DE1057213B - Magnetic bearing for large vertical machines, especially hydroelectric generators - Google Patents

Description

Magnetisches Lager für vertikale Großmaschine, insbesondere Wasserkraftgenerator Bekanntlich wird bei vertikalen Großmaschinen, insbesondere bei elektrischen Großmaschinen, wie Wasserkraftgeneratoren oder auch großen Phasenschiebern, eine erhebliche Einsparung an Verlusten und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Maschine dadurch erzielt, daß das die Welle mit dem Läufer tragende Traglager magnetisch entlastet wird, indem ein mit Gleichstrom erregter stillstehender Magnet auf einen mit der Welle verbundenen Anker durch einen Luftspalt eine Anziehungskraft ausübt, die das Gewicht der Welle und der an dieser befestigten Teile der Maschine teilweise, ganz oder übersteigend aufhebt. Im ersten Fall wird das Traglager entlastet, im zweiten Fall wird die Welle vom Traglager abgehoben und frei schwebend getragen, während im dritten Fall die Welle an einem Gegentraglager zum Anliegen kommt. Da das Gewicht der Welle mit den daran befestigten Teilen der Maschine je nach den Betriebebedingungen stark schwanken kann, beispielsweise bei einem Wasserkraftgenerator durch Beaufschlagung bzw. Entlastung der an der vertikalen Welle hängenden Turbine, muß die vom Magnet aufgebrachte entlastende Kraft in Abhängigkeit vom Gewicht der Welle geregelt werden; denn bei Verringerung der Entfernung zwischen Magnet und Anker nimmt die Anziehungskraft an sich stark zu, während sie mit größer werdender Entfernung stark abnimmt.Magnetic bearing for large vertical machines, especially hydroelectric generators It is known that in large vertical machines, in particular in large electrical machines, such as hydropower generators or large phase shifters, a considerable saving of losses and thus an improvement in the efficiency of the machine achieved that the bearing bearing the shaft with the rotor relieved magnetically by placing a stationary magnet excited with direct current on one of the The armature connected to the shaft exerts an attractive force through an air gap, which the Weight of the shaft and the parts of the machine attached to it partially, completely or overriding. In the first case, the bearing is relieved, in the second Case, the shaft is lifted from the support bearing and carried while floating freely in the third case, the shaft comes to rest against a counter-support bearing. Because the weight the shaft with the parts of the machine attached to it, depending on the operating conditions can fluctuate greatly, for example in a hydropower generator by exposure or relief of the turbine hanging on the vertical shaft, must be carried out by the magnet applied relieving force can be regulated depending on the weight of the shaft; because when the distance between magnet and armature is reduced, the force of attraction decreases in itself increases strongly, while it decreases sharply with increasing distance.

Es ist bekannt, den Erregerstrom des Magneten durch feinfühlige Regeleinrichtungen entsprechend dem jeweiligen Gewicht der Welle, beispielsweise durch Druckdosen, zu regeln. Diese Regeleinrichtungen sind sehr aufwendig und bereiten Schwierigkeiten bezüglich ihrer Stabilität. Außerdem ist es bekannt, den den Magnet erregenden Strom dadurch zu regeln, daß am Magnet und am Anker mindestens zwei Paare von einander gegenüberstehenden Platten angeordnet sind, die mindestens zwei Kondensatoren bilden, deren Luftspalte sich proportional der Entfernung zwischen Magnet und Anker verändern. Diese Kondensatoren werden von hochfrequenten Strömen durchflossen und beeinflussen mit Hilfe eines Röhrenverstärkers infolge ihrer mit wechselndem Abstand wechselnden Kapazität den den Magnet erregenden Gleichstrom. Auch diese Anordnung läßt sich vor allem bei elektrischen Großmaschinen, beispielsweise Wasserkraftgeneratoren, bei denen erhebliche Laststöße auftreten können, nur schwer stabilisieren.It is known to control the excitation current of the magnet through sensitive control devices according to the respective weight of the shaft, for example through pressure cans, to regulate. These control devices are very complex and cause difficulties regarding their stability. It is also known that the current exciting the magnet to regulate that on the magnet and on the armature at least two pairs of each other opposing plates are arranged, which form at least two capacitors, whose air gaps change proportionally to the distance between magnet and armature. High-frequency currents flow through these capacitors and influence them with the help of a tube amplifier as a result of their changing with changing distance Capacity of the direct current exciting the magnet. This arrangement can also be especially in the case of large electrical machines, for example hydropower generators, in which considerable load surges can occur, it is difficult to stabilize.

Ferner ist es bekannt, bei Rohrpostanlagen von einer elektromagnetischen Aufhängung Gebrauch zu machen. Die bei diesen Anlagen zur Regelung des den Magnet erregenden Gleichstromes verwendeten Mittel, nämlich die Änderung eines im Erregerkreis liegenden Widerstandes in Abhängigkeit von der Größe des tragenden Luftspaltes oder die Einschaltung einer vom erregenden Gleichstrom durchflossenen Gleichstrommaschine, lassen sich für die Regelung elektrischer Großmaschinen, beispielsweise für die Regelung der magnetischen Lagerung eines Wasserkraftgenerators, nicht verwenden, da die Erregerstromänderungen der bekannten Anlagen viel zu klein und zu träge sind, als daß ein Wasserkraftgenerator mit einer solchen Anordnung magnetisch stabil gelagert werden könnte. Dies gilt auch für die ebenfalls bekannte Einfügung eines zusätzlichen Luftspaltes in den magnetischen Kreis der Tragvorrichtung, dessen Größe in Abhängigkeit von der Größe des tragenden Luftspaltes verändert wird.It is also known in pneumatic tube systems from an electromagnetic To make use of suspension. The in these systems to regulate the the magnet exciting direct current means used, namely the change in one in the excitation circuit lying resistance depending on the size of the supporting air gap or the activation of a direct current machine through which the exciting direct current flows, can be used for the control of large electrical machines, for example for the Regulation of the magnetic bearing of a hydropower generator, do not use, since the excitation current changes of the known systems are much too small and too slow, than that a hydropower generator with such an arrangement is magnetically stable could be. This also applies to the well-known insertion of an additional Air gap in the magnetic circuit of the carrying device, its size depending on is changed by the size of the supporting air gap.

Die Erfindung befaßt sich demgegenüber mit der Lagerung einer vertikalen Großmaschine, insbesondere eines Wasserkraftgenerators, mit deren vertikaler Welle ein Anker verbunden ist, auf den ein mit Gleichstrom erregter Magnet durch einen Luftspalt eine Anziehungskraft ausübt, wobei der den Magnet erregende Gleichstrom in Abhängigkeit von der Größe des Luftspaltes geregelt wird. Gemäß der Erfindung wird der erregende Gleichstrom von einer Gleichstrommaschine geliefert, deren Erregung über Gleichrichter durch eine aus einer Konstantspannungsquelle gespeiste Eisendrosselspule beeinflußt wird; der Luftspalt dieser Eisendrosselspule ist dabei in Abhängigkeit von der Größe des Luftspaltes zwischen dem mit der Welle der Maschine verbundenen Anker und dem mit Gleichstrom erregten Magnet veränderbar. Die Erfindung sieht mithin die Verwendung einer mit Wechselstrom gespeisten Eisendrosselspule vor, also eines von der tragenden Magnetanordnung unabhängigen Baugliedes, deren Luftspalt in Abhängigkeit vom Luftspalt der tragenden Magnetanordnung verändert wird. Bei geeigneter Bemessung der den Erregerstrom für den Tragmagnet liefernde Gleichstrommaschine, vor allem ihres Erregerkreises, wirkt sich die in Abhängigkeit von den Schwankungen des tragenden Luftspaltes veränderte Induktivität der Eisendrosselspule in einer stoßartigen Änderung des den Tragmagnet erregenden Gleichstromes aus, so daß auch bei sehr großen plötzlichen Laständerungen, wie sie beispielsweise bei Wasserkraftgeneratoren auftreten, die Stabilität des Traglagers nicht gefährdet ist.The invention is concerned with the storage of a vertical Large machine, in particular a hydropower generator, with its vertical shaft an armature is connected to which a magnet excited with direct current is driven by a Air gap exerts an attractive force, the direct current exciting the magnet is regulated depending on the size of the air gap. According to the invention If the exciting direct current is supplied by a direct current machine, its excitation via rectifier through an iron choke coil fed from a constant voltage source being affected; the air gap of this iron inductor is dependent on the size of the air gap between that connected to the shaft of the machine Armature and the magnet excited with direct current can be changed. The invention therefore sees proposed the use of an alternating current fed iron choke coil, i.e. one of the supporting magnet assembly independent component, their air gap as a function is changed by the air gap of the supporting magnet assembly. With suitable dimensioning which provides the excitation current for the lifting magnet supplying direct current machine, especially their excitation circuit, which affects depending on the fluctuations of the load-bearing air gap changed the inductance of the iron inductor in one sudden change in the direct current exciting the magnet, so that too in the case of very large sudden load changes, such as those in hydropower generators occur, the stability of the bearing is not endangered.

Die gemäß der Erfindung vorgesehene Eisendrösselspule, deren Luftspalt dem Luftspalt der Traglageranordnung nachgebildet wird, braucht nicht übermäßig groß bemessen zu sein, da die durch die Luftspaltänderung hervorgerufene Induktivitätsänderung der Eisendrosselspule infolge ihrer Einwirkung auf die Erregung der verwendeten Gleichstrommaschine vollständig trägheitslos eine ausreichende stoßartige Änderung des den Magnet erregenden Gleichstromes erzwingt. Vorteilhafterweise wird hierbei für die den Erregerstrom des Magneten liefernde Gleichstrommaschine eine Verstärkermaschine mit hohem Spannungsbereich gewählt.The iron knuckle coil provided according to the invention, its air gap the air gap of the support bearing arrangement is modeled, does not need excessive to be large, since the change in inductance caused by the change in the air gap the iron choke coil as a result of its action on the excitation of the used DC machine completely inertia-free a sufficient shock-like change of the direct current exciting the magnet. It is advantageous here an amplifier machine for the DC machine supplying the excitation current of the magnet selected with a high voltage range.

Eine weitere Verbesserung der Stabilität einer Anord nung gemäß der Erfindung läßt sich dadurch erreichen, daß die erste und gegebenenfalls auch die zweite zeitliche Ableitung der sich mit der Zeit ändernden Größe des Luftspaltes der Eisendrosselspule zur Regelung des den Magnet erregenden Gleichstromes herangezogen werden.A further improvement in the stability of an arrangement according to FIG Invention can be achieved in that the first and possibly also the second time derivative of the size of the air gap, which changes over time the iron inductor is used to regulate the direct current that excites the magnet will.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert, das eine schematisch angedeutete elektrische Maschine, beispielsweise einen Wasserstoffgenerator, darstellt. An der Welle 1 ist der Läufer 2 sowie die nicht dargestellte Turbine befestigt, die durch ihr Gewicht auf die Welle 1 mit der veränderlichen Kraft P einwirken. Die Welle 1 wird von dem magnetischen Lager 3 getragen, das aus dem mit dem Gleichstrom Je erregten, am Fundament 6 befestigten Magnet 4 und aus dem an der Welle 1 befestigten Anker 5 besteht. Die vom Magnet 4 auf dem Anker 5 ausgeübte Anziehungskraft wirkt über den Luftspalt 7, der sich senkrecht zur Welle 1 erstreckt. Der Erregerstrom Je wird vom Gleichstromgenerator E geliefert, der eine Hauptschlußerregerwicklung besitzt. Der durch den Strom Je hervorgerufenen Durchflutung dieser Wicklung wirkt die Durchflutung des in einer weiteren Erregerwicklung geführten Stromes ie entgegen. Der Strom i6 wird dem Erregerstromkreis von der Sekundärwicklung des Stromwandlers W über die Gleichrichter Gl zugeführt. Die Primärwicklung des Stromwandlers W wird von dem Strom im durchflossen, der der Konstantspannungsquelle 8 entnommen wird und über die Eisendrosselspule K fließt. Die Eisendrosselspule K hat einen veränderbaren Luftspalt, dessen Größe 8k mit Hilfe der mechanischen Übertragungseinrichtung 9 proportional der Größe d des Luftspaltes 7 gehalten wird. Beispielsweise kann die Übersetzung durch die mechanische Übertragungseinrichtung 9 so bemessen werden, daß sich die Luftspalte ö,: d wie 2 : 1 verhalten. Mit Hilfe des beweglichen Joches der Eisendrosselspule K wird also die Größe des Luftspaltes 7 des magnetischen Lagers 3 durch den äquivalenten Luftspalt 8k an der Eisendrosselspule K nachgebildet.In the drawing, the invention is based on an exemplary embodiment explains that a schematically indicated electrical machine, for example a hydrogen generator. On shaft 1 is the runner 2 as well as the The turbine, not shown, is attached to the shaft 1 by its weight the variable force P act. The shaft 1 is supported by the magnetic bearing 3 carried, which from the excited with the direct current Je, attached to the foundation 6 The magnet 4 and the armature 5 attached to the shaft 1 consists. The one from the magnet 4 force of attraction exerted on the armature 5 acts via the air gap 7, which is extends perpendicular to the shaft 1. The excitation current Je is supplied by the direct current generator E supplied, which has a main short-circuit excitation winding. The one through the stream Je induced flow of this winding acts the flow of the in one further excitation winding conducted current ie opposite. The current i6 becomes the excitation circuit fed from the secondary winding of the current transformer W via the rectifier Gl. The primary winding of the current transformer W is traversed by the current in the Constant voltage source 8 is taken and flows through the iron choke coil K. The iron choke coil K has a variable air gap, the size of which is 8k with the help the mechanical transmission device 9 proportional to the size d of the air gap 7 is held. For example, the translation by the mechanical transmission device 9 must be dimensioned so that the air gaps ö,: d behave as 2: 1. With help of the movable yoke of the iron choke coil K becomes the size of the air gap 7 of the magnetic bearing 3 through the equivalent air gap 8k on the iron choke coil K modeled.

Bei einer Zunahme der gesamten aus Läufergewicht und Wasserdruck bestehenden Belastung P wird der Luftspalt 7 größer, d. h., d nimmt zu. Entsprechend der gewählten Übersetzung 2: 1 vergrößert sich der Luftspalt 8k im doppelten Maße. Dadurch steigt augenblicklich der Magnetisierungsstrom im im Primärkreis des Stromwandlers W. Da der Strom in der Sekundärwicklung des Stromwandlers W nur nach Maßgabe der magnetischen Zeitkonstante des Erregerkreises ansteigen kann, steigt die Sekundärspannung des Stromwandlers W sehr steil an und erzwingt dadurch einen sehr raschen Anstieg der Erregerspannung der in Differenzschaltung erregten Gleichstrommaschine auf das Mehrfache ihres Normalwertes, insbesondere wenn diese als Verstärkermaschine mit hohem Spannungsbereich ausgeführt ist. Infolge der starken Überschußspannung steigt dann auch der Erregerstrom des Magnets 4 sehr rasch an, so daß sich für den Erregerstrom in Abhängigkeit von dem auf die Welle 1 einwirkenden Gewicht bzw. in Abhängigkeit von der Größe des Luftspaltes 7 zwischen Anker 4 und Magnet 5 eine stabile Kennlinie ergibt.With an increase in the total of the runner's weight and water pressure Load P, the air gap 7 becomes larger, i. h., d increases. According to the chosen With a ratio of 2: 1, the air gap 8k is doubled. This increases instantly the magnetizing current in the primary circuit of the current transformer W. Da the current in the secondary winding of the current transformer W only depends on the magnetic Time constant of the excitation circuit can increase, the secondary voltage of the increases Current transformer W very steeply, thus forcing a very rapid increase in Excitation voltage of the direct current machine excited in differential circuit to the multiple their normal value, especially if this is an amplifier machine with a high voltage range is executed. As a result of the strong excess voltage, the excitation current also increases of the magnet 4 very quickly, so that the excitation current depends on the weight acting on the shaft 1 or depending on the size of the Air gap 7 between armature 4 and magnet 5 results in a stable characteristic.

Statt einer Verstärkermaschine kann auch ein Magnetverstärker Verwendung finden.Instead of an amplifier machine, a magnetic amplifier can also be used Find.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens empfiehlt es sich, die Regelung des den Magnet 4 erregenden Gleichstromes mit Hilfe der Eisendrosselspule K nicht allein in Abhängigkeit von der Größe 8k des Luftspaltes dieser Drossel zu regeln, sondern auch die erste sowie gegebenenfalls auch die zweite zeitliche Ableitung von 8k, also beispielsweise mit Hilfe an sich bekannter elektronischer Regeleinrichtungen heranzuziehen. Dadurch, daß die Regelung des den Magnet 4 erregenden Gleichstromes nicht allein von 8k, sondern auch von abhängt, wird eine wesentlich schnellere Regelung erreicht, die vor allem bei starken Laständerungen, wie sie beispielsweise bei plötzlicher Beaufschlagung bzw. plötzlicher Entlastung der an der Welle 1 hängenden Turbine auftreten, wesentlich ist. Um ein Pendeln der Anordnung gemäß der Erfindung bei solchen plötzlichen Laständerungen zu vermeiden, empfiehlt es sich, überdies Dämpfungs- und Rückführungskreise vorzusehen.In a further development of the concept of the invention, it is advisable to regulate the regulation of the direct current exciting the magnet 4 with the help of the iron choke coil K not only as a function of the size 8k of the air gap of this choke, but also the first and possibly also the second time derivative of 8k, so for example with the help of known electronic control devices. Because the regulation of the direct current exciting the magnet 4 not only from 8k, but also from depends, a much faster regulation is achieved, which is particularly important in the case of strong load changes, such as occur, for example, in the event of sudden loading or sudden relief of the turbine hanging on the shaft 1. In order to avoid oscillation of the arrangement according to the invention in the event of such sudden load changes, it is also advisable to provide damping and feedback circuits.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE: 1. Vertikale Großmaschine, insbesondere Wasserkraftgenerator, mit deren vertikaler Welle ein Anker verbunden ist, auf den ein mit Gleichstrom erregter Magnet durch einen Luftspalt eine Anziehungskraft ausübt, wobei der den Magnet erregende Gleichstrom in Abhängigkeit von der Größe des Luftspaltes geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erregende Gleichstrom von einer Gleichstrommaschine geliefert wird, deren Erregung über Gleichrichter durch eine aus einer Konstantspannungsquelle gespeisten Eisendrosselspule beeinflußt wird, deren Luftspalt (8k) in Abhängigkeit von der Größe des Luftspaltes (d) zwischen dem mit der Welle der Maschine verbundenen Anker und dem mit Gleichstrom erregten Magnet veränderbar ist. PATENT CLAIMS: 1. Large vertical machine, in particular a hydropower generator, with the vertical shaft of which an armature is connected to which a direct current excited magnet exerts an attractive force through an air gap, whereby the den Magnet exciting direct current regulated depending on the size of the air gap is, characterized in that the exciting direct current from a direct current machine whose excitation is supplied via a rectifier from a constant voltage source fed iron choke coil is influenced, the air gap (8k) as a function on the size of the air gap (d) between that connected to the shaft of the machine Armature and the magnet excited by direct current can be changed. 2. Vertikale Großmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Erregerstrom des Magnets liefernde Gleichstrommaschine eine Verstärkermaschine mit hohem Spannungsbereich ist. 2. Large vertical machine according to claim 1, characterized in that the one supplying the excitation current of the magnet DC machine is an amplifier machine with a high voltage range. 3. Vertikale Großmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB der Magnetisierungsstrom der Eisendrosselspule nach Übersetzung durch einen Stromwandler und nach Gleichrichtung die in Differenzschaltung erregte Gleichstrommaschine erregt. 3. Vertical Large machine according to Claim 1, characterized in that the magnetizing current the iron inductor after translation by a current transformer and after rectification the DC machine excited in differential circuit is excited. 4. Vertikale Großmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Luftspalt (8k) der Eisendrosselspule und dem Luftspalt (d) zwischen dem mit der Welle der Maschine verbundenen Anker und dem mit Gleichstrom erregten Magnet, der größer als Eins ist. 4. Large vertical machine according to claim 1, characterized by a transmission ratio between the air gap (8k) the iron inductor and the air gap (d) between the one with the shaft of the Armature connected to the machine and the magnet excited by direct current, which is larger than One is. 5. Vertikale Großmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die erste zeitliche Ableitung der Größe des Luftspaltes der Eisendrosselspule zur Regelung des den Magnet erregenden Gleichstromes herangezogen ist. 5. Large vertical machine according to claim i, characterized in that the first time derivative the size of the air gap of the iron inductor is used to regulate the direct current exciting the magnet. 6. Vertikale Großmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite zeitliche Ableitung der Größe des Luftspaltes der Eisendrosselspule zur Regelung des den Magnet erregenden Gleichstromes herangezogen ist. Deutsche Patentschriften In Betracht gezogene Druckschriften: Nr. 261 085, 281291, 281378; schweizerische Patentschrift Nr. 10 220.6. Large vertical machine according to claim 1, characterized in that the second time derivative the size of the air gap of the iron inductor is used to regulate the direct current exciting the magnet. German patents Publications considered: Nos. 261 085, 281291, 281378; Swiss patent specification No. 10 220.