一种用于立轴式水轮发电机的感应型超导磁悬浮减载装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于立轴式水轮发电机的感应型超导磁悬浮减载装置，包括定子和设置在所述定子上方的转子，所述定子固定设置，围绕水轮机大轴安装并与之保持间隙，所述转子固定安装在水轮机大轴上，定子包括背铁和设置在所述背铁上侧面的至少一个悬浮力单元，所述悬浮力单元包括以水轮机大轴为中心对称设置的多个超导绕组对，每个所述超导绕组对包括沿背铁的径向相邻设置的两个超导绕组，所述悬浮力单元与转子之间存在工作气隙。本发明专利技术体积能量密度大，大大降低轴承负荷的同时受力稳定、受力扰动小。

An Inductive Superconducting Maglev Load Reduction Device for Vertical Shaft Hydrogenerator

The invention discloses an inductive superconducting magnetic suspension load shedding device for a vertical-axis hydro-generator, which comprises a stator and a rotor set above the stator. The stator is fixed and installed around the main shaft of the turbine and maintains a gap with it. The rotor is fixed on the main shaft of the turbine, and the stator includes a back iron and at least one suspension on the side of the back iron. The suspension force unit comprises a plurality of superconducting winding pairs symmetrically arranged around the large axis of the hydraulic turbine, each of which includes two superconducting windings adjacent to the radial direction of the back iron, and there is a working air gap between the suspension force unit and the rotor. The invention has large volume energy density, greatly reduces the bearing load, and at the same time, the force is stable and the force disturbance is small.

【技术实现步骤摘要】
一种用于立轴式水轮发电机的感应型超导磁悬浮减载装置
本专利技术属于水轮发电机系统技术设计和磁悬浮领域，涉及了一种为立轴式水轮发电机推力轴承减载的感应型磁悬浮装置。
技术介绍
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，影响高PV值和大面积轴瓦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和新材料上改进，提高轴承本身的负荷能力，另一方面利用其它技术手段抵消轴承负荷是一种可行的方案。超导技术是近40年发展起来的高新技术，它在电工、交通、医疗、工业、国防和科学实验等高科技领域都有着重要的现实意义和巨大的发展前景。许多科学家认为超导技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术，是本世纪高新技术发展的一个重要方向。超导具有零电阻和迈斯纳效应，更易获得强磁场，能量密度大，与非铁磁材料匹配，可以得到较大的磁密，不受导磁体饱和限制，单位体积获得的电磁力更大。超导磁悬浮列车在日本、德国和中国取得了巨大成功，在全世界也引起了极大关注，这些都为超导磁悬浮技术在1000MW级水轮机组中的应用提供了理论基础和应用的可能。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。若采用常规的直流励磁的电磁结构，通电后在初级和次级之间产生电磁吸力从而实现悬浮。这种方式结构简单，易实现较大的悬浮力，但是系统本身是正反馈，如果出现工作气隙的变形，气隙越大悬浮力就会越小，气隙越小悬浮力就会越大，总是朝着情况更糟糕的方向变化，因此对控制系统要求会很高。此外，常规导体产生的能量密度小以及常规的导磁体存在磁饱和现象，这些都会限制产生的悬浮力的体积密度，增大装置本身的体积和重量，对于大型立轴式水轮机的轴向负荷减载都是不利的。
技术实现思路
技术问题：本专利技术提供一种体积能量密度大，大大降低轴承负荷的同时受力稳定、受力扰动小的用于立轴式水轮发电机的感应型超导磁悬浮减载装置。该装置可以解决立轴式水轮发电机现有的承重装置-推力轴承的负荷大、摩擦和机械牢固性老化导致运行事故、维护困难等问题。技术方案：本专利技术的用于立轴式水轮发电机的感应型超导磁悬浮减载装置，包括定子和设置在所述定子上方的转子，所述定子固定设置，围绕水轮机大轴安装并与之保持间隙，所述转子固定安装在水轮机大轴上，定子包括背铁和设置在所述背铁上侧面的至少一个悬浮力单元，所述悬浮力单元包括以水轮机大轴为中心对称设置的多个超导绕组对，每个所述超导绕组对包括沿背铁的径向相邻设置的两个超导绕组，所述悬浮力单元与转子之间存在工作气隙。进一步的，本专利技术装置中，所述超导绕组绕制在背铁上侧面设置的非导磁材料制成的合金芯上。进一步的，本专利技术装置中，所述超导绕组对的两个超导绕组形状尺寸相同。进一步的，本专利技术装置中，所述悬浮力单元为多个，多个悬浮力单元以水轮机大轴为中心，沿背铁径向呈同心圆排列，每个悬浮力单元中的各超导绕组的周向长度相同，不同悬浮力单元的超导绕组径向宽度相同、周向长度不同，位于外侧的悬浮力单元比其内侧的悬浮力单元的超导绕组的周向长度要长。进一步的，本专利技术装置的悬浮力单元中，超导绕组的周向长度l为：l＝πR/3.3P，其中R为一个超导绕组的中心到大轴轴心的距离，P为定子的等效磁极对数。进一步的，本专利技术装置中，背铁为导磁材料制成。进一步的，本专利技术装置中，定子的磁极数满足f1+f2＝Pn/30，其中f1为正向半边的电流频率，f2为反向半边的电流频率，P为定子的等效磁极对数，n为水轮机大轴的旋转速度，所述正向半边和反向半边的定义为：以过水轮机大轴轴心的一条直线为分界线，将背铁上的超导绕组分为两组，并对两组超导绕组施加顺序相反的电流，产生磁场方向与水轮机大轴旋转方向一致的为正向半边，产生磁场方向与水轮机大轴旋转方向相反的为反向半边。进一步的，本专利技术装置中，转子包括面朝定子的铜板和位于所述铜板上方的铝合金板，铝合金板与铜板叠压在一起，固定安装在水轮机大轴上。本专利技术采用超导技术，可以获得更大的体积能量密度，使装置体积更小产生的悬浮力更大。通过本技术，可以解决立轴式水轮发电机现有的承重装置-推力轴承的负荷大、摩擦和机械牢固性老化导致运行事故、维护困难等问题。同时，采用电磁结构，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。本专利技术装置设计为静止部分(初级、定子)和转动部分(次级、转子)两部分，定子部分由超导线材绕制在合金芯上制成，整体固定于外部支撑机构上，由于超导线材固定于支撑机构上，不形成旋转，可减少制冷系统的复杂度。其中非导磁体合金芯主要用于支撑线材形成磁极，采用非导磁合金材料，一方面不受磁性材料的磁饱和限制，另一方面使初级重量大大减轻。超导线材采用具有超导特性的二硼化镁(MgB2)，该线材具有好的弯曲特性和高达3T的工作磁场，可提高气隙的储能密度从而获得更大的力密度。次级采用铝合金板和铜板复合叠压结构，固定在大轴上，与大轴一起随主轴旋转，承受来自于定子的排斥力。铜板由于电阻小安装于面朝初级侧，作为主要的涡流承载体，依据电磁波透入原理设计铜板厚度，从而提高排斥力，降低转矩。铝合金板重量轻机械强度高，与铜板叠压在一起，作为受力支撑装于外侧，形成用来实现轴向悬浮的受力盘，可最大限度的降低受力盘在长期运行情况下的变形程度。初级和次级间留有气隙，用来在初级和次级间传递能量。当超导线材中通入三相交流电后，由于线材在一定的低温环境下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于立轴式水轮发电机的感应型超导磁悬浮减载装置，其特征在于：该装置包括定子和设置在所述定子上方的转子，所述定子固定设置，围绕水轮发电机大轴(1)安装并与之保持间隙，所述转子固定安装在水轮发电机大轴(1)上，定子包括背铁(7)和设置在所述背铁(7)上侧面的至少一个悬浮力单元(12)，所述悬浮力单元(12)包括以水轮发电机大轴(1)为中心对称设置的多个超导绕组对(10)，每个所述超导绕组对(10)包括沿背铁(7)的径向相邻设置的两个超导绕组(3)，所述悬浮力单元(12)与转子之间存在工作气隙，所述定子的磁极数满足f1+f2＝Pn/30，其中f1为正向半边的电流频率，f2为反向半边的电流频率，P为定子的等效磁极对数，n为水轮发电机大轴(1)的旋转速度，所述正向半边和反向半边的定义为：以过水轮发电机大轴(1)轴心的一条直线为分界线，将背铁(7)上的超导绕组(3)分为两组，并对两组超导绕组(3)施加顺序相反的电流，产生磁场方向与水轮发电机大轴(1)旋转方向一致的为正向半边，产生磁场方向与水轮发电机大轴(1)旋转方向相反的为反向半边。

【技术特征摘要】
1.一种用于立轴式水轮发电机的感应型超导磁悬浮减载装置，其特征在于：该装置包括定子和设置在所述定子上方的转子，所述定子固定设置，围绕水轮发电机大轴(1)安装并与之保持间隙，所述转子固定安装在水轮发电机大轴(1)上，定子包括背铁(7)和设置在所述背铁(7)上侧面的至少一个悬浮力单元(12)，所述悬浮力单元(12)包括以水轮发电机大轴(1)为中心对称设置的多个超导绕组对(10)，每个所述超导绕组对(10)包括沿背铁(7)的径向相邻设置的两个超导绕组(3)，所述悬浮力单元(12)与转子之间存在工作气隙，所述定子的磁极数满足f1+f2＝Pn/30，其中f1为正向半边的电流频率，f2为反向半边的电流频率，P为定子的等效磁极对数，n为水轮发电机大轴(1)的旋转速度，所述正向半边和反向半边的定义为：以过水轮发电机大轴(1)轴心的一条直线为分界线，将背铁(7)上的超导绕组(3)分为两组，并对两组超导绕组(3)施加顺序相反的电流，产生磁场方向与水轮发电机大轴(1)旋转方向一致的为正向半边，产生磁场方向与水轮发电机大轴(1)旋转方向相反的为反向半边。2.根据权利要求1所述的用于立轴式水轮发电机的感应型超导磁悬浮减载装置，其特征在于：所述超导绕组(3)绕制在背铁(7)上侧面设置的非导磁材料制成的合金芯(2)上。3.根据权利要求1所述的用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘静，马宏忠，程俊，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37