专利名称：一种新型的带磁轴承装置的水泵水轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的带磁轴承装置的水泵水轮机，特别涉及一种可并用滚动轴承和磁轴承装置的水泵水轮机。
背景技术：
目前，熟知的水泵水轮机主要由电动机、轴封组件和水力部件组成。叶轮、主轴、泵壳之间通过轴承来支承轴及其转动零件，并保持轴的旋转精度。目前国内外对水泵水轮机的轴承设计应用做了很多研究，但克服水泵水轮机对轴承机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、高速、高精度、无需润滑、无油污的性能要求仍有很多途径。
发明内容为解决上述问题，本发明涉及一种新型的带磁轴承装置的水泵水轮机，其采用滚动轴承和磁轴承组合装置，通过磁轴承，承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者。本发明涉及比如，抽水蓄能电站中水泵水轮机组件等所采用的磁轴承装置，通过该装置来达到机械磨损小、低耗功、寿命长、闻速、闻精度等性能是一种非常有效的方法。实现上述目的所采用的技术方案是:本发明的目的在于提供一种磁轴承装置，其中，可进行稳定的控制，控制器的结构也可简化。本发明设计的磁轴承装置并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承支承径向负荷，磁轴承承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者，电磁铁按照与和主轴垂直而同轴地设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板非接触地以面对的方式安装于主轴外壳上，具有对应于检测作用于轴向力的传感器的输出，控制电磁铁的控制器，具有由滚动轴承和滚动轴承的支承系统形成的合成弹·簧的刚性值大于电磁铁的负的刚性值的关系。在该方案的磁轴承装置中，由于并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承承受径向负荷，磁轴承承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者，故进行轴向的精度良好的支承，同时可确保滚动轴承的长期耐久性，避免仅仅采用磁轴承支承的场合在电源停止时的损伤。另外，由于形成由滚动轴承和滚动轴承的支承系统形成的合成弹簧的刚性值大于电磁铁的负的刚性值的关系，故可防止在控制频带，机械系统的相位延迟为180°的情况。由此，控制对象稳定，控制器的电路结构为比例或比例积分等的简单的结构，即使这样，仍可进行稳定的控制。其特征在于:本发明是一种新型的带磁轴承装置的水泵水轮机，包括磁轴承装置(I)、主轴⑵、叶轮⑶、定子上盖板(4)、主轴外壳(5)、控制器(6)、电磁铁(7)、凸缘状推力板(8)、轴向力传感器(9)、轴承外壳(10)、滚动轴承(11)、迷宫式密封(12)、弹簧(13)，上述的磁轴承装置，采用滚动轴承和磁轴承组合装置，其特征在于其适用于主轴(2)的支承，该主轴通过电机带动水泵水轮机叶轮(3)对流体做功。本发明有益效果是:通过磁轴承装置，实现了水泵水轮机轴承机械磨损小、耗功低、寿命长、精度高等性能。[0009]本发明采用的磁轴承，是一种新型高性能轴承。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用高速、真空、超净等特殊环境。可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域，被公认为极有前途的新型轴承。
[0010]图1是本发明一个实施例的带磁轴承的水泵水轮机结构图。[0011]图2是同一实施例的磁轴承示意图。[0012]图3是控制器实例方框图。[0013]图中:1.磁轴承装置，2.主轴，3.叶轮，4.定子上盖板，5.主轴外壳，6.控制器，7.电磁铁，8.凸圆状推力板，9.轴向力传感器，10.轴承外壳，11.滚动轴承，12.迷宫式密封，13.弹簧。
具体实施方式
[0014]图1、图2、图3共同确定了本实施例中带磁轴承的水泵水轮机结构形式。如果主轴的支承并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承承受径向负荷，磁轴承承受轴向负荷与轴承预压中的任意一者或两者，则进行主轴的轴向的限制，另外，也不会在仅仅采用磁轴承支承的场合，产生电源停止时的接触的问题。[0015]在本方案的场合，按照与和主轴垂直而同轴设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板不接触且采用面对的方式，设置磁轴承的电磁铁，对应于检测轴向的力的传感器的输出，通过控制器控制电磁铁。[0016]如果通过滚动轴承，支承叶片的主轴，则通过滚动轴承所具有的轴向位置的限制功能，限制主轴位置。在具有这样的轴向位置的限制功能的滚动轴承的场合，高速旋转的轴承的上述推力的长期耐 久性的降低成为问题，但是，由于通过电磁铁支承推力，故可确保滚动轴承的长期耐久性。[0017]结合图1和图2，对本发明的实施形态进行说明。图1表示组装有本发明的磁轴承装置的水泵水轮机组件剖视图。该水泵水轮机组件包括电动机、轴封组件和泵水力部件，叶轮(3)和电动机分别安装于主轴(2)的两端。通过由电动机产生的动力，驱动叶轮(3)旋转对流体做功。[0018]该水泵水轮机中的磁轴承装置相对径向，通过轴承(11)支承主轴(2)，通过构成磁轴承的电磁铁(7)，承受作用于主轴(2)上的推力。该水泵水轮机磁轴承组件包括传感器(9)，该传感器(9)检测作用于主轴(2)上的推力；该控制器(6)对应于该传感器(9)的输出，控制电磁铁(7)的支承力。电磁铁(7)安装在主轴⑵的中间，与主轴⑵垂直而同轴设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板(8)的两面非接触地面对的方式设置于接纳有主轴的主轴外壳(5)上。[0019]支承主轴(2)的轴承(11)为滚动轴承，具有轴向位置的限制功能，比如，采用深槽球轴承、角接触球轴承。在深槽球轴承的场合，具有双向的推力承受功能，具有将内外圈的轴向位置返回到中立位置的作用。该轴承(11)设置于主轴外壳(5)中叶轮的附近。[0020]主轴外壳(5)侧边的轴承(11)的部分按照内径面接近主轴(13)的直径形成，在该内径面上形成非接触密封件(12)。在本实施形态中，非接触密封件(12)构成迷宫式密封件。上述传感器(9)设置于轴承(11)附近的静止侧，即主轴外壳(5)侦彳。在附近设置有该传感器(9)的轴承(11)的外圈在固定状态，嵌合于轴承外壳(10)的内部。轴承外壳
(10)呈环状，在一端具有与轴承(11)的外圈幅面卡合的内凸缘，按照可沿轴向移动的方式与设置于主轴外壳(10)上的内径面嵌合。内凸缘设置于轴向的中间侧端。传感器(9)的非设置侧的轴承(11)按照可相对主轴外壳(10)，沿轴向移动的方式设置，并且通过轴承预压弹簧(13)弹性地支承传感器(9)分配设置于围绕主轴(2)的圆周方向的多个部位，介设于轴承外壳的内凸缘侧的幅面与固定于主轴外壳(5)上的部件的一个电磁铁(7)之间。另外，在传感器(9)中，通过传感器预压弹簧(13)外加预压。传感器预压弹簧(13)使接纳于设在主轴外壳(5)上的接纳凹部内的轴承(11)的外圈沿轴向偏置，通过外圈和轴承外壳，对传感器(9)进行预压。传感器预压弹簧(13)由设置于围绕主轴(2)的圆周方向多个部位的螺旋弹簧等构成。由于通过按压力，检测推力的传感器(9)即使相对主轴(2)的轴向的任意方向的移动，仍可检测，故传感器预压弹簧(13)的预压为水泵水轮机的通常的运转状态，作用于主轴(2)上的平均的推力以上的值。上述磁轴承装置的力学模型可通过简单的弹簧系统构成。即，该弹簧系统为下述的方案，其中，由轴承(11)和这些轴承的支承系统(传感器预压弹簧(13)、轴承外壳等)构成的合成弹簧与电磁铁(7)的弹簧并列。在该弹簧系统中，由轴承(11)这些轴承的支承系统构成的合成弹簧具有沿与位移方向相反的方向与位移量成比例而作用的刚性，相对该情况，电磁铁(7)的弹簧具有沿位移方向与位移量成比例作用的负的刚性。由此，在上述合成弹簧和电磁铁的弹簧的刚性的大小关系为:合成弹簧的刚性< 电磁铁的负的刚性值......(I)机械系统的相位延迟180°，形成不稳定的系统，由此，在控制电磁铁(7)的控制器(6)中，必须预先附加相位补偿电路，控制器(6)的结构复杂。于是，在该实施形态的磁轴承装置中，上述合成弹簧的刚性和电磁铁(7)的弹簧的刚性的大小关系为:合成弹簧的刚性> 电磁铁的负的刚性值......(2)像(2)那样，通过设定上述合成弹簧和电磁铁的弹簧的刚性的大小关系，可防止在控制频带，机械系统的相位延迟180°的情况。由此，可使控制器(6)的控制对象稳定，可像图3那样，按照 比例，或比例积分简单地构成控制器(6)的电路结构。在由方框图所示的图3的控制器(6)中，通过传感器输出运算电路(14)，对各传感器(9)的检测输出P1、P2进行加减法运算，通过比较器(15)，将该运算结果与基准设定机构(16)的目标值相比较，对偏差进行运算，还通过PI补偿电路(或P补偿电路)(17)，对已运算的偏差，进行磁轴承装置(I)相对应而适当地设定的比例积分(或比例)处理，由此，对电磁铁(9)的控制信号进行运算。PI补偿电路(或P补偿电路)(17)的输出经由二极管(18)、(19)，输入到驱动各向的电磁铁(7a)、(7b)的电源电路(20)、(21)中。电磁铁(7a), (7b)为与图2所示的推力板(8)面对的一对电磁铁(7)，只作用有吸引力，由此，预先通过二极管(18)、(19)确定电流的方向，有选择地驱动2个电磁铁(7a)、(7b)。像这样，在适用于磁轴承装置I的实施形态中，由于像(2)式那样设定上述合成弹簧和电磁铁(7)的弹簧的负的刚性的大小关系，故可形成使控制器￠)的控制对象稳定的方案，可使控制器出)的电路方 案为比例或比例积分的简单的方案。
权利要求1.一种新型的带磁轴承装置的水泵水轮机，包括磁轴承装置(I)、主轴(2)、叶轮(3)、定子上盖板(4)、主轴外壳(5)、控制器￠)、电磁铁(7)、凸圆状推力板(8)、轴向力传感器(9)、轴承外壳(10)、滚动轴承(11)、迷宫式密封(12)、弹簧(13)、电机(14)，上述的磁轴承装置，采用滚动轴承和磁轴承组合装置，其特征在于其适用于主轴(2)的支承，该主轴通过电机(14)带动水泵水轮机 叶轮(3)对流体做功。
专利摘要本实用新型的目的在于提供一种新型的带磁轴承装置的水泵水轮机，其可进行稳定的控制，控制器的结构也可简化，且可并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承(11)承受径向负荷，磁轴承承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者，电磁铁(7)以下述方式安装于主轴外壳(5)上，该方式与和主轴(2)垂直而同轴地设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板(8)非接触地面对的方式安装于主轴外壳上，具有对应于检测作用于轴向的力的传感器(9)的输出，控制电磁铁(7)的控制器(6)，具有由滚动轴承和滚动轴承的支承系统形成的合成弹簧的刚性值大于电磁铁的负的刚性值的关系。通过磁轴承装置，实现了水泵水轮机轴承机械磨损小、耗功低、寿命长、精度高等性能。
文档编号F04D29/048GK203114652SQ201320109069
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月7日 优先权日2013年3月7日
发明者朱荣生, 龙云, 付强, 王秀礼 申请人:江苏大学
技术领域：
本发明涉及一种新型的带磁轴承装置的水泵水轮机，特别涉及一种可并用滚动轴承和磁轴承装置的水泵水轮机。
背景技术：
目前，熟知的水泵水轮机主要由电动机、轴封组件和水力部件组成。叶轮、主轴、泵壳之间通过轴承来支承轴及其转动零件，并保持轴的旋转精度。目前国内外对水泵水轮机的轴承设计应用做了很多研究，但克服水泵水轮机对轴承机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、高速、高精度、无需润滑、无油污的性能要求仍有很多途径。
发明内容为解决上述问题，本发明涉及一种新型的带磁轴承装置的水泵水轮机，其采用滚动轴承和磁轴承组合装置，通过磁轴承，承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者。本发明涉及比如，抽水蓄能电站中水泵水轮机组件等所采用的磁轴承装置，通过该装置来达到机械磨损小、低耗功、寿命长、闻速、闻精度等性能是一种非常有效的方法。实现上述目的所采用的技术方案是:本发明的目的在于提供一种磁轴承装置，其中，可进行稳定的控制，控制器的结构也可简化。本发明设计的磁轴承装置并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承支承径向负荷，磁轴承承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者，电磁铁按照与和主轴垂直而同轴地设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板非接触地以面对的方式安装于主轴外壳上，具有对应于检测作用于轴向力的传感器的输出，控制电磁铁的控制器，具有由滚动轴承和滚动轴承的支承系统形成的合成弹·簧的刚性值大于电磁铁的负的刚性值的关系。在该方案的磁轴承装置中，由于并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承承受径向负荷，磁轴承承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者，故进行轴向的精度良好的支承，同时可确保滚动轴承的长期耐久性，避免仅仅采用磁轴承支承的场合在电源停止时的损伤。另外，由于形成由滚动轴承和滚动轴承的支承系统形成的合成弹簧的刚性值大于电磁铁的负的刚性值的关系，故可防止在控制频带，机械系统的相位延迟为180°的情况。由此，控制对象稳定，控制器的电路结构为比例或比例积分等的简单的结构，即使这样，仍可进行稳定的控制。其特征在于:本发明是一种新型的带磁轴承装置的水泵水轮机，包括磁轴承装置(I)、主轴⑵、叶轮⑶、定子上盖板(4)、主轴外壳(5)、控制器(6)、电磁铁(7)、凸缘状推力板(8)、轴向力传感器(9)、轴承外壳(10)、滚动轴承(11)、迷宫式密封(12)、弹簧(13)，上述的磁轴承装置，采用滚动轴承和磁轴承组合装置，其特征在于其适用于主轴(2)的支承，该主轴通过电机带动水泵水轮机叶轮(3)对流体做功。本发明有益效果是:通过磁轴承装置，实现了水泵水轮机轴承机械磨损小、耗功低、寿命长、精度高等性能。[0009]本发明采用的磁轴承，是一种新型高性能轴承。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用高速、真空、超净等特殊环境。可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域，被公认为极有前途的新型轴承。
[0010]图1是本发明一个实施例的带磁轴承的水泵水轮机结构图。[0011]图2是同一实施例的磁轴承示意图。[0012]图3是控制器实例方框图。[0013]图中:1.磁轴承装置，2.主轴，3.叶轮，4.定子上盖板，5.主轴外壳，6.控制器，7.电磁铁，8.凸圆状推力板，9.轴向力传感器，10.轴承外壳，11.滚动轴承，12.迷宫式密封，13.弹簧。
具体实施方式
[0014]图1、图2、图3共同确定了本实施例中带磁轴承的水泵水轮机结构形式。如果主轴的支承并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承承受径向负荷，磁轴承承受轴向负荷与轴承预压中的任意一者或两者，则进行主轴的轴向的限制，另外，也不会在仅仅采用磁轴承支承的场合，产生电源停止时的接触的问题。[0015]在本方案的场合，按照与和主轴垂直而同轴设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板不接触且采用面对的方式，设置磁轴承的电磁铁，对应于检测轴向的力的传感器的输出，通过控制器控制电磁铁。[0016]如果通过滚动轴承，支承叶片的主轴，则通过滚动轴承所具有的轴向位置的限制功能，限制主轴位置。在具有这样的轴向位置的限制功能的滚动轴承的场合，高速旋转的轴承的上述推力的长期耐 久性的降低成为问题，但是，由于通过电磁铁支承推力，故可确保滚动轴承的长期耐久性。[0017]结合图1和图2，对本发明的实施形态进行说明。图1表示组装有本发明的磁轴承装置的水泵水轮机组件剖视图。该水泵水轮机组件包括电动机、轴封组件和泵水力部件，叶轮(3)和电动机分别安装于主轴(2)的两端。通过由电动机产生的动力，驱动叶轮(3)旋转对流体做功。[0018]该水泵水轮机中的磁轴承装置相对径向，通过轴承(11)支承主轴(2)，通过构成磁轴承的电磁铁(7)，承受作用于主轴(2)上的推力。该水泵水轮机磁轴承组件包括传感器(9)，该传感器(9)检测作用于主轴(2)上的推力；该控制器(6)对应于该传感器(9)的输出，控制电磁铁(7)的支承力。电磁铁(7)安装在主轴⑵的中间，与主轴⑵垂直而同轴设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板(8)的两面非接触地面对的方式设置于接纳有主轴的主轴外壳(5)上。[0019]支承主轴(2)的轴承(11)为滚动轴承，具有轴向位置的限制功能，比如，采用深槽球轴承、角接触球轴承。在深槽球轴承的场合，具有双向的推力承受功能，具有将内外圈的轴向位置返回到中立位置的作用。该轴承(11)设置于主轴外壳(5)中叶轮的附近。[0020]主轴外壳(5)侧边的轴承(11)的部分按照内径面接近主轴(13)的直径形成，在该内径面上形成非接触密封件(12)。在本实施形态中，非接触密封件(12)构成迷宫式密封件。上述传感器(9)设置于轴承(11)附近的静止侧，即主轴外壳(5)侦彳。在附近设置有该传感器(9)的轴承(11)的外圈在固定状态，嵌合于轴承外壳(10)的内部。轴承外壳
(10)呈环状，在一端具有与轴承(11)的外圈幅面卡合的内凸缘，按照可沿轴向移动的方式与设置于主轴外壳(10)上的内径面嵌合。内凸缘设置于轴向的中间侧端。传感器(9)的非设置侧的轴承(11)按照可相对主轴外壳(10)，沿轴向移动的方式设置，并且通过轴承预压弹簧(13)弹性地支承传感器(9)分配设置于围绕主轴(2)的圆周方向的多个部位，介设于轴承外壳的内凸缘侧的幅面与固定于主轴外壳(5)上的部件的一个电磁铁(7)之间。另外，在传感器(9)中，通过传感器预压弹簧(13)外加预压。传感器预压弹簧(13)使接纳于设在主轴外壳(5)上的接纳凹部内的轴承(11)的外圈沿轴向偏置，通过外圈和轴承外壳，对传感器(9)进行预压。传感器预压弹簧(13)由设置于围绕主轴(2)的圆周方向多个部位的螺旋弹簧等构成。由于通过按压力，检测推力的传感器(9)即使相对主轴(2)的轴向的任意方向的移动，仍可检测，故传感器预压弹簧(13)的预压为水泵水轮机的通常的运转状态，作用于主轴(2)上的平均的推力以上的值。上述磁轴承装置的力学模型可通过简单的弹簧系统构成。即，该弹簧系统为下述的方案，其中，由轴承(11)和这些轴承的支承系统(传感器预压弹簧(13)、轴承外壳等)构成的合成弹簧与电磁铁(7)的弹簧并列。在该弹簧系统中，由轴承(11)这些轴承的支承系统构成的合成弹簧具有沿与位移方向相反的方向与位移量成比例而作用的刚性，相对该情况，电磁铁(7)的弹簧具有沿位移方向与位移量成比例作用的负的刚性。由此，在上述合成弹簧和电磁铁的弹簧的刚性的大小关系为:合成弹簧的刚性< 电磁铁的负的刚性值......(I)机械系统的相位延迟180°，形成不稳定的系统，由此，在控制电磁铁(7)的控制器(6)中，必须预先附加相位补偿电路，控制器(6)的结构复杂。于是，在该实施形态的磁轴承装置中，上述合成弹簧的刚性和电磁铁(7)的弹簧的刚性的大小关系为:合成弹簧的刚性> 电磁铁的负的刚性值......(2)像(2)那样，通过设定上述合成弹簧和电磁铁的弹簧的刚性的大小关系，可防止在控制频带，机械系统的相位延迟180°的情况。由此，可使控制器(6)的控制对象稳定，可像图3那样，按照 比例，或比例积分简单地构成控制器(6)的电路结构。在由方框图所示的图3的控制器(6)中，通过传感器输出运算电路(14)，对各传感器(9)的检测输出P1、P2进行加减法运算，通过比较器(15)，将该运算结果与基准设定机构(16)的目标值相比较，对偏差进行运算，还通过PI补偿电路(或P补偿电路)(17)，对已运算的偏差，进行磁轴承装置(I)相对应而适当地设定的比例积分(或比例)处理，由此，对电磁铁(9)的控制信号进行运算。PI补偿电路(或P补偿电路)(17)的输出经由二极管(18)、(19)，输入到驱动各向的电磁铁(7a)、(7b)的电源电路(20)、(21)中。电磁铁(7a), (7b)为与图2所示的推力板(8)面对的一对电磁铁(7)，只作用有吸引力，由此，预先通过二极管(18)、(19)确定电流的方向，有选择地驱动2个电磁铁(7a)、(7b)。像这样，在适用于磁轴承装置I的实施形态中，由于像(2)式那样设定上述合成弹簧和电磁铁(7)的弹簧的负的刚性的大小关系，故可形成使控制器￠)的控制对象稳定的方案，可使控制器出)的电路方 案为比例或比例积分的简单的方案。
权利要求1.一种新型的带磁轴承装置的水泵水轮机，包括磁轴承装置(I)、主轴(2)、叶轮(3)、定子上盖板(4)、主轴外壳(5)、控制器￠)、电磁铁(7)、凸圆状推力板(8)、轴向力传感器(9)、轴承外壳(10)、滚动轴承(11)、迷宫式密封(12)、弹簧(13)、电机(14)，上述的磁轴承装置，采用滚动轴承和磁轴承组合装置，其特征在于其适用于主轴(2)的支承，该主轴通过电机(14)带动水泵水轮机 叶轮(3)对流体做功。
专利摘要本实用新型的目的在于提供一种新型的带磁轴承装置的水泵水轮机，其可进行稳定的控制，控制器的结构也可简化，且可并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承(11)承受径向负荷，磁轴承承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者，电磁铁(7)以下述方式安装于主轴外壳(5)上，该方式与和主轴(2)垂直而同轴地设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板(8)非接触地面对的方式安装于主轴外壳上，具有对应于检测作用于轴向的力的传感器(9)的输出，控制电磁铁(7)的控制器(6)，具有由滚动轴承和滚动轴承的支承系统形成的合成弹簧的刚性值大于电磁铁的负的刚性值的关系。通过磁轴承装置，实现了水泵水轮机轴承机械磨损小、耗功低、寿命长、精度高等性能。
文档编号F04D29/048GK203114652SQ201320109069
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月7日 优先权日2013年3月7日
发明者朱荣生, 龙云, 付强, 王秀礼 申请人:江苏大学
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