磁懸浮開關磁阻電機及其關鍵技術發展綜述

孫玉坤　袁 野　黃永紅　張維煜　劉良田

磁懸浮開關磁阻電機及其關鍵技術發展綜述

孫玉坤1袁 野2黃永紅2張維煜2劉良田2

（1. 南京工程學院電力工程學院 南京 211167 2. 江蘇大學電氣信息工程學院 鎮江 212013）

磁懸浮開關磁阻電機結合磁軸承技術與開關磁阻電機優點，通過徑向力的主動控制，有效改善了開關磁阻電機因不平衡磁拉力造成的振動和噪聲問題，在航空航天、飛輪儲能等領域具有非常廣闊的發展前景。結合國內外相關文獻，介紹了磁懸浮開關磁阻電機的研究現狀，總結了目前磁懸浮開關磁阻電機的主要研究內容與關鍵技術，并討論了其未來的發展趨勢。

磁懸浮 開關磁阻電機 研究現狀 關鍵技術 發展趨勢

0　引言

1960年S. A. Nasar引入開關磁阻電機的概念，其定子和磁軸承定子結構極具相似性，因此可將磁軸承中的懸浮繞組疊繞在開關磁阻電機定子上，構成磁懸浮開關磁阻電機。磁懸浮開關磁阻電機將磁軸承技術與開關磁阻電機相結合[1]，結構簡單、堅固，轉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點，在高速應用領域極具應用前景。磁懸浮開關磁阻電機的概念最早是由R. Furuichi教授提出，日本學者K. Shimada分析了不同定子繞組情況下磁懸浮開關磁阻電機中的徑向力。1998年，M. Takemoto等發表了一篇關于磁懸浮開關磁阻電機論文[2]，該文指出，磁懸浮開關磁阻電機轉子所受徑向力與主繞組電流，懸浮繞組電流和轉子位置等有關。隨即國內外學者對磁懸浮開關磁阻電機進行了深入研究。本文查閱了大量國內外經典文獻，首先介紹具有不同結構的磁懸浮開關磁阻電機，總結磁懸浮開關磁阻電機技術的發展現狀與特點，并對目前磁懸浮開關磁阻電機尚未完全解決的問題進行了論述，最后探討未來磁懸浮開關磁阻電機的發展趨勢。（注：本文提及的磁懸浮開關磁阻電機，包括電動運行和發電運行兩種模態。）

1　磁懸浮開關磁阻電機結構及原理

磁懸浮開關磁阻電機，利用磁軸承與開關磁阻電機繞組結構的相似性，將磁軸承的懸浮力繞組疊加在開關磁阻電機定子繞組上，同時產生懸浮力與電磁轉矩，實現電機轉子的懸浮與旋轉。日本東京理工大學的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，其中懸浮繞組產生懸浮力的偏置磁場，通過調節懸浮繞組電流以改變原有氣隙磁場的分布，利用轉子對極兩側的氣隙磁場不平衡作用，產生轉軸上的徑向懸浮力，以保證轉軸的徑向懸浮。在對雙繞組磁懸浮開關磁阻電機的研究相對完善后，一些學者開始研究單繞組磁懸浮開關磁阻電機的技術。德國開姆尼茨工業大學的L. Chen等研究提出了8/6單繞組結構[4-7]，如圖2所示。臺灣淡江大學的F. C. Lin等提出了12/8單繞組結構[8-11]。另外部分學者通過改變電機的定、轉子結構，研究了一些特殊結構的磁懸浮開關磁阻電機。韓國慶星大學的J. W. Ahn以及我國沈陽工業大學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單繞組結構[12-16]。雙定子12/8結構示意圖如圖3所示。

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

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

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

圖1為三相12/8雙繞組磁懸浮開關磁阻電機A相繞組電氣連接示意圖。磁懸浮開關磁阻電機A相主繞組Nma由徑向相對的A相四極繞組正向串聯而成；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而成。B相和C相在繞組結構及連接方式上與A相相同，只是在空間位置上分別位于A相旋轉方向的1/3和2/3處。

圖2為8/6單繞組磁懸浮開關磁阻電機運行原理示意圖。其繞組電流由轉矩電流和懸浮電流共同組成，調節懸浮電流的大小，可以產生不同方向的懸浮力。例如，當繞組1、2、5和6分別通入電流，且電流大小滿足

式中，im、kim提供電機所需的轉矩力；is1與is2提供轉子懸浮力。F1與F2的合力可以產生垂直方向的懸浮力，轉子達到懸浮效果。

圖3所示電機的主要特點為：在三相12/8磁懸浮開關磁阻電機轉子內部，增加4個相隔90°的定子極。外部定子極只有提供轉矩力的主繞組。內部的定子產生徑向力維持轉子的懸浮，且4個懸浮繞組獨立控制。這種結構的優勢就是控制簡單，且更容易實現懸浮力和轉矩力的解耦控制。

隨著對磁懸浮開關磁阻電機結構的深入研究，學者相繼提出一些具有特殊結構的磁懸浮開關磁阻電機。文獻[17]結合盤式開關磁阻電機與抗磁性材料特點，設計了一種結構簡單、效率高、體積小并可在常溫下穩定懸浮的盤式磁懸浮開關磁阻電機。文獻[18]提出一種永磁偏置磁懸浮開關磁阻電機。通過永磁體產生懸浮力偏置磁通，從理論上降低了懸浮損耗，提高懸浮效率，但增加了系統成本與電機體積。

目前，磁懸浮開關磁阻電機結構已有多種類型被提出，但仍然存在一些問題。總結如下：根據每極定子繞組數量的不同，可分為雙繞組磁懸浮開關磁阻電機和單繞組磁懸浮開關磁阻電機。兩種電機在運行原理上沒有本質的區別，但在電機體積、成本和控制難易程度上各有優缺點。單繞組磁懸浮開關磁阻電機需要控制的電機繞組數目相對較少，系統成本較低，但是對應的控制策略卻更加復雜，增大了數字控制系統的運行負擔。未來的研究目標是形成一套完整的磁懸浮開關磁阻電機分析設計理論，設計出一種轉矩大、結構緊湊、控制簡單、成本低且能適應惡劣工作環境的超高速電機。

2　磁懸浮開關磁阻電機的關鍵技術

2.1電機電磁場分析與參數優化設計

由于磁懸浮開關磁阻電機的驅動是以電磁場為介質的，因此電磁場解析[19]和磁路設計是電機整體結構設計的前提。準確的磁場解析對磁懸浮開關磁阻電機消除端部效應、降低轉矩脈動和提高電機動靜態性能等方面均有指導意義，是磁懸浮開關磁阻電機建立準確模型和實現高速運行的理論基礎。

通常在磁懸浮開關磁阻電機穩定懸浮的有限元模型基礎上，采用雙標量磁位法計算得到其磁場分布，獲得電感與轉子徑向位移的關系和穩定懸浮狀態下的繞組電感。

磁懸浮開關磁阻電機定、轉子齒極結構，主繞組和懸浮繞組匝數分配以及其他電機基本參數對電機的轉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矩等性能指標。如何優化各種電機參數，設計出一臺高性能的電機是該方向研究的重點[20,21]。現有的方法為：通過有限元仿真建立樣本空間，構建懸浮力、電磁轉矩與繞組間互感的最小二乘支持向量機非參數模型，并基于該非參數模型，選擇滿足額定電磁轉矩為約束條件，懸浮力最大且繞組間互感最小為優化目標，采用粒子群優化算法獲取電機的最優結構參數。

2.2磁懸浮開關磁阻電機數學模型

數學模型是磁懸浮開關磁阻電機的理論基礎，也是許多學者研究的重點之一。研究數學模型的最終目的是為了得到較為準確的懸浮力和電磁轉矩數學表達式以便更好地控制電機。現有的數學模型由兩種方法得到：虛位移法[22-24]和麥克斯韋應力法[25]。

虛位移法的基本思路為：根據磁場有限元法和分割磁導法得到氣隙磁導，然后根據等效磁路原理推導用氣隙磁導表示的繞組電感矩陣，在電感矩陣的基礎上得出磁場儲能的表達式，最后根據機電能量轉換原理得出懸浮力和轉矩的數學表達式。從日本學者的研究過程來看，其采用的是虛位移法，得到了磁路不飽和情況下的數學模型。此數學模型忽略了轉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[22,23]考慮了轉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[2]在前者的基礎上，討論了充分考慮磁飽和情況下的電機數學模型。

此外磁懸浮開關磁阻電機的數學模型還可以采用麥克斯韋應力法得到。麥克斯韋應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。在恰當選取積分路徑的基礎上，分析電機轉子所受到的徑向力和切向力關于氣隙磁通密度的表達式。建立定、轉子磁極的氣隙主磁通密度和邊緣磁通密度的簡化公式，即可推導徑向懸浮力和電磁轉矩的計算公式。基于麥克斯韋應力的研究手段也為磁懸浮開關磁阻電機數學模型及其特性的研究開辟了與眾不同的視角。

2.3磁懸浮開關磁阻電機控制策略

磁懸浮開關磁阻電機是一個復雜的非線性強耦合系統，其控制策略的研究至關重要。磁懸浮開關磁阻電機的懸浮力、轉矩與主繞組電流，懸浮繞組電流，開通角和電機參數均有密切關系，所以根據給定的懸浮力和轉矩，如何確定主繞組電流，懸浮繞組電流以及開通關斷角是控制策略研究的關鍵。

2.3.1 瞬時懸浮力與平均轉矩控制

由于磁懸浮開關磁阻電機定、轉子極對齊時，所受徑向懸浮力最大，可對主繞組的電流采用方波控制，來實現電機調速系統的穩定運行[26]。因此現有控制策略主要是對懸浮力和轉矩的控制為基礎展開的[2,3]。瞬時懸浮力與平均轉矩的控制策略中，主繞組電流一般為方波，而懸浮繞組電流則根據電機轉子位置和所需懸浮力實時計算。文獻[27]對超前角和繞組電流的計算方法進行了改進，對超前角的判定更加全面，使轉軸的懸浮更加穩定。

2.3.2 平均懸浮力與平均轉矩控制

隨著電機轉速的增加，繞組反電動勢變大，當電機運行在高速狀態時，電流實時計算和控制困難，尤其是懸浮繞組開通時刻電流，導致瞬時懸浮力難以實時控制[28]。根據磁懸浮開關磁阻電機的懸浮原理和數學模型，可采用平均懸浮力和平均轉矩的控制策略：主繞組電流和懸浮繞組電流均采用方波控制。通過推導的平均懸浮力與繞組電流之間的關系，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

磁懸浮開關磁阻電機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，根據電機旋轉位置實時計算得到。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。主繞組磁動勢和懸浮繞組磁動勢的不同組合對電機的旋轉和懸浮有重要的影響作用，在不同的懸浮力下，當合成磁動勢為零時瞬時轉矩最小，而且對不同的轉矩，在合成磁動勢為零時能產生最大的懸浮力。

2.3.4 雙相導通控制

在現有磁懸浮開關磁阻電機控制策略中，電機均為單相導通。當需要較大轉矩時，磁懸浮開關磁阻電機在最大轉矩角處開通繞組電流，但此處產生的徑向懸浮力最小，若此時電機的徑向負載很大，則需要開通另外一相[30,31]以彌補懸浮力的不足，但是會增加一定的負轉矩效應。目前國內主要以12/8結構電機為研究對象，在建立兩相電流導通的等效磁路模型基礎上，確定電感矩陣，推導兩相電流導通的徑向懸浮力和電磁轉矩的表達式。基于該數學模型的雙相電流導通模式極大程度地拓寬了磁懸浮開關磁阻電機的工作區域，增加電機承受徑向負載的能力。

2.4磁懸浮開關磁阻電機傳感器技術

在無傳感器技術方面，雖然國內外已有不少學者提出了一些策略，已取得了一些階段性成果，但都是單獨針對磁懸浮開關磁阻電機無速度或者無位移傳感器運行的，并沒有把兩者有機結合起來。

由于磁懸浮開關磁阻電機運行時需要準確的轉子位置信息，需在電機內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，增加了系統的成本和復雜程度，降低了系統結構的堅固性，尤其是在某些惡劣的應用環境下，會影響電機的可靠運行。優化檢測傳感器的個數，是該方向研究的重點之一[32,33]。目前無位置傳感器技術有兩種：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子徑向位移；②基于最小二乘支持向量機設計轉子位移/位置觀測器：對磁懸浮開關磁阻電機數學模型進行狀態空間變換，采用最小二乘支持向量機設計轉子位移/位置觀測器，通過觀測器離線訓練和在線學習，實現觀測器的穩定運行。

2.5磁懸浮開關磁阻電機定子轉矩脈動與電磁噪聲

磁懸浮開關磁阻電機是一種定、轉子具有齒槽結構且氣隙較小的電機，齒槽轉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磁阻電機定子振動和噪聲的根源，阻礙了其推廣應用。可采用前饋補償方案，在控制系統中引入一定的補償力，以減小電機在動態過程中的振動。文獻[34]分析了將磁懸浮技術引入開關磁阻后對不平衡徑向力起到的補償作用，給出了同時適用于開關磁阻電機和磁懸浮開關磁阻電機的定子極徑向力數學模型，建立了兩種電機的系統仿真模型，分析了兩種電機定子極所受的徑向力，并得出磁懸浮開關磁阻電機定子單邊磁拉力直流分量及低次諧波含量幅值較開關磁阻電機大幅減小， 因而由此引起的振動和噪聲小，更適合應用在要求低噪聲的領域。文獻[35]將麥克斯韋應力法和磁路法結合起來計算了不同控制策略下磁懸浮開關磁阻電機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磁懸浮開關磁阻電機解耦控制

磁懸浮開關磁阻電機要實現旋轉和懸浮功能于一體，必須同時控制電機的轉矩和懸浮力，因此電機的解耦控制既包含轉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[36]基于神經網絡控制算法，提出直接懸浮力控制的概念。文獻[37]采用反饋精確線性化方法進行了動態解耦和完全線性化設計，實現了兩自由度上轉子徑向位移的獨立控制，并對解耦后的獨立線性子系統采用滑模變結構控制方法進行綜合。文獻[38]推導了磁懸浮開關磁阻電動機的徑向力模型，對該模型進行可逆性分析，并證明該系統可逆，應用神經網絡逆系統方法實現徑向力的動態解耦，達到電機高性能的控制目的。文獻[39]提出一種基于最小二乘支持向量機的逆動力學建模與解耦控制方法，給出懸浮力和轉矩的動力學模型，結合最小二乘支持向量機擬合與逆模解耦線性化特點，研究磁懸浮開關磁阻電機的最小二乘支持向量機逆動力學建模與解耦控制方法。

2.7磁懸浮開關磁阻電機故障運行技術

磁懸浮開關磁阻電機的故障包括電機故障、功率變換器故障和傳感器故障等。電機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行，即將故障相切除，通過延長其余相的導通寬度，合理地控制繞組電流，實現電機的斷相運行。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、過電壓等導致功率開關管和二極管的損壞，造成開路或器件擊穿短路等故障。一般變換器故障可以轉化為斷相運行。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或傳感器冗余備份技術解決此問題。

2.8磁懸浮開關磁阻發電模態

當前磁懸浮開關磁阻電機研究主要集中在的電動運行狀態，發電運行的研究處于前期探索階段[40-42]。磁軸承技術與發電機的結合將是磁懸浮電機發展的必然趨勢。作為起步階段，磁懸浮開關磁阻發電機發電模態主要研究對象有：12/8極雙繞組磁懸浮開關磁阻電機全周期發電機，8/10極磁懸浮開關磁阻發電機，雙繞組結構12/8極三相串聯勵磁式磁懸浮開關磁阻發電機。研究重點主要集中在數學模型、控制策略及樣機實現等。磁懸浮開關磁阻發電機技術在飛機輔助動力單元，機車起動/發電一體機，艦船起動/發電一體機等軍用和民用領域均具有重要應用價值。

3　磁懸浮開關磁阻電機研究展望

現階段，國內外對磁懸浮開關磁阻電機的研究尚處實驗室階段，仍有許多關鍵問題沒有統一的解決方案，磁懸浮開關磁阻電機的產品更是比較少見，一般都需要專門研制與定做，造價昂貴。當前的首先任務是進行磁懸浮開關磁阻電機設計和控制技術實用化的研究，使該種電機獲得實際應用。根據上述對磁懸浮開關磁阻電機相關技術的論述，磁懸浮開關磁阻電機今后的研究重點應致力于以下幾個方面：

（1）隨著新型導電、導磁和絕緣材料的出現，從本體上對電機進行優化設計以提高磁懸浮開關磁阻電機的性能，將是今后發展的一個重要方向。本體結構的可靠性是磁懸浮開關磁阻電機在特殊場合推廣應用的基礎。

（2）微機電系統技術的發展將使電機控制系統朝控制電路和傳感器高度集成化的方向發展，可使磁懸浮開關磁阻電機控制系統更加簡單可靠。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磁阻電機驅動系統十分重要的組成部分，為系統穩定懸浮運行發揮著重要作用。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，從而進一步引起控制系統的誤操作而發生故障，導致整個系統無法正常工作。因此研究能同時滿足無徑向位移和無速度傳感器運行的控制策略，實現無傳感器化運行，將是關鍵技術研究中又一個需要探索的新命題，對實現低成本、小型化、集成化具有重要的意義。

（3）磁懸浮開關磁阻電機性能的改善可以通過電機本體優化設計及電力、電子裝置的控制實現，也可利用各種先進的控制策略完成。磁懸浮開關磁阻電機是一種具有局部磁路高度飽和的電機，目前不管是基于虛位移法還是麥克斯韋應力法的數學模型，都是難以考慮磁路飽和效應的一種簡化模型，要想獲得高品質的控制性能，應建立更為準確的數學模型。現有的數學模型，均是在忽略漏磁端部效應、相間互感的情況下得到的，但電機實際運行時，上述因素不可忽略。如何得到更精確并實用的數學模型，將是磁懸浮開關磁阻電機研究的重點之一。因此必須借助現代控制理論方法，采用數據建模與機理建模相結合的方法，在現有近似的解析模型基礎上，充分考慮各種非線性因素，進一步分析研究基本模型隨關鍵參數變化的規律。

（4）隨著電機的應用和發展，雙相導通策略的研究還有待繼續深入。其重點是兼顧徑向懸浮力和轉矩脈動的同時，在兩相中分配徑向懸浮力和確定兩相工作交疊寬度，以盡量減小負轉矩的不良影響。

（5）磁懸浮開關磁阻電機的轉矩和懸浮力與主繞組電流和懸浮繞組電流均有關，必須引入新的控制算法和概念以便同時實現轉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）將磁懸浮開關磁阻電機電動和發電功能相結合，最終實現磁懸浮開關磁阻起動/發電機一體化技術，為強化其在多電/全電航空發動機和飛輪儲能等領域的應用奠定基礎。

4　結論

本文在介紹磁懸浮開關磁阻電機工作原理的基礎上，對電機本體機構、數學模型、控制策略、無傳感器控制、解耦控制與電動/發電機等關鍵技術進行了全面的闡述。在此基礎上指出了未來磁懸浮開關磁阻電機研究發展趨勢，為進一步研究磁懸浮開關磁阻電機指明方向。總之，磁懸浮開關磁阻電機在航空航天、飛輪儲能等領域有廣闊的應用前景，但目前的研究仍不夠完善，尚不能滿足現代高、精、尖設備的需求。相信在未來一段時間內，隨著我國科研人員對磁懸浮開關磁阻電機相關技術問題的深入研究，一定會取得突破性進展。

[1] Takemoto M, Suzuki H, Chiba A, et al. Improved analysis of a bearingless switched reluctance motor[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37(1): 26-34.

[2] Takemoto M, Chiba A, Akagi H, et al. Radial force and torque of a bearingless switched reluctance motor operating in a region of magnetic saturation[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2004, 40(1): 103-112.

[3] Takemoto M, Chiba A, Fukao T. A new control method of bearingless switched reluctance motors using square-wave currents[C]. Power Engineering Society Winter Meeting, Singapore, 2000: 375-380.

[4] Chen L, Hofmann W. Design procedure of bearingless high-speed switched reluctance motors[C]. International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives Automation and Motion, 2010: 1442-1447.

[5] Chen L, Hofmann W. Analysis of radial forces based on rotor eccentricity of bearingless switched reluctance motors[C]. International Conference on Electrical Machines, 2010: 1-6.

[6] Chen L, Hofmann W. Modelling and control of one bearingless 8/6 switched reluctance motor with single layer of winding structure[C]. Proceedings of 14th European Conference on Power Electronics and Applications, 2011: 1-9.

[7] Chen L, Hofmann W. Speed regulation technique of one bearingless 8/6 switched reluctance motor with simpler single winding structure[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(6): 2592-2600.

[8] Lin F C, Yang S M. Self-bearing control of a switched reluctance motor using sinusoidal currents[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(6): 2518-2526.

[9] Lin F C, Yang S M. An approach to producing controlled radial force in a switched reluctance motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54(4): 2137-2146.

[10] Lin F C, Yang S M. Radial force control of a switched reluctance motor with two-phase sinusoidal excitations[J]. Industry Applications Conference, 2006, 3(1): 1171-1177.

[11] Lin F C, Yang S M. Modeling and control of radial force in switched reluctance motor[C]. Power Electronics Specialists Conference, 2006: 1-7.

[12] Wang Huijun, Wang Y, Liu X, et al. Design of novel bearingless switched reluctance motor[J]. IET Electric Power Applications, 2012, 6(2): 73-81.

[13] Xu Zhenyao, Dong Hee Lee, Zhang Fengge, et al. Hybrid pole type bearingless switched reluctance motor with short flux path[C]. International Conference on Electrical Machines and Systems, Yichang, China, 2011: 1-6.

[14] Xu Zhenyao, Zhang Fengge, Ahn Jin Woo. Design and analysis of a novel 12/14 hybrid pole type bearingless switched reluctance motor[C]. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2012: 1922-1927.

[15] Peng Wei, Zhang Fengge, Ahn Jin Woo. Design and control of a novel bearingless SRM with double stator[C]. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2012: 1928-1933.

[16] Peng Wei, Lee Dong Hee, Zhang Fengge, et al. Design and characteristic analysis of a novel bearingless SRM with double stator[C]. International Conference on Electrical Machines and Systems, 2011: 1-6.

[17] 王惠明. 一種永磁偏置無軸承磁懸浮開關磁阻電機:中國, 20111024714[P]. 2013-08-28.

[18] 許嵩. 磁懸浮盤式開關磁阻電機的研究與設計[D].北京: 北京交通大學, 2008.

[19] 劉澤遠, 王世山, 鄧智泉. 穩態懸浮狀態下無軸承開關磁阻電機電感特性[J]. 南京航空航天大學學報, 2009, 41(2): 165-170. Liu Zeyuan, Wang Shishan, Deng Zhiquan. Inductancecharacteristics for bearingless switched reluctance motors under condition of steady magnetic suspendsion[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2009, 41(2): 165-170.

[20] 范冬, 楊艷, 鄧智泉, 等. 無軸承高速開關磁阻電機設計中的關鍵問題[J]. 電機與控制學報, 2006, 10(6): 547-552. Fan Dong, Yan yang, Deng Zhiquan, et al. The key technology on designing a high-speed bearingless switched reluctance motor[J]. Electric Machines and Control, 2006, 10(6): 547-552.

[21] 項倩雯, 孫玉坤, 張新華. 磁懸浮開關磁阻電機建模與參數優化設計[J]. 電機與控制學報, 2011, 15(4): 74-79. Xiang Qianwen, Sun Yukun, Zhang Xinhua. Modeling and parameters optimal design of bearingless switched reluctance motor[J]. Electric Machines and Control, 2011, 15(4): 74-79.

[22] 鄧智泉, 楊鋼, 張媛, 等. 一種新型的無軸承開關磁阻電機數學模型[J]. 中國電機工程學報, 2005, 25(9): 139-146. Deng Zhiquan, Yang Gang, Zhang Yuan, et al. An innovative mathematical model for a bearingless switched reluctance motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(9): 139-146.

[23] 孫玉坤, 吳建兵, 項倩雯. 基于有限元法的磁懸浮開關磁阻電機數學模型[J]. 中國電機工程學報, 2007, 27(12): 33-40. Sun Yukun, Wu Jianbing, Xiang Qianwen. The mathematic model of bearingless switched reluctance motor based on the finite-element analysis[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(12): 33-40.

[24] 王秋蓉, 葛寶明. 無軸承開關磁阻電機磁飽和特性的電磁場分析[J]. 防爆電機, 2007, 42(1): 19-25. Wang Qiu, Ge Baoming. Electromagnetic field analysis of magnetic saturation characteristics of bearingless switched reluctance motor[J]. Explosion-Proof Electric Machine, 2007, 42(1): 19-25.

[25] 曹鑫, 鄧智泉, 楊鋼. 無軸承開關磁阻電機麥克斯韋應力法數學模型[J]. 中國電機工程學報, 2009, 29(3): 78-83. Cao Xin, Deng Zhiquan, Yang Gang. Mathematical model of bearingless switched reluctance motors based on maxwell stress tensor method[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(3): 78-83.

[26] Takemoto M, Chiba A, Fukao T. A method of determining the advanced angle of square-wave currents in a bearingless switched reluctance motor[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 2001, 37(6): 1702-1709.

[27] 楊鋼, 鄧智泉. 無軸承開關磁阻電機繞組電流超前角計算方法[J]. 南京航空航天大學學報, 2009, 41(2): 159-164. Yang Gang, Deng Zhiquan. Advanced angle calculating method for winding currents in bearingless switched reluctance motor[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2009, 41(2): 159-164.

[28] 楊鋼, 鄧智泉. 無軸承開關磁阻電機平均懸浮力控制策略[J]. 航空學報, 2009, 30(3): 505-511. Yang Gang, Deng Zhiquan. Control strategy of average levitated force of a bearingless switched reluctance motor[J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica, 2009, 30(3): 505-511.

[29] Yang Yan, Deng Zhiquan, Yang Gang, et al. A control strategy for bearingless switched-reluctance motors[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(11): 2807-2819.

[30] 曹鑫, 鄧智泉, 楊鋼, 等. 新型無軸承開關磁阻電機雙相導通數學模型[J]. 電工技術學報, 2006, 21(4): 50-56. Cao Xin, Deng Zhiquan, Yang Gang, et al. Novel mathematical model of bearingless switched reluctance motors with two-phase excitation[J]. Transactions of China Electrotechnical, 2006, 21(4): 50-56.

[31] 孫玉坤, 劉羨飛, 王德明, 等. 基于有限元分析的磁懸浮開關磁阻電機數學模型的全角度擴展[J]. 電工技術學報, 2007, 22(9): 34-39. Sun Yukun, Liu Xianfei, Wang Deming, et al. Extension of mathematical model to full angle for bearingless switched reluctance motors based on finite-element analysis[J]. Transactions of China Electrotechnical, 2007, 22(9): 34-39.

[32] Zhu Xiangzhen, Pollock C. New design of radial displacement sensor for control of a switched reluctance motor without bearings［C］. Conference Record of IEEE Industrial Applications Conference, 2005: 2160-2167.

[33] 朱志瑩, 孫玉坤, 嵇小輔, 等. 磁懸浮開關磁阻電機轉子位移/位置觀測器設計[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(12): 83-89.Zhu Zhiying, Sun Yunkun, Ji Xiaofu, et al. Displacement and position observers designing for bearingless switched reluctance motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(12): 83-89.

[34] 楊艷, 鄧智泉, 曹鑫, 等. 12/8極無軸承開關磁阻電機定子振動特性分析[J]. 南京航空航天大學學報, 2010, 42(4): 494-500. Yang Yan, Deng Zhiquan, Cao Xin, et al. Characteristic analysis of stator vibration for 12/8 bearingless switched reluctance motors[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics &Astronautics, 2010, 42(4): 494-500.

[35] 楊艷, 鄧智泉. 控制策略對無軸承開關磁阻電機定子振動的影響[J]. 航空學報, 2010, 31(10): 2010-2017. Yang Yan, Deng Zhiquan. Effects of control strategies on stator vibration of bearingless switched reluctance motors[J]. Acta Aeronautica Et Astronaut Ica Sinica, 2010, 31(10): 2010-2017.

[36] Sun J, Zhan Q, Liu L. Modelling and control of bearingless switched reluctance motor based on artificial neural network[C]. Proceedings of 31th Annual Conference on Industrial Electronics Society, Sheraton Capital Center Raleigh, North Carolina, USA, 2005: 1638-1643.

[37] 劉羨飛, 孫玉坤, 王德明. 磁懸浮開關磁阻電動機徑向位移解耦及變結構控制[J]. 農業機械學報, 2007, 38(9): 147-150. Liu Xianfei, Sun Yukun, Wng Deming. Decoupling and variable structure control for radial displacement of bearingless switched reluctance motors[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(9): 147-150.

[38] 劉國海, 孫玉坤, 張浩. 基于神經網絡逆系統的磁懸浮開關磁阻電動機的解耦控制[J]. 電工技術學報, 2005, 20(9): 39-43. Liu Guahai, Sun Yukun, Zhang Hao. Decoupling control of bearingless switched reluctance motors based on neural network inverse system[J]. Transactions of China Electrotechnical, 2005, 20(9): 39-43.

[39] 朱志瑩, 孫玉坤, 黃永紅. 磁懸浮開關磁阻電機逆動力學建模與控制[J]. 電機與控制學報, 2011: 15(3): 74-79, 85. Zhu Zhiying, Sun Yukun, Huang Yonghong. Inverse dynamics modeling and control for bearingless switched reluctance motor[J]. Electric Machines and Control, 2011: 15(3): 74-79, 85.

[40] Cao X, Deng Z Q. A full-period generating mode for bearingless switched reluctance generators[J]. IEEE Transactions on Applied Super Conductivity, 2010, 20(3): 1072-1076.

[41] 周云紅, 孫玉坤, 嵇小輔, 等. 一種新型的磁懸浮開關磁阻發電機[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(15): 107-113. Zhou Yunhong, Sun Yukun, Ji Xiaofu, et al. A novel bearingless switched reluctance generator[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(15): 107-113.

[42] 曹鑫, 鄧智泉, 莊錚, 等. 三相串聯勵磁式無軸承開關磁阻發電機原理與實現[J]. 電工技術學報, 2013, 28(2): 108-116. Cao Xin, Deng Zhiquan, Zhuang Zheng, et al. Principle and implementation of a bearingless switched reluctance generator with three adjacent excitation-windings connected in series[J]. Transactions of China Electrotechnical, 2013, 28(2): 108-116.

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

袁 野 男，1991年生，博士研究生，研究方向為電機驅動和系統優化設計。

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

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

2014-01-10 改稿日期 2014-04-04