朱學(xué)微，甄建霄，王玉林，殷浩哲，賈月光，楊 坤

（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413；2.南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)電磁力研究

朱學(xué)微1，甄建霄1，王玉林1，殷浩哲2，賈月光1，楊 坤1

（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413；2.南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

為獲得中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁力及電磁場(chǎng)分布，對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，設(shè)計(jì)制造CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)。在試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了電磁力試驗(yàn)，使用有限元分析軟件Ansoft Maxwell對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)電磁場(chǎng)及電磁力分布進(jìn)行仿真分析，計(jì)算得到了試驗(yàn)樣機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線和電磁力分布數(shù)據(jù)，以及永磁體磁場(chǎng)對(duì)電磁場(chǎng)的影響和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁力的影響。仿真結(jié)果與試驗(yàn)值符合較好，研究結(jié)果為CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁力研究和同類型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

中國(guó)先進(jìn)研究堆；控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；電磁力；有限元分析

Key words：China Advanced Research Reactor；control rod drive mechanism；electromagnetic force；finite element analysis

中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）采用先進(jìn)的磁力傳動(dòng)式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用電磁傳動(dòng)方式提升、下降、保持控制棒組件，達(dá)到控制反應(yīng)堆啟動(dòng)、調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率的目的，通過(guò)斷電，控制棒在重力作用下以自由落體方式實(shí)現(xiàn)快速落棒停止反應(yīng)堆［1］。為獲得CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁參數(shù)，本工作根據(jù)CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和功能制造試驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)的有限元仿真得到電磁力及電磁場(chǎng)分布、永磁體磁場(chǎng)對(duì)電磁場(chǎng)的影響和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁力的影響，旨為CARR控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)特性優(yōu)化研究提供必需的參考數(shù)據(jù)和研究工具，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證有限元分析的合理性和可靠性。

1 CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示于圖1?？刂瓢艏案S體組件通過(guò)連桿組件與銜鐵組件相連接，二者在密封套筒內(nèi)，組件中間有冷卻劑流過(guò)，驅(qū)動(dòng)線圈在密封套筒外面與滾軸絲杠剛性連接。當(dāng)驅(qū)動(dòng)線圈通電后產(chǎn)生電磁力，吸引密封套筒里的銜鐵組件同步運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾軸絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)線圈上下移動(dòng)，通過(guò)電磁傳動(dòng)使銜鐵組件上下移動(dòng)，銜鐵組件帶動(dòng)控制棒升降，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆啟動(dòng)、控制反應(yīng)堆的功率水平［2］。當(dāng)驅(qū)動(dòng)線圈斷電后電磁力消失，銜鐵組件和控制棒以及跟隨體組件無(wú)法保持原位，依靠重力和冷卻劑動(dòng)壓自由下落，可保證反應(yīng)堆快速安全停堆。

圖1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Configuration diagram of control rod drive mechanism

2 CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)

根據(jù)CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計(jì)制造了試驗(yàn)樣機(jī)，其結(jié)構(gòu)尺寸按CARR驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3個(gè)磁路中的1個(gè)進(jìn)行加工制造，試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，驅(qū)動(dòng)線圈骨架采用“╢╟”型結(jié)構(gòu)，由兩段線圈并聯(lián)組成，繞線匝數(shù)與CARR驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一段磁路相同。試驗(yàn)樣機(jī)銜鐵組件由兩端材料為釹鐵硼永磁鐵、中間為0Cr13鐵芯組成。試驗(yàn)樣機(jī)隔離套筒材料為不銹鋼0Cr18Ni10Ti，線圈盒材料為0Cr13。依靠3個(gè)互成120°的定位桿保證樣機(jī)的垂直度與同心度。砝碼箱通過(guò)芯桿與銜鐵組件剛性連接，模擬驅(qū)動(dòng)線負(fù)重。光柵尺記錄試驗(yàn)過(guò)程中銜鐵組件相對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈的位移變化。底部設(shè)有緩沖墊緩沖砝碼箱下落時(shí)產(chǎn)生的沖擊。

3 仿真建模分析

使用有限元分析軟件Ansoft Maxwell對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行建模分析［3－4］，其模型如圖3所示。建模時(shí)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化，不銹鋼材料的磁導(dǎo)率相當(dāng)于空氣［5］，在建模中不銹鋼材料、氣隙等介質(zhì)設(shè)置均為空氣。線圈繞線為4 000匝，共8 000匝，仿真中將兩組線圈視為1組，由于并聯(lián)，激勵(lì)值為安匝數(shù)，計(jì)算公式為：安匝數(shù)＝2×4 000×I／2（I為通電電流）。

電磁力受驅(qū)動(dòng)電流影響，改變驅(qū)動(dòng)電流，得到電磁力與電流變化的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置在0.5～2.3A變化，每0.1A計(jì)算1次。仿真數(shù)據(jù)列于表1。

圖4為電磁力仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比，可看到在0.5～2.3A電流區(qū)間內(nèi)，仿真值與試驗(yàn)值符合較好，該仿真模型對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)模擬仿真結(jié)果是可靠的。

圖2 試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Configuration diagram of experimental machine

圖3 試驗(yàn)樣機(jī)模型示意圖Fig.3 Model diagram of experimental machine

電磁力受銜鐵組件相對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈位置的變化影響，改變二者相對(duì)位置，即得到電磁力隨相對(duì)位置的分布。銜鐵組件相對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈位置在＋50～－50mm變化，計(jì)算得到電磁力相對(duì)分布如圖5所示，橫坐標(biāo)為銜鐵對(duì)于驅(qū)動(dòng)線圈相對(duì)位置，從圖中可看到，隨著銜鐵相對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈位置從正到負(fù)變化，電磁力的變化為由小變大到達(dá)極點(diǎn)后又變小。根據(jù)試驗(yàn)樣機(jī)試驗(yàn)記錄顯示，在通電時(shí)，樣機(jī)電磁力工作點(diǎn)主要分布于曲線右側(cè)。

表1 電磁力隨電流變化的仿真數(shù)據(jù)Table 1 Simulation data of electromagnetic force following current change

圖4 電磁力仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.4 Comparison of electromagnetic force between simulation and experiment values

圖5 試驗(yàn)樣機(jī)電磁力分布Fig.5 Electromagnetism force of experimental machine

經(jīng)Ansoft Maxwell計(jì)算得到試驗(yàn)樣機(jī)的電磁場(chǎng)分布。圖6示出仿真磁力線圖和磁感應(yīng)強(qiáng)度圖。分析圖6發(fā)現(xiàn)：通電后，驅(qū)動(dòng)線圈、線圈盒、銜鐵組件和主氣隙形成磁回路，磁路中的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨線圈通電電流的增加而增加，磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度最強(qiáng)處為上永磁鐵和線圈上部之間的主氣隙。

為研究永磁體磁場(chǎng)對(duì)電磁場(chǎng)的影響，在仿真模型中將永磁體去除后進(jìn)行有限元分析，去除永磁體前后系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比如圖7所示。圖中，去除上永磁體后在主氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯減弱，去除下永磁體后，銜鐵下部和線圈盒之間磁感應(yīng)強(qiáng)度走向發(fā)生偏移，使銜鐵下部出現(xiàn)部分磁化不均的情況。永磁體磁場(chǎng)可增加電磁場(chǎng)主氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度，并改變下部氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，使銜鐵磁化更加均勻。

圖6 仿真磁力線圖（a、b）和磁感應(yīng)強(qiáng)度圖（c、d）Fig.6 Simulation magnetism diagram（a，b）and magnetic induction intensity diagram（c，d）

圖8a為永磁體磁場(chǎng)對(duì)電磁力影響曲線。從圖8a可看出，去除永磁體后系統(tǒng)電磁力明顯下降，永磁體磁場(chǎng)對(duì)電磁力有較大影響。

為研究電磁系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)電磁力的影響，在有限元分析中對(duì)銜鐵尺寸、氣隙尺寸、線圈盒尺寸等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化建模，得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁力的影響示于圖8b、c、d。

圖8b中，x1坐標(biāo)為銜鐵半徑，h1坐標(biāo)為銜鐵長(zhǎng)度，z坐標(biāo)為電磁力。x1取值區(qū)間為（10mm，21mm），h1取值區(qū)間為（100mm，130mm），可看出，電磁力隨銜鐵半徑的增加而增加，但銜鐵半徑對(duì)電磁力影響幅度有限；電磁力隨銜鐵長(zhǎng)度的增加先增加后減小，其中存在一峰值，說(shuō)明銜鐵長(zhǎng)度對(duì)電磁力影響較為顯著，在設(shè)計(jì)銜鐵長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)選擇最優(yōu)長(zhǎng)度。

圖7 永磁體磁場(chǎng)對(duì)電磁場(chǎng)的影響Fig.7 Effect of permanent magnetic field on electromagnetic field

圖8 永磁體磁場(chǎng)、銜鐵尺寸、氣隙尺寸和線圈盒尺寸對(duì)電磁力的影響Fig.8 Effect of permanent magnetic field，armature size，air-gap size and coil-box size on electromagnetic force

圖8c中，氣隙尺寸取值區(qū)間為（1mm，9mm），可看出電磁力受氣隙尺寸影響較大，電磁力隨氣隙變大而急劇減小。氣隙尺寸為密封套筒厚度和間隙（空氣）尺寸之和，因此在設(shè)計(jì)密封套筒厚度時(shí)應(yīng)兼顧套筒作為冷卻劑壓力邊界的安全性和對(duì)電磁力的影響兩方面因素綜合考慮。

圖8d中，z1坐標(biāo)為線圈盒高度，r1坐標(biāo)為線圈盒半徑。線圈盒高度取值區(qū)間為（146mm，186mm），線圈盒半徑取值區(qū)間為（35mm，50mm），線圈盒的尺寸直接影響磁路中導(dǎo)磁材料的體積，可看出，電磁力隨線圈盒高度的增加先增加后減小，隨線圈盒半徑增加而增加，當(dāng)線圈盒半徑達(dá)某一值后電磁力受線圈盒半徑增加的影響變小，曲線趨于水平。

綜上所述，在設(shè)計(jì)線圈盒時(shí)，線圈盒高度應(yīng)合理選擇在電磁力最大的區(qū)間，增加線圈盒半徑可提高導(dǎo)磁體體積，當(dāng)線圈盒半徑到達(dá)一定數(shù)值后，增加線圈盒半徑將不會(huì)提高電磁力，為避免浪費(fèi)材料和4組驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)間的相互干擾，線圈盒半徑應(yīng)合理選擇。

4 銜鐵組件受力分析

CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈與銜鐵組件中間設(shè)置有1個(gè)隔離套筒，二者之間為磁力連接。銜鐵在工作時(shí)受到的力為重力、電磁力和摩擦力的合力，該摩擦力來(lái)自于與銜鐵剛性連接的驅(qū)動(dòng)線上的摩擦。以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由上向下轉(zhuǎn)向過(guò)程為例對(duì)銜鐵組件進(jìn)行受力分析，銜鐵組件受力分析如圖9所示。

在t1時(shí)刻銜鐵組件向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖9a所示，銜鐵組件受到方向向下的動(dòng)摩擦力f動(dòng)和重力mg，以及向上的電磁力F，F(xiàn)≥mg＋f動(dòng)。

圖9b中在t1－t2時(shí)刻發(fā)生轉(zhuǎn)向，此時(shí)銜鐵相對(duì)于線圈的位置開(kāi)始變化，線圈轉(zhuǎn)向向下運(yùn)動(dòng)，f動(dòng)改變方向變?yōu)橄蛏?，此時(shí)mg＜F＋f動(dòng)，銜鐵保持不動(dòng)，動(dòng)摩擦力變?yōu)殪o摩擦力f靜，隨著銜鐵相對(duì)線圈位置發(fā)生改變，F(xiàn)減小，在t2時(shí)刻，線圈相對(duì)銜鐵位置由d1變?yōu)閐2。

圖9c中，在t2時(shí)刻后，電磁力F減小為F′，mg≥F′＋f靜，銜鐵開(kāi)始隨線圈向下運(yùn)動(dòng)。銜鐵組件受到的電磁力變化如圖9d中曲線所示。

圖9 銜鐵組件受力示意圖Fig.9 Force analysis diagram of iron subassembly

整個(gè)過(guò)程中受到的電磁力均向上。當(dāng)線圈電流為零時(shí)，電磁力F為零，mg＞f動(dòng)，銜鐵自由落體下落。同理可知，由下向上轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電磁力在轉(zhuǎn)向過(guò)程中逐漸增大，當(dāng)電磁力增大到F≥mg＋f動(dòng)時(shí)，銜鐵開(kāi)始跟隨線圈向上運(yùn)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中，電磁力始終保持方向向上，并隨銜鐵與線圈相對(duì)位置的變化而改變。

5 試驗(yàn)樣機(jī)電磁力測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)將驅(qū)動(dòng)線圈推至一定高度，由3個(gè)定位桿上的定位螺栓將驅(qū)動(dòng)線圈固定，通電后，將砝碼箱提升，當(dāng)銜鐵組件提升至驅(qū)動(dòng)線圈磁場(chǎng)內(nèi)，由于電磁力的作用使銜鐵組件保持在這一位置，向砝碼箱內(nèi)逐次加入重量為71N的砝碼，在配重接近仿真計(jì)算值時(shí)改用小重量砝碼，直至落棒，砝碼重量加驅(qū)動(dòng)線自重即為該電流下樣機(jī)的最大電磁力。銅質(zhì)漆包線允許通過(guò)的最大電流值I≈3倍導(dǎo)線橫截面積［6］，驅(qū)動(dòng)線圈允許加載的最大電流理論值約為2.308A。以0.1A為電流臺(tái)階，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，樣機(jī)在不同通電電流下的電磁力列于表2。

表2 試驗(yàn)樣機(jī)電磁力隨電流變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experiment data of electromagnetic force following current change

6 結(jié)論

根據(jù)CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和功能搭建了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)，該試驗(yàn)樣機(jī)是對(duì)堆內(nèi)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3個(gè)磁路中的1個(gè)磁路進(jìn)行模擬。通過(guò)仿真方法獲得試驗(yàn)樣機(jī)內(nèi)部電磁力的分布和磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流的變化，對(duì)比試驗(yàn)樣機(jī)試驗(yàn)中記錄的銜鐵相對(duì)線圈位置，發(fā)現(xiàn)銜鐵工作區(qū)域集中在電磁力分布曲線右側(cè)；磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度隨通電電流的增大而增大，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度集中于驅(qū)動(dòng)線圈與銜鐵組件上部主氣隙處。

對(duì)電磁系統(tǒng)進(jìn)行了有限元建模分析，永磁體磁場(chǎng)對(duì)電磁場(chǎng)的影響為：上永磁體增加主氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度，下永磁體改變磁通量走向，使銜鐵磁化更加均勻，永磁體磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)電磁力有顯著提高。在對(duì)這一類型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能減小氣隙尺寸，合理選擇銜鐵尺寸和線圈盒尺寸，銜鐵尺寸和線圈盒高度過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短均會(huì)減小電磁力，增加線圈盒半徑可提高電磁力，半徑在達(dá)到一定尺寸后將不會(huì)提升電磁力。

對(duì)銜鐵組件進(jìn)行受力分析，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向過(guò)程中，電磁力隨驅(qū)動(dòng)線圈與銜鐵組件相對(duì)位置改變而變化，使銜鐵組件適應(yīng)線圈的轉(zhuǎn)向。在試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了通電電流與電磁力變化試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨通電電流的增大電磁力也隨之增大。對(duì)比仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真模型對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)模擬較好，平均誤差為3.02%，為同類型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

［1］ 張應(yīng)超，高永光，張明葵，等.CARR控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)堆外調(diào)試試驗(yàn)［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2013，47（8）：1 380-1 382.

ZHANG Yingchao，GAO Yongguang，ZHANG Mingkui，et al.Out of pile commissioning test of CARR control rod driving mechanism［J］.Atomic Energy Science and Technology，2013，47（8）：1 380-1 382（in Chinese）.

［2］ 張繼革.控制棒可動(dòng)線圈電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究［D］.北京：清華大學(xué)，2003.

［3］ 趙博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

［4］ 劉國(guó)志，趙凌志，蔣繼婭.Ansoft工程電磁場(chǎng)有限元分析［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［5］ 鐘文定.技術(shù)磁學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

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Study on Electromagnetism Force of CARR Control Rod Drive Mechanism Experimental Machine

ZHU Xue-wei1，ZHEN Jian-xiao1，WANG Yu-lin1，YIN Hao-zhe2，JIA Yue-guang1，YANG Kun1
（1.China Institute of Atomic Energy，P.O.Box275-100，Beijing102413，China；2.Institute of Nuclear Science and Technology，University of South China，Hengyang421001，China）

With the aim of acquiring electromagnetic force and electromagnetic field distributions of control rod drive mechanism（CRDM）in China Advanced Research Reactor（CARR），the force analysis on the CRDM was taken.Manufacturing the experimental machine，the electromagnetic force experiment was taken on it.The electromagnetic field and electromagnetic force simulation analyses of experimental machine were taken，working out distribution data of electromagnetic force and magnetic induction intensity distribution curve，and the effects of permanent magnetic field on electromagnetic field and structure parameters on electromagnetic force.The simulation value is accord with experiment value，the research results provide a reference to electromagnetic force study on CRDM in CARR，and also provide a reference to design of the same type CRDM.

TL35

：A

：1000-6931（2015）04-0725-07

10.7538／yzk.2015.49.04.0725

2013-12-23；

2014-04-24

朱學(xué)微（1985—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士研究生，核能科學(xué)與工程專業(yè)