控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

王豐， 詹陽烈

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233）

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

王豐， 詹陽烈

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233）

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是控制反應(yīng)堆反應(yīng)性的關(guān)鍵設(shè)備，作為一個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)的機(jī)電裝置，它的動(dòng)作完成都受3個(gè)電磁線圈所激發(fā)的電磁場來控制。文中分析了目前控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁場進(jìn)行數(shù)值仿真，對靜態(tài)下CRDM線圈通電的電磁特性進(jìn)行分析研究，提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并進(jìn)行了優(yōu)化前后的性能對比。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；電磁；互感；優(yōu)化

1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)介紹

磁力提升式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）是壓水反應(yīng)堆堆本體設(shè)備中唯一的能動(dòng)設(shè)備，它是一個(gè)集結(jié)構(gòu)力學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、自動(dòng)控制等多學(xué)科于一體的復(fù)雜設(shè)備。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是在垂直方向定位控制棒組件。通過控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改變或保持控制棒組件的垂直方向的高度，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟停，并在反應(yīng)堆正常運(yùn)行中調(diào)節(jié)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括4大部件，它們分別是承壓殼體部件、鉤爪部件、驅(qū)動(dòng)桿部件和磁軛線圈部件，如圖1。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(shí)序依次通電，產(chǎn)生電磁場，電磁場穿過承壓殼體，驅(qū)動(dòng)鉤爪部件與3個(gè)工作線圈對應(yīng)的磁極/銜鐵吸合，當(dāng)工作線圈斷電，磁場消失后靠復(fù)位彈簧和重力將它們打開，實(shí)現(xiàn)的鉤爪動(dòng)作，最終帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿部件及其連接的控制棒運(yùn)動(dòng)［1］。工作磁路結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 提升段工作磁路結(jié)構(gòu)簡圖

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)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(fā)生，會(huì)降低核電廠的發(fā)電經(jīng)濟(jì)性。嚴(yán)重情況下，甚至引起堆芯中子注量率分布的突變，導(dǎo)致安全問題的出現(xiàn)。因此，提高運(yùn)行可靠性是控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。而磁力提升式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在將控制棒組件提升一步的過程中，需順序完成以下動(dòng)作：1）動(dòng)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(dòng)爪線圈斷電；6）提升線圈斷電。這些動(dòng)作的完成都受3個(gè)電磁線圈（提升線圈、動(dòng)爪線圈和定爪線圈）所激發(fā)的電磁場來控制。而電磁場具有能量的激發(fā)和衰減速度慢、場間干擾大、與材料磁性能緊密相關(guān)等特征。故控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁性能在較大程度上影響了機(jī)構(gòu)的運(yùn)行可靠性。

2 問題分析

通常，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)中，通過記錄和檢查3個(gè)線圈的電流波形，來檢驗(yàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的6個(gè)動(dòng)作是否銜接良好。圖3為國內(nèi)某型號CRDM在步躍試驗(yàn)中得到的線圈電流波形圖，圖4為典型的CRDM動(dòng)作過程中的線圈電流波形圖。

由電流波形對比后發(fā)現(xiàn)，該CRDM線圈電流波形相對雜亂。分析三個(gè)工作線圈的電磁特性（表1）發(fā)現(xiàn)，提升線圈安匝數(shù)為23080A，鉤爪線圈（動(dòng)爪和定爪線圈）安匝數(shù)為9480A，二者的產(chǎn)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(chǎn)生電磁干擾。目前設(shè)計(jì)的CRDM在電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面尚有優(yōu)化提升的空間。

圖3 CRDM動(dòng)作電流波形圖

圖4 典型的CRDM動(dòng)作電流波形圖

3 數(shù)值仿真及優(yōu)化

通過采用電磁場有限元分析軟件Magnet對整臺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真，對靜態(tài)下CRDM線圈通電的電磁特性進(jìn)行分析研究，提出相應(yīng)的電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并進(jìn)行優(yōu)化前后的性能對比，如圖6所示。

3.1 導(dǎo)磁環(huán)布置優(yōu)化

圖5 CRDM線圈布置

表1 CRDM線圈特性

圖6 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模型

導(dǎo)磁環(huán)在CRDM的設(shè)計(jì)中起到引導(dǎo)磁路，將線圈產(chǎn)生的磁通導(dǎo)入鉤爪部件的磁極和銜鐵中的作用，結(jié)構(gòu)見圖2。如果線圈處的兩導(dǎo)磁環(huán)布置過近，則有部分磁通直接通過導(dǎo)磁環(huán)形成回路，流經(jīng)磁極/銜鐵的磁通就會(huì)減少，磁極、銜鐵間的提升力減少，機(jī)構(gòu)動(dòng)作速度受到影響。優(yōu)化前，CRDM提升線圈處的導(dǎo)磁環(huán)的間距僅為89 mm，導(dǎo)致提升線圈磁場分布不合理，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)磁環(huán)間距的磁場對比

根據(jù)CRDM的總體布置長度，優(yōu)化方案將提升線圈處的導(dǎo)磁環(huán)間距提高到了134 mm。在線圈參數(shù)相同的情況下，如圖7為優(yōu)化前后的磁感線分布對比，圖8為優(yōu)化前后的提升磁極/銜鐵間磁感應(yīng)強(qiáng)度的對比，圖9為優(yōu)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(yīng)強(qiáng)度的對比

圖9 提升磁極/銜鐵間提升力的對比

對比顯示，優(yōu)化后的電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較優(yōu)化前的設(shè)計(jì)，提升磁極/銜鐵間的平均磁感應(yīng)強(qiáng)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(yōu)化

電感是閉合回路的一種屬性，當(dāng)通過閉合回路的電流改變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)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(shè)一個(gè)閉合回路的電流改變，由于感應(yīng)作用而產(chǎn)生電動(dòng)勢于另外一個(gè)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(shù)（匝數(shù)）、繞制方式、有無磁心及磁心的材料等等。通常，線圈圈數(shù)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(dǎo)磁率越大的線圈，電感量也越大［2］。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁線圈之間的間距過小，線圈間互感系數(shù)大，則當(dāng)單個(gè)線圈電流增大時(shí)會(huì)在相鄰線圈中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢，導(dǎo)致相鄰線圈對應(yīng)的磁極/銜鐵間的電磁力產(chǎn)生波動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程中，容易出現(xiàn)失步、滑步、滑棒等故障。由于線圈的互感系數(shù)主要取決于線圈之間的布置參數(shù)（兩線圈的半徑、距離、偏轉(zhuǎn)角［3］）等，對于已經(jīng)完成電磁設(shè)計(jì)的線圈來說，改變兩個(gè)工作線圈之間的間距，無疑是最簡便及有效的方法。

優(yōu)化前，CRDM中提升線圈和動(dòng)爪線圈、動(dòng)爪線圈和定爪線圈之間的間距均為118 mm（如圖5）；經(jīng)計(jì)算可得，提升線圈與動(dòng)爪線圈間的互感系數(shù)為0.307 5 H，動(dòng)爪線圈和定爪線圈間的互感系數(shù)為1.421 H。

根據(jù)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體布置，優(yōu)化設(shè)計(jì)將提升線圈和動(dòng)爪線圈之間的間距增加至151 mm，互感系數(shù)為0.287 6 H；動(dòng)爪線圈和定爪線圈之間的間距為141 mm，互感系數(shù)為1.364 H。提升線圈和動(dòng)爪線圈間的互感系數(shù)與線圈間距的關(guān)系見圖10，動(dòng)爪線圈和定爪線圈之間的互感系數(shù)與線圈間距的關(guān)系見圖11。

圖10 提升線圈與動(dòng)爪線圈之間的互感系數(shù)隨線圈間距的變化

圖11 動(dòng)爪線圈與定爪線圈之間的互感系數(shù)隨線圈間距的變化

4 結(jié)語

由分析結(jié)果可知，在磁力提升式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作線圈的參數(shù)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成的前提下，對機(jī)構(gòu)的導(dǎo)磁環(huán)布置和工作線圈間距進(jìn)行優(yōu)化，可有效提高機(jī)構(gòu)的磁極/銜鐵間電磁力，并減小控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈電磁場間的相互干擾，提高了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行可靠性。

［1］ 劉剛，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)步躍性能的優(yōu)化［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，9（4）：457-461.

［2］ 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［3］ 何秀，顏國正，馬官營.互感系數(shù)的影響因素及其對無線能量傳輸系統(tǒng)效率的影響［J］.測控技術(shù)，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(yīng)堆本體設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

2014-01-08