CN201255072Y - 水轮发电机组转动部分混合磁浮承重装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是水轮发电机组转动部分混合磁浮承重装置，在主轴上设置永磁磁浮装置和电励磁磁浮装置，电励磁磁浮部分包括电磁铁铁芯、电磁铁励磁绕组和衔铁，衔铁与主轴固定连接，电磁铁铁芯与静止的土工建筑或固定支架固定连接，励磁绕组放置在电磁铁芯的空腔内；永磁磁浮部分有动永磁体和静永磁体，动永磁体与主轴固定连接，静永磁体与静止的土工建筑或另一个固定支架固定连接。优点：减轻机械轴承承受压力，减少机械损耗，提高发电机组效率；减少机械变形、发热、老化，降低机械故障发生率，延长使用寿命。调节电磁磁浮力，合理分配水轮发电机组重量的分担。永磁系统与电励磁系统相结合，减少电励磁系统的励磁电流、损耗和发热。

Description

水轮发电机组转动部分混合磁浮承重装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种水轮发电机组转动部分混合磁浮承重装置。它是基于永磁与电励磁混合磁浮技术的立式水轮发电机组转子系统承重的关键技术，属于电气控制工程技术领域。

背景技术

早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。经过多年的发展，已经形成了比较成熟的水力发电技术，水电在人民日常生活和工业生产中发挥了不可缺少的作用。目前大中型水力发电机组基本上采用立轴结构，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，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。存在摩擦和机械牢固性老化等的问题(例如，推力轴承实际瓦面在油膜压力和油膜温度联合作用下会发生变形，瓦面的变形会影响油膜厚度分布，瓦面变形越大，油膜中的峰值压力与平均比压之比越大，而最小油膜厚度会变小。对于重载大型推力轴承，瓦面和镜板面的综合变形可能会超过最小油膜厚度的量级，轴承就可能发生磨损和烧瓦)。特别是长期重负状态下的摩擦引起的机械磨损和发热问题非常突出。为此，大型水轮发电机组承重系统中对承重轴承有非常严格的要求。因而使其生产成本与运行维护成本上升。而磁浮支承可以无接触、无摩擦，很好地解决了传统承重的不足。

发明内容

本实用新型根据水轮发电机组转动部分承重系统的特点，并结合永磁与电励磁技术的特性，提出了水轮发电机组转动部分混合磁浮承重系统。旨在克服水轮发电机组转动部分承重系统存在的上述问题。采用永磁磁浮技术与电励磁磁浮技术共同对水轮发电机组转动部分产生向上的浮力，以减小转动部分施加在轴承上的重力。

本实用新型的技术解决方案：其特征是在水轮发电机组的发电机与水轮机之间的主轴上设置永磁磁浮装置和电励磁磁浮装置，所述电励磁磁浮部分包括电磁铁铁芯、电磁铁励磁绕组和衔铁，其中衔铁与主轴固定连接，与主轴一起旋转，电磁铁铁芯与静止的土工建筑或固定支架固定连接，励磁绕组放置在电磁铁芯的空腔内；所述永磁磁浮部分包括动永磁体和静永磁体，其中动永磁体与主轴固定连接，与主轴一起旋转，静永磁体与静止的土工建筑或另一个固定支架固定连接。

本实用新型的优点：根据水轮发电机组的特点，系统初步设计为两部分施加悬浮力的方式。即：一方面，采用永磁磁浮的方式。将一块有着适当面积(根据水轮发电机转子系统所需浮起的重量由下面所给计算模型计算)、厚度和磁性的永磁体固定于主轴适当位置(如主轴下半部分某位置，由实际空间允许决定)，并在水轮发电机转轮与该永磁体之间建造一层土工建筑物(或其它支撑物)，其上置另一块相同面积的永磁体(如附图1下半部分)，并使这两块永磁体相斥，那么因为土工建筑物将力传递给土建设施，永磁磁浮部分在主轴的轴向对主轴施加一向上的推力；另一方面，在主轴另一适当位置(如主轴上半部分某位置)，装设电励磁磁浮装置，即在主轴上固定一块有着合理面积和厚度的铁块，铁块的上方安装固定的电磁铁，(如附图1上半部分)，电磁铁通电之后，对其下的衔铁产生吸引力，该吸引力施加于主轴上，对整个水轮发电机组的转动部分产生一个向上的拉力。通过这两个方式不同的装置产生的悬浮力以承担水轮发电机组转动部分的重量。

考虑水轮发电机组运行的稳定性，本系统并不使转子系统真正全部浮起来，而是分担转子系统的大部分重量，这样既减小施加在推力轴承上的重力，从而减小摩擦，又保持发电机组转动部分的稳定性。

当前电磁理论的发展及新型永磁材料(如稀土永磁材料)的成熟应用，为本发明专利的实现提供了可能。

附图说明：

附图1是本实用新型总体结构剖面示意图.

附图2是永磁磁浮部分示意图.

附图3是电励磁磁浮部分示意图.

附图4是电磁磁浮力与励磁绕组匝数、励磁电流之间的实例分析关系示意图。

图中的1是水轮发电机转子系统的主轴、2是电磁铁铁芯、3是电磁铁励磁绕组、4是衔铁、5是动永磁体、6是静永磁体、7是静止的土工建筑或固定支架、8是另一静止的土工建筑或固定支架。

具体实施方式

对照附图1，其结构是在水轮发电机组的发电机与水轮机之间的主轴1上设置永磁磁浮装置和电励磁磁浮装置，所述电励磁磁浮部分包括电磁铁铁芯2、电磁铁励磁绕组3和衔铁4，其中衔铁4与主轴1固定连接，与主轴一起旋转，电磁铁铁芯2与静止的土工建筑或固定支架7固定连接，励磁绕组3放置在电磁铁芯2的空腔内；所述永磁磁浮部分包括动永磁体5和静永磁体6，其中动永磁体5与主轴1固定连接，与主轴一起旋转，静永磁体6与静止的土工建筑或另一个固定支架8固定连接。

所述的混合磁浮承重是利用其永久磁铁产生永磁磁浮力和电磁铁产生的电磁磁浮力来共同分担水轮发电机组转动部分的重量支承；其中电磁磁浮力采用可调节形式，通过调节励磁电流的大小或者线圈的匝数来调节所产生的电磁磁浮力的大小，实现合理分配水轮发电机组重量的分担；将永磁系统与电励磁系统相结合，让永久磁铁承担一部分固定重量，以减少电励磁承重部分的承重分额，从而减少电励磁系统的励磁电流；电磁磁浮的方式是将一块铁块或衔铁固定在主轴靠发电机一端，该铁块或衔铁的上方安装电磁铁，电磁铁铁芯固定在静止的支撑物上；永磁磁浮的方式是将一块永磁体固定在主轴靠水轮机一端，永磁体下方设置另一块相同面积的永磁体，该永磁体固定在静止的支撑物上，并使这两块永磁体相斥。

永磁磁浮部分：与静止的土工建筑8固定连接的静永磁体6和与主轴1固定连接的动永磁体5之间产生磁力F₁(排斥力)，托起动永磁体5，从而对主轴1产生向上的力。

电磁磁浮部分：在励磁绕组3中通入直流电流，在电磁铁铁芯中产生电磁力，吸引衔铁4，衔铁4通过主轴1产生向上的浮力F₂(拉力)。调节励磁绕组3中的电流的大小，可以调节电磁力的大小。

可见，永磁磁浮部分产生向上的磁浮力F₁，这一磁力是不可调节的，作为基本磁浮力；电磁磁浮部分也产生向上的磁浮力F₂，这一磁浮力是可以调节的。这两部分磁浮力共同作用，为水轮发电机转子系统提供向上的浮力，托起转子系统大部分重量。

计算模型

被气隙隔开的两个平行导磁体磁极间形成的磁力为：

$F=\frac{{\mathrm{\Φ}}^2}{{2\mathrm{\μ}}_{0}S}=\frac{B^{2}S}{{2\mathrm{\μ}}_0}---\left(1\right)$

式中：F为磁力，N；Φ为通过磁极间的磁通，Wb；S为气隙处的总磁极面积，m²；B为气隙处的磁感应强度，T；μ₀为空气磁导率，4π×10^-7Wb/(Am)。

永磁磁浮方面：

永磁磁浮装置的剖面简图如附图2。

我们通过对永磁材料的选择和对永磁体的尺寸设计使磁极间的磁感应强度为B₀₁，选择圆平面的永磁体直径为d₀₁，设d为水轮机组主轴的直径。那么根据公式(1)有：

永磁磁浮力： $F_1=\frac{{B_{01}}^2\mathrm{\π}}{{8\mathrm{\μ}}_0}({d_{01}}^2-d^2).---\left(2\right)$

所以，我们可以根据设计要求，即永磁磁浮力负担多少重量，并考虑水轮发电机组的主轴的直径来设计永磁体的直径，实际过程中将考虑漏磁通等损耗问题。

电磁磁浮方面：

电磁铁悬浮装置的剖面简图如附图3。

磁通Φ的大小与磁压及磁阻的关系为

$\mathrm{\Φ}=\frac{U_m}{R_{m0}}---\left(3\right)$

式中：Φ为磁通量，Wb；U_m为磁路的总磁压，A；R_m0为磁路的总磁阻，A/Wb。

需要对磁路的磁阻做计算，磁路磁阻可分为气隙磁阻和铁芯磁阻两部分。两个气隙的磁阻串联，在平衡位置处气隙总磁阻为：

$R_m=R_{m1}+R_{m2}=\frac{{2\mathrm{\δ}}_0}{{\mathrm{\μ}}_0}(\frac{1}{S_1}+\frac{1}{S_2})$

铁质部分的磁阻为：

$R_m^{\′}=\frac{h_2+\frac{h_1}{2}+\frac{h_3}{2}}{\mathrm{\μ}}(\frac{1}{S_1}+\frac{1}{S_2})+\frac{1}{\mathrm{\μ}}[\underset{d_{12}}{\overset{d_{34}}{\∫}}\frac{\mathrm{dx}}{2{\mathrm{\πh}}_{1}x}+\underset{d_{12}}{\overset{d_{34}}{\∫}}\frac{\mathrm{dx}}{{2\mathrm{\πh}}_{3}x}]$

$=\frac{h_2+\frac{h_1}{2}+\frac{h_3}{2}}{\mathrm{\μ}}(\frac{1}{S_1}+\frac{1}{S_2})+\frac{1}{2\mathrm{\π\μ}}(\frac{1}{h_1}+\frac{1}{h_3})\ln \frac{d_{34}}{d_{12}}$

式中 $d_{12}=\frac{d_1+d_2}{2};$ $d_{34}=\frac{d_3+d_4}{2};$ 内环面积： $S_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}({d_2}^2-{d_1}^2);$ 外环面积 $S_2=\frac{\mathrm{\π}}{4}(d_4^2-d_3^2);$ μ为铁块的导磁率。

根据两平行导磁体磁极间形成的电磁力公式(1)可得：

$F_2=\frac{{\mathrm{\Φ}}^2}{2{\mathrm{\μ}}_0{S}_1}+\frac{{\mathrm{\Φ}}^2}{2{\mathrm{\μ}}_0{S}_2}---\left(4\right)$

综合公式(3)和式(4)所以我们有：

$F_2=\frac{{U_m}^2}{{2\mathrm{\μ}}_0{R}_{m0}^2}(\frac{1}{S_1}+\frac{1}{S_2})$ 式中： $R_{m0}=R_m+R_m^{\′}$

所以，我们可以通过电磁磁浮力负担的重量来设计总的磁压，进而优化设计励磁电流的大小和线圈的匝数，确定电磁磁浮方面的各项尺寸，力求高效，低损耗的实现计划负重。

实施例验证

为了验证本发明的可行性，结合陕西安康水轮发电机组进行磁浮支承可行性的验证和磁浮装置各项具体尺寸的计算。

陕西安康水电站的总装机容量为800兆瓦，包括4台SF-200—56/12800型号的、额定功率为200兆瓦的发电机组，其额定电压为13.8KV，额定电流为9560A，功率因数为0.875，水轮机型号为HL-220-LT-550，转轮直径5.5m，额定转速107.1r/min，平均水头76.2m。其支承方式采用推力轴承，属于外加泵、外循环冷却的大型水电站轴承，其推力总负荷为1600t，计算损耗为300kW，搅拌损耗60kW，总损耗为360kW。

本例计划利用悬浮力提供约80％的总负荷，约为1280t。

永磁磁浮方面：

永磁体的外径选择为5m，内径选择为2m(略大于主轴直径d)。永磁磁性材料设计为能在气隙间产生的平均磁感应强度为0.9T。利用式(2)计算：

$F_1=\frac{{0.9}^2\mathrm{\π}}{8*4\mathrm{\π}*{10}^{-7}}(5^2-2^2)=m_{1}g$

式中：m₁为永磁磁浮力所能承受的质量；g为重力加速度取g＝9.8m/s²。可解得m₁＝542t.

永磁支承部分分担了约542t的机组承重，由此得出将由电磁磁浮力分担约738t的承重(约合7232400N)。

电磁磁浮方面：

电磁磁极采用环形结构，通过根据上一部分理论的推导和根据经验所确定的一些结构尺寸我们采用以下尺寸：d₁＝2m；d₂＝3.5m；内外环之间的距离l＝0.6m；d₃＝d₂+2l＝4.7m；d₄＝5.5m；通过计算可得：

实际内环面积： $S_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}(d_2^2-d_1^2)=6.5m^2;$

实际外环面积： $S_2=\frac{\mathrm{\π}}{4}(d_4^2-d_3^2)=6.4m^2;$

气隙的磁阻(气隙宽度δ₀取6mm)： $R_m=\frac{{2\mathrm{\δ}}_0}{{\mathrm{\μ}}_0}(\frac{1}{S_1}+\frac{1}{S_2})=2.47{\×10}^{3}A/\mathrm{Wb};$

铁质部分的磁阻(取h₁＝h₃＝80mm，h₂＝120mm)：

$R_m^{\′}=\frac{h_2+\frac{h_1}{2}+\frac{h_3}{2}}{\mathrm{\μ}}(\frac{1}{S_1}+\frac{1}{S_2})+\frac{1}{2\mathrm{\π\μ}}(\frac{1}{h_1}+\frac{1}{h_3})\ln \frac{d_{34}}{d_{12}}=1.95\×{10}^{3}A/\mathrm{Wb};$

总磁阻： $R_{m0}=R_m+R_m^{\′}={1.42\×10}^{3}A/\mathrm{Wb};$

最后计算得到磁路总磁压为：

$U_m=\sqrt{\frac{{2\mathrm{\μ}}_0{F}_2{R}_{m0}^2}{(\frac{1}{S_1}+\frac{1}{S_2})}}=33.81\mathrm{kA}$

实际取 $U_m^{\′}={\mathrm{kU}}_m=4.058\mathrm{kA},$ 式中：k为考虑磁漏后磁动势放大系数，一般取k＝1.2。

我们希望利用尽可能小的电流来实现电磁磁浮，所以增加励磁电流的线圈匝数，不妨取为6000匝，也就是说励磁电流为6.76安培。

调节线圈匝数和励磁电流可以改变总浮力的大小，本算例其它条件不变情况下，电磁磁浮部分浮力与励磁绕组匝数、励磁电流之间的关系见附图4。

综合以上两个方面的计算结果，我们对结构尺寸设定值进行分析，分析结果表明各项尺寸的数值能够很好的满足线圈的散热条件和线圈绕组的布线要求。并且我们对所需的电励磁磁浮装置的励磁损耗做了计算，其值不超过30kW，而采用传统的推力轴承做支承，所需要的总损耗为360kW，电励磁损耗不到传统损耗的10％。此外，一台发电机组的额定装机容量为200兆瓦，其励磁损耗与之相比就非常小，只有不到0.015％。

实例计算表明，可以用磁浮力来分担水轮发电机组的承重，体现了其低损耗，推力强等的优越性；而且由于本系统的磁浮支承大大减少了摩擦的特性，该项技术很好的克服了传统水轮发电机组推力支承系统中存在的老化和机械维护的问题，同时也提高的整个机组的效率。

Claims (1)

1、水轮发电机组转动部分混合磁浮承重装置，其特征是在水轮发电机组的发电机与水轮机之间的主轴上设置永磁磁浮装置和电励磁磁浮装置，所述电励磁磁浮部分包括电磁铁铁芯、电磁铁励磁绕组和衔铁，其中衔铁与主轴固定连接，与主轴一起旋转，电磁铁铁芯与静止的土工建筑或固定支架固定连接，励磁绕组放置在电磁铁芯的空腔内；所述永磁磁浮部分包括动永磁体和静永磁体，其中动永磁体与主轴固定连接，与主轴一起旋转，静永磁体与静止的土工建筑或另一个固定支架固定连接。

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