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3.2 轴向磁轴承电磁设计

轴向磁轴承，亦称推力磁轴承，是磁悬浮轴承系统中用于约束转子轴向自由度、承受轴向载荷的关键部件。其电磁设计在原理上较径向轴承更为直接，通常仅涉及单自由度的吸力控制。然而，由于需要在一个相对紧凑的轴向空间内产生足够大的承载力和刚度，并在高速旋转下保持良好的动态性能与热稳定性，其电磁设计面临独特的挑战。本节将系统阐述纯电磁激励轴向磁轴承的主流结构形式、电磁设计流程、核心参数计算以及工程实现中的关键问题。

3.2.1 轴向磁轴承的结构形式与特点

根据磁极的布置方式，常见的轴向磁轴承主要分为两种基本结构：E型（或盘式）结构和U型（或对顶式）结构。

1. E型（盘式）轴向轴承
此结构如图1(a)所示。定子铁芯通常由叠片制成，呈环形，在一侧端面开有若干个沿圆周均匀分布的槽，形成多个磁极。所有磁极上的线圈串联或并联连接，构成一个统一的电磁铁。推力盘（转子的一部分）为环形铁磁盘，与定子磁极端面平行，保持一个微小的单侧工作气隙。

• 工作原理：当线圈通入电流时，在定子磁极与推力盘之间产生轴向电磁吸力。通过调节电流，即可控制吸力大小，以平衡转子受到的轴向载荷（如其他机械产生的推力、转子重力轴向分量等）。
• 优点：结构紧凑，轴向空间利用率高；磁路对称，理论上不产生径向干扰力；推力盘转动惯量相对较小。
• 缺点：推力盘作为磁路的一部分高速旋转，可能因涡流产生显著损耗和发热；仅单侧提供单向力，通常需要成对使用以实现双向控制，或与永磁体组合构成混合型以提供单向偏置力[1]。

2. U型（对顶式）轴向轴承
此结构如图1(b)所示。两个独立的U型定子单元（通常由C型铁芯对拼而成）沿轴向对置安装，推力盘位于两者之间。两个定子单元的线圈独立控制，构成差动工作模式。

• 工作原理：与径向轴承的差动工作原理完全相同。通过控制两个独立电磁铁中的电流，使其对推力盘产生方向相反的吸力，其合力即为可控的净轴向力。
• 优点：推力盘通常为实心钢盘，可作为纯粹的受力部件，其材料选择更灵活（可采用低铁损材料）；双气隙差动控制线性度好，动态响应可能更优。
• 缺点：轴向尺寸较大；两个独立的定子单元需要精确的轴向对中安装，否则易引入额外的径向耦合刚度。

图1 轴向磁轴承主要结构形式示意图 \text{图1 轴向磁轴承主要结构形式示意图}图1 轴向磁轴承主要结构形式示意图
（图示：(a) E型结构：环形定子、环形推力盘、单侧气隙；(b) U型对顶结构：两个对置的U型定子、中间推力盘、双侧气隙。）

3.2.2 电磁设计流程与核心参数计算

轴向磁轴承的电磁设计遵循明确的流程，其核心是确定在给定性能指标（如额定承载力F n F_{n}Fn​、最大承载力F m a x F_{max}Fmax​、额定气隙l g 0 l_{g0}lg0​、电流刚度k i k_iki​等）下的几何尺寸与电磁参数。

1. 电磁力公式与线性化模型
对于E型结构，作用于推力盘上的电磁吸力可基于麦克斯韦吸力公式进行估算。假设磁通均匀穿过磁极总面积A p A_pAp​，气隙磁密为B g B_gBg​，则单侧吸力为：
F a ≈ B g 2 A p 2 μ 0 F_a \approx \frac{B_g^2 A_p}{2\mu_0}Fa​≈2μ0​Bg2​Ap​​
其中，A p = N p ⋅ ( b p ⋅ l p ) A_p = N_p \cdot (b_p \cdot l_p)Ap​=Np​⋅(bp​⋅lp​)，N p N_pNp​为磁极数，b p b_pbp​和l p l_plp​分别为单个磁极的径向宽度和周向弧长。根据磁路欧姆定律，忽略铁芯磁阻时，气隙磁密B g B_gBg​与安匝数N I NINI、气隙l g l_glg​的关系为