圓柱型感應式鈉電磁泵電磁設計影響因素的仿真分析

□張 琭 宋德寬

電磁泵與機械鈉泵相比具有：無轉動部件、無需動密封；操作、控制簡單等優點，在快堆輔助工藝系統中得到廣泛應用。電磁泵按液態金屬中電流饋給方式可分為傳導式和感應式，按泵溝截面型式可分為平面型、螺旋型和圓環型。本文根據目前使用需求主要論述圓環型感應式鈉電磁泵的研制。

一、圓環型感應式鈉電磁泵

圓環型鈉電磁泵泵溝截面呈環形，外鐵芯布置在外圓筒壁上，內圓筒放有內置鐵芯，內外鐵芯之間為鈉液流通通道泵溝，泵溝外側包裹隔熱材料以阻止高溫鈉向繞組線圈傳熱。

通常圓環型電磁泵電磁設計的主要影響因素包括電磁氣隙確定、繞組接線方式選擇、外鐵芯數量以及內鐵芯尺寸等參數。要提高電磁泵的性能，減小內外鐵芯之間的氣隙是關鍵，電磁氣隙主要由泵溝內外壁、隔熱材料、鈉液厚度確定。本文針對這些影響因素建立圓柱型鈉電磁泵三維電磁分析模型，并根據特定條件對不同影響因素進行仿真計算分析，獲取電磁泵電磁設計影響因素的基本規律，為鈉電磁泵的設計提供有效的理論依據。

二、圓環型鈉電磁泵電磁性能分析

為提高電磁泵性能參數，需要對其初步結構設計進行優化分析。本文以12槽小型電磁泵樣機為模型，對其影響電磁泵出力的主要因素進行分析，給出其影響趨勢，為后續鈉電磁泵樣機的設計提供理論依據。模型網格剖分全部采用內部剖分法，模型計算采用電壓激勵源，單相直流電阻為0.432Ω(實驗值)，三相輸入電壓為：A相：176×sin(2×3.14×20×time)；B相：176×sin(2×3.14×20×time-2/3×3.14)；C相：176×sin(2×3.14×20×time+2/3×3.14)。

(一)鈉液厚度的影響。鈉液厚度不僅影響泵中磁場的分布，同時也是調節流量和揚程之間均衡的一個重要因素。為分析鈉液層厚度對電磁泵出力的影響，假定外鐵芯結構不變的情況下，通過改變內鐵芯外徑調整鈉液層厚度，得到電磁泵靜態情況下出力如圖1所示。可以看出，隨著鈉流厚度的增加，電磁力呈現先增大后減小的趨勢，在鈉液厚度為6mm時達到最大。由電磁力計算方法可知，在僅僅改變鈉液厚度時，電磁力可表示為下式：F∝B×J×S。式中：B—磁感應強度；J—感應電流密度；S—鈉液截面積。

隨著氣隙長度的增加，感應電流密度和磁感應強度都呈下降趨勢。但由于鈉液厚度增加，所以整體的出力并沒有減小。因此，雖然在鈉液厚度為2mm到6mm的變化過程中，鈉液中的磁感應強度B和感應電流J都在降低，但由于鈉液層的截面積增加相對更多，所以鈉液所產生的推力增加；而當鈉液厚度超過6mm，鈉液截面積的增加相對于磁感應強度和電流密度的減小要小，因此鈉液推力開始減小。

圖1 電磁力隨鈉流厚度變化關系

(二)繞組接線方式選擇。鈉電磁泵存在多個繞組線圈，也同樣存在不同的接線方式。因接線方式較多很難在短期內采用電磁分析方式準確地計算各種接線方式之間的差別，為此本文特別設計一臺電磁驅動原理樣機，通過試驗分析各種接線方式之間的差別。本文主要列出兩種接線方式對其進行試驗分析。兩種方式接線示意圖分別如圖2、圖3所示。

斜線為A相、橫線為B相、豎線為C相圖2 繞組接線方式a)

圖3 繞組接線方式b)

兩種接線方式不同氣隙下推力隨電流的變化試驗結果為，在電磁泵剛啟動輸入電流較低的情況下，接線方式b)推力略大于接線方式a)；當電流逐步升高之后方式a)推力逐漸大于方式b)，在電流相同的情況下推力較大的接線方式其輸入電壓也偏大，即輸出推力偏大方式，其輸入功率也偏大，二種接線方式效率相當。因此，單從輸出電磁推力結果看方式a)具有一定的優越性，二者差別并不明顯。但方式a)接線較為復雜，使得電磁泵制造工藝難度加大，運行可靠性降低。因此，綜合考慮對中小功率的電磁泵來說選擇方式b)較為合適。

(三)內鐵芯直徑的影響。保證電磁泵其他部件徑向尺寸不變情況下，僅僅調整內鐵芯直徑分析得到內鐵芯不同尺寸時的出力曲線如圖4所示。根據計算結果可知，隨著內鐵芯尺寸的增大，泵的出力逐漸變大。其主要原因是隨著內鐵芯內徑的增大，外鐵芯槽漏磁通減小，主磁通增加，導致泵的出力增大。需要注意的是，雖然內徑擴大之后鈉流的端面面積增大，但由于外鐵芯寬度并沒有調整，因此鈉液中感應電流的面積并沒有發生明顯變化，所以泵的出力沒有按照鈉液端面面積成比例變化。

圖4 不同內徑時出力隨時間變化曲線

(四)其它。

1.外鐵芯數量對電磁性能影響。外鐵芯數量不僅對電磁泵性能有所影響，對其重量及制造加工成本也有很大影響。在上述輸入條件不變的情況下，保證外鐵芯和內鐵芯的耦合面積最大。雖然外鐵芯和內鐵芯的耦合面積沒有變化，但外鐵芯繞組和定子繞組的耦合面積卻發生了變化，這導致繞組電抗發生了變化，繞組與定子之間漏磁減少。因此，在相同外界激勵源條件下，增加初級鐵心數目起到了充分利用繞組產生的磁場強度，并將其轉換為有用的磁感應強度。所以，外鐵芯數目越多，電磁泵產生的電磁力就會越大。

2.齒槽尺寸影響。其他參數一定時，齒寬及槽高對磁路飽和程度、漏抗以及主電抗參數都有重要影響。不同齒寬下的內鐵芯推力隨著齒寬的增加而減小，隨著槽高的增加而減小。從磁路角度來講，雖然減小以及增加槽高之后磁路會飽和，但槽漏抗參數也會發生變化。

三、結語

綜上所述，鈉液層厚度、外鐵芯寬度、槽寬以及槽高對電磁推力的影響較大，而繞組接線方式、定子鐵芯數以及外鐵芯結構對推力影響較小。鈉液層厚度的選擇不僅對電磁性能有較大的影響，同時也是調節電磁泵流量與揚程平衡的主要因素。在輸入一定的情況下，不同繞組接線方式對電磁泵出力影響并不是特別大，但其對電磁泵加工制造及運行可靠性具有很大影響。同樣氣隙條件內鐵芯直徑對電磁性能影響不大，但實際設計時保持流量不變的情況下，內鐵芯直徑增大可以減小鈉液層的厚度，進而影響電磁泵的性能。此外，上述分析僅僅是從電磁分析的角度出發得出的結論，沒有考慮熱工、泵溝流體阻力、鐵芯損耗以及效率等問題。因此，實際設計過程中需要綜合電磁、熱工及機械強度等問題進行全面分析設計。