磁力軸承的工作原理與分類

磁力軸承系統按工作原理可分為三類:主動磁力軸承( Active Magnetic Bearing)、被動磁力軸承( Passive Magnetic Bearing)、 混合磁力軸承( Hybrid Magnetic Bearing)。

1、主動磁力軸承

主動磁力軸承利用可控電磁力將轉軸懸浮起來，它主要由轉子、電磁鐵、傳感器、控制器和功率放大器等組成。電磁鐵安裝在定子上，轉子懸浮在按徑向對稱放置的電磁鐵所產生的磁場中，每個電磁鐵上都裝有一個或多個傳感器，以連續監測轉軸的位置變化情況。從傳感器中輸出的信號，藉助於電子控制系統，校正通過電磁鐵的電流，從而控制電磁鐵的吸引力，使轉軸在穩定平衡狀態下運轉，並達到一定的精度要求。圖1所示為一個主動磁力軸承系統的組成部分及工作原理。傳感器檢測出轉子偏離參考點的位移後，作為控制器的微處理器將檢測到的位移變換成控制信號,然後功率放大器將這--控制信號轉換成控制電流，控制電流在執行電磁鐵中產生磁力從而使轉子維持其穩定懸浮位置不變。懸浮系統的剛度、阻尼以及穩定性由控制系統決定。

圖1 磁力軸承系統的組成部分及工作原理

主動磁力軸承按控制方式的不同可分為電流控制和電壓控制，按支承方式的不同可分為徑向磁力軸承和軸向磁力軸承。目前，在主動磁力軸承中，應用最廣泛的是直流控制型磁力軸承。

主動磁力軸承的機械部分-般由徑向軸承和軸向軸承組成，如圖2所示。徑向軸承由定子(電磁鐵).轉子構成;軸向軸承由定子(電磁鐵)和推力盤構成。為克服渦流損耗，定子及轉子(軸頸部分)套環均採用衝片疊成。徑向軸承的電磁鐵類似於電動機的定子結構，磁極數可以是8極、16 極或者更多。

由於主動磁力軸承具有轉子位置、軸承剛度和阻尼可由控制系統確定等優點，所以在磁懸浮應用領域中，主動磁力軸承得到了最為廣泛的應用，而且主動磁力軸承的研究一直是磁懸浮技術研究的重點。經過多年的努力，其設計理論和方法已經日趨成熟。

圖2 主動磁力軸承組成部分示意圖

a）徑向軸承 b）軸向軸承

2、被動磁力軸承

被動磁力軸承作為磁力軸承的一種形式，具有自身獨特的優勢，它體積小、無功耗、結構簡單。被動磁力軸承與主動磁力軸承最大的不同在於，前者沒有主動電子控制系統，而是利用磁場本身的特性將轉軸懸浮起來。從目前來看，在被動磁力軸承中，應用最多的是由永久磁體構成的永磁軸承。永磁軸承又可以分為斥力型和吸力型兩種。

被動永磁軸承可同時被用做徑向軸承和推力軸承(軸向軸承)，兩種軸承都可採用吸力型或斥力型。根據磁環的磁化方向及相對位置的不同，永磁軸承有多種磁路結構。但其最基本的結構有兩種，如圖3所示。

圖3 永磁軸承基本結構類型

永磁軸承可以由徑向或軸向磁化環構成。剛度和承載力可以通過採用多對磁環疊加的方法來增加。如圖1-3a所示，當磁環1和磁環2採用軸向充磁，且極性相同裝配時構成吸力型徑向軸承，按極性相對裝配時則構成斥力型推力軸承。如圖3b所示，當磁環軸向充磁，且按極性相同裝配時構成斥力型徑向軸承,按極性相對裝配時則構成吸力型推力軸承。如果結合徑向磁化情況可構成更多的結構形式。

另一類被動磁力軸承建立在吸力基礎上，吸力作用在磁化了的軟磁部件之間，如圖4所示。當轉子部件作徑向運動時，吸力效應來自磁阻的變化，所以也稱作「磁阻軸承」。這種軸承可以設計成永磁部分不旋轉,僅僅軟鐵部分旋轉，使系統具有更好的穩定性。

圖4 被動徑向磁阻軸承

將磁阻軸承和主動電磁鐵的穩定作用結合起來，可構成具有最小能耗的磁力軸承系統。

對於永磁軸承，當轉軸上作用了一定載荷後，轉子和定子磁環間的工作氣隙將發生變化，最小工作氣隙處的斥力要比最大氣隙處的斥力大,從而使轉軸徑向位置發生變化,趨於平衡狀態。如前所述，僅採用永磁軸承是不可能獲得穩定平衡的，至少在一個坐標上是不穩定的。因此，對於永磁軸承系統，至少要有一個方向上引人外力( 如電磁力、機械力、氣動力等)才能實現系統的穩定。

1.2.3 混合式磁力軸承

混合式磁力軸承是在主動磁力軸承、被動磁力軸承以及其他一些輔助支承和穩定結構基礎上形成的- -種組合式磁力軸承系統。它兼顧了主動磁力軸承和被動磁力軸承的綜合特點。

混合式磁力軸承是利用永久磁鐵產生的磁場取代電磁鐵的靜態偏置磁場，這不僅可以顯著降低功率放大器的功耗，而且可以使電磁鐵的安匝數減小-半,縮小磁力軸承的體積，提高承載能力等。圖5所示為一徑向永磁偏置混合式磁力軸承的工作原理圖。

圖5 徑向永磁偏置混合式磁力軸承的工作原理圖

1-轉子；2-永久磁鐵；3-定子；4-線

圖中轉子1在永久磁鐵2產生的靜磁場吸力作用下，處於平衡位置(即中間位置)，也稱為參考位置。根據結構的對稱性可知，永久磁鐵產生的永久磁通在轉子左右氣隙a-a和b-b處是相同的。此時兩氣隙處對轉子產生的吸力相等，即Fa=Fb。假設轉子受到一個向右的外幹擾，轉子將偏離參考位置向右運動，則轉子左右氣隙大小將發生變化，從而使其磁通變化。左邊氣隙增大，磁通φa減小;右邊氣隙減小，磁通φb,增大。由磁場吸力與磁通的關係可知，此時轉子所受吸力Fa

當中φa+φd≥φb,-φd,即φd≥ (φb-φa) /2時，兩氣隙處產生的吸力Fa≥Fb使得轉子重新回到原來的平衡位置。同理，如果轉子受到一個向左的外來幹擾並向左運動，則可得到相反的結論。混合式磁力軸承的主動控制部分與全主動磁力軸承的工作原理是相同的。

由於通過永久磁鐵產生偏置磁場，電磁鐵產生控制磁場，因此永磁偏置混合式磁力軸承具有以下優點：

1)採用永久磁鐵提供偏置靜磁場，電磁鐵只是提供平衡負載或外界幹擾的控制磁場，可以避免系統因偏置電流所產生的功率損耗，降低了線圈發熱。

2)混合式磁力軸承的電磁鐵所需的安匝數相對於主動磁力軸承減少許多，有利於縮小磁力軸承的體積，節省材料。這種軸承具有體積小、質量輕、效率高等優點，適合於微型化、體積小的應用場合。