CN103795298B - 一种水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置，包括主轴、内铁芯、电磁铁励磁绕组、永磁环和衔铁，所述内铁芯为环状结构，内铁芯套在主轴的外围，且与主轴间隙配合；所述永磁环为径向极化的永磁环，永磁环的高度低于内铁芯的高度，永磁环无间隙地套在内铁芯外围的底端，且永磁环的底面与内铁芯的底面齐平；所述电磁铁励磁绕组通过绝缘材料浇注在永磁环的上面和内铁芯的外围，绝缘材料将内铁芯、永磁环和电磁铁励磁绕组浇注为一体；所述衔铁为圆环状，衔铁固定在主轴的外围、且位于永磁环的下方，衔铁与永磁环之间为间隙配合。上述装置可有效地改善转子运转条件，降低故障发生率，延长机组使用寿命，降低维修成本。

Description

一种水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置

技术领域

本发明专利涉及电气控制工程技术领域，具体说是一种水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置。

背景技术

水轮发电机组作为水电站的核心设备，性能良好、故障率低、使用寿命长是水轮发电机组实现安全运行的基本要求。经过许多年科研人员和工程技术人员的努力，水轮机技术得到了很大的发展，已经形成了比较成熟的水力发电技术。

目前大中型水力发电机组基本上采用立轴式结构，立式水轮发电机组转子系统的主要重量是通过主轴传递给座环，然后传递给承力墩的方式支承，也就是说水轮机的转轮和发电机转子通过主轴连接在一起。由于水轮机组的转子系统重量很大，在其工作过程中必然会对它的承重设施有着很高的要求，传统的承重方式主要是采用推力轴承。推力轴承承受整个机组转动部分的重量以及水轮机轴向的水推力，在长期重负状态下常使油膜破坏，使轴承摩擦发热烧毁，存在严重的摩擦和机械牢固性老化等问题。现有的电磁装置存在尺寸较大，占用的空间体积也较大，现场安装时可能会受到安装空间的限制，因此需要对系统进行改进，在有限体积情况下产生更大的电磁力，或在产生同样电磁力的情况下，使系统体积减小。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明一种水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置，包括主轴、内铁芯、电磁铁励磁绕组、永磁环和衔铁，所述内铁芯为环状结构，内铁芯套在主轴的外围，且与主轴间隙配合；所述永磁环为径向极化的永磁环，永磁环的高度低于内铁芯的高度，永磁环无间隙地套在内铁芯外围的底端，且永磁环的底面与内铁芯的底面齐平；所述电磁铁励磁绕组通过绝缘材料浇注在永磁环的上面和内铁芯的外围，绝缘材料将内铁芯、永磁环和电磁铁励磁绕组浇注为一体；所述衔铁为圆环状，衔铁固定在主轴的外围、且位于永磁环的下方，衔铁与永磁环之间为间隙配合。

使用时，主轴上设有推力轴承，可将上述装置装在推力轴承的上方，内铁芯固定在静止的支撑物上,通过永磁体环产生的吸力和电磁磁浮装置产生的吸力共同承担水轮发电机组轴向负荷，可以很大程度上提高承载力水平，从而可以减小整个装置的体积和励磁损耗；利用产生的磁力来减载水轮发电机组转动部分的轴向重量，进而减少施加在推力轴承上的力；其中电磁力采用可调节形式，通过调节励磁电流的大小来调节产生的电磁力，实现合理分配水轮发电机组重量的分担；径向极化的永磁体环对衔铁产生永磁吸引力与电磁磁力共同提供电永磁磁力减载装置提供的减载力。该装置将衔铁固定在主轴靠发电机一端。

上述水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置还包括上铁轭，上铁轭为圆环状，上铁轭套在主轴的外围、且与主轴间隙配合；上铁轭连接在内铁芯的顶部；所述电磁铁励磁绕组通过绝缘材料浇注在上铁轭、内铁芯和永磁环构成的腔体内。这样可对电磁铁励磁绕组和内铁芯起到很好的保护作用，使用上将上铁轭固定在静止的支撑物上即可。

上述上铁轭与主轴之间的间隙与内铁芯与主轴之间的间隙相等。这样更便于操作。

上述水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置还包括侧铁轭，侧铁轭为圆环状，侧铁轭与内铁芯等高，侧铁轭设在主轴的外围，侧铁轭的顶部与上铁轭的底部连接，上铁轭、侧铁轭、内铁芯和永磁环之间构成密闭的腔体，电磁铁励磁绕组通过绝缘材料浇注在密闭的腔体内。这样可对永磁环和电磁铁励磁绕组起到更好保护作用。

上述水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置，还包括沿主轴外围设置的推力盘固定支撑，衔铁通过推力盘固定支撑固定在主轴的外围。这样进一步提高衔铁的稳定性。

工作原理：当激励线圈通以直流电流时，电磁铁会对衔铁产生电磁吸力，给衔铁一向上的力，同时，永磁环的磁场在电磁场的作用下，其主磁通通过衔铁进行闭合，从而永磁体对衔铁产生吸力。永磁吸力与电磁吸力共同作用，衔铁与主轴相连，所以向上的力通过衔铁传递给主轴，进而抵消大部分轴向重力，很大程度上减少了施加在推力轴承上的重量，从而减少了因推力轴承所导致的机组故障（如油膜击穿，推力瓦变形，机械老化等）。本装置虽然分担大部分的轴向重量，但并不使机组转子部分全部悬浮，在此情形下机组能够更加良好和平稳地运行。同时，永磁装置有零污染，零损耗等优点，用它承担一部分负重，比单独使用电磁装置所需的空间体积更小，所需材料成本也更小；产生的励磁损耗更小，装置的发热也更小。施加在推力轴承上的轴向负荷力得到大幅减小，因而可以降低对推力轴承的要求，有效节约成本。

通过水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置对轴向负载的分担，可以有效地改善转子运转条件，降低故障发生率，延长机组使用寿命，降低维修成本。

附图说明

图1为本发明水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置使用状态图。

图2为本发明水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置结构示意图。

图3为本发明水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置减载力和原电磁减载装置减载力与匝数电流实例关系示意图。

图中1为主轴与内铁芯间的气隙；2为侧铁轭；3为电磁铁励磁绕组；4为永磁环与衔铁间的气隙；5为衔铁；6为内铁芯；7为上铁轭；8为上支撑土木基础；9为主轴；10为永磁环；11为推力盘固定支撑；12为下支撑土木基础；13为绝缘层；14为推力轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1

如图1、2所示，水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置，包括主轴9、内铁芯6、电磁铁励磁绕组3、上铁轭7、侧铁轭2、永磁环10、衔铁5和推力盘固定支撑11，所述内铁芯6为环状结构，内铁芯6套在主轴9的外围，且与主轴9间隙配合；所述永磁环10为径向极化的永磁环10，永磁环10的高度低于内铁芯6的高度，永磁环10无间隙地套在内铁芯6外围的底端，且永磁环10的底面与内铁芯6的底面齐平；上铁轭7为圆环状，上铁轭7套在主轴9的外围、且与主轴9间隙配合，上铁轭7与主轴9之间的间隙与内铁芯6与主轴9之间的间隙相等，且上铁轭7连接在内铁芯6的顶部；侧铁轭2为圆环状，侧铁轭2与内铁芯6等高，侧铁轭2设在主轴9的外围，侧铁轭2的顶部与上铁轭7的底部连接，上铁轭7、侧铁轭2、内铁芯6和永磁环10之间构成密闭的腔体，电磁铁励磁绕组3通过绝缘材料浇注在密闭的腔体内；所述衔铁5为圆环状，衔铁5通过推力盘固定支撑11固定在主轴9的外围、且位于永磁环10的下方，衔铁5与永磁环10之间为间隙配合。

上铁轭7固定在上支撑土木基础8上，推力轴承14固定在下支撑土木基础12上。

根据磁路计算理论可得

$R_g=\frac{g}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_A}+\frac{g}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_B}---\left(1\right)$

$R_m=\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_m{h}_3}\ln \frac{d_{34}}{d_{12}}---\left(2\right)$

$R_{\mathrm{iron}}=\frac{h_2+\frac{h_1}{2}+\frac{h_3}{2}}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r}(\frac{1}{S_A}+\frac{1}{S_B})+\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r}(\frac{1}{h_1}+\frac{1}{h_3})\ln \frac{d_{34}}{d_{12}}---\left(3\right)$

其中μ₀为真空磁导率；μ_m为永磁体磁导率；μ_r为铁磁材料磁导率； $S_B=\frac{\mathrm{\π}}{4}({d_4}^2-d_3^2);$ $S_A=\frac{\mathrm{\π}}{4}({d_2}^2-d_1^2);d_{12}=\frac{d_1+d_2}{2};d_{34}=\frac{d_3+d_4}{2}.$

磁路总磁压为

U=Ni+H_cl_m（4）

从而，电磁磁浮的闭合磁路的总磁通为

${\mathrm{\φ}}_1=\frac{\mathrm{Ni}}{R_g+R_{\mathrm{iron}}}=\frac{\mathrm{Ni}}{\frac{g}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_A}+\frac{g}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_B}+\frac{h_2+\frac{h_1}{2}+\frac{h_3}{2}}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r}(\frac{1}{S_1}+\frac{1}{S_2})+\frac{1}{2\mathrm{\π\μ}}(\frac{1}{h_1}+\frac{1}{h_3})\ln \frac{d_{34}}{d_{12}}}---\left(5\right)$

永磁磁浮闭合回路的总磁通为

${\mathrm{\φ}}_2=\frac{\mathrm{Ni}}{R_g+R_m}=\frac{H_c{l}_m}{\frac{g}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_A}+\frac{g}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_B}+\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_m{h}_3}\ln \frac{d_{34}}{d_{12}}}---\left(6\right)$

根据电磁场的基本理论：

$F=\frac{{({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)}^2}{2{\mathrm{\μ}}_0{S}_A}+\frac{{({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)}^2}{2{\mathrm{\μ}}_0{S}_B}---\left(7\right)$

磁力的大小可以根据需要减载的程度设定，进而优化励磁电流的大小和线圈的匝数。

应用实施例1

以中国安康水电站转子系统的支承方式为例，其采用推力轴承14，推力总负荷为1600t，水轮机型号为HL-220-LT-550，主轴9直径1.9m，转轮直径5.5m，额定转速107.1r/min，平均水头76.2m。设计混合磁悬浮装置提供磁浮力增加到承重总负荷的，80%～85%，约为1280t～1360t。

设计装置尺寸大小：d₁=2m，d₂=3.5m，d₃=4.7m，d₄=5.5m，h₁=0.2m,h₂=0.6m,h₃=0.2m，h₄=0.3m，g=5mm,l_m=0.6m。本设计铁芯材料取锻钢材质，相对磁导率μ_r=1000。环形永磁体采用钕铁硼永磁材料，剩余磁感应强度B_r=1.5T，矫顽力h_c=1200000A/m，相对磁导率μ_m=0.9947。

调节线圈匝数和励磁电流可以改变电永磁磁力减载装置提供的承载力的大小，本算例在其他条件不变的情况下，电永磁磁力减载装置提供的承载力与励磁线圈匝数、励磁电流之间的关系见附图3。

实例计算表明，用电永磁装置可以很大程度上减少了施加在推力轴承14上的轴向力，若N=4000,I=4.2A时，电永磁装置可以减载1318t，约为轴向总负荷的80%，这样推力轴承14仅需承担约20%轴向负荷，从根本上解决了推力轴承14因重载导致的停机故障。

在相同安匝数和尺寸下，与现电永磁装置相比较，原电磁装置仅减载707t，是电永磁减载程度的53.64%。如原电磁装置减载1318t，就要增大其装置尺寸或增大激励电流和线圈匝数，这样势必受到装置现场安装空间的限制，同时也会增加材料成本、增大励磁损势。

如果减载程度一定，设定为1280t，且气隙处的磁感应强度为1.65T，原电磁装置与电永磁装置的励磁电流和结构参数如表1所示，可见电永磁装置尺寸要比原电磁装置要小，更加节省安装空间，节省材料成本。相比原电磁装置，电永磁装置面积减小为原电磁装置的66%，体积为原电磁铁的46%。

电永磁磁力减载装置大幅减轻了水轮发电机组转子部分对推力轴承14的轴向压力，因而对推力轴承14的要求可以适当降低，有效节约成本。电永磁磁力减载装置采用电磁力和永磁力共同提供减载力，相比只有电磁磁力减载装置情况下可以提供更大的减载力。所以在给定要求减载力要求下，电永磁磁力减载装置所需的体积更小，从而占用空间更小，更容易满足现场安装条件要求，同时材料得到节省，节约了经济成本；也可减小所需励磁电流，从而降低励磁损耗，减小装置发热。

表1为本发明水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置与原电磁装置的励磁电流和结构尺寸对比表

表1

名称	原电磁减载装置	电永磁装置
			匝数N	5000	5000
励磁电流i	4.5A	3.75A
			气隙g	5mm	5mm
内圆环内径d1	2m	2m

内圆环外径d2	3.5m	3.4m
			外圆环内径d3	4.7m	4.3m
外圆环外径d4	5.5m	5.1m
			铁轭厚度h1	0.2m	0.2m4 -->
窗口高度h2	0.6m	0.3m
			衔铁厚度h3	0.2m	0.2m
永磁体厚度h4		0.15m

表1中原电磁减载装置参见申请号为200810196389.6的专利。

Claims (4)

1.一种水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置，其特征在于：包括主轴(9)、内铁芯(6)、电磁铁励磁绕组(3)、永磁环(10)和衔铁(5)，所述内铁芯(6)为环状结构，内铁芯(6)套在主轴(9)的外围，且与主轴(9)间隙配合；所述永磁环(10)为径向极化的永磁环(10)，永磁环(10)的高度低于内铁芯(6)的高度，永磁环(10)无间隙地套在内铁芯(6)外围的底端，且永磁环(10)的底面与内铁芯(6)的底面齐平；所述电磁铁励磁绕组(3)通过绝缘材料浇注在永磁环(10)的上面和内铁芯(6)的外围，绝缘材料将内铁芯(6)、永磁环(10)和电磁铁励磁绕组(3)浇注为一体；所述衔铁(5)为圆环状，衔铁(5)固定在主轴(9)的外围、且位于永磁环(10)的下方，衔铁(5)与永磁环(10)之间为间隙配合；还包括沿主轴(9)外围设置的推力盘固定支撑(11)，衔铁(5)通过推力盘固定支撑(11)固定在主轴(9)的外围。

2.如权利要求1所述的水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置，其特征在于：还包括上铁轭(7)，上铁轭(7)为圆环状，上铁轭(7)套在主轴(9)的外围、且与主轴(9)间隙配合；上铁轭(7)连接在内铁芯(6)的顶部；所述电磁铁励磁绕组(3)通过绝缘材料浇注在上铁轭(7)、内铁芯(6)和永磁环(10)构成的腔体内。

3.如权利要求2所述的水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置，其特征在于：上铁轭(7)与主轴(9)之间的间隙与内铁芯(6)与主轴(9)之间的间隙相等。

4.如权利要求2或3所述的水轮发电机组转子部分电永磁磁力减载装置，其特征在于：还包括侧铁轭(2)，侧铁轭(2)为圆环状，侧铁轭(2)与内铁芯(6)等高，侧铁轭(2)设在主轴(9)的外围，侧铁轭(2)的顶部与上铁轭(7)的底部连接，上铁轭(7)、侧铁轭(2)、内铁芯(6)和永磁环(10)之间构成密闭的腔体，电磁铁励磁绕组(3)通过绝缘材料浇注在密闭的腔体内。