CN108521240A - 一种用于水轮发电机的磁悬浮减载装置 - Google Patents

一种用于水轮发电机的磁悬浮减载装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，包括铁芯、设置在所述铁芯下侧面的多个环形的绕组和设置在铁芯下方并与绕组存在工作气隙的衔铁，所述铁芯固定设置，围绕水轮机大轴安装并与之保持间隙，所述衔铁固定安装在水轮机大轴上，铁芯下侧面设置有以水轮机大轴轴心为中心呈同心圆布置的多个环形的铁芯齿部，两相邻铁芯齿部之间为线槽，所述多个环形的绕组分别安装在各线槽中。本发明装置可以抵消水轮机向下的轴向力，从而来降低推力轴承的负荷。在不同的工况下，装置还可以根据推力轴承轴向负荷的变化，调节励磁电流来控制电磁力的大小，这样可以使推力轴承免受波动力的反复冲击，受力稳定，不易损坏，也有利于降低对发电机的干扰。

Description

一种用于水轮发电机的磁悬浮减载装置
技术领域
本发明涉及了一种立轴式水轮发电机组中用来克服轴向力的磁悬浮装置，属于水轮发电机系统关键技术和磁悬浮领域。
背景技术
目前，我国电力行业已到了一个繁荣发展时期，这个时期在正朝着规模强大的电网和机组方向发展，并具有高信息化程度和高科技的双高特点。在水利发电领域，我国已建成许多个单机容量700MW级的大型水电机组，并具有了自主研发的能力，但是，由于我国建设水电站地理环境恶劣，小容量的机组无疑会带来一系列问题，发展单机容量1000MW级以上的水轮发电装置可以整合并充分资源，提高经济效益，非常适合我国水利发电的发展现状。《我国“十三五”电力科技二十项重点关注技术》也明确提出“1000MW高性能大容量水电机组技术”是重点关注方向之一。
1000MW级水电机组容量大、尺寸大，其中一个重要的技术难点即是推力轴承。大型水轮机一般都采用立轴式结构，推力轴承是水轮发电机的关键部件，支撑着机组的全部轴向负荷，其性能的优劣对机组性能的发挥起着极其重要的作用。随着装机容量的日益增大，对推力轴承要求更高。而在超大负荷的长期运行下，摩擦和机械牢固性老化更进一步加剧，需要采用更大的PV值和轴瓦面积设计，而轴瓦压力和温度不平衡更会引起部件局部或整体变形，导致推力瓦局部瓦温或整体温升过高，影响推力轴承运行的可靠性。为了优化大型水轮发电机组推力轴承的结构、参数，提高其运行可靠性，大型发电设备制造企业均投入了大量的人力和物力，对推力轴承进行全面的研究。总的来说，推力轴承问题的解决方案可以分为两个技术方向，一方面通过在轴承设计的创新结构和新材料的运用上改进，提高轴承本身的负荷能力，另一方面利用其它技术手段减轻或分散轴承负荷是一种可行的方案。
磁悬浮技术是利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来，是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化技术(高新技术)。作为一项高科技技术，随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的发展，受到国内外的广泛关注，应用于磁悬浮列车、磁悬浮轴承、磁悬浮电机及各类特殊应用的领域，并取得了显著的成果。磁悬浮轴承和磁悬浮列车是研究关注最多的两个方向，目前已经进入工业化阶段。这些磁悬浮技术的发展为1000MW级巨型水轮发电机组的悬浮减载提供了理论基础和实际应用的可能。
发明内容
技术问题：为了克服立轴式水轮发电机现有承重装置推力轴承的负荷大、容易老化损坏、维护困难及经济代价大等问题，本发明提出一种结构简单可靠，可以为推力轴承克服大部分或全部轴向力，减少了维护频率、降低了经济成本的用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，该装置使轴承负荷大大降低的同时受力稳定，降低由于受力的波动引起的震动损坏及对发电系统的扰动。
技术方案：本发明的用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，采用电磁结构悬浮，包括铁芯、设置在所述铁芯下侧面的多个环形的绕组和设置在铁芯下方并与绕组存在工作气隙的衔铁，所述铁芯固定设置，围绕水轮机大轴安装并与之保持间隙，所述衔铁固定安装在水轮机大轴上，铁芯下侧面设置有以水轮机大轴轴心为中心呈同心圆布置的多个环形的铁芯齿部，两相邻铁芯齿部之间为线槽，所述多个环形的绕组分别安装在各线槽中。
进一步的，本发明装置中，所述多个环形的铁芯齿部的齿部径向宽度均不相同，使各铁芯齿部所受力矩相同，各绕组匝数相同。
进一步的，本发明装置中，所述铁芯下侧面上各线槽的宽度和高度相同，
进一步的，本发明装置中，所述多个铁芯齿部的宽度根据铁芯饱和磁密的临界值，利用线性规划法和粒子群寻优法优化设计得到的，所述铁芯上最外侧和最内侧的铁芯齿部的齿部径向宽度相同，两者之间的其余铁芯齿部的齿部径向宽度相同。
进一步的，本发明装置中，所述铁芯上最外侧和最内侧的铁芯齿部的齿部径向宽度，是两者之间的其余铁芯齿部的齿部径向宽度的44％。
进一步的，本发明装置中，所述绕组匝数根据铁芯饱和磁密的临界值，利用线性规划法和粒子群寻优法优化设计得到。
进一步的，本发明装置中，所述铁芯与水轮机大轴的间隙4-5倍于工作气隙的宽度，所述工作气隙宽度为4-10mm。
进一步的，本发明装置中，所述衔铁采用整块的钢结构。
进一步的，本发明装置中，所述铁芯上安装有用于实时监测工作气隙变化的6个位置传感器，所述6个位置传感器分两组，三个一组，其中一组的三个位于铁芯的侧面，两两相差120度，另外一组装于铁芯上面，两两相差120度。
本发明装置采用电磁磁悬浮技术和结构，对轴系系统产生一个向上的电磁提拉力，从而使得推力轴承减少或几乎不承担轴向负荷，只作为备用或保护轴承使用，已解决1000MW级的立式水轮发电机的推力轴承问题。
该装置设计为电磁悬浮结构，结构简单，便于控制及维护。考虑该装置的用途和水轮发电机组的安装特点及现实情况，单位体积产生的电磁力越大越好。在电磁悬浮结构中，电磁力与磁通密度和作用面积有关，磁密的大小受材料的饱和性限制，作用面积受水轮机内部安装空间及实际的操作性的限制，必须进行合理地设计优化。该装置设计为由电磁线圈、铁心和衔铁组成。铁芯分齿、槽和轭部，经优化设计后，有6个槽和7个齿，以大轴为中心，槽和齿呈环形沿径向交替排列。电磁线圈分六层放置在铁芯槽中，固定在大轴外部底座上；衔铁同样以大轴为中心，环抱着固定在大轴外侧，与大轴通过固定装置固定在一起，铁芯和衔铁中间留有工作气隙，线圈中通以电流后在气隙中产生磁场，磁链通过铁芯齿、轭和衔铁构成回路，在铁芯和衔铁间会产生电磁吸力，电磁吸力用来克服水轮机向下的轴向力，从而来减轻推力轴承的负荷。水轮发电机在工作过程中，轴向力并非恒定不变的，一般随着水流状况而起伏。时刻监测轴向力的大小，将信号反馈给励磁电流控制系统，调节励磁电流可以控制输出电磁力的大小，以保证推力轴承免受波动力的冲击，受力稳定，不易损坏。
本发明装置结构简单可靠，可以为推力轴承克服大部分或全部轴向力，对于1000MW的巨型机组，不需要再设计负载能力更强的推力轴承，可以沿用以往的推力轴承作为备用保护轴承，由于轴向负荷的减轻，会减少摩擦老化，从而减少维护频率、降低经济成本。再者，由于电磁结构的采用，可通过控制系统调节励磁电流的大小跟随轴向力的变化，使轴承负荷大大降低的同时受力稳定，降低由于受力的波动引起的震动损坏及对发电系统的扰动。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
目前，应用于竖轴式水轮机磁悬浮的装置有永磁型或永磁和电磁混合型，对于竖轴式水轮机，由于系统庞大，轴向负荷非常大，需要的悬浮力也同样很大，采用纯永磁体来实现悬浮会面临永磁体体积大难以运输、安装和维护、悬浮力不可控和价格昂贵等问题。永磁和电磁混合型虽然能降低永磁的需求量和体积而且能实现悬浮力的控制，但是目前电磁结构采用的是单环结构，由于铁芯的饱和特性使得电磁部分轴向尺寸很大，一方面占据较大的水轮机系统的内部空间，另一方面又大大增加了系统的轴向负荷，与装置本身为了降低系统的轴向负荷的目标是相背离的。
本发明采用多环式的电磁结构，呈现为薄的盘式结构，结构简单，便于安装维护。一方面，通过设置多环绕组沿径向排列，并给相邻绕组通以相反的电流，使得磁力线在齿部相叠加，而在轭部却相互抵消，在保证足够大的悬浮力的同时大大减小轴向尺寸，从而减小装置的体积。另一方面，由于采用电磁结构，结构简单，便于安装维护，还可以由控制系统根据工况调节励磁电流的大小，从而对电磁力进行控制调节，使得推力轴承受力稳定，可以大大降低轴承的损坏和抑制多种波动引起的系统波动，提高系统的稳定性。
本发明磁悬浮装置可以承担立轴式水轮机的轴向负荷，对于小容量的立轴式水轮发电机，可以提供足够的电磁力来抵消轴向力，原有的推力轴承只作为备用轴承即可，从而减少轴承事故。对于特大容量的如新提出的1000MW以上的立轴式水轮发电机，该磁悬浮装置可以承担大部分的轴向负荷，从而原有的小负荷的推力轴承仍然可以使用，同时由于减小了轴承长期运行的负荷，减少磨损和事故率，可以延长轴承的使用寿命，，提高经济效益。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是磁悬浮装置的外形图。
图2是位置传感器的安装位置示意图
图3是磁悬浮装置的内部结构示意图。
图4是绕组排列的切面示意图
图5磁悬浮装置的纵切面及受力图。
图中有：1、水轮机大轴，2、绕组，3、线槽，4、铁芯内壁，5、铁芯外壁，6、铁芯，7、铁芯齿部，8、铁芯轭部，9、衔铁，10、轴向负荷，11、分布在磁极上的电磁力，12、工作气隙，13、位置传感器。
具体实施方式
本发明的用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，包括电磁结构和衔铁两部分，电磁结构包括绕组2和铁芯6。铁芯6开出六个环形的线槽3存放绕组，绕组采用对称的六组，六组线圈匝数相同。相邻两组线圈通入相反的电流，形成多个螺线管并行排列的效果，使得齿部磁力线叠加，而轭部磁力线抵消，这样可以产生足够大的电磁吸力的同时，还可以降低轴向尺寸，提高力的体积密度。
为了充分利用材料和空间以及易于控制，设计齿部7磁极上磁密分布一致，在外部安装空间给定的情况下，为达到减小轴向尺寸和获得更大的电磁力二者之间的平衡，对七个磁极利用线性规划法和粒子群寻优法进行设计，两侧两个齿部磁极径向宽度相等，中间5个齿部磁极的径向宽度，优化后前者约为后者的44％，工作气隙12中获得沿径向分布一致的磁密。衔铁9采用整块的钢结构固定在大轴上，采用纵切面为三角形的加固结构，以防长期工作下衔铁变形。
由于衔铁9盘半径较大，长期受力的作用下易发生变形，齿部磁极的设计也可设计为等力矩，为减小装置体积充分利用材料，工作气隙中的磁密仍然设计为分布一致。在外部安装空间给定的情况下，通过迭代法对各齿部7磁极的径向宽度进行设计，假设r1和r2分别为齿部7的内外半径，则该齿部所受力矩为其中B为气隙12中的磁密平均值。内侧齿部由于离大轴中心较近，则宽度较大，七个齿部径向宽度自内向外沿径向减小，从而降低了衔铁9盘的变形的可能性。线圈内通上电流后，在铁芯齿部7、铁芯轭部8和衔铁9中形成闭合的磁路。由于相邻的两组线圈通以相反的电流，任何一个齿上的磁场主要是由相邻的两组绕组产生磁场的叠加，只有极小部分磁场强度会由于稍远的绕组作用而抵消；而在铁芯轭部，相邻的两组绕组产生的磁场方向相反，产生相互抵消的效果。这样既保证所有齿部产生足够多的磁链，又可以在轭部8减小磁链，从而减小轭部8的轴向尺寸，可提高装置的力的体积密度。
绕组2匝数根据铁芯饱和磁密的临界值，利用线性规划法和粒子群寻优法优化设计得到。绕组2匝数的理论计算值为N＝2gB0/Iμ0，其中I为单根导线中的电流值，B0为铁芯磁密饱和的临界值，g为气隙宽度，μ0为空气的磁导率，优化后的绕组2匝数为理论值的1.15-1.3倍。
由于大轴也是导磁材料，电磁部分需要距离大轴一定的间隙，间隙太大会增大装置的径向尺寸，从而会增加装置体积，间隙太小又会增加漏磁。用仿真和理论计算相结合的方法计算此间隙值，以平衡减少流入大轴的磁链和体积增大的矛盾。本实施例的装置采用铁芯6与水轮机大轴1的间隙为4倍于工作气隙12的宽度。本发明同时还有铁芯6与水轮机大轴1的间隙分别是工作气隙12宽度的4.2倍、4.5倍、5倍的实施例，但本发明装置中并不仅限于以上实施例的数值，4-5倍内其他未列举的数值同样适用。
悬浮装置属于吸力悬浮，是一个正反馈系统，也就是一旦发生扰动气隙变小，那么吸力就会变大促使气隙继续变小，会给系统造成危险。使用位置传感器对气隙进行监测，形成闭环反馈控制，以保证准确探测气隙的变化及时采取应对措施。由于衔铁9是半径较大的转子盘，为了准确检测气隙的变化，在铁芯6上安装两组位置传感器13，每组三个，两两相差120度，一组装于铁芯的侧面，另外一组装于铁芯上方。位置传感器通过感应磁场的变化反馈气隙的变化情况，两组六个传感器可以提高检测的准确性。
本发明的一种实施例中，铁芯齿部6为7个，绕组2为6个。电磁部分作为一个整体，固定于水轮机大轴的外部基座上，用于产生对衔铁的电磁悬浮力。衔铁9采用整块钢结构固定在大轴上，采用厚度沿径向线性变化的加固结构，以抵抗由于电磁吸力产生的转矩可能导致的变形。对于等转矩齿部设计，由于做了抗变形设计，可以省略加固结构。电磁铁线圈通电后，相当于对大轴系统产生一个向上的抬举力，起到抵消轴向负荷的作用。
水轮发电机在工作过程中，轴向力并非恒定不变的，一般随着水流状况而起伏。用压力传感器时刻监测轴向力的大小并作出预测，将信号反馈给励磁电流控制系统，调节励磁电流可以控制输出电磁力的大小，以保证推力轴承免受波动力的冲击，受力稳定，不易损坏。

Claims (9)

1.一种用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，其特征在于：该装置采用电磁结构悬浮，包括铁芯（6）、设置在所述铁芯（6）下侧面的多个环形的绕组（2）和设置在铁芯（6）下方，并与绕组（2）存在工作气隙（12）的衔铁（9），所述铁芯（6）固定设置，围绕水轮机大轴（1）安装并与之保持间隙，所述衔铁（9）固定安装在水轮机大轴（1）上，铁芯（6）下侧面设置有以水轮机大轴（1）轴心为中心呈同心圆布置的多个环形的铁芯齿部（7），两相邻铁芯齿部（7）之间为线槽（3），所述多个环形的绕组（2）分别安装在各线槽（3）中。
2.根据权利要求1所述的用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，其特征在于：所述多个环形的铁芯齿部（7）的齿部径向宽度均不相同，使各铁芯齿部（7）所受力矩相同，各绕组（2）匝数相同。
3.根据权利要求2所述的用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，其特征在于：所述铁芯（6）下侧面上各线槽（3）的宽度和高度相同。
4.根据权利要求1所述的用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，其特征在于：所述多个铁芯齿部（7）的宽度根据铁芯饱和磁密的临界值，利用线性规划法和粒子群寻优法优化设计得到的，所述铁芯（6）上最外侧和最内侧的铁芯齿部（7）的齿部径向宽度相同，两者之间的其余铁芯齿部（7）的齿部径向宽度相同。
5.根据权利要求4所的用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，其特征在于：所述铁芯（6）上最外侧和最内侧的铁芯齿部（7）的齿部径向宽度，是两者之间的、其余铁芯齿部（7）的齿部径向宽度的44%。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，其特征在于：所述绕组（2）匝数根据铁芯饱和磁密的临界值，利用线性规划法和粒子群寻优法优化设计得到。
7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，其特征在于：所述铁芯（6）与水轮机大轴（1）的间隙4-5倍于工作气隙（12）的宽度，所述工作气隙宽度为4-10mm。
8.根据权利要求1、2、3、4或5所述的用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，其特征在于：所述衔铁（9）采用整块的钢结构。
9.根据权利要求1、2、3、4或5所述的用于水轮发电机的磁悬浮减载装置，其特征在于：所述铁芯（6）上安装有用于实时监测工作气隙（12）变化的6个位置传感器（13），所述6个位置传感器（13）分两组，三个一组，其中一组位于铁芯（6）的侧面，两两相差120度，另外一组装于铁芯（6）上面，两两相差120度。
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