CN111832127A - 一种洛仑兹力径向磁轴承设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，(1)、确定磁轴承上转子组件和下转子组件各部件径向尺寸；(2)、根据磁轴承的轴向安装机械尺寸约束，确定磁轴承上转子组件和下转子组件各部件轴向尺寸；(3)、根据径向磁轴承需要输出的最大径向磁力F、根据步骤(2)所确定的转子组件计算磁轴承主磁路的气隙磁密值B和定子组件结构约束，确定定子瓦型线圈匝数、内阻尼线圈匝数、外阻尼线圈匝数、定子组件总厚度；(4)、进行径向磁轴承磁力复合复算，得到输出磁力大小和功耗，如果不满足要求，则反馈迭代直至输出磁力大小以及功耗均满足设计要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种洛仑兹力径向磁轴承设计方法，特别是要求输出力与电流成线性关系的磁轴承设计，其设计思想可用于各类洛仑兹力磁轴承的设计。
背景技术
径向磁轴承一般用于磁悬浮支撑系统中径向和偏转方向运动控制，如果在实际工况中的定转子间相对位移较大且需要高性能高可靠性的稳定悬浮，就急需一种在运动空间内出力线性度好、功耗低的径向磁轴承。洛仑兹力磁轴承，主磁场为均匀恒定磁场，故其电磁力基于洛仑兹力原理，仅与电流成线性关系。尤其适用于高精度低功耗的磁悬浮系统。
当前的磁轴承设计方法主要基于纯电磁轴承和永磁混合磁轴承的铁心型磁轴承，其设计特点和工作原理与本发明涉及的洛仑兹力原理的空心盘结构磁轴承不同。目前针对洛仑兹力磁轴承的设计研究均为轴向磁轴承结构，主要研究方向为径向磁场的分析和结构改进，没有明确设计方法，更没有专门针对洛仑兹力径向磁轴承的设计方法研究。由于径向洛仑兹力磁轴承结构的特殊性和新颖性，急需一种专门针对洛仑兹力磁轴承的方便准确的设计方法，来实现高精度输出力和低功耗的磁轴承结构。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种洛仑兹力径向磁轴承设计方法，提高输出电磁力的同时也能大大降低功耗，并能提升输出磁力的线性度和平稳性，设计步骤简单，设计实现准确性高，具有广泛的实用价值。
本发明的技术解决方案是：一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，该方法包括如下步骤：
(1)、确定磁轴承上转子组件和下转子组件各部件径向尺寸，包括上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的内径尺寸，定子组件定子座外径尺寸、定子座的内径尺寸、上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的外径尺寸、内磁钢环的内径和外径、外磁钢环的内径和外径；
(2)、根据磁轴承的轴向安装机械尺寸约束，确定磁轴承上转子组件和下转子组件各部件轴向尺寸，包括上转子组件和下转子组件安装后的轴向总高、磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度、磁间隙轴向尺寸，从而确定主磁路；
(3)、根据径向磁轴承需要输出的最大径向磁力F、根据步骤(2)所确定的转子组件计算磁轴承主磁路的气隙磁密值B和定子组件结构约束，确定定子瓦型线圈匝数、内阻尼线圈匝数、外阻尼线圈匝数、定子组件总厚度；
(4)、进行径向磁轴承磁力复合复算，得到输出磁力大小和功耗，如果输出磁力大小或者功耗任一项不满足设计要求，则重新执行步骤(3)，通过重新调整瓦型线圈匝数和定子组件总厚度使得输出磁力和功耗均满足要求，如果在径向磁轴承需要输出的最大径向磁力F、步骤(2)所确定磁路的气隙磁密值B和定子组件结构约束下，重新调整瓦型线圈匝数和定子组件总厚度仍不能满足输出磁力和功耗的要求，则调整磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度比例，重新执行步骤(2)～步骤(3)，直至输出磁力大小以及功耗均满足设计要求。
所述步骤(1)的详细步骤如下：
(1.1)、根据径向磁轴承的径向安装机械尺寸约束确定上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的内径尺寸，定子组件定子座外径尺寸，所述径向磁轴承的径向安装机械尺寸约束包括磁轴承装配安装内孔及外径尺寸要求；
(1.2)、由定子组件的定子座外径尺寸及定子座沿磁轴承径向厚度内推，得到定子座的内径尺寸，再根据定子座的内径尺寸确定上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的外径尺寸；
(1.3)、上转子组件转子壳和下转子组件转子壳留出转子壳厚度，即可得到内磁钢环的内径和外磁钢的外径；
(1.4)、设置内磁钢环和外磁钢环径向厚度相等，根据外磁钢环外径和内磁钢环内径得出内磁钢环外径和外磁钢环内径。
所述步骤(2)的详细步骤如下：
(2.1)、根据磁轴承的轴向安装机械尺寸约束，确定上转子组件和下转子组件安装后的轴向总高；所述轴向安装机械尺寸约束即为径向磁轴承的总高约束；
(2.2)、将外磁钢环、内磁钢环的轴向厚度记为磁钢轴向厚度，按照等比原则初始分配磁钢轴向厚度和导磁环的轴向厚度；
(2.3)、采用等效磁路法列出气隙磁密和磁钢厚度及磁间隙的关系式，以磁间隙尺寸和气隙磁密值在各自的取值范围内达到最大值为优化目标，估算磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度、磁间隙轴向尺寸；
(2.4)、根据步骤(2.3)中得出的磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度、磁间隙轴向尺寸，通过仿真得到导磁环最大饱和磁密，如果导磁环最大饱和磁密满足预设指标要求，则进入步骤(3)，否则，微调磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度、磁间隙轴向尺寸，重复步骤(2.3)～步骤(2.4)，直至磁间隙尺寸和气隙磁密值仍在各自的取值范围内，且导磁环最大饱和磁密满足预设指标要求，之后，进入步骤(3)；
所述步骤(3)的详细步骤如下：
(3.1)、根据径向磁轴承需要输出的最大径向磁力F、根据步骤(2)所确定的转子组件计算出的磁轴承主磁路的气隙磁密值B和定子组件结构约束，由洛仑兹力公式、线径大小与电流的关系式，确定瓦型线圈的长度L和导线线径大小，进而根据导线线径大小确定导线规格，计算得到瓦型线圈匝数和定子组件总厚度；定子组件结构约束条件包括定子组件骨架上瓦型线圈的形状大小、定子骨架瓦型线圈开槽位置、槽满率约束、定转子机械静动间隙单边约束条件；
(3.2)、仿真得到径向磁轴承的磁场分布情况，选取径向方向上磁密变化最大的定子骨架内圈和外圈作为内阻尼线圈和外阻尼线圈放置位置，并根据阻尼线圈槽满率，确定内阻尼线圈和外阻尼线圈的匝数。
所述上转子组件和下转子组件的外径比定子座内径小6-10mm。
所述气隙磁密和磁钢厚度及磁间隙的关系式为：
气隙磁密：
其中：d0为磁间隙，d3为磁钢环轴向厚度，μr为内磁钢环永磁体的相对磁导率，μ0为真空磁导率，An为内磁钢环的表面积，Hc为内磁钢环或外磁钢环永磁体的矫顽力，k为漏磁系数；
φ1是内磁钢环内径，φ2是内磁钢环外径或外磁钢环内径，φ3是外磁钢环外径。
所述气隙磁密的取值范围为0.6T-0.8T。
所述磁间隙的取值范围为7—10mm。
所述导磁环最大饱和磁密取值范围为1.8T-2.0T。
所述定转子机械静动间隙单边约束条件为不小于0.3mm。
所述步骤(4)之后增加如下步骤：
在内磁钢环和外磁钢环表面包覆聚磁环，具体为：所述上转子组件的聚磁环位于内磁钢环和外磁钢环的下面，包覆内磁钢环和外磁钢环靠近磁间隙的下表面；所述下转子组件的聚磁环位于内磁钢环和外磁钢环的上面，包覆内磁钢环和外磁钢环靠近磁间隙的上表面；调整聚磁环的调整材料和厚度，对轴向平行磁场进行均匀性仿真，磁间隙内的磁场在定转子相对运动范围内磁场均匀性优于8‰，且聚磁环的轴向厚度在0.3-0.6mm内。
所述槽满率的取值范围为75％—85％。
导线线径通常选用0.14mm2-0.29mm2。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明所述的设计方法，基于洛仑兹力原理的空心盘类磁轴承结构，对主磁路参数和定子绕组参数分别进行设计，避免耦合交叉，迭代步骤清晰简单，结果准确。对轴承的主磁路、功耗进行设计，流程简单，结果准确。
(2)、本发明所述设计方法针对影响磁轴承重要性能指标(输出力和功耗)的关键影响参数——气隙磁密和导线参数进行重点设计和优化，提高设计准确率和工艺可行性，对后继样机生产制造有重要意义。
(3)、本发明所述设计方法根据等效磁路法形成了输出磁力的公式，得出各设计参数间相互关系，更便于后继同系列产品的设计优化。
(4)、本发明所述设计方法采用了聚磁环优化磁场均匀性、阻尼线圈抑制微震动和细线径降功耗等措施可实现洛仑兹力径向磁轴承性能优化，实现线性径向磁力输出和低功耗的要求。
附图说明
图1为本发明洛仑兹力径向磁轴承一种典型结构图；
图2为本发明洛仑兹力径向磁轴承设计方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种适用于航天器应用的洛仑兹力径向磁轴承设计方法，针对径向磁轴承的特点进行磁路设计，有针对性的实现高强度的均匀平行磁场，同时，对磁轴承定子进行超细线径并绕低热耗设计，放置阻尼线圈，隔离高频微振动的同时也提供高散热通道，从而对不导磁定子组件采用低热耗设计，提高输出电磁力的同时也能大大降低磁阻损耗，并能提升输出磁力的线性度和平稳性，设计步骤简单，设计实现准确性高，具有广泛的实用价值。
如图1所示，所述洛伦兹力径向磁轴承为内转子外定子空心盘结构，由上转子组件、下转子组件和定子组件组成，其中，上转子组件、下转子组件上下相对放置，上转子组件和下转子组件均包括转子壳、磁钢环组和导磁环，磁钢环组由内磁钢环与外磁钢环组成，内磁钢环与外磁钢环同心圆放置且沿轴向高度相等，导磁环位于转子壳与磁钢环组之间，上转子组件和下转子组件之间存在一定的间隙，称为磁间隙，在磁间隙中沿轴向形成恒定均匀垂直主磁场；定子组件为不导磁的空心盘结构，放置于磁间隙内，定转子间的间隙为可移动的悬浮间隙，定子组件包括定子骨架、多个瓦型线圈、内阻尼线圈、外阻尼线圈和定子座，定子座用于磁轴承定子组件的安装固定；定子骨架固定在定子座上，瓦型线圈固定放置在定子骨架上且处于上转子组件与下转子组件之间的磁间隙内；定子组件在磁轴承径向平面内均布偶数个瓦型线圈，线圈平面垂直于轴向，对称的一对线圈通电后在垂直于线圈的均匀磁场中形成力偶。
如图2所示，上述洛伦兹力径向磁轴承设计方法包括如下步骤：
(1)、确定磁轴承上转子组件和下转子组件各部件径向尺寸，包括上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的内径尺寸，定子组件定子座外径尺寸、定子座的内径尺寸、上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的外径尺寸、内磁钢环的内径和外径、外磁钢环的内径和外径；
(1.1)、根据径向磁轴承的径向安装机械尺寸约束确定上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的内径尺寸，定子组件定子座外径尺寸，所述径向磁轴承的径向安装机械尺寸约束包括磁轴承装配安装内孔及外径尺寸要求；
该步骤的设计原则为：
上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的内孔尺寸不大于径向磁轴承的装配安装内孔尺寸下限要求；定子组件定子座外圆尺寸不大于径向磁轴承外径尺寸下限要求。
(1.2)、由定子组件的定子座外径尺寸及定子座沿磁轴承径向厚度内推，得到定子座的内径尺寸，再根据定子座的内径尺寸确定上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的外径尺寸；
定子座的安装面垂直于磁轴承的轴向，可以通过螺钉紧固，也可以通过压紧的方式紧固。如果定子座通过螺钉固定安装，那么，定子座沿径向磁轴承径向厚度至少大于螺帽最大直径。
一般情况下，所述上转子组件和下转子组件的外径比定子座内径小6-10mm。
(1.3)、上转子组件转子壳和下转子组件转子壳留出转子壳厚度，即可得到内磁钢环的内径和外磁钢的外径；转子壳厚度需考虑力学变形，一般单边3-6mm厚即可。
(1.4)、设置内磁钢环和外磁钢环径向厚度相等，根据外磁钢环外径和内磁钢环内径得出内磁钢环外径和外磁钢环内径。
(2)、根据磁轴承的轴向安装机械尺寸约束，确定磁轴承上转子组件和下转子组件各部件轴向尺寸，包括上转子组件和下转子组件安装后的轴向总高、磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度、磁间隙轴向尺寸，从而确定主磁路；
(2.1)、根据磁轴承的轴向安装机械尺寸约束，确定上转子组件和下转子组件安装后的轴向总高；所述轴向安装机械尺寸约束即为径向磁轴承的总高约束；上转子组件和下转子组件安装后的轴向总高不大于径向磁轴承的总高约束下限要求。
(2.2)、将外磁钢环、内磁钢环的轴向厚度记为磁钢轴向厚度，按照等比原则初始分配磁钢轴向厚度和导磁环的轴向厚度；
(2.3)、采用等效磁路法列出气隙磁密和磁钢厚度及磁间隙的关系式，以磁间隙尺寸和气隙磁密值在各自的取值范围内达到最大值为优化目标，估算磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度、磁间隙轴向尺寸；作为优选方案，所述气隙磁密的取值范围为0.6T-0.8T，所述磁间隙的取值范围为7—10mm。
作为优选方案，为了实现高强度的均匀平行磁场，还可以对磁间隙内的磁场进行均匀化设计，在内磁钢环和外磁钢环表面包覆聚磁环，具体为：所述上转子组件的聚磁环位于内磁钢环和外磁钢环的下面，包覆内磁钢环和外磁钢环靠近磁间隙的下表面；所述下转子组件的聚磁环位于内磁钢环和外磁钢环的上面，包覆内磁钢环和外磁钢环靠近磁间隙的上表面；通过调整聚磁环的调整材料和厚度，对轴向平行磁场进行均匀性仿真，磁间隙内的磁场在定转子相对运动范围内磁场均匀性优于8‰，且聚磁环的轴向厚度在0.3-0.6mm内，材料一般为导磁不锈钢。
由图1所示，上述洛伦兹力径向磁轴承的主磁路为恒定，不随定转子间隙变化而改变，其路径为：上转子组件中内磁钢环发出的磁力线通过导磁环与外磁钢环的磁力线叠加，再经过聚磁环后通过上下转子组件间磁气隙到达下转子组件的聚磁环，与下转子组件的外磁钢环磁力线叠加，经下转子组件的导磁环与内磁钢环磁力线重合，再经过聚磁环后通过磁间隙经过上转子组件的聚磁环再回到内磁钢环。
d0为磁间隙(含聚磁环)，d1为转子壳轴向厚度，d2为导磁环轴向厚度，d3为磁钢环轴向厚度(内磁钢环和外磁钢环的轴向厚度相同)，d为转子组件轴向总厚，忽略聚磁环的厚度不计，可以得到：
d＝d0+2×(d1+d2+d3)
内磁钢环的磁阻Rpn为：
μr为内磁钢环永磁体的相对磁导率，μ0为真空磁导率，An为内磁钢环的表面积。
外磁钢环的磁阻Rpw为：
Aw为外磁钢环的表面积；
φ1是内磁钢环内径，φ2是内磁钢环外径或外磁钢环内径，φ3是外磁钢环外径。
内磁钢环磁间隙的磁阻Rqn为：
外磁钢环磁间隙的磁阻Rqw为：
主磁路的总磁阻R总为：
R总＝2(Rpn+Rpw)+Rqn+Rqw
磁路中的磁势：Fm＝Hcd3，F总＝4Fm＝4Hcd3
Fm为内磁钢环或外磁钢环永磁体的磁势，F总为主磁路的总磁势，Hc为内磁钢环或外磁钢环永磁体的矫顽力；
气隙磁密Bs为：
k为漏磁系数，一般取值范围0.6～0.9。
可知气隙磁密Bs和磁间隙d0成反比，磁钢厚度与气隙磁密成正比，迭代设计时可通过增大磁钢厚度或者减小磁间隙来实现。
(2.4)、根据步骤(2.3)中得出的磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度、磁间隙轴向尺寸，通过仿真得到导磁环最大饱和磁密，如果导磁环最大饱和磁密满足预设指标要求，则进入步骤(3)，否则，微调磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度、磁间隙轴向尺寸，重复步骤(2.3)～步骤(2.4)，直至磁间隙尺寸和气隙磁密值仍在各自的取值范围内，且导磁环最大饱和磁密满足预设指标要求，之后，进入步骤(3)；优选地，最大饱和磁密在磁轭圆周方向，设计值取在1.8T-2.0T间。磁场沿径向方向的中间对称一半长度内的磁场均匀性设计优于8‰。
(3)、根据径向磁轴承需要输出的最大径向磁力F、根据步骤(2)所确定的转子组件计算磁轴承主磁路的气隙磁密值B和定子组件结构约束，确定定子瓦型线圈匝数、内阻尼线圈匝数、外阻尼线圈匝数、定子组件总厚度；
(3.1)、根据径向磁轴承需要输出的最大径向磁力F、根据步骤(2)所确定的转子组件计算出的磁轴承主磁路的气隙磁密值B和定子组件结构约束，由洛仑兹力公式、线径大小与电流的关系式，确定瓦型线圈的长度L和导线线径大小，进而根据导线线径大小确定导线规格，计算得到瓦型线圈匝数和定子组件总厚度；定子组件结构约束条件包括定子组件骨架上瓦型线圈的形状大小、定子骨架瓦型线圈开槽位置、槽满率约束、定转子机械静动间隙单边约束条件；优选地，所述槽满率的取值范围为75％—85％，所述定转子机械静动间隙单边约束条件为不小于0.3mm。
洛仑兹力公式如下：
F＝BIL
其中，F为径向磁轴承需要输出的最大径向磁力，B为磁轴承主磁路的气隙磁密值，I为最大磁力时电流；
其中，jv为电流密度，dxj为导线线径。由导线线径大小寻找线径最接近的导线。定子瓦型线圈匝数按照向上取整的原则得出最终结果，线径通常选用0.14mm2-0.29mm2。
瓦型线圈作用为径向磁轴承的出力线圈。瓦型线圈需放置在主磁路磁场最均匀平滑的位置，一般在磁间隙径向中间位置。瓦型线圈通常选用超细线径并绕来降低绕组热耗，通过绕制脱模再整形放置于定子骨架中。定子骨架为强度较好的非金属材料，例如环氧层压玻璃布板。两种线圈均放置在定子骨架的下线槽内，槽满率设计在75％—85％之间。瓦型线圈通常选用超细线径并绕，通过绕制脱模再整形放置于定子骨架中。
(3.2)、仿真得到径向磁轴承的磁场分布情况，选取径向方向上磁密变化最大的定子骨架内圈和外圈(磁场变化率最大的位置)作为内阻尼线圈和外阻尼线圈放置位置，并根据阻尼线圈槽满率，确定内阻尼线圈和外阻尼线圈的匝数。
(4)、进行径向磁轴承磁力复合复算，得到输出磁力大小和功耗，如果输出磁力大小或者功耗任一项不满足设计要求，则重新执行步骤(3)，通过重新调整瓦型线圈匝数和定子组件总厚度使得输出磁力和功耗均满足要求，如果在径向磁轴承需要输出的最大径向磁力F、步骤(2)所确定磁路的气隙磁密值B和定子组件结构约束下，重新调整瓦型线圈匝数和定子组件总厚度仍不能满足输出磁力和功耗的要求，则调整磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度比例，重新执行步骤(2)～步骤(3)，直至输出磁力大小以及功耗均满足设计要求。
上述方案的原理是：洛仑兹力径向磁轴承分别开展磁路设计和电路设计，参数简单，原理清晰。其中磁路设计可确定磁轴承上、下转子组件的各零组件尺寸参数，电路设计可得到定子组件上各零组件的尺寸参数，再进行各项电气参数的迭代核算。在计算过程中，有针对性地对以下几个部分进行高强度平行磁场和低热耗设计：上下双磁钢加内外磁源结构、磁钢表面包覆和超细线径加阻尼线圈。上下双磁钢加内外磁源结构可以增大主磁路中气隙磁密，磁路恒定且不随定转子间隙变化而改变，尤其适合采用等效磁路法计算，便利准确。在磁钢表面包覆聚磁环，使磁场轴向平行均匀，线圈工作区内的磁场变化量小于8‰，可大大提升径向输出力大小和稳定性。基于F＝BIL公式进行电路部分设计，电枢绕组选用细线径，能降低高速旋转磁场中的导线涡流，多股并绕可降低电枢电阻和热耗。在不导磁定子组件上安装两个环形阻尼线圈，可对高频微振动起到被动隔离或阻尼的作用，且有利于空心盘非金属定子组件的热传导。
实施例：
针对如图2所示洛仑兹力径向磁轴承的一种典型结构图，通过本发明所述设计流程，其主要电磁设计参数如下表所示：
首先由磁轴承转子内外径尺寸约束，考虑上下转子组件的预留安装位置，选定主磁路磁场范围在Φ280-Φ180。并确定主磁路有上下转子组件中的内外磁钢环组成，并对其轴向尺寸进行等比估算，确定厚度为8mm。随后由初始设定值进行磁路计算，确定最终的磁钢内径、厚度和长度，以及磁轭相关尺寸。为提高磁场平顶波的均匀性和占空比，在磁钢表面包覆0.5mm厚的2Cr13聚磁环。并由此进行准确计算气隙磁密和最大磁密值。随后针对磁场分布情况计算定子结构尺寸，由F＝BIL公式计算要求输出x方向径向力30N时的瓦型线圈参数，沿X、Y轴分别对称放置两组瓦型线圈用于径向力输出，根据定子骨架开槽尺寸和槽满率确定瓦型绕组线径和具体形状。在定子骨架径向方向的两端放置环形的阻尼线圈，匝数分别为200匝和100匝。如图2所示，定转子组件组装后，阻尼线圈位置处于磁路两端磁场变化最大的位置。
尺寸基本参数得出后进行电磁参数迭代复核。计算其在满足30N输出力时的电流及功耗设计均能满足要求。经本发明设计方法设计实现的径向磁轴承完成样机加工并经测试其各项性能均满足指标要求，其磁场均匀性和温升指标均优于铁心型径向磁轴承的设计值。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (13)
1.一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于该洛伦兹力径向磁轴承设计方法包括如下步骤：
(1)、确定磁轴承上转子组件和下转子组件各部件径向尺寸，包括上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的内径尺寸，定子组件定子座外径尺寸、定子座的内径尺寸、上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的外径尺寸、内磁钢环的内径和外径、外磁钢环的内径和外径；
(2)、根据磁轴承的轴向安装机械尺寸约束，确定磁轴承上转子组件和下转子组件各部件轴向尺寸，包括上转子组件和下转子组件安装后的轴向总高、磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度、磁间隙轴向尺寸，从而确定主磁路；
(3)、根据径向磁轴承需要输出的最大径向磁力F、根据步骤(2)所确定的转子组件计算磁轴承主磁路的气隙磁密值B和定子组件结构约束，确定定子瓦型线圈匝数、内阻尼线圈匝数、外阻尼线圈匝数、定子组件总厚度；
(4)、进行径向磁轴承磁力复合复算，得到输出磁力大小和功耗，如果输出磁力大小或者功耗任一项不满足设计要求，则重新执行步骤(3)，通过重新调整瓦型线圈匝数和定子组件总厚度使得输出磁力和功耗均满足要求，如果在径向磁轴承需要输出的最大径向磁力F、步骤(2)所确定磁路的气隙磁密值B和定子组件结构约束下，重新调整瓦型线圈匝数和定子组件总厚度仍不能满足输出磁力和功耗的要求，则调整磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度比例，重新执行步骤(2)～步骤(3)，直至输出磁力大小以及功耗均满足设计要求。
2.根据权利要求1所述的一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于所述步骤(1)的详细步骤如下：
(1.1)、根据径向磁轴承的径向安装机械尺寸约束确定上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的内径尺寸，定子组件定子座外径尺寸，所述径向磁轴承的径向安装机械尺寸约束包括磁轴承装配安装内孔及外径尺寸要求；
(1.2)、由定子组件的定子座外径尺寸及定子座沿磁轴承径向厚度内推，得到定子座的内径尺寸，再根据定子座的内径尺寸确定上转子组件转子壳和下转子组件转子壳的外径尺寸；
(1.3)、上转子组件转子壳和下转子组件转子壳留出转子壳厚度，即可得到内磁钢环的内径和外磁钢的外径；
(1.4)、设置内磁钢环和外磁钢环径向厚度相等，根据外磁钢环外径和内磁钢环内径得出内磁钢环外径和外磁钢环内径。
3.根据权利要求1所述的一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于所述步骤(2)的详细步骤如下：
(2.1)、根据磁轴承的轴向安装机械尺寸约束，确定上转子组件和下转子组件安装后的轴向总高；所述轴向安装机械尺寸约束即为径向磁轴承的总高约束；
(2.2)、将外磁钢环、内磁钢环的轴向厚度记为磁钢轴向厚度，按照等比原则初始分配磁钢轴向厚度和导磁环的轴向厚度；
(2.3)、采用等效磁路法列出气隙磁密和磁钢厚度及磁间隙的关系式，以磁间隙尺寸和气隙磁密值在各自的取值范围内达到最大值为优化目标，估算磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度、磁间隙轴向尺寸；
(2.4)、根据步骤(2.3)中得出的磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度、磁间隙轴向尺寸，通过仿真得到导磁环最大饱和磁密，如果导磁环最大饱和磁密满足预设指标要求，则进入步骤(3)，否则，微调磁钢轴向厚度、导磁环的轴向厚度、磁间隙轴向尺寸，重复步骤(2.3)～步骤(2.4)，直至磁间隙尺寸和气隙磁密值仍在各自的取值范围内，且导磁环最大饱和磁密满足预设指标要求，之后，进入步骤(3)。
4.根据权利要求1所述的一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于所述步骤(3)的详细步骤如下：
(3.1)、根据径向磁轴承需要输出的最大径向磁力F、根据步骤(2)所确定的转子组件计算出的磁轴承主磁路的气隙磁密值B和定子组件结构约束，由洛仑兹力公式、线径大小与电流的关系式，确定瓦型线圈的长度L和导线线径大小，进而根据导线线径大小确定导线规格，计算得到瓦型线圈匝数和定子组件总厚度；定子组件结构约束条件包括定子组件骨架上瓦型线圈的形状大小、定子骨架瓦型线圈开槽位置、槽满率约束、定转子机械静动间隙单边约束条件；
(3.2)、仿真得到径向磁轴承的磁场分布情况，选取径向方向上磁密变化最大的定子骨架内圈和外圈作为内阻尼线圈和外阻尼线圈放置位置，并根据阻尼线圈槽满率，确定内阻尼线圈和外阻尼线圈的匝数。
5.根据权利要求1所述的一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于所述上转子组件和下转子组件的外径比定子座内径小6-10mm。
6.根据权利要求3所述的一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于所述气隙磁密和磁钢厚度及磁间隙的关系式为：
气隙磁密：
其中：d0为磁间隙，d3为磁钢环轴向厚度，μr为内磁钢环永磁体的相对磁导率，μ0为真空磁导率，An为内磁钢环的表面积，Hc为内磁钢环或外磁钢环永磁体的矫顽力，k为漏磁系数；
φ1是内磁钢环内径，φ2是内磁钢环外径或外磁钢环内径，φ3是外磁钢环外径。
7.根据权利要求3所述的一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于所述气隙磁密的取值范围为0.6T-0.8T。
8.根据权利要求3所述的一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于所述磁间隙的取值范围为7—10mm。
9.根据权利要求3所述的一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于所述导磁环最大饱和磁密取值范围为1.8T-2.0T。
10.根据权利要求3所述的一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于所述定转子机械静动间隙单边约束条件为不小于0.3mm。
11.根据权利要求1所述的一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于所述步骤(4)之后增加如下步骤：
在内磁钢环和外磁钢环表面包覆聚磁环，具体为：所述上转子组件的聚磁环位于内磁钢环和外磁钢环的下面，包覆内磁钢环和外磁钢环靠近磁间隙的下表面；所述下转子组件的聚磁环位于内磁钢环和外磁钢环的上面，包覆内磁钢环和外磁钢环靠近磁间隙的上表面；调整聚磁环的调整材料和厚度，对轴向平行磁场进行均匀性仿真，磁间隙内的磁场在定转子相对运动范围内磁场均匀性优于8‰，且聚磁环的轴向厚度在0.3-0.6mm内。
12.根据权利要求4所述的一种洛伦兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于所述槽满率的取值范围为75％—85％。
13.根据权利要求4所述的一种洛仑兹力径向磁轴承设计方法，其特征在于：导线线径通常选用0.14mm2-0.29mm2。
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