目前工業界最廣泛應用的是軸承類型是滾珠軸承。採用低摩擦的滾珠實現接觸式支撐。此外，滾珠軸承還需要加入潤滑油進一步減少摩擦。但隨著轉速的提升，伴隨著摩擦力的增加，這種接觸式支承的方法在高速會遇到很多麻煩。另外在許多應用場合，為確保環境潔淨度，潤滑油禁止使用。

相信大家可能有了些想法，既然接觸式軸承存在的摩擦難以消減，那就盡量使用不接觸的軸承嗆。就是按照這樣的想法，另外兩種機械軸承被發明出來。一種是箔片軸承（Foil Bearing），旋轉中箔片與轉軸中形成膜，可以脫離接觸。另一種是氣浮軸承，在軸承中通入壓縮氣體。當轉子旋轉到一定轉速也可以實現與定子脫離接觸。這兩種方法相比於傳統接觸式的滾珠軸承具有高速運轉條件下摩擦小的優點。但一般都只適用於高速，製程也較為複雜，目前主要使用在特殊應用場景。

與上述機械軸承不同，近年來發展的磁懸浮軸承採用可控電磁力實現對轉子的無接觸支承，可以適應從靜止到高速的寬轉速範圍應用，且具有不加潤滑油、無接觸摩擦等優點。因此，磁懸浮軸承成為各類高端裝備中旋轉機械支承的新一代“領銜主演”

下方左圖展示了一個典型的磁懸浮軸承的實物，本質就是一個電磁機構，通過產生可控的電磁力來實現懸浮。磁懸浮軸承的原理結構圖如下方右圖所示，主要結構包括控制器、感測器、功率放大器（驅動器）、繞組等。高端的裝置，但其原理並不複雜。磁懸浮軸承的基本原理高中物理知識就能解釋：每一軸的方向上，兩側繞組通過電流產生電磁力均能吸引轉子。在一定的平衡狀態下，兩側電磁力正好與這一軸的其他力平衡，轉子在這一位置就能保持懸浮，而與定子沒有接觸了。

從上圖可以看出來，磁懸浮軸承是一種不穩定系統：當轉子受到干擾向一側偏移時，該側氣隙減小，磁吸引力增大。此時如果沒有快速且準確的電流控制，轉子終會被這一側電磁力吸引到極限位置，懸浮必然會失效。

因此，磁懸浮軸承系統的電流需要根據轉子此時的位置動態調節，例如轉子偏下方時，上方電流需要增大，下方電流需要減小，上下兩側電磁力的差值將轉子向上“托舉” 。動態調節實現的前提是位置偵測要夠快，且需要準確到偵測微米級的微小位移。電流指令（小訊號）是由控制器獲知目前轉子位置後所做的「決策」訊號。有了「決策」訊號，接下來需要「決策」的執行了。執行這一步驟呢，可以理解為將電流指令這一「位元世界」的量，變成繞組中真實的電流，該環節正是功率放大器的任務。產生的真實電流在繞組中流通後，電磁力將施加至轉子，轉子位置會變動。感測器再次採集轉子位置訊息，交由控制器產生電流指令，功率放大器產生真實電流，電磁力調整轉子位置。如此往復循環，形成“閉環控制”，使得轉子動態地懸浮在預期的位置。

事實上，圖3是只有上下方位受控制的磁懸浮軸承原理示意圖，真正的旋轉機械應用中，轉子一般需要在五個方位（即五自由度）上完成支承，其中包括四個徑向和一個止推軸承。下圖是典型的五自由度磁軸承系統示意圖。為了支撐轉子，兩側各要一個平面的兩軸徑向磁軸承，每個平麵包含一對圖 3(b)所示的軸承控制兩個正交方向的懸浮。而為了控制轉子的軸向（z方向）位移，還需要一個加載在止推盤上的止推軸承。除磁懸浮軸承外，轉子外圍往往配備機械保護軸承。保護軸承主要用於轉子失穩跌落時支撐轉子，防止電磁機構等損壞，同時也用於在系統停機後對轉子進行支撐。為了實現良好的支撐特性，磁懸浮軸承系統的控制是至關重要的。

下面咱們從更深層理解磁軸承工作原理。直觀上就能看出，電磁力與控制電流和氣隙有關。實際上，它們之間存在著較複雜的數學關係。為提高在電磁鐵中電磁力關於控制電流與氣隙的線性程度，方便控制模型的簡化，首先需要通過電力電子變換器在繞組中注入直流偏壓電流，將電磁鐵中的磁場激勵到穩定工作點。在此基礎上根據電磁力增減的需求疊加控制電流。比方說，若偏壓電流為5安培，當控制電流為1安培時，同一自由度正對的兩個繞組電流分別為（5+1=6）安培和（5-1=4）安培，那麼6安培繞組的作用力就大於對側4安培繞組的作用力，從而將這1安培控制電流的作用力效果加載在轉子上。兩繞組電流總和為10安培，即兩倍的偏壓電流。另外，磁軸承的電磁力是磁阻力。那什麼是磁阻力呢？舉個簡單的例子，磁鐵無論是N極端或S極端都能吸引鐵磁物質，電磁力的方向與極性無關。因此通入不同方向的電流，相當於形成N/S極端面向鐵磁物質，極性不同，但電磁力均起到吸引作用，電磁力大小只與電流幅值相關，而我們日常接觸較多的交流電機，其電磁力與電流方向有關。上述特點是磁軸承電力電子控制器與交流電機控制器原理上的主要區別。圖5為磁場極性與電磁力方向示意圖，圖5（a）為磁軸承，通過控制繞組電流產生的電磁吸力使轉子懸浮在中心位置，圖5（b）為交流電機，在各個繞組中通入交流電流，產生的磁場在空間中旋轉，其力矩帶動轉子旋轉。

配合電力電子控制，磁懸浮軸承繞組電流都可以用圖6的三種方式來表徵。磁懸浮軸承的每個繞組都可以等效為一個電感。在直流母線供電的條件下，開關管組合將直流母線電壓正向加載在繞組上，繞組電流將快速增加（圖6(a)）；如果開關管關斷，繞組電流將透過反向並聯二極體反向接入直流母線，使負母線電壓加載在繞組上，繞組電流快速下降（圖6 (b)）；如果一個開關管導通而另一個關斷，繞組電流則通過開關管與反並聯二極管續流，加載在繞組上的電壓接近零，繞組電流接近平穩（圖6(c)）。磁軸承系統在以(a)(b)為主要模態下能實現較高的動態性能，在以(c)為主要模態下可以保持較小的電流脈動紋波。

由三種工作模態演變出常見的磁懸浮軸承電力電子電路有以下兩種。下方左圖為「半橋」橋臂結構，通過開關管Sa與Sb的開通與關斷，可實現圖6各種模式的基本組合，實現電流的快速控制。從電壓的角度來看，可認為是在繞組兩端施加可控制的電壓，即0，VDC，-VDC三種情況。此外，上述提到控制同一軸的正對的兩個繞組電流滿足相加總和為偏壓電流的兩倍，即為定值，因此可將正對的兩個繞組如圖7（b ）所示方式連接，兩個繞組各有一端共同連接至中間橋臂，由中間橋臂控制該點的電位，此結構稱為「共橋臂」結構。與「半橋」結構相比，採用「共橋臂」結構時，每個自由度所需開關元件可減少，同時節省了開關元件的驅動電路等電氣裝置，整體裝置體積也能縮減。

先前提到，磁懸浮軸承的電磁力與電流方向沒有關係，正向和反向的電流都能實現相同的電磁力，這樣的特性為故障下實現容錯控制提供了新的思路。在電力電子電路中，開關元件開路故障以及閘極驅動訊號遺失、閘極驅動電路損壞是經常遇到的問題。當上述故障發生時，如果恰好轉子處於高速運轉狀態下，那麼轉子必將發生高速跌落，發生撞擊磨損甚至擊毀機組結構等嚴重的安全事故。因此需要及時且精準地自動判斷故障發生，並採取相應的措施確保轉子的不跌落運作。

幸運的是，現今市場上基於全橋結構的電力電子功率模組存在冗餘裝置，這為容錯提供了可能。以圖8為例，圖8（a）所示的結構為常見的三相全橋功率模組，可視作圖8（b）和圖8（c）所示的兩個「共橋臂」結構的疊加。正常狀態下，功率放大器工作於圖8（b）模式，兩個繞組電流總和為兩倍的偏壓電流；當開路故障發生時，兩個繞組電流總和小於兩倍偏壓電流，以此為判斷依據偵測故障發生；控制器判斷故障發生後，發出切換指令，將圖8（b）模式切換為圖8（c）模式，電流雖然反向，但不影響電磁力的方向。基於以上機制，實現了開關元件開路等故障工況下的「容錯控制」。