DE1286638B - Electromagnetic stepper drive for the linear movement of rod-shaped or tubular components, in particular of control or shut-off rods of an atomic nuclear reactor - Google Patents

Electromagnetic stepper drive for the linear movement of rod-shaped or tubular components, in particular of control or shut-off rods of an atomic nuclear reactor

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DE1286638B DES74216A DES0074216A DE1286638B DE 1286638 B DE1286638 B DE 1286638B DE S74216 A DES74216 A DE S74216A DE S0074216 A DES0074216 A DE S0074216A DE 1286638 B DE1286638 B DE 1286638B
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Description

1 21 2

Das Hauptpatent betrifft einen elektromagnetischen Schaubilder zur Erläuterung der Erfindung darge-Schrittantrieb zur geradlinigen Bewegung von stan- stellt. Es zeigtThe main patent relates to an electromagnetic diagram to explain the invention darge stepper drive for straight movement of stans. It shows

gen- oder rohrförmigen Bauteilen, insbesondere von Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit verRegel- oder Abschaltstäben eines Atomkernreaktors, ringerter Gehäusewandstärke im Bereich des Magnetinnerhalb eines rohrförmigen Gehäuses, mit außen 5 systems,gene- or tubular components, in particular from Fig. 1 a device according to the invention with verRegel- or shutdown rods of an atomic nuclear reactor, reduced housing wall thickness in the area of the magnet inside a tubular housing, with outside 5 systems,

am Rohr in gleichen Abständen angeordneten Ma- Fig. 2 eine Einrichtung mit einem Gewinde im gnetpolen und dazwischengehaltenen, einzeln ein- Gehäuse und einer Gewindeverzahnung auf deron the tube arranged at equal intervals Ma- Fig. 2 a device with a thread in gnetpolen and held in between, individually a housing and a threaded toothing on the

schaltbaren Erregerspulen, von denen jeweils zwei Stange,switchable excitation coils, each of which has two rods,

benachbarte entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder Fig. 3 eine Abwicklung der beiden Gewinde und erzeugen, und mit einem im Inneren des Rohres ver- io F i g. 4 ein Hubkraftdiagramm,
schiebbar angeordneten Stabteil mit gleichmäßig über Nach Fig. 1 ist an einen Behälter 1, beispielsweise seine Länge verteilten, als Anker für die Magnetpole einen Reaktorkessel, ein rohrförmiges Gehäuse 2, beiwirkenden Zähnen, dessen Länge größer ist als die spielsweise ein Druckrohr, aus magnetisierbarem Ma-Bauhöhe der Magnetpole. Die wesentliche Ausgestal- terial druckdicht angesetzt. Außen am Druckrohr ist tung des Schrittantriebs nach dem Hauptpatent be- 15 ein Satz Elektromagnete befestigt, der beispielsweise steht darin, daß die Magnetpolteilung und die Anker- aus acht Magnetspulen I1 bis I8, einer zusätzlichen zahnteilung derart unterschiedlich gewählt sind, daß Magnetspule I0, den zugehörigen Magnetpolen 4 und in jeder Stellung des Ankerstabes den vorhandenen Jochen 6 besteht. Je zwei benachbarte Spulen sind so Magnetpolen oder jeweils einer Gruppe von η Ma- geschaltet oder gewickelt, daß die magnetischen gnetpolen einer Anzahl von n± 1 Ankerzähnen züge- 20 Flüsse in dem gemeinsamen Pol 4 die gleiche Richordnet ist, so daß die Bewegung des Ankers nach bei- tung haben. Im Inneren des Gehäuses ist die zu beden Richtungen bei fortlaufender Erregung der Spu- wegende Stange, beispielsweise ein Regelstab 14, anlen, von denen jeweils mindestens eine eingeschaltet geordnet, die aus magnetisierbarem Werkstoff beist, unter sehr kleinen Teilschritten nahezu kontinu- steht. Der Querschnitt der Stange ist beispielsweise ierlich ist. 25 ringförmig und im Inneren mit einem Neutronen ab-adjacent oppositely directed magnetic fields Fig. 3 generate a development of the two threads and, and with one inside the tube ver io F i g. 4 a lifting force diagram,
1 is to a container 1, for example its length, as an armature for the magnetic poles, a reactor vessel, a tubular housing 2, contributing teeth, the length of which is greater than, for example, a pressure pipe, made of magnetizable Ma -The height of the magnetic poles. The essential design material is applied pressure-tight. The outside of the pressure tube is processing of the step drive according to the main patent loading 15 a set of fixed electromagnets, for example, is the fact that the magnetic pole and the armature of eight magnet coils I 1 to I 8, an additional tooth pitch are selected to be different so that the magnetic coil I 0 , the associated magnetic poles 4 and the existing yokes 6 in every position of the anchor rod. Every two adjacent coils are magnetic poles or a group of η Ma- connected or wound that the magnetic magnetic poles pull a number of n ± 1 armature teeth 20 fluxes in the common pole 4 is the same direction, so that the movement of the armature to have afterwards. In the interior of the housing, the directions to be controlled with continuous excitation of the track end rod, for example a control rod 14, are applied, of which at least one is arranged switched on, which is made of magnetizable material and is almost continuous with very small increments. The cross-section of the rod is, for example, ierlich. 25 ring-shaped and inside with a neutron

Ein solcher elektromagnetischer Schrittantrieb ent- sorbierenden Stoff 5, beispielsweise Bor, beschichtet, hält beispielsweise neun Magnetpole, denen zehn Die Stange ist mit einer Verzahnung aus im gleichen Zähne auf der Stange zugeordnet sind. Durch Ein- Abstand zueinander angeordneten Ringen 14 ver- und Ausschaltung der den Magnetpolen zugeordneten sehen, deren Zahl auf der jeweils den Magnetpolen Erregerspulen in fortlaufender Folge nacheinander 30 zugeordneten Länge von der Zahl der Magnetpole wird die Stange gehoben oder gesenkt. Der Hauptteil abweicht. Beispielsweise entfallen auf neun Magnetdes von den Erregerspulen induzierten Magnetflusses pole zehn Zähne. Werden die Erregerspulen der schließt sich über den einer Teilung der Verzahnung Magnetpole in fortlaufender Folge nacheinander einentsprechenden Abschnitt der Stange. Ein Teil des und ausgeschaltet, so ergibt sich ein gleichmäßiger magnetischen Flusses sättigt als unerwünschter ma- 35 Zugkraftverlauf an der Verzahnung, und die Stange gnetischer Nebenschluß die zwischen den Magnet- wird gleichmäßig weiterbewegt. Dabei schließen sich polen liegenden Gehäuseabschnitte. die von den Polen ausgehenden Kraftlinien über dieSuch an electromagnetic stepping drive is coated with desorbing substance 5, for example boron, holds, for example, nine magnetic poles, ten of which The rod is toothed from in the same Teeth are assigned on the bar. Rings 14 arranged at a distance from one another and switching off those associated with the magnetic poles see their number on the respective magnetic poles Excitation coils in a consecutive sequence one after the other 30 assigned length depending on the number of magnetic poles the bar is raised or lowered. The main part differs. For example, there are nine magnets Magnetic flux pole induced by the excitation coils has ten teeth. Are the excitation coils the closes over the one division of the toothing magnetic poles in continuous sequence one after the other Section of the rod. A part of and off, the result is a more even Magnetic flux saturates as an undesirable traction force curve on the toothing and the rod The magnetic shunt between the magnet is moved on evenly. Doing so close poles lying housing sections. the lines of force emanating from the poles over the

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den einer Teilung der Verzahnung entsprechenden Abmagnetischen Fluß in den Gehäuseabschnitten zwi- schnitte der Stange. Ein Teil des magnetischen Flusschen den Polen klein zu halten. Diese Aufgabe wird 40 ses sättigt jeweils den zwischen den Magnetpolen Hebei einem Schrittantrieb der vorbeschriebenen Art da- genden Abschnitt des Gehäuses. Die Breite der Madurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Breite der gnetpole ist gleich der Summe aus der Zahnbreite auf Magnetpole gleich der Summe aus der Breite eines der Stange und der doppelten Wandstärke der zwi-Zahnes der Verzahnung und des doppelten Betrages sehen den Polen liegenden Gehäuseabschnitte. Das der Wandstärke ist, die das Gehäuse an den dünnsten, 45 Gehäuse ist auf der ganzen, den Magnetpolen zugezwischen den Magnetpolen liegenden und in der ordneten Länge mit gleicher Wandstärke ausgeführt kleinsten zulässigen Wandstärke ausgeführten Ge- und dünner als die Enden des Gehäuses. Die Magnethäuseabschnitten hat. Dadurch ist sichergestellt, daß pole 4 sind aus geteilten Ringplatten, z. B. aus Halbsich der größte Teil des magnetischen Flusses über ringplatten, zusammengesetzt. Das Gehäuse kann jeden als Anker dienenden Abschnitt der Stange 5° doch auch durchgehend die gleiche Wandstärke schließt. Das Gehäuse kann beispielsweise auf der haben und zur Herabsetzung des magnetischen ganzen Länge des den Magnetpolen zugeordneten Nebenflusses zwischen den Magnetpolen innen oder Teiles dünner ausgeführt sein als an seinem oberen außen mit einer Ringnut versehen sein. Dann ist die und unteren Ende. Bei durchgehend gleicher Wand- Magnetpolbreite etwa gleich der Summe aus der stärke des Gehäuses können jeweils zwischen den 55 Breite der Zähne auf der Stange und der doppelten Magnetpolen von außen oder von innen angebrachte Wandstärke des Gehäuses an der Stelle der Ring-Ringnuten vorgesehen sein, welche die Wandstärke nuten. Zur Erhöhung der Zugkraft können weitere des Gehäuses und damit den magnetischen Nebenfluß Elektromagnetsätze aus je acht Magneten vorgesehen verringern. An Stelle der Ringnuten können auch sein, wobei die Erregerspulen der einzelnen Sätze in Ringe aus austenitischem Material eingeschweißt sein, 60 gleichlaufender Folge ein- und ausgeschaltet werden, so daß der magnetische Nebenfluß im Gehäuse voll- Vorteilhafterweise sind jeweils mehrere Erregerkommen unterdrückt wird. Derartige Einschweißun- spulen von jeder Gruppe, beispielsweise drei, gleichgen neigen jedoch zu Rißbildungen, wenn das Ge- zeitig eingeschaltet. Zur folgerichtigen Einschaltung häuse großen Temperaturschwankungen ausgesetzt der Spulen kann z. B. eine Nockenschalteinrichtung ist, wie dies beispielsweise bei der Verwendung des 65 verwendet werden. Dem untersten Magnetpol des Sy-Elektromagnetsystems als Antrieb für Absorberstäbe stems ist ein weiterer Elektromagnet mit der Erregervon Atomreaktoren der Fall ist. spule I0 zugeordnet, die gleichzeitig mit der obersten In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele und Erregerspule eingeschaltet wird. Durch diesen Elek-The invention is based on the object of reducing the magnetic flux corresponding to a division of the toothing in the housing sections between the rod. Part of the magnetic flux to keep the poles small. This task is saturates the respective section of the housing between the magnetic poles Hebei a stepper drive of the type described above. The width of the magnet is solved by the fact that according to the invention the width of the gnetpole is equal to the sum of the tooth width on magnetic poles equal to the sum of the width of one of the rods and twice the wall thickness of the zwi-tooth of the toothing and twice the amount of housing sections lying on the poles. That is the wall thickness that the housing is on the thinnest, 45 housing is on the whole, the magnetic poles lying between the magnetic poles and in the ordered length with the same wall thickness executed smallest permissible wall thickness executed and thinner than the ends of the housing. Has magnet housing sections. This ensures that pole 4 are made of split ring plates, e.g. B. from half the largest part of the magnetic flux via ring plates, composed. The housing can close each section of the rod 5 which serves as an anchor but also continuously closes the same wall thickness. The housing can for example have on the inside or part of it thinner than on its upper outside with an annular groove to reduce the entire magnetic length of the secondary flux associated with the magnetic poles. Then the and bottom end. With the same wall magnetic pole width throughout, approximately equal to the sum of the thickness of the housing, between the 55 width of the teeth on the rod and the double magnetic poles from the outside or inside attached wall thickness of the housing can be provided at the location of the ring grooves, which groove the wall thickness. To increase the tensile force, further electromagnetic sets of eight magnets provided in the housing and thus the secondary magnetic flux can be reduced. Instead of the annular grooves, the excitation coils of the individual sets can also be welded into rings made of austenitic material, 60 being switched on and off in a concurrent sequence, so that the magnetic secondary flux in the housing is fully suppressed. Such weld-in uncoils from each group, for example three of the same type, however, tend to form cracks if the switch is switched on in a timely manner. For consistent switching on housing exposed to large temperature fluctuations, the coils can, for. B. is a cam switching device, as used for example when using the 65. The lowest magnetic pole of the Sy-electromagnet system as a drive for absorber rod stems is another electromagnet with which the excitation of atomic reactors is the case. Coil I 0 assigned, which is switched on at the same time as the topmost In the drawings, exemplary embodiments and the excitation coil. Through this elec-

tromagnet wird die Zugkraft des untersten Magnetpols verstärkt. Dadurch ist ein einwandfreies Arbeiten des Antriebssystems sichergestellt, wenn beim Heben der Stange von der obersten Erregerspule, z. B. I8, auf die Erregerspule I1 umgeschaltet wird. Die Anzahl der Erregerspulen und damit die Zähnezahl der Verzahnung sowie die Anzahl der Spulensätze ist im wesentlichen vom Gewicht des zu bewegenden Bauteils abhängig. Im Flansch 43 des Gehäuses ist ein elastisches Führungsstück 44 angeordnet, das ein Verkanten der Stange verhindert.tromagnet, the tensile force of the lowest magnetic pole is increased. This ensures that the drive system works properly when lifting the rod from the topmost excitation coil, e.g. B. I 8 , is switched to the excitation coil I 1 . The number of excitation coils and thus the number of teeth of the toothing as well as the number of coil sets is essentially dependent on the weight of the component to be moved. An elastic guide piece 44 is arranged in the flange 43 of the housing and prevents the rod from tilting.

In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel mit beispielsweise zwei Spulensätzen I, II, die aus je fünf Elektromagneten 4 (Erregerspulen I1 bis I5 bzw. H1 bis H5) bestehen, und mit einem Hilfsmagnet (Erregerspule I0) dargestellt. Das Gehäuse 2 besteht ebenfalls aus magnetisierbarem Werkstoff und ist mit einem Innengewinde 45 versehen. Auf eine Erregerspule entfallen beispielsweise jeweils zwei Gänge des Gewindes. Der zu bewegende stangenförmige Bauteil 13 ist ebenfalls mit einem Gewinde 46 versehen, dessen Steigung von der des Gewindes 45 abweicht. Beispielsweise weicht die Gangzahl des Gewindes im Inneren des den Magnetpolen eines Satzes zugeordneten Gehäuseteils um einen Gang von der Gangzahl des Gewindes auf dem diesen Magnetpolen jeweils zugeordneten Stangenabschnitt ab. Im Inneren des Gehäuses sind beispielsweise jeweils zwischen den Magnetpolen im Inneren des Gehäuses Ringnuten 47 angeordnet, welche die Wandstärke des Gehäuses und damit den magnetischen Nebenfluß vermindern und das Gewinde unterteilen. Statt dessen können die Ringnuten von außen in das Gehäuse eingedreht oder durch Einschweißung aus unmagnetischem Material ersetzt sein. Zur Führung der Stange im Gehäuse sind Gleitstücke 48, 49 oberhalb bzw. unterhalb des Elektromagnetsystems vorgesehen.In Fig. FIG. 2 shows a further exemplary embodiment with, for example, two sets of coils I, II, each consisting of five electromagnets 4 (excitation coils I 1 to I 5 or H 1 to H 5 ), and with an auxiliary magnet (excitation coil I 0 ). The housing 2 also consists of a magnetizable material and is provided with an internal thread 45. For example, two turns of the thread are allotted to an excitation coil. The rod-shaped component 13 to be moved is also provided with a thread 46, the pitch of which deviates from that of the thread 45. For example, the number of turns of the thread in the interior of the housing part assigned to the magnetic poles of a set deviates by one turn from the number of turns of the thread on the respective rod section assigned to these magnetic poles. In the interior of the housing, for example, annular grooves 47 are arranged between the magnetic poles in the interior of the housing, which reduce the wall thickness of the housing and thus the secondary magnetic flux and subdivide the thread. Instead, the annular grooves can be screwed into the housing from the outside or replaced by welding made of non-magnetic material. To guide the rod in the housing, sliding pieces 48, 49 are provided above and below the electromagnet system.

Die Arbeitsweise des Systems geht aus F i g. 3 hervor, in der die Gewinde im Inneren des Gehäuses und auf der Stange abgewickelt dargestellt sind. Zum besseren Verständnis ist angenommen, daß das Gehäuse unmagnetische Einschweißungen 10 enthält. Auf der Abszisse sind die Erregerspulen I1 bis I3 aufgeführt. Es sei ferner z. B. angenommen, daß die Spulen I1 und I2 eingeschaltet sind. Bei Zuschaltung der Spule I3 und gleichzeitiger Abschaltung der Spule I1 wird die Stange infolge der (z. B. um J = I Gang) unterschiedlichen Steigung der beiden Gewinde in Richtung des Pfeiles 50 bewegt.The functioning of the system is based on FIG. 3, in which the threads inside the housing and on the rod are shown developed. For a better understanding, it is assumed that the housing contains non-magnetic welds 10. The excitation coils I 1 to I 3 are shown on the abscissa. It is also z. B. Assume that the coils I 1 and I 2 are turned on. When the coil I 3 is switched on and the coil I 1 is switched off at the same time, the rod is moved in the direction of arrow 50 as a result of the different pitch of the two threads (e.g. by J = I gear).

In F i g. 4 ist der Verlauf der Hubkraft P je Spule In (n—l bis 5) in Abhängigkeit von der abgewickelten Länge L des Gewindes im Gehäuse dargestellt. Die von der Abszisse und der Kurve eingeschlossene Fläche entspricht der Gesamthubkraft.In Fig. 4 shows the course of the lifting force P per coil I n (n-1 to 5) as a function of the developed length L of the thread in the housing. The area enclosed by the abscissa and the curve corresponds to the total lifting force.

Claims (7)

55 Patentansprüche:55 claims: 1. Elektromagnetischer Schrittantrieb zur geradlinigen Bewegung von stangen- oder rohrförmigen Bauteilen, insbesondere von Regel- oder Abschaltstäben eines Atomkernreaktors, innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses, mit außen am Rohr in gleichen Abständen angeordneten Magnetpolen und dazwischengehaltenen einzeln einschaltbaren Erregerspulen, von denen jeweils zwei benachbarte entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder erzeugen, und mit einem im Inneren des Rohres verschiebbar angeordneten Stabteil mit gleichmäßig über seine Länge verteilten, als Anker für die Magnetpole wirkenden Zähnen, dessen Länge größer ist als die Bauhöhe der Magnetpole, wobei die Magnetpolteilung und die Ankerzahnteilung derart unterschiedlich gewählt sind, daß in jeder Stellung des Ankerstabes den vorhandenen Magnetpolen oder jeweils einei Gruppe von η Magnetpolen eine Anzahl von n± 1 Ankerzähnen zugeordnet ist, so daß die Bewegung des Ankers nach beiden Richtungen bei fortlaufender Erregung der Spulen, von denen jeweils mindestens eine eingeschaltet ist, unter sehr kleinen Teilschritten nahezu kontinuierlich ist, nach Patent 1255 201, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Magnetpole gleich der Summe aus der Breite eines Zahnes der Verzahnung und des doppelten Betrages der Wandstärke ist, die das Gehäuse an den dünnsten, zwischen den Magnetpolen liegenden und in der kleinsten zulässigen Wandstärke ausgeführten Gehäuseabschnitten hat.1.Electromagnetic stepper drive for linear movement of rod-shaped or tubular components, in particular of control or shut-off rods of an atomic nuclear reactor, within a tubular housing, with magnetic poles arranged on the outside of the tube at equal intervals and individually switchable excitation coils held in between, of which two adjacent oppositely directed Generate magnetic fields, and with a slidably arranged inside the tube rod part with evenly distributed over its length, acting as an armature for the magnetic poles teeth, the length of which is greater than the height of the magnetic poles, the magnetic pole pitch and the armature tooth pitch are chosen so different that in each position of the armature rod the existing magnetic poles or in each case a group of η magnetic poles is assigned a number of n ± 1 armature teeth, so that the armature moves in both directions with continuous excitation of the coils, of which the respective ils at least one is switched on, is almost continuous in very small increments, according to patent 1255 201, characterized in that the width of the magnetic poles is equal to the sum of the width of a tooth of the toothing and twice the amount of the wall thickness that the housing on the Has the thinnest housing sections between the magnetic poles and the smallest permissible wall thickness. 2. Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Wandstärke des Gehäuses durch je eine in die Gehäuseabschnitte zwischen den Magnetpolen eingefräste Ringnut gebildet ist.2. Step drive according to claim 1, characterized in that the smallest wall thickness of the Housing through an annular groove milled into the housing sections between the magnetic poles is formed. 3. Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Magnetpolen zugeordnete Teil des Gehäuses durchgehend mit der kleinsten zulässigen Wandstärke ausgeführt ist.3. Step drive according to claim 1, characterized in that the associated with the magnetic poles Part of the housing is carried out continuously with the smallest permissible wall thickness. 4. Schrittantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole aus mehrteiligen Ringplatten, beispielsweise Halbringplatten, bestehen.4. Step drive according to one of the preceding claims, characterized in that the Magnetic poles consist of multi-part ring plates, for example half-ring plates. 5. Schrittantrieb nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des den Magnetpolen zugeordneten Gehäuseteils ein Gewinde angeordnet und die Verzahnung der Stange als Gewinde ausgeführt ist und daß die Steigung der Gewinde unterschiedlich ist.5. Step drive according to claim 2 or 4, characterized in that the inside of the Magnetic poles associated housing part arranged a thread and the toothing of the rod is designed as a thread and that the pitch of the thread is different. 6. Schrittantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gangzahl des Gewindes im Inneren des Gehäuseteils um einen Gang von der Gangzahl des Gewindes auf dem den Magnetpolen jeweils zugeordneten Stangenabschnitt abweicht. 6. Step drive according to claim 5, characterized in that the number of turns of the thread in Inside the housing part by one thread from the number of turns of the thread on the magnetic pole each associated rod section deviates. 7. Schrittantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnuten im Inneren des Gehäuses angebracht sind und das Gewinde im Gehäuse unterteilen.7. Step drive according to claim 5, characterized in that the annular grooves inside the Housing are attached and subdivide the thread in the housing. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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