專利名稱：一種新型的帶磁軸承裝置的水泵水輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的帶磁軸承裝置的水泵水輪機(jī)，特別涉及一種可并用滾動(dòng)軸承和磁軸承裝置的水泵水輪機(jī)。
背景技術(shù)：
目前，熟知的水泵水輪機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、軸封組件和水力部件組成。葉輪、主軸、泵殼之間通過軸承來支承軸及其轉(zhuǎn)動(dòng)零件，并保持軸的旋轉(zhuǎn)精度。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水泵水輪機(jī)的軸承設(shè)計(jì)應(yīng)用做了很多研究，但克服水泵水輪機(jī)對(duì)軸承機(jī)械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長(zhǎng)、高速、高精度、無需潤(rùn)滑、無油污的性能要求仍有很多途徑。
發(fā)明內(nèi)容為解決上述問題，本發(fā)明涉及一種新型的帶磁軸承裝置的水泵水輪機(jī)，其采用滾動(dòng)軸承和磁軸承組合裝置，通過磁軸承，承受軸向負(fù)荷和軸承預(yù)壓中的任意一者或兩者。本發(fā)明涉及比如，抽水蓄能電站中水泵水輪機(jī)組件等所采用的磁軸承裝置，通過該裝置來達(dá)到機(jī)械磨損小、低耗功、壽命長(zhǎng)、聞速、聞精度等性能是一種非常有效的方法。實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:本發(fā)明的目的在于提供一種磁軸承裝置，其中，可進(jìn)行穩(wěn)定的控制，控制器的結(jié)構(gòu)也可簡(jiǎn)化。本發(fā)明設(shè)計(jì)的磁軸承裝置并用滾動(dòng)軸承和磁軸承，滾動(dòng)軸承支承徑向負(fù)荷，磁軸承承受軸向負(fù)荷和軸承預(yù)壓中的任意一者或兩者，電磁鐵按照與和主軸垂直而同軸地設(shè)置的由強(qiáng)磁性體形成的凸緣狀的推力板非接觸地以面對(duì)的方式安裝于主軸外殼上，具有對(duì)應(yīng)于檢測(cè)作用于軸向力的傳感器的輸出，控制電磁鐵的控制器，具有由滾動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承的支承系統(tǒng)形成的合成彈·簧的剛性值大于電磁鐵的負(fù)的剛性值的關(guān)系。在該方案的磁軸承裝置中，由于并用滾動(dòng)軸承和磁軸承，滾動(dòng)軸承承受徑向負(fù)荷，磁軸承承受軸向負(fù)荷和軸承預(yù)壓中的任意一者或兩者，故進(jìn)行軸向的精度良好的支承，同時(shí)可確保滾動(dòng)軸承的長(zhǎng)期耐久性，避免僅僅采用磁軸承支承的場(chǎng)合在電源停止時(shí)的損傷。另外，由于形成由滾動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承的支承系統(tǒng)形成的合成彈簧的剛性值大于電磁鐵的負(fù)的剛性值的關(guān)系，故可防止在控制頻帶，機(jī)械系統(tǒng)的相位延遲為180°的情況。由此，控制對(duì)象穩(wěn)定，控制器的電路結(jié)構(gòu)為比例或比例積分等的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，即使這樣，仍可進(jìn)行穩(wěn)定的控制。其特征在于:本發(fā)明是一種新型的帶磁軸承裝置的水泵水輪機(jī)，包括磁軸承裝置(I)、主軸⑵、葉輪⑶、定子上蓋板(4)、主軸外殼(5)、控制器(6)、電磁鐵(7)、凸緣狀推力板(8)、軸向力傳感器(9)、軸承外殼(10)、滾動(dòng)軸承(11)、迷宮式密封(12)、彈簧(13)，上述的磁軸承裝置，采用滾動(dòng)軸承和磁軸承組合裝置，其特征在于其適用于主軸(2)的支承，該主軸通過電機(jī)帶動(dòng)水泵水輪機(jī)葉輪(3)對(duì)流體做功。本發(fā)明有益效果是:通過磁軸承裝置，實(shí)現(xiàn)了水泵水輪機(jī)軸承機(jī)械磨損小、耗功低、壽命長(zhǎng)、精度高等性能。[0009]本發(fā)明采用的磁軸承，是一種新型高性能軸承。與傳統(tǒng)滾珠軸承、滑動(dòng)軸承以及油膜軸承相比，磁軸承不存在機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)子可以達(dá)到很高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，具有機(jī)械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長(zhǎng)、無需潤(rùn)滑、無油污染等優(yōu)點(diǎn)，特別適用高速、真空、超凈等特殊環(huán)境。可廣泛用于機(jī)械加工、渦輪機(jī)械、航空航天、真空技術(shù)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性辨識(shí)與測(cè)試等領(lǐng)域，被公認(rèn)為極有前途的新型軸承。


[0010]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶磁軸承的水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)圖。[0011]圖2是同一實(shí)施例的磁軸承示意圖。[0012]圖3是控制器實(shí)例方框圖。[0013]圖中:1.磁軸承裝置，2.主軸，3.葉輪，4.定子上蓋板，5.主軸外殼，6.控制器，7.電磁鐵，8.凸圓狀推力板，9.軸向力傳感器，10.軸承外殼，11.滾動(dòng)軸承，12.迷宮式密封，13.彈簧。
具體實(shí)施方式
[0014]圖1、圖2、圖3共同確定了本實(shí)施例中帶磁軸承的水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式。如果主軸的支承并用滾動(dòng)軸承和磁軸承，滾動(dòng)軸承承受徑向負(fù)荷，磁軸承承受軸向負(fù)荷與軸承預(yù)壓中的任意一者或兩者，則進(jìn)行主軸的軸向的限制，另外，也不會(huì)在僅僅采用磁軸承支承的場(chǎng)合，產(chǎn)生電源停止時(shí)的接觸的問題。[0015]在本方案的場(chǎng)合，按照與和主軸垂直而同軸設(shè)置的由強(qiáng)磁性體形成的凸緣狀的推力板不接觸且采用面對(duì)的方式，設(shè)置磁軸承的電磁鐵，對(duì)應(yīng)于檢測(cè)軸向的力的傳感器的輸出，通過控制器控制電磁鐵。[0016]如果通過滾動(dòng)軸承，支承葉片的主軸，則通過滾動(dòng)軸承所具有的軸向位置的限制功能，限制主軸位置。在具有這樣的軸向位置的限制功能的滾動(dòng)軸承的場(chǎng)合，高速旋轉(zhuǎn)的軸承的上述推力的長(zhǎng)期耐 久性的降低成為問題，但是，由于通過電磁鐵支承推力，故可確保滾動(dòng)軸承的長(zhǎng)期耐久性。[0017]結(jié)合圖1和圖2，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說明。圖1表示組裝有本發(fā)明的磁軸承裝置的水泵水輪機(jī)組件剖視圖。該水泵水輪機(jī)組件包括電動(dòng)機(jī)、軸封組件和泵水力部件，葉輪(3)和電動(dòng)機(jī)分別安裝于主軸(2)的兩端。通過由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)葉輪(3)旋轉(zhuǎn)對(duì)流體做功。[0018]該水泵水輪機(jī)中的磁軸承裝置相對(duì)徑向，通過軸承(11)支承主軸(2)，通過構(gòu)成磁軸承的電磁鐵(7)，承受作用于主軸(2)上的推力。該水泵水輪機(jī)磁軸承組件包括傳感器(9)，該傳感器(9)檢測(cè)作用于主軸(2)上的推力；該控制器(6)對(duì)應(yīng)于該傳感器(9)的輸出，控制電磁鐵(7)的支承力。電磁鐵(7)安裝在主軸⑵的中間，與主軸⑵垂直而同軸設(shè)置的由強(qiáng)磁性體形成的凸緣狀的推力板(8)的兩面非接觸地面對(duì)的方式設(shè)置于接納有主軸的主軸外殼(5)上。[0019]支承主軸(2)的軸承(11)為滾動(dòng)軸承，具有軸向位置的限制功能，比如，采用深槽球軸承、角接觸球軸承。在深槽球軸承的場(chǎng)合，具有雙向的推力承受功能，具有將內(nèi)外圈的軸向位置返回到中立位置的作用。該軸承(11)設(shè)置于主軸外殼(5)中葉輪的附近。[0020]主軸外殼(5)側(cè)邊的軸承(11)的部分按照內(nèi)徑面接近主軸(13)的直徑形成，在該內(nèi)徑面上形成非接觸密封件(12)。在本實(shí)施形態(tài)中，非接觸密封件(12)構(gòu)成迷宮式密封件。上述傳感器(9)設(shè)置于軸承(11)附近的靜止側(cè)，即主軸外殼(5)偵彳。在附近設(shè)置有該傳感器(9)的軸承(11)的外圈在固定狀態(tài)，嵌合于軸承外殼(10)的內(nèi)部。軸承外殼
(10)呈環(huán)狀，在一端具有與軸承(11)的外圈幅面卡合的內(nèi)凸緣，按照可沿軸向移動(dòng)的方式與設(shè)置于主軸外殼(10)上的內(nèi)徑面嵌合。內(nèi)凸緣設(shè)置于軸向的中間側(cè)端。傳感器(9)的非設(shè)置側(cè)的軸承(11)按照可相對(duì)主軸外殼(10)，沿軸向移動(dòng)的方式設(shè)置，并且通過軸承預(yù)壓彈簧(13)彈性地支承傳感器(9)分配設(shè)置于圍繞主軸(2)的圓周方向的多個(gè)部位，介設(shè)于軸承外殼的內(nèi)凸緣側(cè)的幅面與固定于主軸外殼(5)上的部件的一個(gè)電磁鐵(7)之間。另外，在傳感器(9)中，通過傳感器預(yù)壓彈簧(13)外加預(yù)壓。傳感器預(yù)壓彈簧(13)使接納于設(shè)在主軸外殼(5)上的接納凹部?jī)?nèi)的軸承(11)的外圈沿軸向偏置，通過外圈和軸承外殼，對(duì)傳感器(9)進(jìn)行預(yù)壓。傳感器預(yù)壓彈簧(13)由設(shè)置于圍繞主軸(2)的圓周方向多個(gè)部位的螺旋彈簧等構(gòu)成。由于通過按壓力，檢測(cè)推力的傳感器(9)即使相對(duì)主軸(2)的軸向的任意方向的移動(dòng)，仍可檢測(cè)，故傳感器預(yù)壓彈簧(13)的預(yù)壓為水泵水輪機(jī)的通常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，作用于主軸(2)上的平均的推力以上的值。上述磁軸承裝置的力學(xué)模型可通過簡(jiǎn)單的彈簧系統(tǒng)構(gòu)成。即，該彈簧系統(tǒng)為下述的方案，其中，由軸承(11)和這些軸承的支承系統(tǒng)(傳感器預(yù)壓彈簧(13)、軸承外殼等)構(gòu)成的合成彈簧與電磁鐵(7)的彈簧并列。在該彈簧系統(tǒng)中，由軸承(11)這些軸承的支承系統(tǒng)構(gòu)成的合成彈簧具有沿與位移方向相反的方向與位移量成比例而作用的剛性，相對(duì)該情況，電磁鐵(7)的彈簧具有沿位移方向與位移量成比例作用的負(fù)的剛性。由此，在上述合成彈簧和電磁鐵的彈簧的剛性的大小關(guān)系為:合成彈簧的剛性< 電磁鐵的負(fù)的剛性值......(I)機(jī)械系統(tǒng)的相位延遲180°，形成不穩(wěn)定的系統(tǒng)，由此，在控制電磁鐵(7)的控制器(6)中，必須預(yù)先附加相位補(bǔ)償電路，控制器(6)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。于是，在該實(shí)施形態(tài)的磁軸承裝置中，上述合成彈簧的剛性和電磁鐵(7)的彈簧的剛性的大小關(guān)系為:合成彈簧的剛性> 電磁鐵的負(fù)的剛性值......(2)像(2)那樣，通過設(shè)定上述合成彈簧和電磁鐵的彈簧的剛性的大小關(guān)系，可防止在控制頻帶，機(jī)械系統(tǒng)的相位延遲180°的情況。由此，可使控制器(6)的控制對(duì)象穩(wěn)定，可像圖3那樣，按照 比例，或比例積分簡(jiǎn)單地構(gòu)成控制器(6)的電路結(jié)構(gòu)。在由方框圖所示的圖3的控制器(6)中，通過傳感器輸出運(yùn)算電路(14)，對(duì)各傳感器(9)的檢測(cè)輸出P1、P2進(jìn)行加減法運(yùn)算，通過比較器(15)，將該運(yùn)算結(jié)果與基準(zhǔn)設(shè)定機(jī)構(gòu)(16)的目標(biāo)值相比較，對(duì)偏差進(jìn)行運(yùn)算，還通過PI補(bǔ)償電路(或P補(bǔ)償電路)(17)，對(duì)已運(yùn)算的偏差，進(jìn)行磁軸承裝置(I)相對(duì)應(yīng)而適當(dāng)?shù)卦O(shè)定的比例積分(或比例)處理，由此，對(duì)電磁鐵(9)的控制信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算。PI補(bǔ)償電路(或P補(bǔ)償電路)(17)的輸出經(jīng)由二極管(18)、(19)，輸入到驅(qū)動(dòng)各向的電磁鐵(7a)、(7b)的電源電路(20)、(21)中。電磁鐵(7a), (7b)為與圖2所示的推力板(8)面對(duì)的一對(duì)電磁鐵(7)，只作用有吸引力，由此，預(yù)先通過二極管(18)、(19)確定電流的方向，有選擇地驅(qū)動(dòng)2個(gè)電磁鐵(7a)、(7b)。像這樣，在適用于磁軸承裝置I的實(shí)施形態(tài)中，由于像(2)式那樣設(shè)定上述合成彈簧和電磁鐵(7)的彈簧的負(fù)的剛性的大小關(guān)系，故可形成使控制器￠)的控制對(duì)象穩(wěn)定的方案，可使控制器出)的電路方 案為比例或比例積分的簡(jiǎn)單的方案。
權(quán)利要求1.一種新型的帶磁軸承裝置的水泵水輪機(jī)，包括磁軸承裝置(I)、主軸(2)、葉輪(3)、定子上蓋板(4)、主軸外殼(5)、控制器￠)、電磁鐵(7)、凸圓狀推力板(8)、軸向力傳感器(9)、軸承外殼(10)、滾動(dòng)軸承(11)、迷宮式密封(12)、彈簧(13)、電機(jī)(14)，上述的磁軸承裝置，采用滾動(dòng)軸承和磁軸承組合裝置，其特征在于其適用于主軸(2)的支承，該主軸通過電機(jī)(14)帶動(dòng)水泵水輪機(jī) 葉輪(3)對(duì)流體做功。
專利摘要本實(shí)用新型的目的在于提供一種新型的帶磁軸承裝置的水泵水輪機(jī)，其可進(jìn)行穩(wěn)定的控制，控制器的結(jié)構(gòu)也可簡(jiǎn)化，且可并用滾動(dòng)軸承和磁軸承，滾動(dòng)軸承(11)承受徑向負(fù)荷，磁軸承承受軸向負(fù)荷和軸承預(yù)壓中的任意一者或兩者，電磁鐵(7)以下述方式安裝于主軸外殼(5)上，該方式與和主軸(2)垂直而同軸地設(shè)置的由強(qiáng)磁性體形成的凸緣狀的推力板(8)非接觸地面對(duì)的方式安裝于主軸外殼上，具有對(duì)應(yīng)于檢測(cè)作用于軸向的力的傳感器(9)的輸出，控制電磁鐵(7)的控制器(6)，具有由滾動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承的支承系統(tǒng)形成的合成彈簧的剛性值大于電磁鐵的負(fù)的剛性值的關(guān)系。通過磁軸承裝置，實(shí)現(xiàn)了水泵水輪機(jī)軸承機(jī)械磨損小、耗功低、壽命長(zhǎng)、精度高等性能。
文檔編號(hào)F04D29/048GK203114652SQ201320109069
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月7日
發(fā)明者朱榮生, 龍?jiān)? 付強(qiáng), 王秀禮 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)