孫玉坤　袁 野　黃永紅　張維煜　劉良田

磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述

孫玉坤1袁 野2黃永紅2張維煜2劉良田2

（1. 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院 南京 211167 2. 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212013）

磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)合磁軸承技術(shù)與開關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)點(diǎn)，通過徑向力的主動控制，有效改善了開關(guān)磁阻電機(jī)因不平衡磁拉力造成的振動和噪聲問題，在航空航天、飛輪儲能等領(lǐng)域具有非常廣闊的發(fā)展前景。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，介紹了磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了目前磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的主要研究內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)，并討論了其未來的發(fā)展趨勢。

磁懸浮 開關(guān)磁阻電機(jī) 研究現(xiàn)狀 關(guān)鍵技術(shù) 發(fā)展趨勢

0　引言

1960年S. A. Nasar引入開關(guān)磁阻電機(jī)的概念，其定子和磁軸承定子結(jié)構(gòu)極具相似性，因此可將磁軸承中的懸浮繞組疊繞在開關(guān)磁阻電機(jī)定子上，構(gòu)成磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)。磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)將磁軸承技術(shù)與開關(guān)磁阻電機(jī)相結(jié)合[1]，結(jié)構(gòu)簡單、堅固，轉(zhuǎn)子上無永磁體和繞組，具有無磨損、體積小、功耗低和軸向利用率高的優(yōu)點(diǎn)，在高速應(yīng)用領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的概念最早是由R. Furuichi教授提出，日本學(xué)者K. Shimada分析了不同定子繞組情況下磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)中的徑向力。1998年，M. Takemoto等發(fā)表了一篇關(guān)于磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)論文[2]，該文指出，磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子所受徑向力與主繞組電流，懸浮繞組電流和轉(zhuǎn)子位置等有關(guān)。隨即國內(nèi)外學(xué)者對磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行了深入研究。本文查閱了大量國內(nèi)外經(jīng)典文獻(xiàn)，首先介紹具有不同結(jié)構(gòu)的磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，總結(jié)磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與特點(diǎn)，并對目前磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)尚未完全解決的問題進(jìn)行了論述，最后探討未來磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展趨勢。（注：本文提及的磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，包括電動運(yùn)行和發(fā)電運(yùn)行兩種模態(tài)。）

1　磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，利用磁軸承與開關(guān)磁阻電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)的相似性，將磁軸承的懸浮力繞組疊加在開關(guān)磁阻電機(jī)定子繞組上，同時產(chǎn)生懸浮力與電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的懸浮與旋轉(zhuǎn)。日本東京理工大學(xué)的M. Takemoto等率先研究提出了12/8雙繞組[3]，如圖1所示。在定子上安裝兩套集中式繞組，分別為主繞組和懸浮繞組，其中懸浮繞組產(chǎn)生懸浮力的偏置磁場，通過調(diào)節(jié)懸浮繞組電流以改變原有氣隙磁場的分布，利用轉(zhuǎn)子對極兩側(cè)的氣隙磁場不平衡作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸上的徑向懸浮力，以保證轉(zhuǎn)軸的徑向懸浮。在對雙繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的研究相對完善后，一些學(xué)者開始研究單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的技術(shù)。德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)的L. Chen等研究提出了8/6單繞組結(jié)構(gòu)[4-7]，如圖2所示。臺灣淡江大學(xué)的F. C. Lin等提出了12/8單繞組結(jié)構(gòu)[8-11]。另外部分學(xué)者通過改變電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，研究了一些特殊結(jié)構(gòu)的磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)。韓國慶星大學(xué)的J. W. Ahn以及我國沈陽工業(yè)大學(xué)的張鳳閣等提出了雙定子12/8、混合定子8/10以及混合定子12/14單繞組結(jié)構(gòu)[12-16]。雙定子12/8結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖1　12/8雙繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)Fig.1　12/8 double winding bearingless switched reluctance motor

圖2　8/6單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)Fig.2 8/6 single winding bearingless switched reluctance motor

圖3 雙定子12/8磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)Fig.3　Double stator 12/8 bearingless switched reluctance motor

圖1為三相12/8雙繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)A相繞組電氣連接示意圖。磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)A相主繞組Nma由徑向相對的A相四極繞組正向串聯(lián)而成；懸浮繞組包括水平方向懸浮繞組Nsa1和垂直方向懸浮繞組Nsa2，其中水平方向懸浮繞組Nsa1由徑向水平方向相對的兩極繞組反向串聯(lián)而成，垂直方向懸浮繞組Nsa2由徑向垂直方向相對的兩極繞組反向串聯(lián)而成。B相和C相在繞組結(jié)構(gòu)及連接方式上與A相相同，只是在空間位置上分別位于A相旋轉(zhuǎn)方向的1/3和2/3處。

圖2為8/6單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理示意圖。其繞組電流由轉(zhuǎn)矩電流和懸浮電流共同組成，調(diào)節(jié)懸浮電流的大小，可以產(chǎn)生不同方向的懸浮力。例如，當(dāng)繞組1、2、5和6分別通入電流，且電流大小滿足

式中，im、kim提供電機(jī)所需的轉(zhuǎn)矩力；is1與is2提供轉(zhuǎn)子懸浮力。F1與F2的合力可以產(chǎn)生垂直方向的懸浮力，轉(zhuǎn)子達(dá)到懸浮效果。

圖3所示電機(jī)的主要特點(diǎn)為：在三相12/8磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部，增加4個相隔90°的定子極。外部定子極只有提供轉(zhuǎn)矩力的主繞組。內(nèi)部的定子產(chǎn)生徑向力維持轉(zhuǎn)子的懸浮，且4個懸浮繞組獨(dú)立控制。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢就是控制簡單，且更容易實(shí)現(xiàn)懸浮力和轉(zhuǎn)矩力的解耦控制。

隨著對磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)的深入研究，學(xué)者相繼提出一些具有特殊結(jié)構(gòu)的磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)。文獻(xiàn)[17]結(jié)合盤式開關(guān)磁阻電機(jī)與抗磁性材料特點(diǎn)，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、效率高、體積小并可在常溫下穩(wěn)定懸浮的盤式磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)。文獻(xiàn)[18]提出一種永磁偏置磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)。通過永磁體產(chǎn)生懸浮力偏置磁通，從理論上降低了懸浮損耗，提高懸浮效率，但增加了系統(tǒng)成本與電機(jī)體積。

目前，磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)已有多種類型被提出，但仍然存在一些問題。總結(jié)如下：根據(jù)每極定子繞組數(shù)量的不同，可分為雙繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)和單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)。兩種電機(jī)在運(yùn)行原理上沒有本質(zhì)的區(qū)別，但在電機(jī)體積、成本和控制難易程度上各有優(yōu)缺點(diǎn)。單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)需要控制的電機(jī)繞組數(shù)目相對較少，系統(tǒng)成本較低，但是對應(yīng)的控制策略卻更加復(fù)雜，增大了數(shù)字控制系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。未來的研究目標(biāo)是形成一套完整的磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)分析設(shè)計理論，設(shè)計出一種轉(zhuǎn)矩大、結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡單、成本低且能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的超高速電機(jī)。

2　磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1電機(jī)電磁場分析與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

由于磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動是以電磁場為介質(zhì)的，因此電磁場解析[19]和磁路設(shè)計是電機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提。準(zhǔn)確的磁場解析對磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)消除端部效應(yīng)、降低轉(zhuǎn)矩脈動和提高電機(jī)動靜態(tài)性能等方面均有指導(dǎo)意義，是磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)建立準(zhǔn)確模型和實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行的理論基礎(chǔ)。

通常在磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)穩(wěn)定懸浮的有限元模型基礎(chǔ)上，采用雙標(biāo)量磁位法計算得到其磁場分布，獲得電感與轉(zhuǎn)子徑向位移的關(guān)系和穩(wěn)定懸浮狀態(tài)下的繞組電感。

磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)定、轉(zhuǎn)子齒極結(jié)構(gòu)，主繞組和懸浮繞組匝數(shù)分配以及其他電機(jī)基本參數(shù)對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和懸浮力控制都有重要影響，決定了徑向承載能力以及電磁轉(zhuǎn)矩等性能指標(biāo)。如何優(yōu)化各種電機(jī)參數(shù)，設(shè)計出一臺高性能的電機(jī)是該方向研究的重點(diǎn)[20,21]。現(xiàn)有的方法為：通過有限元仿真建立樣本空間，構(gòu)建懸浮力、電磁轉(zhuǎn)矩與繞組間互感的最小二乘支持向量機(jī)非參數(shù)模型，并基于該非參數(shù)模型，選擇滿足額定電磁轉(zhuǎn)矩為約束條件，懸浮力最大且繞組間互感最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用粒子群優(yōu)化算法獲取電機(jī)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.2磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的理論基礎(chǔ)，也是許多學(xué)者研究的重點(diǎn)之一。研究數(shù)學(xué)模型的最終目的是為了得到較為準(zhǔn)確的懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩數(shù)學(xué)表達(dá)式以便更好地控制電機(jī)?，F(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型由兩種方法得到：虛位移法[22-24]和麥克斯韋應(yīng)力法[25]。

虛位移法的基本思路為：根據(jù)磁場有限元法和分割磁導(dǎo)法得到氣隙磁導(dǎo)，然后根據(jù)等效磁路原理推導(dǎo)用氣隙磁導(dǎo)表示的繞組電感矩陣，在電感矩陣的基礎(chǔ)上得出磁場儲能的表達(dá)式，最后根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理得出懸浮力和轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)表達(dá)式。從日本學(xué)者的研究過程來看，其采用的是虛位移法，得到了磁路不飽和情況下的數(shù)學(xué)模型。此數(shù)學(xué)模型忽略了轉(zhuǎn)子在兩個徑向垂直方向上所受懸浮力的耦合作用及偏心力的影響[1]。文獻(xiàn)[22,23]考慮了轉(zhuǎn)子在兩個相互垂直方向上所受懸浮力的耦合作用，但仍然忽略了磁飽和。文獻(xiàn)[2]在前者的基礎(chǔ)上，討論了充分考慮磁飽和情況下的電機(jī)數(shù)學(xué)模型。

此外磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型還可以采用麥克斯韋應(yīng)力法得到。麥克斯韋應(yīng)力法是用等效的磁張力（面積力）來代替體積力，該方法對確定交界面上的電磁力比較方便。在恰當(dāng)選取積分路徑的基礎(chǔ)上，分析電機(jī)轉(zhuǎn)子所受到的徑向力和切向力關(guān)于氣隙磁通密度的表達(dá)式。建立定、轉(zhuǎn)子磁極的氣隙主磁通密度和邊緣磁通密度的簡化公式，即可推導(dǎo)徑向懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式?；邴溈怂鬼f應(yīng)力的研究手段也為磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型及其特性的研究開辟了與眾不同的視角。

2.3磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略

磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)是一個復(fù)雜的非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)，其控制策略的研究至關(guān)重要。磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的懸浮力、轉(zhuǎn)矩與主繞組電流，懸浮繞組電流，開通角和電機(jī)參數(shù)均有密切關(guān)系，所以根據(jù)給定的懸浮力和轉(zhuǎn)矩，如何確定主繞組電流，懸浮繞組電流以及開通關(guān)斷角是控制策略研究的關(guān)鍵。

2.3.1 瞬時懸浮力與平均轉(zhuǎn)矩控制

由于磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)定、轉(zhuǎn)子極對齊時，所受徑向懸浮力最大，可對主繞組的電流采用方波控制，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[26]。因此現(xiàn)有控制策略主要是對懸浮力和轉(zhuǎn)矩的控制為基礎(chǔ)展開的[2,3]。瞬時懸浮力與平均轉(zhuǎn)矩的控制策略中，主繞組電流一般為方波，而懸浮繞組電流則根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和所需懸浮力實(shí)時計算。文獻(xiàn)[27]對超前角和繞組電流的計算方法進(jìn)行了改進(jìn)，對超前角的判定更加全面，使轉(zhuǎn)軸的懸浮更加穩(wěn)定。

2.3.2 平均懸浮力與平均轉(zhuǎn)矩控制

隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，繞組反電動勢變大，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高速狀態(tài)時，電流實(shí)時計算和控制困難，尤其是懸浮繞組開通時刻電流，導(dǎo)致瞬時懸浮力難以實(shí)時控制[28]。根據(jù)磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的懸浮原理和數(shù)學(xué)模型，可采用平均懸浮力和平均轉(zhuǎn)矩的控制策略：主繞組電流和懸浮繞組電流均采用方波控制。通過推導(dǎo)的平均懸浮力與繞組電流之間的關(guān)系，以及主繞組電流和懸浮繞組電流的計算公式，可以得出超前角和繞組電流的計算流程。

2.3.3 最小磁動勢控制

磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)主繞組采用方波電流控制策略，但是方波電流并非主繞組電流的唯一控制方式[29]。最小磁動勢控制策略考慮了主繞組磁動勢和懸浮繞組磁動勢的不同組合對電機(jī)控制的影響，其中主繞組電流不再采用方波控制方式，而是和懸浮繞組電流相同，根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置實(shí)時計算得到。最小磁動勢控制以合成磁動勢的絕對值最小作為約束條件求解超前角、主繞組電流、懸浮繞組電流和四個控制參數(shù)。主繞組磁動勢和懸浮繞組磁動勢的不同組合對電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和懸浮有重要的影響作用，在不同的懸浮力下，當(dāng)合成磁動勢為零時瞬時轉(zhuǎn)矩最小，而且對不同的轉(zhuǎn)矩，在合成磁動勢為零時能產(chǎn)生最大的懸浮力。

2.3.4 雙相導(dǎo)通控制

在現(xiàn)有磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略中，電機(jī)均為單相導(dǎo)通。當(dāng)需要較大轉(zhuǎn)矩時，磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩角處開通繞組電流，但此處產(chǎn)生的徑向懸浮力最小，若此時電機(jī)的徑向負(fù)載很大，則需要開通另外一相[30,31]以彌補(bǔ)懸浮力的不足，但是會增加一定的負(fù)轉(zhuǎn)矩效應(yīng)。目前國內(nèi)主要以12/8結(jié)構(gòu)電機(jī)為研究對象，在建立兩相電流導(dǎo)通的等效磁路模型基礎(chǔ)上，確定電感矩陣，推導(dǎo)兩相電流導(dǎo)通的徑向懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式?；谠摂?shù)學(xué)模型的雙相電流導(dǎo)通模式極大程度地拓寬了磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的工作區(qū)域，增加電機(jī)承受徑向負(fù)載的能力。

2.4磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)傳感器技術(shù)

在無傳感器技術(shù)方面，雖然國內(nèi)外已有不少學(xué)者提出了一些策略，已取得了一些階段性成果，但都是單獨(dú)針對磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)無速度或者無位移傳感器運(yùn)行的，并沒有把兩者有機(jī)結(jié)合起來。

由于磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行時需要準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，需在電機(jī)內(nèi)部額外裝置位置傳感器和位移傳感器。目前位移檢測一般采用電渦流傳感器，增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度，降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅固性，尤其是在某些惡劣的應(yīng)用環(huán)境下，會影響電機(jī)的可靠運(yùn)行。優(yōu)化檢測傳感器的個數(shù)，是該方向研究的重點(diǎn)之一[32,33]。目前無位置傳感器技術(shù)有兩種：①通過在定子齒極上附加線圈，注入高頻諧波，通過檢測反電動勢的方法來檢測轉(zhuǎn)子徑向位移；②基于最小二乘支持向量機(jī)設(shè)計轉(zhuǎn)子位移/位置觀測器：對磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行狀態(tài)空間變換，采用最小二乘支持向量機(jī)設(shè)計轉(zhuǎn)子位移/位置觀測器，通過觀測器離線訓(xùn)練和在線學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)觀測器的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)定子轉(zhuǎn)矩脈動與電磁噪聲

磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)是一種定、轉(zhuǎn)子具有齒槽結(jié)構(gòu)且氣隙較小的電機(jī)，齒槽轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲較大是其固有不足。由于脈動的徑向電磁力是開關(guān)磁阻電機(jī)定子振動和噪聲的根源，阻礙了其推廣應(yīng)用?？刹捎们梆佈a(bǔ)償方案，在控制系統(tǒng)中引入一定的補(bǔ)償力，以減小電機(jī)在動態(tài)過程中的振動。文獻(xiàn)[34]分析了將磁懸浮技術(shù)引入開關(guān)磁阻后對不平衡徑向力起到的補(bǔ)償作用，給出了同時適用于開關(guān)磁阻電機(jī)和磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的定子極徑向力數(shù)學(xué)模型，建立了兩種電機(jī)的系統(tǒng)仿真模型，分析了兩種電機(jī)定子極所受的徑向力，并得出磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)定子單邊磁拉力直流分量及低次諧波含量幅值較開關(guān)磁阻電機(jī)大幅減小， 因而由此引起的振動和噪聲小，更適合應(yīng)用在要求低噪聲的領(lǐng)域。文獻(xiàn)[35]將麥克斯韋應(yīng)力法和磁路法結(jié)合起來計算了不同控制策略下磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)定子極受到的徑向電磁力。通過時域分析和頻域分析的方法研究了定子極徑向電磁力特性，得到了不同控制策略對定子振動的影響。

2.6磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)解耦控制

磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和懸浮功能于一體，必須同時控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和懸浮力，因此電機(jī)的解耦控制既包含轉(zhuǎn)矩和懸浮力間的解耦控制，也包含徑向兩個方向上懸浮力間的解耦控制[36-39]。文獻(xiàn)[36]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，提出直接懸浮力控制的概念。文獻(xiàn)[37]采用反饋精確線性化方法進(jìn)行了動態(tài)解耦和完全線性化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了兩自由度上轉(zhuǎn)子徑向位移的獨(dú)立控制，并對解耦后的獨(dú)立線性子系統(tǒng)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法進(jìn)行綜合。文獻(xiàn)[38]推導(dǎo)了磁懸浮開關(guān)磁阻電動機(jī)的徑向力模型，對該模型進(jìn)行可逆性分析，并證明該系統(tǒng)可逆，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)徑向力的動態(tài)解耦，達(dá)到電機(jī)高性能的控制目的。文獻(xiàn)[39]提出一種基于最小二乘支持向量機(jī)的逆動力學(xué)建模與解耦控制方法，給出懸浮力和轉(zhuǎn)矩的動力學(xué)模型，結(jié)合最小二乘支持向量機(jī)擬合與逆模解耦線性化特點(diǎn)，研究磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的最小二乘支持向量機(jī)逆動力學(xué)建模與解耦控制方法。

2.7磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)故障運(yùn)行技術(shù)

磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的故障包括電機(jī)故障、功率變換器故障和傳感器故障等。電機(jī)故障主要為繞組故障、接地故障等。解決繞組故障的方法通常為斷相運(yùn)行，即將故障相切除，通過延長其余相的導(dǎo)通寬度，合理地控制繞組電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的斷相運(yùn)行。功率變換器故障主要為開路故障和短路故障等。由于過電流、過電壓等導(dǎo)致功率開關(guān)管和二極管的損壞，造成開路或器件擊穿短路等故障。一般變換器故障可以轉(zhuǎn)化為斷相運(yùn)行。傳感器故障分為位置傳感器故障和位移傳感器故障，可以用無位置傳感器技術(shù)或傳感器冗余備份技術(shù)解決此問題。

2.8磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電模態(tài)

當(dāng)前磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)研究主要集中在的電動運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)電運(yùn)行的研究處于前期探索階段[40-42]。磁軸承技術(shù)與發(fā)電機(jī)的結(jié)合將是磁懸浮電機(jī)發(fā)展的必然趨勢。作為起步階段，磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)發(fā)電模態(tài)主要研究對象有：12/8極雙繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)全周期發(fā)電機(jī)，8/10極磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，雙繞組結(jié)構(gòu)12/8極三相串聯(lián)勵磁式磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)。研究重點(diǎn)主要集中在數(shù)學(xué)模型、控制策略及樣機(jī)實(shí)現(xiàn)等。磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)技術(shù)在飛機(jī)輔助動力單元，機(jī)車起動/發(fā)電一體機(jī)，艦船起動/發(fā)電一體機(jī)等軍用和民用領(lǐng)域均具有重要應(yīng)用價值。

3　磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)研究展望

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的研究尚處實(shí)驗室階段，仍有許多關(guān)鍵問題沒有統(tǒng)一的解決方案，磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的產(chǎn)品更是比較少見，一般都需要專門研制與定做，造價昂貴。當(dāng)前的首先任務(wù)是進(jìn)行磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計和控制技術(shù)實(shí)用化的研究，使該種電機(jī)獲得實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)上述對磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)相關(guān)技術(shù)的論述，磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)今后的研究重點(diǎn)應(yīng)致力于以下幾個方面：

（1）隨著新型導(dǎo)電、導(dǎo)磁和絕緣材料的出現(xiàn)，從本體上對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以提高磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的性能，將是今后發(fā)展的一個重要方向。本體結(jié)構(gòu)的可靠性是磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)在特殊場合推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（2）微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展將使電機(jī)控制系統(tǒng)朝控制電路和傳感器高度集成化的方向發(fā)展，可使磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)更加簡單可靠。電流傳感器、速度傳感器、位移傳感器以及溫度傳感器等是磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)十分重要的組成部分，為系統(tǒng)穩(wěn)定懸浮運(yùn)行發(fā)揮著重要作用。但是這些傳感器同樣也是潛在的故障隱患，由于長時間的使用將會引起傳感器的失效，從而進(jìn)一步引起控制系統(tǒng)的誤操作而發(fā)生故障，導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常工作。因此研究能同時滿足無徑向位移和無速度傳感器運(yùn)行的控制策略，實(shí)現(xiàn)無傳感器化運(yùn)行，將是關(guān)鍵技術(shù)研究中又一個需要探索的新命題，對實(shí)現(xiàn)低成本、小型化、集成化具有重要的意義。

（3）磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)性能的改善可以通過電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計及電力、電子裝置的控制實(shí)現(xiàn)，也可利用各種先進(jìn)的控制策略完成。磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)是一種具有局部磁路高度飽和的電機(jī)，目前不管是基于虛位移法還是麥克斯韋應(yīng)力法的數(shù)學(xué)模型，都是難以考慮磁路飽和效應(yīng)的一種簡化模型，要想獲得高品質(zhì)的控制性能，應(yīng)建立更為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型，均是在忽略漏磁端部效應(yīng)、相間互感的情況下得到的，但電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時，上述因素不可忽略。如何得到更精確并實(shí)用的數(shù)學(xué)模型，將是磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)研究的重點(diǎn)之一。因此必須借助現(xiàn)代控制理論方法，采用數(shù)據(jù)建模與機(jī)理建模相結(jié)合的方法，在現(xiàn)有近似的解析模型基礎(chǔ)上，充分考慮各種非線性因素，進(jìn)一步分析研究基本模型隨關(guān)鍵參數(shù)變化的規(guī)律。

（4）隨著電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展，雙相導(dǎo)通策略的研究還有待繼續(xù)深入。其重點(diǎn)是兼顧徑向懸浮力和轉(zhuǎn)矩脈動的同時，在兩相中分配徑向懸浮力和確定兩相工作交疊寬度，以盡量減小負(fù)轉(zhuǎn)矩的不良影響。

（5）磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和懸浮力與主繞組電流和懸浮繞組電流均有關(guān)，必須引入新的控制算法和概念以便同時實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦控制，以及兩個方向上懸浮力間的解耦控制。

（6）將磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)電動和發(fā)電功能相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)磁懸浮開關(guān)磁阻起動/發(fā)電機(jī)一體化技術(shù)，為強(qiáng)化其在多電/全電航空發(fā)動機(jī)和飛輪儲能等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4　結(jié)論

本文在介紹磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，對電機(jī)本體機(jī)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型、控制策略、無傳感器控制、解耦控制與電動/發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面的闡述。在此基礎(chǔ)上指出了未來磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)研究發(fā)展趨勢，為進(jìn)一步研究磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)指明方向?？傊?，磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)在航空航天、飛輪儲能等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，但目前的研究仍不夠完善，尚不能滿足現(xiàn)代高、精、尖設(shè)備的需求。相信在未來一段時間內(nèi)，隨著我國科研人員對磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)相關(guān)技術(shù)問題的深入研究，一定會取得突破性進(jìn)展。

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孫玉坤 男，1958年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為特種電力傳動的智能控制、功率變換技術(shù)與電能質(zhì)量控制和微生物環(huán)境的智能檢測與控制等。

袁 野 男，1991年生，博士研究生，研究方向為電機(jī)驅(qū)動和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

Development of the Bearingless Switched Reluctance Motor and Its Key Technologies

Sun Yukun1Yuan Ye2Huang Yonghong2Zhang Weiyu2Liu Liangtian2
（1. Nanjing Institute of Technology Nanjing 211167 China 2. Jiangsu University Zhenjiang 212013 China）

Bearingless switched reluctance motor combines the advantages of magnetic bearing and swithch reluctance motor, and has very broad development prospects in aviation and flywheel energy storage fields. It provides a new approach to improve the problem of vibration and noises due to asymmetric magnetic pull by the active control of rotor radial force. According to related literature，the current research status of bearingless switched reluctance motor is presented. The main research contents and key technologies of bearingless switched reluctance motor are summarized and the development trend of bearingless switched reluctance motor is discussed.

Bearingless, switched reluctance motor, current research status, key technologies, development trend

TM315

國家自然科學(xué)基金（51377074），江蘇省自然科學(xué)基金（BK20150524），江蘇大學(xué)研究生創(chuàng)新工程項目（KYXX_0002）和江蘇大學(xué)高級人才基金（14JDG131）資助。

2014-01-10 改稿日期 2014-04-04