1.3 磁悬浮轴承系统组成与工作原理

磁悬浮轴承（Active Magnetic Bearing， AMB）并非一个孤立的机械部件，而是一个典型的机电一体化闭环控制系统。其实质是利用可控的电磁力，将转子无接触地稳定悬浮在预定位置。理解其系统构成与工作原理是掌握后续所有设计、分析与控制知识的基石。一个完整的主动磁悬浮轴承系统通常由被控对象（转子）、执行器（电磁铁）、传感器（位移传感器）、控制器（控制算法）和功率放大器五个核心部分构成，其相互关系构成了一个典型的负反馈闭环[1]。

1.3.1 核心组成部件及其功能

1. 被控对象：转子
转子是系统的控制目标，其质量、几何形状、转动惯量及动力学特性决定了整个系统的控制需求。磁悬浮轴承需控制转子在空间中的五个自由度：两个径向平动、一个轴向平动以及两个径向倾斜（或描述为绕两个径向轴的转动），仅保留绕主轴旋转的一个自由度不受主动约束。

2. 执行器：电磁铁
电磁铁是系统的力生成部件，其核心功能是将控制电流转换为作用于转子的电磁力。对于径向轴承，通常采用成对（差动）工作的电磁铁对，如图1所示。当转子偏离中心位置时，通过调节两个线圈中的电流，改变两个气隙中的磁场强度，从而产生一个指向中心恢复方向的净电磁力。

3. 传感器：位移传感器
位移传感器是系统的“眼睛”，负责实时、高精度地测量转子相对于参考位置（通常为轴承座）的偏移量。常用的非接触式位移传感器包括电涡流传感器、电感式传感器和电容式传感器。其测量带宽、分辨率（可达亚微米级）和线性度直接影响系统的控制性能与稳定性[2]。

4. 控制器
控制器是系统的“大脑”，基于传感器反馈的位移信号（及其微分信号），根据预先设计的控制算法（如PID、状态反馈、鲁棒控制等）计算出为消除位置误差所需施加的控制力，并输出相应的控制电压或电流指令。控制算法的设计旨在为转子提供可调的“负刚度”和“正阻尼”，以抵消其固有的正刚度和负阻尼特性，从而实现稳定悬浮。

5. 功率放大器
功率放大器是系统的“肌肉”，负责将控制器输出的低功率控制信号，放大为能够驱动电磁铁线圈的大功率电流。开关功率放大器（PWM型）因其高效率而被广泛采用。其带宽、电流纹波和动态响应速度对系统的力控精度和动态性能有决定性影响[3]。

一个自由度的简化磁悬浮轴承系统闭环控制框图如图1所示，清晰地揭示了各部件之间的信号流与相互作用关系。

图1 单自由度主动磁悬浮轴承闭环控制系统框图\text{图1 单自由度主动磁悬浮轴承闭环控制系统框图}图1 单自由度主动磁悬浮轴承闭环控制系统框图
（图示：设定位置rrefr_{ref}rref​→ 控制器Gc(s)G_c(s)Gc​(s)→ 功率放大器Ga(s)G_a(s)Ga​(s)→ 电磁铁（含增益kik_iki​与ksk_sks​）→ 电磁力FFF→ 转子动力学1/(ms2)1/(ms^2)1/(ms2)→ 输出位移xxx→ 传感器Hs(s)H_s(s)Hs​(s)→ 反馈至比较器与设定值比较，形成闭环。外部扰动FdF_dFd​作用于转子动力学模块。）

1.3.2 工作原理：电磁力生成与闭环调节

1. 电磁力生成基础
对于如图1所示的简单U型电磁铁，其对铁磁材料转子的吸力FFF可由麦克斯韦应力公式简化推导得出：
F(x,i)=μ0AN2i24x2=ki2x2F(x, i) = \frac{\mu_0 A N^2 i^2}{4 x^2} = k \frac{i^2}{x^2}F(x,i)=4x2μ0​AN2i2​=kx2i2​
其中，μ0\mu_0μ0​为真空磁导率，