CN111326266B - 基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构 - Google Patents

基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构 Download PDF

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Abstract

基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构，属于直线电机应用领域，本发明为解决压水堆核电站采用外置式磁力提升驱动机构存在的问题。本发明包括定子和动子，动子包括衔接平台和方轴；定子包括方形护套、m+1个励磁部和m个导向支撑部；方形护套为上端开口、下端封闭的空腔结构，在方形护套外壁沿轴向交错固定m+1个励磁部和m个导向支撑部；方轴的顶端设置衔接平台，所述衔接平台用于固定控制棒，方轴的下端从方形护套的上端开口同轴插入，且方轴与方形护套之间存在机械气隙；方轴在励磁部的作用下实现上下运动，并通过导向支撑部实现磁浮支撑。可实现控制棒在竖直方向的上、下快速运动和精确定位，具有自锁能力，在断电情况下可快速降落并具有相应防护措施。

Description

基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构
技术领域
本发明涉及裂变反应堆控制棒的驱动机构，属于直线电机应用领域。
背景技术
作为一种安全、清洁而且经济的能源，核能应用的主要途径是通过可控链式反应长期持续地获得能量，包括裂变和聚变两种方式。目前，受控核聚变反应尚未实现，而裂变反应堆已在工业发达国家得到广泛应用。实现受控核反应在技术上与瞬间释放能量的核弹有完全不同的困难，人类和平利用核能的关键即在于如何高效安全地控制核反应。在裂变反应堆中，控制棒是控制输出功率和启停堆的重要设备，是目前反应堆的必要控制部件。控制棒由中子的强吸收材料制成，能有效吸收反应堆内的中子，从而控制核反应速率。控制棒组件由一台控制棒驱动机构传动，使控制棒在导向管内上下移动，达到控制反应堆的目的。其任务是在确保反应堆安全的前提下，有效控制反应性，以满足反应堆长期运行的需要：通过最佳的提棒程序，使反应堆在运行过程中保持平坦的功率分布；补偿由于温度系数、中毒效应等引起的反应性变化；负荷变化时，调节反应堆功率跟随负荷变化；事故时，能实现迅速停堆，并保证适当的停堆深度。因此控制棒作为裂变反应堆不可或缺的控制设备其重要意义是不言而喻的。
控制棒组件在堆芯内的运动主要通过控制棒驱动机构的动作来实现。控制棒驱动机构是反应堆控制系统和安全保护系统的一种伺服机构，其功能是根据控制系统和安全保护系统的指令，驱动控制棒组件在堆芯内保持、提升、插入或快速落棒，以控制核反应速率，实现反应堆的启动、功率调节、停堆和事故工况下的安全控制，保证堆芯安全。因此，控制棒驱动机构执行着启停堆、功率调节和事故状态下快速停堆等任务，是确保反应堆安全可控的重要动作部件。
目前世界上技术比较成熟，应用较为广泛的控制棒驱动方式主要有机械驱动、电磁驱动和液体静压驱动等。压水堆核电站的控制棒驱动机构普遍采用外置磁力提升式，它具有机构简单、加工容易、提升力大、准确性高、拆装和维修方便等优点。但是，其提升和下插动作不连续，也不可微调，而是以一定的设计步距作阶跃运动；主要执行机构都是电子器件，一旦发生故障，容易出现控制棒卡死，无法停堆等严重事故。此外，外置式驱动的最大缺点是传动线长，增加反应堆总体高度，并且还存在弹棒的隐患。
发明内容
本发明目的是为了解决压水堆核电站采用外置式磁力提升驱动机构存在的问题，提供了一种基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构。
本发明所述基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构包括定子和动子，动子包括衔接平台1和方轴2；定子包括方形护套3、m+1个励磁部4和m个导向支撑部5；
方形护套3为上端开口、下端封闭的空腔结构，在方形护套3外壁沿轴向交错固定m+1个励磁部4和m个导向支撑部5，m≥2；
方轴2的顶端设置衔接平台1，所述衔接平台1用于固定控制棒，方轴2的下端从方形护套3的上端开口同轴插入，且方轴2与方形护套3之间存在机械气隙；
方轴2在励磁部4的作用下实现上下运动，并通过导向支撑部5实现磁浮支撑。
优选地，还包括缓冲器，缓冲器设置在方形护套3密封的底部腔体中，用于为方轴2提供机械缓冲。
优选地，励磁部4包括方筒形励磁铁芯4-1和j套励磁线圈4-2，所述方筒形励磁铁芯4-1内壁均布j个方环形凹槽4-3，每个方环形凹槽4-3中嵌放一套励磁线圈4-2，j≥3。
优选地，所述方筒形励磁铁芯4-1由实心铁心分四段周向组装而成或由多层硅钢片周向堆叠而成。
优选地，导向支撑部5包括方形支架、聚磁铁芯和4套聚磁线圈5-2；
方形支架由四段分支架5-1周向组装而成，每个分支架5-1内侧开有方形凹槽，每个分支架5-1的方形凹槽中嵌入一套聚磁线圈5-2；
聚磁铁芯包括方形底座5-4和方形定位凸起5-3，所述方形定位凸起5-3穿过聚磁线圈5-2的中心空腔与分支架5-1装配，方形底座5-4嵌入方形凹槽并与槽口平齐。
本发明的优点：本发明提出一种基于方筒型直线感应电机的新型控制棒驱动结构，提出的控制棒驱动机构具有结构简单、体积小、响应速度快、可靠性高等一系列优点；可实现控制棒在竖直方向的上、下快速运动和精确定位，具有自锁能力，在断电情况下可快速降落并具有相应防护措施。此外，由于采用磁浮支撑，避免了机械摩擦，提高了驱动机构的使用寿命，降低了维修成本。
附图说明
图1是本发明所述基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构的结构示意图；
图2是本发明所述基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构的爆炸图；
图3是励磁部的爆炸图；
图4是导向支撑部的结构示意图；
图5是导向支撑部的爆炸图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构包括定子和动子，动子包括衔接平台1和方轴2；定子包括方形护套3、m+1个励磁部4和m个导向支撑部5；
方形护套3为上端开口、下端封闭的空腔结构，在方形护套3外壁沿轴向交错固定m+1个励磁部4和m个导向支撑部5，m≥2；
方轴2的顶端设置衔接平台1，所述衔接平台1用于固定控制棒，方轴2的下端从方形护套3的上端开口同轴插入，且方轴2与方形护套3之间存在机械气隙；
方轴2在励磁部4的作用下实现上下运动，并通过导向支撑部5实现磁浮支撑。
励磁部4包括方筒形励磁铁芯4-1和j套励磁线圈4-2，所述方筒形励磁铁芯4-1内壁均布j个方环形凹槽4-3，每个方环形凹槽4-3中嵌放一套励磁线圈4-2，j≥3。
本实施方式中被驱动对象为核反应堆控制棒，将控制棒与衔接平台1连接，并随动子上下运动。
本实施方式中每个励磁部4中的励磁线圈4-2选用j＝3，即构成三相交流绕组，通入三相对称正弦电流后，会产生一个气隙磁场，这个气隙磁场的分布情况与旋转感应电机的类似，可看成沿直线方向呈正弦形分布，当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序在垂直方向沿直线移动，形成行波磁场。把方轴2看成是无限多根方环形导条并列放置，这样，在行波磁场的切割下，方轴2中感应出电动势并产生电流，电流与气隙磁场相互作用便产生电磁推力，定子的励磁线圈4-2与动子的方轴2之间的电磁推力是相互的，此时，方轴2将在电磁推力的作用下沿垂直方向做直线运动，因方轴2与方形护套3之间存在气隙，动子实现悬浮运动。当对换励磁部4中任意两相的电流后，运动也会反向，根据这一原理，可使圆筒型直线感应电机在垂直方向作往复直线运动。当需要悬停在垂直方向某一位置时，由控制系统下达指令，令励磁部和导向支撑部协同工作，即可将方轴2悬停在垂直方向某一位置保持不动，实现锁定，此时，励磁部4产生的竖直推力抵消动子的重力，使方轴2在竖直方向的所受合力为零，导向支撑部5产生的水平方向的力保持动子气隙均匀进而实现悬停。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括缓冲器，缓冲器设置在方形护套3密封的底部腔体中，用于为方轴2提供机械缓冲。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，所述方筒形励磁铁芯4-1由实心铁心分四段周向组装而成或由多层硅钢片周向堆叠而成。
单段或单片结构预先制备出方环形凹槽4-3的位置，多段或多片堆叠后自然能形成方环形凹槽4-3，用于嵌放j套励磁线圈4-2。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，导向支撑部5包括方形支架、聚磁铁芯和4套聚磁线圈5-2；
方形支架由四段分支架5-1周向组装而成，每个分支架5-1内侧开有方形凹槽，每个分支架5-1的方形凹槽中嵌入一套聚磁线圈5-2；
聚磁铁芯包括方形底座5-4和方形定位凸起5-3，所述方形定位凸起5-3穿过聚磁线圈5-2的中心空腔与分支架5-1装配，方形底座5-4嵌入方形凹槽并与槽口平齐。
本实施方式中导向支撑部5由四组相同结构组装而成，每部分的分支架5-1内侧开有方形凹槽，嵌入一套聚磁线圈5-2，聚磁线圈5-2具有轴向通孔，聚磁铁芯的方形定位凸起5-3插入聚磁线圈5-2的轴向通孔与之契合，且分支架5-1方形凹槽的槽底、方形定位凸起5-3的端部具有对应的螺孔用于安装螺钉，以固定导向支撑部5中各部件的相对位置关系。
方形定位凸起5-3与方形底座5-4垂直，方形底座5-4嵌入方形凹槽并与槽口平齐，导向支撑部5内部的四个平齐面与方形护套3的四个外壁面紧密接触。

Claims (5)

1.基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构，其特征在于，包括定子和动子，动子包括衔接平台(1)和方轴(2)；定子包括方形护套(3)、m+1个励磁部(4)和m个导向支撑部(5)；
方形护套(3)为上端开口、下端封闭的空腔结构，在方形护套(3)外壁沿轴向交错固定m+1个励磁部(4)和m个导向支撑部(5)，m≥2；
方轴(2)的顶端设置衔接平台(1)，所述衔接平台(1)用于固定控制棒，方轴(2)的下端从方形护套(3)的上端开口同轴插入，且方轴(2)与方形护套(3)之间存在机械气隙；
方轴(2)在励磁部(4)的作用下实现上下运动，并通过导向支撑部(5)实现磁浮支撑。
2.根据权利要求1所述基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构，其特征在于，还包括缓冲器，缓冲器设置在方形护套(3)密封的底部腔体中，用于为方轴(2)提供机械缓冲。
3.根据权利要求1所述基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构，其特征在于，励磁部(4)包括方筒形励磁铁芯(4-1)和j套励磁线圈(4-2)，所述方筒形励磁铁芯(4-1)内壁均布j个方环形凹槽(4-3)，每个方环形凹槽(4-3)中嵌放一套励磁线圈(4-2)，j≥3。
4.根据权利要求3所述基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构，其特征在于，所述方筒形励磁铁芯(4-1)由实心铁芯分四段周向组装而成或由多层硅钢片周向堆叠而成。
5.根据权利要求1所述基于方筒型直线感应电机的控制棒驱动机构，其特征在于，导向支撑部(5)包括方形支架、聚磁铁芯和4套聚磁线圈(5-2)；
方形支架由四段分支架(5-1)周向组装而成，每个分支架(5-1)内侧开有方形凹槽，每个分支架(5-1)的方形凹槽中嵌入一套聚磁线圈(5-2)；
聚磁铁芯包括方形底座(5-4)和方形定位凸起(5-3)，所述方形定位凸起(5-3)穿过聚磁线圈(5-2)的中心空腔与分支架(5-1)装配，方形底座(5-4)嵌入方形凹槽并与槽口平齐。
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