CN102956274B - 混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于控制棒驱动机构技术领域，具体涉及一种混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构。该机构的耐压壳由导磁材料与非导磁材料交替排列构成；动子组件包括驱动杆和动子，动子为厚壁钢管，其周向车有环形槽，驱动杆一端连接动子，另一端连接控制棒组件；定子组件包括永磁体、磁轭和线圈，其中磁轭为环形结构，其内侧开有横断面为矩形的环形槽，环形槽内设置有线圈，若干个磁轭和永磁体交替排列，且磁轭两端的永磁体极性相反；磁致伸缩棒位探测器安装在耐压壳的底部，动子组件设置在耐压壳的内部，定子组件套装并固定在耐压壳的外部，耐压壳的内腔与反应堆压力容器相通。本发明将电脉冲信号直接转换成直线运动，不需要任何中间转换装置。

Description

混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构
技术领域
本发明属于反应堆结构中的控制棒驱动机构技术领域，具体涉及一种混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构。
背景技术
控制棒驱动机构(CRDM)具有按照指令带动控制棒组件在堆芯内上、下运动，保持在指定高度或断电落棒，完成调节反应堆反应性的功能。电磁原理的控制棒驱动机构在国内外舰船压水型核动力反应堆、核电站反应堆及试验研究反应堆上已经得到广泛应用，主要有两种类型：磁阻马达-分裂转子导向丝杠型控制棒驱动机构和步进式磁力提升型控制棒驱动机构。
磁阻马达-分裂转子导向丝杠型控制棒驱动机构由分裂转子、丝杠、加速弹簧、耐压壳、位置指示器及定子等零部件组成，它安装在反应堆压力容器顶盖上，丝杠与控制棒组件连接。当定子通电时，定子电磁场将分裂转子上段转子拉开，使下段框架合拢，带动滚轮与丝杠啮合。若定子电流频率＞0，定子旋转磁场带动分裂转子转动，分裂转子托动丝杠(控制棒组件)上、下运动；若定子电流频率＝0，定子磁场保持分裂转子静止不动，使丝杠(控制棒组件)保持在指定高度。若断电，定子磁场消失，分裂转子上段合拢，下段框架打开，丝杠(控制棒组件)脱离滚轮啮合后在重力和加速弹簧力作用下快速落棒。
步进式磁力提升型控制棒驱动机构由线圈组件、耐压壳、钩爪组件、驱动轴及位置指示器等零部件组成，钩爪组件支撑在耐压壳下部的内端面上，它与套在耐压壳外面的线圈组件的三个工作线圈相对应，构成磁回路。三个工作线圈中上部是提升线圈，中部为移动线圈，下部是保持线圈。当三个工作线圈按设计程序通直流电时，装在钩爪组件中的三对磁极和衔铁相应地被感应而吸合，带动两组钩爪与驱动轴部件的环形槽交替啮合，从而使驱动轴部件带动控制棒组件向上或向下步进移动；当三个工作线圈都断电时，控制棒靠重力下落而插入堆底。
上述两种类型驱动机构均需要中间转换装置，才能将电磁力转换成直线运动，内部结构复杂，制造成本高；单一采用导磁或非导磁材料的耐压壳结构，使机构中存在漏磁较大或有效气隙较长的问题，大幅降低了输出电磁力幅值；电磁力是分别通过分裂转子与丝杠啮合、钩爪与环形槽啮合进行传递的，机械传动效率较低、机械摩损大；传动部件间的机械接触，易磨损或导致卡棒现象发生，影响机构运行可靠性；单一的电流励磁型驱动机构以及差分变压式棒位探测器的采用，导致驱动机构的力/体积(即力密度)较低，在对驱动机构有小型化特殊要求堆型中的应用得到了限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构，以克服现有控制棒驱动机构存在的上述不足。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构，该机构包括磁致伸缩棒位探测器、耐压壳、动子组件和定子组件；所述耐压壳由导磁材料与非导磁材料交替排列构成；所述动子组件包括驱动杆和动子，其中动子为厚壁钢管，其周向车有环形槽，驱动杆一端连接动子，另一端连接控制棒组件；所述定子组件包括永磁体、磁轭和线圈，其构成定子，其中磁轭为环形结构，其内侧开有横断面为矩形的环形槽，环形槽内设置有线圈，若干个磁轭和永磁体交替排列，且磁轭两端的永磁体极性相反；所述磁致伸缩棒位探测器安装在耐压壳的底部，动子组件设置在耐压壳的内部，定子组件套装并固定在耐压壳的外部，耐压壳的内腔与反应堆压力容器相通。
所述的定子外面设置有机壳。
所述的机壳下部设置有电连接器。
所述的磁致伸缩棒位探测器包括移动磁块，该移动磁块安装在动子的端部。
所述的驱动杆通过可拆接头与控制棒组件连接。
所述的线圈的相数大于等于三。
所述的导磁材料牌号为0Cr13，所述的非导磁材料牌号为0Cr18Ni9。
所述的耐压壳上端通过螺栓安装在反应堆压力容器顶盖或底部的控制棒驱动机构贯穿件法兰上。
本发明所取得的有益效果为：
(1)本发明所述控制棒驱动机构将电脉冲信号直接转换成直线运动，不需要任何中间转换装置，因此大大简化了其内部结构，减小了振动和噪音，提高了传递效率，降低了其制造成本，减少了运动过程中的机械磨损，使驱动机构更加耐用，易于维护；
(2)导磁材料与非导磁材料交替排列的耐压壳结构，解决了单一采用导磁或非导磁材料的耐压壳结构时，磁路漏磁较大或有效气隙较长带来的输出电磁力幅值下降的问题，使得驱动机构的力能特性得以提高；
(3)驱动杆与动子凸极为整体式结构，在轴向电磁推力的作用下，一同上下动作，二者不存在机械传动关系，解决了常规驱动机构传动部件间的机械损耗问题，也使得驱动机构的机械传动效率得以提高；
(4)动子组件随磁场位置变化而产生直线运动，运行中传动部件间无机械接触，减小了卡棒现象发生的可能性，使其运行可靠性大幅提高；
(5)采用了混合励磁型式以及磁致伸缩棒位探测器，提高了驱动机构的力/体积(即力密度)，使其在对驱动机构有小型化特殊要求的堆型中呈现出明显优势。
附图说明
图1为本发明所述混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构结构图；
图2为本发明所述混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构的耐压壳结构图；
图3为本发明所述混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构的动子组件结构图；
图4为本发明所述混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构的定子组件结构图；
图中：1、磁致伸缩棒位探测器；2、耐压壳；3、动子组件；4、机壳；5、永磁体；6、磁轭；7、线圈；8、定子组件；9、驱动杆；10、控制棒驱动机构贯穿件法兰；11、电连接器；12、动子。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明所述混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构安装在反应堆压力容器顶盖或底部，如图1所示，该机构包括棒位探测器组件1、耐压壳2、动子组件3和定子组件8，其中耐压壳2上端通过螺栓安装在反应堆压力容器顶盖或底部的控制棒驱动机构贯穿件法兰10上，动子组件3设置在耐压壳2内部，定子组件8套装并固定在耐压壳2的外部；动子组件3与控制棒组件连接；耐压壳2内腔与反应堆压力容器相通，是反应堆压力容器边界的组成部分，起到支承驱动机构和屏蔽反应堆主冷却水作用；磁致伸缩棒位探测器1安装在耐压壳2的底部，用来探测控制棒组件的实际位置。
如图2所示，耐压壳2由导磁材料，如牌号为0Cr13与非导磁材料，如牌号为0Cr18Ni9交替排列构成，所述的牌号是即指材料型号。
如图3所示，动子组件3包括驱动杆9和动子12，其中动子12为厚壁钢管，其周向车有环形槽，动子12上面既无绕组也无永磁体；驱动杆9一端连接动子12，另一端通过可拆接头连接控制棒组件，磁致伸缩棒位探测器1的移动磁块安装在动子12的端部。
如图4所示，定子组件8包括机壳4、永磁体5、磁轭6、线圈7和电连接器11，其中永磁体5、磁轭6、线圈7构成定子，其中磁轭6为环形结构，其内侧开有横断面为矩形的环形槽，环形槽内设置有线圈7，线圈7的相数大于等于三，若干个磁轭6和永磁体5交替排列，且磁轭6两端的永磁体5极性相反；定子外面设置有机壳4，提供支撑和保护作用，电连接器11设置在机壳4下部；定子、动子16和耐压壳2构成混合式直线磁阻电机原理的驱动部件，该部件能在高温高压强辐照工况下正常运行，通过线圈7中的控制电流，即可平稳完成控制棒组件的上、下抽插以及挂棒和落棒动作，无需中间转换装置。
本控制棒驱动机构的运行原理为：当定子某相绕组通电时，该相励磁，并与永磁体建立的空间磁场进行矢量叠加，进而对该相绕组对应的动子内部的磁场产生加强或削弱的作用。根据对动子内部磁场的加强或削弱，将电流方向定义为正和负。正电流(负电流)与永磁体建立的磁场相互作用会产生使动子内部磁场有增大(减小)趋势的电磁拉力。按照一定的相序给各相绕组依次通电，则动子会向同一方向步进运动起来；相序相反，则动子会向相反方向步进运动。这样便实现了驱动机构的上插和下插功能。在运行过程中，当给某相通以直流电时，则动子会悬停在相应位置，进而实现挂棒动作。落棒原理与常规驱动机构相似，即当绕组断电时，动子会依靠自身重力下落到堆底。
本发明适用于各种压水反应堆，尤其适用于对驱动机构有小型化特殊要求的堆型中。

Claims (8)

1.一种混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构，其特征在于：该机构包括磁致伸缩棒位探测器(1)、耐压壳(2)、动子组件(3)和定子组件(8)；所述耐压壳(2)由导磁材料与非导磁材料交替排列构成；所述动子组件(3)包括驱动杆(9)和动子(12)，其中动子(12)为厚壁钢管，其周向车有环形槽，驱动杆(9)一端连接动子(12)，另一端连接控制棒组件；所述定子组件(8)包括永磁体(5)、磁轭(6)和线圈(7)，三者构成定子，其中磁轭(6)为环形结构，其内侧开有横断面为矩形的环形槽，环形槽内设置有线圈(7)，若干个磁轭(6)和永磁体(5)交替排列，且磁轭(6)两端的永磁体(5)极性相反；所述磁致伸缩棒位探测器(1)安装在耐压壳(2)的底部，动子组件(3)设置在耐压壳(2)的内部，定子组件(8)套装并固定在耐压壳(2)的外部，耐压壳(2)的内腔与反应堆压力容器相通。
2.根据权利要求1所述的混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述的定子外面设置有机壳(4)。
3.根据权利要求2所述的混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述的机壳(4)下部设置有电连接器(11)。
4.根据权利要求1所述的混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述的磁致伸缩棒位探测器(1)包括移动磁块，该移动磁块安装在动子(12)的端部。
5.根据权利要求1所述的混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述的驱动杆(9)通过可拆接头与控制棒组件连接。
6.根据权利要求1所述的混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述的线圈(7)的相数大于等于三。
7.根据权利要求1所述的混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述的导磁材料牌号为0Cr13，所述的非导磁材料牌号为0Cr18Ni9。
8.根据权利要求1所述的混合式直线磁阻电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述的耐压壳(2)上端通过螺栓安装在反应堆压力容器顶盖或底部的控制棒驱动机构贯穿件法兰(10)上。
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