CN110657172B - 用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器，其包括：圆筒形壳体；相对旋转地设置在圆筒形壳体内的主动轴；相对旋转地设置在圆筒形壳体内的从动轴，从动轴与主动轴同轴设置；与主动轴相对固定地设置的极盘；与从动轴在圆周方向上相对固定地设置的衔铁组件；以及用于产生磁场的线圈，该线圈设置在圆筒形壳体的外部。其中，极盘和衔铁组件能够在线圈的作用下传动地接合和分离，在极盘和衔铁组件上分别设置有使两者能够传动地接合的第一齿牙和第二齿牙。由于具有包括齿牙的极盘和衔铁部件，因此在极盘和衔铁部件吸合后，传递的扭转力矩不受水冷却剂的影响，正向和反向的传递精度均得以大大提高。

Description

用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器

技术领域

本发明涉及核反应堆工程技术领域，更具体地涉及一种用于对反应堆的控制棒进行控制的离合器。

背景技术

在核反应堆工程技术领域，离合器被用在反应堆控制棒驱动机构上，离合器的一侧与动力输出轴相连，用于接收来自驱动机构的驱动力，离合器的另一侧与控制棒组件的部分相连，用于将驱动机构的运动传递至控制棒组件。在核反应堆正常工作的情况下，驱动机构的输出轴和控制棒组件的部分相对静止，离合器吸合，驱动机构的输出轴转动，带动控制棒组件上升或下降，由此控制反应堆的反应速度。在紧急情况下，离合器快速脱开，由此快速释放控制棒组件，控制棒组件快速插入反应堆的堆芯，从而实现紧急停堆。

现有的用于驱动控制棒的驱动机构采用摩擦式电磁离合器，在干燥的高温气体环境中工作基本能满足设计和使用要求。随着反应堆工程技术的发展，带有离合器的控制棒驱动机构的使用范围越来越广，随之而来的是离合器的使用环境也会随之变化。越来越多的离合器需要工作在潮湿环境或水下环境中，而摩擦片式离合器在潮湿环境或水下环境中的摩擦系数将大大减小，因此不能满足传递大扭矩的工作要求。

现有技术中需要一种不仅能够在干燥的高温环境中工作，而且能够在潮湿的环境中或者在水中工作的离合器，以便适应不同工作环境对离合器的作业要求，从而克服现有技术中的摩擦式电磁离合器所存在的应用上的不足。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器，其包括：圆筒形壳体；相对旋转地设置在圆筒形壳体内的主动轴；相对旋转地设置在圆筒形壳体内的从动轴，从动轴与主动轴同轴设置；与主动轴相对固定地设置的极盘；与从动轴在圆周方向上相对固定地设置的衔铁组件；以及用于产生磁场的线圈，该线圈设置在圆筒形壳体的外部。其中，极盘和衔铁组件能够在线圈的作用下传动地接合和分离，在极盘和衔铁组件上分别设置有使两者能够传动地接合的第一齿牙和第二齿牙。

根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器的一个优选的实施例，在极盘与主动轴之间设置有隔磁环。

在根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器的另一个优选的实施例中，主动轴与从动轴套置在一起，并且在主动轴与从动轴之间设置有轴承。

根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器的再一个优选的实施例，在圆筒形壳体的靠近极盘的位置处设置有环绕圆筒形壳体的第一导磁环。

在根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器的又一个优选的实施例中，在圆筒形壳体的靠近衔铁组件的位置处设置有环绕圆筒形壳体的第二导磁环。

根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器的还一个优选的实施例，第一导磁环和第二导磁环嵌入在圆筒形壳体的侧壁内。

在根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器的另一个优选的实施例中，线圈在牙嵌式电磁离合器的轴向方向上与第一导磁环的至少一部分和第二导磁环的至少一部分重叠。

根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器的再一个优选的实施例，衔铁组件包括具有第二齿牙的衔铁部件、用于支承衔铁部件的衔铁支座以及用于使衔铁部件复位的复位部件。

在根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器的又一个优选的实施例中，复位部件包括固定地设置在衔铁部件的内壁上的传动部件、固定地设置在衔铁支座上并且滑动地穿过传动部件的至少一部分的螺钉以及设置在螺钉的帽部与传动部件之间的弹簧。

根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器的还一个优选的实施例，传动部件为中空的圆柱体结构，在圆柱体机构中设置有朝向中空部分开口的U形槽，在U形槽的底壁上设置有通孔，螺钉穿过通孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果中的至少一个：

(1)根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器的带有齿牙的极盘和带有齿牙的衔铁部件吸合后，传递的扭转力矩不受水冷却剂的影响，正反向传递精度均大大提高。

(2)主动轴和从动轴通过轴承同轴地设置，使得极盘与衔铁部件也能够通过轴承同轴地设置在同一旋转轴线上，由此保证了极盘与衔铁部件之间的同轴度，从而确保了两者吸合力大小的稳定性。

(3)根据本发明的牙嵌式电磁离合器设置了圆筒形壳体，由此隔离了水冷却剂与线圈，使线圈设置在圆筒形壳体的外部，不会与冷却剂发生接触，因此无需对线圈进行防水设计。同时，如果牙嵌式电磁离合器被整体上放置在冷却剂中使用时，线圈的磁轭与圆筒形壳体形成的密封空间能够达到防水的效果，其结构简单且易于实施。

(4)在圆筒形壳体的侧壁上开设凹槽以加装导磁环，从而增大了通过圆筒形壳体的磁通量，这将有利于位于外部的通电线圈所产生的磁力线穿过圆筒形壳体而形成磁力线回路，由此增大了极盘与衔铁部件之间的吸合力。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为根据本发明示例性实施例的处于分离状态的牙嵌式电磁离合器的剖视图。

图2为根据本发明示例性实施例的处于接合状态的牙嵌式电磁离合器的剖视图。

图3为根据本发明的示例性实施例的牙嵌式电磁离合器的传动部件的立体视图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器10包括圆筒形壳体12、相对旋转地设置在圆筒形壳体12内的主动轴14、相对旋转地设置在圆筒形壳体12内的从动轴16、与主动轴14相对固定地设置的极盘18、与从动轴16在圆周方向上相对固定地设置的衔铁组件20以及用于产生磁场的线圈22，从动轴16与主动轴14同轴地设置，由此在牙嵌式电磁离合器10接合时使从动轴16和主动轴14同轴地转动，并因此确保了极盘18和衔铁组件20的同轴度，以使传动更加平稳和精确。进一步地，极盘18和衔铁组件20能够在线圈22的作用下传动地接合和分离，在极盘18和衔铁组件20上设置有使两者能够传动地接合的齿牙。在此，可以在极盘18上设置第一齿牙182，比如可以为正梯形齿牙，同样地，可以在衔铁组件20上设置与极盘18上的第一齿牙182相匹配的第二齿牙201，比如也为正梯形齿牙，以使两者配合时能够传递作用力，从而传递运动。正梯形齿牙能够保证第一齿牙182和第二齿牙201的顺畅接合和脱开，从而确保离合器的顺利接合和分离。当然，极盘18上的第一齿牙182和衔铁组件20上的第二齿牙201可以采用其他形状，比如为三角形、半圆形、弧形、长方形等等，只要第一齿牙182和第二齿牙201能够彼此接合并能够传递作用力即可。在此，极盘18由导磁性良好的材料制成。

通过为牙嵌式电磁离合器10设置圆筒形壳体12，可以作为反应堆的水冷却剂的边界，为水冷却剂和线圈22提供了隔离作用，圆筒形壳体12的内部的零部件位于反应堆的内部，线圈22设置在圆筒形壳体12的外部，不会与冷却剂发生接触，因此无需对线圈22进行防水设计。同时，如果将牙嵌式电磁离合器10整体上放置在冷却剂中使用时，则线圈22的磁轭222(下文中将作详细说明)与圆筒形壳体12形成密封空间，能达到防水的效果，结构简单且易于实施。

此外，通过牙嵌式动力传递结构可以实现离合器的大扭矩传递，并且能够适应更加复杂的作业环境，比如这种牙嵌式电磁离合器能够在潮湿的环境中工作，也能够在水下环境中操作，并且能够保证传递较大的扭矩，由此避免了摩擦式离合器在潮湿环境或水下环境中的缺点和不足。

在极盘18与主动轴14之间设置有隔磁环142，以防磁路短路。隔磁环142包覆在主动轴14的外周上，同时，极盘18包覆在隔磁环142的外周上，由此使得由线圈22产生的磁场通过极盘18形成回路而不会分散至主动轴14，以便保证极盘18与衔铁组件20之间具有足够大的吸力，确保线圈22通电时极盘18与衔铁组件20能够有力地吸合在一起，由此使得极盘18上的第一齿牙182与衔铁组件20上的第二齿牙201能够嵌合在一起，为主动轴14与从动轴16之间的动力传递提供保证。

根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器10的主动轴14与从动轴16套置在一起，并且在主动轴14与从动轴16之间设置有轴承162，以使两者能够相对于彼此自由转动。通过将主动轴14与从动轴16套置在一起确保了两者之间的同轴度，由此保证两者之间传动的准确度和可靠性。在此，可以将主动轴14的端部设置成筒状结构，比如其可以具有用于容纳从动轴16的端部的空腔，在空腔内设置轴承162，使得轴承162的外圈固定在形成空腔的内壁上，轴承162的内圈过盈配合在从动轴16的外周上，由此在牙嵌式电磁离合器10的分离状态下使得主动轴14和从动轴16能够自由地相对旋转，同时限制主动轴14与从动轴16之间的轴向运动。

进一步地，为了增强线圈22产生的磁场对于圆筒形壳体12的穿透能力，可以在圆筒形壳体12的靠近极盘18的位置处设置有环绕圆筒形壳体12的第一导磁环122，由此可以使得由线圈22产生的磁场更加容易地穿透圆筒形壳体12，并通过极盘18形成闭合回路。这样，可以通过第一导磁环122尽可能地减小磁场穿过圆筒形壳体12时的能量损失。

类似地，在根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器10的圆筒形壳体12的靠近衔铁组件20的位置处设置有环绕圆筒形壳体12的第二导磁环124，由此可以使得由线圈22产生的磁场更加容易地穿透圆筒形壳体12，并通过衔铁组件20的衔铁部件202形成闭合回路。这样，可以通过第二导磁环124尽可能地减小磁场在穿过圆筒形壳体12和衔铁部件202时的能量损失。衔铁部件202由导磁性良好的材料制成。

在此，第一导磁环122和第二导磁环124嵌入在圆筒形壳体12的侧壁内。当然，在满足设计要求的情况下，第一导磁环122和第二导磁环124可以包覆在圆筒形壳体12的外壁面和内壁面上。第一导磁环122和第二导磁环124可以设置成如图1和2所示的两部分的形式，即第一导磁环122靠近极盘18设置，第二导磁环124靠近衔铁部件202设置，当然，也可以将第一导磁环122和第二导磁环124设置成一体结构，即两者可以设置成一个整体式部件。

线圈22在根据本发明的牙嵌式电磁离合器10的轴向方向上与第一导磁环122的至少一部分和第二导磁环124的至少一部分重叠，也就是说，线圈22在牙嵌式电磁离合器10的轴向方向上至少能够部分地覆盖第一导磁环122的一部分，由此使得由第一导磁环122将磁场从线圈22传导至极盘18，并且线圈22在同一方向上至少部分地覆盖第二导磁环122的一部分，使得通过第二导磁环124将磁场从线圈22传导至衔铁部件202。通过第一导磁环122和第二导磁环124的设置能够最大限度地降低圆筒形壳体12对磁路的阻挡作用。

根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器10的衔铁组件20包括具有第二齿牙201的衔铁部件202、用于支承衔铁部件202的衔铁支座204以及用于使衔铁部件202复位的复位部件206。衔铁部件202的顶端的第二齿牙201可以与极盘18的底端的第一齿牙182相互配合，从而完成扭矩传递的目的。衔铁支座204可以设置成中空圆柱体的形式，中空部分用于与从动轴16形成过盈配合，复位部件206能够使衔铁部件202复位至分离状态，比如在需要使牙嵌式电磁离合器10紧急分离的情况下，给线圈22断电，使得极盘18和衔铁部件202之间的磁吸力消失，同时在复位部件206的作用下，使得极盘18和衔铁部件202快速分离，从而将反应堆控制棒快速释放，由此在极短的时间内关闭反应堆。

在此，衔铁部件202优选地为中空圆筒结构。复位部件206包括固定地设置在衔铁部件202的内壁上的传动部件208、固定地设置在衔铁支座204上并且滑动地穿过传动部件208的至少一部分的螺钉210以及设置在螺钉210的帽部与传动部件208之间的弹簧212。附图3中示出传动部件208的实施例，传动部件208整体上为中空的圆柱体结构，并且在圆柱体结构中设置有朝向中空部分开口的U形槽2082，U形槽2082的底部保留一定厚度的底壁，并且在底壁上加工有通孔2084，螺钉210可以穿过通孔2084，但是螺钉210的帽部不能穿过通孔2084，并且在通孔上方与螺钉210的帽部之间设置有弹簧212，在弹簧212的作用下，推动传动部件208朝向与螺钉210的帽部分离的方向运动，从而使传动部件208连同衔铁部件202一起复位。在附图3中示出传动部件208中中心对称地设置有三个U形槽2082，当然，也可以设置其他数量的U形槽2082，比如可以为1个、2个或其他任意数量个U形槽，也可以是其他形状的槽，或者其他类似结构。

在将传动部件208固定地设置在衔铁部件202内时，可以使两者以过盈配合的方式设置，也可以在两者之间设置定位机构，比如，如图1和图2所示，可以在传动部件208的外周壁上设置至少一个定位孔，同时在衔铁部件202的侧壁中设置相对应的定位孔，通过在两个定位孔中设置定位销或定位螺钉214来对传动部件208和衔铁部件202进行固定。在此，可以沿着传动部件208和衔铁部件202的圆周方向均匀间隔地设置多个定位孔，比如可以设置2个、3个或更多个定位孔。为简化起见，附图3中所示出的传动部件208上未示出相应的定位孔。优选地，可以在附图3中所示的传动部件208上设置3个定位孔，相应地，在衔铁部件202的侧壁内设置3个相对应的定位孔。

根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器10的线圈22的外部设置有磁轭222，线圈22的引出线224从磁轭222中穿出。设置磁轭222能够减少线圈22通电后的磁通量的泄漏，同时能够实现磁轭222与圆筒形壳体12以及引出线224与磁轭222之间的密封，从而在磁轭222与圆筒形壳体12之间形成封闭的空间。

以下简要说明根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器10的操作过程。根据本发明的牙嵌式电磁离合器10应用于转速较低的反应堆控制棒驱动机构上，是反应堆控制棒驱动线上的重要部件。在一般情况下，线圈22的引出线224电连接至电源，接通电源为线圈22供电，在线圈22产生的磁场的作用下，极盘18和衔铁部件202吸合在一起，弹簧210被压缩，同时使得极盘18的第一齿牙182与衔铁部件202的第二齿牙201嵌合在一起，使得两者相对静止。动力装置提供旋转运动，带动主动轴14旋转，由于主动轴14与从动轴16相对静止，因此在主动轴14的驱动作用下，从动轴16同样做旋转运动。此时从动轴16驱动反应堆的控制棒组件运动，带动控制棒组件的提升和下降，由此控制反应堆的反应速度。在紧急情况下，电源停止为线圈22供电，则极盘18和衔铁部件202之间瞬间失去磁性，由此使得极盘18和衔铁部件202之间的磁吸力瞬间消失，在弹簧212的弹力的作用下实现牙嵌式电磁离合器10的快速分离。离合器的断电脱开能够实现控制棒组件的快速下落，保证反应堆的安全停堆。牙嵌式电磁离合器的极盘18和衔铁部件202采用正梯形齿牙，其能够消除牙侧间隙，分离时容易脱开。

根据本发明的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器由于具有包括第一齿牙的极盘和包括第二齿牙的衔铁部件，因此在极盘和衔铁部件吸合后，传递的扭转力矩不受水冷却剂的影响，正向和反向的传递精度均大大提高。由于主动轴和从动轴通过轴承同轴地设置，使得极盘与衔铁部件也能够通过轴承同轴地设置在同一旋转轴线上，由此保证了极盘与衔铁部件之间的同轴度，进一步确保了两者吸合力大小的稳定性。另外，根据本发明的牙嵌式电磁离合器设置了圆筒形壳体，由此隔离了水冷却剂与线圈，使线圈设置在圆筒形壳体的外部，不会与冷却剂发生接触，因此无需对线圈进行防水设计。同时，如果牙嵌式电磁离合器被整体上放置在冷却剂中使用时，线圈的磁轭与圆筒形壳体形成的密封空间能够达到良好的防水效果，其结构简单且易于实施。在圆筒形壳体的侧壁上开设凹槽以加装导磁环，从而增大了通过圆筒形壳体的磁通量，这将有利于位于外部的通电线圈所产生的磁力线穿过圆筒形壳体而形成磁力线回路，由此增大了极盘与衔铁部件之间的吸合力。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器，包括：

圆筒形壳体，所述圆筒形壳体被配置成反应堆的冷却剂的边界；

相对旋转地设置在所述圆筒形壳体内的主动轴；

相对旋转地设置在所述圆筒形壳体内的从动轴，所述从动轴与所述主动轴同轴地设置；

与所述主动轴相对固定地设置的极盘；

与所述从动轴在圆周方向上相对固定地设置的衔铁组件；以及

用于产生磁场的线圈，所述线圈设置在所述圆筒形壳体的外部，以将所述线圈与所述冷却剂隔离；

其特征在于，所述极盘和所述衔铁组件能够在所述线圈的作用下传动地接合和分离，在所述极盘和所述衔铁组件上分别设置有使两者能够传动地接合的第一齿牙和第二齿牙。

2.根据权利要求1所述的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器，其特征在于，在所述极盘与所述主动轴之间设置有隔磁环。

3.根据权利要求1所述的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器，其特征在于，所述主动轴与所述从动轴套置在一起，并且在所述主动轴与所述从动轴之间设置有轴承。

4.根据权利要求1所述的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器，其特征在于，在所述圆筒形壳体的靠近所述极盘的位置处设置有环绕所述圆筒形壳体的第一导磁环。

5.根据权利要求1所述的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器，其特征在于，在所述圆筒形壳体的靠近所述衔铁组件的位置处设置有环绕所述圆筒形壳体的第二导磁环。

6.根据权利要求4或5所述的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器，其特征在于，所述第一导磁环和所述第二导磁环嵌入在所述圆筒形壳体的侧壁内。

7.根据权利要求6所述的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器，其特征在于，所述线圈在所述牙嵌式电磁离合器的轴向方向上与所述第一导磁环的至少一部分和所述第二导磁环的至少一部分重叠。

8.根据权利要求1所述的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器，其特征在于，所述衔铁组件包括具有第二齿牙的衔铁部件、用于支承所述衔铁部件的衔铁支座以及用于使所述衔铁部件复位的复位部件。

9.根据权利要求8所述的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器，其特征在于，所述复位部件包括固定地设置在所述衔铁部件的内壁上的传动部件、固定地设置在所述衔铁支座上并且滑动地穿过所述传动部件的至少一部分的螺钉以及设置在所述螺钉的帽部与所述传动部件之间的弹簧。

10.根据权利要求9所述的用于反应堆控制棒驱动机构的牙嵌式电磁离合器，其特征在于，所述传动部件为中空的圆柱体结构，在所述圆柱体机构中设置有朝向所述中空部分开口的U形槽，在所述U形槽的底壁上设置有通孔，所述螺钉穿过所述通孔。

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