控制棒驅動機構電磁結構優化分析

王豐， 詹陽烈

（上海核工程研究設計院，上海200233）

控制棒驅動機構電磁結構優化分析

王豐， 詹陽烈

（上海核工程研究設計院，上海200233）

控制棒驅動機構是控制反應堆反應性的關鍵設備，作為一個電磁驅動的機電裝置，它的動作完成都受3個電磁線圈所激發的電磁場來控制。文中分析了目前控制棒驅動機構電磁結構設計方面有待提高之處，并通過采用電磁場有限元分析軟件Magnet對整臺驅動機構的電磁場進行數值仿真，對靜態下CRDM線圈通電的電磁特性進行分析研究，提出相應的結構優化方案，并進行了優化前后的性能對比。

控制棒驅動機構；電磁；互感；優化

1 控制棒驅動機構結構介紹

磁力提升式控制棒驅動機構（CRDM）是壓水反應堆堆本體設備中唯一的能動設備，它是一個集結構力學、電磁學、流體力學、傳熱學、自動控制等多學科于一體的復雜設備?？刂瓢趄寗訖C構的作用是在垂直方向定位控制棒組件。通過控制棒驅動機構改變或保持控制棒組件的垂直方向的高度，實現反應堆的啟停，并在反應堆正常運行中調節或維持堆芯的功率水平以及在事故工況下快速停堆。

圖1 控制棒驅動機構

控制棒驅動機構主要包括4大部件，它們分別是承壓殼體部件、鉤爪部件、驅動桿部件和磁軛線圈部件，如圖1?？刂瓢趄寗訖C構的電磁工作原理為：由安裝在鉤爪殼體外部的工作線圈按控制裝置給定的時序依次通電，產生電磁場，電磁場穿過承壓殼體，驅動鉤爪部件與3個工作線圈對應的磁極/銜鐵吸合，當工作線圈斷電，磁場消失后靠復位彈簧和重力將它們打開，實現的鉤爪動作，最終帶動驅動桿部件及其連接的控制棒運動［1］。工作磁路結構簡圖如圖2所示。

圖2 提升段工作磁路結構簡圖

控制棒驅動機構運行過程中常見的故障形式包括失步、滑步以及滑棒等。這些故障的發生，會降低核電廠的發電經濟性。嚴重情況下，甚至引起堆芯中子注量率分布的突變，導致安全問題的出現。因此，提高運行可靠性是控制棒驅動機構設計的重要內容。而磁力提升式控制棒驅動機構在將控制棒組件提升一步的過程中，需順序完成以下動作：1）動爪線圈通電；2）定爪線圈斷電；3）提升線圈通電；4）定爪線圈通電；5）動爪線圈斷電；6）提升線圈斷電。這些動作的完成都受3個電磁線圈（提升線圈、動爪線圈和定爪線圈）所激發的電磁場來控制。而電磁場具有能量的激發和衰減速度慢、場間干擾大、與材料磁性能緊密相關等特征。故控制棒驅動機構電磁性能在較大程度上影響了機構的運行可靠性。

2 問題分析

通常，在驅動機構性能試驗中，通過記錄和檢查3個線圈的電流波形，來檢驗驅動機構的6個動作是否銜接良好。圖3為國內某型號CRDM在步躍試驗中得到的線圈電流波形圖，圖4為典型的CRDM動作過程中的線圈電流波形圖。

由電流波形對比后發現，該CRDM線圈電流波形相對雜亂。分析三個工作線圈的電磁特性（表1）發現，提升線圈安匝數為23080A，鉤爪線圈（動爪和定爪線圈）安匝數為9480A，二者的產生的電磁能量相差巨大，但線圈的布置方式卻完全相同（圖5），提升線圈將不可避免地對鉤爪線圈產生電磁干擾。目前設計的CRDM在電磁結構設計方面尚有優化提升的空間。

圖3 CRDM動作電流波形圖

圖4 典型的CRDM動作電流波形圖

3 數值仿真及優化

通過采用電磁場有限元分析軟件Magnet對整臺驅動機構進行數值仿真，對靜態下CRDM線圈通電的電磁特性進行分析研究，提出相應的電磁結構優化方案，并進行優化前后的性能對比，如圖6所示。

3.1 導磁環布置優化

圖5 CRDM線圈布置

表1 CRDM線圈特性

圖6 控制棒驅動機構仿真模型

導磁環在CRDM的設計中起到引導磁路，將線圈產生的磁通導入鉤爪部件的磁極和銜鐵中的作用，結構見圖2。如果線圈處的兩導磁環布置過近，則有部分磁通直接通過導磁環形成回路，流經磁極/銜鐵的磁通就會減少，磁極、銜鐵間的提升力減少，機構動作速度受到影響。優化前，CRDM提升線圈處的導磁環的間距僅為89 mm，導致提升線圈磁場分布不合理，如圖7所示。

圖7 導磁環間距的磁場對比

根據CRDM的總體布置長度，優化方案將提升線圈處的導磁環間距提高到了134 mm。在線圈參數相同的情況下，如圖7為優化前后的磁感線分布對比，圖8為優化前后的提升磁極/銜鐵間磁感應強度的對比，圖9為優化前后提升磁極/銜鐵間提升力的對比。

圖8 提升磁極/銜鐵間磁感應強度的對比

圖9 提升磁極/銜鐵間提升力的對比

對比顯示，優化后的電磁結構設計較優化前的設計，提升磁極/銜鐵間的平均磁感應強度值最大增加了3%，提升力增加了2%～11%。

3.2 電磁線圈間距優化

電感是閉合回路的一種屬性，當通過閉合回路的電流改變時，會出現感應電動勢來抵抗電流的改變。這種電感稱為自感，是閉合回路自己本身的屬性。假設一個閉合回路的電流改變，由于感應作用而產生電動勢于另外一個閉合回路，這種電感稱為互感。線圈電感量的大小，主要取決于線圈的圈數（匝數）、繞制方式、有無磁心及磁心的材料等等。通常，線圈圈數越多且繞制的線圈越密集，電感量就越大。有磁心的線圈比無磁心的線圈電感量大；磁心導磁率越大的線圈，電感量也越大［2］。

控制棒驅動機構電磁線圈之間的間距過小，線圈間互感系數大，則當單個線圈電流增大時會在相鄰線圈中產生較大的感應電動勢，導致相鄰線圈對應的磁極/銜鐵間的電磁力產生波動，在驅動機構動作過程中，容易出現失步、滑步、滑棒等故障。由于線圈的互感系數主要取決于線圈之間的布置參數（兩線圈的半徑、距離、偏轉角［3］）等，對于已經完成電磁設計的線圈來說，改變兩個工作線圈之間的間距，無疑是最簡便及有效的方法。

優化前，CRDM中提升線圈和動爪線圈、動爪線圈和定爪線圈之間的間距均為118 mm（如圖5）；經計算可得，提升線圈與動爪線圈間的互感系數為0.307 5 H，動爪線圈和定爪線圈間的互感系數為1.421 H。

根據控制棒驅動機構的總體布置，優化設計將提升線圈和動爪線圈之間的間距增加至151 mm，互感系數為0.287 6 H；動爪線圈和定爪線圈之間的間距為141 mm，互感系數為1.364 H。提升線圈和動爪線圈間的互感系數與線圈間距的關系見圖10，動爪線圈和定爪線圈之間的互感系數與線圈間距的關系見圖11。

圖10 提升線圈與動爪線圈之間的互感系數隨線圈間距的變化

圖11 動爪線圈與定爪線圈之間的互感系數隨線圈間距的變化

4 結語

由分析結果可知，在磁力提升式控制棒驅動機構工作線圈的參數設計已經完成的前提下，對機構的導磁環布置和工作線圈間距進行優化，可有效提高機構的磁極/銜鐵間電磁力，并減小控制棒驅動機構線圈電磁場間的相互干擾，提高了控制棒驅動機構的運行可靠性。

［1］ 劉剛，控制棒驅動機構步躍性能的優化［J］.中國工程機械學報，2011，9（4）：457-461.

［2］ 趙凱華，陳熙謀.電磁學［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［3］ 何秀，顏國正，馬官營.互感系數的影響因素及其對無線能量傳輸系統效率的影響［J］.測控技術，2007，26（1）：57-60.

（編輯：立 明）

Optimization Analysis of Control Rod Drive Mechanism Electromagnetic Structure

WANG Feng,ZHAN Yanglie
（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute,Shanghai 200233,China）

Controlroddrivemechanismisasignificantequipmentinreactorreactivitycontrolling.Drivenbyelectromagnetic forces,CRDM works under the combined action of three coils.Weaknesses of present electromagnetic structure are analyzed.Electromagnetic properties of CRDM electrified coils in static state are also simulated by Magnet software. Based on results of the simulation,structure optimization is proposed with comparison of results before and after.

control rod drive mechanism;CRDM;electromagnetism;mutual inductance;optimization

TL 351

A

1002－2333（2014）04－0128－03

王豐（1981—），男，碩士，工程師，從事反應堆本體設備設計工作。

2014-01-08