FR2509541A1 - Variable reluctance electric motor using transverse flux - esp. for driving control rods vertically in pressurised core of nuclear reactor - Google Patents

Variable reluctance electric motor using transverse flux - esp. for driving control rods vertically in pressurised core of nuclear reactor Download PDF

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Abstract

The motor contains an axial rod made of a magnetic material and provided with a row of ring projections. Rod is located on the axis of a sealed tube surrounded by at least three multipolar stators inside a magnet yoke. Each stator has a pair of pole cores with segment extensions inside the sealed tube. Each extension has two projections with the same length and pitch as projections; but the spaces between the stators is such that two adjacent projections can only be aligned with one stator at any one time. By varying the electric current in the coils wound on the stators, rod is driven axially inside the stators, e.g. to raise or lower boron carbide control rods in a reactor. The present invention constitutes an improvement w.r.t. the motor described in FR 1455472.

Description

MOTEUR ELECTRIQUE Â RELUCTANCE VARIABLE POUR LA
TRANSLATION DES BARRES DE COMMANDE DANS UN RECTEUR
NUCLEAIRE
La présente invention concerne un moteur électrique à réluctance variable et à flux transversal engendrant un mouvement de translation. Un tel moteur est notamment destiné à assurer la translation des barres de commande à l'intérieur d'une enceinte sous pression dans un réacteur nucléaire.VARIABLE RELUCTANCE ELECTRIC MOTOR FOR
TRANSLATION OF CONTROL BARS IN A RECEIVER
NUCLEAR
The present invention relates to an electric motor with variable reluctance and transverse flow generating a translational movement. Such an engine is in particular intended to ensure the translation of the control rods inside a pressure vessel in a nuclear reactor.

On sait qu'en réglant l'immersion, dans le coeur d'un réacteur nucléaire, de barres ayant la propriété d'absorber des neutrons, par exemple des barres en carbure de bore, la puissance développée par le réacteur peut être aisément commandée. Dans ce but, les barres sont généralement solidaires d'une tige mobile se déplaçant dans une chemise étanche fixée au réacteur, chemise dans laquelle règnent des conditions de température et de pression identiques à celles qui règnent dans la cuve du réacteur.It is known that by regulating the immersion in the core of a nuclear reactor of bars having the property of absorbing neutrons, for example boron carbide bars, the power developed by the reactor can be easily controlled. For this purpose, the bars are generally integral with a movable rod moving in a tight jacket fixed to the reactor, a jacket in which prevail conditions of temperature and pressure identical to those which prevail in the reactor vessel.

Selon le brevet français 1 371 802, un élément de trans fert de charge mécanique pourvu de mâchoires à trois positions et commandées à l'aide de solénoldes, est mis en oeuvre pour imprimer un mouvement de translation à la barre. Ce dispositif, fonctionnant à la manière d'un électroaimant, présente l'inconvénient d'imprimeur un mouvement brusque à ses éléments mobiles. Il en résulte la nécessité de disposer localement des amortisseurs ou tampons comme par exemple décrits dans le brevet belge 753 529. Toutefois, malgré la présence de tels amortisseurs, les mécanismes des mâchoires subissent de fortes contraintes génératrices d'usure. According to French Patent 1,371,802, a mechanical load transfer element provided with three-position jaws and controlled using solenoid valves is used to impart a translational movement to the bar. This device, operating in the manner of an electromagnet, has the disadvantage of printing an abrupt movement of its movable elements. This results in the need to locally have shock absorbers or buffers as for example described in Belgian patent 753,529. However, despite the presence of such shock absorbers, the jaw mechanisms are subjected to high stresses generating wear.

Pour obvier à cet inconvénient, il a été proposé par exemple dans le brevet français 1 455 472, d'utiliser un moteur électromagnétique dont l'élément mobile est constitué par la tige elle-même qui porte alors des saillies annulaires disposées de manière à réaliser un moteur à réluctance variable de type vernier, engendrant un mouvement de translation exempt de tout mouvement de rotation, Toutefois, un tel moteur n'a pas pu être valablement mis en oeuvre, d'une part à cause du fait qu'il nécessite un trop grand nombre de bobines constituant la partie statorique du moteur et, d'autre part, à cause d'un mauvais rendement consécutif à une saturation de la tige, dûe à la concentration axiale du flux magnétique.To overcome this drawback, it has been proposed, for example in French patent 1 455 472, to use an electromagnetic motor the movable element of which is constituted by the rod itself which then carries annular projections arranged so as to produce a vernier type variable reluctance motor, generating a translational movement free from any rotational movement, However, such a motor could not be validly implemented, on the one hand because of the fact that it requires a too many coils constituting the stator part of the motor and, on the other hand, due to poor efficiency resulting from saturation of the rod, due to the axial concentration of the magnetic flux.

La présente invention a pour objet d'obvier à à ces inconvénients.The object of the present invention is to overcome these drawbacks.

Dans ce but, le moteur électrique destiné à la translation des barres de commande dans un réacteur nucléaire comporte : une partie mobile constituée par une tige en matériau magnétique, munie-de saillies annulaires régulièrement espacées le long de l'axe de ladite tige ; au moins trois stators multipolaires entourant consécutivement ladite tige, chaque noyau polaire présentant, côté tige, des évidements annulaires, de manière à constituer des saillies de meme largeur et écartement que colles de la tige, ltespacement entre stators étant tel que les saillies de la tige et celles des noyaux polaires ne se trouvent en regard que pour l'un des stators.For this purpose, the electric motor intended for the translation of the control rods in a nuclear reactor comprises: a movable part constituted by a rod made of magnetic material, provided with annular projections regularly spaced along the axis of said rod; at least three multipole stators surrounding said rod consecutively, each pole piece having, on the rod side, annular recesses, so as to constitute projections of the same width and spacing as glues of the rod, the spacing between stators being such that the projections of the rod and those of the polar cores are found opposite only for one of the stators.

Selon ltinvention, une chemise étancheanagnétique est disposée en intersection du circuit magnétique statorique, des pièces magnétiques prolongeant les noyaux polaires à l'intérieur de la chemise
L'invention sera mieux comprise et dtautres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, à laquelle une planche de dessins est annexée, d!un mode de réalisation de l'invention.According to the invention, a magnetic seal jacket is arranged at the intersection of the stator magnetic circuit, magnetic pieces extending the pole cores inside the jacket.
The invention will be better understood and other objects, characteristics and advantages will appear more clearly on reading the following description, to which a drawing sheet is attached, of an embodiment of the invention.

Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un moteur électrique appliqué à la commande de barre dans un réacteur nucléaire, respectivement en coupe transversale et en coupe axiale dans le plan BB, selon un mode de réalisation conforme à la présente invention.Figures 1 and 2 schematically show an electric motor applied to the helm control in a nuclear reactor, respectively in cross section and in axial section in the plane BB, according to an embodiment according to the present invention.

Dans l'application du moteur à la translation des barres de commande d'un réacteur nucléaire, la partie mobile du moteur, c'est-à-dire la tige 1, est disposée coaxialement dans une chemise étanche tubulaireamagnétique 2. La tige 1, réalisée dans un matériau magnétique, est munie de saillies annulaires 3, régulièrement espacées le long de l'axe de la tige.In the application of the engine to the translation of the control rods of a nuclear reactor, the mobile part of the engine, that is to say the rod 1, is arranged coaxially in a sealed tubular magnetic jacket 2. The rod 1, made of magnetic material, is provided with annular projections 3, regularly spaced along the axis of the rod.

La partie statorique du moteur est constituée par un ensemble de forme générale tubulaire de meme axe xx' que la tige comprenant au moins trois stators multipolaires.The stator part of the motor is constituted by an assembly of generally tubular shape with the same axis xx 'as the rod comprising at least three multipole stators.

Ces derniers sont constitués chacun par une paire de bobines 8,9 et 10,11, disposées en selle autour du noyau polaire.The latter are each formed by a pair of coils 8, 9 and 10, 11, arranged in a saddle around the pole core.

Une culasse magnétique 12 de forme annulaire entoure chaque paire de bobines.A magnetic yoke 12 of annular shape surrounds each pair of coils.

La chemise étanche 2 est disposée en intersection du circuit magnétique statorique. Chaque noyau polaire qui se prolonge à ltintérieur de la chemise 2 à l'aide d'un élément magnétique 21 présente, sur sa paroi interne, des évidements annulaires 74, de manière R constituer des saillies 13 en forme de secteur, dans chaque fenêtre ménagée par les bobines, et disposées dans des plans transversaux différents, ces saillies 13 étant de même largeur et de même écartement que les saillies annulaires 3 dont est pourvue la tige 1.The waterproof jacket 2 is arranged at the intersection of the stator magnetic circuit. Each polar core which extends inside the jacket 2 by means of a magnetic element 21 has, on its internal wall, annular recesses 74, so as to constitute protrusions 13 in the form of a sector, in each window provided by the coils, and arranged in different transverse planes, these projections 13 being of the same width and of the same spacing as the annular projections 3 with which the rod 1 is provided.

De façon à réaliser une structure du type vernier, les stators multipolaires consécutifs sont espacés le long de ltaxe xx' du moteur, de telle manière que les saillies annulaires 3 de la tige 1 ne se trouvent en regard que des saillies 13 du noyau polaire de l'un seulement des stators, comme représenté sur les figures. Ainsi, en prenant l'exemple représente, la paire de bobines 8,9 entant alimentée, la tige mobile 1 se positionne de telle façon que la réluctance opposée au flux magnétique soit minimale.In order to produce a vernier type structure, the consecutive multipolar stators are spaced along the axis xx 'of the motor, so that the annular projections 3 of the rod 1 are opposite only projections 13 of the pole core only one of the stators, as shown in the figures. Thus, taking the example shown, the pair of coils 8,9 being supplied, the movable rod 1 is positioned so that the reluctance opposite to the magnetic flux is minimal.

Ceci se produit lorsque les saillies annulaires 3 de la tige 1 sont précisément en regard des saillies correspondantes 13 du noyau polaire correspondant. il faut noter que sur la figure, seules deux paires de bobines ont été représentées bien qu'il en faille trois pour assurer un mouvement bidirectionnel,
Le flux engendré se referme selon un trajet transversal, c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe xx' de la tige 1, comme représenté par les fléchettes 19 et 20. Par la suite, cette tige ne subit aucune saturation magnétique axiale.This occurs when the annular projections 3 of the rod 1 are precisely opposite the corresponding projections 13 of the corresponding pole core. it should be noted that in the figure, only two pairs of coils have been represented although it takes three to ensure bidirectional movement,
The flow generated closes along a transverse path, that is to say perpendicular to the axis xx 'of the rod 1, as represented by the darts 19 and 20. Thereafter, this rod does not undergo any axial magnetic saturation .

Pour déplacer la tige, par exemple d'un mouvement ascendant, il suffit de couper l'alimentation de la paire de bobines 8,9 et d'alimenter la paire de bobines 10,11. A ce moment-là, le champ magnétique engendre une force dedirection axiale tendant à positionner la tige, de telle manière que la réluctance s'opposant au flux magnétique .soit minimale. Les saillies annulaires 3 de la tige magnétique 1 vont, de ce fait, se positionner en regard des saillies 13 du noyau polaire correspondant aux bobines 10 et 11.  To move the rod, for example in an upward movement, it suffices to cut the supply to the pair of coils 8,9 and to supply the pair of coils 10,11. At this time, the magnetic field generates an axial directional force tending to position the rod, so that the reluctance opposing the magnetic flux is minimal. The annular protrusions 3 of the magnetic rod 1 will therefore be positioned opposite the protrusions 13 of the polar core corresponding to the coils 10 and 11.

De façon à assurer un bon positionnement de ces éléments magnétiques 21 et, également, à servir de guide pour la tige 1, des bourrages en matériau amagnétique 22 et 23 sont prévus à l'intérieur de la chemise étanche 2, entre les éléments magnétiques 21 des différents noyaux polaires.In order to ensure proper positioning of these magnetic elements 21 and, also, to serve as a guide for the rod 1, jams made of non-magnetic material 22 and 23 are provided inside the waterproof jacket 2, between the magnetic elements 21 different polar nuclei.

L'entrefer actif, c'est-à-dire entre les saillies annulaires 3 de la tige 1 et les saillies 13 des noyaux.po- laires, est réduit, tandis qu'un entrefer parasite du à la présence de la chemise étanche 2 est créé dans le circuit magnétique statorique. Cependant, cet entrefer parasite est créé entre deux pièces magnétiques fixes disposées face à face, et par suite, la dispersion du flux magnétique dans cet entrefer est très réduite ; en outre, les surfaces des pièces magnétiques en regard sont maximales et il en résulte un rendement magnétique optimal.The active air gap, that is to say between the annular projections 3 of the rod 1 and the projections 13 of the polar cores, is reduced, while a parasitic air gap due to the presence of the waterproof jacket 2 is created in the stator magnetic circuit. However, this parasitic air gap is created between two fixed magnetic parts placed face to face, and consequently, the dispersion of the magnetic flux in this air gap is very reduced; in addition, the surfaces of the facing magnetic pieces are maximum and this results in an optimal magnetic efficiency.

Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, les saillies annulaires 13 sont moins haùtes que les évidements correspondants 14 et le rapport de leurs longueurs respectives est égal à 3/5. La profondeur de chaque évidement 14 est trois fois plus grande que la largeur de entrefer actif.According to a preferred embodiment of the invention, the annular projections 13 are less high than the corresponding recesses 14 and the ratio of their respective lengths is 3/5. The depth of each recess 14 is three times greater than the width of the active air gap.

Dans un exemple de réalisation, ltenceinte étanche 2, en acier inoxydable, avait une épaisseur de 10 mm et un diamètre extérieur de 100 mm. La largeur de entrefer actif était de 1 mm environ. Les dents avaient un pas de 8 mm, les évidements une profondeur de 3 mm. Avec une tige magnétique 1 de 78 mm de diamètre, les bobines inductrices de 468spireschacune avec un noyau principal de 230 mm de hauteur et 110 mm de largeur, la force atteinte a eté égale à 3000 newtons pour un c-ourant de 27 ampères. In an exemplary embodiment, the sealed enclosure 2, made of stainless steel, had a thickness of 10 mm and an outside diameter of 100 mm. The active air gap width was approximately 1 mm. The teeth had a pitch of 8 mm, the recesses a depth of 3 mm. With a magnetic rod 1 of 78 mm in diameter, the inductors of 468spires each with a main core of 230 mm in height and 110 mm in width, the force reached was equal to 3000 newtons for a current of 27 amps.

Bien évidemment, toute modification apportée par l'Homme de l'Art dans l'esprit de l'invention ne sortirait pas du cadre de la présente invention. Par exemple, il est évident que, pour obtenir une plus grande précision du positionnement de la tige et une plus grande amplitude possible de son mouvement, il est préférable de mettre en oeuvre plus de trois stators multipolaires puisque leur nombre ttest pas limité par une éventuelle saturation magnétique axiale de la tige, le trajet du flux magnétique ne prenant jamais une direction parallèle à l'axe dans la tige.Obviously, any modification made by a person skilled in the art in the spirit of the invention would not depart from the scope of the present invention. For example, it is obvious that, to obtain greater precision in the positioning of the rod and a greater possible amplitude of its movement, it is preferable to use more than three multipolar stators since their number is not limited by a possible axial magnetic saturation of the rod, the path of the magnetic flux never taking a direction parallel to the axis in the rod.

Toutefois, -on peut également augmenter la précision du mouvement et la force nominale transmise avec un moteur à trois stators en alimentant successivement un premier stator, punis un premier et un deuxième stators, puis le deuxième seul,puis le deuxième et le troisième simultanément, puis le troisième seul, puis le troisième et le premier simultanément, et ainsi de suite. Quand deux stators sont alimentés simultanément, 12intensité du courant peut être réduite en gardant une position stable, ce qui amène une réduction dela-consommation électrique.  However, it is also possible to increase the precision of the movement and the nominal force transmitted with a motor with three stators by successively supplying a first stator, punished a first and a second stator, then the second alone, then the second and the third simultaneously, then the third alone, then the third and the first simultaneously, and so on. When two stators are supplied simultaneously, the current intensity can be reduced by keeping a stable position, which leads to a reduction in power consumption.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. Moteur électrique à réluctance variable et à flux transversal engendrant un mouvement de translation exempt de tout mouvement de rotation, notamment prévu pour assurer la translation des barres de commande d'un réacteur nucléaire à l'intérieur dtune enceinte sous pression limitée par une chemise étanche ledit moteur étant caractérisé en ce qu?il comporte : une partie mobile constituée par une tige (1) en matériau magnétique munie de saillies annulaires (3) régulièrement espacées le long de l'axe de ladite tige, et au moins trois stators multipolaires entourant consécutivement ladite tige, chaque noyau polaire présentant, côté tige, des évide- ments annulaires (14), de manière à constituer des saillies (13) de même largeur et écartement que celles de la tige, l'espacement entre stators étant tel que les sail- lies de la tige et celles des noyaux polaires ne se trouvent en regard que pour l'un des stators,1. Electric motor with variable reluctance and transverse flow generating a translational movement free from any rotational movement, in particular provided for translating the control rods of a nuclear reactor inside a pressure vessel limited by a jacket watertight said motor being characterized in that it comprises: a mobile part constituted by a rod (1) made of magnetic material provided with annular projections (3) regularly spaced along the axis of said rod, and at least three multipole stators consecutively surrounding said rod, each pole core having, on the rod side, annular recesses (14), so as to constitute projections (13) of the same width and spacing as those of the rod, the spacing between stators being such that the sails of the rod and those of the polar cores are located opposite only for one of the stators, ladite chemise étanche (2)- en matériau amagnetique étant disposée en intersection du circuit magnétique statorique , des pièces magnétiques (2i) prolongeant lesdits noyaux polaires à l'intérieur de ladite chemise (2). said waterproof jacket (2) - made of non-magnetic material being disposed at the intersection of the stator magnetic circuit, magnetic parts (2i) extending said pole cores inside said jacket (2). 2. Moteur selon la revendication, caractérisé en ce que un bourrage (22,23) en matériau amagnétique est disposé entre les pièces magnétiques de ladite partie statorique dudit moteur à l'intérieur de ladite chemise (2) afin d'améliorer le positionnement et le guidage de la tige (î). 2. Motor according to claim, characterized in that a packing (22,23) of non-magnetic material is disposed between the magnetic parts of said stator part of said motor inside said jacket (2) in order to improve the positioning and the rod guide (î). 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la hauteur des dites saillies (13) et la hauteur des dits évidements (14) sont sensiblement dans le rapport 3/5.  3. Motor according to claim 1 or 2 characterized in that the height of said projections (13) and the height of said recesses (14) are substantially in the ratio 3/5. 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la profondeur de chaque évidement (14) est sensiblement trois fois plus grande que 'la largeur de l'entrefer actif.4. Motor according to any one of claims 1 to 3 characterized in that the depth of each recess (14) is substantially three times greater than 'the width of the active air gap. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ladite tige (1) est déplacée en alimentant successivement un premier stators puis le premier et le deuxième stators.ensemble, puis le deuxième seul, puis le deuxième et le troisième simultanément, puis le troisième seul, puis le troisième et le premier simultanément, et ainsi de suite. 5. Motor according to any one of claims 1 to 4 characterized in that said rod (1) is moved by successively supplying a first stators then the first and the second stators. Together, then the second alone, then the second and the third simultaneously, then the third alone, then the third and the first simultaneously, and so on.
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