混合磁悬浮水轮发电机组转子承重系统设计与建模
混合磁悬浮水轮发电机组转子承重系统可行性分析
河 海 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第３ ８卷
及 温升 的校 核等 ． 本文 分别 对永 磁悬 浮装置 和 电磁悬 浮装置进 行参数 设计 ， 按照 设计 先后顺 序给 出永磁悬 浮 装置 和 电磁 悬浮装 置 的设 计数 据 ， 建立联 合各项 装置 参数 的 Ｅｃｌ 据计 算优 化表格 ． 并 ｘｅ数
对磁 浮力计 算结果 的影 响 ．
１ 安康 水 电站 简 介
安 康水 电站位 于陕 西省安康 市上 游 １ ｋ ８ ｍ的汉 江上 ｊ安装 了 ４台型 号为 Ｓ －０—６１８０额定 功 率为 ， Ｆ２０５／２０ 、 ２０ Ｗ 的水轮 发 电机 组 （ 定 电压 ｌ ．ｋ 额定 电流 ９ ６ Ａ， 定转速 １７１／ ｉ）总装机 容量 ８０ ０Ｍ 额 ３８ Ｖ， ５０ 额 ０ ．ｒｍｎ ， ０ ＭＷ． 发 电机组 为装有 上 导 轴 承 的 半 伞 式 结 构 ， 部 装 有 直 径 达 ５４ｉ 大 型 同 轴 交 流 励 磁 发 电机 ， 定 容 量 顶 ． ｎ的 额 ２５ Ｖ・ 水 轮机 型号 为 Ｈ －２－Ｔ５０转 轮直 径 ５５ｌ平均 水 头 ７ ．ｉ． ．Ｍ Ａ． Ｌ２０Ｌ－５ ， ．Ｉ， ｌ ６２ｎ 该水 电站转 子系统采用推力轴 承支 承方式 ， 其推力总 负荷 为 １Ｍ 计算损耗 ３０ Ｗ 左右 ， ６ Ｎ， ０ｋ 搅拌损耗６ ｋ ０ Ｗ， 总损耗 ３０ Ｗ． 发 电机组 的承重包 括转轮 、 ６ ｋ 整个 主轴 、 电机转 子以及蜗壳上部 部分混凝 土 的重量 ， 发 还有 随水流 量变化 的轴 向水 推力 ， 计划利用混合磁悬 浮装置提供约 占承重总负荷 ８％的磁浮力 （２８ ０ １．ＭＮ左右 ） ． ［ ］
收稿 日期 ： ０９—５ ０ ２０ ０ — １ 基金项 目：中国水利水 电科学研究院开放研究基金 （０ ９４ １） 国家 自然科 学基金 （０７００ ２０５２ １ ； ５４７ １） 作者简介：马宏忠（９２ ， １６ 一） 江苏如皋人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从事 电气设备故障诊断 、 新能源发 电技术 、 电机运 行与控制研究 ．－ ｉ ｈｕ ｚ Ｅｍａ ：ｈｍｈ ｌ
【国家自然科学基金】_磁悬浮支承_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801
推荐指数 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
科研热词 磁悬浮轴承 电磁悬浮 永磁悬浮 水轮发电机组 转子系统 超导磁悬浮 超导加速度计 薄间隙磁场 粘性阻尼 稳态响应特性 磨床电主轴 电磁轴承支承系统 模态振型 模态分析 有限元模型修正 整形块 支承 振动抑制 承重系统 复模态 周期性振动 可控磁悬浮系统 参数估计 动力学特性 临界转速 ansys
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
科研热词 磁悬浮轴承 转子跌落 航空发动机 磁流变液阻尼器 电磁场仿真 弹性减振器 动力学响应 减振 保护轴承
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
推荐指数 4 3 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2014年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
2014年 科研热词 磁悬浮 电磁轴承 模态分析 柔性转子 高速磁悬浮电机 阻尼 耦合 直线进给 电磁力 漏磁通 永磁轴承 气隙值 有限元 接触刚度 弹簧刚度 固有频率 刚度 位移检测 人工心脏泵 临界转速 推荐指数 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
电厂发电机励磁系统建模试验方案
**电厂#4发电机励磁系统建模和参数测试试验方案批准：审核：编写：**电厂2004年9月8日目录一总则 (1)1 概述 (1)2 试验目的 (1)3 试验原理方法 (1)4 试验仪器 (2)5 安全注意事项 (2)6 组织措施 (2)二试验项目 (3)1 空载频域法试验 (3)2 空载时域法（阶跃响应）试验 (4)3 解除试验接线 (4)附表：需要提供的发电机励磁系统有关参数表 (5)一总则1 概述**电厂4号机为容量100MW的汽轮发电机组，励磁系统为交流励磁机励磁方式，采用**厂生产的微机WKLT-05型自动励磁调节器。
根据省公司纪总[2002]25号《**省发电机励磁系统建模和参数测试工作会议纪要》的要求，需进行发电机励磁系统模型建立和参数测试工作，特编制此测试方案。
2 试验目的开展励磁系统建模和参数测试工作对电网安全稳定运行和各发电企业安全经济发供电都具有重要意义，也是**电网与华东联网后，联合电网运行管理的一项重要工作。
发电机励磁系统对电力系统的电压控制和稳定控制具有重要的作用，对电力系统的动态过程影响大。
在电力系统分析工作中广泛应用发电机励磁系统数学模型，励磁系统（包括PSS）的数学模型是对发电机励磁系统物理过程的数学描述，作为电力系统机电暂态过程数学模型的重要组成部分，必须比较精确地模拟，才能为合理安排系统和电厂的运行方式、布置安全措施提供较为精确的仿真依据，从而充分利用各发电厂的发电能力，满足大功率向华东送电的需要。
根据省公司的检修计划，在**电厂选4号机检修完成前后，进行该发电机励磁系统模型和参数测试的现场试验。
试验时间约为8小时3 试验原理方法3.1 原理方法一（频域分析法）将发电机励磁系统及其各环节视为单输入－单输出系统，在A VR 的输入端注入由0.1～12Hz的伪随机小幅信号（HP35670A动态信号分析仪或其他装置输出的）产生的小幅伪随机干扰，用HP35670A仪器同时测量单输入－单输出环节的两端的随机摆动信号，由HP35670A仪器分析出频谱特性图，再的拟合出该环节的传递函数，即可以得出发电机励磁系统及其各环节的模型参数。
某电站50 MW水轮发电机数学建模和仿真分析
２０２０年第１２期２０２０Ｎｕｍｂｅｒ１２水电与新能源ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＡＮＤＮＥＷＥＮＥＲＧＹ第３４卷Ｖｏｌ.３４ＤＯＩ:１０.１３６２２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ４２－１８００/ｔｖ.１６７１－３３５４.２０２０.１２.０１２收稿日期:２０２０－０９－０５作者简介:柳呈祥ꎬ男ꎬ助理工程师ꎬ主要从事水电站励磁㊁直流系统调试㊁检修㊁维护工作ꎮ某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析柳呈祥ꎬ张元栋ꎬ程诗龙ꎬ黄柯维(中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂ꎬ湖北宜昌㊀４４３１３３)摘要:以某电站５０ＭＷ水轮发电机组为研究对象ꎬ对电机进行了模型参数计算ꎬ建立了发电机的数学模型ꎻ应用Ｍａｔｌａｂ软件中的ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具ꎬ以建立的数学模型为基础搭建了凸极水轮发电机仿真模型ꎬ并对所建模型并网后的运行特性进行仿真研究ꎬ验证了所建模型的正确性ꎮ关键词:水轮发电机ꎻ参数计算ꎻＭａｔｌａｂꎻ数学模型中图分类号:ＴＭ３１２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７１－３３５４(２０２０)１２－００４９－０５ＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａ５０ＭＷＨｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅＧｅｎｅｒａｔｏｒＵｎｉｔＬＩＵＣｈｅｎｇｘｉａｎｇꎬＺＨＡＮＧＹｕａｎｄｏｎｇꎬＣＨＥＮＧＳｈｉｌｏｎｇꎬＨＵＡＮＧＫｅｗｅｉ(ＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＰｌａｎｔꎬＣｈｉｎａＹａｎｇｔｚｅＰｏｗｅｒＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＹｉｃｈａｎｇ４４３１３３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｆｏｒａ５０ＭＷｈｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔａｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ.ＴｈｅｎꎬａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎＳｉｍｕｌｉｎｋｔｏｏｌｂｏｘｉｎＭａｔｌａｂｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ.Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔꎻｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎻＭａｔｌａｂꎻｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ㊀㊀同步发电机是电力系统的心脏ꎬ直接影响电力系统的的稳定运行ꎮ由于电机非线性㊁强耦合㊁多变量的特点ꎬ电机的动态特性复杂ꎬ而电机的动态性能对电力系统的动态稳定非常重要ꎬ所以对电机的模型进行深入的研究是十分必要的[１]ꎮ对于同步电机的数学模型主要有ａｂｃ轴和ｄｑ轴两种参考坐标系ꎬａｂｃ坐标系可以完整反映气隙基波和谐波磁场的电磁关系ꎬ但是电感参数变化会给此坐标系下的计算和分析造成不便ꎻｄｑ轴坐标系只计基波磁场的作用ꎬ可以实现定子绕组㊁转子绕组和阻尼绕组的电感解耦ꎬ目前来说ꎬ通常采用ｄｑ轴坐标进行电机建模ꎮ本文以某电站凸机同步发电机为例ꎬ建立了发电机在ｄｑ轴下的数学模型ꎬ并对此模型进行了Ｍａｔｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真ꎬ最后对仿真波形进行分析ꎬ验证了模型的正确性ꎮ１㊀发电机数学模型１.１㊀ｄｑ坐标系下的电机有名值方程为了建立同步发电机模型ꎬ必须对实际电机作必要的简化假设:１)定子三相绕组结构上完全相同ꎬ在空间上相差１２０ʎ电角度ꎮａｂｃ三相绕组对其轴线而言结构对称ꎮ２)电机转子在结构上是完全对称的ꎮ转子各绕组如果有电流ｉ流过ꎬ只考虑正弦基波分量ꎮ３)对于电机沿直轴或交轴的磁路ꎬ如果磁势波是对称于直轴或交轴正弦分布的ꎬ则磁密波也对称于直轴或者交轴正弦分布ꎬ或者说对于磁密波只计其基波分量[２]ꎮｄｑ坐标系下的电机暂态方程适应转子的旋转和凸极效应ꎬ所以一般选用ｄｑ坐标系建模ꎮ电压和磁链方程如下ꎮ９４水电与新能源２０２０年第１２期电压方程:ｕｄ＝ｐψｄ－ωψｑ－ｒｉｄｕｑ＝ｐψｑ＋ωψｄ－ｒｉｑｕｆ＝ｐψｆ＋ｒｆｉｆ０＝ｐψＤ＋ｒＤｉＤ０＝ｐψＱ＋ｒＱｉＱ(１)式中:ｕｄ㊁ｕｑ㊁ｕｆ分别为ｄｑ轴电压和励磁绕组的电压ꎻψｄ㊁ψｑ㊁ψｆ㊁ψＤ㊁ψＱ分别为各绕组磁链ꎻｉｄ㊁ｉｑ㊁ｉｆ㊁ｉＤ㊁ｉＱ分别为各绕组中流过的电流瞬时值ꎻｒ㊁ｒｆ㊁ｒＤ㊁ｒＱ分别为各绕组电阻ꎻω为转子电角速度ꎻｐ为微分算子ꎬｐ＝ｄｄｔꎮ磁链方程:㊀ψｄψＦψＤæèçççöø÷÷÷＝ＬｄＭｆＭＤＫＭｆＬｆＭＲＫＭＤＭＲＬＤéëêêêêùûúúúú－ｉｄｉｆｉＤéëêêêêùûúúúú㊀ψｑψＱæèçöø÷＝ＬｄＭＱＫＭＱＬＱéëêêùûúú－ｉｄｉＱéëêêùûúú(２)式中:Ｌｄ㊁Ｌｑ分别为ｄｑ同步电感系数ꎻＬｆ㊁ＬＤ㊁ＬＱ分别为励磁和阻尼绕组自感系数ꎻＭＲ为励磁和阻尼Ｄ绕组自感系数ꎻＭｆ㊁ＭＤ㊁ＭＱ分别为定子和转子绕组互感系数幅值ꎮ１.２㊀ｄｑ坐标系下的标幺值方程用有名值来进行同步电机的分析时ꎬ存在量级差异较大的情况ꎬ用归算到自身容量基值下的标幺值表示则更加合理ꎮ因此ꎬ对电机有名值方程还需进行标幺化ꎮ对有名值方程进行规范化的过程就是标幺化的过程ꎬ首先要确定有关变量的基准值ꎮ发电机定子侧基准电压ＵＢ㊁基准电流ＩＢ㊁基准容量ＳＢ㊁基准频率ｆＢ和基准角频率ωＢ为[３]㊀㊀ＵＢ＝２ＵＲ㊀㊀ＩＢ＝２ＩＲ㊀㊀ＳＢ＝ＳＲ＝３ＵＲＩＲ＝３２ＵＢＩＢ㊀㊀ｆＢ＝５０Ｈｚ㊀㊀ωＢ＝２πｆｂ式中:ＵＲ为发电机额定相电压有效值ꎻＩＲ为发电机额定相电流有效值ꎻＳＲ为发电机额定容量ꎮ定子侧绕组基准磁链ψＢ㊁基准自感系数ＬＢ和时间基准值ｔＢ关系为ψＢ＝ＵＢｔＢψＢ＝ＬＢＩＢ转子ｆ㊁Ｄ和Ｑ各绕组变量分别取以下基准值ＵｆＢ＝ＫＦＵＢＵＤＢ＝ＫＤＵＢＵＱＢ＝ＫＱＵＢüþýïïïψｆＢ＝ＫＦψＢψＤＢ＝ＫＤψＢψＱＢ＝ＫＱψＢüþýïïïＩｆＢ＝３２１ＫＦＩＢＩＤＢ＝３２１ＫＤＩＢＩＱＢ＝３２１ＫＱＩＢüþýïïïïïïïＳＦＢ＝ＳＤＢ＝ＳＱＢ＝ＳＲ式中:ＫＦ㊁ＫＤ为励磁和阻尼Ｄ绕组对定子ｄ绕组的等效匝比ꎻＫＱ为阻尼Ｑ绕组对定子ｑ绕组的等效匝比ꎮ经过规范化后的磁链方程为ψｄψＢψｆψｆＢψＤψＤＢæèçççççççöø÷÷÷÷÷÷÷＝ＬｄＬＢＭｆ２３ＫＦＬＢＭＤ２３ＫＤＬＢ２３ＭｆＫＦＬＢＬｆ２３ＫＦ２ＬＢＭＲ２３ＫＤＫＦＬＢ２３ＭＤＫＤＬＢＭＲ２３ＫＦＫＤＬＢＬＤ２３ＫＤ２ＬＢéëêêêêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúúúú－ｉｄＩＢｉｆ３２１ＫＦＩＢｉＤ３２１ＫＤＩＢéëêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúψｑψＢψｑψＱＢæèççççöø÷÷÷÷＝ＬｑＬＢＭＱ２３ＫＱＬＢ２３ＭＤＫＱＬＢＬＱ２３ＫＱ２ＬＢＬＱéëêêêêêêêêùûúúúúúúúú－ｉｑＩＢｉＱ３２１ＫＱＩＢéëêêêêêêùûúúúúúú(３)由于电感标幺值与电抗标幺值相等ꎬ可以不区分ꎬ上式可改写为ψｄ∗ψｆ∗ψＤ∗æèçççöø÷÷÷＝Ｘｄ∗Ｘａｄ∗Ｘａｄ∗Ｘａｄ∗Ｘｆ∗ＸＲ∗Ｘａｄ∗ＸＲ∗ＸＤ∗éëêêêêùûúúúú－ｉｄｉｆｉＤéëêêêêùûúúúúψｑ∗ψＱ∗æèçöø÷＝Ｘｑ∗Ｘａｑ∗Ｘａｑ∗ＸＱ∗éëêêùûúú－ｉｑｉＱéëêêùûúú(４)电压方程为０５柳呈祥ꎬ等:某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析２０２０年１２月ｕｄ∗＝ｄｄｔ∗(ψｄ∗)－ω∗ψｑ∗－ｒ∗ｉｄ∗ｕｑ∗＝ｄｄｔ∗(ψｑ∗)＋ω∗ψｄ∗－ｒ∗ｉｑ∗ｕｆ∗＝ｄｄｔ∗(ψｆ∗)＋ｒｆ∗ｉｆ∗ｕＤ∗＝ｄｄｔ∗(ψＤ∗)＋ｒＤ∗ｉＤ∗＝０ｕＱ∗＝ｄｄｔ∗(ψＱ∗)＋ｒＱ∗ｉＱ∗＝０(５)由于后续分析的电气量均为标幺值ꎬ将∗省略ꎮ电机参数一般以运算电抗和实用参数给出ꎬ其中ｄｑ轴运算电抗为Ｘｄ(ｐ)＝ψｄ－ｉｄＸｑ(ｐ)＝ψｑ－ｉｑ由式(４)和(５)可求得:㊀㊀Ｘｄ(ｐ)＝Ｘｄ－Ｂ(ｐ)Ａ(ｐ)Ａ(ｐ)＝ｐ２(ＸＤＸｆ－Ｘａｄ２)＋ｐ(ＸＤｒｆ＋ＸｆｒＤ)＋ｒＤｒｆＢ(ｐ)＝ｐ２(ＸＤ＋Ｘｆ－２Ｘａｄ)Ｘａｄ２＋ｐ(ｒｆ＋ｒＤ)Ｘａｄ２㊀㊀Ｘｑ(ｐ)＝Ｘ１＋Ｘａｑ(ＸＱ１＋ｒＱｐ)Ｘａｑ＋(ＸＱ１＋ｒＱｐ)(６)除以上电磁方程ꎬ还有转子运动方程２Ｈｄωｄｔ＝Ｔｍ－ＴｅＴｅ＝ψｄｉｑ－ψｑｉｄ(７)式中:Ｈ为机组惯性时间常数ꎻＴｍ为机械力矩ꎻＴｅ为电磁转矩ꎮ２㊀标幺值选定和仿真参数计算表１为某电站发电机主要电气参数ꎬ由式(４)(５) (７)搭建电机模型需知道发电机定子绕组㊁转子绕组和阻尼绕组的电抗值㊁电阻值ꎬ还需知道机组惯性时间常数ꎮ由于建模采用标幺值系统ꎬ应对发电机电气参数进行标幺化ꎬ本节对发电机标幺值选定和发电机参数进行分析和计算ꎮ定子绕组基准值选择[４－５]ＳａＢ＝ＳＮ＝５８.８ＭＶＡＵａＢ＝２ＵＲ＝２ˑ１０５００/３＝８５７３.２ＶＩａＢ＝２ＩＲ＝４５７４.３Ａ表１ 发电机主要电气参数表项目额定工况发电机功率ＰＮ/ＭＷ５０功率因数ｃｏｓφＮ０.８５发电机容量ＳＮ/ＭＶＡ５８.８额定电压ＵＮ/ｋＶ１０.５额定电流ＩＮ/Ａ３２３４.５额定转速ｎＮ/(ｒ ｍｉｎ－１)２７２.７额定频率ｆＮ/Ｈｚ５０直轴同步电抗Ｘｄ(不饱和值)/ｐ.ｕ.１.０５８直轴瞬变电抗Ｘᶄｄ(不饱和值)/ｐ.ｕ.０.３０７直轴超瞬变电抗Ｘᵡｄ/ｐ.ｕ.０.２０３交轴同步电抗Ｘｑ/ｐ.ｕ.０.６７５交轴超瞬变电抗Ｘᵡｑ/ｐ.ｕ.０.２１４定子绕组漏抗Ｘ１/ｐ.ｕ.０.１１９ｄ轴短路暂态时间常数Ｔᶄｄ/ｓ１.９６２ｄ轴开路暂态时间常数Ｔᶄｄ０/ｓ６.７６ｄ轴短路次暂态时间常数Ｔᵡｄ/ｓ０.０４４１ｄ轴开路次暂态时间常数Ｔᵡｄ０/ｓ０.０６６５ｑ轴短路超瞬变时间常数Ｔᵡｑ/ｓ０.０５０２ｑ轴开路超瞬变时间常数Ｔᵡｑ０/ｓ０.１５７９６空载励磁电流Ｉｆ０/Ａ５９３额定励磁电流ＩｆＮ/Ａ１０６７额定励磁电压ＵｆＮ/Ｖ１６４定子绕组电阻Ｒａ/Ω０.００６４５励磁绕组电阻Ｒｆ/Ω０.１３０７飞轮力矩ＧＤ２/ｔｍ２１８５０ｆａＢ＝５０ＨｚωＢ＝２πｆＢ＝３１４.１６ｒａｄ/ｓＺａＢ＝ＲａＢ＝ＸａＢ＝１.８７４２ΩＬａＢ＝ＸａＢ/ωＢ＝５.９６６ˑ１０－３ＨψａＢ＝ＬａＢＩａＢ＝２７.２９Ｗｂ励磁绕组基准值选择ＳｆＢ＝ＳｆＢ＝ＳＮ＝５８.８ＭＶＡＬｄｆ＝ＵＢωＢｉｆ｜ｉｆ＝５９３Ａ＝０.０４６０２ＨＸａｄ∗＝Ｘａｄ∗－Ｘ１∗＝０.９３９ＩｆＢ＝ＸａｄＩＢωＢＬｄｆ＝(Ｘｄ－Ｘ１)ＩＢωＢＬｄｆ＝５５６.８Ａ１５水电与新能源２０２０年第１２期ＵｆＢ＝ＳＢＩｆＢ＝１０５.６ｋＶＺｆＢ＝ＲｆＢ＝ＸｆＢ＝１８９.７ΩＬｆＢ＝ＸｆＢ/ωＢ＝０.６０３８ＨψｆＢ＝ＬｆＢＩｆＢ＝３３６.２Ｗｂ定转子之间的互感基值选择ＬａｆＢ＝２３ＬａＢＬｆＢ＝０.０４９ＨＬｆａＢ＝２３ＬａｆＢ＝０.０７３５Ｈ力矩基值ＴＢ＝ＳａＢωｍＢ＝ｎｐＳａＢωｅＢ＝１１ˑ５８.８ˑ１０６３１４.１６＝２.０６ˑ１０６Ｎ ｍ由电机实用参数可继续求解得到电机模型参数[６](由于模型建立在标幺值基础上ꎬ后续如无特别说明均省略符号∗):Ｘａｄ＝Ｘｄ－Ｘ１＝０.９３９Ｘａｑ＝Ｘｑ－Ｘ１＝０.５５６Ｘｆ＝Ｘａｄ２Ｘｄ－Ｘᶄｄ＝１.１７４ＸＤ＝２.５５９ＸＱ＝０.６７１ｒ＝３.４４１ˑ１０－３ｒｆ＝５.５２８ˑ１０－３ｒＤ＝０.０８６５ｒＱ＝３.１６２ˑ１０－３转动惯量Ｊ＝１４ＧＤ２ˑ１０３＝４６２.５ˑ１０３ｋｇ ｍ２机组惯性时间常数Ｈ＝１２ＪωｍＢ２ＳａＢ＝３.２１ｓ至此ꎬ电机仿真所需所有建模参数均已求得ꎮ３㊀仿真模型３.１㊀模型搭建如图１所示ꎬ按照前面两节的电机电压方程㊁磁链方程㊁功率方程㊁电磁力矩方程和转子运动方程搭建电机模型ꎮ明显地ꎬ当考虑定子绕组㊁转子绕组和励磁绕组的电磁暂态过程以及转子的机械过渡过程时ꎬ发电机为七阶模型ꎬ完整的反映了电机系统的物理特性ꎮ电机模型采用标幺值系统ꎬ与上节的计算和分析对应ꎮ励磁系统采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ自带的ＥｘｃｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍꎬ控制方式为ＰＩＤ＋ＰＳＳ２Ｂꎮ变压器选择Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＴｒａｎｓ￣ｆｏｒｍｅｒꎬ容量选择６０ＭＶＡꎬ一二次侧电压为１０.５ｋＶ/３５ｋＶꎮ输电线路选择３－ＰｈａｓｅＳｅｒｉｅｓＲＬＣＢｒａｎｃｈ(电阻０.００３Ωꎬ电感为０.００５Ｈ)ꎮ无穷大系统用３－ｐｈａｓｅＳｏｕｒｃｅ模块(１００００ＭＶＡ３５ｋＶ)和３－ｐｈａｓｅｐａｒａｌｌｅｌＲＬＣｌｏａｄ模块组成ꎮ图１㊀发电机Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型图２５柳呈祥ꎬ等:某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析２０２０年１２月３.２㊀仿真波形搭建好仿真模型后ꎬ可以对电机暂态过程进行模拟仿真ꎮ机械功率输出Ｐｍ＝１(ｐ.ｕ.)ꎬ给定电压Ｖｒｅｆ＝１(ｐ.ｕ.)ꎮ励磁电流Ｉｆ㊁励磁电压Ｕｆ㊁ｄｑ轴电压和电流㊁电磁功率Ｐｅ和输出功率Ｐｅｏ的仿真波形如图２－图４所示ꎮ图２㊀Ｉｆ㊁Ｕｆ㊁Ｕｄ和Ｕｑ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)图３㊀ｉｄ和ｉｑ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)从图中可知ꎬ励磁电压㊁励磁电流随时间趋于稳定并达到额定值ꎮＵｄ和Ｕｑ的稳定值分别为０.６４７(ｐ.ｕ.)和０.７６３(ｐ.ｕ.)ꎮＵｄ２＋Ｕｑ２稳定值刚好趋于图４㊀Ｐｅ和Ｐｅｏ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)电压额定值ꎮ电磁功率和电磁输出功率趋于１(ｐ.ｕ.)ꎬ和给定的机械功率平衡ꎬ因为模型中未考虑摩擦转矩作用ꎬ这与理论分析的结果是一致的ꎮ综合以上发电机电气量仿真波形ꎬ本文搭建的发电机模型正确ꎬ可真实反映发电机电气和机械特性ꎮ４㊀结㊀语发电机系统是一个典型非线性㊁强耦合的高阶系统ꎬ动态性能复杂ꎬ所以对发电机的建模力求精确ꎮ本文介绍了建立发电机ｄｑ轴坐标系下数学模型的基本方法ꎬ接着对某电站的电机参数进行了分析和计算ꎬ搭建了基于实际凸机水轮发电机的模型ꎬ最后通过Ｍａｔ￣ｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真验证了模型的正确性ꎮ参考文献:[１]余贻鑫ꎬ陈礼义.电力系统的安全性和稳定性[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ１９８８[２]黄家裕ꎬ岑文辉.同步电动机基本理论及其动态行为分析[Ｍ].上海:上海交通大学出版社ꎬ１９８９[３]高景德ꎬ张麟征.电机过渡过程的基本理论及分析方法[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ１９８２[４]韩富春ꎬ闫根弟.暂态稳定数字仿真中发电机数学模型的研究[Ｊ].太原理工大学学报ꎬ２００５ꎬ３６(１):７５－７８[５]宋宏志.不同工况下大型水轮发电机电磁参数的计算[Ｄ].北京:华北电力大学ꎬ２０１１[６]倪以信ꎬ陈寿孙ꎬ张宝霖.动态电力系统的理论和分析[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２００２３５。
水轮发电机转子系统磁悬浮承重装置散热研究
ＭＡ Ｈ ｎ ｚｏｇ Ｇ Ｏ Ｘ ａｎｎ ， Ｈ Ｎ Ｙ ａｊｎ ｏ ｇｈｎ ， Ｕ ｉ ｉｇ Ｃ Ｅ ｕｎｕ ｏ
（ ｏ ｅｅｏ ｌ ｔｃｌ ｎｉｅｒ ｇ Ｈ ｈ ｉ ｎｖｒｔ，Ｎ ｍｉｇ ２０ ９ ， ｉ ｇｕ ｈｎ ） Ｃ ｌ ｇ ｆ ｅ ｒ ａ Ｅ ｇｎｅ ｎ ， ｏ ａ Ｕ ｉｅｓｙ ａ ｎ １０ ８ Ｊ ｎｓ ，Ｃ ｉａ ｌ Ｅ ｃｉ ｉ ｉ ａ
场仿 真分析 。 结果 显示 ，在 满足 水轮 机组 承 重要 求的 前提 下 ，合理 设计 通风 孔 可 以使 电磁 悬浮装 置 线
圈温度 大 大降低 ，满足 系统 应 用要 求。 关磁 线 圈 ； 风孔 ；对流散 热 ； ｎｙ 通 Ａ ｓｓ
中 图分 类 号 ：Ｔ １ Ｍ３ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ — ８０ ２ １ ） １０ ６ —４ ００ ０ ６ （０ １ ０ —０ ９０
Ｓ ｕｄｙ ｏ ａ ｓ ｉ ｔｏ ｏ ａ ｎｅ ｉ－ｅ ｔ ｔｏ ｂ ａ ｉ ｇ ｄｅ ｉｅ ｆ ｒ ｔ ｎ ｈｅ ｔｄｉｓｐａ ｉ ｎ ｆｍ ｇ ｔｃ ｌｖｉａ ｉ ｎ ｅ ｒ ｎ ｖ ｃ ｏ ｒ ｔ ｒ ｓ ｓｅ ｆｈｙ ａ ｉ ｕｒ ｎｅ ｇ ｎｅ ａ ｏ ｉ ｏ ｏ ｙ ｔ ｍ ｏ ｄｒ ｕｌｃ ｔ ｂｉ － ｅ ｒ ｔ ｒ ｕｎ ｔ
Ａｂ ｔａ ｔ ｉｃ ｈ ｘ ｉ ｔ ｎ ｃ ｉ ｆｅｅ ｔ ｍａ ｎ ｔ — ｖ ｔｔ ｎ ｂ ａｉ ｇ ｓ ｓｅ ｆｒｔ ｅ ａ ｉ ｏ ｄ ｏ ｙ ｒｕ ｉ ｕ ｂ ｎ — ｅ ｅ ａｏ ｓｒ ｃ ：Ｓ ｎ ｅ ｔ ｅ ｅ ｃｔ ｉ ｏ ｌ ｏ ｌｃ ｒ ａｏ ｓ ｏ ｇ ｅｉ ｌ ｉ ｉ ｅ ｒｎ ｙ ｔ ｍ ｏ ｈ ｘ ａ ｌａ ｆｈ ｄ ａ ｌ ｔ ｒ ｉ ｅ ｇ ｎ ｒ ｔｒ ｃｅ ａｏ ｌ ｃ ａ ｅ ｓ ａ ｅ ｎ ｉ ｅ ｏ ｈ ｙ ｔｍ ，ｔ ｅ ｈ ａ ｎ ｉ ｅ ｉ ｄｆ ｃ ｌ ｔ ｅ ｄ ｓ ｉ ａｅ ｒ ｅ ｌｄ ｉ ｓｄ ｆｔ ｅ ｓ ｓ ｅ ｈ ｅ ｔｉ ｓｄ ｓ ｉ ｉ ｕ ｔ ｏ ｂ ｉｓ ｔｄ，ａ ｄ ｔ ｅ ｖ ｒ ｈｇ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｒ ｅ ｗ ｕ ｄ ｏ ｃ ｒ ｆ ｐ ｎ ｈ ｎ ｏ ｅ ・ ｉｈ ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｓ ｏ ｌ ｃ ｕ ｉ
磁悬浮刚性转子系统振动机理分析与动力学建模
磁悬浮刚性转子系统振动机理分析与动力学建模房建成;张会娟;刘虎【摘要】By the virtue of active magnetic bearing, magnetically suspended inertia actuators can make micro-vibration come true through active vibration control. However, there still exist vibrations with some frequencies in magnetically suspended inertia actuators. Firstly, the vibration mechanism of Magnet Runout is analyzed based on the analysisof rotor unbalance and Sensor Runout, then the dynamic model of the magnetically suspended rigid rotor system composing of three vibration sources is developed and divided into translational motion and torsional motion. The analysis dedicates that rotor unbalance, Magnet Runout and Sensor Runout will arise vibrations through different channels, and that the vibrations include the fundamental frequencies and their harmonics. Lastly, the requirements of active vibration control are proposed for the magnetically suspended rigid rotor system, and are useful for the future research.%磁悬浮惯性执行机构采用磁轴承支承，可通过主动控制实现极微振动，但磁悬浮惯性执行机构仍存在频谱分量丰富的振动。
磁悬浮电机的设计与实现
磁悬浮电机的设计与实现引言磁悬浮电机是一种基于磁悬浮技术和电动机原理相结合的先进电机。
与传统的机械轴承支撑电机不同，磁悬浮电机利用磁力使转子浮在空中，消除了摩擦损耗和机械磨损，从而提高了电机的效率和可靠性。
本文将介绍磁悬浮电机的设计原理和实现方法。
设计原理磁悬浮电机的设计原理基于磁力平衡和电力驱动。
首先，通过使用永磁体和电磁体产生的磁场相互作用，可以使转子悬浮在气隙中。
然后，通过改变电磁体的电流来调节磁场的强度，从而控制转子的位置。
最后，通过施加交变电流使转子旋转，实现电机的工作。
磁悬浮电机通常采用两种磁悬浮方式：永磁悬浮和电磁悬浮。
永磁悬浮电机通过使用稳定的永磁体来产生悬浮力，从而实现转子的悬浮和驱动。
电磁悬浮电机则通过使用电磁体来产生悬浮力，需要外部电源来提供悬浮力。
两种方式各有优点和适用范围，具体选择应根据实际应用需求进行。
设计步骤1. 确定设计要求在开始设计磁悬浮电机之前，需要确定设计要求，包括功率、转速范围、悬浮方式等。
这些要求将直接影响到电机的设计参数和性能。
2. 选取磁悬浮方式根据设计要求和应用需求，选择适合的磁悬浮方式。
永磁悬浮适用于小功率和高速应用，电磁悬浮适用于大功率和低速应用。
3. 选择磁悬浮材料根据悬浮方式选择合适的磁悬浮材料。
永磁悬浮电机通常采用永磁体材料，如永磁铁、钕铁硼等。
电磁悬浮电机可以选择软磁材料，如硅钢片等。
4. 设计磁悬浮系统设计磁悬浮系统包括磁悬浮轴承和磁悬浮电磁体。
根据转子的重量和转速范围，选择合适的磁悬浮轴承类型，如径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承等。
设计磁悬浮电磁体时，需要考虑电磁体的尺寸、线圈参数等。
5. 设计控制系统设计控制系统是磁悬浮电机设计的关键。
控制系统需要实时监测转子位置和速度，并根据要求调整电磁体的电流，实现转子的悬浮和驱动。
常用的控制策略包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。
6. 制造和调试在完成设计后，进行磁悬浮电机的制造和调试。
制造过程包括制造磁悬浮轴承、制造电磁体、组装电机等。
基于COMSOL的永磁电磁混合悬浮实验设计与分析
基于COMSOL的永磁电磁混合悬浮实验设计与分析
高涛;杨杰;周发助;曹泽华
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2024(41)3
【摘要】为改善永磁磁浮技术及装置性能验证过程中存在的危险系数高、费用昂贵、现场测试条件差等问题,基于系统仿真软件模拟优势,应用相似理论的模型实验方法,探究了电磁场与永磁场的主动控制策略,设计了一套完整的磁悬浮实验系统。
以工程电磁场理论及非线性有限元算法为基础,利用COMSOL Multiphysics模型开发器对永磁电磁系统的磁力场作用规律及控制策略进行了设计与分析,验证了两种悬浮结构的多模态模型下的控制算法的可行性,并为初步研制并联式混合悬浮系统设计及算法实现提供了模拟样机,为提高学生理论分析及应用设计能力提供了更为直观、系统的实验平台。
【总页数】10页(P165-174)
【作者】高涛;杨杰;周发助;曹泽华
【作者单位】江西理工大学电气工程与自动化学院;江西理工大学永磁磁浮技术与轨道交通研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TP23
【相关文献】
1.基于不同永磁体结构优化设计的一种混合式永磁同步电机的电磁参数特性对比分析
2.电磁永磁混合悬浮系统的控制特性分析
3.永磁电磁混合Halbach阵列电动悬浮的稳定性控制
4.基于改进自抗扰的永磁电磁混合悬浮型磁浮球控制方法
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【国家自然科学基金】_磁悬浮转子系统_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801
1 1 1 1 1 1 1 1 1
53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68
垂直轴风力机 周期性振动 可控磁悬浮系统 反馈线性化 反磁悬浮 双框架控制力矩陀螺 参数估计 动框架效应 动力学耦合 动力学特性 主动磁悬浮轴承 临界转速 专家pid控制器 不平衡补偿 不平衡响应 不完全微分pid
科研热词 磁悬浮轴承 主动磁悬浮轴承 自适应滤波 磁悬浮阻尼器 磁悬浮转子 振动 临界转速 高速电机 高温超导磁悬浮轴承 高温超导磁悬浮 飞轮储能系统 隔层 随机激励 金属橡胶 车载磁悬浮转子 车载工况 试验模态分析 试验模态 航天器建模 耦合动力学 精度 稳定性 磨削 磁轴承 磁悬浮轴承-转子系统 磁悬浮转子系统 磁悬浮支承 磁悬浮 磁力轴承-转子系统 滑模变结构控制 涡流位移传感器 涡动频率 模态频率 模态阻尼比 模态阻尼 模态振型 有限元方法 有限元分析 数字控制器 故障识别 控制力矩陀螺 振动补偿 扰动抑制 弹簧模型 干扰观测器 差动变压器 实验研究 实时切换控制 姿态控制 增益自调整模糊控制 基础运动 动态特性
1 1 1 1 1 1 1 1 1 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
2011年
2012年 科研热词 推荐指数 序号 科研热词 主动磁悬浮轴承 5 1 磁悬浮轴承 磁悬浮轴承 3 2 磁轴承 磁悬浮 3 3 转子跌落 联合仿真 2 4 无轴承电机 磁悬浮力 2 5 开关磁阻电机 电磁转矩 2 6 变结构控制 零偏置电流控制 1 7 保护轴承 零偏置控制 1 8 高频注入法 陀螺效应 1 9 高速磁悬浮电机 锥形螺旋叶轮 1 10 飞轮 逆系统解耦 1 11 非线性干扰观测 逆系统 1 12 近似线性化 转子跌落 1 13 转子轮缘 转子动力学 1 14 超前校正 计算流体动力学(cfd) 1 15 解耦 解耦控制 1 16 航空发动机 血栓 1 17 航天器动力学 自适应滤波 1 18 自动平衡 自适应pid(proportionintegration 1 differentiation)控制 19 磁悬浮飞轮 自检测 1 20 磁悬浮轴承电主轴 综合控制策略 1 21 磁悬浮 精确非线性反馈 1 22 电磁轴承 磁滞损耗 1 23 电磁力 磁悬浮轴承弹性转子 1 24 电主轴 磁悬浮球 1 25 激光位移传感器 电磁力线性化 1 26 混合定子 球形关节 1 27 法向磨削力 球形主动关节 1 28 气隙标定 状态同步 1 29 无轴承发电机 物理原型样机 1 30 数学模型 滚动轴承 1 31 控制力矩陀螺 溶血 1 32 损耗 混合磁悬浮轴承 1 33 振动控制 涡流损耗 1 34 拍振 永磁轴承 1 35 扰动观测器 模糊控制器 1 36 悬浮力 模糊pid控制 1 37 性能测试装置 柔性转子 1 38 微框架 数学模型 1 39 微分跟踪器 数字控制器 1 40 径向位移自检测 控制特性 1 41 弹性环 接触理论 1 42 弹性减振器 拍振 1 43 开关磁阻发电机 悬浮控制 1 44 差分式涡流位移传感器 悬浮力 1 45 小波分析 形关节 1 46 图解法 弹性环 1 47 变偏置电流 应用力学 1 48 动力学耦合 广义动刚度 1 49 动力学模型 带宽 1 50 动力学响应 实时动刚度 1 51 前馈补偿 实时不平衡力补偿 1 52 刚度
磁悬浮轴承-转子系统的理论与试验模态分析
磁悬浮轴承-转子系统的理论与试验模态分析磁悬浮轴承是一种通过磁力悬浮和控制的方式来支撑和旋转转子的轴承系统。
它拥有许多优点，比如无接触、无磨损、低噪音和高转速等，因此被广泛应用于高速旋转机器领域，比如发电机、风力机和压缩机等。
磁悬浮轴承的转子系统的理论和试验模态分析是磁悬浮轴承研究中的一个重要方面，它对于磁悬浮轴承系统的优化设计和故障诊断具有重要意义。
1.轴承系统的结构与工作原理磁悬浮轴承系统由上、下磁轴承和转子组成。
上、下磁轴承分别位于转子的两端，它们通过电磁力和磁悬浮控制系统来支撑和操控转子的运动。
磁悬浮轴承系统的工作原理是利用磁场产生的磁力来支撑转子，从而实现无接触悬浮。
2.磁悬浮轴承的理论模态分析理论模态分析是研究磁悬浮轴承系统振动特性的一种重要方法。
通过对磁悬浮轴承系统的结构和动力学方程进行建模，可以得到系统的模态特性，包括自然频率、模态形态和模态阻尼等。
通过理论模态分析可以为磁悬浮轴承系统的优化设计和性能改进提供理论依据。
3.磁悬浮轴承的试验模态分析试验模态分析是通过实验手段研究磁悬浮轴承系统的振动特性。
通过在实验室或现场进行振动测试和频谱分析，可以得到系统的实际振动特性，包括模态参数、共振频率和振动模态等。
试验模态分析可以验证理论模态分析的结果，同时也可以为系统的故障诊断和状态监测提供重要信息。
4.磁悬浮轴承系统的模态优化设计磁悬浮轴承系统的模态特性直接影响着系统的动态稳定性和运行性能。
因此，通过对系统的模态特性进行分析和优化设计，可以提高系统的抗干扰能力和动态性能。
常见的优化方法包括结构优化、控制系统设计和材料选择等。
5.磁悬浮轴承系统的振动控制与故障诊断磁悬浮轴承系统在实际运行中可能会受到外部扰动或内部故障的影响，导致振动异常和系统性能下降。
因此，通过对系统的振动特性进行实时监测和分析，可以实现振动控制和故障诊断。
常见的方法包括模型预测控制、自适应控制和信号处理技术等。
6.磁悬浮轴承系统的应用与发展趋势磁悬浮轴承系统具有许多优点，已经被广泛应用于各种高速旋转机器中。
应用于高速离心式鼓风机的磁悬浮轴承系统设计方法
张英哲牛俊卜（山东明天机械集团股份有限公司）摘要：磁悬浮高速离心式鼓风机的设计涉及到流体力学、机械工程、电磁学、转子动力学、硬件、自动控制、软件开发等多学科。
本文探讨如何快速设计磁悬浮鼓风机和控制系统，并合理界定每个组件的边界参数。
首先介绍了磁悬浮鼓风机系统中叶轮、电机、转子各组件设计的相互关系。
其次介绍了控制系统的设计要求，及其与磁悬浮轴承的参数匹配方法。
最后，阐述了磁悬浮系统如何选取合适的控制器参数、传感器选型、控制器算法的选取和上位机设计的要求。
中图分类号：TH442；TH133.3文章编号：1006-8155-(2021)01-0050-06文献标志码：ADOI：10.16492/j.fjjs.2021.01.0007Design Method of Magnetic Bearing System Applied inHigh-speed Centrifugal BlowerYing-zhe ZhangJun-bu Niu（Shandong Mingtian Machinery Co.,Ltd.）Abstract：The design of the high-speed centrifugal blower with magnetic bearing involves fluid mechanics,mechanical engineering,electromagnetics,rotor dynamics,hardware,automatic control,software and other disciplines.This article explores the rapid design method of magnetic bearing centrifugal blower and control systems and discusses how to reasonably define the boundary parameters of each component.Firstly,the design rules for impeller,motor,and rotor is introduced,then the design requirements of the control system and parameters machining method of magnetic bearing is also presented,finally how to select the suitable controller parameters,sensor types,controller algorithm and design requirements of a host computer in magnetic bearing system are briefly described.Keywords：Magnetic Bearing;Rotor Dynamics;Magnetic Bearing Control System;High-speed Motor;Control Algorithm of Magnetic Bearing;Amplifier应用于高速离心式鼓风机的磁悬浮轴承系统设计方法Chinese Journal of Turbomachinery Vol.63，2021,No.10引言磁悬浮轴承由于不存在机械接触，可以运行到很高的转速，具有能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑等优点，特别适用于高速、真空等特殊环境。
基于精确磁路的新型混合型轴向-径向磁悬浮轴承研究
2021年3月电工技术学报Vol.36 No. 6 第36卷第6期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2021DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.200029基于精确磁路的新型混合型轴向-径向磁悬浮轴承研究禹春敏1邓智泉1梅磊2庞古才3（1. 南京航空航天大学自动化学院南京 2111062. 南京工业大学电气工程与控制科学学院南京 2118163. 南京磁之汇电机有限公司南京 211106）摘要该文基于一种实心同极性轴向-径向磁悬浮轴承结构，其具有磁场分布均匀、轴向空间较小的优点。
针对该新型混合型轴向-径向磁悬浮轴承结构紧凑、磁场分布复杂等特点，结合有限元二维仿真结果，建立考虑漏磁的精确磁路模型。
根据磁路模型，计算该结构的气隙磁通密度、刚度和承载力，并与有限元仿真进行对比，仿真与计算结果基本一致。
实验结果表明转子能够在较高转速下实现稳定悬浮，验证了该结构的可行性。
关键词：混合型轴向-径向磁悬浮轴承等效磁路漏磁有限元中图分类号：TH133.3Research of New Hybrid Axial-Radial Magnetic Bearing Based onAccurate Magnetic CircuitYu Chunmin1 Deng Zhiquan1Mei Lei2 Pang Gucai3（1. College of Automation Engineering Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 211106 China2. College of Electrical Engineering and Control Science Nanjing Tech UniversityNanjing 211816 China3. Nangjing Inomag Motor Co. Ltd Nanjing 211106 China）Abstract This paper proposes a structure of solid homo-polar axial-radial magnetic bearing, which has the advantages of uniform magnetic field distribution and small axial space. Considering the characteristics of this new hybrid axial-radial magnetic bearing, such as compact structure and complex magnetic field distribution, an accurate magnetic circuit model considering magnetic flux leakage was established combined with the two-dimensional finite element simulation results. According to the magnetic circuit model, the magnetic density in air, stiffness and bearing capacity of the structure were calculated. The simulation results are basically consistent with the calculation results. It is shown that the rotor can achieve stable suspension at high speed, which verifies the feasibility of the structure.Keywords：Hybrid, axial-radial magnetic bearing, equivalent magnetic circuit, leakage magnetic field, finite element国家自然科学基金资助项目（51577087）。
两级磁悬浮工作平台的动力学建模及模态分析
!
专题研究 此时每对电磁铁可以等效为并联着的一个具有 刚度的弹簧和一个阻尼器 !因此 !十二对电磁铁相当 于十二个弹簧和阻尼器支承着两级磁悬浮工作平 台 !如图 ! 所示 " 图中各量的物理意义见表 ""
1
气 2 隙 变 3 化 4 量
$’ % 式中 #,"&,! 为上 & 下悬浮平台的质量 ’-’"&-%"&-"" 为上 悬浮平台过质心 绕 坐 标 轴 的 转 动 惯 量 ’-’!&-%!&-"! 为 下悬浮平台绕坐标轴的转动惯量 ( 拉格朗日方程的表达式为
收稿日期 !"HHRSH!SHJ " 修订日期 !THH!SHGSTF
结构则会随自由度的增加变得十分复杂 ! 并且刚度 不容易提高XGY- 采用磁悬浮技术 &以及直线电机直接 驱动 ( 代替传统的机械导轨 XT!JY 而实现的超精密运动 系统 ! 不仅可消除摩擦 ’ 磨损 ! 而且由于取消了从电 动机到工作台之间的一切中间环节 ! 从而能够实现 * 零传动 +! 并具有定位精度高 ’高加速 ’无需润滑 ’ 启
专题研究
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欧阳华 ! 李群明 !段吉安 !万
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磁悬浮储能飞轮发电机组[发明专利]
![磁悬浮储能飞轮发电机组[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/4d17d5cf0722192e4536f6ec.png)
专利名称：磁悬浮储能飞轮发电机组专利类型：发明专利
发明人：廖梓良
申请号：CN201110024450.0
申请日：20110124
公开号：CN102111062A
公开日：
20110629
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种磁悬浮储能飞轮发电机组由磁悬浮储能飞轮发电机和电源控制箱构成；这种磁悬浮储能飞轮发电机组将永磁无刷直流电机/发电机永磁转子、永磁无刷直流发电机永磁转子与磁悬浮储能飞轮安装在发电机同一根转轴上同转轴旋转、储能发电；磁悬浮储能飞轮发电机组应用了磁悬浮储能飞轮能量储存技术和磁悬浮轴承支承技术等国际前沿科技，涉及先进的微电子、电力电子、传感器、电能存储及新型永磁无刷直流电机、发电机制造等技术领域；磁悬浮储能飞轮发电机组无损耗能量循环发电，实现了不消耗自然能源、无外接能源、不间断长期发电运行；可广泛应用于家庭、机关、学校、宾馆、酒店、工厂及住宅楼宇的生活用电和生产用电以及国家电网分布式发电系统并网发电等。
申请人：廖梓良
地址：419607 湖南省沅陵县官庄镇岩屋桥14-2-11号
国籍：CN
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马宏忠, 王 斌, 鞠 平
( 河海大学 能源与电气学院, 江苏 南京 210098)
摘要: 针对水轮机组的重量支承方式和存在的问题, 对水轮机组转子系统磁悬浮承重进行研究, 设
计了一种永磁悬浮装置与电磁悬浮装置相结合的水轮机组转子承重系统. 对混合磁悬浮水轮发电
第 3期
马宏忠, 等 混合磁悬浮水轮发电机组转子承重系统 设计与建模
343
其次, 在主轴另一适当位置( 如主轴上半部分某位置) , 装设电磁 悬浮装置, 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 转子系统产生一个向上的拉力, 且该电磁悬浮力可以根据需要通过调 节励磁电流来进行调节. 通过 2 个磁悬浮装置产生的悬浮力来承担水 轮发电机组转子系统的重量.
levitation device
考虑到高速运转的水轮发电机组运行的稳定性, 系统并不使转子 系统真正全部浮起来, 而是利用混合磁悬浮承重系统分担转子系统的 大部分轴向负荷( 即减载) . 这样既可以从根本上减小施加在推力轴承 上的轴向负荷, 从而减小了推力轴承轴瓦之间的摩擦, 又可以保持发 电机组转子系统的稳定运行, 并且利用电磁悬浮装置的悬浮力可调性 的优势, 可以在不同季节、不同时间通过调节励磁电流来调节电磁悬 浮力的大小, 使之与水轮发电机组实际所承受的轴向负荷相适应, 这 样就解决了承重系统的推力与水轮机组的轴向负荷随季节、水头高度 和水流量大小变化相适应的问题. 图 1 为轴式水轮发电机组转子系统 磁悬浮承重系统示意图.
电磁悬浮装置对电励磁材料的要求是: 剩余磁感应强度 Br 和矫顽力 H c 都要小. 铁心用软磁材料制造. 电磁铁在通电时产生磁场, 断电后 磁场随之消失. 磁场的强弱 可以通过励磁电流的大小或线 圈的匝数来 控制.
电磁铁有直流电磁铁和交流电磁铁 2 种, 电磁悬浮装置提供的电磁悬浮力很大, 电磁铁所需要的总磁压 为数十千伏数量级, 并且担负着调节悬浮推力大小的任务. 如果使用交流电磁铁, 那么励磁绕组的电抗较大 会导致很大的电压损失, 另外, 电磁悬浮装置的衔铁和水轮发电机组的主轴都是铁钢质材料, 交流励磁线圈 将产生交变的电磁场, 在主轴和衔铁内部将产生涡流, 大量发热, 很难保证电磁悬浮装置的正常工作.
进行了分析, 对永磁悬浮力大小的影响因素进行了研究; 在电磁悬浮部分对电磁悬浮力大小与电磁
悬浮装置结构等的关系进行了分析. 在此基础上, 根据基本电磁理论和承重系统的构造, 建立了电
磁悬浮支承装置和永磁悬浮支承装置的数学模型.
关键词: 水轮发电机组; 永磁悬浮; 电磁悬浮; 承重系统
中图分类号: TM312
气隙处的总磁极面积, m2; B
气隙处的磁感应
3. 1 永磁悬浮部分
永磁悬浮装置的剖面简图如图 2 所示.
已知两永磁体磁极气隙间的磁场强度 H g 与永磁体的体积 Vm 和气隙的
体积 Vg 有关, 其数学表达式为[ 6]
Hg =
BH Vm 0 Vg
( 2)
式中 B , H 为磁体内部的磁感应强度和退磁场, 最大磁能积( BH ) max为决定气
大, Hg 增大, B 也随 之增大. 为 了减小 永磁体 的体积, 可 以通 过设计 调整 永磁 体的 工作点, 使 其工 作在
( BH ) max最大处, 这样就减小了永磁体的厚度和永磁体本身的重量, 使永磁悬浮装置相对更加轻便, 也降低了 成本.
图 3 气隙中磁场强度与气隙厚度的关系
图 4 气隙中磁场强度与永磁体体积的 关系
Um = Rm
( 4)
式中: Um 磁路的总磁压, A; Rm 磁路的总磁阻, H- 1.
图 5 为直流吸盘式电磁悬浮装置的剖面简图.
磁路磁阻可分为气隙磁阻和铁心磁阻两部分. 2 个气隙环( 图 5 中 A,
B) 的磁阻串联, 在平衡位置处气隙总磁阻为
图 5 电磁悬浮装置示意 图 Fig. 5 Illustration of electromagnetic
隙间磁场强度的关键. 从式( 2) 可以看出: 如果( BH ) max和 Vm 为已确定的量, 图 2 永磁悬浮装 置示意图 H g 的大小随 Vg 变化 ( 因永磁 体直径为定值, 所以也就是 随气隙厚度 g 变 Fig. 2 Illustration of permanent
化) , 其变化曲线如图 3 所示.
3 44
河 海大 学 学 报 ( 自 然科 学 版 )
第 38 卷
3 数学模型的建立
根据经典电磁理论[ 4, 9 10] , 当仅考虑气隙中磁场为均匀磁场时, 2 个平行导磁体磁极间形成的磁力为
F=
2
2
0S =
B 2S 20
( 1)
式中: F 磁力, N;
通过磁极间的磁通, Wb; S
强度, T; 0 真空磁导率, 为 4 10- 7H/ m.
( BH ) max要高, 材料稳定性要好等. 现在所应用的永磁材料主要有: ( a) 金属永磁材料, 主要包括铝镍钴( Al Ni Co) 系和铁铬钴( Fe Cr Co) 系两类永磁合金; ( b) 铁氧体永磁材料, 这是一类以三氧化二铁为主要成分的复合 氧化物强磁材料, 其电阻率高, 特别适合在高频和微波领域应用; ( c) 稀土系永磁材料, 这是一类以稀土族元 素和铁族元素为主要成分的金属间化合物, 包括 Sm 2Co17系、SmCo5系和 Nd Fe B 系永磁材料, 其磁能积高, 应 用领域广阔[ 5] .
Fig. 3 Relationship between magnetic field intensity in
Fig. 4 Relationship between magnetic field intensity in
air gap and air gap thickness
air gap and volume of permanent magnet
第 38 卷第 3 期 2010 年 5 月
河 海大 学 学 报 ( 自 然科 学 版 ) Journal of Hohai University( Natural Sciences)
DOI: 10. 3876/ j. issn. 1000 1980. 2010. 03. 021
Vol. 38 No. 3 May 2010
首先, 采用永磁悬浮的方式, 将一块有着适当面积( 根据水轮发电机组转子系统所需承担的重量由下面 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( 或其他支撑物) , 其上置另一块相同面积的 永磁体( 如图 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, 永磁悬浮装 置就对主轴施加了一向上的悬浮推力.
文献标志码: A
文章编号: 1000 1980( 2010) 03 0342 05
目前大中型水轮发电机组主要采用立轴结构, 立轴式水轮发电机组转子系统( 即整个转动部分) 的重量 通过主轴传递给座环, 然后传递给承力墩, 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轴向负荷很大, 其工作过程中对承重设施有很高的要求, 传统的承重方式主要是推力轴 承. 推力轴承承受整个机组转子系统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压力之比变大, 最小油膜厚度会变小. 对于重载大型推力轴承, 瓦面 和镜面板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营维护成本上升[ 1 4] .
针对水轮发电机组重量支承方式和存在的问题, 本文对水轮发电机转子系统磁悬浮承重进行了研究, 设 计了一种电磁悬浮与永磁悬浮相结合的混合磁悬浮水轮发电机组转子承重系统, 根据基本的电磁理论建立 了永磁悬浮支承装置和电磁悬浮支承装置的数学模型.
1 系统设计
本文提出的混合磁悬浮水轮发电机组转子承重系统是主要针对大中型立轴轴流反击式水轮发电机组设 计的, 根据此类水轮发电机组的特点, 系统采用永磁悬浮与电磁悬浮两部分共同对水轮发电机组整体施加向 上的悬浮力.
机组转子承重系统的结构进行设计时, 采用永磁悬浮装置承担水轮发电机组的基本重力负荷, 采用
电磁悬浮装置承担水轮发电机组的重力可调负荷. 考虑到高速运转的水轮发电机组运行的稳定性,
系统并不全部浮起转子系统, 而是分担转子系统的大部分轴向负荷( 即减载) . 对永磁材料和电磁装
置进行了研究和选择, 在永磁悬浮装置承重部分对气隙磁场强度与气隙厚度、永磁体体积等的关系