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

1、主動(dòng)磁力軸承

主動(dòng)磁力軸承利用可控電磁力將轉軸懸浮起來(lái)，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(chēng)放置的電磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，每個(gè)電磁鐵上都裝有一個(gè)或多個(gè)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，借助于電子控制系統，校正通過(guò)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(tài)下運轉，并達到一定的精度要求。圖1所示為一個(gè)主動(dòng)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(diǎn)的位移后，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后功率放大器將這--控制信號轉換成控制電流，控制電流在執行電磁鐵中產(chǎn)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(dòng)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(dòng)磁力軸承中，應用最廣泛的是直流控制型磁力軸承。

主動(dòng)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(pán)構成。為克服渦流損耗，定子及轉子(軸頸部分)套環(huán)均采用沖片疊成。徑向軸承的電磁鐵類(lèi)似于電動(dòng)機的定子結構，磁極數可以是8極、16 極或者更多。

由于主動(dòng)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(yōu)點(diǎn)，所以在磁懸浮應用領(lǐng)域中，主動(dòng)磁力軸承得到了最為廣泛的應用，而且主動(dòng)磁力軸承的研究一直是磁懸浮技術(shù)研究的重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年的努力，其設計理論和方法已經(jīng)日趨成熟。

圖2  主動(dòng)磁力軸承組成部分示意圖
a）徑向軸承 b）軸向軸承

2、被動(dòng)磁力軸承

被動(dòng)磁力軸承作為磁力軸承的一種形式，具有自身獨特的優(yōu)勢，它體積小、無(wú)功耗、結構簡(jiǎn)單。被動(dòng)磁力軸承與主動(dòng)磁力軸承最大的不同在于，前者沒(méi)有主動(dòng)電子控制系統，而是利用磁場(chǎng)本身的特性將轉軸懸浮起來(lái)。從目前來(lái)看，在被動(dòng)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(dòng)永磁軸承可同時(shí)被用做徑向軸承和推力軸承(軸向軸承)，兩種軸承都可采用吸力型或斥力型。根據磁環(huán)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(lèi)型

永磁軸承可以由徑向或軸向磁化環(huán)構成。剛度和承載力可以通過(guò)采用多對磁環(huán)疊加的方法來(lái)增加。如圖1-3a所示，當磁環(huán)1和磁環(huán)2采用軸向充磁，且極性相同裝配時(shí)構成吸力型徑向軸承，按極性相對裝配時(shí)則構成斥力型推力軸承。如圖3b所示，當磁環(huán)軸向充磁，且按極性相同裝配時(shí)構成斥力型徑向軸承按極性相對裝配時(shí)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(lèi)被動(dòng)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(dòng)時(shí)，吸力效應來(lái)自磁阻的變化，所以也稱(chēng)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(dòng)徑向磁阻軸承

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

對于永磁軸承，當轉軸上作用了一定載荷后，轉子和定子磁環(huán)間的工作氣隙將發(fā)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(fā)生變化趨于平衡狀態(tài)。如前所述，僅采用永磁軸承是不可能獲得穩定平衡的，至少在一個(gè)坐標上是不穩定的。因此，對于永磁軸承系統，至少要有一個(gè)方向上引人外力( 如電磁力、機械力、氣動(dòng)力等)才能實(shí)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(dòng)磁力軸承、被動(dòng)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(dòng)磁力軸承和被動(dòng)磁力軸承的綜合特點(diǎn)。

混合式磁力軸承是利用永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)取代電磁鐵的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)，這不僅可以顯著(zhù)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(xiàn)

圖中轉子1在永久磁鐵2產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)吸力作用下，處于平衡位置(即中間位置)，也稱(chēng)為參考位置。根據結構的對稱(chēng)性可知，永久磁鐵產(chǎn)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(shí)兩氣隙處對轉子產(chǎn)生的吸力相等，即F_a=F_b。假設轉子受到一個(gè)向右的外干擾，轉子將偏離參考位置向右運動(dòng)，則轉子左右氣隙大小將發(fā)生變化，從而使其磁通變化。左邊氣隙增大，磁通φ_a減小;右邊氣隙減小，磁通φ_b增大。由磁場(chǎng)吸力與磁通的關(guān)系可知，此時(shí)轉子所受吸力F_ab。此時(shí)，傳感器檢測出轉子偏離參考位置的位移，控制器將這一-位移信號變換成控制信號傳給功率放大器，功率放大器將該控制信號變化成控制電流i，該電流流經(jīng)電磁鐵線(xiàn)圈4使鐵心內產(chǎn)生一平衡外來(lái)干擾的電磁磁通φ_d，磁通φ_d在氣隙a-a中與原有永磁磁通φ_a。疊加，而在氣隙b-b中與原有永磁磁通φ_b相減。

當中φ_a+φ_d≥φ_b-φ_d即φ_d≥ (φ_b-φ_a) /2時(shí)，兩氣隙處產(chǎn)生的吸力F_a≥F_b使得轉子重新回到原來(lái)的平衡位置。同理，如果轉子受到一個(gè)向左的外來(lái)干擾并向左運動(dòng)，則可得到相反的結論?；旌鲜酱帕S承的主動(dòng)控制部分與全主動(dòng)磁力軸承的工作原理是相同的。

由于通過(guò)永久磁鐵產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，電磁鐵產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，因此永磁偏置混合式磁力軸承具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)采用永久磁鐵提供偏置靜磁場(chǎng)，電磁鐵只是提供平衡負載或外界干擾的控制磁場(chǎng)，可以避免系統因偏置電流所產(chǎn)生的功率損耗，降低了線(xiàn)圈發(fā)熱。

2)混合式磁力軸承的電磁鐵所需的安匝數相對于主動(dòng)磁力軸承減少許多，有利于縮小磁力軸承的體積，節省材料。這種軸承具有體積小、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合于微型化、體積小的應用場(chǎng)合。