CN203014719U - 一种斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置，包括可固定在水轮发电机组主轴上的上Halbach圆环阵列和设在上Halbach圆环阵列下方的可固定在第一土木建筑上、且与水轮发电机组主轴间隙配合的下Halbach圆环阵列，上Halbach圆环阵列与下Halbach圆环阵列相互排斥。本装置与电磁装置虽然分担大部分的轴向重量，但并没有使机组全部悬浮，在此情形下机组能够更加良好和平稳地运行。该装置不仅能够减少轴向负载对推力轴承的损害，而且能够根据不同季节和水头自主调节电磁装置的电磁浮力，可以有效地减免水头过大或洪水等自然灾害对机组的影响。

Description

一种斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置

技术领域

本实用新型涉及电气控制工程技术领域，具体说是一种斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置。

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。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。

发明内容

实用新型目的：为了解决上述问题并改善立轴式水轮发电机组转子承重系统的运行状况，本专利新型提出了一种斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置，包括可固定在水轮发电机组主轴上的上Halbach圆环阵列和设在上Halbach圆环阵列下方的可固定在第一土木建筑上、且与水轮发电机组主轴间隙配合的下Halbach圆环阵列，上Halbach圆环阵列与下Halbach圆环阵列相互排斥。

使用时，上述上Halbach圆环阵列固定在水轮发电机组主轴上，可随水轮发电机组主轴的位移而位移，下Halbach圆环阵列固定在土木建筑上、且与水轮发电机组主轴间隙配合，这样通过上Halbach圆环阵列与下Halbach圆环阵列沿半径方向产生正弦型强磁场相互排斥，而给水轮发电机组主轴一个向上的力，该磁场产生永磁磁浮力能够使装置受力平衡，且具有很好的自稳定性。

为了进一步减轻水轮发电机组推力轴承的负担，所述上Halbach圆环阵列与下Halbach圆环阵列均由13个小圆环体顺序排列粘合而成。

为了提高上Halbach圆环阵列与水轮发电机组主轴连接的强度，所述上Halbach圆环阵列可通过支撑架固定在水轮发电机组主轴上。支撑架可通过螺栓等固定在水轮发电机组主轴上。

所述上Halbach圆环阵列与下Halbach圆环阵列间隙配合。

为了更进一步减轻水轮发电机组推力轴承的负担，所述上Halbach圆环阵列的上方设有可控电磁磁浮装置；所述可控电磁磁浮装置包括可固定在水轮发电机组主轴上的衔铁、设有内腔且可固定在土木建筑上与水轮发电机组主轴间隙配合的铁轭、设在铁轭内腔内的励磁线圈，所述励磁线圈和铁轭间设有绝缘层，所述铁轭设在衔铁的上方。

为了方便控制，所述可控电磁磁浮装置还包括用来感应衔铁位移变化的位移传感器、与位移传感器相连的用来调节励磁线圈电流的电流调控装置。

为了更好地控制，所述电流调控装置包括依次连接的调节器、功率放大器和驱动器，所述调节器与位移传感器相连。

所述铁轭与衔铁间隙配合。

工作原理：用斥力型Halbach圆环阵列的永磁和可控的电磁装置组成混合磁悬浮这两部分共同对水轮发电机转子产生向上的浮力，以减少转子在轴承上的重力，进一步减少转子部分承重系统所存在的问题。通过对电磁磁浮装置的控制设计，使的整个混合磁悬浮更加智能，可以随水头的变化自主调节。

本实用新型的有益效果是，可以通过Halbach圆环阵列的永磁悬浮和电磁悬浮共同承担轴向负载，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，但并没有使机组全部悬浮，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，可以减少电磁装置的损耗。

该装置不仅能够减少轴向负载对推力轴承的损害，而且能够根据不同季节和水头自主调节电磁装置的电磁浮力，可以有效地减免水头过大或洪水等自然灾害对机组的影响。

附图说明

图1为本实用新型Halbach圆环阵列结构示意图。

图2为本实用新型Halbach圆环阵列沿半径方向截面处的排列示意图。

图3为本实用新型电磁装置的控制原理图。

图4为本实用新型斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置结构示意图。

图5为本实用新型电磁磁浮装置控制流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1-5所示的一种斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置，包括可固定在水轮发电机组主轴上的上Halbach圆环阵列10和设在上Halbach圆环阵列10下方的可固定在第一第一土木建筑8上、且与水轮发电机组主轴间隙配合的下Halbach圆环阵列11，上Halbach圆环阵列10与下Halbach圆环阵列11相互排斥，上Halbach圆环阵列10与下Halbach圆环阵列11均由13个小圆环体顺序排列粘合而成。上Halbach圆环阵列10通过支撑架13固定在水轮发电机组主轴9上。上Halbach圆环阵列10与下Halbach圆环阵列11间隙配合。图中附图标记12指上Halbach圆环阵列10与下Halbach圆环阵列11间的间隙。

工作原理：两圆环相斥，当上Halbach圆环阵列10随主轴9旋转时，斥力会被传递到主轴9上，从而主轴9得到一个向上的推力，下Halbach圆环阵列11固定在土木建筑上，向下的斥力被传递到第一土木建筑8上。

上Halbach圆环阵列10的上方还设有可控电磁磁浮装置；可控电磁磁浮装置包括可固定在水轮发电机组主轴9上的衔铁5、设有内腔且可固定在第二土木建筑6上与水轮发电机组主轴间隙配合的铁轭2、设在铁轭2内腔内的励磁线圈3，励磁线圈3和铁轭2间设有绝缘层7，铁轭2设在衔铁5的上方，且两者之间为间隙配合。可控电磁磁浮装置还包括用来感应衔铁5位移变化的位移传感器14、与位移传感器相连的用来调节励磁线圈3电流的电流调节器15。电流调节器15包括依次连接的调节器16、功率放大器17和驱动器18，调节器16与位移传感器14相连。铁轭2与衔铁5间隙配合。图中附图标记1指铁轭2与水轮发电机组主轴之间的间隙，图中附图标记4指铁轭2设在衔铁5之间的间隙。

工作原理：给定励磁电流后，电磁铁就会吸引衔铁5，当衔铁5随主轴9旋转时，主轴9得到一个向上的拉力。当水头发生变化时，轴向水推力就会发生变化，用位移传感器14实时检测衔铁5位置的位移改变，将电压信号反馈，通过调节器16对电压信号调节，将调节后的信号经功率放大器17对驱动器18进行调节，从而进一步调节电磁磁浮力的大小。通过电磁和永磁两部分的共同作用，产生向上的浮力，可以抵消轴向的重量，可以有效地减少对推力轴承的损害，合理分配了水轮发电机转动部分的重量。

通过两种方式对轴向负载的分担，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。利用斥力型Halbach圆环阵列产生永磁磁浮力和电磁铁产生电磁磁浮力共同分担水轮发电机转动部分的重量，其中电磁磁浮力可以通过控制系统进行调节，实现合理分配水轮发电机组重量，而永磁装置（即斥力型Halbach圆环阵列）承担一部分固定重量，以减少电励磁承重的分额，从而减少励磁电流，进一步减少电励磁装置的损耗。

如图3所示，设计了控制装置来对电磁磁浮力进行智能调节，当系统受水推力变化，和动永磁体与衔铁随主轴高速旋转所产生的托力干扰时（因托力与水推力相比，影响较小，在以下计算中将其忽略），将会向上或向下产生微小的振动位移量，同时磁悬浮装置的气隙会发生变化，这也导致了磁悬浮力及推力轴承上的力变化。为了使系统保持平衡且减轻推力轴承的负担，须调节励磁电流并使磁悬浮力承受轴向负荷的85%左右。本发明用位移传感器通过对衔铁位移变化的检测，将信息反馈，通过控制程序及时调节电流的大小，避免装置因为轴向重量过大造成的故障。

如图5所示，电磁控制部分具体的动态过程为：轴向水推力增大（减小）——主轴向下（向上）发生微小偏移——推力轴承的力增加（减小）——控制系统输出励磁电流增加（减小）——磁悬浮力增加（减小）——推力轴承的力减小（增加）——直到轴向水推力稳定。当磁悬浮装置处于平衡位置时，主轴系统受力方程如下：

F₀+G₀=F_T+F₁+F₂（1）

其中：F₀为轴向水推力，G₀为主轴系统自重，F_T为推力轴承的推力，F₁为永磁磁浮力，F₂为电磁磁浮力。整个装置受水推力变化的干扰时，将会向上或向下产生微小的振动位移量，同时磁悬浮装置的气隙会发生变化，这也导致了磁悬浮力以及推力轴承上的力的变化。控制目标设定为：变化后的力满足

F′₀+F₀=F′_T+F′₁+F′₂（2）

F′₁+F′₂=85%(F′₀+G₀)

其中F′₀,F′₁,F′₂,F′_T为位移发生变化后的力。其控制流程图如图5。

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，推力总负荷为1600t，水轮机型号为HL-220-LT-550，主轴直径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85%～90%，约为1378t。初步设计永磁磁浮部分承担磁浮力增加到40%，即承担640吨的重量。电磁部分承担的重量和原发明一样，约738吨。

以水轮机组转轮直径为参照，永磁磁浮装置的外径最大d_out＜5m，内径最小d_in＞2m（大于主轴直径d）。若当仅考虑气隙中磁场为均匀磁场时，两个平行导磁体磁极间形成的磁力为：

其中，

为标量磁位，B_g为气隙处的磁通密度(T),μ₀＝4π×10^-7(Wb/Am)为空气导磁率,S_g为永磁体的有效面积。假设取最大外径5m，最小内径2m，则整个圆环半径长度为r=1.5m，为了达到设计要求，永磁装置所需的平均磁场强度满足

$\frac{{B^2}_g\mathrm{\π}}{8{\mathrm{\μ}}_0}(5^2-2^2)=640\×{10}^3\×9.8---\left(4\right)$

解得B_g≈1T。即永磁磁浮装置最少要提供的工作磁场的磁通密度为1T。

本文选取烧结钕铁硼稀土合金材料永磁体，其剩余磁通密度B_r的极限值达到1.546T，同时其最大磁能积的极限值(BH)_max可达475kJ/m³，相对磁导率μ_r=B_r/(μ₀H_c)≈1是比较理想的永磁材料，保证了本装置实现的可能。

本装置中假设气隙间距为0.01m（即g=0.005m），每块永磁体长度a=0.12；永磁体厚度d=0.3；一个周期所含永磁体数N=8，磁化强度M₀＝B_r/μ₀，圆环永磁体总半径长度r=1.44m，由磁势方程和叠加原理解得Halbach圆环阵列磁通密度计算公式：

$B_x={\mathrm{\μ}}_0{M}_0(1-e^{\mathrm{kd}})e^{k(z-g-d)}\sin \left(\mathrm{kx}\right)-{\mathrm{\μ}}_0{M}_0(1-e^{-\mathrm{kd}})e^{-k(z+g)}\sin \left(\mathrm{kx}\right)---\left(5\right)$

$B_z={\mathrm{\μ}}_0{M}_0(1-e^{\mathrm{kd}})e^{k(z-g-d)}\cos \left(\mathrm{kx}\right)+{\mathrm{\μ}}_0{M}_0(1-e^{-\mathrm{kd}})e^{-k(z+g)}\cos \left(\mathrm{kx}\right)---\left(6\right)$

由式（5）（6）计算得到所需气隙的磁通密度

其平均磁通密度为：

$B_{\mathrm{avg}}=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}{B}_{x^2}{|}_{z=0}\≈1.5889T---\left(7\right)$

在实际情况中，需要考虑边缘效应和主轴的影响，为此添加修正系数δ∈(0.72,0.75)，则B_avg′=δB_avg B_avg′≥0.72×1.5889>1.14，由此可得本发明所得到的磁场强度能够很好地满足工作所需磁场要求。

电磁调控部分当磁悬浮装置处于平衡位置时，主轴系统受力方程如下：

F₀+G₀=F_T+F₁+F₂（8）

其中：F₀为轴向水推力，G₀为主轴系统自重，F_T为推力轴承的推力，F₁为永磁磁浮力，F₂为电磁磁浮力。其中轴向水推力

F₀=k·d·H_max（9）

k为与转轮型号有关的轴向水推力系数，d为转轮名义直径，H_max为最大水头。

永磁磁浮力F₁由式（3）(5)（7）得：

$F_1=4.125\×{10}^5\×{\∫}_0^{0.48}(-9.186e^{-6.545(0.3+g)}-1.29e^{-6.545g})\sin \left(6.545x\right)\mathrm{dx}---\left(10\right)$

其中，g=0.005m。电磁悬浮力：

$F_2=\frac{{\mathrm{kI}}_0^2}{{({\mathrm{\δ}}_0+b)}^2}---\left(11\right)$

其中，k=50.56Ω，I₀＝4.875A，δ₀=5mm，b=7.897×10^-3m。

设主轴的振动位移量为±△δ时，则由以上公式得出相应恢复力为：F′₁+F′₂，其中：

$F_1^{\′}=5.5\×{10}^5\×{\∫}_0^{0.48}(-9.186e^{-6.545(0.3+g\stackrel{-}{+}\frac{\mathrm{\Δ\δ}}{2})}-1.29e^{-6.545\left(g\stackrel{-}{+}\frac{\mathrm{\Δ\δ}}{2}\right)})\sin \left(6.545x\right)\mathrm{dx}---\left(12\right)$

$F_2^{\′}=k_2{\left(\frac{I_0\±i_c}{{\mathrm{\δ}}_0+b\±\mathrm{\Δ\δ}}\right)}^2---\left(13\right)$

控制目标是：

F′₀+G₀=F′_T+F′₁+F′₂（14）

F′₁+F′₂=85%(F′₀+G₀)

其控制流程图如图5，控制系统首先得到水头变化情况，然后从位移传感器获取主轴位置变化的信号，根据气隙计算出磁悬浮力，由于主轴是瞬时平衡的，可以计算出总的轴向负荷大小，算出磁悬浮力占总轴向负荷的百分比，判断是否在85%一定范围（考虑水推力的动态性，可设置85%±1.0%），如果在，就不做调整并且继续检测，如果不在，就要确定当前的磁悬浮力，使其为85%的总轴向负荷，最后再计算出应输出的励磁电流的大小，当完成一次调整后再开始进行下一次的检测、调整，最终使主轴系统保持在稳定的运行当中。

Claims (8)

1.一种斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置，其特征在于：包括可固定在水轮发电机组主轴（9）上的上Halbach圆环阵列（10）和设在上Halbach圆环阵列（10）下方的可固定在第一土木建筑（8）上、且与水轮发电机组主轴（9）间隙配合的下Halbach圆环阵列（11），上Halbach圆环阵列（10）与下Halbach圆环阵列（11）相互排斥。

2.如权利要求1所述的斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置，其特征在于：所述上Halbach圆环阵列（10）与下Halbach圆环阵列（11）均由13个小圆环体顺序排列粘合而成。

3.如权利要求1所述的斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置，其特征在于：所述上Halbach圆环阵列（10）可通过支撑架（13）固定在水轮发电机组主轴（9）上。

4.如权利要求1所述的斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置，其特征在于：所述上Halbach圆环阵列（10）与下Halbach圆环阵列（11）间隙配合。

5.如权利要求1-3任意一项所述的斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置，其特征在于：所述上Halbach圆环阵列（10）的上方设有可控电磁磁浮装置；所述可控电磁磁浮装置包括可固定在水轮发电机组主轴（9）上的衔铁（5）、设有内腔且可固定在第二土木建筑（6）上与水轮发电机组主轴（9）间隙配合的铁轭（2）、设在铁轭（2）内腔内的励磁线圈（3），所述励磁线圈（3）和铁轭（2）间设有绝缘层（7），所述铁轭（2）设在衔铁（5）的上方。

6.如权利要求5所述的斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置，其特征在于：所述可控电磁磁浮装置还包括用来感应衔铁（5）位移变化的位移传感器（14）、与位移传感器（14）相连的用来调节励磁线圈（3）电流的电流调控装置（15）。

7.如权利要求6所述的斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置，其特征在于：所述电流调控装置（15）包括依次连接的调节器（16）、功率放大器（17）和驱动器（18），所述调节器（16）与位移传感器（14）相连。

8.如权利要求5所述的斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置，其特征在于：所述铁轭（2）与衔铁（5）间隙配合。

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