江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院、南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院的研究人員孫玉坤、于豐源、袁野、黃振躍、黃永紅、朱志瑩，在2019年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文（論文標(biāo)題為“一種混合雙定子磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)”），針對(duì)傳統(tǒng)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（BSRM）存在的多變量非線(xiàn)性強(qiáng)耦合問(wèn)題，并以提高系統(tǒng)懸浮輸出能力、降低懸浮功耗為目的，提出一種混合雙定子磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（HDSBSRM）。

該電機(jī)采用內(nèi)、外雙定子結(jié)構(gòu)，外定子與內(nèi)定子共用一套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，內(nèi)定子通過(guò)引入軸向充磁型永磁環(huán)，為產(chǎn)生主動(dòng)可控懸浮力提供穩(wěn)定偏置磁場(chǎng)。在介紹其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了徑向懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了基本電磁特性和解耦特性，驗(yàn)證了其主繞組與懸浮力繞組以及兩自由度懸浮力繞組之間具有的自解耦特性。并就其懸浮輸出能力和懸浮功耗等方面，與傳統(tǒng)雙定子磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了其具有高懸浮輸出和低懸浮功耗的優(yōu)點(diǎn)，表明所提HDSBSRM結(jié)構(gòu)的合理性與優(yōu)越性。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor, SRM）轉(zhuǎn)子無(wú)繞組和永磁體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，適用于高溫和航空航天等惡劣環(huán)境。但開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中的機(jī)械軸承導(dǎo)致摩擦損耗隨轉(zhuǎn)速增加而成倍地增大。鑒于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的定子與磁軸承定子結(jié)構(gòu)的相似性，將磁軸承的徑向力繞組疊繞在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)定子繞組上構(gòu)成了磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Bearingless Switched Reluctance Motor, BSRM），其在保留開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)良特性的基礎(chǔ)上，無(wú)需潤(rùn)滑裝置，解決了由機(jī)械軸承引起的磨損問(wèn)題，在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)、超真空密封室內(nèi)的半導(dǎo)體加工、核廢料處理和混合動(dòng)力牽引、航空航天用起動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。

然而，縱觀國(guó)內(nèi)外，磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的工程應(yīng)用普及程度并不高，究其原因主要是電機(jī)內(nèi)各繞組間存在多變量的非線(xiàn)性強(qiáng)耦合關(guān)系，系統(tǒng)分析以及解耦控制難度大，這些已經(jīng)成為制約該技術(shù)進(jìn)入工程應(yīng)用的主要瓶頸。目前相關(guān)學(xué)者針對(duì)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)耦合問(wèn)題，主要從控制策略和本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展了研究。

①控制策略方面，江蘇大學(xué)孫玉坤團(tuán)隊(duì)針對(duì)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)瞬時(shí)懸浮力與瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，提出了一種瞬時(shí)懸浮力與平均轉(zhuǎn)矩分相產(chǎn)生的雙相導(dǎo)通解耦控制策略，利用一套繞組解耦瞬時(shí)懸浮力與平均轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)了懸浮與旋轉(zhuǎn)的獨(dú)立控制，但這種方法將每極定子電流等效為轉(zhuǎn)矩分量和懸浮分量之和，犧牲了部分懸浮電流和轉(zhuǎn)矩電流，效率較低；隨后提出了一種基于最小二乘支持向量機(jī)（Least Squares Support VeotorMaohine, LSSVM）的逆動(dòng)力學(xué)建模與解耦控制方法，采用LSSVM建立了磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)逆動(dòng)力學(xué)模型，并將該逆模型與電機(jī)模型串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各變量之間的解耦線(xiàn)性化，但逆動(dòng)力學(xué)建模過(guò)程繁瑣，LSSVM算法復(fù)雜，難以工程化實(shí)現(xiàn)。

②本體設(shè)計(jì)方面，韓國(guó)慶星大學(xué)與沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)張鳳閣團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出了一種12/14極寬窄式磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，其定子寬、窄極上分別單獨(dú)纏繞懸浮力繞組和主繞組，因轉(zhuǎn)子與定子寬極的對(duì)齊面積始終等于轉(zhuǎn)子極寬，因此在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中懸浮力繞組幾乎不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，可以減弱懸浮力繞組對(duì)主繞組的耦合影響，但是主繞組對(duì)懸浮力繞組仍存在較大的耦合且徑向兩自由度懸浮力繞組之間的耦合也較大；

韓國(guó)慶星大學(xué)隨后提出了一種具有雙定子結(jié)構(gòu)的磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Double Stator Bearingless Switched Reluctance Motor, DSBSRM），該電機(jī)包含內(nèi)、外兩個(gè)定子，其內(nèi)定子上的懸浮力繞組負(fù)責(zé)懸浮功能，外定子上的主繞組負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)功能，通過(guò)有限元方法對(duì)其轉(zhuǎn)矩和懸浮力特性進(jìn)行了分析，相較于寬窄式混合定子型的磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，該電機(jī)可有效克服主繞組與懸浮力繞組之間以及徑向兩自由度懸浮力繞組之間的耦合；

南京工程學(xué)院周云紅等將這種電機(jī)用于發(fā)電運(yùn)行，研究了一種雙定子型的磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電機(jī)，建立了懸浮力、旋轉(zhuǎn)力和發(fā)電電流模型，通過(guò)有限元分析驗(yàn)證了該起動(dòng)/發(fā)電機(jī)具有主繞組和懸浮力繞組耦合小、徑向懸浮力性能好的優(yōu)點(diǎn)。

本文在對(duì)文獻(xiàn)[17-20]深入研究的基礎(chǔ)上，保留了傳統(tǒng)雙定子磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)與懸浮系統(tǒng)弱耦合的優(yōu)良特性，為進(jìn)一步降低懸浮功耗，提高懸浮輸出能力，提出一種混合雙定子磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Hybrid Double Stator Bearingless Switched Reluctance Motor, HDSBSRM）。該電機(jī)具有雙定子結(jié)構(gòu)，其中外定子采用12極雙凸極結(jié)構(gòu)，內(nèi)定子采用8極雙凸極結(jié)構(gòu)，外定子與內(nèi)定子共用一套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；內(nèi)定子通過(guò)引入軸向充磁型永磁環(huán)，為產(chǎn)生主動(dòng)可控懸浮力提供穩(wěn)定偏置磁場(chǎng)。

本文在分析HDSBSRM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，闡述了其轉(zhuǎn)子懸浮及運(yùn)行機(jī)理；利用等效磁路法建立了該電機(jī)徑向懸浮力數(shù)學(xué)模型；基于Ansoft/Maxwell3D軟件建立了一臺(tái)有限元樣機(jī)模型，分析了該電機(jī)轉(zhuǎn)矩、懸浮力等電磁特性，并與寬窄式磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的耦合特性以及傳統(tǒng)雙定子磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的輸出能力和懸浮功耗進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了本文所提電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)與懸浮系統(tǒng)間以及懸浮系統(tǒng)兩自由度間解耦性能良好，且具有高懸浮輸出、低懸浮功耗等獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)；最后通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)/懸浮。

圖1HDSBSRM結(jié)構(gòu)

圖2 HDSBSRM混合內(nèi)定子結(jié)構(gòu)與磁路

圖14 HDSBSRM控制系統(tǒng)框圖

結(jié)論

本文提出一種混合雙定子磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，與磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、寬窄式磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)以及傳統(tǒng)雙定子磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相比，具有如下性能：

1）在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，HDSBSRM徑向懸浮力不隨轉(zhuǎn)子位置變化，克服了傳統(tǒng)BSRM在某些特定轉(zhuǎn)子位置不能產(chǎn)生足夠懸浮力的問(wèn)題，提高了懸浮系統(tǒng)的可控性。

2）所提HDSBSRM在轉(zhuǎn)矩和懸浮系統(tǒng)之間以及懸浮系統(tǒng)兩自由度之間具有優(yōu)異的解耦特性。從本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上解決了傳統(tǒng)BSRM存在的強(qiáng)耦合問(wèn)題，方便控制。

3）所提HDSBSRM與傳統(tǒng)DSBSRM相比，具有更高的懸浮輸出能力，且懸浮功耗更小。