一种径向磁轴承的设计方法、径向磁轴承与流程

1.本公开涉及轴承相关技术领域，尤其涉及一种径向磁轴承的设计方法、径向磁轴承。


背景技术：

2.相关技术中，工业用电约占全社会用电量的70%，而电机耗电占工业用电的75%，电机成为最大的耗电机械。我国传统工业电机采用机械轴承支承，受机械轴承摩擦和转子振动制约，电机仅能低转速运行，功率密度小、效率低。在高压鼓风机、压缩机、真空泵等工业应用中，需采用多极增速机构，导致电机系统庞大、能耗高、可靠性差、噪声污染和油污染严重。
3.磁轴承支承的高速电机消除了摩擦磨损，由于磁轴承无需润滑，可使高速电机的转速高达数万转/分，具有功率密度大、体积小、重量轻、响应快等优点。磁轴承可作为直驱动力源与高速机械设备连接，能有效提高系统效率，节能效果显著，是未来高速旋转动力机械发展的理想支承部件。目前，主动磁轴承按偏置磁通的产生方式可分为永磁偏置磁轴承和纯电磁磁轴承，前者利用永磁体提供偏置磁场，通过与控制电流产出的控制磁场正反向叠加，实现转子的无接触悬浮支承。但现有永磁偏置径向磁轴承x轴磁路通道与y轴磁路通道存在磁力和磁路耦合，提高了控制系统的复杂性，相比纯电磁磁阻力磁轴承，降低了磁轴承的控制精度。纯电磁磁轴承具有两个可控磁场，即具有两个可控电流（偏置电流与控制电流），断电状态下，磁极表面没有磁场，装配过程中定子和转子不会产生吸力，更易于磁悬浮产品的安装。且纯电磁磁轴承可在结构上实现磁轴承磁路通道与磁力通道的解耦，控制系统简洁，控制精度更高，广泛应用于磁悬浮鼓风机、磁悬浮电机、磁悬浮储能飞轮、磁悬浮偏置动量轮、磁悬浮控制力矩陀螺等高速运动场合。
4.但现有纯电磁磁轴承均采用单绕组结构，其控制绕组匝数较多，导致控制回路电感较大，降低了磁轴承动态响应性能，进而影响转子位移响应速度。当转子受到外界干扰时，转子位置调节时间过长会影响磁悬浮高速动力装备快速稳定调节。
5.因此，需提供一种能够保证控制精度且实现快速动态响应的磁轴承。


技术实现要素：

6.以下是对本公开详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
7.本公开提供一种径向磁轴承的设计方法、径向磁轴承。
8.根据本公开实施例的第一方面，提供了一种径向磁轴承的设计方法，所述径向磁轴承的设计方法包括：根据所述径向磁轴承的设计参数，确定所述径向磁轴承的定子绕组中偏置绕组的匝数和控制绕组的匝数，包括：根据所述径向磁轴承的第一设计参数，确定所述定子绕组的总匝数；根据所述径向磁轴承的第二设计参数和所述径向磁轴承的定子铁芯的磁化性能参
数，确定所述偏置绕组的匝数；基于所述定子绕组的总匝数与所述偏置绕组的匝数，计算所述控制绕组的匝数；在所述径向磁轴承的定子铁芯上，根据所述偏置绕组的匝数和所述控制绕组的匝数分别进行绕制，形成相互独立的控制绕组和偏置绕组。
9.根据本公开的一些实施例，所述第一设计参数包括：所述定子绕组的最大电流密度、所述定子绕组的绕组高度、所述定子绕组的绕组腔宽度和所述定子绕组的绕组腔的定子槽满率。
10.根据本公开的一些实施例，根据所述径向磁轴承的第一设计参数，确定所述定子绕组的总匝数，包括：基于所述定子绕组的最大电流密度、所述定子绕组的绕组高度、所述定子绕组的绕组腔宽度和所述定子绕组的绕组腔的定子槽满率，建立定子绕组匝数模型；根据所述定子绕组匝数模型，确定所述定子绕组的总匝数范围；按照预设规则，在所述定子绕组的总匝数范围中选取所述定子绕组的最优总匝数，作为所述定子绕组的总匝数。
11.根据本公开的一些实施例，所述定子绕组匝数模型包括：其中，nb为所述偏置绕组的匝数；nc为所述控制绕组的匝数；λ为所述定子绕组的绕组腔的定子槽满率；sw为所述定子绕组的绕组腔面积；i
max
为所述定子绕组的导线允许通入的最大电流；j
max
为所述定子绕组的最大电流密度。
12.根据本公开的一些实施例，所述第二设计参数包括：所述径向磁轴承的磁轴承平衡位置的气隙长度；所述径向磁轴承的定子铁芯磁化性能参数包括：所述定子铁芯的软磁材料饱和磁密度。
13.根据本公开的一些实施例，根据所述径向磁轴承的第二设计参数和所述径向磁轴承的定子铁芯磁化性能参数，确定所述偏置绕组的匝数，包括：基于所述径向磁轴承的磁轴承平衡位置的气隙长度和所述定子铁芯的软磁材料饱和磁密度，建立偏置绕组匝数模型；根据所述偏置绕组匝数模型，计算所述偏置绕组的匝数。
14.根据本公开的一些实施例，所述偏置绕组匝数模型包括：其中，nb为所述偏置绕组的匝数；bs为所述定子铁芯的软磁材料饱和磁密度；g为所述磁轴承平衡位置的气隙长度；μ0为真空磁导率；i
max
为所述定子绕组的导线允许通入的最大电流。
15.根据本公开的一些实施例，基于所述定子绕组的总匝数与所述偏置绕组的匝数，计算所述控制绕组的匝数，包括：按照预设关系式计算所述控制绕组的匝数，所述预设关系式为nc=n
总-nb；其中，n
总
为所述定子绕组的总匝数；nb为所述偏置绕组的匝数；nc为所述控制绕组
的匝数。
16.根据本公开实施例的第二方面，提供了一种径向磁轴承，所述径向磁轴承采用本公开第一方面提供的径向磁轴承的设计方法；所述径向磁轴承包括：转子套筒；定子组件，包括：绕所述转子套筒外周面呈周向分布设置的定子铁芯；定子绕组，包括：控制绕组，所述控制绕组设置在所述定子铁芯上，且所述控制绕组位于所述定子铁芯的远离所述转子套筒的一侧；偏置绕组，所述偏置绕组设置在所述定子铁芯上，且所述偏置绕组位于所述定子铁芯的靠近所述转子套筒的一侧。
17.有益效果：本公开通过对径向磁轴承进行优化，提供了一种径向磁轴承的设计方法，先确定出径向磁轴承的定子绕组中偏置绕组的匝数和控制绕组的匝数，然后在径向磁轴承的定子铁芯上，根据偏置绕组的匝数和控制绕组的匝数分别进行绕制，相互独立的控制绕组和偏置绕组。基于本公开提供的径向磁轴承的设计方法所设计的径向磁轴承，不仅提高了磁轴承动态响应性能，还能够保证径向磁轴承在使用过程中的控制精度。
18.在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。
附图说明
19.并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与描述一起用于解释本公开实施例的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本公开的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是根据一示例性实施例示出的径向磁轴承的设计方法的流程图；图2是根据一示例性实施例示出的确定定子绕组的总匝数的流程图；图3是根据一示例性实施例示出的确定偏置绕组的总匝数的流程图；图4是根据一示例性实施例示出的径向磁轴承的剖面图。
21.图中：1、定子铁芯；2、控制绕组；3、偏置绕组；4、定子锁母；5、转子叠片；6、转子套筒；7、转子锁母；8、定子套筒。
具体实施方式
22.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
23.相关技术中，纯电磁磁轴承动态响应速度较低。本发明提出了一种能够实现高频动态快速响应的径向磁轴承的设计方法，针对径向磁轴承中的控制绕组与偏置绕组进行了优化：首先根据径向磁轴承的设计参数确定出径向磁轴承的定子绕组中偏置绕组的匝数和控制绕组的匝数，然后在径向磁轴承的定子铁芯上，根据偏置绕组的匝数和控制绕组的匝数分别进行绕制，从而形成了相互独立的控制绕组和偏置绕组，能够减小控制绕组所形成的回路中的电感，提高径向磁轴承的响应性能。基于此设计方法所设计的径向磁轴承，不仅
能够实现快速动态响应，还能够保证径向磁轴承在使用过程中的控制精度。
24.下面结合附图及具体实施例对本公开进行说明。
25.本公开示例性的实施例提供了一种径向磁轴承的设计方法，如图1所示，图1是根据一示例性实施例示出的径向磁轴承的设计方法流程图。该设计方法包括：步骤s101，根据径向磁轴承的设计参数，确定径向磁轴承的定子绕组中偏置绕组的匝数和控制绕组的匝数；步骤s102，在径向磁轴承的定子铁芯上，根据偏置绕组的匝数和控制绕组的匝数分别进行绕制，形成相互独立的控制绕组和偏置绕组。
26.考虑到定子绕组中绕组线圈匝数会影响径向磁轴承的动态响应速度，尤其是现有的径向磁轴承采用单绕组布置的方式，造成控制绕组匝数较多，进而导致控制回路电感较大，对磁轴承的响应速度影响较大。为提高径向磁轴承的动态响应速度，本示例性实施例中的径向磁轴承的设计方法采用将控制绕组与偏置绕组分开布置的方式，并基于径向磁轴承的设计参数，综合确定出合适的偏置绕组的匝数和控制绕组的匝数，从而在整体上减小了控制绕组匝数，提高了径向磁轴承的动态响应速度。
27.为确定影响径向磁轴承的动态性能的因素，在本示例性实施例中，通过建立径向磁轴承的电压-电流模型来进行分析，其中，径向磁轴承的每一定子铁芯上均设置有控制回路，该控制回路包括一个由两个控制绕组采用串联接线方式形成的控制绕组对，由此可知，控制回路的总匝数n=2nc，nc为一个控制绕组的匝数。由控制绕组的总磁链（φ为磁轴承各通道磁通，n为控制回路的总匝数）及控制绕组端感应电压与控制绕组总磁链间的关系（e为控制绕组端感应电压，为控制绕组总磁链的微分单元），计算可得控制绕组的端电压uc，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）式中uc为控制绕组的端电压，r为控制绕组对的电阻，为控制绕组总磁链的微分单元，ic为控制绕组的电流。
28.对磁轴承各通道磁通φ求导，可得：（2）以径向磁轴承的径向切面所在平面上建立二维坐标系，式中，nb为偏置绕组的匝数；nc为控制绕组的匝数；ib为偏置绕组的电流；ic为控制绕组的电流；φ
x+
为x轴正方向的主磁路产生的磁通；φ
y+
为y轴正方向的主磁路产生的磁通；φ
x-为x轴负方向的主磁路产生的磁通；φ
y-为y轴负方向的主磁路产生的磁通；r
x+
为x轴正方向的主磁路的总磁阻；r
x-为x轴负方向的主磁路的总磁阻；r
y+
为y轴正方向的主磁路的总磁阻；r
y-为y轴负方向的主磁路的
总磁阻。
29.将公式（2）代入公式（1）中可得：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，—控制电流导数矩阵；l—控制绕组的电感矩阵；rm—控制绕组的匝数与转子运动的状态耦合矩阵；r—控制绕组的电阻矩阵；ic—控制绕组的电流矩阵；uc—控制绕组的两端电压矩阵；e—转子的运动状态矩阵；将上式（3）改写为状态空间描述为： （4）式中、l、rm、r、ic、uc和e的表达式分别为：其中，i
cx+
为x轴正方向上磁轴承的控制电流大小；i
cy+
为y轴正方向上磁轴承的控制电流大小；i
cx-为x轴负方向上磁轴承的控制电流大小；i
cy-为y轴负方向上磁轴承的控制电流大小；nc为控制绕组的匝数；nb为偏置绕组匝数；ib为偏置绕组的电流；μ0为真空磁导率，μ0=4π
×
10-7 h/m；g
x+
为x轴正方向上磁轴承的气隙大小；g
y+
为y轴正方向上磁轴承的气隙大小；g
x-为x轴负方向上磁轴承的气隙大小；g
y-分别为y轴负方向上磁轴承的气隙大小；r
x+
为x轴正方向的主磁路的总磁阻；r
x-为x轴负方向的主磁路的总磁阻；r
y+
为y轴正方向的主磁路的总磁阻；r
y-为y轴负方向的主磁路的总磁阻；r
cx+
为x轴正方向上磁轴承的控制绕组电阻；r
cy+
为y轴正方向上磁轴承的控制绕组电阻；r
cx-为x轴负方向上磁轴承的控制绕组电阻；r
cy-为y轴负方向上磁轴承的控制绕组电阻；u
cx+
为x轴正方向上磁轴承的控制绕组两端的电压；u
cy+
为y轴正方向上磁轴承的控制绕组两端的电压；u
cx-为x轴负方向上磁轴承的控制绕组两端的电压；u
cy-为y轴负方向上磁轴承的控制绕组两端的电压。
30.由上述公式（4）进行变形，可以得到电压-电流模型：，从电压-电流模型可以看出，径向磁轴承绕组两端的电流变化分别与绕组两端的电压、绕组电感和转子运动状态有关，其中绕组两端的电压和转子运动状态可通过控制算法进行优化，而
绕组电感只能通过磁轴承结构设计进行优化。由于控制绕组与偏置绕组设置在一起时，若偏置绕组中的电流变化也会对控制绕组的电感产生影响，并且在控制绕组的匝数设计不合理时，可能会导致控制绕组所对应的控制回路中电感较大。因此，本实施例中的径向磁轴承的设计方法，针对径向磁轴承优化了控制绕组线圈的匝数，并将控制绕组与偏置绕组分开设置，从而减小了控制回路的电感，提高径向磁轴承的控制绕组中控制电流的响应速度，进而提升径向磁轴承的动态性能。
31.在本示例性实施例中，还针对步骤s101中偏置绕组的匝数和控制绕组的匝数的确定过程进行了示例性地说明。如图1所示，根据径向磁轴承的设计参数，确定径向磁轴承的定子绕组中偏置绕组的匝数和控制绕组的匝数，包括：根据径向磁轴承的第一设计参数，确定定子绕组的总匝数；根据径向磁轴承的第二设计参数和径向磁轴承的定子铁芯的磁化性能参数，确定偏置绕组的匝数；基于定子绕组的总匝数与偏置绕组的匝数，计算控制绕组的匝数。
32.在一些示例性实施例中，第一设计参数包括定子绕组的最大电流密度、定子绕组的绕组高度、定子绕组的绕组腔宽度和定子绕组的绕组腔的定子槽满率等，其中最大电流密度可根据相应定子绕组的设计规格来确定，即符合相应国标中所要求的电流密度的最大值。考虑到定子绕组的总匝数与定子绕组电流密度、绕组高度、绕组腔宽度、定子绕组的绕组腔的定子槽满率等相应的设计参数有关，本示例性实施例中的径向磁轴承的设计方法所提供的方式是：先结合第一设计参数对定子绕组的总匝数进行确定，然后结合第二设计参数和径向磁轴承的定子铁芯的磁化性能参数，确定出偏置绕组的匝数，最后根据定子绕组的总匝数与偏置绕组的匝数计算出控制绕组的匝数，由此便最终得到符合设计要求的控制绕组的匝数和偏置绕组的匝数，基于对控制绕组的匝数和偏置绕组的匝数的合理设计，使该径向磁轴承的动态响应速度得以提高，还能够保证径向磁轴承的控制精度。
33.可以理解的是，在本示例性实施例中仅是以一种示例性的方式，对定子绕组中控制绕组的匝数和偏置绕组的匝数的确定过程进行说明。对于上述偏置绕组的匝数和定子绕组的总匝数进行确定时，还可以先结合第二设计参数与定子铁芯的磁化性能参数确定出偏置绕组的匝数，而后再进行定子绕组的总匝数进行确定，最后再结合定子绕组的总匝数与偏置绕组的匝数，计算出控制绕组的匝数。
34.其中，如图2所示，图2是根据一示例性实施例示出的确定定子绕组的总匝数的流程图。根据径向磁轴承的第一设计参数，确定定子绕组的总匝数，包括：步骤s201，基于定子绕组的最大电流密度、定子绕组的绕组高度、定子绕组的绕组腔宽度和定子绕组的绕组腔的定子槽满率，建立定子绕组匝数模型；步骤s202，根据定子绕组匝数模型，确定定子绕组的总匝数范围；步骤s203，按照预设规则，在定子绕组的总匝数范围中选取定子绕组的最优总匝数，作为定子绕组的总匝数。
35.考虑到本示例性实施例中结合定子绕组的最大电流密度、定子绕组的绕组高度、定子绕组的绕组腔宽度和定子绕组的绕组腔的定子槽满率等约束因素来确定定子绕组的匝数，基于该定子绕组匝数模型便能够确定出定子绕组的总匝数范围，结合相应的预设规则，可在该总匝数范围内选取出最优总匝数。在本实施例中示例性的示出了一种定子绕组匝数模型，该定子绕组匝数模型包括：
其中，nb为偏置绕组的匝数；nc为控制绕组的匝数；λ为定子绕组的绕组腔的定子槽满率；sw为定子绕组的绕组腔面积，定子绕组的绕组腔面积sw=定子绕组的绕组高度hw×
定子绕组的绕组腔宽度bw；i
max
为定子绕组导线允许通入的最大电流；j
max
为定子绕组的最大电流密度，其中最大电流密度可根据相应定子绕组的设计规格来确定，即符合相应国标中所要求的电流密度的最大值。
36.由于导线的横截面的面积与电流密度乘积等于绕组匝数与电流的乘积，以及考虑绕组腔的载荷因数可得：（5）式中：nb为偏置绕组的匝数；nc为控制绕组的匝数；i
max
为定子绕组导线允许通入的最大电流；j
max
为定子绕组的最大电流密度；sn为导线的横截面的面积；sw为定子绕组的绕组腔面积，其中定子绕组的绕组腔面积sw=定子绕组的绕组高度hw×
定子绕组的绕组腔宽度bw。
37.基于上述公式（5）可知，可确定出定子绕组的匝数，考虑到绕组线圈需要有足够的散热空间，此时定子绕组的绕组腔的定子槽满率不应过大，因此，该径向磁轴承的设计方法中对上述等式进行了相应的变形处理，最终得到上述的定子绕组匝数模型，即：根据定子绕组匝数模型计算出来的数值构成了定子绕组的总匝数范围，结合相应的预设规则，可在总匝数范围内选取出最优总匝数。示例性地，可选取nb+nc满足上式条件时的最大正整数值，作为最优总匝数。
38.在本示例性实施例中，在得到相应的第一设计参数后，确定出了定子绕组的总匝数。由此，若想要得到径向磁轴承的其他规格参数时，便可结合该定子绕组的总匝数来获得，如：在确定定子磁极面积、平衡位置处磁极气隙磁通等规格参数时，基于轴承结构尺寸和定子铁芯磁化性能，建立磁轴承尺寸和定子铁芯磁化性能为约束条件下的磁轴承结构数学模型。其中定子磁极面积可由公式推导确定：式中：a为定子磁极面积；f
max
为最大承载力，可根据径向磁轴承的转子转矩产生的陀螺力矩以及转子组件重力确定，bs为定子铁芯的软磁材料饱和磁密度；μ0为真空磁导率，μ0=4π
×
10-7 h/m；cosα为∠α的余弦，其中α为相邻2个上下磁极间夹角的一半，如图4所示。
39.式中：φ0为平衡位置处磁极气隙磁通；a为定子磁极面积；bs为定子铁芯的软磁材料饱和磁密度；nb为偏置绕组的匝数；nc为控制绕组的匝数；i
max
=j
maxaw
为绕组导线允许通入的最大电流；j
max
和aw分别为最大电流密度和绕组线圈的横截面积；j
max
一般为2~4a/mm2；r为
径向磁轴承的磁轴承平衡位置处的磁极气隙磁阻。
40.在一些示例性实施例中，第二设计参数包括径向磁轴承的磁轴承平衡位置的气隙长度；径向磁轴承的定子铁芯磁化性能参数包括定子铁芯的软磁材料饱和磁密度。在本示例性实施例中，通过结合径向磁轴承的磁轴承平衡位置的气隙长度与定子铁芯的软磁材料饱和磁密度来确定偏置绕组的匝数，由此可以确定出合适的偏置绕组的匝数。
41.在一些示例性实施例中，基于上述示例性实施例中可以通过结合径向磁轴承的磁轴承平衡位置的气隙长度与定子铁芯的软磁材料饱和磁密度来确定偏置绕组的匝数的方式，在本示例性实施例中，如图3所示，图3是根据一示例性实施例示出的确定偏置绕组的匝数的流程图，根据径向磁轴承的第二设计参数和径向磁轴承的定子铁芯磁化性能参数，确定偏置绕组的匝数，包括：步骤s301，基于径向磁轴承的磁轴承平衡位置的气隙长度和定子铁芯的软磁材料饱和磁密度，建立偏置绕组匝数模型；步骤s302，根据偏置绕组匝数模型，计算偏置绕组的匝数。
42.在本示例性实施例中，在结合径向磁轴承的磁轴承平衡位置的气隙长度与定子铁芯的软磁材料饱和磁密度来确定偏置绕组的匝数时，示例性的提供了一种偏置绕组匝数模型，该偏置绕组匝数模型包括：其中，nb为偏置绕组的匝数；bs为定子铁芯的软磁材料饱和磁密度；g为磁轴承平衡位置的气隙长度；μ0为真空磁导率，μ0=4π
×
10-7 h/m；i
max
为定子绕组导线允许通入的最大电流。
43.在本示例性实施例中，考虑到在进行磁轴承偏置绕组设计时，为保证径向磁轴承的电磁悬浮力具有较大的调节裕度，对径向磁轴承的设计应避免磁性材料磁饱和现象。结合磁性材料特性，根据安培环路定理，轴承磁路磁场强度为：其中b为轴承磁路磁场强度；nb为偏置绕组的匝数；nc为控制绕组的匝数；l
ej
导磁材料磁路长度；ib为控制绕组线圈电流；ic为控制绕组线圈电流；μ0为真空磁导率，μ0=4π
×
10-7 h/m；μr为磁极材料的相对磁导率；g为磁轴承平衡位置的气隙长度。由于本示例性实施例中结合定子铁芯的磁极材料采用强导磁材料1j50，其相对导磁率较优，其磁阻可忽略不计。因此，上式可简化为：式中b为轴承磁路磁场强度；nb为偏置绕组的匝数；nc为控制绕组的匝数； ib为控制绕组线圈电流；ic为控制绕组线圈电流；μ0为真空磁导率，μ0=4π
×
10-7 h/m；g为磁轴承平衡位置的气隙长度。
44.根据强导磁材料1j50b-h曲线中的预磁化曲线和上式可得未加气隙和加入气隙后磁性材料磁场强度随点绕组电流的变化规律。并从中可得，在无气隙时，饱和电流i
fe
较低，
加入气隙后的饱和电流ig远大于无气隙时的饱和电流i
fe
。根据磁路磁化曲线选择偏置工作点，将饱和磁密度设为bs，为避免磁极材料磁密饱和，一般将工作点设置为磁极材料饱和磁密的一半，即bs/2处。对于高动态响应径向纯电磁轴承而言，偏置绕组与控制绕组分离，偏置电流为绕组线圈可允许最大电流。因此，为使磁轴承的电磁力具有较好的线性度，直接通过设置偏置绕组匝数nb调节工作点，可得该偏置绕组匝数模型为：式中：nb为偏置绕组的匝数；bs为定子铁芯的软磁材料饱和磁密度；μ0为真空磁导率，μ0=4π
×
10-7 h/m；i
max
为定子绕组导线允许通入的最大电流；g为磁轴承平衡位置的气隙长度。
45.在一些示例性实施例中，基于定子绕组的总匝数与偏置绕组的匝数，计算控制绕组的匝数，包括：按照预设关系式计算控制绕组的匝数，预设关系式为nc=n
总-nb；其中，n
总
为定子绕组的总匝数；nb为偏置绕组的匝数；nc为控制绕组的匝数。
46.在一些示例性实施例中，在上述示例性实施例设计出相应的径向磁轴承后，即可确定出相应的差动电磁力，进而计算出位移刚度和电流刚度。
47.在本示例性实施例中，以x轴通道为例，根据牛顿第二定律，建立磁悬浮轴承受力模型，其差动电磁力可表示如下：式中：f
x+
为x轴正方向上产生的磁力；f
x-为x轴正方向上产生的磁力；α为相邻2个上下磁极间夹角的一半，如图4所示；φ
x+
为x轴正方向的主磁路产生的磁通；φ
x-为x轴负方向的主磁路产生的磁通；μ0为真空磁导率，μ0=4π
×
10-7 h/m；a为定子磁极面积。因此差动电磁力可化简为：式中：kr为磁轴承系数；kr=2cosα/μ0a；μ0为真空磁导率，μ0=4π
×
10-7 h/m；μr为磁极材料相对磁导率；nb为偏置绕组的匝数；ib为偏置绕组的电流；nc为控制绕组匝数；ic为控制绕组的电流；a为定子磁极面积；g为磁轴承平衡位置的气隙长度；δ为转子偏移平衡位置的位移。平衡位置回复电磁力f线性化后，可表示为：式中：ic为控制绕组的电流；δ为转子偏移平衡位置的位移；k
δ
和ki分别为磁轴承的位移刚度和电流刚度，其中位移刚度和电流刚度可表示为：
式中，μ0为真空磁导率，μ0=4π
×
10-7 h/m；μr为磁极材料相对磁导率；nb为偏置绕组的匝数；ib为偏置绕组的电流；nc为控制绕组匝数；ic为控制绕组的电流；a为定子磁极面积；g为磁轴承平衡位置的气隙长度；δ为转子偏移平衡位置的位移。
48.本公开示例性的实施例提供了一种径向磁轴承，该径向磁轴承根据本公开示例性实施例提供的设计方法进行设计。如图4所示，图4是根据一示例性实施例示出的径向磁轴承的结构示意图。该径向磁轴承包括：转子套筒6；定子组件，包括：绕转子套筒6外周面呈周向分布的定子铁芯1；定子绕组，包括：控制绕组2，控制绕组2设置在定子铁芯1上，且控制绕组2位于定子铁芯1的远离转子套筒6的一侧；偏置绕组3，偏置绕组3设置在定子铁芯1上，且偏置绕组3位于定子铁芯1的靠近转子套筒6的一侧。
49.在一些示例性实施例中，该径向磁轴承还包括：定子锁母4；转子叠片5；转子锁母7；定子套筒8。定子锁母4随定子铁芯1也绕转子套筒6的周向分布设置，其中定子锁母4能与定子套筒8配合实现对定子铁芯1的限位。转子叠片5设置在转子套筒6的外周壁上，并通过转子锁母7进行限位，转子叠片5与外侧的定子铁芯1之间留有预设距离，形成径向磁轴承的气隙，其中径向磁轴承的磁轴承平衡位置的气隙长度为g。
50.在本公开中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
51.尽管已描述了本公开的优选实施例，但本领域技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本公开范围的所有变更和修改。
52.显然，本领域技术人员可以对本公开进行各种改动和变型而不脱离本公开的精神和范围。这样，倘若本公开的这些修改和变型属于本公开权利要求及其等同技术的范围之内，则本公开的意图也包含这些改动和变型在内。