[0030] 参见图1和图2，本发明由两台结构相同的双定子电机沿轴向串接组成。两台双定子电机分别是是第一双定子电机Ⅰ和第二双定子电机Ⅱ，第一双定子电机Ⅰ和第二双定子电机Ⅱ同轴连接。z向两台电机的轴向，x、y向是相互垂直的径向。第一双定子电机Ⅰ最外部是第一外定子1，第一外定子1内由外而内同轴套有转子3、第一内定子5和转轴11；第一外定子1的外定子齿上绕有第一转矩绕组2，第一内定子5的内定子齿上绕有第一悬浮绕组4。第二双定子电机Ⅱ最外部是第二外定子7，第二外定子7内由外而内同轴套有转子3、第二内定子
10和转轴11；第二外定子7的外定子齿上绕有第二转矩绕组8，第二内定子10的内定子齿上绕有第二悬浮绕组9。第一外定子1、第一内定子5、第二外定子7、第二内定子10与转子3之间均留有径向间隙。
[0031] 第一双定子电机Ⅰ和第二双定子电机Ⅱ共同使用同一个转子3和同一个转轴11，转子3与转轴11相互固定连接。第一内定子5和第二内定子10空套在转轴11外，不随转轴11转动。第一外定子1和第二外定子7的结构完全相同，第一内定子5和第二内定子10的结构完全相同。第一外定子1、第一内定子5、第二外定子7、第二内定子10的轴向长度均相同。
[0032] 在第一内定子5和第二内定子10的定子轭部之间固定连接一个圆环形状的永磁体6，永磁体6套在转轴11外。永磁体6的轴向两端分别与第一内定子5和第二内定子10的定子轭部固定连接在一起，永磁体6的内径等于第一内定子5和第二内定子10的内径，不随转轴
11转动，永磁体6的外径等于第一内定子5和第二内定子10的定子轭部外径。永磁体6的轴向长度与第一内定子5、第二内定子10的轴向长度之比是：1：1.2 1.6。永磁体6材料为钕铁硼，~
充磁方式为轴向充磁。第一双定子电机Ⅰ和第二双定子电机Ⅱ共同使用同一个永磁体6。
[0033] 第一双定子电机Ⅰ中的第一转矩绕组2和第二双定子电机Ⅱ中的第二转矩绕组8的同相相互串联成一相，而第一双定子电机Ⅰ中的第一悬浮绕组4和第二双定子电机Ⅱ中的第二悬浮绕组9不相联，单独控制。
[0034] 第一外定子1和第二外定子7的极数均为M，转子3的极数为N，第一内定子5和第二内定子10的极数均为P，M、N、P均为偶数，并且M=N±2k，k为整数，N≥4，P≥4。
[0035] 第一转矩绕组2和第二转矩绕组8的相数均是Q，当M=4Q时，第一外定子1和第二外定子7各自在径向上垂直相对的四极绕组串联成一相。当M=2Q时，第一外定子1和第二外定子7各自在径向上相对的两极绕组串联成一相。
[0036] 参见图3，以第一双定子电机Ⅰ中第一外定子1的极数为12、转子3的极数为8和第一内定子5的极数为4为例作说明。第一外定子1的每个外定子齿上绕有1个第一转矩绕组2，径向垂直相对的线圈AⅠ1、AⅠ2、AⅠ3、AⅠ4串联成一相从而构成A相转矩绕组。如图3示出的是第一电机Ⅰ在0°位置，B、C两相绕组分别位于A相绕组顺时针30°和60°处。第一内定子5的每个内定子齿上绕有第一悬浮绕组4，第一悬浮绕组4单独控制。再参见图4所示的是第二双定子电机Ⅱ，第二外定子7的极数也是12、转子3的极数是8，第二内定子10的极数为4，第二外定子7的每个外定子齿上绕有第二转矩绕组8，径向垂直相对的线圈AⅡ1、AⅡ2、AⅡ3、AⅡ4串联成一相，从而构成A相转矩绕组；如图4所示的第二双定子电机Ⅱ在0°位置， B、C两相绕组分别位于A相绕组顺时针30°和60°处。第二内定子10的每个定子齿上绕有第二悬浮绕组9，第二悬浮绕组9单独控制。
[0037] 本发明工作时，起动遵循“磁阻最小原理”，即磁力线总是沿着磁阻最小处闭合。参见图5所示的第一双定子电机Ⅰ，通过外接三相桥式电路控制二极管的通断来实现第一转矩绕组2三相轮流通电。以其A相为例，通过第一外定子1与转子3之间气隙的转矩绕组的磁路的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁阻大于定转子重合时的磁阻，转子3受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生转矩T的作用，使转子3顺时针转动。当转子3达到稳定平衡位置，即A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失。此时A相断电、C相通电，C相工作原理与A相相同，以此类推地，C相断电时B相通电，如此实现转子3的连续旋转。参见图6所示的第二双定子电机Ⅱ，以第二转矩绕组8的A相为例，由于通过第二外定子7与转子3之间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，转子3将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生转矩T的作用，使转子3顺时针转动。当转子3达到稳定平衡位置，即A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失。此时A相断电C相通电，C相工作原理与A相相同，以此类推，C相断电时B相通电，保证转子3连续旋转。
[0038] 参见图7，在一个周期内，第一转矩绕组2和第二转矩绕组8的相电感和相电流各自可分为5个时间区间，在[t0,t1]区间，电感上升，外界输入的电能一部分转化为机械能输出，另外一部分转化为磁场储存；在[t0,t1]区间，转矩绕组电感Lm上升，外界输入的电能一部分转化为机械能输出，另外一部分转化为磁场储存；在[t1,t2]区间，转矩绕组电感保持最大值Lmax，相电流im持续增大，且增加速度较区间[t0,t1]快，吸收电能转化为磁场储能；在[t2,t3]区间转矩绕组电流增加速度较区间[t1,t2]更快，但是转矩电感Lm下降，吸收的电能和机械能均转换为磁场储能，是非常有效的励磁阶段，适当增加该阶段较大的输出电能；[t3,t4]阶段为有效的发电区间，电机的机械能转化为电能；[t4,t5]阶段转矩绕组电感最小即为Lmin，相电流im下降很快，机械能和磁场储能都转化为电能输出。外定子上各相转矩绕组开关电路在转子角度 的时刻触发，在 的时刻关断，即开通角 关断角阶段为励磁阶段，在这阶段磁链ψ由0变为最大值ψmax，通过外界给系统提供能量Q1；
阶段为回馈发电阶段，以脉冲电能形式向外提供能量Q2；发电实际输
出功率为发电功率Q2与励磁功率Q1之差。
[0039] 本发明发电时，参见图8所示的第一双定子电机Ⅰ，以第一外定子1上的A相绕组为例，第一双定子电机Ⅰ在外力驱动下，以瞬时针的方向旋转，当转子3的磁极轴线运动到与第一外定子1的C相绕组重合时，给第一外定子1的A 相转矩绕组通电，即开关管闭合，该相通过直流电源进行励磁。转子3将有向第一外定子1的A相运动的趋势，并受到与外力驱动力矩相反方向作用，将机械能转化为磁能储藏在磁场中。当开关管断开时，A 相电流通过二极管续流，绕组内电流方向不改变，储存在磁场中的磁能将释放出来，并转化为电能回馈至电源。如此不断地按A-B-C-A顺序励磁，作用在转子3上的机械能持续转化为电能，实现发电运行。再参见图9所示的第二双定子电机Ⅱ，以第二外定子7上A相绕组为例，设电机在外力驱动下，以瞬时针的方向旋转，当转子3的磁极轴线运动到与第二外定子7的C相绕组重合时，给第二外定子7的A 相转矩绕组通电，即开关管闭合，该相通过直流电源进行励磁。转子3将有向第二外定子7的A相运动的趋势，并受到与外力驱动力矩相反方向作用，将机械能转化为磁能储藏在磁场中。当开关管断开时，A相电流通过二极管续流，绕组内电流方向不改变，储存在磁场中的磁能将释放出来，并转化为电能回馈至电源。如此不断地按A-B-C-A顺序励磁，作用在转子3上的机械能持续转化为电能，实现发电运行。
[0040] 参见图10，当转子3处于平衡位置时，由于磁路对称性，x轴方向和y轴方向的磁密相等。当转子3受到+z端y正方向的扰动时，+z端转子3将偏离中心位置向y正向运动，第一内定子5与转子3在y正方向间的气隙增大，永磁体6吸力减小；而第一内定子5与转子3在y负方向间的气隙减小，永磁体6吸力增大。此时传感器检测转子3的偏心并将偏心位移信号传送给控制器，控制器将该位移信号转化为控制信号，功率放大器将控制信号变换为控制第一悬浮绕组4的电流，该控制电流方向是电流iyⅠ+方向，将产生如图10所示的悬浮磁场。显然，y正方向的气隙处磁场增强，转子3将受到y负方向的悬浮力Fy，使得转子3保持中心位置。当需要x正方向的悬浮力时，ixⅠ-导通；当需要x负方向的悬浮力时，ixⅠ+导通；当需要y正方向的悬浮力时，iyⅠ-导通；当需要y负方向的悬浮力时，iyⅠ+导通，由此由永磁体6与第一内定子5上的第一悬浮绕组4控制电流共同作用实现第一双定子电机Ⅰ的径向两自由度的悬浮。
[0041] 参见图11，当转子3处于平衡位置时，由于磁路对称性，x轴方向和y轴方向的磁密相等。当转子3受到-z端y正方向的扰动时，-z端转子3将偏离中心位置向y正方向运动，第二内定子10与转子3在y正方向的气隙增大，永磁体6吸力减小；而y负向的气隙减小，永磁体6吸力增大。此时控制器控制电流方向如图11所示的第二悬浮绕组9所通电流iyⅡ+方向，将产生如图11所示的悬浮磁场。转子3将受到y负方向的悬浮力Fy，使得转子3保持中心位置。当需要x正方向的悬浮力时，ixⅡ-导通；当需要x负方向的悬浮力时，ixⅡ+导通；当需要y正方向的悬浮力时，iyⅡ-导通；当需要y负方向的悬浮力时，iyⅡ+导通，如此实现第二双定子电机Ⅱ径向两自由度的悬浮。
[0042] 参见图12，采用两个传感器LS分别检测+z端和-z端的转子3的径向偏心距。永磁体6沿轴向充磁，永磁磁路通过第一内定子5、转子3、气隙、转子3、气隙、第二内定子10形成回路。第一双定子电机Ⅰ中第一悬浮绕组4产生的悬浮磁路经过第一内定子5、气隙、转子3形成回路。第二双定子电机Ⅱ中第二悬浮绕组9产生的悬浮磁路经过第二内定子10、气隙、转子3形成回路。第一双定子电机Ⅰ中第一转矩绕组2产生的转矩磁路经过第一外定子1、气隙、转子3形成回路；第二双定子电机Ⅱ中第二转矩绕组8产生的转矩磁路经过第二外定子7、气隙、转子3形成回路。悬浮磁路与转矩磁路在转子3中相互独立互不干扰。
[0043] 当转子3受到扰动时，首先通过传感器检测出转子3在+z端和-z端径向偏心距的有无，确定即将悬浮励磁通电的第一双定子电机Ⅰ或第二双定子电机Ⅱ。若+z端有径向偏心距，则将第一双定子电机Ⅰ的第一悬浮绕组4励磁，若-z端有径向偏心距，则将第二电机Ⅱ的第二悬浮绕组9励磁；其次，通过传感器检测出转子3在+z端和-z端径向偏心距的方向与大小，确定转子3回到中心位置所需的径向悬浮力的方向与大小，同时根据永磁体6的磁力线的走向，最终确定即将通电的悬浮绕组的种类、方向与大小。例如，若传感器检测到y正方向的位移信号，未检测到y负方向的位移信号，则需将第一双定子电机Ⅰ的第一悬浮绕组4通电；由于转子3需受到y负方向的径向悬浮力才能将回到中心位置，因此第一双定子电机Ⅰ应通电的第一悬浮绕组4是图12中的TⅠ1；根据永磁体6在第一双定子电机Ⅰ中的磁力线走向，确定绕组TⅠ1励磁电流iyⅠ+的方向如图12所示；最后根据偏心距的大小确定励磁电流iyⅠ+的大小。
