[0006] 为解决上述问题，本发明采用双定子结构，外定子绕有转矩绕组，内定子绕有悬浮绕组，有效克服悬浮力绕组、主绕组以及径向两自由度悬浮力绕组之间的耦合，简化了数学模型。由于在转子旋转过程中悬浮极与转子的对齐面积始终等于悬浮极齿宽，磁阻不随转子角度变化，因此径向力不随转子位置角变化，克服了传统磁悬浮开关磁阻电机在定转子不对称位置不能产生悬浮力、工作区域平均悬浮力较小的问题。
[0007] 本发明的技术方案为：
[0008] 一种五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统，包括同轴连接的双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅰ和双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅱ；
[0009] 所述双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅰ由外定子a1，锥形转子a2，锥形内定子a3，永磁体a4，转矩线圈a6和悬浮线圈a5组成，其中转子a2和内定子a3均为锥形凸极结构，外定子a1为圆柱凸极结构；
[0010] 所述双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅱ由外定子b13，锥形转子b8，锥形内定子b11，永磁体b9，转矩线圈b7和悬浮线圈b12组成，其中转子b8和内定子b11均为锥形凸极结构，外定子b13为圆柱凸极结构；
[0011] 外定子a1绕有转矩绕组a6，内定子a3绕有悬浮绕组a5；外定子b13绕有转矩绕组b7，内定子b11绕有悬浮绕组b12；
[0012] 所述锥形转子a2，锥形内定子a3，锥形转子b8，锥形内定子b11锥角开口角度相同，锥形转子a2和锥形内定子a3开口方向相同，锥形转子b8和锥形内定子b11开口方向相同，定锥形转子a2、锥形内定子a3开口方向和锥形转子b8、锥形内定子b11开口方向相反；所述永磁体a4放置于内定子a3内；所述永磁体b9放置于内定子b11内。
[0013] 进一步，由于转子a2锥角的存在，内定子a3对转子a2产生轴向磁拉力，轴向磁拉力总是指向转子直径较小的一侧，通过调节内定子a2悬浮电流大小即可调节电机Ⅰ轴向力大小F1；
[0014] 由于转子b8锥角的存在，内定子b11对转子b8产生轴向磁拉力，轴向磁拉力总是指向转子直径较小的一侧，通过调节内定子b8悬浮电流大小即可调节电机Ⅱ轴向力大小F2；
[0015] 由于转子a2和转子b8锥形开口方向相反，F1和F2方向相反，五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统的轴向力大小为F1-F2，轴向力方向由F1-F2符号决定，若F1-F2结果符号为正，则该系统轴向力方向与F1方向相同，若F1-F2结果符号为负，则该系统轴向力方向与F2方向相同。
[0016] 进一步，转矩绕组a6与悬浮绕组a5产生磁路相互独立，转矩绕组a6实现转子旋转功能，悬浮绕组a5实现转子稳定悬浮功能，悬浮力和转矩可分别控制；同时径向两自由度的悬浮力之间耦合减小；
[0017] 转矩绕组b7与悬浮绕组b12产生磁路相互独立，转矩绕组b7实现转子旋转功能，悬浮绕组b12实现转子稳定悬浮功能，悬浮力和转矩可分别控制，同时径向两自由度的悬浮力之间耦合减小。
[0018] 进一步，永磁体a4与转轴10之间留有导磁桥，悬浮电流产生磁力线从导磁桥中通过，永磁体a4所产生永磁磁通与悬浮绕组a5产生的磁通在气隙一侧中叠加，在另一侧中互相削弱，产生径向悬浮力；电机励磁方式由传统的电励磁变为与永磁体共同作用的混合励磁；保持输入励磁电流不变的情况下增加磁路的饱和程度，提高了径向悬浮力与电机的功率密度。
[0019] 永磁体b9与转轴10之间留有导磁桥，悬浮电流产生磁力线从导磁桥中通过，永磁体a4所产生永磁磁通与悬浮绕组a5产生的磁通在气隙一侧中叠加，在另一侧中互相削弱，产生径向悬浮力，电机励磁方式由传统的电励磁变为与永磁体共同作用的混合励磁。保持输入励磁电流不变的情况下增加磁路的饱和程度，提高了径向悬浮力与电机的功率密度。
[0020] 进一步，所述永磁体a4横截面为矩形，材料为钕铁硼，充磁方式为切向充磁；所述永磁体b9横截面为矩形，材料为钕铁硼，充磁方式为切向充磁。
[0021] 进一步，所述外定子a1齿数12、转子a2齿数8、内定子a3齿数4，绕有三相转矩线圈，通过串联方式将相隔90度的定子绕组连接在一起,内定子a3绕有悬浮绕组，采用单独控制的方式实现转子径向悬浮。
[0022] 进一步，所述外定子b13齿数12、转子b8齿数8、内定子b11齿数4，绕有三相转矩线圈，通过串联方式将相隔90度的定子绕组连接在一起,内定子b11绕有悬浮绕组，采用单独控制的方式实现转子径向悬浮。
[0023] 本系统避免安装磁轴承，通过采用锥形转子和锥形内定子实现五自由度悬浮，缩短转子长度，通过锥角大小和悬浮电流调节轴向力大小。其中锥形内定子3和锥形转子2开口方向一致，锥形内定子11和锥形转子8开口方向一致，而锥形内定子3、锥形转子2与锥形内定子11、锥形转子8开口方向相反，轴向力方向可通过同轴连接的两台锥形双定子磁悬浮开关磁阻电机调节，实现磁悬浮开关磁阻电机五自由的悬浮。当轴向发生偏心位移时，由于内外定子在磁路上是分离结构且外定子与转子之间气隙为圆柱形，可以通过弹簧、控制器和内定子来实现轴向位移的控制,实现转子的稳定悬浮。
[0024] 本发明两台锥形双定子磁悬浮开关磁阻电机同轴连接。
[0025] 本发明在内定子中嵌入永磁体，电机励磁方式由传统的电励磁变为与永磁体共同作用的混合励磁，保持输入励磁电流不变的情况下增加磁路的饱和程度，提高电机功率密度。永磁体嵌入内定子中，充磁方向切向充磁，材料为高性能的钕铁硼，剩磁较高。当永磁体充磁方向确定时，电流方向也随之确定即绕组产生的磁动势方向与永磁体的磁动势方向相同即两个磁动势并联外接气隙和转子。其中电励磁磁力线并不经过永磁体，永磁体不会因电励磁产生不可逆退磁的风险。
[0026] 本发明内定子中悬浮绕组单独控制，当转子向X轴正方向发生偏心位时，如下图1所示，为保证电机稳定悬浮运行，需T1极处绕组导通，从而T1极处的气隙密度大于相对方向T3处的气隙磁密，转子受X轴负方向的径向力.同理，当转子偏向Y轴正方向时，T2极绕组导通.通过实时组合控制内定子X和Y方向绕组电流，能够产生任意方向的径向力，因此实现了双定子磁悬浮开关磁阻电机的径向悬浮控制。
[0027] 外定子与转子为12/8结构即开关磁阻电机定子、转子齿数分别为12和8，因此转矩电流为三相，相距90度的四个极上线圈串联在一起组成一相绕组。由于外定子和转子间气隙为圆柱形，工作原理与传统开关磁阻电机相似，即“磁阻最小原理”，磁力线总是沿着磁阻最小处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁阻大于定转子重合时的磁阻。因此转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩作用。电流的通断通过外接三相桥式电路，通过控制二极管的通断实现三相轮流通电，保证转子连续旋转。
[0028] 本发明具有以下技术效果：外定子上的转矩绕组实现转动功能，内定子上的悬浮绕组实现悬浮功能，有效克服悬浮力绕组与主绕组之间的耦合，提高了绕组导通区间的灵活性，方便研究和选择不同控制策略。
[0029] 在旋转过程中，悬浮极与转子对齐面积始终等于悬浮极极宽，径向力不随转子位置角改变，克服传统磁悬浮开关磁阻电机在定转子不对齐位置不能产生径向力问题。
[0030] 在内定子中加入永磁体，通过永磁体与悬浮电流共同作用实现悬浮且控制磁路不经过永磁体，减小永磁体退磁风险。电机励磁方式由传统的电励磁变为与永磁体共同作用的混和励磁，保持输入励磁电流不变的情况下增加磁路的饱和程度，提高电机功率密度。
[0031] 每台电机均可提供输出转矩，且转子、内定子均呈锥形，转子可同时获得径向和轴向悬浮，提高工作效率，简化系统的整体机电结构。
