CN113659796B - 一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构，属于直线电机应用技术领域，包括驱动杆、绕驱动杆设置的定子，以及设置在驱动杆和定子之间的耐压壳，定子包括沿驱动杆轴向间隔设置的若干定子铁芯，定子铁芯内侧面开设有环形槽，环形槽内嵌有保持线圈；相邻定子铁芯之间形成环形辅助槽，环形辅助槽内嵌有定子绕组和永磁体，且相邻永磁体充磁方向相反；定子绕组与三相正弦交流电源连接，保持线圈与直流电源连接，且能够各自保持断电或通电状态。本发明实现了驱动杆的连续运动，提高了核反应堆的功率控制精度。
Description
技术领域
本发明属于直线电机应用技术领域，涉及一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构。
背景技术
在核反应堆中，控制棒驱动机构作为功率调节和系统保护的伺服机构，是反应堆结构中唯一的动设备，完成控制棒组件的提升、下插、保持和断电释放等操作，实现核反应堆的启动、功率调节、功率保持、正常停堆和事故停堆等功能。传统磁力提升型控制棒驱动机构为步进式提升和下插，运动步长为15.875mm，其主要存在以下缺点：
(1)钩爪组件动作频繁，机械磨损严重，影响控制棒驱动机构的运行寿命；
(2)驱动杆做步进式运动，反应堆功率控制精度差。
为解决这些问题，适应核电产业的发展，有必要研发一种新型控制棒驱动机构。目前已有的一些新型结构，例如中国专利文献CN111431373A公开了一种基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构，其动子由衔接部和交替分布着槽面和非槽面的驱动轴构成，定子由护套、励磁部和支撑部组成，驱动轴槽面与励磁部对应、非槽面与支撑部对应。该结构虽能够实现驱动杆的上下运动与磁浮支撑，但还存在提升力小、体积大以及制造难度大等缺点。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构，以实现驱动杆的连续运动，提高核反应堆的功率控制精度。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构，包括驱动杆、绕驱动杆设置的定子，以及设置在驱动杆和定子之间的耐压壳，定子包括沿驱动杆轴向间隔设置的若干定子铁芯，定子铁芯内侧面开设有环形槽，环形槽内嵌有保持线圈；相邻定子铁芯之间形成环形辅助槽，环形辅助槽内嵌有定子绕组和永磁体，且相邻永磁体充磁方向相反；定子绕组与三相正弦交流电源连接，保持线圈与直流电源连接，且能够各自保持断电或通电状态。
可选地，所述永磁体位于定子磁轭的外侧。
可选地，所述环形槽和环形辅助槽沿定子轴向均匀间隔布置。
可选地，所述驱动杆沿其轴向均匀间隔开设有若干环形凹槽。
可选地，所述定子绕组为环形饼状结构，按一定规律和方式嵌入位于定子上的环形辅助槽中。
可选地，所述永磁体为圆环形，叠放在定子轭部。
本发明的有益效果在于：
1、本发明在定子绕组中通入三相正弦交流电流，可使定子和驱动杆之间产生沿轴向方向的恒定作用力，进而实现了驱动杆的连续运动；通过改变三相正弦交流电流的相序，实现了驱动杆运动方向的改变；通过使定子绕组断电，对保持线圈通直流电，可使驱动杆受力平衡，进而可使驱动杆保持在任意位置；本发明不仅实现了驱动杆的连续运动，还能够使驱动杆保持在任意位置，提高了核反应堆的功率控制精度。
2、本发明通过永磁体和保持线圈共同励磁，实现了通过改变保持线圈的电流方向和大小来改变励磁磁场大小，从而可以灵活调节励磁磁场大小，进而实现了输出推力的调节，拓宽了电机的调速范围，控制更加灵活。
3、本发明的永磁体位于定子磁轭的外侧，不易发生退磁故障，且更容易散热。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构的结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图1的B-B剖视图。
附图标记：驱动杆1、定子2、隔磁环3、永磁体4、保持线圈5、定子绕组6、耐压壳7。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参阅图1～图3，一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构，包括驱动杆1、绕驱动杆1设置的定子2，以及设置在驱动杆1和定子2之间的耐压壳7，定子2包括沿驱动杆1轴向间隔设置的若干定子铁芯，定子铁芯内侧面开设有环形槽，环形槽内嵌有保持线圈5；相邻定子铁芯之间形成环形辅助槽，环形辅助槽内嵌有定子绕组6和永磁体4，且相邻永磁体充磁方向相反；定子绕组6与三相正弦交流电源连接，保持线圈5与直流电源连接，且能够各自保持断电或通电状态。驱动杆1和定子2由导磁材料制作，耐压壳由不导磁、不隔磁且耐高温高压的材料制作。
为了防止永磁体4发生退磁故障，本发明将永磁体4设置在定子磁轭的外侧。此种设置方式，也更容易散热。
为了获得更为稳定的磁场，本发明在相邻定子铁芯之间还设有隔磁环3。此处隔磁环的设置，还可以降低相邻定子铁芯之间的间隙，进而使得本发明的结构更为合理。
可选地，环形槽和环形辅助槽沿定子轴向均匀间隔布置。
可选地，驱动杆1沿其轴向均匀间隔开设有若干环形凹槽。
可选地，定子绕组6为环形饼状结构，按一定规律和方式嵌入位于定子2上的环形辅助槽中。
可选地，永磁体4为圆环形，叠放在定子轭部。
实施例
一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构，包括圆筒形永磁式磁阻直线电机、保持线圈5和耐压壳7；圆筒形永磁式磁阻直线电机由驱动杆(动子)1、定子2、隔磁环3、永磁体4和定子绕组6组成；驱动杆(动子)1位于整个机构的最内层，定子2位于整个机构的最外层，驱动杆(动子)1与定子2之间的气隙中存在耐压壳7，三者之间同轴设置；定子2包括沿驱动杆1轴向间隔设置的若干定子铁芯，定子铁芯内侧面开设有环形槽，相邻定子铁芯之间形成环形辅助槽，环形辅助槽内嵌有隔磁环3；定子绕组6为环形饼状结构，按一定规律和方式嵌入位于定子上的环形辅助槽中；永磁体4为圆环形，位于定子磁轭的外侧，叠放在定子2的轭部；保持线圈5嵌入定子2内部的环形槽中。
反应堆功率调节功能的实现：在定子绕组6中通入互差120°的三相正弦交流电流，定子2和驱动杆(动子)1之间的主气隙中形成沿轴向恒定的磁动势，这种磁动势使得定子2和驱动杆(动子)1之间产生沿轴向方向的恒定作用力，从而带动驱动杆(动子)1沿轴向运动，并且可通过改变三相正弦交流电流的相序来改变驱动杆(动子)1的运动方向，以此实现反应堆的功率调节。
反应堆功率保持功能的实现：保持线圈5嵌入定子2的环形槽中，它与永磁体4之间形成混合励磁，用于调节励磁大小，使控制更加灵活。为实现保持功能，使定子绕组6断电，保持线圈5通直流电。基于磁阻最小原理，磁场沿永磁体4、定子铁芯、耐压壳7、耐压壳7与驱动杆(动子)1之间的气隙、驱动杆(动子)1、耐压壳7与驱动杆(动子)1之间的气隙、耐压壳7、相邻定子铁芯以及永磁体4形成闭合磁回路，由此产生的沿轴向向上的电磁力能够平衡驱动杆(动子)1自身的重力等力，从而使驱动杆(动子)1保持在某个位置，实现反应堆的功率保持。
反应堆紧急停堆功能的实现：当需要紧急停堆时，如发生断电或意外事故等情况时，定子绕组6和保持线圈5全部断电，驱动杆(动子)1在重力作用下快速下落至反应堆中，实现反应堆的紧急停堆。
本发明利用非机械接触式电磁传动代替传统机械接触式钩爪传动，减小了机械磨损，提高了控制棒驱动机构的运行寿命；采用圆筒形永磁式磁阻直线电机直接驱动控制棒上升、下降，响应速度快；驱动源采用直线电机，实现了驱动杆1的连续运动，缩短了运动时间，并提高了驱动机构的运行效率；驱动杆1位置连续可调，提高了反应堆功率控制的精度；永磁体4和保持线圈5共同励磁，控制更加灵活，调节保持线圈5电流方向和大小，可以达到灵活调节输出推力、拓宽电机调速范围的目的。
本发明设有保持线圈5和定子绕组6两套绕组，通过在保持线圈5中通入直流电，可使永磁体4和保持线圈5共同建立励磁磁场，进而通过改变保持线圈5电流的方向和电流的大小，可以灵活调节励磁磁场大小，从而调节输出推力，拓宽电机的调速范围；通过在定子绕组6中通入三相正弦电流，能够使驱动杆1连续向上或向下运动，进而使得核反应堆功率控制精度更高，通过将永磁体4设置在定子磁轭的外侧，不易发生退磁故障，且更容易散热。
本发明可实现驱动杆1的连续运动，能使驱动杆1保持在任意位置，使核反应堆功率控制精度更高，控制也更加灵活。另外，本发明整体结构较为简单，易于冷却且功率密度高。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构，包括驱动杆、绕驱动杆设置的定子，以及设置在驱动杆和定子之间的耐压壳，其特征在于：
定子包括沿驱动杆轴向间隔设置的若干定子铁芯，定子铁芯内侧面开设有环形槽，环形槽内嵌有保持线圈；
相邻定子铁芯之间形成环形辅助槽，环形辅助槽内嵌有定子绕组和永磁体，且相邻永磁体充磁方向相反；
定子绕组与三相正弦交流电源连接，保持线圈与直流电源连接，且能够各自保持断电或通电状态。
2.根据权利要求1所述的一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述永磁体位于定子磁轭的外侧。
3.根据权利要求1所述的一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述环形辅助槽内还嵌有隔磁环。
4.根据权利要求1所述的一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述环形槽和环形辅助槽沿定子轴向均匀间隔布置。
5.根据权利要求1所述的一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述驱动杆沿其轴向均匀间隔开设有若干环形凹槽。
6.根据权利要求1所述的一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述定子绕组为环形饼状结构，按一定规律和方式嵌入位于定子上的环形辅助槽中。
7.根据权利要求1所述的一种混合励磁永磁式磁阻直线电机型控制棒驱动机构，其特征在于：所述永磁体为圆环形，叠放在定子轭部。
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