FR2527858A1 - 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 A RELUCTANCE VARIABLE A ENCEINTE
ETANCHE
La présente invention concerne un moteur électrique à réluctance variable et à flux transversal engendrant un mouvement de rotation. Un tel moteur peut, par exemple assurer la translation des barres de commande à l'intérieur d'une enceinte sous pression dans un réacteur nucléaire apres conversion du mouvement, notamment au moyen d'un système vis-écrou.ENCLOSED VARIABLE RELUCTANCE ELECTRIC MOTOR
WATERPROOF
The present invention relates to an electric motor with variable reluctance and transverse flow generating a rotational movement. Such an engine can, for example ensure the translation of the control rods inside a pressure vessel in a nuclear reactor after conversion of the movement, in particular by means of a screw-nut system.

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 bars of boron carbide, 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 prevailing in the reactor vessel.

Selon le brevet français 1 371 802, un élément de transfert- de charge mécanique pourvu de mâchoires à trois positions et commandées à laide de solénoldes, est mis en oeuvre pour imprimer un mouvement de translation à la barre. Ce dispositif, fonctionnant à la maniere d'un électro-aimant, présente l'inconvénient d'imprimer 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 drawback of imparting an abrupt movement to its mobile 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 pu être valablement mis en oeuvre, dune part à cause du fait qu?il nécessite un trop grand nombre de bobines constituant la partie statorique au moteur et, d'autre part, à cause d'un mauvais rendement consécutif à une saturation de la tige, due 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 consists of 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 too many coils constituting the stator part of the motor and, on the other hand, because of a bad yield following a saturation of the rod, due to the axial concentration of the magnetic flux.

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

Dans ce but, le moteur électrique selon l'invention comporte : une partie rotorique constituée par une tige en matériau magnétique, munie de saillies régulièrement espacées autour de ladite tige ; au moins trois stators multipolaires entourant consécutivement ladite tige, chaque noyau polaire présentant des évidements côté tige, de manière à constituer des saillies de même largeur et écartement que celles de la tige, l'espacement 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 according to the invention comprises: a rotor part constituted by a rod of magnetic material, provided with projections regularly spaced around said rod; at least three multipole stators surrounding said rod consecutively, each pole core having recesses on the rod side, so as to constitute projections of the same width and spacing as those 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.

Une chemise étanche est disposée en intersection du circuit magnétique statorique, des pièces magnétiques prolongeant les noyaux polaires à l'intérieur de la chemise.A waterproof jacket is arranged at the intersection of the stator magnetic circuit, magnetic pieces extending the pole cores inside the jacket.

L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, à laquelle une planche de dessin est annexée, d'un mode de réalisation de l'invention.The invention will be better understood and other objects, characteristics and advantages will appear more clearly on reading the description which follows, to which a drawing board is appended, of an embodiment of the invention.

La figure unique représente schématiquement en demi coupe transversale un moteur électrique conforme à la présente invention.The single figure shows schematically in half cross section an electric motor according to the present invention.

En référence maintenant à cette figure unique, la partie rotorique du moteur, c'est-à-dire la tige 1, est disposée coaxialement dans une chemise étanche tubulaire 2. Referring now to this single figure, the rotor part of the motor, that is to say the rod 1, is arranged coaxially in a tubular waterproof jacket 2.

La tige 1, réalisée dans un matériau magnétique, est mu
nie de saillies 3, regulièrement espacées à la périphérie
de la tige.The rod 1, made of a magnetic material, is mu
denies protrusions 3, regularly spaced at the periphery
of the stem.

La partie statorique du moteur est constituée par un en
semble de forme générale tubulaire de même axe xx' que
la tige comprenant une culasse magnétique 12 et au moins
trois stators multipolaires qui sont constitués chacun
par une paire de bobines 8, 9 disposées autour du noyau
polaire. La chemise étanche 2 est disposée en intersection
du circuit magnétique statorique. Chaque noyau polaire qui se prolonge à l'intérieur de la chemise 2 à l'aide
d'un élément magnétique 21 présente, sur sa paroi
interne, des évidements 14, de manière à constituer des
saillies 13 disposées dans un môme plan transversal,
ces saillies 13 étant de même largeur et de même écar
tement que les saillies régulières 3 dont est pourvue
la tige 1.The stator part of the motor consists of a
appears to be generally tubular in shape with the same axis xx 'as
the rod comprising a magnetic yoke 12 and at least
three multipolar stators which are each made up
by a pair of coils 8, 9 arranged around the core
polar. The waterproof jacket 2 is arranged at an intersection
of the stator magnetic circuit. Each polar core which extends inside the jacket 2 using
a magnetic element 21 present on its wall
internal, of the recesses 14, so as to constitute
projections 13 arranged in the same transverse plane,
these projections 13 being the same width and the same gap
that the regular projections 3 which are provided
the rod 1.

De façon à réaliser une structure du type vernier, les axes des stators multipolaires consécutifs étant régulièrement répartis, on choisit le nombre de saillies :régulières.3 de la tige 1 de telle manière que ces saillies ne se trouvent en regard des saillies 13 du noyau polaire que pour l'un des stators comme représenté sur
la figure. Ainsi, en prenant exemple représenté, la paire de bobines 8, 9 etant 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 axes of the consecutive multipolar stators being regularly distributed, the number of projections is chosen: regular.3 of the rod 1 in such a way that these projections do not lie opposite the projections 13 of the core polar than for one of the stators as shown on
the figure. Thus, taking the example shown, the pair of coils 8, 9 being supplied, the movable rod 1
is positioned in such a way that the reluctance opposite to the magnetic flux is minimal.

Ceci se produit lorsque les saillies régulières 3 de la
tige 1 sont précisément en regard des saillies correspon
dantes 13 du noyau polaire correspondant.This occurs when the regular projections 3 of the
rod 1 are precisely opposite the corresponding projections
dantes 13 of the corresponding polar core.

Le flux engendré se referme selon un trajet transversal,
c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe de litige 1, comme représenté par les fléchettes 19 et 20. Par la suite,
cette tige ne subit aucune saturation magnétique axiale.The flow generated closes along a transverse path,
that is to say perpendicular to the axis of dispute 1, as represented by the darts 19 and 20. Thereafter,
this rod does not undergo any axial magnetic saturation.

Pour faire tourner la tige il suffit de couper l'alimen
tation de la paire de bobines 8, 9 et d'alimenter la paire de bobines voisine A ce moment-là, le champ magnétique engendre une force tendant à positionner la tige, de telle manière que la réluctance s'opposant au flux magnétique soit minimale. Les saillies régulières- 3 de la tige magnétique 1 vont, de ce fait, se positionner en regard des saillies 13 du noyau polaire correspondant aux bobines alimentées.To rotate the rod just cut the food
tion of the pair of coils 8, 9 and of supplying the pair of neighboring coils At this time, the magnetic field generates a force tending to position the rod, so that the reluctance opposing the magnetic flux is minimal . The regular projections 3 of the magnetic rod 1 will therefore be positioned opposite the projections 13 of the polar core corresponding to the powered coils.

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

Ainsi l'entrefer actif, c'est-à-dire entre les saillies 3 de la tige 1 et les saillies 13 des noyaux polaires, est très réduit.Thus the active air gap, that is to say between the projections 3 of the rod 1 and the projections 13 of the polar cores, is very reduced.

La chemise 2 qui assure l'étanchéité vis-à-vis du fluide primaire peut être réalisée aussi bien dans un matériau amagnétique-que dans un matériau magnétique par exemlple inoxydable. Avec une chemise mince, les efforts de pression exerces sur celle-ci sont-repris par la structure mme de la partie statorique.The jacket 2 which seals vis-à-vis the primary fluid can be made both in a non-magnetic material-in a magnetic material for example stainless. With a thin jacket, the pressure forces exerted on it are taken up by the very structure of the stator part.

il est évident que, pour obtenir une plus grande précision du positionnement de la tige il est préférable de mettre en oeuvre plus de trois stators multipolaires puisque leur nombre n'est pas limité par une éventuelle saturation magnétique axiale de la tige, le trajet du fluxmagnétique ne prenant jamais une direction parallèle à l'axe dans la tige. it is obvious that, to obtain greater precision in the positioning of the rod, it is preferable to use more than three multipole 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, puis 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.  However, it is also possible to increase the precision of the movement and the nominal force transmitted with a three-stator motor by successively supplying a first stator, then a first and a second stator, then the second only, then the second and the third simultaneously, then the third alone, then the third and the first simultaneously, and so on.

Quand deux stators sont alimentés simultanément, l'inten- sité du courant peut être réduite en gardant une position stable, ce qui amène une réduction de la consommaton électrique.When two stators are supplied simultaneously, the intensity of the current can be reduced by keeping a stable position, which leads to a reduction in electrical consumption.

On obtient ainsi un moteur pouvant avoir une très basse vitesse et un très fort couple moteur avec un grand nombre de positions possibles par tour.This produces a motor which can have a very low speed and a very high motor torque with a large number of possible positions per revolution.

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. 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.

Claims (4)

REVENDICATIONS i.- Moteur électrique à réluctance variable et à flux transversal engendrant un mouvement de rotation imprimé à un rotor disposé dans une chemise étanche, caractérisé en ce qu'il comporte . une partie rotorique constituée par une tige (i) en matériau magnétique munie de saillies (3) régulièrement espacées autour de ladite tige, et au moins trois stators multipolaires entourant consécutivement ladite tige, chaque noyau polaire présentant, côté tige, des évidements (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 saillies de la tige et celles des noyaux polaires ne se trouvent en regard que pour un des stators, ladite chemise étanche (2) étant disposée en intersection du circuit magnétique statorique, des pièces magnétiques (21) prolongeant lesdits noyaux polaires à l'intérieur de ladite chemise(2).i.- Electric motor with variable reluctance and transverse flow generating a rotational movement imparted to a rotor arranged in a sealed jacket, characterized in that it comprises. a rotor part constituted by a rod (i) made of magnetic material provided with projections (3) regularly spaced around said rod, and at least three multipole stators consecutively surrounding said rod, each pole core having, on the rod side, 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 projections of the rod and those of the pole cores are located opposite only for one of the stators, said waterproof jacket (2) being arranged at the intersection of the stator magnetic circuit, magnetic pieces (21) extending said pole cores inside said jacket (2). 2.- Moteur selon la revendication l, 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). 2.- Motor according to claim l, characterized in that a stuffing (22,23) in non-magnetic material is disposed between the magnetic parts of said stator part of said motor inside said jacket (2). 3.- Moteur selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que ladite chemise étanche (2) est réalisée aussi bien dans un materiau amagnetique que dans un matériau magnétique.3.- Motor according to claim i or 2, characterized in that said waterproof jacket (2) is made both in a non-magnetic material than in a magnetic material. 4.- Moteur selon l'une quelconque des revendications- i à 3, caractérisé en ce que ladite tige (i) est déplacée en alimentant successivement un premier stator, puis lepre- mier 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. 4.- Motor according to any one of claims- i to 3, characterized in that said rod (i) is moved by successively supplying a first stator, then lepremier and the second stators together, then the second only, 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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