RU2563967C1

RU2563967C1 - Linear pulse motor of executive mechanism of nuclear reactor control and protection

Info

Publication number: RU2563967C1
Application number: RU2014126957/07A
Authority: RU
Inventors: Михаил Юрьевич Кудрявцев
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2015-09-27

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: invention represents the linear pulse motor of the executive mechanism of the nuclear reactor control and protection system containing the cylindrical housing, the stator with circular induction windings fixed inside, and the armature located in the stator and moving under the action of the longitudinal magnetic field. Each stator winding has circular cylindrical shape and is located between internal and external magnetically conductive pipes and end face magnetically conductive disks. The space between the winding and the external pipe is filled with plastic heat-conducting material, and the external pipe consists of the longitudinal strips installed with gaps among themselves. Besides, opposite to strips in the housing the holes sealed along the perimeter are made.

EFFECT: decrease of temperature differences providing reliability and increased service life of the engine in conditions of passive cooling at natural convection.

2 dwg

Description

Изобретение относится к исполнительным механизмам системы управления и защиты ядерных реакторов, а именно к конструкциям линейных шаговых двигателей (ЛШД), которые используются в качестве приводов рабочих органов управления.The invention relates to actuators of a control system and protection of nuclear reactors, and in particular to designs of linear stepper motors (LSD), which are used as drives of working controls.

К устройствам рассматриваемого типа предъявляются высокие критерии по безопасности, надежности и продолжительности работы. В ряде случаев их эксплуатация происходит в условиях значительных термических нагрузок и высокой химической и радиационной агрессивности, требующих специальных мер по охлаждению и изолированию от окружающей среды элементов конструкции ЛШД, в частности электрических обмоток.The devices of this type are subject to high criteria for safety, reliability and uptime. In a number of cases, their operation occurs under conditions of significant thermal loads and high chemical and radiation aggressiveness, requiring special measures for cooling and isolating from the environment structural elements of the LSD, in particular electrical windings.

Наиболее близким аналогом изобретения является ЛШД универсального исполнительного механизма системы управления и защиты исследовательского реактора, содержащий цилиндрический корпус, закрепленный в нем статор с индукционными обмотками и стержневой якорь, передвигающийся внутри статора под действием продольного магнитного поля. Каждая обмотка статора имеет кольцевую цилиндрическую форму и расположена внутри магнитопровода, образованного внутренней и наружной трубами и торцевыми дисками. При этом наружная труба и диски выполнены из магнитопроводящего материала, а внутренняя труба состоит из чередующихся магнито- и немагнитопроводящих участков («Основы конструирования исполнительных механизмов управления ядерных реакторов», И.Я. Емельянов, В.В. Воскобойников, Б.А. Масленок, 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1987, стр. 69-70).The closest analogue of the invention is the LSD of the universal actuator of the research reactor control and protection system, comprising a cylindrical body, a stator fixed therein with induction windings and a rod armature moving inside the stator under the action of a longitudinal magnetic field. Each stator winding has an annular cylindrical shape and is located inside the magnetic circuit formed by the inner and outer tubes and end disks. In this case, the outer tube and disks are made of magnetically conductive material, and the inner tube consists of alternating magnetically and non-magnetically conductive sections ("Fundamentals of Designing Executive Control Mechanisms for Nuclear Reactors", I.Ya. Emelyanov, VV Voskoboinikov, B.A. Maslenok , 2nd ed. - M.: Energoatomizdat, 1987, p. 69-70).

Известное устройство имеет ряд недостатков. Размещение обмоток с магнитопроводами в корпусе обеспечивает герметичность ЛШД, но в то же время существенно ухудшает передачу тепла, выделяемого в обмотках, в окружающую среду. При этом значительный температурный перепад образуется как в зазоре между наружной трубой магнитопровода и внутренней поверхностью корпуса, так и внутри наружной трубы на границе с обмоткой, где также имеется зазор из-за неровной укладки обмоточного провода.The known device has several disadvantages. The placement of windings with magnetic circuits in the housing ensures the tightness of the LSD, but at the same time significantly worsens the transfer of heat released in the windings into the environment. In this case, a significant temperature difference is formed both in the gap between the outer pipe of the magnetic circuit and the inner surface of the housing, and inside the outer pipe at the border with the winding, where there is also a gap due to uneven stacking of the winding wire.

Высокая вероятность перегрева обмоток ЛШД существенно ограничивает возможности применения данного устройства. В частности, как показывают расчеты, при использовании этого устройства без принудительного охлаждения в ядерном реакторе с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем не удовлетворяются требования по надежности и срокам эксплуатации.The high probability of overheating of the LSD windings significantly limits the possibilities of using this device. In particular, calculations show that when using this device without forced cooling in a nuclear reactor with a heavy liquid metal coolant, the requirements for reliability and service life are not satisfied.

Задачей настоящего изобретения является расширение области применения, повышение надежности и улучшение технико-экономических показателей ЛШД.The objective of the present invention is to expand the scope, increase reliability and improve the technical and economic indicators of LSD.

Достигаемый в изобретении технический результат состоит в том, что в предложенном устройстве существенно улучшен отвод тепла от обмоток в окружающую среду за счет комбинации двух факторов - уменьшения теплового сопротивления зазора между обмоткой и ее наружной трубой и исключением теплового сопротивления корпуса и зазора между корпусом и наружной трубой. Такое снижение перепадов температуры по сечению ЛШД улучшает его рабочие характеристики, так как появляется дополнительный запас до пороговых значений, при которых наступает перегрев и межвитковое замыкание в обмотках. При этом конструкция ЛШД остается герметичной, поэтому его можно надежно и безопасно эксплуатировать в режимах, недостижимых для известного устройства.The technical result achieved in the invention is that in the proposed device, heat removal from the windings to the environment is significantly improved due to a combination of two factors - reducing the thermal resistance of the gap between the winding and its outer pipe and eliminating the thermal resistance of the housing and the gap between the housing and the outer pipe . Such a decrease in temperature differences over the cross section of the LSD improves its performance, as there is an additional margin to threshold values at which overheating and interturn circuit in the windings occur. At the same time, the design of the LSD remains tight, so it can be reliably and safely operated in modes unattainable for the known device.

Дополнительным преимуществом изобретения является то, что заявленный ЛШД отличается уменьшенным весом.An additional advantage of the invention is that the claimed LSD has a reduced weight.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что линейный шаговый двигатель исполнительного механизма системы управления и защиты ядерного реактора содержит цилиндрический корпус, закрепленный в нем статор с кольцевыми обмотками, каждая из которых размещена между внутренней и наружной магнитопроводящими трубами и торцевыми магнитопроводящими дисками, и расположенный внутри статора якорь, а пространство между обмоткой и наружной трубой заполнено пластичным теплопроводящим материалом. При этом наружная труба состоит из продольных полос, установленных с зазорами между собой, а напротив полос в корпусе выполнены отверстия, герметизированные по периметру.The technical result of the invention is achieved due to the fact that the linear stepper motor of the actuator of the control system and protection of the nuclear reactor contains a cylindrical body, a stator fixed therein with ring windings, each of which is located between the inner and outer magnetically conducting pipes and end magnetically conducting disks, and located inside the stator is anchored, and the space between the winding and the outer tube is filled with plastic heat-conducting material. In this case, the outer pipe consists of longitudinal strips installed with gaps between each other, and opposite to the strips in the housing there are holes sealed around the perimeter.

На фиг. 1 показан частичный продольный разрез ЛШД в соответствии с изобретением, а на фиг. 2 - его поперечный разрез.In FIG. 1 shows a partial longitudinal section of an LSD in accordance with the invention, and FIG. 2 - its cross section.

ЛШД содержит цилиндрический корпус 1, вставленный в него статор с индукционными обмотками 2 и стержневой якорь 3, передвигающийся внутри статора под действием продольного магнитного поля. Обмотка статора имеет кольцевую цилиндрическую форму и размещена между внутренней трубой 4, наружной трубой 5 и двумя торцевыми дисками 6, которые в совокупности образуют магнитопровод обмотки. При этом наружная труба 5 и диски 6 выполнены из магнитопроводящего материала, а внутренняя труба 4 состоит из чередующихся магнито- и немагнитопроводящих участков.The LSD contains a cylindrical housing 1, a stator with induction windings 2 and a rod armature 3 inserted inside it, moving inside the stator under the action of a longitudinal magnetic field. The stator winding has an annular cylindrical shape and is placed between the inner tube 4, the outer tube 5 and two end disks 6, which together form the magnetic core of the winding. In this case, the outer tube 5 and the disks 6 are made of magnetically conductive material, and the inner tube 4 consists of alternating magnetically and non-magnetically conductive sections.

В соответствии с изобретением наружная труба 5 выполнена продольно-разрезной. При изготовлении ЛШД каждую продольную полосу 7, из которых собирают наружную трубу 5, по отдельности устанавливают между кольцевыми дисками 6, накладывая на наружную поверхность обмотки таким образом, чтобы между соседними полосами оставался продольный зазор 8.In accordance with the invention, the outer pipe 5 is longitudinally split. In the manufacture of LSD, each longitudinal strip 7 from which the outer tube 5 is assembled is individually installed between the annular disks 6, superimposed on the outer surface of the winding so that a longitudinal gap 8 remains between adjacent strips.

Поскольку наружная труба состоит из продольных полос, зазоры 8 между полосами практически не препятствуют прохождению магнитного поля и не ухудшают характеристики магнитопровода, но при этом позволяют компенсировать отклонения наружного диаметра обмотки и обеспечить максимально плотное прилегание полос к обмотке.Since the outer tube consists of longitudinal strips, the gaps 8 between the strips practically do not impede the passage of the magnetic field and do not worsen the characteristics of the magnetic circuit, but at the same time they make it possible to compensate for deviations in the outer diameter of the winding and to ensure the most tight fit of the strips to the winding.

Перед установкой полос их внутренняя поверхность предварительно покрывается теплопроводящим пластичным материалом 9, поэтому при наложении полосы на обмотку 2 обеспечивается гарантированное заполнение этим материалом пространства между ними, образованного неровностями намотки. Излишки материала удаляются при этом через продольные зазоры 8.Before installing the strips, their inner surface is preliminarily coated with a heat-conducting plastic material 9, therefore, when a strip is applied to the winding 2, it is guaranteed that this material will fill the space between them formed by winding irregularities. Excess material is removed through the longitudinal clearances 8.

В соответствии с изобретением в корпусе 1 напротив полос 7 выполнены сквозные отверстия 10, например, в виде прямоугольных окон, как показано на фиг 1. Отверстия 10 имеют несколько меньший, чем у полос, размер, чтобы по периметру их кромок могла быть выполнена герметизация стыка, например, с помощью клея. Зазоры 8 остаются скрытыми под корпусом 1 между отверстиями 10 и достаточными для компенсации неравномерностей намотки обмоточного провода и укладки в них выводов обмоток и измерительных датчиков.In accordance with the invention, through holes 10 are made in the housing 1 opposite the strips 7, for example, in the form of rectangular windows, as shown in Fig 1. The holes 10 have a slightly smaller size than the strips so that a joint seal can be made along the perimeter of their edges , for example, with glue. The gaps 8 remain hidden under the housing 1 between the holes 10 and are sufficient to compensate for irregularities in the winding of the winding wire and for laying the leads of the windings and measuring sensors in them.

Герметизация отверстий 10 по всему периметру изолирует внутреннюю полость ЛШД от окружающей среды, а в пределах отверстия обеспечивается непосредственный контакт наружной трубы 5 с окружающей средой. В результате происходит прямая теплоотдача с поверхности трубы, что существенно понижает температуру в обмотках. Возможное отклонение от соосности корпуса 1 и полос 7 из-за наложения полос на неровности намотки при сборке статора в данном случае не влияет на теплопередачу. Напротив, при отсутствии отверстий 10 зазор между трубой 5 и корпусом 1 привел бы к значительному нагреву обмоток, а отсутствие соосности его локально еще более бы усилило.Sealing the holes 10 around the entire perimeter isolates the internal cavity of the LSD from the environment, and within the hole provides direct contact of the outer pipe 5 with the environment. As a result, direct heat transfer from the pipe surface occurs, which significantly lowers the temperature in the windings. A possible deviation from the alignment of the housing 1 and the strips 7 due to the overlap of the strips on the winding irregularities during the assembly of the stator in this case does not affect the heat transfer. On the contrary, in the absence of holes 10, the gap between the pipe 5 and the casing 1 would lead to a significant heating of the windings, and the absence of alignment locally would further strengthen it.

Надежность работы заявленного устройства и его промышленная применимость экспериментально апробировались в испытаниях макета исполнительного механизма системы управления и защиты ядерного реактора с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. Условия эксплуатации в этом случае предполагают пассивное охлаждение установленного вертикально ЛШД за счет естественной конвекции воздушной среды и отсутствие систем принудительной вентиляции обмоток или их водяного охлаждения.The reliability of the claimed device and its industrial applicability were experimentally tested in testing a prototype of the actuator of the control system and protection of a nuclear reactor with a heavy liquid metal coolant. The operating conditions in this case involve passive cooling of the vertically mounted LSD due to the natural convection of the air environment and the absence of forced ventilation systems for the windings or their water cooling.

В данном примере в немагнитопроводящем корпусе ЛШД, имеющем отверстия в виде прямоугольных окон, размещался статор, снабженный четырьмя одинаковыми обмотками, намотанными на внутреннюю трубу, сваренную из одинаковых магнитопроводящих колец, чередующихся с немагнитными кольцами с постоянным шагом в пределах обмотки и с широкими немагнитными кольцами между обмотками.In this example, in the non-magnetic conductive housing of the LSD, which had openings in the form of rectangular windows, a stator was placed, equipped with four identical windings wound on an inner pipe, welded from the same magnetic conductive rings, alternating with non-magnetic rings with a constant pitch within the winding and with wide non-magnetic rings between windings.

К торцам обмотки примыкали магнитопроводящие кольцевые диски-полюсы, посаженные на крайние магнитопроводящие кольца внутренней трубы. Снаружи обмотку окружала разрезная наружная труба магнитопровода, приваренная торцами к дискам-полюсам. Она состояла из 6 продольных полос с зазорами порядка 3 мм между полосами. Зазор между обмоткой и наружной трубой был заполнен теплопроводящим гелем-герметиком.Magnetically conducting annular disk disks-poles adjoined to the ends of the winding, mounted on the extreme magnetically conducting rings of the inner pipe. Outside, the winding was surrounded by a split outer pipe of the magnetic circuit, butt-welded to the pole poles. It consisted of 6 longitudinal strips with gaps of the order of 3 mm between the strips. The gap between the winding and the outer pipe was filled with heat-conducting gel sealant.

Во время работы данного устройства усилие перемещения якоря создается импульсами постоянного тока, проходящими через обмотки в заданном напряжением порядке. Для ускорения выхода на заданную напряжением величину тока в начале импульса подается короткий форсирующий импульс повышенного напряжения. Ток, протекающий в обмотке, создает вокруг обмотки магнитный поток в замкнутом контуре «наружная труба магнитопровода - полюс - магнитопроводящие кольца статора и якоря - полюс - наружная труба» и приводит якорь на каждом шаге в положение равновесия с вертикальной нагрузкой. Широкие немагнитные кольца статора между обмотками отделяют магнитные потоки соседних обмоток и задают сдвиг положений равновесия, равный четверти шага колец якоря.During operation of this device, the force of movement of the armature is created by pulses of direct current passing through the windings in a predetermined voltage order. To accelerate the output to the specified voltage, the current at the beginning of the pulse is supplied with a short boost pulse of increased voltage. The current flowing in the winding creates a magnetic flux around the winding in a closed circuit "outer tube of the magnetic circuit - pole - magnetically conducting rings of the stator and anchors - pole - outer tube" and leads the armature at each step to the equilibrium position with a vertical load. The wide non-magnetic stator rings between the windings separate the magnetic fluxes of the adjacent windings and set the equilibrium shift equal to a quarter of the pitch of the armature rings.

Проведенные расчеты и испытания показали, что применительно к конструкциям исполнительных механизмов системы управления и защиты ядерных реакторов с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем использование заявленного изобретения обеспечивает выполнение существующих требований по надежности и срокам эксплуатации ЛШД.The calculations and tests showed that in relation to the designs of actuators of the control system and protection of nuclear reactors with heavy liquid metal coolant, the use of the claimed invention ensures the fulfillment of existing requirements for the reliability and useful life of the LSD.

Claims

A linear stepper motor of the actuator of the control and protection system of a nuclear reactor, comprising a cylindrical body, a stator fixed therein with ring windings, each of which is located between the inner and outer magnetic conductive tubes and end magnetic conductive disks, and an anchor located inside the stator, characterized in that the space between the winding and the outer tube is filled with plastic heat-conducting material, the outer tube consists of longitudinal strips installed with gaps between on itself, and opposite to the strips in the case, holes are made that are sealed around the perimeter.