開關(guān)磁阻電機（Switched Reluctance Motor, SRM）轉(zhuǎn)子無繞組和永磁體，具有結(jié)構(gòu)簡單、機械強度大等優(yōu)點，適用于高溫和航空航天等惡劣環(huán)境。但開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)中的機械軸承導(dǎo)致摩擦損耗隨轉(zhuǎn)速增加而成倍地增大。鑒于開關(guān)磁阻電機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關(guān)磁阻電機定子繞組上構(gòu)成了磁懸浮開關(guān)磁阻電機（Bearingless Switched Reluctance Motor, BSRM），其在保留開關(guān)磁阻電機優(yōu)良特性的基礎(chǔ)上，無需潤滑裝置，解決了由機械軸承引起的磨損問題，在飛輪儲能系統(tǒng)、超導(dǎo)磁懸浮列車、超真空密封室內(nèi)的半導(dǎo)體加工、核廢料處理和混合動力牽引、航空航天用起動/發(fā)電機系統(tǒng)等領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。

然而，縱觀國內(nèi)外，磁懸浮開關(guān)磁阻電機的工程應(yīng)用普及程度并不高，究其原因主要是電機內(nèi)各繞組間存在多變量的非線性強耦合關(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)進入工程應(yīng)用的主要瓶頸。目前相關(guān)學(xué)者針對磁懸浮開關(guān)磁阻電機耦合問題，主要從控制策略和本體結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面開展了研究。

①控制策略方面，江蘇大學(xué)孫玉坤團隊針對磁懸浮開關(guān)磁阻電機瞬時懸浮力與瞬時轉(zhuǎn)矩非線性、強耦合的特點，提出了一種瞬時懸浮力與平均轉(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懸浮力與平均轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)了懸浮與旋轉(zhuǎn)的獨立控制，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（Least Squares Support VeotorMaohine, LSSVM）的逆動力學(xué)建模與解耦控制方法，采用LSSVM建立了磁懸浮開關(guān)磁阻電機逆動力學(xué)模型，并將該逆模型與電機模型串聯(lián)，實現(xiàn)了系統(tǒng)各變量之間的解耦線性化，但逆動力學(xué)建模過程繁瑣，LSSVM算法復(fù)雜，難以工程化實現(xiàn)。

②本體設(shè)計方面，韓國慶星大學(xué)與沈陽工業(yè)大學(xué)張鳳閣團隊聯(lián)合提出了一種12/14極寬窄式磁懸浮開關(guān)磁阻電機，其定子寬、窄極上分別單獨纏繞懸浮力繞組和主繞組，因轉(zhuǎn)子與定子寬極的對齊面積始終等于轉(zhuǎn)子極寬，因此在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過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主繞組的耦合影響，但是主繞組對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)的磁懸浮開關(guān)磁阻電機（Double Stator Bearingless Switched Reluctance Motor, DSBSRM），該電機包含內(nèi)、外兩個定子，其內(nèi)定子上的懸浮力繞組負責(zé)懸浮功能，外定子上的主繞組負責(zé)旋轉(zhuǎn)功能，通過有限元方法對其轉(zhuǎn)矩和懸浮力特性進行了分析，相較于寬窄式混合定子型的磁懸浮開關(guān)磁阻電機，該電機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用于發(fā)電運行，研究了一種雙定子型的磁懸浮開關(guān)磁阻起動/發(fā)電機，建立了懸浮力、旋轉(zhuǎn)力和發(fā)電電流模型，通過有限元分析驗證了該起動/發(fā)電機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。

本文在對文獻[17-20]深入研究的基礎(chǔ)上，保留了傳統(tǒng)雙定子磁懸浮開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)與懸浮系統(tǒng)弱耦合的優(yōu)良特性，為進一步降低懸浮功耗，提高懸浮輸出能力，提出一種混合雙定子磁懸浮開關(guān)磁阻電機（Hybrid Double Stator Bearingless Switched Reluctance Motor, HDSBSRM）。該電機具有雙定子結(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)定子通過引入軸向充磁型永磁環(huán)，為產(chǎn)生主動可控懸浮力提供穩(wěn)定偏置磁場。

本文在分析HDSBSRM拓撲結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，闡述了其轉(zhuǎn)子懸浮及運行機理；利用等效磁路法建立了該電機徑向懸浮力數(shù)學(xué)模型；基于Ansoft/Maxwell3D軟件建立了一臺有限元樣機模型，分析了該電機轉(zhuǎn)矩、懸浮力等電磁特性，并與寬窄式磁懸浮開關(guān)磁阻電機的耦合特性以及傳統(tǒng)雙定子磁懸浮開關(guān)磁阻電機的輸出能力和懸浮功耗進行了對比，驗證了本文所提電機具有轉(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、低懸浮功耗等獨特性能優(yōu)勢；最后通過仿真與實驗，實現(xiàn)了電動/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關(guān)磁阻電機，與磁懸浮開關(guān)磁阻電機、寬窄式磁懸浮開關(guān)磁阻電機以及傳統(tǒng)雙定子磁懸浮開關(guān)磁阻電機相比，具有如下性能：

1）在旋轉(zhuǎn)過程中，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)計上解決了傳統(tǒng)BSRM存在的強耦合問題，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。