磁力轴承的工作原理与分类

磁力轴承系统按工作原理可分为三类:主动磁力轴承( Active Magnetic Bearing)、被动磁力轴承( Passive Magnetic Bearing)、 混合磁力轴承( Hybrid Magnetic Bearing)。

1、主动磁力轴承

主动磁力轴承利用可控电磁力将转轴悬浮起来，它主要由转子、电磁铁、传感器、控制器和功率放大器等组成。电磁铁安装在定子上，转子悬浮在按径向对称放置的电磁铁所产生的磁场中，每个电磁铁上都装有一个或多个传感器，以连续监测转轴的位置变化情况。从传感器中输出的信号，借助于电子控制系统，校正通过电磁铁的电流，从而控制电磁铁的吸引力，使转轴在稳定平衡状态下运转，并达到一定的精度要求。图1所示为一个主动磁力轴承系统的组成部分及工作原理。传感器检测出转子偏离参考点的位移后，作为控制器的微处理器将检测到的位移变换成控制信号,然后功率放大器将这--控制信号转换成控制电流，控制电流在执行电磁铁中产生磁力从而使转子维持其稳定悬浮位置不变。悬浮系统的刚度、阻尼以及稳定性由控制系统决定。

图1 磁力轴承系统的组成部分及工作原理

主动磁力轴承按控制方式的不同可分为电流控制和电压控制，按支承方式的不同可分为径向磁力轴承和轴向磁力轴承。目前，在主动磁力轴承中，应用最广泛的是直流控制型磁力轴承。

主动磁力轴承的机械部分-般由径向轴承和轴向轴承组成，如图2所示。径向轴承由定子(电磁铁).转子构成;轴向轴承由定子(电磁铁)和推力盘构成。为克服涡流损耗，定子及转子(轴颈部分)套环均采用冲片叠成。径向轴承的电磁铁类似于电动机的定子结构，磁极数可以是8极、16 极或者更多。

由于主动磁力轴承具有转子位置、轴承刚度和阻尼可由控制系统确定等优点，所以在磁悬浮应用领域中，主动磁力轴承得到了最为广泛的应用，而且主动磁力轴承的研究一直是磁悬浮技术研究的重点。经过多年的努力，其设计理论和方法已经日趋成熟。

图2  主动磁力轴承组成部分示意图
a）径向轴承 b）轴向轴承

2、被动磁力轴承

被动磁力轴承作为磁力轴承的一种形式，具有自身独特的优势，它体积小、无功耗、结构简单。被动磁力轴承与主动磁力轴承最大的不同在于，前者没有主动电子控制系统，而是利用磁场本身的特性将转轴悬浮起来。从目前来看，在被动磁力轴承中，应用最多的是由永久磁体构成的永磁轴承。永磁轴承又可以分为斥力型和吸力型两种。

被动永磁轴承可同时被用做径向轴承和推力轴承(轴向轴承)，两种轴承都可采用吸力型或斥力型。根据磁环的磁化方向及相对位置的不同，永磁轴承有多种磁路结构。但其最基本的结构有两种，如图3所示。

图3 永磁轴承基本结构类型

永磁轴承可以由径向或轴向磁化环构成。刚度和承载力可以通过采用多对磁环叠加的方法来增加。如图1-3a所示，当磁环1和磁环2采用轴向充磁，且极性相同装配时构成吸力型径向轴承，按极性相对装配时则构成斥力型推力轴承。如图3b所示，当磁环轴向充磁，且按极性相同装配时构成斥力型径向轴承,按极性相对装配时则构成吸力型推力轴承。如果结合径向磁化情况可构成更多的结构形式。

另一类被动磁力轴承建立在吸力基础上，吸力作用在磁化了的软磁部件之间，如图4所示。当转子部件作径向运动时，吸力效应来自磁阻的变化，所以也称作“磁阻轴承”。这种轴承可以设计成永磁部分不旋转,仅仅软铁部分旋转，使系统具有更好的稳定性。

图4 被动径向磁阻轴承

将磁阻轴承和主动电磁铁的稳定作用结合起来，可构成具有最小能耗的磁力轴承系统。

对于永磁轴承，当转轴上作用了一定载荷后，转子和定子磁环间的工作气隙将发生变化，最小工作气隙处的斥力要比最大气隙处的斥力大,从而使转轴径向位置发生变化,趋于平衡状态。如前所述，仅采用永磁轴承是不可能获得稳定平衡的，至少在一个坐标上是不稳定的。因此，对于永磁轴承系统，至少要有一个方向上引人外力( 如电磁力、机械力、气动力等)才能实现系统的稳定。

1.2.3 混合式磁力轴承

混合式磁力轴承是在主动磁力轴承、被动磁力轴承以及其他一些辅助支承和稳定结构基础上形成的- -种组合式磁力轴承系统。它兼顾了主动磁力轴承和被动磁力轴承的综合特点。

混合式磁力轴承是利用永久磁铁产生的磁场取代电磁铁的静态偏置磁场，这不仅可以显著降低功率放大器的功耗，而且可以使电磁铁的安匝数减小-半,缩小磁力轴承的体积，提高承载能力等。图5所示为一径向永磁偏置混合式磁力轴承的工作原理图。

图5 径向永磁偏置混合式磁力轴承的工作原理图

1-转子；2-永久磁铁；3-定子；4-线

图中转子1在永久磁铁2产生的静磁场吸力作用下，处于平衡位置(即中间位置)，也称为参考位置。根据结构的对称性可知，永久磁铁产生的永久磁通在转子左右气隙a-a和b-b处是相同的。此时两气隙处对转子产生的吸力相等，即F_a=F_b。假设转子受到一个向右的外干扰，转子将偏离参考位置向右运动，则转子左右气隙大小将发生变化，从而使其磁通变化。左边气隙增大，磁通φ_a减小;右边气隙减小，磁通φ_b,增大。由磁场吸力与磁通的关系可知，此时转子所受吸力F_ab。此时，传感器检测出转子偏离参考位置的位移，控制器将这一-位移信号变换成控制信号传给功率放大器，功率放大器将该控制信号变化成控制电流i，该电流流经电磁铁线圈4使铁心内产生一平衡外来干扰的电磁磁通φ_d，磁通φ_d在气隙a-a中与原有永磁磁通φ_a。叠加，而在气隙b-b中与原有永磁磁通φ_b相减。

当中φ_a+φ_d≥φ_b,-φ_d,即φ_d≥ (φ_b-φ_a) /2时，两气隙处产生的吸力F_a≥F_b使得转子重新回到原来的平衡位置。同理，如果转子受到一个向左的外来干扰并向左运动，则可得到相反的结论。混合式磁力轴承的主动控制部分与全主动磁力轴承的工作原理是相同的。

由于通过永久磁铁产生偏置磁场，电磁铁产生控制磁场，因此永磁偏置混合式磁力轴承具有以下优点：

1)采用永久磁铁提供偏置静磁场，电磁铁只是提供平衡负载或外界干扰的控制磁场，可以避免系统因偏置电流所产生的功率损耗，降低了线圈发热。

2)混合式磁力轴承的电磁铁所需的安匝数相对于主动磁力轴承减少许多，有利于缩小磁力轴承的体积，节省材料。这种轴承具有体积小、质量轻、效率高等优点，适合于微型化、体积小的应用场合。