CN1275830A - 发电机转子在磁场中的安装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电机尤其是水轮发电机的转子在磁场中的安装装置。在这种情况下,经至少一个磁性轴承实现安装,该轴承布置在转子轭和磁极绕组的区域中。结果,转子重力在初始点直接被拾起。至少一个磁性轴承可以由独立的径向轴承和独立的推力轴承或者径向/推力轴承组合组成。至少一个磁性轴承布置在转子上面和下面并将重力引入基座中。由于使用磁性轴承,因为轴承损耗降低而提高了整个效率。此外,可以更自由地设计转子,不再绝对需要所需的紧凑性。

Description

发电机转子在磁场中的安装

本发明涉及发电机领域。涉及发电机尤其是水轮发电机的转子在磁场中的安装。

在水轮发电机中，转子通常保持和定位在油轴承上。这些轴承是径向导向轴承和推力/径向组合式油轴承，且都受摩擦损耗影响。这种传统的结构如图3所示。在该例中，31表示径向导向轴承，32表示推力/径向组合式油轴承。

出于环境保护的缘故，即例如考虑到安装在自然保护区或河流的水底，油轴承泄漏时流出的油会导致难以预见的环境问题，另外因为所需轴承的尺寸减小，三个小电机、水轮机和发电机配有主动的磁性轴承，其中一个具有重14吨的转子。在这种情况下，在上述电机中，所用的即水力安装的油轴承在同一位置部分或全部被磁性轴承代替。

K.Yamaishi在1996年的“轴承及密封技术的进展”的“用于水轮机和发电机的磁性轴承的应用及性能”中详细公开了上述电机。尤其是，描述了位于Fuji-Hakone-Izu国家公园内的只使用了磁性轴承的电机。该电机的转子具有一个长10m、重14吨的轴。除了专用磁性轴承以外，在该例中用电驱动的伺服电动机来代替传统的伺服油马达。图4示出了该电机和各个磁性轴承的布置。在该例中，过去所用的四个径向油轴承和一个推力油轴承被三个径向磁性轴承和一个推力磁性轴承所代替，即径向/推力顶部发电机轴承41、用于发电机45的径向底部发电机轴承42和用于水轮机40的径向水轮机轴承44。此外，还形成辅助轴承43。与传统油轴承相比，轴承刚性减小一半，但电机在任何情况下都能以低于初始临界速度的速度运行。此外，与安装在油轴承上的电机相比，由于水轮机40和发电机45的轴非常长且具挠性的缘故，所有磁性轴承的控制相互独立是可能的。

但是，作为油轴承的替代品，磁性轴承一直以来只成功地体现在上述最大转子重量达到14吨的小电机中。在这种情况下，用磁性轴承代替油轴承。但是，这一概念到目前为止尚未在大电机的情况下得以实现。

因此本发明的目的是设计转子在磁场中的安装，通过这种安装，能减小转子安装中的摩擦损耗，尤其适于转子重量约800吨的大型设备。

根据本发明，该目的通过权利要求1所述措施来实现。从属权利要求描述了本发明进一步的有益改良和发展。

由于根据本发明所述的安装，简化了转子设计，转子结构更轻并且省略了油系统。此外，由于本发明的结构，轴承损耗变得更小，提高了整个设备的效率。此外，在紧急情况下能电制动转子。

以下参考附图所示实施例详细解释本发明，附图中：

图1是根据本发明所述的转子安装的第一实施例，

图2是根据本发明所述的转子安装的再一实施例，

图3是传统的用油轴承安装转子示图，

图4是传统的具有磁性安装的小电机转子安装示图，

图5是传统的径向磁性轴承示图，

图6是传统的推力磁性轴承示图，以及

图7是传统的磁性轴承的控制系统示意图。

如图1和2所示，根据本发明所述的转子磁性安装能显著减小摩擦损耗，并且它还能用在转子约800吨的大型设备中。

但首先，参考图5和6描述已知的磁性轴承结构。例如，这种磁性轴承是由“Sociétéde Mécanique Magnéticque”生产、以“ACTIDYNE”名称销售的磁性轴承。

主动磁性轴承由两个独立部分组成，即轴承本身(图5或图6)和电子控制系统(图7)。三种类型轴承之间的区别在于：径向轴承、推力轴承和制动(catch)轴承。下面只参考图5和图6分别详细描述径向轴承和推力轴承。

图5所示的径向轴承由转子52组成，转子由铁磁叠片制成并通过磁场保持在适当位置。这些磁场由布置在定子51中的电磁铁53形成。转子52保持在浮置状态不与定子51接触，在转子52和定子51之间存在气隙ε。通过传感器54监视转子位置，传感器连续指示任何与正常位置的偏离即气隙ε的宽度偏离预置值的情况，并通过伺服系统发送将电流传导到电磁铁53的相应信号，以便使转子52回到正常位置。参考数字56表示附加形成的制动轴承，其中保持气隙为ε/2。

图6所示推力轴承的原理基础与图5所示的径向轴承相同。转子62由垂直于旋转轴和相对的形成在定子61中的电磁铁63轴的盘形电枢组成。因为在轴的端部没有轴运动，所以位置传感器64通常布置在那儿检测转子62和定子61之间的气隙ε的宽度。ε偏离预定值导致电流流向电磁铁63以校正转子位置。这里还示出了制动轴承66。

图7示意性示出的用于图5和图6所示的这种主动磁性轴承的传统电子控制系统包括具有电子信号处理系统72的电子单元70和功率放大器73。电子信号处理系统72将来自位置传感器77的信号78与定义标称转子位置的参考信号71相比较。所获得的差信号被发送到处理器，然后处理器又向功率放大器73发送控制信号，功率放大器为轴承80的电磁铁76提供能量。功率放大器73为轴承80的电磁铁76提供建立磁场所需的能量，磁场作用于转子74，使得转子74与定子75隔开一定气隙ε浮置。放大器功率取决于电磁铁76的最大磁力、转子74和定子75之间的气隙ε以及伺服系统的反应时间，即如果面临由于负载变化引起干扰而必须改变这些力所用的速度。

被证明在具有长轴的电机中、尤其是大型涡轮发电机安装中使用磁性轴承是有益的因素在于省略了润滑电路及其附件，避免了有关的危险和维护成本，减小了损耗(通过大于10的因数)，这使得允许在几MW电机的使用寿命内发电，能在气流中直接使用轴承而不用密封，轴承磁定向，全速时就地平衡，当通过临界速度时监视和控制轴系统的动态特性，没有振动并连续监视被测值，以及提高了可用性。

前面意向用磁性轴承代替油轴承，这在小电机中也得以实现，一类轴承只不过由具有相关优点的另一类轴承代替。如同前面的轴承布置为油轴承一样，重力通过轴传递到推力轴承中，从而出现力转移。此外，转子必须是紧凑型设计，以便有效地实现该力转移。

但是，对于具有重转子的电机，该实施例不容易被应用。这是因为它被证明对“重”转子的重力必须首先从其重心被拾起并通过轴转移到相应轴承这一过程是不利的。

本发明从这里开始。与现有技术中所实现的磁性安装相比，其中只有轴上的油轴承在轴上被磁性轴承代替，在根据本发明布置的情况下，实现了磁性轴承完全不同的布置。这是因为在重磁极绕组和转子磁轭区域中实现了磁性安装，即重力在被集中的起源点被直接拾起。这种安装无论在传统油轴承的情况下还是在从有限利用磁性安装的情况下都不为人们所知。根据主动磁性安装的原理，重力施加到本发明所述的磁性轴承结构的底座中。这使得转子的设计更简单，应用这一安装原理，转子现在也可以在宽度上延伸且不再需要紧凑的转子结构。

在使用了磁性轴承4、5、7的本发明的结构中，重力可以以传统方式电磁传递、结合永磁铁电磁传递、通过电磁铁上用超导线圈或者以被动超导方式同时利用Meissner-Ochsenfeld效应。

所以，励磁线圈的设计和布置如图1或2所示。

图1示出了本发明所述的转子安装的第一实施例，其中转子2由轴3和形成有磁极绕组9的转子磁轭8组成。在所有情况下，转子2的安装经两个励磁线圈实现，其中一个监视径向位置(轴上转子的同心位置)并由此构成充当导向或径向轴承的磁性轴承4。形成磁性轴承5的另一个励磁线圈直接吸收重力并因此充当推力轴承。所以，例如布置在转子上、与定子1上的这些永磁铁相对放置的若干永磁铁是电磁铁，通过它们或者通过向它们提供电流，可以控制安装尤其是转子2和定子1之间的距离和位置。

或者，同样可以用电磁线圈和多个超导线圈来代替若干永磁铁。如果使用超导线圈，则效力大的永磁铁被固定到转子2上。超导体与定子1上的这些永磁铁相对布置。这些超导体是需要在氮池中冷却的超导体或者甚至在室温下也具有超导性的超导体。由于省略了冷却，所以最后提到的这种超导体大大简化了结构。

根据本发明，通过转子2的磁性轴承4同心安装转子2，即在轴上，从而可以通过电磁铁的激活来实现转子相对于定子1的位置和方向的简单校正。

但是，如图1所示彼此分别形成推力和径向轴承是不必要的，也可以如图2所示使用组合线圈来代替它们。然后该电磁铁以通过所述电磁铁与转子上其对面的永磁铁、电磁铁或超导线圈结合这种方式布置在定子1上，通常彼此成直角布置的径向和推力轴承由设计成组合式轴承的磁性轴承7代替。与定子1上与其相对的磁铁部分相互作用的该电磁铁直接吸收作用在图2所示磁性轴承7上的力。

而且，由于使用了磁性轴承，带转子的电机设计可更灵活。一方面，如上所述，转子可以设计成不太紧凑以便在宽度上扩展，另一方面，用于安装的励磁线圈不仅可以布置在底部转子区域，如图1和2所示和如由于使用油轴承所预先确定的，而且可以布置在转子上面。这可能是由于重力也可以通过磁性轴承向上传递，这在油轴承的情况下是不可能的。此外，与传统布置相比，重力也可以作用在独立的支撑环上或直接作用在转子链上。

此外，利用按照图1和2所示的本发明布置的磁性轴承，与传统的水轮发电机转子相比，现在能在紧急情况下电制动转子。所以，不需要安装附加的制动设备，例如通常用于制动速度的最后20％的油/气压缸。通常单独需要的该制动设备现在可以用磁性轴承装置代替。以控制供电的控制方式实现制动，由此以旋转转子质量被制动的方式控制磁力所用的电磁铁装置的轴承力。

此外，根据本发明所使用的磁性轴承的轴承损耗比使用传统油轴承的轴承损耗小，从而提高了装置的整体效率。

所以，通过使用磁性轴承和根据本发明所述进行布置，电能损耗可以降低，并显著简化了转子结构。

Claims (8)

1.发电机尤其是水轮发电机的转子在磁场中的安装装置，转子(2)具有轴(3)和至少一个带磁极绕组(9)的转子轭(8)，其特征在于形成至少一个磁性轴承(4、5、7)以安装发电机的转子(2)，磁性轴承(4、5、7)布置在至少一个转子轭(8)和磁极绕组(9)的区域内，使得转子(2)重力在初始点被直接拾起。

2.根据权利要求1所述的转子安装装置，其特征在于，至少一个磁性轴承(4，5)包括用于直接吸收重力的推力磁性轴承(5)和用于监视径向位置的径向磁性轴承(4)，推力磁性轴承和径向磁性轴承彼此成直角布置，径向磁性轴承(4)平行于转子(2)的轴运转，而推力磁性轴承(5)垂直于轴的纵向形成。

3.根据权利要求1所述的转子安装装置，其特征在于，至少一个磁性轴承(7)在一个元件中完成径向磁性轴承和推力磁性轴承的功能，在这种情况下，至少一个磁性轴承(7)与转子(2)的轴的的纵向表面成预置角度布置，结果转子(2)的轴向和径向位置都可以通过该磁性轴承(7)进行控制。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的转子安装装置，其特征在于，至少一个磁性轴承(4、5、7)设计成完全电磁型的、设计成与永磁铁结合的电磁型的、由将用于电磁铁形的超导线圈成或以被动方式设计成超导的。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的转子安装装置，其特征在于，至少一个磁性轴承(4、5、7)具有第一电磁铁线圈，作为径向和/或推力轴承的一半布置在定子(1)上，以及还有一个第二电磁铁线圈、永磁铁或超导线圈，作为径向和/或推力轴承的另一半与该第一电磁铁线圈直接相对地布置在转子上。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的转子安装装置，其特征在于，至少一个磁性轴承(4、5、7)附加地用于制动转子(2)。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的转子安装装置，其特征在于，至少一个磁性轴承(4、5、7)布置在转子(2)上面。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的转子安装装置，其特征在于，至少一个磁性轴承(4、5、7)布置在转子(2)下面。

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