水轮发电机组转动部分混合磁浮承重系统技术方案

本发明专利技术是水轮发电机组转动部分混合磁浮承重系统，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种水轮发电机组转动部分混合磁浮承重系统。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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。 本专利技术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。 本专利技术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，为本专利技术专利的实现提供了可能。 附图说明 附图1是本专利技术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。 具体实施例方式 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 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 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 式中Φ为磁通量，Wb；Um为磁路的总磁压，A；Rm0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本文档来自技高网...

【技术保护点】
水轮发电机组转动部分混合磁浮承重系统，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马宏忠，鞠平，王斌，韩敬东，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]