CN102890994A - 用于核反应堆的、耐受环境影响的电磁铁和使用该种电磁铁的电动机 - Google Patents

用于核反应堆的、耐受环境影响的电磁铁和使用该种电磁铁的电动机 Download PDF

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Abstract

一种电磁铁包括多个嵌套的自立型电气绝缘线圈架层，以及缠绕在自立型电气绝缘线圈架层外面的导电线以形成多层的电气线圈，其中，通过插入自立型电气绝缘线圈架层，使多层电气线圈的相邻层间距开。对多层电气线圈的通电可在多层电气线圈内产生磁场。在某些实施例中，导电线是没有电气绝缘的裸露导线。在某些实施例中，线圈架层包括陶瓷材料。在某些此种实施例中，电磁铁还包括设置在多层电气线圈内的铁磁体芯。文中还披露了使用这种电磁铁作为定子磁极的电动机，还披露了用于核反应堆内的使用此种电动机的控制棒驱动机构（CRDM）和冷却剂泵的实施例。

Description

用于核反应堆的、耐受环境影响的电磁铁和使用该种电磁铁的电动机
技术领域
本发明涉及电气技术、电气装置技术、电磁铁技术、电动机技术、核反应堆技术以及相关技术。 
背景技术
压水反应堆(PWR)采用压力容器，该压力容器装有过热水作为一次冷却剂。热的欠热水在反应堆堆芯和一个或多个蒸汽发生器之间循环，以将能量从反应堆堆芯传递到蒸汽发生器。在传统设计中，蒸汽发生器是单独的元件，一次冷却剂通过合适的高压流体管道联接在压力容器和蒸汽发生器之间。在一体化的PWR设计中，一个或多个蒸汽发生器位于压力容器内。其它类型的核反应堆也类似。例如，沸水反应堆（BWR）采用不是过热的沸腾一次冷却剂。 
在核反应堆的压力容器内包括动力的部件是有利的。例如，在某些反应堆设计中，使用电动机驱动的冷却剂泵强制循环一次冷却剂。泵可以位于压力容器外面，并经由穿过合适的容器贯穿件的转动轴用机械方法连接到叶轮。然而，使用完全内部的电动机驱动的冷却剂泵而省略机械地通过容器的贯穿件是有利的。在这后一种设计中，只使用用于电气电缆的小且机械静态的容器贯穿件。 
另一个可使用动力部件的地方是控制棒驱动机构（CRDM）部件。含有中子吸收剂的控制棒部分地或全部地插入反应堆堆芯内，以慢化或停止核反应。在所谓的“灰棒”中，棒插入的程度可以连续或步进的方式调整，以提供可调的反应性控制。传统上，操作控制棒的电动机位于压力容器外面（通常，在PWR设计中是在压力容器上方，或者在BWR设计中是在压力容器下方），而连接杆通过合适的容器贯穿件将CRDM电动机连接到控制棒。还有，使用完全内部的CRDM以省略机械容器贯穿件是有利的，其中，操作控制棒的电动机位于压力容器内，这样，只使用用于电气电缆的机械静态容器贯穿件。 
在压力容器内使用电动机因一次冷却剂的高温而变得复杂。电动机和其构成的材料必须能耐受高温反应堆环境，还必须能耐受诸如腐蚀化学品和/或一次冷却剂中存在的放射性之类的其它环境条件。例如，PWR反应堆通常使用硼酸作为一次冷却剂中的可溶性慢化反应性的中子毒物。此外，电动机必须可靠，因为任何的维护都必然带来成本高昂的停堆并打开反应堆，与此同时，采取合适的安全壳和放射性废物控制预防措施。 
这里披露的是提供了各种益处的改进措施，本技术领域内的技术人员阅读下文后将会明白这些益处。 
发明内容
在本发明的一个方面，一种装置包括电磁铁，该电磁铁包括多个嵌套的自立型（free-standing）电气绝缘线圈架层，以及包围在自立型电气绝缘线圈架层外面的导电线以形成多层的电气线圈，在电气线圈中，通过插入自立型电气绝缘线圈架层，使多层电气线圈的相邻层间距开。对多层电气线圈的通电在多层电气线圈内产生磁场。在此种装置的某些实施例中，导电线是不具有电气绝缘性裸露导电线。在此种装置的某些实施例中，自立型电气绝缘线圈架层包括陶瓷材料。在某些此种实施例中，电磁铁还包括设置在多层电气线圈内的铁磁体芯。在某些此种实施例中，该装置还包括电动机，电动机包括转子和定子，其中，所述电磁铁形成定子的磁极。在某些此种实施例中，该装置还包括控制棒驱动机构（CRDM），其包括所述电动机和导螺杆，该电动机可操作地与导螺杆连接以线性地驱动导螺杆，由此，与导螺杆相连的含有中子毒物的控制棒被线性地驱动进入或离开核反应堆堆芯。在某些此种实施例中，该装置还包括流体泵，该泵包括可操作地连接到叶轮的所述电动机。 
在本发明的另一个方面，一种装置包括电磁铁，该电磁铁包括多个嵌套的自立型电气绝缘线圈架层，以及多层的电气线圈，电气线圈包括多个间距开的导电螺旋形绕组层，其中，每个间距开的导电螺旋形绕组层由嵌套体中自立型电气绝缘线圈架层之一支承，其中，对多层电气线圈的通电在多层电气线圈内产生磁场。在某些此种电磁铁中，每个自立型电气绝缘线圈架层包括形成在自立型电气绝缘线圈架层外表面上的槽，槽形成了由自立型电气绝缘线圈架层支 承的螺旋形绕组层的路径。在某些此种电磁铁中，铁磁体电磁铁芯设置在多层电气线圈内。某些此种装置还包括电动机，电动机包括转子和由所述电磁铁形成的定子。某些此种装置还包括核反应堆，核反应堆包括压力容器，压力容器含有一次冷却剂和设置在压力容器内的核反应堆堆芯，运行核反应堆堆芯以使一次冷却剂保持在至少300℃的温度下，至少一个机电部件（举例来说，一次冷却剂泵或控制棒驱动机构或CRDM）浸没在一次冷却剂中并包括所述电动机。 
在本发明的另一个方面，一种方法包括：（1）螺旋地将导电线缠绕在第一自立型电气绝缘线圈架层周围，使螺旋缠绕的螺旋匝彼此间距开以形成第一电气线圈层；（2）将第一电气线圈层嵌套在下一个自立型电气绝缘线圈架层内以形成一个嵌套体；（3）螺旋地将导电线缠绕在嵌套体的下一个自立型电气绝缘线圈架层周围，使螺旋缠绕的螺旋匝彼此间距开以形成下一个电气线圈层，其中，由包括至少操作（1）、（2）和（3）的过程形成包括至少两层电气线圈层的多层电气线圈。在某些此种方法的实施例中，通过包括至少操作（1）、（2）和（3）并还包括操作（2）和（3）中至少一个的重复操作以形成包括至少三层电气线圈层的多层电气线圈的过程来形成多层电气线圈。在某些此种方法的实施例中，在多层电气线圈形成之后，将铁磁体芯设置在所形成的多层电气线圈内以形成电磁铁。某些所披露方法的实施例还包括将电磁铁设置在核反应堆的压力容器内，运行该核反应堆以在压力容器内产生至少300℃的温度，并在压力容器内操作电磁铁，使压力容器内温度至少为300C。 
附图说明
本发明可采取各种部件和部件布置的形式，并为各种工艺运行和工艺运行布置。附图只是为了说明优选的实施例并不可认为限制本发明。 
图1示意地示出说明性的压水反应堆（PWR）核发电系统。 
图2-11示出电磁铁和各种部件以及其组装的诸方面。在这些图中，图2是俯视图，图3和5是侧剖视图，图4和6-8是立体图，图9是示意性组装流程图，图10是部分分解的立体图，以及图11是部分剖切的立体图。 
图12-14示出电动机的多极定子的实施例，其使用如参照图2-11所述的电 磁铁作为定子的磁极。在这些图中，图12是立体图，图13是剖切立体图，以及图14是端视图。 
图15示意性地示出图1的PWR核发电系统的控制棒驱动机构（CRDM）和相联接的控制棒的合适实施例的侧剖视图，其中，CRDM包括带有如参照图12-14所述的多极定子的电动机。 
图16示意性地示出图1的PWR核发电系统的冷却剂泵的合适实施例的侧剖视图，其中，冷却剂泵包括带有如参照图12-14所述的多极定子的电动机。 
具体实施方式
参照图1，图中示出图示的包括一体化蒸汽发生器的压水反应堆（PWR）的剖视立体图。核反应堆堆芯10设置在大致圆柱形的压力容器12内，压力容器12含有一次冷却剂14，一次冷却剂泵在轻水堆的情形中是水（H2O），水中选择性地含有添加剂，如用作可溶中子毒物的可溶性硼酸。PWR包括位于上部容积内的蒸汽气泡16，水位18显现在蒸汽气泡16和液态一次冷却剂14之间。使用电加热器等或外部稳压器（未示出的部件）通过蒸汽气泡16来调整压力。 
由控制棒驱动机构（CRDM）20来提供反应堆的控制，控制棒驱动机构（CRDM）20构造成受控制地将吸收中子的控制棒插入核反应堆堆芯10内和将控制棒从核反应堆堆芯10中拔出。CRDM20可分为多个单元，每个单元控制一个或多个控制棒，以提供冗余性或其它的益处。图示的CRDM20是一个内部系统，其中，驱动电动机和其它部件设置在压力容器12内并浸没在一次冷却剂14中，只有电线和控制线延伸在压力容器12外面。替代地，可采用外部CRDM。 
压力容器12构造成形成一次冷却剂14的所期望的循环。在所示的实例中，该循环是由同轴地设置在所示圆柱形压力容器12内的中空圆柱形中心上升管22形成。被反应堆堆芯10加热的一次冷却剂14向上流经通过内部CRDM20的流体管道，并向上流过中空的中心上升管22，在中空的中心上升管22顶部排出，并通过转向装置24向下转向，向下流过圆柱形的中心上升管22和圆柱形压力容器12壁之间形成的环形腔，然后在压力容器12底部处向上转向而返 回到反应堆堆芯10。可提供选择性的一次冷却剂泵26来驱动一次冷却剂14的循环，或辅助一次冷却剂14的自然循环。图示的冷却剂泵26是内部泵，它们全部位于压力容器12内并浸没在一次冷却剂14中，只有电线和可供选择的控制线延伸在压力容器12外面。替代地，可依赖于自然循环来进行一次冷却剂的循环。 
压力容器12合适地基本垂直地定位。可设置一个选择性的裙座30来支承压力容器12，或进行偏置来阻止压力容器12倾倒。图示的裙座30定位成使装有反应堆堆芯10的压力容器12的下部位于地面以下的凹坑内，这在冷却剂丧失事故（LOCA）或其它事故的事件中，便于为了安全起见而淹没凹坑。在核反应堆的运行状态中，CRDM20从核反应堆堆芯10中拔出（或至少部分地拔出）控制棒以启动堆芯10内的核反应。在热核反应堆中，一次冷却剂14用作中子慢化剂，以热化较高能量的中子，从而保持或提高核反应。在PWR的运行状态中，一次冷却剂14被过热并处于通常至少为300℃的温度，在某些实施例中，一次冷却剂14为至少350℃的温度。在BWR情形中，一次冷却剂不被过热但沸腾，沸腾的一次冷却剂通常至少为300℃的温度，在某些实施例中，至少为350C的温度。 
为了产生蒸汽，由运行的反应堆堆芯10加热的一次冷却剂14与在蒸汽发生器内流动的二次冷却剂（通常是轻水、选择性地含有各种添加剂、溶质等的H2O）进行热连通。在某些实施例（未示出）中，蒸汽发生器位于压力容器外面，并通过承载有一次冷却剂的相对较大直径容器贯穿件连接到压力容器。然而，在图1所示的实施例中，一体的蒸汽发生器32位于装有反应堆堆芯10的同一个压力容器12内。图示一体的蒸汽发生器32位于包围着中心上升管22的环形腔内，即，在中心上升管22的外部和压力容器12内壁之间的环形空间内。呈给水形式的二次冷却剂通过给水入口34输入到环形给水入口腔36内（或，替代地输入到管板内），在给水入口腔中，给水馈送到蒸汽发生器32的下端内。二次冷却剂在二次冷却剂流动路径或容积内大致向上地上升通过蒸汽发生器32，二次冷却剂流动路径与邻近的一次冷却剂流动路径或容积进行热连通（但呈流体隔绝形式），一次冷却剂通常向下流过一次冷却剂流动路径或容积。（注意，图1未示出蒸汽发生器细节）。蒸汽发生器构造可采取 各种形式。在某些实施例中，蒸汽发生器包括承载通常向下的一次冷却剂的管子，而二次冷却剂通常在管子外面的容积内向上流动。替代地，二次冷却剂可大致向上地流过蒸汽发生器管子，而一次冷却剂通常在管子外面向下流动。管子可包括直的垂直管、斜的垂直管、包围中心上升管22的螺旋形管等。无论如何布置，热传递总是从过热的一次冷却剂向二次冷却剂进行，这使二次冷却剂从液态转换到蒸汽态。在某些实施例中，蒸汽发生器包括位于蒸汽发生器下部内的一体的节热器。在某些实施例中，蒸汽发生器可包括多个组成的蒸汽发生器以提供冗余性。生成的蒸汽进入蒸汽环腔40（或，替代地进入管板内），并从那里流出一个或多个蒸汽出口42。 
蒸汽（不管是由诸如图示的一体化蒸汽发生器32之类的一体化蒸汽发生器产生的还是由外部蒸汽发生器单元产生的）基本上都可用于使用蒸汽能量所要合适地达到的任何用途。在图1所示的电厂内，蒸汽驱动涡轮机46，涡轮机又驱动发电机48来发电。涡轮机46下游处的蒸汽冷凝器50将蒸汽冷凝回到液态，以重新形成包括给水的二次冷却剂。一个或多个泵52、53和一个或多个给水加热器54、55或其它给水调节部件（例如，过滤器、用于添加添加剂的部件等）产生所要求的压力和温度的给水，以输入到给水入口34。给水阀56合适地控制入口的给水流量。 
内部CRDM20和内部冷却剂泵26浸没在一次冷却剂14中，它们应能耐受升高的一次冷却剂温度，在某些实施例中，该温度至少是300℃，而在某些实施例中至少为350℃。传统的绝缘导线在这样的温度下通常经受相当快的劣化，这可通过所组成的电气线圈环之间的火花放电或短路而导致加速失效。这里披露的是改进的电磁铁部件和使用该改进电磁铁的电动机，它们坚固而可耐受核反应堆的高运行温度。 
参照图2和3，电磁铁包括多个嵌套的自立型电气绝缘线圈架层。术语“自立型”意指线圈架层不会在其自身重量下坍塌，此外，还能够在将导电线缠绕在自立型电气绝缘线圈架层外面以形成这里所披露的电磁铁时保持其形状。图2和3所示的实例示出七个自立型电气绝缘线圈架层的七层嵌套体N7L，即，最内的或第一自立型电气绝缘线圈架层FL1嵌套在第二自立型电气绝缘线圈架层FL2内，第二自立型电气绝缘线圈架层FL2嵌套在第三自立型电气绝缘 线圈架层FL3内，第三自立型电气绝缘线圈架层FL3嵌套在第四自立型电气绝缘线圈架层FL4内，第四自立型电气绝缘线圈架层FL4嵌套在第五自立型电气绝缘线圈架层FL5内，第五自立型电气绝缘线圈架层FL5嵌套在第六自立型电气绝缘线圈架层FL6内，第六自立型电气绝缘线圈架层FL6嵌套在第七自立型电气绝缘线圈架层FL7内。通过在自立型电气绝缘线圈架层外面缠绕导电线来形成多层电气线圈，由此形成电磁铁，当电气线圈通电时，就在电气线圈内产生磁场。
参照图4-6，来描述围绕第一自立型电气绝缘线圈架层FL1的外面缠绕导电线。图4示出第一自立型电气绝缘线圈架层FL1的立体图，图5示出第一自立型电气绝缘线圈架层FL1的剖切端视图，图6示出图4所示的第一自立型电气绝缘线圈架层FL1的立体图，但有导电线W缠绕在其外面的周围。围绕任何给定的自立型电气绝缘线圈架层缠绕的导电线W形成多层电气线圈的一层。在该层内，导电线以螺旋型式缠绕，其中，螺旋匝间隔开以避免相邻螺旋形匝之间发生电火花或短路。所述另一个方法，螺旋形型式具有螺距，将该螺距选择成在所关注的通电的范围内，有效地避免横贯相邻螺旋形匝的电火花或短路。相邻螺旋匝之间的间距取决于要避免电火花或短路发生，而不是取决于导线的绝缘性。因此，导电线合适地（虽然不是必要的）为没有电气绝缘的裸导电线。在某些实施例中，导电线是没有电气绝缘的裸铜线。在某些实施例中，导电线是没有电气绝缘的裸银线。对避免电火花或短路有效的螺旋匝之间的最小间距可根据横跨匝的电压（例如，可按照V/N估计，这里，V是横跨线圈施加的电压，N是匝数）容易地确定，以及根据所知道的电气线圈所在环境的击穿电压特征容易地予以确定。最小间距还可受诸如螺旋形匝的详细形状之类其它参数的影响。对避免电火花或短路发生有效的大于最小间距的任何间距也都是合适的。 
在某些实施例中，自立型电气绝缘线圈架层具有光滑的外表面，导电线以螺旋形型式缠绕在自立型电气绝缘线圈架层周围，缠绕得有足够的紧度以使螺旋形匝由摩擦力保持在初始的位置内，从而避免移动和相邻螺旋形匝之间可能发生的电火花或短路。 
然而，特别地参照图4和5，在所示实施例中，螺旋形槽GV形成在自立 型电气绝缘线圈架层FL1的外表面内，以将导电线W保持成所要求的螺旋形型式，在螺旋形匝之间有要求的间距。如图5中最清楚地所示，所示槽GV具有半球形形状，其大小适于接纳导电线W（该实施例中的导电线W假定具有圆形截面）。尽管槽GV详细地示出且仅对第一自立型电气绝缘线圈架层FL1标出，但应理解到，在所示实施例中，七个自立型电气绝缘线圈架层FL1、FL2、FL3、FL4、FL4、FL5、FL6、FL7中的每个都包括如此的螺旋形槽，用来形成螺旋形缠绕的导电线W的螺旋形型式。 
导电线W相邻螺旋匝之间的螺旋节距或间距确保在多层电气线圈的一层内的相邻匝之间不会发生电火花或短路。另一方面，嵌套体N7L确保存在着设置在多层电气线圈的任何两个相邻层之间的自立型电气绝缘线圈架层。插入的自立型电气绝缘线圈架层为对避免电火花或短路有效的材料和厚度（考虑到由于螺旋形槽GV所引起的任何厚度减小）。还有，最小厚度和材料根据层之间的电压可容易地确定（例如，可按照V/NL估计，这里，L是多层电气线圈的层数，例如，对于所示的嵌套体NL，L＝7，而V是横跨线圈施加的电压），并还根据所知道的包括插入的自立型电气绝缘线圈架层的材料的击穿电压特征，以及自立型电气绝缘线圈架层的厚度予以确定。一般地，电压是一个设计参数，在设计早期，根据所要产生的磁场强度和所施加的电压规格来选择层数，然后，估计对避免电火花或短路的发生有效的自立型电气绝缘线圈架层的最小厚度。任何大于对避免电火花或短路发生有效的最小厚度的厚度也都是合适的。 
如已经指出的那样，在估计最小厚度时，应考虑由于螺旋形槽GV引起的任何厚度减小。然而，在这样做时，应构想在相邻的自立型电气绝缘线圈架层上设置槽，以提供某些附加的“侧向”间距来帮助防止层间的电火花或短路。例如，通过偏离相邻层的螺旋形型式达一个半螺旋形节距，就可达到附加的最靠近的相邻空间分离。 
最外的自立型电气绝缘线圈架层、即所示七层嵌套体N7L中的第七个自立型电气绝缘线圈架层FL7具有缠绕在其外面上的导电线以形成多层电气线圈的最外层。该最外的线圈层具有仅一个相邻线圈层，即，缠绕在下一个向内的自立型电气绝缘线圈架层FL6外面上的第六线圈层。因此，在最外线圈层外 面无需有电气绝缘层来防止向外的与更外相邻的线圈层的电火花放电或短路（由于它不存在）。然而，根据应用场合，可能不理想地使最外的线圈层暴露，因为它可接触某些其它的部件并因此形成电气的危险。为了防止如此事件发生，在所示实例中（见图2和3），将加帽的自立型电气绝缘线圈架层CL设置在多个嵌套自立型电气绝缘线圈架层周围，即，围绕嵌套体N7L。该加帽层CL的目的是防止与最外线圈层接触。 
应该指出的是，这里所用的术语“螺旋形节距”并不要求螺旋形型式在整个螺旋形型式上有均匀的螺旋形节距。在某些电磁铁设计中，可能有利的是在某些区域内使用较小的节距，以增大局部电场，和/或在某些区域内使用较大的节距，以减小局部电场，如此的变化都可被考虑。类似的考虑可导致一种设计，其中，自立型电气绝缘线圈架层具有可变厚度。在如此情形中，“局部”螺旋形节距和“局部”厚度应在任何地方足以防止最靠近的相邻（层内和层间）螺旋匝之间发生电火花或短路。 
如已经指出的，每个自立型电气绝缘线圈架层应具有不会在自身重量作用下坍塌的机械特性，并能够在将导电线缠绕在其外面的周围上时仍保持其形状。还如已经指出的那样，每个自立型电气绝缘线圈架层还应具有介电特性（结合足够的厚度），以针对所关注的通电范围（例如，如最大施加电压所规定的）防止横跨多层电气线圈层间发生电火花或短路。还有，每个自立型电气绝缘线圈架层应电气绝缘，这意味着对于所关注的通电范围，导电率足够低，通过线圈架层的电导可忽略（例如，如横跨线圈架层可接受的“泄漏电流”所定义的，在某些实施例中，该电流可低于可测得的限值）。材料的其它限制在于，自立型电气绝缘线圈架层的材料应足够耐热，以避免在运行温度（举例来说，在某些核反应堆应用场合中该温度可至少为300℃，并在某些核反应堆应用场合中可至少为350℃）下出现成问题的劣化。对于合适的陶瓷、金属或其它所选择的材料来说，缠绕的圈架层暴露在远高于500℃的温度下运行。 
基于这些考虑，有许多材料可被认定为用作电气绝缘线圈架层是合适的。在某些实施例中，自立型电气绝缘线圈架层包括陶瓷材料。在某些实施例中，自立型电气绝缘线圈架层包括用氧化锆韧化过的氧化铝（ZTA）材料。具有所要求的机械、电气和耐热特性的许多其它材料也可被考虑。选择性的加帽自立型 电气绝缘线圈架层CL合适地由与电气绝缘线圈架层相同的材料制成，虽然它也可用不同的材料（但仍然是电气绝缘和耐热的）制成。如果用不同材料制成，则在某些此种实施例中加帽层CL不是自立型。 
导电线W在嵌套体N7L的自立型电气绝缘线圈架层FL1、FL2、FL3、FL4、FL4、FL5、FL6、FL7上缠绕型式是，导电线W以螺旋形型式缠绕在每个自立型电气绝缘线圈架层外面的周围，以形成螺旋形缠绕的导电线层，这样，从围绕嵌套体N7L的自立型电气绝缘线圈架层外面的螺旋形缠绕导电线层在多层电气线圈内的磁场作用是附加的。在某些实施例中，每个自立型电气绝缘线圈架层用分开的导电线缠绕，这样，例如在七层嵌套体N7L的情形中，有十四个终端引出线（每层两个），这些终端引出线可在外部互连和/或与电压源相连，以对每层施加所要求极性的电压，从而附加地组合多层电气线圈内所产生的磁场。然而，该方法具有带来大量外部连线和相随的外部部件这样的缺点。 
在所示实例中，导电线W包括缠绕在嵌套体N7L的所有七个自立型电气绝缘线圈架层FL1、FL2、FL3、FL4、FL4、FL5、FL6、FL7周围的单根导电线W。为了进行该工作，缠绕型式应满足附加的约束条件：一旦缠绕好一层，导电线就方便地延伸到嵌套体N7L的下一层上。 
参照图4并还参照图7和8（分别示出第二和第三线圈架层FL2、FL3的立体图）来描述将单根导电线W缠绕在嵌套体N7L的多个线圈架层上的合适的连续缠绕方法，在多层线圈内产生附加组合的磁场作用。该缠绕参照缠绕“点”A、B、C、D、E、F、G、H、I、J进行描述，它们用虚线箭头示意地指明在图4、7和8中。图4中所示的缠绕点A、B示出对第一自立型电气绝缘线圈架层FL1的合适的缠绕。以螺旋形型式从第一端到相对的第二端（即，沿图4中箭头所示的方向H+）缠绕嵌套体N7L的第一自立型电气绝缘线圈架层FL1外面，即可合适地完成该缠绕。缠绕点A是线圈架层FL1缠绕过程中的点，而缠绕点B是第一线圈架层FL1完全缠绕时的点。 
图6示出完全缠绕的第一线圈架层FL1。在缠绕过程的该点时，有一悬置端E1和一切实走向导电线线轴（未示出）的“端”E2，导电线W从该线轴退绕。还应指出的是，尽管这里的描述是借助于缠绕在外观上静止的线圈架层FL1周围的导电线W，但在某些实施例中，缠绕可通过转动线圈架层FL1而 同时保持线轴固定来进行。 
特别地参照图7，导电线缠绕继续到下一（在该实例中是第二个）自立型电气绝缘线圈架层FL2。缠绕继续到嵌套体N7L的相邻自立型电气绝缘线圈架层FL2的第二端上，并以螺旋形型式从第二端到第一端、即沿图7中箭头所示的方向H-而缠绕在相邻的自立型电气绝缘线圈架层FL2外面上，该方向H-与第一线圈架层FL1的缠绕的方向H+相反（比较图4）。对第二线圈架层FL2的缠绕示意性地由缠绕点C、D显示在图7中，其示出从缠绕第一线圈架层FL1过渡到缠绕第二线圈架层FL2，点E表示沿方向H-对线圈架层FL2的缠绕，以及“端”点F是第二线圈架层FL2完全缠绕好的点。注意到，在该点F，导电线端部（其又切实地继续到导电线W被馈送出的所示导电线线轴）回到嵌套体的第一端处。 
特别地参照图8，对导电线的缠绕继续到下一（在该实例中是第三个）自立型电气绝缘线圈架层FL3。缠绕继续到嵌套体N7L的相邻自立型电气绝缘线圈架层FL3的第一端上，并以螺旋形型式从第一端到第二端、即沿图7中箭头所示的方向H+而缠绕在相邻的自立型电气绝缘线圈架层FL3外面上，方向H+与前面的（即第二个）线圈架层FL2的缠绕方向H-相反（比较图7和8）。对第三线圈架层FL3的缠绕图示地由缠绕点G、H显示在图8中，示出从缠绕第二线圈架层FL2过渡到缠绕第三线圈架层FL3，点I表示对线圈架层FL3沿方向H+的缠绕，而“端”点J是第三线圈架层FL3完全缠绕好的点。 
该缠绕过程在每个相继的线圈架层上继续，直到嵌套体N7L的所有七个线圈架层FL1、FL2、FL3、FL4、FL4、FL5、FL6、FL7都被单根导电线W缠绕为止。 
参照图9，在缠绕过程中还进行该嵌套过程。因此，在操作Op1中，如参照图4和6所述地缠绕第一线圈架层FL1。一旦该第一缠绕操作Op1完成，则在操作Op2中，则将第一线圈架层FL1（包括缠绕的导电线）嵌套在下一（即第二个）线圈架层FL2内。然后，在操作Op3中对第二线圈架层FL2（带有嵌套在其中的第一线圈架层FL1）如参照图7所述地缠绕。一旦该第二缠绕操作Op3完成，则在操作Op4中，将第二线圈架层FL2（包括缠绕的导电线，以及嵌套在其中的第一线圈架层FL1）嵌套在下一（即，第三个）线圈架层 FL3内。然后，在操作Op5中对第三线圈架层FL2（带有嵌套在其内的第一和第二线圈架层FL1、FL2）如参照图8所述地缠绕。重复该嵌套和缠绕操作，直到嵌套体N7L的所有七个线圈架层FL1、FL2、FL3、FL4、FL4、FL5、FL6、FL7都被单根导电线W缠绕为止。 
在嵌套操作中，例如，所示的图9中的操作Op2、Op4，可使用各种方法将内部自立型电气绝缘线圈架层定位和固定到下一个外面的自立型电气绝缘线圈架层内（例如，在操作Op2中，固定嵌套在线圈架层FL2内的线圈架层FL1；在操作Op4中，固定嵌套在线圈架层FL3内的线圈架层FL2；等等）。在某些实施例中，装配是足够接近以压紧固定。选择性地，围绕内部线圈架层而缠绕的导电线用作压紧的“O形环”型连接，以辅助该压紧的配装。在其它实施例（未示出）中，线圈架层包括诸如匹配狭槽和突出部之类的匹配元件，以将内部线圈架层定位和/或固定在下一外面的线圈架层内。还可考虑粘结剂；然而，如果制成的电磁铁要在高温或其它极端条件下操作，则粘结剂必须要在高温或其它极端条件下保持可操作。还可考虑在缠绕/嵌套过程中使用框架或类似结构来支承嵌套体，然后使用诸如夹具或类似的外部元件将最后嵌套的组件一起固定在最后的电磁铁内。 
导电线的缠绕在线圈架层之间过渡时，如从缠绕操作Op1的结束进到下一缠绕操作Op3的开始，或如从缠绕操作Op3的结束进到下一缠绕操作Op5的开始，等等，每个如此的过渡会“向外”移动导电线来匹配嵌套体中下一线圈架层略微变大的直径。可选择地，每个线圈架层（最后线圈架层FL7除外）包括在“出口”处（即，在第一线圈架层FL1的情形中靠近缠绕点B；在第二线圈架层FL2的情形中靠近缠绕点F；在第三线圈架层FL3的情形中靠近缠绕点J；等）将导电线向外偏置的斜坡结构。同样地，每个线圈架层（第一线圈架层FL1除外）可选择地包括在“入口”处（即，在第二线圈架层F L1的情形中靠近缠绕点C；在第三线圈架层FL3的情形中靠近缠绕点G；等）的狭槽或其它的结构，其便于将导电线接纳到线圈架层上以开始对该线圈架层的缠绕。 
参照图10和11，参照图4和6-9所述的单根导电线缠绕过程的最后结果是自立型电气绝缘线圈架层的多层嵌套体，导电线缠绕在线圈架层周围。通过图 示的变体嵌套体N8L，图10示出线圈架层数量是一个设计参数，该嵌套体N8L包括七个自立型电气绝缘线圈架层FL1、FL2、FL3、FL4、FL4、FL5、FL6、FL7，并还包括第八个自立型电气绝缘线圈架层FL8，它是被加帽层CL加帽的电气绝缘线圈架层。最后的电磁铁包括第一端E2’，该第一端E2’对应于缠绕最外的自立型电气绝缘线圈架层FL8并从供应导电线线轴（未示出）剪断导电线之后的最后端导电线。尽管借助于说明性实例示出了有七个或八个线圈架层的实例，但应该理解到，层数是设计参数，可以考虑的数值小到L＝1（单层，带有或不带有加帽层）或L＝2（两层，可选择地带有附加的加帽层）。同样地，对于每层（可在层间变化）和对于整体的电磁铁来说，每层的绕组数是设计参数。 
所生成的电磁铁包括由设置在线圈架层上的线圈层形成的多层电气线圈。当通电时，该多层电气线圈在多层电气线圈内产生磁场。所示的线圈架层具有内腔或开口，其能使电磁铁成为气芯磁铁（或者，如果设置在水基的一次冷却剂14中的话，则为“水芯”磁铁）。如图10和11所示，该内腔或开口可选择地用铁磁性元件M填充，铁磁性元件M显著地增强所产生的磁场。可选择地，可在缠绕完成之后插入铁磁性元件M，相比之下，电磁铁通常是直接在铁磁体芯周围缠绕绕组而形成。由于线圈架层的陶瓷或其它电气绝缘材料的密度通常显著地小于铁、钢或其它铁磁体材料，所以，在使用固定导电线源线轴的制造实施例中，这在缠绕过程中可有利地相对于线轴转动显著较轻重量的元件。 
所披露的电磁铁可用于任何需使用电磁铁的应用场合中，而且所披露的电磁铁可特别地应用在高温环境、化学腐蚀环境、放射性环境中，或传统导电线绝缘可能变劣和失效的其它环境中。在某些实施例中，电磁铁包括铜或银（裸线）、氧化锆韧化的氧化铝（ZTA），或用于自立型电气绝缘线圈架层的其它陶瓷材料，以及可选择地，钢或其它用于内芯的合适铁磁体材料。这些金属和包括ZTA的许多陶瓷都能高度耐受高温、腐蚀性化学品、放射性以及其它极端的环境条件。因此，所披露的电磁铁耐用于诸如图1所示核反应堆的压力容器内的极端环境内。一般地，所披露的电磁铁可用于使用电磁铁的任何应用场合中，例如，用于电磁开关或其它基于螺线管的装置、电动机或包括电动机的 任何装置等。 
参照图12-14，图中示出说明性的多极电动机定子ST，其中，每个定子磁极由电磁铁EM实现，该电磁铁EM包括如文中所披露的用导电线缠绕的多个自立型电气绝缘线圈架层的嵌套体。所示多极电动机定子ST包括九个定子磁极；然而，一般地，可类似地构造具有任何数量定子磁极的电动机定子。 
继续参照图12-14，所示多极电动机定子ST包括铁磁体轭Y。在图13的剖视立体图中示出的变体实施例中，该轭Y包括设置在电磁铁EM的电气线圈内的一体铁磁性元件M。在图14端视图中示出的变体实施例中，设置在电磁铁EM的电气线圈内的铁磁性元件M’包括安装在铁磁性轭Y的匹配狭槽上的燕尾形配件。从制造的观点看，图14的后一种设计可以是方便的，因为制造可分为三部分：（1）缠绕和嵌套自立型电气绝缘线圈架层，以形成电气线圈；（2）将铁磁性元件M’插入相应的电气线圈内而形成个别的铁磁体芯基的电磁铁；以及（3）使用燕尾形安装配件将个别的铁磁体芯基的电磁铁安装在轭上。 
如图12-14所示，形成电磁铁EM的线圈架层的嵌套体具有楔形，楔形能使九个电磁铁EM紧密配装在一起而形成九极定子ST的圆周布置。再观看图3、10和11，可以看到，通过沿着连续地越来越向外的线圈架层FL1、FL2、FL3、FL4、FL4、FL5、FL6、FL7和（可供选择地）FL8的H+（或相当地H-）方向逐渐地减小高度，就可合适地达到该楔形。以类似的方式，使用合适成形的自立型电气绝缘线圈架层可达到其它的电磁铁几何形。例如，使用圆柱形的线圈架层可形成细长的圆柱形螺线管。 
参照图15和16，所示的多极定子ST可用于各种使用电动机的装置内。举例来说，图15示出图1核反应堆的CRDM20的合适实施例，而图16示出图1核反应堆的冷却剂泵26的合适实施例。如文中已经描述的，装置20、26浸没在一次冷却剂14中，在某些实施例中，与一次冷却剂14一起运行在至少300℃高的运行温度下，在某些实施例中至少为350℃。 
特别地参照图15，在图示的CRDM20中，定子ST安装在可转动和平移的固定位置中，并转动通过螺纹连接而与导螺杆72相连的转子70。通过合适的机械止挡件（未示出）来阻止导螺杆72转动，但可沿平移方向74向上/向下平移。组 合效应在于，当多极定子ST与转子70相互作用而使转子转动时，转子致使导螺杆72沿着平移方向74向上或向下平移。通过沿一个方向（例如，顺时针方向）转动转子70，可实现导螺杆72的向下运动，而通过沿相反方向（例如，逆时针方向）转动转子70，可实现导螺杆72的向上运动。控制棒76（图15中用虚线显示）含有吸收中子的材料。控制棒76通过直接或间接偶联件78（图15中示意地示出）与导螺杆72连接。在某些实施例中，直接或间接的偶联件78是通过蛛网结构或其它偶联元件或组件实施的，偶联元件能使多个控制棒连接到同一导螺杆72。这样，包括定子ST和转子70的电动机的运行驱动控制棒76向上（即移出反应堆堆芯10）或向下（即移入反应堆堆芯10）。 
包括定子ST和转子70的电动机大致上可为任何类型的电动机，诸如凸极电动机、恒磁无刷DC电动机等。特定电动机的使用取决于定子电磁铁的数量和布置以及转子类型。对于灰棒控制来说，其中，控制棒76插入反应堆堆芯10内的插入量要求可连续地（或准连续地）调节，包括定子ST和转子70的电动机合适地作为步进电动机来运行，以使控制棒76沿着平移方向74精确地定位。尽管未予示出，但应该指出的是，在某些类型的电动机中，转子包括如文中所披露的由多层电气线圈实现的电磁铁，多层电气线圈由自立型电气绝缘线圈架层嵌套体所支承。 
控制棒系统可包括各种尚未示出的修改。例如，在某些实施例中，导螺杆72和转子70之间的螺纹连接是可分开的球-螺母形式，其可分开而允许包括导螺杆72、偶联件78（例如，蛛网结构）和控制棒76的组件在重力作用下快速地朝向反应堆堆芯10下落。在冷却剂丧失事故（LOCA）或其它要求堆芯10的反应性快速熄灭的紧急事件中，如此的快速释放是有利的。 
特别地参照图16，在所示的冷却剂泵26中，定子ST安装在可转动和平移的固定位置中，并转动转子80。叶轮82与转子80连接，使得叶轮82随转子80转动而驱动一次冷却剂流14F（在图16中用虚线绘出的大箭头示意地示出）。对于定位在图1所示反应堆实例中示出的外环腔内的冷却剂泵26，由冷却剂泵26驱动（或辅助）的该向下的冷却剂流14F促使一次冷却剂在如参照图1在其它地方所描述的压力容器12内理想地循环。对于图16的泵的应用场合，包括定子ST和转子80的电动机通常是连续运行的电动机，电动机在连续转速下 驱动叶轮82，该连续转速被选择成产生所要求大小的一次冷却剂流14F。 
优选实施例已经图示和描述了。显然，其它技术人员阅读和理解上面详细描述后将会想出各种修改和改变。本发明应被认为包括如此的修改和改变，只要它们落入附后权利要求书和其等价物的范围之内。 

Claims (38)

1.一种装置包括：
电磁铁，该电磁铁包括：
多个嵌套的自立型电气绝缘线圈架层，以及
缠绕在自立型电气绝缘线圈架层外面以形成多层的电气线圈的导电线，其中，通过插入自立型电气绝缘线圈架层，使多层电气线圈的相邻层间距开；
其中，对多层电气线圈的通电在多层电气线圈内产生磁场。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
设置在多层电气线圈内的铁磁体芯。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，铁磁体芯形成支承电磁铁的支承，该电磁铁包括多个嵌套的自立型电气绝缘线圈架层和导电线。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，导电线是不具有电气绝缘性的裸露导电线。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，导电线是不具有电气绝缘性的裸铜线。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，导电线是不具有电气绝缘性的裸银线。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，导电线以螺旋形型式缠绕在每个自立型电气绝缘线圈架层的外面，螺旋形型式具有如下螺距：在所关注的线圈通电范围内该螺距对于避免在横跨相邻的螺旋匝上发生电火花或短路有效。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，导电线缠绕在每个自立型电气绝缘线圈架层外面，以形成螺旋形型式的螺旋形缠绕导线层，该螺旋形型式定向成从围绕嵌套的自立型电气绝缘线圈架层外面所缠绕的螺旋形导线层对多层电气线圈内的磁场作用是附加的。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，围绕每个自立型电气绝缘线圈架层外面螺旋形缠绕的导电线层是以螺旋形轴线方向缠绕的，该螺旋形轴线方向与嵌套体的一个或两个相邻自立型电气绝缘线圈架层的螺旋形缠绕导电线层的螺旋形轴线方向相反。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每个自立型电气绝缘线圈架层包括围绕电气绝缘线圈架层外面形成的螺旋形槽，且导电线以螺旋形型式缠绕在自立型电气绝缘线圈架层外面，具有间距开的螺旋匝并被螺旋形槽固定住。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
导电线是没有电气绝缘的裸露导电线；以及
每个自立型电气绝缘线圈架层包括围绕电气绝缘线圈架层外面形成的螺旋形槽，该螺旋形槽固定以螺旋形型式缠绕在自立型电气绝缘线圈架层外面的裸露导电线，该螺旋形型式包括裸露导电线的间距开的螺旋匝。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
每个自立型电气绝缘线圈架层包括围绕电气绝缘线圈架层外面形成的螺旋形槽，该螺旋形槽固定以螺旋形型式缠绕在自立型电气绝缘线圈架层外面的裸露导电线，该螺旋形型式包括裸露导电线的间距开的螺旋匝；以及
导电线包括单根导电线，该单根导电线：
以螺旋形型式从第一端到相对的第二端而缠绕在嵌套的第一自立型电气绝缘线圈架层的外面上，
继续缠绕在嵌套体的相邻自立型电气绝缘线圈架层的第二端上，以及
以螺旋形型式从第二端到第一端而缠绕在相邻的自立型电气绝缘线圈架层的外面上。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，自立型电气绝缘线圈架层包括陶瓷材料。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，自立型电气绝缘线圈架层包括用氧化锆韧化过的氧化铝（ZTA）材料。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，电磁铁还包括：
围绕多个嵌套的自立型电气绝缘线圈架层设置的加帽的自立型电气绝缘线圈架层。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
包括转子和定子的电动机；
其中，所述电磁铁形成定子的磁极。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，电动机的定子是包括多个所述电磁铁的多极定子。
18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，电动机的定子是多极定子，该多极定子包括多个所述电磁铁并还包括铁磁性轭，该铁磁性轭包括对应于多个电磁铁的多个铁磁体磁极，使每个铁磁体磁极设置在对应电磁铁的多层电气线圈内，以形成多极定子的定子磁极。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，铁磁体轭形成多极定子的支承框架，电磁铁安装在铁磁体轭的对应铁磁体极上。
20.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括：
包括所述电动机和导螺杆的控制棒驱动机构（CRDM），电动机与导螺杆可操作地连接，以线性地驱动导螺杆，由此，与导螺杆连接的含有中子毒物的控制棒被线性地驱动进入核反应堆堆芯内或从核反应堆堆芯中驱动出来。
21.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括：
包括所述电动机的流体泵，电动机可操作地连接有叶轮。
22.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括：
包括压力容器的核反应堆，压力容器含有一次冷却剂和设置在压力容器内的核反应堆堆芯，核反应堆的运行使一次冷却剂保持在至少300℃的温度；以及
浸没在一次冷却剂中的控制棒驱动机构（CRDM），包括所述电动机的CRDM可操作地与含有中子毒物的控制棒相连接，以将控制棒线性地驱动进入核反应堆堆芯内或从核反应堆堆芯中驱动出来。
23.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括：
包括压力容器的核反应堆，压力容器含有一次冷却剂和设置在压力容器内的核反应堆堆芯，核反应堆运行使一次冷却剂保持在至少300℃的温度；以及
包括所述电动机的冷却剂泵，电动机与叶轮可操作地连接，冷却剂泵浸没在一次冷却剂中，并布置成循环压力容器内的一次冷却剂或辅助压力容器内的一次冷却剂的自然循环。
24.一种装置包括：
电磁铁，该电磁铁包括：
多个嵌套的自立型电气绝缘线圈架层，以及
多层的电气线圈，电气线圈包括多个间距开的导电螺旋形绕组层，其中，每个间距开的导电螺旋形绕组层由嵌套体中的自立型电气绝缘线圈架层之一支承，
其中，对多层电气线圈的通电在多层电气线圈内产生磁场。
25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，每个自立型电气绝缘线圈架层包括形成在自立型电气绝缘线圈架层外表面上的槽，槽形成了由自立型电气绝缘线圈架层支承的螺旋形绕组层的路径。
26.如权利要求24所述的装置，其特征在于，电磁铁还包括：
设置在多层电气线圈内的铁磁体芯。
27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，还包括：
电动机，电动机包括转子和由所述电磁铁形成的定子。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，还包括：
核反应堆，核反应堆包括压力容器，压力容器含有一次冷却剂和设置在压力容器内的核反应堆堆芯，核反应堆堆芯的运行使一次冷却剂保持在至少300℃的温度下；以及
至少一个机电部件，该机电部件浸没在一次冷却剂中并包括所述电动机。
29.如权利要求28所述的装置，其特征在于，至少一个机电部件包括一次冷却剂泵。
30.如权利要求28所述的装置，其特征在于，至少一个机电部件包括控制棒驱动机构（CRDM）。
31.一种方法包括：
（1）将导电线螺旋地缠绕在第一自立型电气绝缘线圈架层周围，使螺旋缠绕的螺旋匝彼此间距开以形成第一电气线圈层；
（2）将第一电气线圈层嵌套在下一个自立型电气绝缘线圈架层内以形成嵌套体；
（3）将导电线螺旋地缠绕在嵌套体的下一个自立型电气绝缘线圈架层周围，使螺旋缠绕的螺旋匝彼此间距开以形成下一个电气线圈层，
其中，由包括至少操作（1）、（2）和（3）的过程形成包括至少两层电气线圈层的多层电气线圈。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，多层电气线圈由包括至少操作（1）、（2）和（3）并还包括对操作（2）和（3）中至少一个重复操作以形成包括至少三层电气线圈层的多层电气线圈的过程来形成。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，多层电气线圈由包括至少操作（1）、（2）和（3）并还包括操作（2）和（3）中多个重复操作以有效形成包括至少七层电气线圈层的多层电气线圈的过程来形成。
34.如权利要求32所述的方法，其特征在于，还包括：
在形成多层电气线圈之后，将铁磁体芯设置在所形成的多层电气线圈内以形成电磁铁。
35.如权利要求32所述的方法，其特征在于，还包括：
将电磁铁设置在核反应堆的压力容器内；
运行该核反应堆以在压力容器内产生至少300C的温度；以及
操作压力容器内的电磁铁，此时压力容器内温度至少为300C。
36.如权利要求32所述的方法，其特征在于，还包括：
在具有至少500C温度的环境中操作电磁铁。
37.如权利要求32所述的方法，其特征在于，缠绕操作使用相同的导电线，每一个的下一缠绕操作在前一缠绕操作完成时开始，其中，执行缠绕操作来形成具有相同电感知的电气线圈层，从而在多层电气线圈通电时，电气线圈层附加地贡献于多层电气线圈内的磁场。
38.如权利要求31所述的方法，其特征在于，
第一缠绕操作（1）从第一自立型电气绝缘线圈架层的第一端进行到第一自立型电气绝缘线圈架层的相对的第二端；以及
第二缠绕操作（2）继续使用与第一缠绕操作（1）所用相同的导电线，并从第二端进行到第一端。
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