磁悬浮开关磁阻电机及其关键技术发展综述

孙玉坤　袁 野　黄永红　张维煜　刘良田

磁悬浮开关磁阻电机及其关键技术发展综述

孙玉坤1袁 野2黄永红2张维煜2刘良田2

（1. 南京工程学院电力工程学院 南京 211167 2. 江苏大学电气信息工程学院 镇江 212013）

磁悬浮开关磁阻电机结合磁轴承技术与开关磁阻电机优点，通过径向力的主动控制，有效改善了开关磁阻电机因不平衡磁拉力造成的振动和噪声问题，在航空航天、飞轮储能等领域具有非常广阔的发展前景。结合国内外相关文献，介绍了磁悬浮开关磁阻电机的研究现状，总结了目前磁悬浮开关磁阻电机的主要研究内容与关键技术，并讨论了其未来的发展趋势。

磁悬浮 开关磁阻电机 研究现状 关键技术 发展趋势

0　引言

1960年S. A. Nasar引入开关磁阻电机的概念，其定子和磁轴承定子结构极具相似性，因此可将磁轴承中的悬浮绕组叠绕在开关磁阻电机定子上，构成磁悬浮开关磁阻电机。磁悬浮开关磁阻电机将磁轴承技术与开关磁阻电机相结合[1]，结构简单、坚固，转子上无永磁体和绕组，具有无磨损、体积小、功耗低和轴向利用率高的优点，在高速应用领域极具应用前景。磁悬浮开关磁阻电机的概念最早是由R. Furuichi教授提出，日本学者K. Shimada分析了不同定子绕组情况下磁悬浮开关磁阻电机中的径向力。1998年，M. Takemoto等发表了一篇关于磁悬浮开关磁阻电机论文[2]，该文指出，磁悬浮开关磁阻电机转子所受径向力与主绕组电流，悬浮绕组电流和转子位置等有关。随即国内外学者对磁悬浮开关磁阻电机进行了深入研究。本文查阅了大量国内外经典文献，首先介绍具有不同结构的磁悬浮开关磁阻电机，总结磁悬浮开关磁阻电机技术的发展现状与特点，并对目前磁悬浮开关磁阻电机尚未完全解决的问题进行了论述，最后探讨未来磁悬浮开关磁阻电机的发展趋势。（注：本文提及的磁悬浮开关磁阻电机，包括电动运行和发电运行两种模态。）

1　磁悬浮开关磁阻电机结构及原理

磁悬浮开关磁阻电机，利用磁轴承与开关磁阻电机绕组结构的相似性，将磁轴承的悬浮力绕组叠加在开关磁阻电机定子绕组上，同时产生悬浮力与电磁转矩，实现电机转子的悬浮与旋转。日本东京理工大学的M. Takemoto等率先研究提出了12/8双绕组[3]，如图1所示。在定子上安装两套集中式绕组，分别为主绕组和悬浮绕组，其中悬浮绕组产生悬浮力的偏置磁场，通过调节悬浮绕组电流以改变原有气隙磁场的分布，利用转子对极两侧的气隙磁场不平衡作用，产生转轴上的径向悬浮力，以保证转轴的径向悬浮。在对双绕组磁悬浮开关磁阻电机的研究相对完善后，一些学者开始研究单绕组磁悬浮开关磁阻电机的技术。德国开姆尼茨工业大学的L. Chen等研究提出了8/6单绕组结构[4-7]，如图2所示。台湾淡江大学的F. C. Lin等提出了12/8单绕组结构[8-11]。另外部分学者通过改变电机的定、转子结构，研究了一些特殊结构的磁悬浮开关磁阻电机。韩国庆星大学的J. W. Ahn以及我国沈阳工业大学的张凤阁等提出了双定子12/8、混合定子8/10以及混合定子12/14单绕组结构[12-16]。双定子12/8结构示意图如图3所示。

图1　12/8双绕组磁悬浮开关磁阻电机Fig.1　12/8 double winding bearingless switched reluctance motor

图2　8/6单绕组磁悬浮开关磁阻电机Fig.2 8/6 single winding bearingless switched reluctance motor

图3 双定子12/8磁悬浮开关磁阻电机Fig.3　Double stator 12/8 bearingless switched reluctance motor

图1为三相12/8双绕组磁悬浮开关磁阻电机A相绕组电气连接示意图。磁悬浮开关磁阻电机A相主绕组Nma由径向相对的A相四极绕组正向串联而成；悬浮绕组包括水平方向悬浮绕组Nsa1和垂直方向悬浮绕组Nsa2，其中水平方向悬浮绕组Nsa1由径向水平方向相对的两极绕组反向串联而成，垂直方向悬浮绕组Nsa2由径向垂直方向相对的两极绕组反向串联而成。B相和C相在绕组结构及连接方式上与A相相同，只是在空间位置上分别位于A相旋转方向的1/3和2/3处。

图2为8/6单绕组磁悬浮开关磁阻电机运行原理示意图。其绕组电流由转矩电流和悬浮电流共同组成，调节悬浮电流的大小，可以产生不同方向的悬浮力。例如，当绕组1、2、5和6分别通入电流，且电流大小满足

式中，im、kim提供电机所需的转矩力；is1与is2提供转子悬浮力。F1与F2的合力可以产生垂直方向的悬浮力，转子达到悬浮效果。

图3所示电机的主要特点为：在三相12/8磁悬浮开关磁阻电机转子内部，增加4个相隔90°的定子极。外部定子极只有提供转矩力的主绕组。内部的定子产生径向力维持转子的悬浮，且4个悬浮绕组独立控制。这种结构的优势就是控制简单，且更容易实现悬浮力和转矩力的解耦控制。

随着对磁悬浮开关磁阻电机结构的深入研究，学者相继提出一些具有特殊结构的磁悬浮开关磁阻电机。文献[17]结合盘式开关磁阻电机与抗磁性材料特点，设计了一种结构简单、效率高、体积小并可在常温下稳定悬浮的盘式磁悬浮开关磁阻电机。文献[18]提出一种永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机。通过永磁体产生悬浮力偏置磁通，从理论上降低了悬浮损耗，提高悬浮效率，但增加了系统成本与电机体积。

目前，磁悬浮开关磁阻电机结构已有多种类型被提出，但仍然存在一些问题。总结如下：根据每极定子绕组数量的不同，可分为双绕组磁悬浮开关磁阻电机和单绕组磁悬浮开关磁阻电机。两种电机在运行原理上没有本质的区别，但在电机体积、成本和控制难易程度上各有优缺点。单绕组磁悬浮开关磁阻电机需要控制的电机绕组数目相对较少，系统成本较低，但是对应的控制策略却更加复杂，增大了数字控制系统的运行负担。未来的研究目标是形成一套完整的磁悬浮开关磁阻电机分析设计理论，设计出一种转矩大、结构紧凑、控制简单、成本低且能适应恶劣工作环境的超高速电机。

2　磁悬浮开关磁阻电机的关键技术

2.1电机电磁场分析与参数优化设计

由于磁悬浮开关磁阻电机的驱动是以电磁场为介质的，因此电磁场解析[19]和磁路设计是电机整体结构设计的前提。准确的磁场解析对磁悬浮开关磁阻电机消除端部效应、降低转矩脉动和提高电机动静态性能等方面均有指导意义，是磁悬浮开关磁阻电机建立准确模型和实现高速运行的理论基础。

通常在磁悬浮开关磁阻电机稳定悬浮的有限元模型基础上，采用双标量磁位法计算得到其磁场分布，获得电感与转子径向位移的关系和稳定悬浮状态下的绕组电感。

磁悬浮开关磁阻电机定、转子齿极结构，主绕组和悬浮绕组匝数分配以及其他电机基本参数对电机的转矩和悬浮力控制都有重要影响，决定了径向承载能力以及电磁转矩等性能指标。如何优化各种电机参数，设计出一台高性能的电机是该方向研究的重点[20,21]。现有的方法为：通过有限元仿真建立样本空间，构建悬浮力、电磁转矩与绕组间互感的最小二乘支持向量机非参数模型，并基于该非参数模型，选择满足额定电磁转矩为约束条件，悬浮力最大且绕组间互感最小为优化目标，采用粒子群优化算法获取电机的最优结构参数。

2.2磁悬浮开关磁阻电机数学模型

数学模型是磁悬浮开关磁阻电机的理论基础，也是许多学者研究的重点之一。研究数学模型的最终目的是为了得到较为准确的悬浮力和电磁转矩数学表达式以便更好地控制电机。现有的数学模型由两种方法得到：虚位移法[22-24]和麦克斯韦应力法[25]。

虚位移法的基本思路为：根据磁场有限元法和分割磁导法得到气隙磁导，然后根据等效磁路原理推导用气隙磁导表示的绕组电感矩阵，在电感矩阵的基础上得出磁场储能的表达式，最后根据机电能量转换原理得出悬浮力和转矩的数学表达式。从日本学者的研究过程来看，其采用的是虚位移法，得到了磁路不饱和情况下的数学模型。此数学模型忽略了转子在两个径向垂直方向上所受悬浮力的耦合作用及偏心力的影响[1]。文献[22,23]考虑了转子在两个相互垂直方向上所受悬浮力的耦合作用，但仍然忽略了磁饱和。文献[2]在前者的基础上，讨论了充分考虑磁饱和情况下的电机数学模型。

此外磁悬浮开关磁阻电机的数学模型还可以采用麦克斯韦应力法得到。麦克斯韦应力法是用等效的磁张力（面积力）来代替体积力，该方法对确定交界面上的电磁力比较方便。在恰当选取积分路径的基础上，分析电机转子所受到的径向力和切向力关于气隙磁通密度的表达式。建立定、转子磁极的气隙主磁通密度和边缘磁通密度的简化公式，即可推导径向悬浮力和电磁转矩的计算公式。基于麦克斯韦应力的研究手段也为磁悬浮开关磁阻电机数学模型及其特性的研究开辟了与众不同的视角。

2.3磁悬浮开关磁阻电机控制策略

磁悬浮开关磁阻电机是一个复杂的非线性强耦合系统，其控制策略的研究至关重要。磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力、转矩与主绕组电流，悬浮绕组电流，开通角和电机参数均有密切关系，所以根据给定的悬浮力和转矩，如何确定主绕组电流，悬浮绕组电流以及开通关断角是控制策略研究的关键。

2.3.1 瞬时悬浮力与平均转矩控制

由于磁悬浮开关磁阻电机定、转子极对齐时，所受径向悬浮力最大，可对主绕组的电流采用方波控制，来实现电机调速系统的稳定运行[26]。因此现有控制策略主要是对悬浮力和转矩的控制为基础展开的[2,3]。瞬时悬浮力与平均转矩的控制策略中，主绕组电流一般为方波，而悬浮绕组电流则根据电机转子位置和所需悬浮力实时计算。文献[27]对超前角和绕组电流的计算方法进行了改进，对超前角的判定更加全面，使转轴的悬浮更加稳定。

2.3.2 平均悬浮力与平均转矩控制

随着电机转速的增加，绕组反电动势变大，当电机运行在高速状态时，电流实时计算和控制困难，尤其是悬浮绕组开通时刻电流，导致瞬时悬浮力难以实时控制[28]。根据磁悬浮开关磁阻电机的悬浮原理和数学模型，可采用平均悬浮力和平均转矩的控制策略：主绕组电流和悬浮绕组电流均采用方波控制。通过推导的平均悬浮力与绕组电流之间的关系，以及主绕组电流和悬浮绕组电流的计算公式，可以得出超前角和绕组电流的计算流程。

2.3.3 最小磁动势控制

磁悬浮开关磁阻电机主绕组采用方波电流控制策略，但是方波电流并非主绕组电流的唯一控制方式[29]。最小磁动势控制策略考虑了主绕组磁动势和悬浮绕组磁动势的不同组合对电机控制的影响，其中主绕组电流不再采用方波控制方式，而是和悬浮绕组电流相同，根据电机旋转位置实时计算得到。最小磁动势控制以合成磁动势的绝对值最小作为约束条件求解超前角、主绕组电流、悬浮绕组电流和四个控制参数。主绕组磁动势和悬浮绕组磁动势的不同组合对电机的旋转和悬浮有重要的影响作用，在不同的悬浮力下，当合成磁动势为零时瞬时转矩最小，而且对不同的转矩，在合成磁动势为零时能产生最大的悬浮力。

2.3.4 双相导通控制

在现有磁悬浮开关磁阻电机控制策略中，电机均为单相导通。当需要较大转矩时，磁悬浮开关磁阻电机在最大转矩角处开通绕组电流，但此处产生的径向悬浮力最小，若此时电机的径向负载很大，则需要开通另外一相[30,31]以弥补悬浮力的不足，但是会增加一定的负转矩效应。目前国内主要以12/8结构电机为研究对象，在建立两相电流导通的等效磁路模型基础上，确定电感矩阵，推导两相电流导通的径向悬浮力和电磁转矩的表达式。基于该数学模型的双相电流导通模式极大程度地拓宽了磁悬浮开关磁阻电机的工作区域，增加电机承受径向负载的能力。

2.4磁悬浮开关磁阻电机传感器技术

在无传感器技术方面，虽然国内外已有不少学者提出了一些策略，已取得了一些阶段性成果，但都是单独针对磁悬浮开关磁阻电机无速度或者无位移传感器运行的，并没有把两者有机结合起来。

由于磁悬浮开关磁阻电机运行时需要准确的转子位置信息，需在电机内部额外装置位置传感器和位移传感器。目前位移检测一般采用电涡流传感器，增加了系统的成本和复杂程度，降低了系统结构的坚固性，尤其是在某些恶劣的应用环境下，会影响电机的可靠运行。优化检测传感器的个数，是该方向研究的重点之一[32,33]。目前无位置传感器技术有两种：①通过在定子齿极上附加线圈，注入高频谐波，通过检测反电动势的方法来检测转子径向位移；②基于最小二乘支持向量机设计转子位移/位置观测器：对磁悬浮开关磁阻电机数学模型进行状态空间变换，采用最小二乘支持向量机设计转子位移/位置观测器，通过观测器离线训练和在线学习，实现观测器的稳定运行。

2.5磁悬浮开关磁阻电机定子转矩脉动与电磁噪声

磁悬浮开关磁阻电机是一种定、转子具有齿槽结构且气隙较小的电机，齿槽转矩脉动和噪声较大是其固有不足。由于脉动的径向电磁力是开关磁阻电机定子振动和噪声的根源，阻碍了其推广应用。可采用前馈补偿方案，在控制系统中引入一定的补偿力，以减小电机在动态过程中的振动。文献[34]分析了将磁悬浮技术引入开关磁阻后对不平衡径向力起到的补偿作用，给出了同时适用于开关磁阻电机和磁悬浮开关磁阻电机的定子极径向力数学模型，建立了两种电机的系统仿真模型，分析了两种电机定子极所受的径向力，并得出磁悬浮开关磁阻电机定子单边磁拉力直流分量及低次谐波含量幅值较开关磁阻电机大幅减小， 因而由此引起的振动和噪声小，更适合应用在要求低噪声的领域。文献[35]将麦克斯韦应力法和磁路法结合起来计算了不同控制策略下磁悬浮开关磁阻电机定子极受到的径向电磁力。通过时域分析和频域分析的方法研究了定子极径向电磁力特性，得到了不同控制策略对定子振动的影响。

2.6磁悬浮开关磁阻电机解耦控制

磁悬浮开关磁阻电机要实现旋转和悬浮功能于一体，必须同时控制电机的转矩和悬浮力，因此电机的解耦控制既包含转矩和悬浮力间的解耦控制，也包含径向两个方向上悬浮力间的解耦控制[36-39]。文献[36]基于神经网络控制算法，提出直接悬浮力控制的概念。文献[37]采用反馈精确线性化方法进行了动态解耦和完全线性化设计，实现了两自由度上转子径向位移的独立控制，并对解耦后的独立线性子系统采用滑模变结构控制方法进行综合。文献[38]推导了磁悬浮开关磁阻电动机的径向力模型，对该模型进行可逆性分析，并证明该系统可逆，应用神经网络逆系统方法实现径向力的动态解耦，达到电机高性能的控制目的。文献[39]提出一种基于最小二乘支持向量机的逆动力学建模与解耦控制方法，给出悬浮力和转矩的动力学模型，结合最小二乘支持向量机拟合与逆模解耦线性化特点，研究磁悬浮开关磁阻电机的最小二乘支持向量机逆动力学建模与解耦控制方法。

2.7磁悬浮开关磁阻电机故障运行技术

磁悬浮开关磁阻电机的故障包括电机故障、功率变换器故障和传感器故障等。电机故障主要为绕组故障、接地故障等。解决绕组故障的方法通常为断相运行，即将故障相切除，通过延长其余相的导通宽度，合理地控制绕组电流，实现电机的断相运行。功率变换器故障主要为开路故障和短路故障等。由于过电流、过电压等导致功率开关管和二极管的损坏，造成开路或器件击穿短路等故障。一般变换器故障可以转化为断相运行。传感器故障分为位置传感器故障和位移传感器故障，可以用无位置传感器技术或传感器冗余备份技术解决此问题。

2.8磁悬浮开关磁阻发电模态

当前磁悬浮开关磁阻电机研究主要集中在的电动运行状态，发电运行的研究处于前期探索阶段[40-42]。磁轴承技术与发电机的结合将是磁悬浮电机发展的必然趋势。作为起步阶段，磁悬浮开关磁阻发电机发电模态主要研究对象有：12/8极双绕组磁悬浮开关磁阻电机全周期发电机，8/10极磁悬浮开关磁阻发电机，双绕组结构12/8极三相串联励磁式磁悬浮开关磁阻发电机。研究重点主要集中在数学模型、控制策略及样机实现等。磁悬浮开关磁阻发电机技术在飞机辅助动力单元，机车起动/发电一体机，舰船起动/发电一体机等军用和民用领域均具有重要应用价值。

3　磁悬浮开关磁阻电机研究展望

现阶段，国内外对磁悬浮开关磁阻电机的研究尚处实验室阶段，仍有许多关键问题没有统一的解决方案，磁悬浮开关磁阻电机的产品更是比较少见，一般都需要专门研制与定做，造价昂贵。当前的首先任务是进行磁悬浮开关磁阻电机设计和控制技术实用化的研究，使该种电机获得实际应用。根据上述对磁悬浮开关磁阻电机相关技术的论述，磁悬浮开关磁阻电机今后的研究重点应致力于以下几个方面：

（1）随着新型导电、导磁和绝缘材料的出现，从本体上对电机进行优化设计以提高磁悬浮开关磁阻电机的性能，将是今后发展的一个重要方向。本体结构的可靠性是磁悬浮开关磁阻电机在特殊场合推广应用的基础。

（2）微机电系统技术的发展将使电机控制系统朝控制电路和传感器高度集成化的方向发展，可使磁悬浮开关磁阻电机控制系统更加简单可靠。电流传感器、速度传感器、位移传感器以及温度传感器等是磁悬浮开关磁阻电机驱动系统十分重要的组成部分，为系统稳定悬浮运行发挥着重要作用。但是这些传感器同样也是潜在的故障隐患，由于长时间的使用将会引起传感器的失效，从而进一步引起控制系统的误操作而发生故障，导致整个系统无法正常工作。因此研究能同时满足无径向位移和无速度传感器运行的控制策略，实现无传感器化运行，将是关键技术研究中又一个需要探索的新命题，对实现低成本、小型化、集成化具有重要的意义。

（3）磁悬浮开关磁阻电机性能的改善可以通过电机本体优化设计及电力、电子装置的控制实现，也可利用各种先进的控制策略完成。磁悬浮开关磁阻电机是一种具有局部磁路高度饱和的电机，目前不管是基于虚位移法还是麦克斯韦应力法的数学模型，都是难以考虑磁路饱和效应的一种简化模型，要想获得高品质的控制性能，应建立更为准确的数学模型。现有的数学模型，均是在忽略漏磁端部效应、相间互感的情况下得到的，但电机实际运行时，上述因素不可忽略。如何得到更精确并实用的数学模型，将是磁悬浮开关磁阻电机研究的重点之一。因此必须借助现代控制理论方法，采用数据建模与机理建模相结合的方法，在现有近似的解析模型基础上，充分考虑各种非线性因素，进一步分析研究基本模型随关键参数变化的规律。

（4）随着电机的应用和发展，双相导通策略的研究还有待继续深入。其重点是兼顾径向悬浮力和转矩脉动的同时，在两相中分配径向悬浮力和确定两相工作交叠宽度，以尽量减小负转矩的不良影响。

（5）磁悬浮开关磁阻电机的转矩和悬浮力与主绕组电流和悬浮绕组电流均有关，必须引入新的控制算法和概念以便同时实现转矩和悬浮力的解耦控制，以及两个方向上悬浮力间的解耦控制。

（6）将磁悬浮开关磁阻电机电动和发电功能相结合，最终实现磁悬浮开关磁阻起动/发电机一体化技术，为强化其在多电/全电航空发动机和飞轮储能等领域的应用奠定基础。

4　结论

本文在介绍磁悬浮开关磁阻电机工作原理的基础上，对电机本体机构、数学模型、控制策略、无传感器控制、解耦控制与电动/发电机等关键技术进行了全面的阐述。在此基础上指出了未来磁悬浮开关磁阻电机研究发展趋势，为进一步研究磁悬浮开关磁阻电机指明方向。总之，磁悬浮开关磁阻电机在航空航天、飞轮储能等领域有广阔的应用前景，但目前的研究仍不够完善，尚不能满足现代高、精、尖设备的需求。相信在未来一段时间内，随着我国科研人员对磁悬浮开关磁阻电机相关技术问题的深入研究，一定会取得突破性进展。

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孙玉坤 男，1958年生，教授，博士生导师，研究方向为特种电力传动的智能控制、功率变换技术与电能质量控制和微生物环境的智能检测与控制等。

袁 野 男，1991年生，博士研究生，研究方向为电机驱动和系统优化设计。

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

国家自然科学基金（51377074），江苏省自然科学基金（BK20150524），江苏大学研究生创新工程项目（KYXX_0002）和江苏大学高级人才基金（14JDG131）资助。

2014-01-10 改稿日期 2014-04-04