过clark变换式将三相电流归化至两相电流，得到该控制周期内x，y轴电流的理论变化值，具体如下：
Clark变换式：
Figure BDA0003721240970000241
Figure BDA0003721240970000242
Figure BDA0003721240970000243
式中，△x为一个控制周期内x轴电流的变化值，△y为一个控制周期内y轴电流的变化值。
应用中，将计算得到的x,y轴理论电流变化值△x，△y分别赋值控制周期起始时刻的电流误差值△ix(t0)，△iy(t0)，即：△x＝ixref(t0)-ix(t0)＝△ix(t0)，△y＝iyref(t0)-iy(t0)＝△iy(t0)。
实际应用时，ix(t0)＝ix，iy(t0)＝iy，ixref(t0)＝ixref，iyref(t0)＝iyref，△ix(t0)＝△ix，△iy(t0)＝△iy。
实施例12：
本实施例提供一种磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制***，包括：
径向位移量模块，用于获取转子X轴和Y轴的径向位移量；
实时电流信号模块，用于获取悬浮绕组X轴和Y轴的实时电流信号；
计算模块，用于利用获取的径向位移量、实时电流信号以及预设的参考位移计算电流参考值和电流误差值；
矢量映射模块，用于利用实时电流信号、电流参考值和电流误差值计算扇区判别坐标，并将扇区判别坐标映射入预设的矢量扇区；
导通状态确定模块，用于根据扇区判别坐标在矢量扇区的位置，确定三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序；
时长控制模块，用于根据三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序调整各导通状态持续时长，用以控制磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力，使转子保持在参考位移上。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (16)

1.磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，包括多个转矩线圈(5)、多个悬浮线圈(6)、转轴(13)、永磁环(8)以及两个并列设置的定转模组；
各定转模组包括径向力定子(1)、转矩定子(3)、非导磁支撑架(4)、定子环形导磁轭(9)、转子(11)以及转子环形导磁轭(12)；
两个定转模组的定子环形导磁轭之间设有永磁环(8)；
所述转子环形导磁轭(12)、转子(11)、径向力定子(1)以及定子环形导磁轭(9)依次从里往外同轴套设在转轴(13)外；
所述转矩定子(3)包括基座Ⅱ，基座Ⅱ内侧设有两个相对设置的凸齿Ⅱ；
所述转子(11)包括环形基座Ⅲ，环形基座Ⅲ的外周部等距设有16个凸齿Ⅲ；
所述径向力定子(1)包括环形基座Ⅰ，环形基座Ⅰ的内周部等距设有6个凸齿Ⅰ；
各相邻凸齿Ⅰ之间同轴嵌设有非导磁支撑架(4)，非导磁支撑架一侧连接环形基座Ⅰ，非导磁支撑架另一侧同轴设有基座Ⅱ；
所述转矩线圈(5)和悬浮线圈(6)缠绕的方式为以下D1+D3、D2+D3、D1+D4以及D2+D4四种组合中的任意一种：
D1：位于两个定转模组同一径向上并列的转矩定子(3)中各并列的凸齿Ⅱ上共同绕有一个转矩线圈(5)，各并列的转矩定子(3)的两个转矩线圈(5)串联，获得转矩线圈串，轴对称的转矩线圈串两两串联为转矩绕组，获得电枢一体的三相转矩绕组；
D2：各凸齿Ⅱ上单独绕有一个转矩线圈(5)，各转矩定子(3)的两个转矩线圈(5)串联，获得转矩线圈串，各定转模组中轴对称的转矩线圈串两两串联为转矩绕组，获得电枢分体的三相转矩绕组；
D3：各凸齿Ⅰ上单独绕有一个悬浮线圈(6)，位于两个定转模组同一径向上并列的凸齿Ⅰ上的悬浮线圈分别串联，获得悬浮线圈串，轴对称的悬浮线圈串两两串联为悬浮绕组，获得二自由度的三相悬浮绕组；
D4：各凸齿Ⅰ上单独绕有一个悬浮线圈(6)，各定转模组中轴对称的悬浮线圈(6)两两串联为悬浮绕组，获得四自由度的三相悬浮绕组。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述永磁环(8)为环形结构。
3.根据权利要求2所述的磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述永磁环(8)采用轴向充磁方式充磁。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，各凸齿Ⅰ的极弧角为22.5°。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述非导磁支撑架(4)弧形设置。
6.磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制装置，其特征在于，包括控制单元、clark变换单元、比例积分控制器、位移检测传感器以及电流传感器；
所述位移检测传感器检测转子的径向位移量，位移检测传感器输出端连接比例积分控制器，比例积分控制器输出端连接控制单元；
所述电流传感器输检测悬浮绕组的实时电流信号，电流传感器输出端连接clark变换单元，clark变换单元输出端连接控制单元；
所述控制单元输出端的设置方式包括以下E和F两种中任意一种：
E：所述接控制单元输出端设有一路三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路包括三个桥臂，各桥臂包括互补导通的上开关管和下开关管，各开关管耦接于径向力定子(1)；
F：所述接控制单元输出端设有两路并联的三相全桥逆变电路，各路三相全桥逆变电路均包括三个桥臂，各桥臂包括互补导通的上开关管和下开关管，其中一路三相全桥逆变电路中各开关管耦接于一个定转模组的径向力定子(1)，另一路三相全桥逆变电路中各开关管耦接于另一个定转模组的径向力定子(1)。
7.根据权利要求6所述的磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制装置，其特征在于，所述接控制单元输出端设有一路不对称桥式驱动电路，不对称桥式驱动电路耦接于转矩定子(3)。
8.根据权利要求6所述的磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制装置，其特征在于，所述接控制单元输出端设有两路并联的不对称桥式驱动电路，其中一路不对称桥式驱动电路耦接于一个定转模组的转矩定子(3)，另一路不对称桥式驱动电路耦接于另一个定转模组的转矩定子(3)。
9.磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
循环迭代以下步骤，直到转子X轴和Y轴的径向位移量与预设的参考位移的差值为0：
获取转子X轴和Y轴的径向位移量；
获取悬浮绕组X轴和Y轴的实时电流信号；
利用获取的径向位移量、实时电流信号以及预设的参考位移计算电流参考值和电流误差值；
利用实时电流信号、电流参考值和电流误差值计算扇区判别坐标，并将扇区判别坐标映射入预设的矢量扇区；
根据扇区判别坐标在矢量扇区的位置，确定三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序；
根据三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序调整各导通状态持续时长，用以控制磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力，使转子保持在参考位移上。
10.根据权利要求9所述的磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制方法，其特征在于，所述利用获取的径向位移量、实时电流信号以及预设的参考位移计算电流误差值包括：
计算径向位移量与参考位移的差值，获得位移信号差；
利用位移信号差计算电流参考值，并利用电流参考值计算实时电流信号与电流参考值的差值，获得电流误差值。
11.根据权利要求9所述的磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制方法，其特征在于，所述利用实时电流信号、电流参考值和电流误差值计算扇区判别坐标(△ix',△iy')包括下式：
Figure FDA0003721240960000031
Figure FDA0003721240960000032
式中，R为三相悬浮绕组的电阻值，L为三相悬浮绕组的电感值，Ts为一个控制周期的时长，ixref为悬浮绕组X轴的电流参考值，iyref为悬浮绕组Y轴的电流参考值，ix为悬浮绕组X轴的实时电流信号，iy为悬浮绕组Y轴的实时电流信号，△ix为悬浮绕组X轴的电流误差值，△iy为悬浮绕组Y轴的电流误差值。
12.根据权利要求9所述的磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制方法，其特征在于，所述矢量扇区包括顺次设置在xoy坐标第一相至第四相的六个扇区，各扇区的圆心角均为60°；
其中，X轴与A相悬浮绕组的中心线重合，Y轴与BC相悬浮绕组的中心线重合。
13.根据权利要求9所述的磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制方法，其特征在于，所述根据扇区判别坐标在矢量扇区的位置，确定三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序包括：
当扇区判别坐标在矢量扇区的第一扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V4→V6→V7→V6→V4→V0；
当扇区判别坐标在矢量扇区的第二扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V2→V6→V7→V6→V2→V0；
当扇区判别坐标在矢量扇区的第三扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V2→V3→V7→V3→V2→V0；
当扇区判别坐标在矢量扇区的第四扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V1→V3→V7→V3→V1→V0；
当扇区判别坐标在矢量扇区的第五扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V1→V5→V7→V5→V1→V0；
当扇区判别坐标在矢量扇区的第六扇区时，三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V4→V5→V7→V5→V4→V0；
其中，V0为ABC相的桥臂均下桥臂开关管导通，V1为AB相的桥臂均下桥臂开关管导通，C相的桥臂上桥臂开关管导通，V2为AC相的桥臂均下桥臂开关管导通，B相的桥臂上桥臂开关管导通，V3为A相的桥臂下桥臂开关管导通，BC相的桥臂上桥臂开关管导通，V4为A相的桥臂上桥臂开关管导通，BC相的桥臂下桥臂开关管导通，V5为AC相的桥臂均上桥臂开关管导通，B相的桥臂下桥臂开关管导通，V6为AB相的桥臂均上桥臂开关管导通，C相的桥臂下桥臂开关管导通，V7为ABC相的桥臂均上桥臂开关管导通。
14.根据权利要求13所述的磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制方法，其特征在于，所述根据三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序调整各导通状态持续时长包括
若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V4→V6→V7→V6→V4→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure FDA0003721240960000041
Figure FDA0003721240960000042
Figure FDA0003721240960000043
Figure FDA0003721240960000044
T0＝T7＝(Ts-T4-T6)/2
式中，△ix'和△iy'均为时长参数，Udc为悬浮力控制装置的母线电压，T0为V0导通状态的持续时长，T4为V4导通状态的持续时长，T6为V6导通状态的持续时长，T7为V7导通状态的持续时长；
若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V2→V6→V7→V6→V2→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure FDA0003721240960000051
Figure FDA0003721240960000052
T0＝T7＝(Ts-T2-T6)/2
式中，T2为V2导通状态的持续时长；
若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V2→V3→V7→V3→V2→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure FDA0003721240960000053
Figure FDA0003721240960000054
T0＝T7＝(Ts-T2-T3)/2
式中，T3为V3导通状态的持续时长；
若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V1→V3→V7→V3→V1→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure FDA0003721240960000055
Figure FDA0003721240960000056
T0＝T7＝(Ts-T1-T3)/2
式中，T1为V1导通状态的持续时长；
若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V1→V5→V7→V5→V1→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure FDA0003721240960000061
Figure FDA0003721240960000062
T0＝T7＝(Ts-T1-T5)/2
式中，T5为V5导通状态的持续时长；
若各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序依次为：V0→V4→V5→V7→V5→V4→V0，则根据下式调整各导通状态持续时长：
Figure FDA0003721240960000063
Figure FDA0003721240960000064
T0＝T7＝(Ts-T4-T5)/2。
15.根据权利要求14所述的磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制方法，其特征在于，所述根据三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序调整各导通状态持续时长包括：
判断各导通状态持续时长与控制周期时长的关系：
其中，当T4+T6>Ts时，通过下式更新T4和T6：
Figure FDA0003721240960000065
当T2+T6>Ts时，通过下式更新T2和T6：
Figure FDA0003721240960000066
当T2+T3>Ts时，通过下式更新T2和T3：
Figure FDA0003721240960000067
当T1+T3>Ts时，通过下式更新T1和T3：
Figure FDA0003721240960000068
当T1+T5>Ts时，通过下式更新T1和T5：
Figure FDA0003721240960000071
当T4+T5>Ts时，通过下式更新T4和T5：
Figure FDA0003721240960000072
16.磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力控制***，其特征在于，包括：
径向位移量模块，用于获取转子X轴和Y轴的径向位移量；
实时电流信号模块，用于获取悬浮绕组X轴和Y轴的实时电流信号；
计算模块，用于利用获取的径向位移量、实时电流信号以及预设的参考位移计算电流参考值和电流误差值；
矢量映射模块，用于利用实时电流信号、电流参考值和电流误差值计算扇区判别坐标，并将扇区判别坐标映射入预设的矢量扇区；
导通状态确定模块，用于根据扇区判别坐标在矢量扇区的位置，确定三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序；
时长控制模块，用于根据三相全桥逆变电路中各桥臂的开关管的导通状态及各导通状态顺序调整各导通状态持续时长，用以控制磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力，使转子保持在参考位移上。
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