專利名稱：水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分混合磁浮承重系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分混合磁浮承重系統(tǒng)。它是基于永磁與電勵(lì)磁混合磁浮技術(shù)的立式水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)承重的關(guān)鍵技術(shù)，屬于電氣控制工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
早在公元前100年前后，中國(guó)就出現(xiàn)了水輪機(jī)的雛形——水輪，用于提灌和驅(qū)動(dòng)糧食加工器械?，F(xiàn)代水輪機(jī)則大多數(shù)安裝在水電站內(nèi)，用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了比較成熟的水力發(fā)電技術(shù)，水電在人民日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了不可缺少的作用。目前大中型水力發(fā)電機(jī)組基本上采用立軸結(jié)構(gòu)，立式水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要重量是通過主軸傳遞給座環(huán)，然后傳遞給承力墩的方式，也就是說水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過主軸連接在一起。由于水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)重量很大，在其工作過程中必然會(huì)對(duì)它的承重設(shè)施有著很高的要求，傳統(tǒng)的承重方式主要是采用推力軸承。推力軸承承受整個(gè)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量以及水輪機(jī)軸向的水推力。存在摩擦和機(jī)械牢固性老化等的問題(例如，推力軸承實(shí)際瓦面在油膜壓力和油膜溫度聯(lián)合作用下會(huì)發(fā)生變形，瓦面的變形會(huì)影響油膜厚度分布，瓦面變形越大，油膜中的峰值壓力與平均比壓之比越大，而最小油膜厚度會(huì)變小。對(duì)于重載大型推力軸承，瓦面和鏡板面的綜合變形可能會(huì)超過最小油膜厚度的量級(jí)，軸承就可能發(fā)生磨損和燒瓦)。特別是長(zhǎng)期重負(fù)狀態(tài)下的摩擦引起的機(jī)械磨損和發(fā)熱問題非常突出。為此，大型水輪發(fā)電機(jī)組承重系統(tǒng)中對(duì)承重軸承有非常嚴(yán)格的要求。因而使其生產(chǎn)成本與運(yùn)行維護(hù)成本上升。而磁浮支承可以無接觸、無摩擦，很好地解決了傳統(tǒng)承重的不足。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分承重系統(tǒng)的特點(diǎn)，并結(jié)合永磁與電勵(lì)磁技術(shù)的特性，提出了水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分混合磁浮承重系統(tǒng)。旨在克服水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分承重系統(tǒng)存在的上述問題。采用永磁磁浮技術(shù)與電勵(lì)磁磁浮技術(shù)共同對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分產(chǎn)生向上的浮力，以減小轉(zhuǎn)動(dòng)部分施加在軸承上的重力。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案其特征是在水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)之間的主軸上設(shè)置永磁磁浮裝置和電勵(lì)磁磁浮裝置，所述電勵(lì)磁磁浮部分包括電磁鐵鐵芯、電磁鐵勵(lì)磁繞組和銜鐵，其中銜鐵與主軸固定連接，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，電磁鐵鐵芯與靜止的土工建筑或固定支架固定連接，勵(lì)磁繞組放置在電磁鐵芯的空腔內(nèi)；所述永磁磁浮部分包括動(dòng)永磁體和靜永磁體，其中動(dòng)永磁體與主軸固定連接，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，靜永磁體與靜止的土工建筑或另一個(gè)固定支架固定連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)為兩部分施加懸浮力的方式。即一方面，采用永磁磁浮的方式。將一塊有著適當(dāng)面積(根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所需浮起的重量由下面所給計(jì)算模型計(jì)算)、厚度和磁性的永磁體固定于主軸適當(dāng)位置(如主軸下半部分某位置，由實(shí)際空間允許決定)，并在水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)輪與該永磁體之間建造一層土工建筑物(或其它支撐物)，其上置另一塊相同面積的永磁體(如附圖1下半部分)，并使這兩塊永磁體相斥，那么因?yàn)橥凉そㄖ飳⒘鬟f給土建設(shè)施，永磁磁浮部分在主軸的軸向?qū)χ鬏S施加一向上的推力；另一方面，在主軸另一適當(dāng)位置(如主軸上半部分某位置)，裝設(shè)電勵(lì)磁磁浮裝置，即在主軸上固定一塊有著合理面積和厚度的鐵塊，鐵塊的上方安裝固定的電磁鐵，(如附圖1上半部分)，電磁鐵通電之后，對(duì)其下的銜鐵產(chǎn)生吸引力，該吸引力施加于主軸上，對(duì)整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部分產(chǎn)生一個(gè)向上的拉力。通過這兩個(gè)方式不同的裝置產(chǎn)生的懸浮力以承擔(dān)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量。
考慮水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)并不使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)真正全部浮起來，而是分擔(dān)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的大部分重量，這樣既減小施加在推力軸承上的重力，從而減小摩擦，又保持發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的穩(wěn)定性。
當(dāng)前電磁理論的發(fā)展及新型永磁材料(如稀土永磁材料)的成熟應(yīng)用，為本發(fā)明專利的實(shí)現(xiàn)提供了可能。



附圖1是本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)剖面示意圖. 附圖2是永磁磁浮部分示意圖. 附圖3是電勵(lì)磁磁浮部分示意圖. 附圖4是電磁磁浮力與勵(lì)磁繞組匝數(shù)、勵(lì)磁電流之間的實(shí)例分析關(guān)系示意圖。
圖中的1是水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主軸、2是電磁鐵鐵芯、3是電磁鐵勵(lì)磁繞組、4是銜鐵、5是動(dòng)永磁體、6是靜永磁體、7是靜止的土工建筑或固定支架、8是另一靜止的土工建筑或固定支架。

具體實(shí)施例方式 對(duì)照附圖1，其結(jié)構(gòu)是在水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)之間的主軸1上設(shè)置永磁磁浮裝置和電勵(lì)磁磁浮裝置，所述電勵(lì)磁磁浮部分包括電磁鐵鐵芯2、電磁鐵勵(lì)磁繞組3和銜鐵4，其中銜鐵4與主軸1固定連接，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，電磁鐵鐵芯2與靜止的土工建筑或固定支架7固定連接，勵(lì)磁繞組3放置在電磁鐵芯2的空腔內(nèi)；所述永磁磁浮部分包括動(dòng)永磁體5和靜永磁體6，其中動(dòng)永磁體5與主軸1固定連接，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，靜永磁體6與靜止的土工建筑或另一個(gè)固定支架8固定連接。
所述的混合磁浮承重是利用其永久磁鐵產(chǎn)生永磁磁浮力和電磁鐵產(chǎn)生的電磁磁浮力來共同分擔(dān)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量支承；其中電磁磁浮力采用可調(diào)節(jié)形式，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小或者線圈的匝數(shù)來調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的電磁磁浮力的大小，實(shí)現(xiàn)合理分配水輪發(fā)電機(jī)組重量的分擔(dān)；將永磁系統(tǒng)與電勵(lì)磁系統(tǒng)相結(jié)合，讓永久磁鐵承擔(dān)一部分固定重量，以減少電勵(lì)磁承重部分的承重分額，從而減少電勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電流；電磁磁浮的方式是將一塊鐵塊或銜鐵固定在主軸靠發(fā)電機(jī)一端，該鐵塊或銜鐵的上方安裝電磁鐵，電磁鐵鐵芯固定在靜止的支撐物上；永磁磁浮的方式是將一塊永磁體固定在主軸靠水輪機(jī)一端，永磁體下方設(shè)置另一塊相同面積的永磁體，該永磁體固定在靜止的支撐物上，并使這兩塊永磁體相斥。
永磁磁浮部分與靜止的土工建筑8固定連接的靜永磁體6和與主軸1固定連接的動(dòng)永磁體5之間產(chǎn)生磁力F1(排斥力)，托起動(dòng)永磁體5，從而對(duì)主軸1產(chǎn)生向上的力。
電磁磁浮部分在勵(lì)磁繞組3中通入直流電流，在電磁鐵鐵芯中產(chǎn)生電磁力，吸引銜鐵4，銜鐵4通過主軸1產(chǎn)生向上的浮力F2(拉力)。調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組3中的電流的大小，可以調(diào)節(jié)電磁力的大小。
可見，永磁磁浮部分產(chǎn)生向上的磁浮力F1，這一磁力是不可調(diào)節(jié)的，作為基本磁浮力；電磁磁浮部分也產(chǎn)生向上的磁浮力F2，這一磁浮力是可以調(diào)節(jié)的。這兩部分磁浮力共同作用，為水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供向上的浮力，托起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)大部分重量。
計(jì)算模型 被氣隙隔開的兩個(gè)平行導(dǎo)磁體磁極間形成的磁力為 式中F為磁力，N；Φ為通過磁極間的磁通，Wb；S為氣隙處的總磁極面積，m2；B為氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；μ0為空氣磁導(dǎo)率，4π×10-7Wb/(Am)。
永磁磁浮方面 永磁磁浮裝置的剖面簡(jiǎn)圖如附圖2。
我們通過對(duì)永磁材料的選擇和對(duì)永磁體的尺寸設(shè)計(jì)使磁極間的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B01，選擇圓平面的永磁體直徑為d01，設(shè)d為水輪機(jī)組主軸的直徑。
那么根據(jù)公式(1)有 永磁磁浮力 所以，我們可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求，即永磁磁浮力負(fù)擔(dān)多少重量，并考慮水輪發(fā)電機(jī)組的主軸的直徑來設(shè)計(jì)永磁體的直徑，實(shí)際過程中將考慮漏磁通等損耗問題。
電磁磁浮方面 電磁鐵懸浮裝置的剖面簡(jiǎn)圖如附圖3。
磁通Φ的大小與磁壓及磁阻的關(guān)系為 式中Φ為磁通量，Wb；Um為磁路的總磁壓，A；Rm0為磁路的總磁阻，A/Wb。
需要對(duì)磁路的磁阻做計(jì)算，磁路磁阻可分為氣隙磁阻和鐵芯磁阻兩部分。兩個(gè)氣隙的磁阻串聯(lián)，在平衡位置處氣隙總磁阻為 鐵質(zhì)部分的磁阻為 式中內(nèi)環(huán)面積外環(huán)面積μ為鐵塊的導(dǎo)磁率。
根據(jù)兩平行導(dǎo)磁體磁極間形成的電磁力公式(1)可得 綜合公式(3)和式(4)所以我們有 式中Rm0＝Rm+R’m 所以，我們可以通過電磁磁浮力負(fù)擔(dān)的重量來設(shè)計(jì)總的磁壓，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)勵(lì)磁電流的大小和線圈的匝數(shù)，確定電磁磁浮方面的各項(xiàng)尺寸，力求高效，低損耗的實(shí)現(xiàn)計(jì)劃負(fù)重。
實(shí)施例驗(yàn)證 為了驗(yàn)證本發(fā)明的可行性，結(jié)合陜西安康水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行磁浮支承可行性的驗(yàn)證和磁浮裝置各項(xiàng)具體尺寸的計(jì)算。
陜西安康水電站的總裝機(jī)容量為800兆瓦，包括4臺(tái)SF-200-56/12800型號(hào)的、額定功率為200兆瓦的發(fā)電機(jī)組，其額定電壓為13.8KV，額定電流為9560A，功率因數(shù)為0.875，水輪機(jī)型號(hào)為HL-220-LT-550，轉(zhuǎn)輪直徑5.5m，額定轉(zhuǎn)速107.1r/min，平均水頭76.2m。其支承方式采用推力軸承，屬于外加泵、外循環(huán)冷卻的大型水電站軸承，其推力總負(fù)荷為1600t，計(jì)算損耗為300kW，攪拌損耗60kW，總損耗為360kW。
本例計(jì)劃利用懸浮力提供約80％的總負(fù)荷，約為1280t。
永磁磁浮方面 永磁體的外徑選擇為5m，內(nèi)徑選擇為2m(略大于主軸直徑d)。永磁磁性材料設(shè)計(jì)為能在氣隙間產(chǎn)生的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9T。利用式(2)計(jì)算 式中m1為永磁磁浮力所能承受的質(zhì)量；g為重力加速度取g＝9.8m/s2?？山獾胢1＝542t. 永磁支承部分分擔(dān)了約542t的機(jī)組承重，由此得出將由電磁磁浮力分擔(dān)約738t的承重(約合7232400N)。
電磁磁浮方面 電磁磁極采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，通過根據(jù)上一部分理論的推導(dǎo)和根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所確定的一些結(jié)構(gòu)尺寸我們采用以下尺寸d1＝2m；d2＝3.5m；內(nèi)外環(huán)之間的距離l＝0.6m；d3＝d2+2l＝4.7m；d4＝5.5m；通過計(jì)算可得 實(shí)際內(nèi)環(huán)面積 實(shí)際外環(huán)面積 氣隙的磁阻(氣隙寬度δ0取6mm) 鐵質(zhì)部分的磁阻(取h1＝h3＝80mm，h2＝120mm) 總磁阻Rm0＝Rm+R’m＝4.42×103A/Wb； 最后計(jì)算得到磁路總磁壓為 實(shí)際取U’m＝kUm＝40.58kA，式中k為考慮磁漏后磁動(dòng)勢(shì)放大系數(shù)，一般取k＝1.2。
我們希望利用盡可能小的電流來實(shí)現(xiàn)電磁磁浮，所以增加勵(lì)磁電流的線圈匝數(shù)，不妨取為6000匝，也就是說勵(lì)磁電流為6.76安培。
調(diào)節(jié)線圈匝數(shù)和勵(lì)磁電流可以改變總浮力的大小，本算例其它條件不變情況下，電磁磁浮部分浮力與勵(lì)磁繞組匝數(shù)、勵(lì)磁電流之間的關(guān)系見附圖4。
綜合以上兩個(gè)方面的計(jì)算結(jié)果，我們對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定值進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明各項(xiàng)尺寸的數(shù)值能夠很好的滿足線圈的散熱條件和線圈繞組的布線要求。并且我們對(duì)所需的電勵(lì)磁磁浮裝置的勵(lì)磁損耗做了計(jì)算，其值不超過30kW，而采用傳統(tǒng)的推力軸承做支承，所需要的總損耗為360kW，電勵(lì)磁損耗不到傳統(tǒng)損耗的10％。此外，一臺(tái)發(fā)電機(jī)組的額定裝機(jī)容量為200兆瓦，其勵(lì)磁損耗與之相比就非常小，只有不到0.015％。
實(shí)例計(jì)算表明，可以用磁浮力來分擔(dān)水輪發(fā)電機(jī)組的承重，體現(xiàn)了其低損耗，推力強(qiáng)等的優(yōu)越性；而且由于本系統(tǒng)的磁浮支承大大減少了摩擦的特性，該項(xiàng)技術(shù)很好的克服了傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組推力支承系統(tǒng)中存在的老化和機(jī)械維護(hù)的問題，同時(shí)也提高的整個(gè)機(jī)組的效率。
權(quán)利要求
1、水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分混合磁浮承重系統(tǒng)，其特征是在水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)之間的主軸上設(shè)置永磁磁浮裝置和電勵(lì)磁磁浮裝置，所述電勵(lì)磁磁浮部分包括電磁鐵鐵芯、電磁鐵勵(lì)磁繞組和銜鐵，其中銜鐵與主軸固定連接，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，電磁鐵鐵芯與靜止的土工建筑或固定支架固定連接，勵(lì)磁繞組放置在電磁鐵芯的空腔內(nèi)；所述永磁磁浮部分包括動(dòng)永磁體和靜永磁體，其中動(dòng)永磁體與主軸固定連接，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，靜永磁體與靜止的土工建筑或另一個(gè)固定支架固定連接。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分混合磁浮承重系統(tǒng)，其特征是所述的混合磁浮承重是利用其永久磁鐵產(chǎn)生永磁磁浮力和電磁鐵產(chǎn)生的電磁磁浮力來共同分擔(dān)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量支承；其中電磁磁浮力采用可調(diào)節(jié)形式，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小或者線圈的匝數(shù)來調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的電磁磁浮力的大小，實(shí)現(xiàn)合理分配水輪發(fā)電機(jī)組重量的分擔(dān)；將永磁系統(tǒng)與電勵(lì)磁系統(tǒng)相結(jié)合，讓永久磁鐵承擔(dān)一部分固定重量，以減少電勵(lì)磁承重部分的承重分額，從而減少電勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電流；電磁磁浮的方式是將一塊鐵塊或銜鐵固定在主軸靠發(fā)電機(jī)一端，該鐵塊或銜鐵的上方安裝電磁鐵鐵芯，電磁鐵鐵芯固定在靜止的支撐物上；永磁磁浮的方式是將一塊永磁體固定在主軸靠水輪機(jī)一端，永磁體下方設(shè)置另一塊相同面積的永磁體，該永磁體固定在靜止的支撐物上，并使這兩塊永磁體相斥。
全文摘要
本發(fā)明是水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分混合磁浮承重系統(tǒng)，在主軸上設(shè)置永磁磁浮裝置和電勵(lì)磁磁浮裝置，電勵(lì)磁磁浮部分包括電磁鐵鐵芯、電磁鐵勵(lì)磁繞組和銜鐵，銜鐵與主軸固定連接，電磁鐵鐵芯與靜止的土工建筑或固定支架固定連接，勵(lì)磁繞組放置在電磁鐵芯的空腔內(nèi)；永磁磁浮部分有動(dòng)永磁體和靜永磁體，動(dòng)永磁體與主軸固定連接，靜永磁體與靜止的土工建筑或另一個(gè)固定支架固定連接。優(yōu)點(diǎn)減輕機(jī)械軸承承受壓力，減少機(jī)械損耗，提高發(fā)電機(jī)組效率；減少機(jī)械變形、發(fā)熱、老化，降低機(jī)械故障發(fā)生率，延長(zhǎng)使用壽命。調(diào)節(jié)電磁磁浮力，合理分配水輪發(fā)電機(jī)組重量的分擔(dān)。永磁系統(tǒng)與電勵(lì)磁系統(tǒng)相結(jié)合，減少電勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電流、損耗和發(fā)熱。
文檔編號(hào)H02N15/00GK101350584SQ200810196389
公開日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月8日
發(fā)明者馬宏忠, 平 鞠, 斌 王, 韓敬東 申請(qǐng)人:河海大學(xué)