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磁力軸承系統(tǒng)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(zhuǎn)軸懸浮起來，它主要由轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子懸浮在按徑向?qū)ΨQ放置的電磁鐵所產(chǎn)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(xù)監(jiān)測轉(zhuǎn)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(tǒng)，校正通過電磁鐵的電流，從而控制電磁鐵的吸引力，使轉(zhuǎn)軸在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，并達(dá)到一定的精度要求。圖1所示為一個主動磁力軸承系統(tǒng)的組成部分及工作原理。傳感器檢測出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行電磁鐵中產(chǎn)生磁力從而使轉(zhuǎn)子維持其穩(wěn)定懸浮位置不變。懸浮系統(tǒng)的剛度、阻尼以及穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)決定。
圖1 磁力軸承系統(tǒng)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(yīng)用最廣泛的是直流控制型磁力軸承。
主動磁力軸承的機(jī)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(zhuǎn)子構(gòu)成;軸向軸承由定子(電磁鐵)和推力盤構(gòu)成。為克服渦流損耗，定子及轉(zhuǎn)子(軸頸部分)套環(huán)均采用沖片疊成。徑向軸承的電磁鐵類似于電動機(jī)的定子結(jié)構(gòu)，磁極數(shù)可以是8極、16 極或者更多。
由于主動磁力軸承具有轉(zhuǎn)子位置、軸承剛度和阻尼可由控制系統(tǒng)確定等優(yōu)點(diǎn)，所以在磁懸浮應(yīng)用領(lǐng)域中，主動磁力軸承得到了最為廣泛的應(yīng)用，而且主動磁力軸承的研究一直是磁懸浮技術(shù)研究的重點(diǎn)。經(jīng)過多年的努力，其設(shè)計(jì)理論和方法已經(jīng)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(dú)特的優(yōu)勢，它體積小、無功耗、結(jié)構(gòu)簡單。被動磁力軸承與主動磁力軸承最大的不同在于，前者沒有主動電子控制系統(tǒng)，而是利用磁場本身的特性將轉(zhuǎn)軸懸浮起來。從目前來看，在被動磁力軸承中，應(yīng)用最多的是由永久磁體構(gòu)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)，兩種軸承都可采用吸力型或斥力型。根據(jù)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(jié)構(gòu)。但其最基本的結(jié)構(gòu)有兩種，如圖3所示。
圖3 永磁軸承基本結(jié)構(gòu)類型
永磁軸承可以由徑向或軸向磁化環(huán)構(gòu)成。剛度和承載力可以通過采用多對磁環(huán)疊加的方法來增加。如圖1-3a所示，當(dāng)磁環(huán)1和磁環(huán)2采用軸向充磁，且極性相同裝配時構(gòu)成吸力型徑向軸承，按極性相對裝配時則構(gòu)成斥力型推力軸承。如圖3b所示，當(dāng)磁環(huán)軸向充磁，且按極性相同裝配時構(gòu)成斥力型徑向軸承按極性相對裝配時則構(gòu)成吸力型推力軸承。如果結(jié)合徑向磁化情況可構(gòu)成更多的結(jié)構(gòu)形式。
另一類被動磁力軸承建立在吸力基礎(chǔ)上，吸力作用在磁化了的軟磁部件之間，如圖4所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子部件作徑向運(yùn)動時，吸力效應(yīng)來自磁阻的變化，所以也稱作“磁阻軸承”。這種軸承可以設(shè)計(jì)成永磁部分不旋轉(zhuǎn)僅僅軟鐵部分旋轉(zhuǎn)，使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)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(wěn)定作用結(jié)合起來，可構(gòu)成具有最小能耗的磁力軸承系統(tǒng)。
對于永磁軸承，當(dāng)轉(zhuǎn)軸上作用了一定載荷后，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wěn)定平衡的，至少在一個坐標(biāo)上是不穩(wěn)定的。因此，對于永磁軸承系統(tǒng)，至少要有一個方向上引人外力( 如電磁力、機(jī)械力、氣動力等)才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)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(wěn)定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成的- -種組合式磁力軸承系統(tǒng)。它兼顧了主動磁力軸承和被動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)生的磁場取代電磁鐵的靜態(tài)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(shù)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(zhuǎn)子；2-永久磁鐵；3-定子；4-線
圖中轉(zhuǎn)子1在永久磁鐵2產(chǎn)生的靜磁場吸力作用下，處于平衡位置(即中間位置)，也稱為參考位置。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性可知，永久磁鐵產(chǎn)生的永久磁通在轉(zhuǎn)子左右氣隙a-a和b-b處是相同的。此時兩氣隙處對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的吸力相等，即Fa=Fb。假設(shè)轉(zhuǎn)子受到一個向右的外干擾，轉(zhuǎn)子將偏離參考位置向右運(yùn)動，則轉(zhuǎn)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φa減小;右邊氣隙減小，磁通φb增大。由磁場吸力與磁通的關(guān)系可知，此時轉(zhuǎn)子所受吸力Fa
當(dāng)中φa+φd≥φb-φd即φd≥ (φb-φa) /2時，兩氣隙處產(chǎn)生的吸力Fa≥Fb使得轉(zhuǎn)子重新回到原來的平衡位置。同理，如果轉(zhuǎn)子受到一個向左的外來干擾并向左運(yùn)動，則可得到相反的結(jié)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。
由于通過永久磁鐵產(chǎn)生偏置磁場，電磁鐵產(chǎn)生控制磁場，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，電磁鐵只是提供平衡負(fù)載或外界干擾的控制磁場，可以避免系統(tǒng)因偏置電流所產(chǎn)生的功率損耗，降低了線圈發(fā)熱。
2)混合式磁力軸承的電磁鐵所需的安匝數(shù)相對于主動磁力軸承減少許多，有利于縮小磁力軸承的體積，節(jié)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(yīng)用場合。
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