<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xml:lang="en" dtd-version="2.3" article-type="research-article">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">actuators</journal-id>
      <journal-title>Actuators</journal-title>
      <abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">Actuators</abbrev-journal-title>
      <abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Actuators</abbrev-journal-title>
      <issn pub-type="epub">2076-0825</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>MDPI</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.3390/act6010001</article-id>
      <article-id pub-id-type="publisher-id">actuators-06-00001</article-id>
      <article-categories>
        <subj-group>
          <subject>Article</subject>
        </subj-group>
      </article-categories>
      <title-group>
        <article-title>A Generalized Unbiased Control Strategy for Radial Magnetic Bearings</article-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author">
          <name>
            <surname>Meeker</surname>
            <given-names>David</given-names>
          </name>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="editor">
          <name>
            <surname>Maslen</surname>
            <given-names>Eric H.</given-names>
          </name>
          <role>Academic Editor</role>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff id="af1-actuators-06-00001">QinetiQ North America, Waltham, MA 02451, USA; <email>dmeeker@ieee.org</email>; Tel.: +1-781-684-4070</aff>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>08</day>
        <month>01</month>
        <year>2017</year>
      </pub-date>
      <pub-date pub-type="collection"><month>03</month>
        <year>2017</year>
      </pub-date>
      <volume>6</volume>
      <issue>1</issue>
      <elocation-id>1</elocation-id>
      <history>
        <date date-type="received">
          <day>24</day>
          <month>11</month>
          <year>2016</year>
        </date>
        <date date-type="accepted">
          <day>05</day>
          <month>01</month>
          <year>2017</year>
        </date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>&#xA9; 2017 by the author.</copyright-statement>
        <copyright-year>2017</copyright-year>
        <license license-type="open-access">
          <p>Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link>).</p>
        </license>
      </permissions>
      <abstract>
        <p>The present work extends a method of unbiased control originally developed for three-pole radial magnetic bearings into a generalized unbiased control strategy that encompasses bearings with an arbitrary number of poles. By allowing the control of bearings with more than three poles, the applicability of the approach is broadened to the case of large rotors. Other ramifications of this generalized unbiased control strategy are fault tolerant unbiased bearings, control of bearings with more than three poles using 3-phase drives, and a novel approach to the unbiased control of eight-pole magnetic bearings.</p>
      </abstract>
      <kwd-group>
        <kwd>magnetic bearings</kwd>
        <kwd>actuator force</kwd>
        <kwd>feedback linearization</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
  <body>
    <sec sec-type="intro" id="sec1-actuators-06-00001">
      <title>1. Introduction</title>
      <p>In [<xref ref-type="bibr" rid="B1-actuators-06-00001">1</xref>], an unbiased control strategy was presented that enables a three-pole magnetic bearing to be controlled with a 3-phase motor drive. The approach converts the current-to-force relationship for a three-pole bearing to a simple complex-valued expression that is straightforward to invert. Other works experimentally demonstrated the viability of the control approach [<xref ref-type="bibr" rid="B2-actuators-06-00001">2</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B3-actuators-06-00001">3</xref>].</p>
      <p>However, the use of the control approach has been limited because three-pole bearings are primarily applicable to the suspension of very small rotors, for example as described in [<xref ref-type="bibr" rid="B4-actuators-06-00001">4</xref>]. For very small magnetic bearings, it is difficult to get enough amp-turns around any one pole to get high flux density in the gap. Three-pole bearings are a good solution in this case because they minimize the number of poles for which amp-turns must be provided. Since the peak achievable flux density in the gap may be far less than the saturation flux density of the material for small bearings, small bearings typically have pole tips that are wider than the pole root. A typical small bearing example is shown below as <xref ref-type="fig" rid="actuators-06-00001-f001">Figure 1</xref>. The bearings have an 0.25" rotor outer diameter, an 0.6" stator outer diameter, a 0.005" air gap length, and 50 turns of American Wire Gauge (AWG) 30 magnet wire per pole. In the short-term max force case where the wire is carrying 1A (20 A/mm<inline-formula>
        <mml:math id="mm1" display="block">
          <mml:semantics>
		   <mml:mrow>
            <mml:msup>
			 <mml:mrow/>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
			 </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> in the wire cross-section), the peak flux density in the air gap is about 0.5 T, and the peak flux density in the pole root is about 1.4 T.</p>
      <p>For larger bearings, the coil cross-section grows with the square of scaling factor, so it is not as difficult to achieve the magnetomotive force needed to drive flux across the gap at saturation levels. In that case, the tooth tip width is the same as the tooth root width, leading to very wide teeth and a very thick back iron for a three-pole geometry.</p>
      <p>For larger bearings, a higher pole count is necessary to minimize back iron thickness and optimize bearing size. The present work extends the method of unbiased control considered in [<xref ref-type="bibr" rid="B1-actuators-06-00001">1</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B2-actuators-06-00001">2</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B3-actuators-06-00001">3</xref>] (which only applies to three-pole magnetic bearings) to encompass radial magnetic bearings with an arbitrary number of poles, such as the nine-pole bearing pictured in <xref ref-type="fig" rid="actuators-06-00001-f002">Figure 2</xref>.</p>
      <p>Other ramifications of this generalized unbiased approach are addressed in this work, including control of bearings with more than three poles using 3-phase drives and fault tolerant unbiased bearings.</p>
    </sec>
    <sec id="sec2-actuators-06-00001">
      <title>2. Generalized Unbiased Control Problem</title>
      <p>For this work, the effects of flux leakage and fringing are assumed negligible, as are eddy current effects and core reluctance. Under these assumptions, a generalized derivation of the relationship between coil currents and force is presented in [<xref ref-type="bibr" rid="B5-actuators-06-00001">5</xref>]. The nomenclature from [<xref ref-type="bibr" rid="B5-actuators-06-00001">5</xref>] is also used here, as applicable. From [<xref ref-type="bibr" rid="B5-actuators-06-00001">5</xref>], the relationships between current and force for a heteropolar magnetic bearing can be represented as
      <disp-formula id="FD1-actuators-06-00001">
        <label>(1)</label>
        <mml:math id="mm2" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mtable displaystyle="true">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>F</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                    </mml:msup>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD2-actuators-06-00001">
        <label>(2)</label>
        <mml:math id="mm3" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mtable displaystyle="true">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>F</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                    </mml:msup>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where <inline-formula>
        <mml:math id="mm4" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> is a vector consisting of the <italic>m</italic> independently controlled currents in the coils, and <inline-formula>
        <mml:math id="mm5" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
              <mml:mi>x</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> and <inline-formula>
        <mml:math id="mm6" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
              <mml:mi>y</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> are indefinite <inline-formula>
        <mml:math id="mm7" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>m</mml:mi>
              <mml:mo>&#xD7;</mml:mo>
              <mml:mi>m</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> matrices.</p>
      <p>To represent both parts of the force in one non-dimensionalized quantity, complex-valued force, <italic>f</italic>, is defined where the real part of <italic>f</italic> corresponds to the <italic>x</italic>-direction force and the imaginary part corresponds to the <italic>y</italic>-direction
      <disp-formula id="FD3-actuators-06-00001">
        <label>(3)</label>
        <mml:math id="mm8" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                <mml:mfrac>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>&#x3BC;</mml:mi>
                    <mml:mi>o</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>A</mml:mi>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mi>B</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>s</mml:mi>
                        <mml:mi>a</mml:mi>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msubsup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mfenced>
              <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                <mml:msub>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>j</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where <italic>A</italic>, <inline-formula>
        <mml:math id="mm9" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>B</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>s</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>t</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, and <inline-formula>
        <mml:math id="mm10" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>&#x3BC;</mml:mi>
              <mml:mi>o</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> denote the pole surface area, saturation flux density, and permeability of free space, respectively.</p>
      <p>As in [<xref ref-type="bibr" rid="B5-actuators-06-00001">5</xref>], there is a mapping matrix between a reduced set of currents, <italic>i</italic>, and the full set of currents, <inline-formula>
        <mml:math id="mm11" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, intended to simplify the inversion of the relationship between current and force. This mapping is embodied by matrix <inline-formula>
        <mml:math id="mm12" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, an <inline-formula>
        <mml:math id="mm13" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>m</mml:mi>
              <mml:mo>&#xD7;</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> matrix of real numbers. In this case, the reduced set of currents is a single complex number, which can be represented by its real and imaginary parts as
      <disp-formula id="FD4-actuators-06-00001">
        <label>(4)</label>
        <mml:math id="mm14" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mi>r</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>j</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mi>i</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      The mapping between reduced currents and the full current vector is defined to be
      <disp-formula id="FD5-actuators-06-00001">
        <label>(5)</label>
        <mml:math id="mm15" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>g</mml:mi>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>B</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>s</mml:mi>
                        <mml:mi>a</mml:mi>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>&#x3BC;</mml:mi>
                      <mml:mi>o</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mfenced>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
              <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where <italic>g</italic> and <italic>N</italic> represent the nominal air gap length and the number of turns per pole, respectively. Matrix <inline-formula>
        <mml:math id="mm16" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> and current <italic>i</italic> are non-dimensional quantities. Substituting Equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD1-actuators-06-00001">1</xref>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD5-actuators-06-00001">5</xref>) into Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD3-actuators-06-00001">3</xref>) yields the expression:
	  <disp-formula id="FD6-actuators-06-00001">
        <label>(6)</label>
        <mml:math id="mm17" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                <mml:msub>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mspace width="0.166667em"/>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mfenced>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>T</mml:mi>
              </mml:msup>
              <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                <mml:msub>
                  <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>j</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mfenced>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
              <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where <inline-formula>
        <mml:math id="mm18" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
              <mml:mi>x</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> and <inline-formula>
        <mml:math id="mm19" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
              <mml:mi>y</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> represent non-dimensional versions of the current-to-force matrices
      <disp-formula id="FD7-actuators-06-00001">
        <label>(7)</label>
        <mml:math id="mm20" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                <mml:mi>k</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                <mml:mfrac>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>g</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>&#x3BC;</mml:mi>
                      <mml:mi>o</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                    <mml:mi>A</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mfenced>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
                <mml:mi>k</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      In previous work [<xref ref-type="bibr" rid="B1-actuators-06-00001">1</xref>], a succinct relationship between current and force of the form
      <disp-formula id="FD8-actuators-06-00001">
        <label>(8)</label>
        <mml:math id="mm21" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      was desired because this equation is easily inverted, i.e.,
      <disp-formula id="FD9-actuators-06-00001">
        <label>(9)</label>
        <mml:math id="mm22" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>&#xB1;</mml:mo>
              <mml:msqrt>
                <mml:mi>f</mml:mi>
              </mml:msqrt>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      to generate the current, which is required to realize a desired force. Matrix <inline-formula>
        <mml:math id="mm23" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> is the mapping from <italic>i</italic> to <inline-formula>
        <mml:math id="mm24" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> that yields this simplified form. In the case of [<xref ref-type="bibr" rid="B1-actuators-06-00001">1</xref>] where a three-pole bearing was considered, it is possible to see by inspection that the inverse Clarke transformation [<xref ref-type="bibr" rid="B6-actuators-06-00001">6</xref>], a two-to-three phase transform commonly used in motor control, transforms Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD6-actuators-06-00001">6</xref>) to Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD8-actuators-06-00001">8</xref>).</p>
      <p>In the general case, however, it is not possible to intuit the proper form of <inline-formula>
        <mml:math id="mm25" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>. To determine the problem that must be solved in the general case, the desired form Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD8-actuators-06-00001">8</xref>) can be explicitly expanded into real and complex components as
      <disp-formula id="FD10-actuators-06-00001">
        <label>(10)</label>
        <mml:math id="mm26" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                <mml:msub>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mspace width="0.166667em"/>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mfenced>
              <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                <mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mfenced>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>j</mml:mi>
                <mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mfenced>
              </mml:mfenced>
              <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      By comparing Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD6-actuators-06-00001">6</xref>) to Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD10-actuators-06-00001">10</xref>), the conditions that <inline-formula>
        <mml:math id="mm27" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> must obey to convert the current-to-force equation to the desired <inline-formula>
        <mml:math id="mm28" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msup>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> form are
      <disp-formula id="FD11-actuators-06-00001">
        <label>(11)</label>
        <mml:math id="mm29" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mtable displaystyle="true">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                    </mml:msup>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
                      <mml:mtable>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                      </mml:mtable>
                    </mml:mfenced>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                    </mml:msup>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
                      <mml:mtable>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                      </mml:mtable>
                    </mml:mfenced>
                    <mml:mo>.</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula></p>
      <p>Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD11-actuators-06-00001">11</xref>) is the generalized unbiased control problem for heteropolar magnetic bearings. This problem has a matrix form that is very similar to the generalized bias linearization problem from [<xref ref-type="bibr" rid="B5-actuators-06-00001">5</xref>]. However, generalized bias linearization imposes nine conditions on the selection of <inline-formula>
        <mml:math id="mm30" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, whereas generalized unbiased control only imposes six conditions. Therefore, some cases that cannot be bias-linearized can be treated via generalized quadratic force (e.g., three-pole bearings).</p>
    </sec>
    <sec id="sec3-actuators-06-00001">
      <title>3. Numerical Solutions to the Generalized Problem</title>
      <p>In the general case, Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD11-actuators-06-00001">11</xref>) must be solved numerically. The solution can proceed in a similar way to that described in [<xref ref-type="bibr" rid="B5-actuators-06-00001">5</xref>] or [<xref ref-type="bibr" rid="B7-actuators-06-00001">7</xref>]. The <inline-formula>
        <mml:math id="mm31" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> matrix is split into two columns denoted <inline-formula>
        <mml:math id="mm32" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> and <inline-formula>
        <mml:math id="mm33" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, and Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD11-actuators-06-00001">11</xref>) is re-arranged into six independent conditions:
	  <disp-formula id="FD12-actuators-06-00001">
        <label>(12)</label>
        <mml:math id="mm34" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mi>T</mml:mi>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                          <mml:mi>T</mml:mi>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mi>T</mml:mi>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                          <mml:mi>T</mml:mi>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mi>T</mml:mi>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                          <mml:mi>T</mml:mi>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mi>T</mml:mi>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                          <mml:mi>T</mml:mi>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
	  or more succinctly as
      <disp-formula id="FD13-actuators-06-00001">
        <label>(13)</label>
        <mml:math id="mm35" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x3A8;</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula></p>
      <p>Typically, Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD13-actuators-06-00001">13</xref>) is solved iteratively. To obtain rapidly converging iteration, linearize Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD13-actuators-06-00001">13</xref>) about the solution at the <inline-formula>
        <mml:math id="mm36" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msup>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>t</mml:mi>
                <mml:mi>h</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> iteration to get the solution at the <inline-formula>
        <mml:math id="mm37" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> iteration:
	  <disp-formula id="FD14-actuators-06-00001">
        <label>(14)</label>
        <mml:math id="mm38" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x3A8;</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
              <mml:mo>)</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
              <mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x3A8;</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
              <mml:mo>)</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
              <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x3A8;</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
              <mml:mo>)</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
	  However, Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD14-actuators-06-00001">14</xref>) only applies six constraints to the selection of <inline-formula>
        <mml:math id="mm39" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, and there are typically more than six elements in <inline-formula>
        <mml:math id="mm40" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>. Some additional constraints are necessary to select <inline-formula>
        <mml:math id="mm41" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>.</p>
      <p>In [<xref ref-type="bibr" rid="B5-actuators-06-00001">5</xref>], the solution strategy was to minimize the distance between <inline-formula>
        <mml:math id="mm42" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> and <inline-formula>
        <mml:math id="mm43" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> to determine a feasible solution. Once a feasible solution was found, the manifold of solution space was followed to find a solution that optimized load capacity of the bearing. It is possible to use the same sort of approach to solve Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD14-actuators-06-00001">14</xref>) as well.</p>
      <p>Alternatively, [<xref ref-type="bibr" rid="B7-actuators-06-00001">7</xref>] creates a quadratic cost that attempts to minimize the total flux in the bearing (although not necessarily minimizing flux density at the worst part of the bearing). This strategy will be adopted in the present work because it is easier to implement and provides reasonable solutions. A quadratic cost will be built that incorporates both the magnitude of <inline-formula>
        <mml:math id="mm44" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> and the flux in the bearings.</p>
      <p>In [<xref ref-type="bibr" rid="B5-actuators-06-00001">5</xref>], a linear relationship between the coil currents and the flux in all parts of the bearing (poles, journal, and stator yoke) was derived. This relationship has the form
      <disp-formula id="FD15-actuators-06-00001">
        <label>(15)</label>
        <mml:math id="mm45" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where <inline-formula>
        <mml:math id="mm46" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi>
              <mml:mi>s</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> is a vector representing flux densities throughout the bearing and <inline-formula>
        <mml:math id="mm47" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi>
              <mml:mi>s</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> is a matrix mapping coil currents to flux density at the pole tips, in the journal iron, and in the stator yoke. A non-dimensional version of Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD15-actuators-06-00001">15</xref>) is
      <disp-formula id="FD16-actuators-06-00001">
        <label>(16)</label>
        <mml:math id="mm48" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
              <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where <inline-formula>
        <mml:math id="mm49" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi>
              <mml:mi>s</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> represents flux density non-dimensionalized by <inline-formula>
        <mml:math id="mm50" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>B</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>s</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>t</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, and <inline-formula>
        <mml:math id="mm51" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
              <mml:mi>s</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> is a matrix that translates non-dimensionalized current to non-dimensionalized flux density,
      <disp-formula id="FD17-actuators-06-00001">
        <label>(17)</label>
        <mml:math id="mm52" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mi>g</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>&#x3BC;</mml:mi>
                    <mml:mi>o</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mi>N</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      An alternate version of Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD8-actuators-06-00001">8</xref>) that is useful in evaluating load capacity is
      <disp-formula id="FD18-actuators-06-00001">
        <label>(18)</label>
        <mml:math id="mm53" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mi>f</mml:mi>
                <mml:mo>|</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x398;</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>j</mml:mi>
                <mml:mo form="prefix">sin</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x398;</mml:mi>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where &#x398; indicates the angular orientation of the desired force. The solution for <italic>i</italic> is then
      <disp-formula id="FD19-actuators-06-00001">
        <label>(19)</label>
        <mml:math id="mm54" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
              <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mstyle>
                <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x398;</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>j</mml:mi>
                <mml:mo form="prefix">sin</mml:mo>
                <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mstyle>
                <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x398;</mml:mi>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      so that
      <disp-formula id="FD20-actuators-06-00001">
        <label>(20)</label>
        <mml:math id="mm55" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
              <mml:mspace width="0.166667em"/>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
              <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                        <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x398;</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo form="prefix">sin</mml:mo>
                        <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x398;</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      A metric, <inline-formula>
        <mml:math id="mm56" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>q</mml:mi>
              <mml:mi>b</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, that quantifies the level of flux throughout the bearing is
      <disp-formula id="FD21-actuators-06-00001">
        <label>(21)</label>
        <mml:math id="mm57" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>q</mml:mi>
                <mml:mi>b</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>&#x3C0;</mml:mi>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:msubsup>
                <mml:mo>&#x222B;</mml:mo>
                <mml:mi>o</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>&#x3C0;</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
                <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
              </mml:msubsup>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x398;</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:mstyle>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
              </mml:msubsup>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
                <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
              </mml:msubsup>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:mstyle>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
              </mml:msubsup>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
                <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
              </mml:msubsup>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where the purpose of the integration is to compute the average flux level required to make a unit force over all possible force directions. A similar metric, <inline-formula>
        <mml:math id="mm58" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>q</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, is possible for the average current required to make a unit force over all force directions:
	  <disp-formula id="FD22-actuators-06-00001">
        <label>(22)</label>
        <mml:math id="mm59" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>q</mml:mi>
                <mml:mi>i</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:mstyle>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
              </mml:msubsup>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:mstyle>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
              </mml:msubsup>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      To select good solutions for <inline-formula>
        <mml:math id="mm60" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, it is reasonable to make a combination of both minimum flux and minimum currents by adding the two cost functions together and relatively weighting the costs with a factor denoted as <italic>c</italic>:
	  <disp-formula id="FD23-actuators-06-00001">
        <label>(23)</label>
        <mml:math id="mm61" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>q</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>q</mml:mi>
                <mml:mi>i</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>c</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>q</mml:mi>
                <mml:mi>b</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:mstyle>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">Q</mml:mi>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where
      <disp-formula id="FD24-actuators-06-00001">
        <label>(24)</label>
        <mml:math id="mm62" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">Q</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi mathvariant="bold-script">I</mml:mi>
                        <mml:mo>+</mml:mo>
                        <mml:mi>c</mml:mi>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                          <mml:mi>s</mml:mi>
                          <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                          <mml:mi>s</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi mathvariant="bold-script">I</mml:mi>
                        <mml:mo>+</mml:mo>
                        <mml:mi>c</mml:mi>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                          <mml:mi>s</mml:mi>
                          <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                          <mml:mi>s</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      and <inline-formula>
        <mml:math id="mm63" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-script">I</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> represents the identity matrix. Numerical solutions for <inline-formula>
        <mml:math id="mm64" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> can then minimize <italic>q</italic> in addition to satisfying the constraints defined by Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD14-actuators-06-00001">14</xref>) by iteratively solving the problem:
	  <disp-formula id="FD25-actuators-06-00001">
        <label>(25)</label>
        <mml:math id="mm65" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:munder>
                <mml:mo movablelimits="true" form="prefix">min</mml:mo>
                <mml:mi>w</mml:mi>
              </mml:munder>
              <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:mstyle>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mi>Q</mml:mi>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>k</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mspace width="0.277778em"/>
              <mml:mspace width="0.277778em"/>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>subject</mml:mi>
				<mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext>
                <mml:mi>to</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mspace width="0.277778em"/>
              <mml:mspace width="0.277778em"/>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x3A8;</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>k</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x3A8;</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>k</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
	  Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD25-actuators-06-00001">25</xref>) has the analytical solution [<xref ref-type="bibr" rid="B8-actuators-06-00001">8</xref>]:
	  <disp-formula id="FD26-actuators-06-00001">
        <label>(26)</label>
        <mml:math id="mm66" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>k</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:mstyle>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi mathvariant="bold-italic">Q</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x3A8;</mml:mi>
              <mml:msup>
                <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                  <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x3A8;</mml:mi>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>Q</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x3A8;</mml:mi>
                    <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfenced>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x3A8;</mml:mi>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
	  Typically, solutions start from a randomly selected <inline-formula>
        <mml:math id="mm67" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, and Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD26-actuators-06-00001">26</xref>) is iteratively solved until <inline-formula>
        <mml:math id="mm68" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> converges. However, there are a large number of local minima, so the problem should be solved several times starting from different initial conditions to obtain a good solution. Good results are often obtained by taking the solution to Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD26-actuators-06-00001">26</xref>) that has the best load capacity, the calculation of which is discussed later in <xref ref-type="sec" rid="sec5-actuators-06-00001">Section 5</xref>.</p>
    </sec>
    <sec id="sec4-actuators-06-00001">
      <title>4. Analytical Solutions</title>
      <p>Although there does not appear to be a solution to Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD11-actuators-06-00001">11</xref>) for <inline-formula>
        <mml:math id="mm69" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> in the most general case, there are practically important cases that do have analytical solutions. This specific case is bearings with an odd number of identically shaped poles where the rotor is centered within the stator, as shown in <xref ref-type="fig" rid="actuators-06-00001-f002">Figure 2</xref>. Note that angle <italic>&#x3B8;</italic>, which orients the centerline of each pole, is measured as a counter-clockwise rotation from the <italic>x</italic>-axis.</p>
      <p>Following from [<xref ref-type="bibr" rid="B5-actuators-06-00001">5</xref>], the non-dimensional matrix, <inline-formula>
        <mml:math id="mm70" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, that relates current to pole tip flux density, has the form
      <disp-formula id="FD27-actuators-06-00001">
        <label>(27)</label>
        <mml:math id="mm71" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">I</mml:mi>
              <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:mfrac>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">J</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      for the symmetric pole case where <inline-formula>
        <mml:math id="mm72" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-script">J</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> is a matrix of all ones and <italic>n</italic> represents the number of poles in the bearing. The current-to-force relationships then have the form
      <disp-formula id="FD28-actuators-06-00001">
        <label>(28)</label>
        <mml:math id="mm73" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mtable displaystyle="true">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                    </mml:msup>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi mathvariant="bold-script">D</mml:mi>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                    </mml:msup>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi mathvariant="bold-script">D</mml:mi>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where <inline-formula>
        <mml:math id="mm74" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">D</mml:mi>
              <mml:mi>x</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> and <inline-formula>
        <mml:math id="mm75" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">D</mml:mi>
              <mml:mi>y</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> are the diagonal matrices that indicate the directional contribution of each pole
      <disp-formula id="FD29-actuators-06-00001">
        <label>(29)</label>
        <mml:math id="mm76" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mtable displaystyle="true">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">D</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mspace width="0.166667em"/>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>diag</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                      <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>&#x3B8;</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>&#x3B8;</mml:mi>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mfenced>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">D</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mspace width="0.166667em"/>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>diag</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                      <mml:mo form="prefix">sin</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>&#x3B8;</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mo form="prefix">sin</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>&#x3B8;</mml:mi>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mfenced>
                    <mml:mo>.</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      If it is assumed that there is no common-mode element of <inline-formula>
        <mml:math id="mm77" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> or <inline-formula>
        <mml:math id="mm78" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, the columns of <inline-formula>
        <mml:math id="mm79" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> are orthogonal to the rows of <inline-formula>
        <mml:math id="mm80" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-script">J</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> so that Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD27-actuators-06-00001">27</xref>), the current-to-flux density relationship, can be written as
      <disp-formula id="FD30-actuators-06-00001">
        <label>(30)</label>
        <mml:math id="mm81" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">I</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      The force-to-current matrices are the reduced to diagonal matrices:
	  <disp-formula id="FD31-actuators-06-00001">
        <label>(31)</label>
        <mml:math id="mm82" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mtable displaystyle="true">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi mathvariant="bold-script">D</mml:mi>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi mathvariant="bold-script">D</mml:mi>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>.</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
	  It can be shown by direct substitution that
      <disp-formula id="FD32-actuators-06-00001">
        <label>(32)</label>
        <mml:math id="mm83" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>W</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msqrt>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>8</mml:mn>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:mfrac>
              </mml:msqrt>
              <mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>&#x3B8;</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mo form="prefix">sin</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>&#x3B8;</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>&#x3B8;</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mo form="prefix">sin</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>&#x3B8;</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mo>&#x22EE;</mml:mo>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mo>&#x22EE;</mml:mo>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                            <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msup>
                        <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>&#x3B8;</mml:mi>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                            <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msup>
                        <mml:mo form="prefix">sin</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>&#x3B8;</mml:mi>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      is a solution to Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD11-actuators-06-00001">11</xref>) with the <inline-formula>
        <mml:math id="mm84" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
              <mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> and <inline-formula>
        <mml:math id="mm85" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
              <mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> matrices as defined by Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD31-actuators-06-00001">31</xref>), as long as the number of poles, <italic>n</italic>, is an odd number. For bearings with an even number of poles, the elements in each column of <inline-formula>
        <mml:math id="mm86" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> do not sum to zero, so the assumption allowing the simpler matrix form of Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD31-actuators-06-00001">31</xref>) is not valid, and Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD32-actuators-06-00001">32</xref>) is not a valid solution.</p>
      <p>For the three-pole case, the solution specified by Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD31-actuators-06-00001">31</xref>) is the inverse Clarke transformation, as identified in [<xref ref-type="bibr" rid="B1-actuators-06-00001">1</xref>]:
	  <disp-formula id="FD33-actuators-06-00001">
        <label>(33)</label>
        <mml:math id="mm87" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msqrt>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>8</mml:mn>
                  <mml:mn>3</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:msqrt>
              <mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                        <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                          <mml:mfrac>
                            <mml:msqrt>
                              <mml:mn>3</mml:mn>
                            </mml:msqrt>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mstyle>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                        <mml:mfrac>
                          <mml:msqrt>
                            <mml:mn>3</mml:mn>
                          </mml:msqrt>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mstyle>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
	  Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD32-actuators-06-00001">32</xref>) can therefore be viewed as the generalization of the solution presented in [<xref ref-type="bibr" rid="B1-actuators-06-00001">1</xref>] to bearings with any odd number of poles.</p>
    </sec>
    <sec id="sec5-actuators-06-00001">
      <title>5. Load Capacity</title>
      <p>The flux density in all parts of the bearing has been previously described by Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD20-actuators-06-00001">20</xref>). If a unit force magnitude is assumed, the flux density for the <inline-formula>
        <mml:math id="mm88" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msup>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>t</mml:mi>
                <mml:mi>h</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> element in the flux density vector, <inline-formula>
        <mml:math id="mm89" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi>
              <mml:mi>s</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, can be represented as a specific function of angle as:
	  <disp-formula id="FD34-actuators-06-00001">
        <label>(34)</label>
        <mml:math id="mm90" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
              <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:mstyle>
              <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x398;</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mo form="prefix">sin</mml:mo>
              <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:mstyle>
              <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x398;</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where <inline-formula>
        <mml:math id="mm91" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>s</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>k</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> represents the <inline-formula>
        <mml:math id="mm92" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msup>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>t</mml:mi>
                <mml:mi>h</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> row of <inline-formula>
        <mml:math id="mm93" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
              <mml:mi>s</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>. For the computation of load capacity, the flux density associated with the worst-case force direction is desired. Since the flux density is the sum of two orthogonal components, the worst-case flux magnitude can be obtained, for the <inline-formula>
        <mml:math id="mm94" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msup>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>t</mml:mi>
                <mml:mi>h</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> element, as:
	  <disp-formula id="FD35-actuators-06-00001">
        <label>(35)</label>
        <mml:math id="mm95" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:munder>
                <mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x398;</mml:mi>
              </mml:munder>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
	  To determine load capacity, Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD35-actuators-06-00001">35</xref>) must be computed for every element in <inline-formula>
        <mml:math id="mm96" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi>
              <mml:mi>s</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> to determine the entry with the largest value. This worst-case flux density result, denoted as <inline-formula>
        <mml:math id="mm97" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>m</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, can be succinctly represented by the equation:
	  <disp-formula id="FD36-actuators-06-00001">
        <label>(36)</label>
        <mml:math id="mm98" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:munder>
                <mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo>
                <mml:mi>k</mml:mi>
              </mml:munder>
              <mml:munder>
                <mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo>
                <mml:mi mathvariant="sans-serif">&#x398;</mml:mi>
              </mml:munder>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mfenced separators="" open="&#x2225;" close="&#x2225;">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">V</mml:mi>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
                  <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                    <mml:mtable>
                      <mml:mtr>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mtd>
                      </mml:mtr>
                      <mml:mtr>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                        </mml:mtd>
                      </mml:mtr>
                    </mml:mtable>
                  </mml:mfenced>
                </mml:mfenced>
                <mml:mo>&#x221E;</mml:mo>
              </mml:msub>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
	  Per Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD20-actuators-06-00001">20</xref>), the flux density in the bearings scales with <inline-formula>
        <mml:math id="mm99" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msqrt>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mi>f</mml:mi>
                <mml:mo>|</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:msqrt>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>. The bearing&#x2019;s load capacity, <inline-formula>
        <mml:math id="mm100" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>m</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, can then be defined as the force amplitude at which saturation flux density is achieved in some part of the bearing, i.e.,
      <disp-formula id="FD37-actuators-06-00001">
        <label>(37)</label>
        <mml:math id="mm101" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msqrt>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>m</mml:mi>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
              </mml:msqrt>
              <mml:msub>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      or solving for <inline-formula>
        <mml:math id="mm102" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>m</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>:
	  <disp-formula id="FD38-actuators-06-00001">
        <label>(38)</label>
        <mml:math id="mm103" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>f</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>m</mml:mi>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula></p>
    </sec>
    <sec id="sec6-actuators-06-00001">
      <title>6. Back Iron Thickness</title>
      <p>The bearing&#x2019;s stator yoke and journal thickness should be selected so that, under normal operating conditions, saturation occurs at the force amplitude for both in the stator back iron and pole tips. In this way, the minimum stator back iron is used, thereby minimizing bearing size and weight. To enable the calculation of the back iron thickness, separate <inline-formula>
        <mml:math id="mm104" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>m</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> results can be computed for the poles (<inline-formula>
        <mml:math id="mm105" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>m</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>)and for the back iron (<inline-formula>
        <mml:math id="mm106" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>m</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>). The <inline-formula>
        <mml:math id="mm107" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>m</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> result is computed as in Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD36-actuators-06-00001">36</xref>), but considering only the first <italic>n</italic> entries of <inline-formula>
        <mml:math id="mm108" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi>
              <mml:mi>s</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> associated with pole tip flux density. The <inline-formula>
        <mml:math id="mm109" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>m</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> result is computed over the remaining elements of <inline-formula>
        <mml:math id="mm110" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mi>s</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> associated with the stator back iron and journal iron. When the back iron thickness is properly selected, <inline-formula>
        <mml:math id="mm111" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>.</p>
      <p>A specific case of interest is for bearings where the <inline-formula>
        <mml:math id="mm112" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> matrix is selected per Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD32-actuators-06-00001">32</xref>). For this set of solutions, the required back iron thickness (represented as a ratio of back iron to pole thickness) versus bearing pole count is shown in <xref ref-type="table" rid="actuators-06-00001-t001">Table 1</xref>.</p>
    </sec>
    <sec id="sec7-actuators-06-00001">
      <title>7. Fault Tolerance</title>
      <p>Similar to the generalized bias current linearization solutions presented in [<xref ref-type="bibr" rid="B5-actuators-06-00001">5</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B9-actuators-06-00001">9</xref>], the present method admits fault tolerance. In [<xref ref-type="bibr" rid="B9-actuators-06-00001">9</xref>], fault tolerance was obtained by driving each pole of a bearing with an independent amplifier. Faults are tolerated by precomputing <inline-formula>
        <mml:math id="mm113" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> matrices with all zeros in one or more rows, corresponding to the locations of failed coils. If a fault is detected, the controller switches to the appropriate fault-tolerant current mapping. A similar approach can be taken here, precomputing valid <inline-formula>
        <mml:math id="mm114" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> matrices with zero rows coincident with failed coils. The numerical solution approach outlined in <xref ref-type="sec" rid="sec3-actuators-06-00001">Section 3</xref> can be used to discover <inline-formula>
        <mml:math id="mm115" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> matrices that exclude one or more coils, i.e., by adding extra linear constraints to Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD11-actuators-06-00001">11</xref>) that force specific elements in <inline-formula>
        <mml:math id="mm116" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> associated with failed coils to be zero.</p>
      <p>However, independently driven coils require a fairly high level of hardware complexity. A less complex solution is to consider bearings where the number of poles is a multiple of three. Then, the bearing can be driven by <inline-formula>
        <mml:math id="mm117" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>/</mml:mo>
              <mml:mn>3</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> 3-phase amplifiers, where the poles driven by any particular amplifier are arranged at <inline-formula>
        <mml:math id="mm118" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msup>
              <mml:mn>120</mml:mn>
              <mml:mo>&#x2218;</mml:mo>
            </mml:msup>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> intervals. Perhaps the most practical case is the <inline-formula>
        <mml:math id="mm119" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>9</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> case driven by three 3-phase amplifiers (for convenience, referred to as the 3 &#xD7; 3 bearing). The 3 &#xD7; 3 configuration can tolerate the failure of two out of three amplifiers and still continue to operate, albeit at a reduced load capacity. For the case in which one amplifier has faulted, the <inline-formula>
        <mml:math id="mm120" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> matrix is
      <disp-formula id="FD39-actuators-06-00001">
        <label>(39)</label>
        <mml:math id="mm121" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                        <mml:mn>1.0587</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                        <mml:mn>0.476664</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>0.942155</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>0.678533</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>0.116549</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>1.1552</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>0.116549</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                        <mml:mn>1.1552</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>0.942155</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                        <mml:mn>0.678533</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                        <mml:mn>1.0587</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>0.476664</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      Load capacity in the 1-failed case with full-thickess back iron = 59.5% of unfailed load capacity.</p>
      <p>For the case in which two amplifiers fail, the <inline-formula>
        <mml:math id="mm122" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> matrix essentially reduces to the same mapping as a single three-pole bearing:
	  <disp-formula id="FD40-actuators-06-00001">
        <label>(40)</label>
        <mml:math id="mm123" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>1.63299</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                        <mml:mn>0.816497</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                        <mml:mn>1.41421</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                        <mml:mn>0.816497</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>1.41421</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
	  Load capacity for the 2-failed case with full-thickness back iron = 33.3% of non-failed load capacity.</p>
    </sec>
    <sec id="sec8-actuators-06-00001">
      <title>8. Other Practically Important Configurations</title>
      <sec id="sec8dot1-actuators-06-00001">
        <title>8.1. Nine Pole 3-Phase Bearing</title>
        <p>To minimize back iron thickness, a nine-pole bearing might be desired. However, it may also be desirable to reduce the electrical complexity and wire count to the greatest possible degree by driving the bearing with one 3-phase amplifier instead of the 3 &#xD7; 3 configuration. This situation is addressed by a nine-pole bearing, where each three successive poles are wound in reverse series, as shown below in <xref ref-type="fig" rid="actuators-06-00001-f003">Figure 3</xref>.</p>
        <p>In this case, a scaled version of the the Inverse Clarke transformation is again a solution for <inline-formula>
          <mml:math id="mm124" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </inline-formula>:
		<disp-formula id="FD41-actuators-06-00001">
          <label>(41)</label>
          <mml:math id="mm125" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:mrow>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>1.02623</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                          <mml:mn>0.513115</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                          <mml:mn>0.888742</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                          <mml:mn>0.513115</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>0.888742</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mfenced>
              </mml:mrow>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </disp-formula>
		The required back iron area = <inline-formula>
          <mml:math id="mm126" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mo>/</mml:mo>
                <mml:msqrt>
                  <mml:mn>3</mml:mn>
                </mml:msqrt>
              </mml:mrow>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </inline-formula> = 0.57735 of the pole area, implying a slightly thicker back iron than would be required by the 3 &#xD7; 3 phase bearing. Because the currents are not optimally distributed among the poles, the nine-pole 3-phase bearing has a load capacity that is 84.4% of the 3 &#xD7; 3 configuration.</p>
      </sec>
      <sec id="sec8dot2-actuators-06-00001">
        <title>8.2. Eight-Pole Horseshoe Bearing</title>
        <p>The operation of magnetic bearings with zero bias flux has been a subject of several recent works such as [<xref ref-type="bibr" rid="B10-actuators-06-00001">10</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B11-actuators-06-00001">11</xref>]. These works consider eight-pole horseshoe-type magnetic bearings and treat each axis as a separate one-degree-of-freedom (1-DOF) system. As is shown in [<xref ref-type="bibr" rid="B11-actuators-06-00001">11</xref>], the force slew rate is limited near zero force for a 1-DOF bearing operating with zero bias. This slew rate limiting results in cross-over distortion when the force passes through zero on either axis. In contrast, the present approach is a fundamentally 2-DOF unbiased control method. This 2-DOF method is subject to slew rate limiting only when the force is near zero on both axes at the same time. Although the present control technique seems best suited to bearings with an odd number of poles, it also applicable to the common eight-pole bearing wound in a horseshoe configuration. The result is a zero bias control strategy for eight-pole magnetic bearings that is less prone to slew rate limiting than the approaches considered in other recent works.</p>
        <p>The horseshoe configuration has <italic>N</italic> turns around each of the poles that form the horseshoe, and the two poles are connected in reverse-series. This configuration is shown as <xref ref-type="fig" rid="actuators-06-00001-f004">Figure 4</xref>, where A, B, C, and D represent each of the bearing&#x2019;s four electric circuits.</p>
        <p>Each of the four horseshoes is driven with an independent switching amplifier running in closed-loop current control mode. In terms of the four independent currents, the <inline-formula>
          <mml:math id="mm127" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:msub>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </inline-formula> and <inline-formula>
          <mml:math id="mm128" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:msub>
                <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                <mml:mi>y</mml:mi>
              </mml:msub>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </inline-formula> matrices that relate current to force reduce to diagonal matrices:
		<disp-formula id="FD42-actuators-06-00001">
          <label>(42)</label>
          <mml:math id="mm129" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                          <mml:mfenced open="(" close=")">
                            <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mi>&#x3C0;</mml:mi>
                                <mml:mn>8</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mstyle>
                          </mml:mfenced>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                          <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                          <mml:mfenced open="(" close=")">
                            <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mi>&#x3C0;</mml:mi>
                                <mml:mn>8</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mstyle>
                          </mml:mfenced>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mfenced>
              </mml:mrow>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD43-actuators-06-00001">
          <label>(43)</label>
          <mml:math id="mm130" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                          <mml:mfenced open="(" close=")">
                            <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mi>&#x3C0;</mml:mi>
                                <mml:mn>8</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mstyle>
                          </mml:mfenced>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                          <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                          <mml:mfenced open="(" close=")">
                            <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mi>&#x3C0;</mml:mi>
                                <mml:mn>8</mml:mn>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mstyle>
                          </mml:mfenced>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mfenced>
              </mml:mrow>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </disp-formula></p>
        <p>With these diagonal matrices, a scheme similar to Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD32-actuators-06-00001">32</xref>) can then be employed to determine a valid <inline-formula>
          <mml:math id="mm131" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </inline-formula> matrix, where the angles used in Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD32-actuators-06-00001">32</xref>) are the average angle of each horseshoe and a scaling factor of <inline-formula>
          <mml:math id="mm132" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mo>/</mml:mo>
                <mml:msqrt>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>&#x3C0;</mml:mi>
                    <mml:mo>/</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:msqrt>
              </mml:mrow>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </inline-formula> is used in place of <inline-formula>
          <mml:math id="mm133" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>8</mml:mn>
                  <mml:mo>/</mml:mo>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </inline-formula>:
		<disp-formula id="FD44-actuators-06-00001">
          <label>(44)</label>
          <mml:math id="mm134" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:mrow>
                <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:msqrt>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                      <mml:mfenced open="(" close=")">
                        <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mi>&#x3C0;</mml:mi>
                            <mml:mn>8</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mstyle>
                      </mml:mfenced>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msqrt>
                </mml:mfrac>
                <mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:msqrt>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msqrt>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mstyle>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:msqrt>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msqrt>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mstyle>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                          <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:msqrt>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msqrt>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mstyle>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:msqrt>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msqrt>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mstyle>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mfenced>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </disp-formula></p>
        <p>The non-dimensional load capacity with this control approach is <inline-formula>
          <mml:math id="mm135" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:mrow>
                <mml:mo form="prefix">cos</mml:mo>
                <mml:mfenced open="(" close=")">
                  <mml:mstyle scriptlevel="0" displaystyle="false">
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mi>&#x3C0;</mml:mi>
                      <mml:mn>8</mml:mn>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mstyle>
                </mml:mfenced>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>0.92388</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </inline-formula>, and the required back iron fraction is also <inline-formula>
          <mml:math id="mm136" display="block">
            <mml:semantics>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>0.92388</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:semantics>
          </mml:math>
        </inline-formula>. The bearing has the same load capacity as a bias-linearized bearing and requires the same back iron thickness as a bias-linearized bearing with an NNSSNNSS biasing scheme. However, the present scheme operates the bearing without bias, reducing the resistive and rotating losses in the bearing.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec9-actuators-06-00001">
      <title>9. Position Variation</title>
      <p>The results to this point have considered the inversion of the current-to-force relationship in the case where the rotor is centered within the bearing. However, the rotor is expected to move within the air gap. In bias-linearized bearings, the effect of position offset is represented by linearizing force about small rotor displacements to obtain a magnetic stiffness. Here, force can also be linearized for small displacements to deduce the position-dependence of the force. On the basis of the derived position-dependence of the force, the commanded currents can be corrected to cancel out the position dependence, resulting in currents that realize the commanded force, regardless of rotor position.</p>
      <p>Let <italic>X</italic> and <italic>Y</italic> represent rotor displacement non-dimensionalized by nominal gap length, <italic>g</italic>, in the <italic>x</italic>- and <italic>y</italic>-directions, respectively. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD6-actuators-06-00001">6</xref>) representing the relationship between current and force can be linearized for small <italic>X</italic> and <italic>Y</italic> as
      <disp-formula id="FD45-actuators-06-00001">
        <label>(45)</label>
        <mml:math id="mm137" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
              <mml:mfenced open="{" close="}">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:msup>
                <mml:mi>W</mml:mi>
                <mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>X</mml:mi>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mi>X</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>Y</mml:mi>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mi>Y</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mfenced>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>j</mml:mi>
                <mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>X</mml:mi>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mi>X</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>Y</mml:mi>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi mathvariant="bold-script">X</mml:mi>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mi>Y</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mfenced>
              </mml:mfenced>
              <mml:mi>W</mml:mi>
              <mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mfenced>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula></p>
      <p>To frame position variation results in a more compact form, the rotor displacements can be represented by a single complex-valued quantity, <italic>d</italic>,
      <disp-formula id="FD46-actuators-06-00001">
        <label>(46)</label>
        <mml:math id="mm138" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>X</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>j</mml:mi>
              <mml:mi>Y</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      To bring Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD45-actuators-06-00001">45</xref>) back to a relatively compact complex form, complex representations of <italic>X</italic>, <italic>Y</italic>, <inline-formula>
        <mml:math id="mm139" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> and <inline-formula>
        <mml:math id="mm140" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> can be substituted, i.e.,
      <disp-formula id="FD47-actuators-06-00001">
        <label>(47)</label>
        <mml:math id="mm141" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mtable displaystyle="true">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:mi>X</mml:mi>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mo>&#xAF;</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                    <mml:mo>/</mml:mo>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:mi>Y</mml:mi>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>d</mml:mi>
                        <mml:mo>&#xAF;</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>/</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>&#xAF;</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                    <mml:mo>/</mml:mo>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd columnalign="right">
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mo>&#xAF;</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>/</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where the over-bar notation represents the complex conjugate.</p>
      <p>In the general case, Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD45-actuators-06-00001">45</xref>) does not have a simpler complex form. However, the specific symmetric cases where <inline-formula>
        <mml:math id="mm142" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> is prescribed by Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD32-actuators-06-00001">32</xref>), Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD45-actuators-06-00001">45</xref>) does yield simple expressions. For a three-pole bearing, the force linearized about small displacements is
      <disp-formula id="FD48-actuators-06-00001">
        <label>(48)</label>
        <mml:math id="mm143" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>&#xAF;</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      For bearings with an odd number of poles greater than three, the dependence of force on position is
      <disp-formula id="FD49-actuators-06-00001">
        <label>(49)</label>
        <mml:math id="mm144" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>&#xAF;</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      A correction to the currents to account for position variations in Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD49-actuators-06-00001">49</xref>) can be obtained by linearizing the currents about the nominally desired current (i.e., the desired current that is computed for the centered rotor position), denoted here as <inline-formula>
        <mml:math id="mm145" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>. The current can be written in terms of a <inline-formula>
        <mml:math id="mm146" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> and a perturbation current, <inline-formula>
        <mml:math id="mm147" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>&#x3B4;</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> as
      <disp-formula id="FD50-actuators-06-00001">
        <label>(50)</label>
        <mml:math id="mm148" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>e</mml:mi>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>&#x3B4;</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      Expanding Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD49-actuators-06-00001">49</xref>) and neglecting second order terms in <inline-formula>
        <mml:math id="mm149" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>&#x3B4;</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> and <italic>d</italic> results in the expression:
	  <disp-formula id="FD51-actuators-06-00001">
        <label>(51)</label>
        <mml:math id="mm150" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>e</mml:mi>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:msub>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>e</mml:mi>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mi>&#x3B4;</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>e</mml:mi>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:msub>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>&#xAF;</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>e</mml:mi>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula></p>
      <p>Since current <inline-formula>
        <mml:math id="mm151" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> is selected to yield the nominally desired force, current <inline-formula>
        <mml:math id="mm152" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>&#x3B4;</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> can then be selected to cancel out the last two terms
      <disp-formula id="FD52-actuators-06-00001">
        <label>(52)</label>
        <mml:math id="mm153" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:msub>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>e</mml:mi>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mi>&#x3B4;</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>e</mml:mi>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:msub>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>&#xAF;</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>e</mml:mi>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      Solving for <inline-formula>
        <mml:math id="mm154" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>&#x3B4;</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> yields
      <disp-formula id="FD53-actuators-06-00001">
        <label>(53)</label>
        <mml:math id="mm155" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>&#x3B4;</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>&#xAF;</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>e</mml:mi>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
     so that the total commanded currents, <inline-formula>
        <mml:math id="mm156" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>c</mml:mi>
                <mml:mi>m</mml:mi>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula>, that yields the desired force and rejects variations in position, is
      <disp-formula id="FD54-actuators-06-00001">
        <label>(54)</label>
        <mml:math id="mm157" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>c</mml:mi>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>e</mml:mi>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>&#xAF;</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>e</mml:mi>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      where the <inline-formula>
        <mml:math id="mm158" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:msub>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> is the square-root of the desired force:
	  <disp-formula id="FD55-actuators-06-00001">
        <label>(55)</label>
        <mml:math id="mm159" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>e</mml:mi>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msqrt>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                    <mml:mi>e</mml:mi>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
              </mml:msqrt>
            </mml:mrow>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </disp-formula></p>
      <p>The position dependence of the nine-pole/3-phase bearing and the eight-pole horseshoe bearing considered in <xref ref-type="sec" rid="sec8-actuators-06-00001">Section 8</xref> are also closely approximated by Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD49-actuators-06-00001">49</xref>), so Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD54-actuators-06-00001">54</xref>) can be employed to mitigate most of the position dependence in those cases as well.</p>
    </sec>
    <sec sec-type="conclusions" id="sec10-actuators-06-00001">
      <title>10. Conclusions</title>
      <p>A generalized unbiased control strategy for heteropolar magnetic bearings has been presented. The approach is particularly suited to bearings with an odd number of poles. Depending on the choice of pole count, 3-phase motor drives can be used to control currents in the bearing, thereby reducing hardware complexity, cost, and wire count. As noted in [<xref ref-type="bibr" rid="B1-actuators-06-00001">1</xref>], the scheme is relatively immune to slew rate limiting. Slew rate limiting is only possible when both components of force are near zero simultaneously.</p>
      <p>The scheme also allows for fault-tolerant operation. In the most general realization, each pole is driven by an independently controlled amplifier. However, it is alternatively possible to have redundant sets of 3-phase drives rather than single phase drives. Current mappings (<inline-formula>
        <mml:math id="mm160" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> matrices) that control the bearing in every possible fault configuration are numerically computed offline, a one-time computation performed during the design of the controller. If a fault occurs, the controller switches over to a precomputed current mapping that matches the faulted configuration. The realization of this method of fault tolerance would be very similar to that experimentally demonstrated in [<xref ref-type="bibr" rid="B9-actuators-06-00001">9</xref>], where a set of <inline-formula>
        <mml:math id="mm161" display="block">
          <mml:semantics>
            <mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi>
          </mml:semantics>
        </mml:math>
      </inline-formula> matrices that solve the closely related generalized bias linearization problem for each faulted configuration are precomputed and used as needed if faults occur.</p>
      <p>There are many other possible extensions of the present work. Specifically, the performance of the scheme could be experimentally investigated. Interesting possibilities include the experimental realization of the nine-pole 3-phase or 3 &#xD7; 3 bearings or a comparison of the performance of the eight-pole horseshoe strategy to the 1-DOF zero bias control strategy. Alternatively, the scheme could be extended to consider actuators with more than two degrees of freedom by seeking a form of the current-to-force relationship described by hypercomplex numbers rather than complex numbers.</p>
    </sec>
  </body>
  <back>
    <notes notes-type="COI-statement">
      <title>Conflicts of Interest</title>
      <p>The author declares no conflict of interest.</p>
    </notes>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="B1-actuators-06-00001">
        <label>1.</label>
        <citation citation-type="confproc">
          <person-group person-group-type="author">
            <name>
              <surname>Meeker</surname>
              <given-names>D.C.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Maslen</surname>
              <given-names>E.H.</given-names>
            </name>
          </person-group>
          <article-title>Analysis and control of a three pole radial magnetic bearing</article-title>
          <source>Proceedings of the Tenth International Symposium on Magnetic Bearings</source>
          <conf-loc>Martigny, Switzerland</conf-loc>
          <conf-date>21&#x2013;23 August 2006</conf-date>
        </citation>
      </ref>
      <ref id="B2-actuators-06-00001">
        <label>2.</label>
        <citation citation-type="confproc">
          <person-group person-group-type="author">
            <name>
              <surname>Vadillo</surname>
              <given-names>J.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Echeverria</surname>
              <given-names>J.M.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Elosegui</surname>
              <given-names>I.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Fontan</surname>
              <given-names>L.</given-names>
            </name>
          </person-group>
          <article-title>An approach to a three-pole active magnetic bearing system fed by a matrix converter</article-title>
          <source>Proceedings of the Eleventh International Symposium on Magnetic Bearings</source>
          <conf-loc>Nara, Japan</conf-loc>
          <conf-date>26&#x2013;29 August 2008</conf-date>
        </citation>
      </ref>
      <ref id="B3-actuators-06-00001">
        <label>3.</label>
        <citation citation-type="confproc">
          <person-group person-group-type="author">
            <name>
              <surname>Beizama</surname>
              <given-names>A.M.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Echeverria</surname>
              <given-names>J.M.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Martinez-Iturralde</surname>
              <given-names>M.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Egana</surname>
              <given-names>I.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Fontan</surname>
              <given-names>L.</given-names>
            </name>
          </person-group>
          <article-title>Comparison between pole-placement control and sliding mode control for three-pole radial magnetic bearings</article-title>
          <source>Proceedings of the International Symposium on Power Electronics, Electric Drives, Automation, and Motion (SPEEDAM 2008)</source>
          <conf-loc>Ischia, Italy</conf-loc>
          <conf-date>11&#x2013;13 June 2008</conf-date>
        </citation>
      </ref>
      <ref id="B4-actuators-06-00001">
        <label>4.</label>
        <citation citation-type="confproc">
          <person-group person-group-type="author">
            <name>
              <surname>Matsuda</surname>
              <given-names>K.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Kijimoto</surname>
              <given-names>S.</given-names>
            </name>
          </person-group>
          <article-title>An approach to designing a magnetic-baring system for smaller rotating machines</article-title>
          <source>Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics</source>
          <conf-loc>Cambridge, UK</conf-loc>
          <conf-date>30 June&#x2013;2 July 2008</conf-date>
        </citation>
      </ref>
      <ref id="B5-actuators-06-00001">
        <label>5.</label>
        <citation citation-type="journal">
          <person-group person-group-type="author">
            <name>
              <surname>Maslen</surname>
              <given-names>E.H.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Meeker</surname>
              <given-names>D.C.</given-names>
            </name>
          </person-group>
          <article-title>Fault tolerance of magnetic bearings by generalized bias current linearization</article-title>
          <source>IEEE Trans. Magn.</source>
          <year>1995</year>
          <volume>31</volume>
          <fpage>2304</fpage>
          <lpage>2314</lpage>
          <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/20.376229</pub-id>
        </citation>
      </ref>
      <ref id="B6-actuators-06-00001">
        <label>6.</label>
        <citation citation-type="book">
          <person-group person-group-type="author">
            <name>
              <surname>Popescu</surname>
              <given-names>M.</given-names>
            </name>
          </person-group>
          <source>Induction Motor Modelling for Vector Control Purposes</source>
          <publisher-name>Helsinki University of Technology</publisher-name>
          <publisher-loc>Espoo, Finland</publisher-loc>
          <year>2000</year>
        </citation>
      </ref>
      <ref id="B7-actuators-06-00001">
        <label>7.</label>
        <citation citation-type="journal">
          <person-group person-group-type="author">
            <name>
              <surname>Na</surname>
              <given-names>U.J.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Palazzolo</surname>
              <given-names>A.</given-names>
            </name>
          </person-group>
          <article-title>Optimized realization of fault-tolerant heteropolar magnetic bearings</article-title>
          <source>J. Vib. Acoust.</source>
          <year>2000</year>
          <volume>122</volume>
          <fpage>209</fpage>
          <lpage>221</lpage>
          <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.1303072</pub-id>
        </citation>
      </ref>
      <ref id="B8-actuators-06-00001">
        <label>8.</label>
        <citation citation-type="web">
          <person-group person-group-type="author">
            <name>
              <surname>Boyd</surname>
              <given-names>S.</given-names>
            </name>
          </person-group>
          <article-title>Least-Norm Solutions of Underdetermined Equations</article-title>
          <comment>Available online: <ext-link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="https://see.stanford.edu/materials/lsoeldsee263/08-min-norm.pdf" ext-link-type="uri">https://see.stanford.edu/materials/lsoeldsee263/08-min-norm.pdf</ext-link></comment>
          <access-date>(accessed on 6 November 2016)</access-date>
        </citation>
      </ref>
      <ref id="B9-actuators-06-00001">
        <label>9.</label>
        <citation citation-type="journal">
          <person-group person-group-type="author">
            <name>
              <surname>Maslen</surname>
              <given-names>E.H.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Sortore</surname>
              <given-names>C.K.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Gillies</surname>
              <given-names>G.T.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Williams</surname>
              <given-names>R.D.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Fedigan</surname>
              <given-names>S.J.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Aimone</surname>
              <given-names>R.J.</given-names>
            </name>
          </person-group>
          <article-title>Fault tolerant magnetic bearings</article-title>
          <source>Trans. ASME</source>
          <year>1999</year>
          <volume>121</volume>
          <fpage>504</fpage>
          <lpage>508</lpage>
          <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.2818501</pub-id>
        </citation>
      </ref>
      <ref id="B10-actuators-06-00001">
        <label>10.</label>
        <citation citation-type="journal">
          <person-group person-group-type="author">
            <name>
              <surname>Jastrzebski</surname>
              <given-names>R.P.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Smirnov</surname>
              <given-names>A.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Mystkowski</surname>
              <given-names>A.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Pyrh&#xF6;nen</surname>
              <given-names>O.</given-names>
            </name>
          </person-group>
          <article-title>Cascaded position-flux controller for AMB system operating at zero bias</article-title>
          <source>Energies</source>
          <year>2014</year>
          <volume>7</volume>
          <fpage>3561</fpage>
          <lpage>3575</lpage>
          <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/en7063561</pub-id>
        </citation>
      </ref>
      <ref id="B11-actuators-06-00001">
        <label>11.</label>
        <citation citation-type="journal">
          <person-group person-group-type="author">
            <name>
              <surname>Mystkowski</surname>
              <given-names>A.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Pawluszewicz</surname>
              <given-names>E.</given-names>
            </name>
            <name>
              <surname>Draga&#x161;ius</surname>
              <given-names>E.</given-names>
            </name>
          </person-group>
          <article-title>Robust nonlinear position-flux zero-bias control for uncertain AMB system</article-title>
          <source>Int. J. Control</source>
          <year>2015</year>
          <volume>88</volume>
          <fpage>619</fpage>
          <lpage>1629</lpage>
          <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/00207179.2015.1012118</pub-id>
        </citation>
      </ref>
    </ref-list>
    <sec sec-type="display-objects">
      <title>Figures and Table</title>
      <fig id="actuators-06-00001-f001" position="float">
        <label>Figure 1</label>
        <caption>
          <p>Small three-pole bearing with 0.25 inch rotor outer diameter.</p>
        </caption>
        <graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="actuators-06-00001-g001.tif"/>
      </fig>
      <fig id="actuators-06-00001-f002" position="float">
        <label>Figure 2</label>
        <caption>
          <p>Nine-pole bearing showing pole orientation.</p>
        </caption>
        <graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="actuators-06-00001-g002.tif"/>
      </fig>
      <fig id="actuators-06-00001-f003" position="float">
        <label>Figure 3</label>
        <caption>
          <p>Nine-pole 3-phase bearing with a [A,&#x2212;A,A,B,&#x2212;B,B,C,&#x2212;C,C] winding.</p>
        </caption>
        <graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="actuators-06-00001-g003.tif"/>
      </fig>
      <fig id="actuators-06-00001-f004" position="float">
        <label>Figure 4</label>
        <caption>
          <p>Eight-pole magnetic bearing with a horseshoe winding.</p>
        </caption>
        <graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="actuators-06-00001-g004.tif"/>
      </fig>
      <table-wrap id="actuators-06-00001-t001" position="float">
        <object-id pub-id-type="pii">actuators-06-00001-t001_Table 1</object-id>
        <label>Table 1</label>
        <caption>
          <p>Back iron thickness versus pole count.</p>
        </caption>
        <table>
          <thead>
            <tr>
              <th align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin;border-top:solid thin">Poles</th>
              <th align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin;border-top:solid thin">Thickness Ratio</th>
              <th align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin;border-top:solid thin">Load Capacity</th>
            </tr>
          </thead>
          <tbody>
            <tr>
              <td align="center" valign="middle">3</td>
              <td align="center" valign="middle">0.57735</td>
              <td align="center" valign="middle">0.375</td>
            </tr>
            <tr>
              <td align="center" valign="middle">5</td>
              <td align="center" valign="middle">0.525731</td>
              <td align="center" valign="middle">0.625</td>
            </tr>
            <tr>
              <td align="center" valign="middle">7</td>
              <td align="center" valign="middle">0.512858</td>
              <td align="center" valign="middle">0.875</td>
            </tr>
            <tr>
              <td align="center" valign="middle">9</td>
              <td align="center" valign="middle">0.507713</td>
              <td align="center" valign="middle">1.125</td>
            </tr>
            <tr>
              <td align="center" valign="middle">11</td>
              <td align="center" valign="middle">0.505142</td>
              <td align="center" valign="middle">1.375</td>
            </tr>
            <tr>
              <td align="center" valign="middle">13</td>
              <td align="center" valign="middle">0.503672</td>
              <td align="center" valign="middle">1.625</td>
            </tr>
            <tr>
              <td align="center" valign="middle">15</td>
              <td align="center" valign="middle">0.502754</td>
              <td align="center" valign="middle">1.825</td>
            </tr>
            <tr>
              <td align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin">&#x221E;</td>
              <td align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin">0.5</td>
              <td align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin"><italic>n</italic>/8</td>
            </tr>
          </tbody>
        </table>
      </table-wrap>
    </sec>
  </back>
</article>
