刘泽远 蔡骏 杨艳

摘 要：基于径向磁轴承（radial magnetic bearing， RMB）偏置绕组和开关磁阻电机（switched reluctance motor， SRM）电枢绕组的共绕组结构形式，提出一种四自由度复合结构无轴承开关磁阻电机（hybridstructure bearingless switched reluctance motor，HBSRM）。其旋转控制与SRM相同，悬浮控制与磁轴承相似，且旋转和悬浮可独立解耦控制。详述HBSRM结构和原理的基础上，基于等效磁路方法，推导了其悬浮力模型。为消除上述HBSRM的悬浮力不均衡和耦合问题，提出了一种新型绕组结构形式，新结构悬浮力模型和有限元仿真结果均证明了其有效性。给出了新结构绕组的优化设计方法，引入了一个电源压降系数，以考虑RMB部分等效偏置绕组感应电动势导致的SRM部分等效绕组端电压的下降，并给出了各绕组匝数计算公式和优化设计过程，有限元仿真证明了该方法的正确性。

关键词：无轴承电机；开关磁阻电机；径向磁轴承；悬浮力模型；绕组结构；优化设计

中图分类号：TM 352

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）06-0049-13

Abstract：Based on a cowinding structure for the biased windings of two radial magnetic bearings （RMBs）and the armature winding of a 12/8 poleswitched reluctance motor （SRM）， a 4DOF hybridstructure bearingless switched reluctance motor （HBSRM）is presented. Its rotation control is the same with the traditional SRM. Suspending force control likes the electromagnetic bearing， and levitation and rotation can be controlled independently. Firstly， the structure and working principle of HBSRM was introduced. Secondly， in order to eliminate the coupling of radial forces and the asymmetric output characteristics of suspending forces， a winding structure for the HBSRM was proposed， and its suspending force expressions were rederived. Moreover， a method for winding optimization design and a design process for the prototype were shown in detail， and the finite element analysis validates this design method.

Keywords：bearingless motor； switched reluctance motor； radial magnetic bearing； suspending force model； winding structure； optimization design

0 引 言

開关磁阻电机（switched reluctance motor， SRM）具有结构简单、容错能力强、控制灵活和高速适应性强等优点，在航空航天、舰船、电动汽车和纺织机械等军事、民用领域具有独特优势[1-3]。无轴承开关磁阻电机（bearingless switched reluctance motor，BSRM）是将磁轴承的功能和SRM集合于一体而形成的一种磁悬浮电机；不仅继承了磁轴承的无摩擦、无接触、无润滑和寿命长等一系列优良特点，还可进一步发挥SRM的高速适应性；在多电飞机、舰船以及飞轮储能等高速领域具有较强的应用基础[4-6]。

鉴于上述诸多优点，近些年，国内外学者一直致力于BSRM的研究，提出了一些结构拓扑。……