CARR控制棒驅動機構試驗樣機電磁力研究

朱學微，甄建霄，王玉林，殷浩哲，賈月光，楊 坤

（1.中國原子能科學研究院 反應堆工程研究設計所，北京 102413；2.南華大學 核科學技術學院，湖南 衡陽 421001）

CARR控制棒驅動機構試驗樣機電磁力研究

朱學微1，甄建霄1，王玉林1，殷浩哲2，賈月光1，楊 坤1

（1.中國原子能科學研究院 反應堆工程研究設計所，北京 102413；2.南華大學 核科學技術學院，湖南 衡陽 421001）

為獲得中國先進研究堆（CARR）控制棒驅動機構電磁力及電磁場分布，對控制棒驅動機構進行了受力分析，設計制造CARR控制棒驅動機構試驗樣機。在試驗樣機上進行了電磁力試驗，使用有限元分析軟件Ansoft Maxwell對試驗樣機電磁場及電磁力分布進行仿真分析，計算得到了試驗樣機磁感應強度分布曲線和電磁力分布數據，以及永磁體磁場對電磁場的影響和結構參數對電磁力的影響。仿真結果與試驗值符合較好，研究結果為CARR控制棒驅動機構電磁力研究和同類型控制棒驅動機構設計提供了參考。

中國先進研究堆；控制棒驅動機構；電磁力；有限元分析

Key words：China Advanced Research Reactor；control rod drive mechanism；electromagnetic force；finite element analysis

中國先進研究堆（CARR）采用先進的磁力傳動式控制棒驅動機構，利用電磁傳動方式提升、下降、保持控制棒組件，達到控制反應堆啟動、調節反應堆功率的目的，通過斷電，控制棒在重力作用下以自由落體方式實現快速落棒停止反應堆［1］。為獲得CARR控制棒驅動機構電磁參數，本工作根據CARR控制棒驅動機構結構和功能制造試驗樣機，通過對控制棒驅動機構試驗樣機的有限元仿真得到電磁力及電磁場分布、永磁體磁場對電磁場的影響和結構參數對電磁力的影響，旨為CARR控制驅動機構反轉特性優化研究提供必需的參考數據和研究工具，通過試驗驗證有限元分析的合理性和可靠性。

1 CARR控制棒驅動機構

CARR控制棒驅動機構結構示于圖1?？刂瓢艏案S體組件通過連桿組件與銜鐵組件相連接，二者在密封套筒內，組件中間有冷卻劑流過，驅動線圈在密封套筒外面與滾軸絲杠剛性連接。當驅動線圈通電后產生電磁力，吸引密封套筒里的銜鐵組件同步運動，步進電機帶動滾軸絲杠轉動，使驅動線圈上下移動，通過電磁傳動使銜鐵組件上下移動，銜鐵組件帶動控制棒升降，實現反應堆啟動、控制反應堆的功率水平［2］。當驅動線圈斷電后電磁力消失，銜鐵組件和控制棒以及跟隨體組件無法保持原位，依靠重力和冷卻劑動壓自由下落，可保證反應堆快速安全停堆。

圖1 控制棒驅動機構結構示意圖Fig.1 Configuration diagram of control rod drive mechanism

2 CARR控制棒驅動機構試驗樣機

根據CARR控制棒驅動機構的結構和功能，設計制造了試驗樣機，其結構尺寸按CARR驅動機構3個磁路中的1個進行加工制造，試驗樣機結構如圖2所示，驅動線圈骨架采用“╢╟”型結構，由兩段線圈并聯組成，繞線匝數與CARR驅動機構一段磁路相同。試驗樣機銜鐵組件由兩端材料為釹鐵硼永磁鐵、中間為0Cr13鐵芯組成。試驗樣機隔離套筒材料為不銹鋼0Cr18Ni10Ti，線圈盒材料為0Cr13。依靠3個互成120°的定位桿保證樣機的垂直度與同心度。砝碼箱通過芯桿與銜鐵組件剛性連接，模擬驅動線負重。光柵尺記錄試驗過程中銜鐵組件相對驅動線圈的位移變化。底部設有緩沖墊緩沖砝碼箱下落時產生的沖擊。

3 仿真建模分析

使用有限元分析軟件Ansoft Maxwell對試驗樣機進行建模分析［3－4］，其模型如圖3所示。建模時進行一些簡化，不銹鋼材料的磁導率相當于空氣［5］，在建模中不銹鋼材料、氣隙等介質設置均為空氣。線圈繞線為4 000匝，共8 000匝，仿真中將兩組線圈視為1組，由于并聯，激勵值為安匝數，計算公式為：安匝數＝2×4 000×I／2（I為通電電流）。

電磁力受驅動電流影響，改變驅動電流，得到電磁力與電流變化的關系。驅動電流設置在0.5～2.3A變化，每0.1A計算1次。仿真數據列于表1。

圖4為電磁力仿真值與試驗值對比，可看到在0.5～2.3A電流區間內，仿真值與試驗值符合較好，該仿真模型對試驗樣機模擬仿真結果是可靠的。

圖2 試驗樣機結構示意圖Fig.2 Configuration diagram of experimental machine

圖3 試驗樣機模型示意圖Fig.3 Model diagram of experimental machine

電磁力受銜鐵組件相對驅動線圈位置的變化影響，改變二者相對位置，即得到電磁力隨相對位置的分布。銜鐵組件相對驅動線圈位置在＋50～－50mm變化，計算得到電磁力相對分布如圖5所示，橫坐標為銜鐵對于驅動線圈相對位置，從圖中可看到，隨著銜鐵相對驅動線圈位置從正到負變化，電磁力的變化為由小變大到達極點后又變小。根據試驗樣機試驗記錄顯示，在通電時，樣機電磁力工作點主要分布于曲線右側。

表1 電磁力隨電流變化的仿真數據Table 1 Simulation data of electromagnetic force following current change

圖4 電磁力仿真值與試驗值對比Fig.4 Comparison of electromagnetic force between simulation and experiment values

圖5 試驗樣機電磁力分布Fig.5 Electromagnetism force of experimental machine

經Ansoft Maxwell計算得到試驗樣機的電磁場分布。圖6示出仿真磁力線圖和磁感應強度圖。分析圖6發現：通電后，驅動線圈、線圈盒、銜鐵組件和主氣隙形成磁回路，磁路中的磁感應強度隨線圈通電電流的增加而增加，磁路中磁感應強度最強處為上永磁鐵和線圈上部之間的主氣隙。

為研究永磁體磁場對電磁場的影響，在仿真模型中將永磁體去除后進行有限元分析，去除永磁體前后系統磁感應強度對比如圖7所示。圖中，去除上永磁體后在主氣隙處磁感應強度明顯減弱，去除下永磁體后，銜鐵下部和線圈盒之間磁感應強度走向發生偏移，使銜鐵下部出現部分磁化不均的情況。永磁體磁場可增加電磁場主氣隙處磁感應強度，并改變下部氣隙磁感應強度分布，使銜鐵磁化更加均勻。

圖6 仿真磁力線圖（a、b）和磁感應強度圖（c、d）Fig.6 Simulation magnetism diagram（a，b）and magnetic induction intensity diagram（c，d）

圖8a為永磁體磁場對電磁力影響曲線。從圖8a可看出，去除永磁體后系統電磁力明顯下降，永磁體磁場對電磁力有較大影響。

為研究電磁系統各結構參數對系統電磁力的影響，在有限元分析中對銜鐵尺寸、氣隙尺寸、線圈盒尺寸等主要結構參數進行參數化建模，得到各結構參數對電磁力的影響示于圖8b、c、d。

圖8b中，x1坐標為銜鐵半徑，h1坐標為銜鐵長度，z坐標為電磁力。x1取值區間為（10mm，21mm），h1取值區間為（100mm，130mm），可看出，電磁力隨銜鐵半徑的增加而增加，但銜鐵半徑對電磁力影響幅度有限；電磁力隨銜鐵長度的增加先增加后減小，其中存在一峰值，說明銜鐵長度對電磁力影響較為顯著，在設計銜鐵長度時應選擇最優長度。

圖7 永磁體磁場對電磁場的影響Fig.7 Effect of permanent magnetic field on electromagnetic field

圖8 永磁體磁場、銜鐵尺寸、氣隙尺寸和線圈盒尺寸對電磁力的影響Fig.8 Effect of permanent magnetic field，armature size，air-gap size and coil-box size on electromagnetic force

圖8c中，氣隙尺寸取值區間為（1mm，9mm），可看出電磁力受氣隙尺寸影響較大，電磁力隨氣隙變大而急劇減小。氣隙尺寸為密封套筒厚度和間隙（空氣）尺寸之和，因此在設計密封套筒厚度時應兼顧套筒作為冷卻劑壓力邊界的安全性和對電磁力的影響兩方面因素綜合考慮。

圖8d中，z1坐標為線圈盒高度，r1坐標為線圈盒半徑。線圈盒高度取值區間為（146mm，186mm），線圈盒半徑取值區間為（35mm，50mm），線圈盒的尺寸直接影響磁路中導磁材料的體積，可看出，電磁力隨線圈盒高度的增加先增加后減小，隨線圈盒半徑增加而增加，當線圈盒半徑達某一值后電磁力受線圈盒半徑增加的影響變小，曲線趨于水平。

綜上所述，在設計線圈盒時，線圈盒高度應合理選擇在電磁力最大的區間，增加線圈盒半徑可提高導磁體體積，當線圈盒半徑到達一定數值后，增加線圈盒半徑將不會提高電磁力，為避免浪費材料和4組驅動機構間的相互干擾，線圈盒半徑應合理選擇。

4 銜鐵組件受力分析

CARR控制棒驅動機構驅動線圈與銜鐵組件中間設置有1個隔離套筒，二者之間為磁力連接。銜鐵在工作時受到的力為重力、電磁力和摩擦力的合力，該摩擦力來自于與銜鐵剛性連接的驅動線上的摩擦。以驅動機構由上向下轉向過程為例對銜鐵組件進行受力分析，銜鐵組件受力分析如圖9所示。

在t1時刻銜鐵組件向上運動過程如圖9a所示，銜鐵組件受到方向向下的動摩擦力f動和重力mg，以及向上的電磁力F，F≥mg＋f動。

圖9b中在t1－t2時刻發生轉向，此時銜鐵相對于線圈的位置開始變化，線圈轉向向下運動，f動改變方向變為向上，此時mg＜F＋f動，銜鐵保持不動，動摩擦力變為靜摩擦力f靜，隨著銜鐵相對線圈位置發生改變，F減小，在t2時刻，線圈相對銜鐵位置由d1變為d2。

圖9c中，在t2時刻后，電磁力F減小為F′，mg≥F′＋f靜，銜鐵開始隨線圈向下運動。銜鐵組件受到的電磁力變化如圖9d中曲線所示。

圖9 銜鐵組件受力示意圖Fig.9 Force analysis diagram of iron subassembly

整個過程中受到的電磁力均向上。當線圈電流為零時，電磁力F為零，mg＞f動，銜鐵自由落體下落。同理可知，由下向上轉向運動時，電磁力在轉向過程中逐漸增大，當電磁力增大到F≥mg＋f動時，銜鐵開始跟隨線圈向上運動。在驅動機構工作過程中，電磁力始終保持方向向上，并隨銜鐵與線圈相對位置的變化而改變。

5 試驗樣機電磁力測試試驗

試驗時將驅動線圈推至一定高度，由3個定位桿上的定位螺栓將驅動線圈固定，通電后，將砝碼箱提升，當銜鐵組件提升至驅動線圈磁場內，由于電磁力的作用使銜鐵組件保持在這一位置，向砝碼箱內逐次加入重量為71N的砝碼，在配重接近仿真計算值時改用小重量砝碼，直至落棒，砝碼重量加驅動線自重即為該電流下樣機的最大電磁力。銅質漆包線允許通過的最大電流值I≈3倍導線橫截面積［6］，驅動線圈允許加載的最大電流理論值約為2.308A。以0.1A為電流臺階，重復上述試驗步驟，樣機在不同通電電流下的電磁力列于表2。

表2 試驗樣機電磁力隨電流變化的試驗數據Table 2 Experiment data of electromagnetic force following current change

6 結論

根據CARR控制棒驅動機構結構和功能搭建了控制棒驅動機構試驗樣機，該試驗樣機是對堆內控制棒驅動機構3個磁路中的1個磁路進行模擬。通過仿真方法獲得試驗樣機內部電磁力的分布和磁感應強度隨電流的變化，對比試驗樣機試驗中記錄的銜鐵相對線圈位置，發現銜鐵工作區域集中在電磁力分布曲線右側；磁路中磁感應強度隨通電電流的增大而增大，最大磁感應強度集中于驅動線圈與銜鐵組件上部主氣隙處。

對電磁系統進行了有限元建模分析，永磁體磁場對電磁場的影響為：上永磁體增加主氣隙處磁感應強度，下永磁體改變磁通量走向，使銜鐵磁化更加均勻，永磁體磁場對系統電磁力有顯著提高。在對這一類型控制棒驅動機構進行設計時應盡可能減小氣隙尺寸，合理選擇銜鐵尺寸和線圈盒尺寸，銜鐵尺寸和線圈盒高度過長或過短均會減小電磁力，增加線圈盒半徑可提高電磁力，半徑在達到一定尺寸后將不會提升電磁力。

對銜鐵組件進行受力分析，在驅動機構轉向過程中，電磁力隨驅動線圈與銜鐵組件相對位置改變而變化，使銜鐵組件適應線圈的轉向。在試驗樣機上進行了通電電流與電磁力變化試驗，試驗發現，隨通電電流的增大電磁力也隨之增大。對比仿真結果和試驗結果表明，仿真模型對試驗樣機模擬較好，平均誤差為3.02%，為同類型控制棒驅動機構設計提供了參考。

［1］ 張應超，高永光，張明葵，等.CARR控制棒驅動機構堆外調試試驗［J］.原子能科學技術，2013，47（8）：1 380-1 382.

ZHANG Yingchao，GAO Yongguang，ZHANG Mingkui，et al.Out of pile commissioning test of CARR control rod driving mechanism［J］.Atomic Energy Science and Technology，2013，47（8）：1 380-1 382（in Chinese）.

［2］ 張繼革.控制棒可動線圈電磁驅動機構的研究［D］.北京：清華大學，2003.

［3］ 趙博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［4］ 劉國志，趙凌志，蔣繼婭.Ansoft工程電磁場有限元分析［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［5］ 鐘文定.技術磁學［M］.北京：科學出版社，2009.

［6］ 方大千.常用電工手冊［M］.北京：機械工業出版社，2012.

Study on Electromagnetism Force of CARR Control Rod Drive Mechanism Experimental Machine

ZHU Xue-wei1，ZHEN Jian-xiao1，WANG Yu-lin1，YIN Hao-zhe2，JIA Yue-guang1，YANG Kun1
（1.China Institute of Atomic Energy，P.O.Box275-100，Beijing102413，China；2.Institute of Nuclear Science and Technology，University of South China，Hengyang421001，China）

With the aim of acquiring electromagnetic force and electromagnetic field distributions of control rod drive mechanism（CRDM）in China Advanced Research Reactor（CARR），the force analysis on the CRDM was taken.Manufacturing the experimental machine，the electromagnetic force experiment was taken on it.The electromagnetic field and electromagnetic force simulation analyses of experimental machine were taken，working out distribution data of electromagnetic force and magnetic induction intensity distribution curve，and the effects of permanent magnetic field on electromagnetic field and structure parameters on electromagnetic force.The simulation value is accord with experiment value，the research results provide a reference to electromagnetic force study on CRDM in CARR，and also provide a reference to design of the same type CRDM.

TL35

：A

：1000-6931（2015）04-0725-07

10.7538／yzk.2015.49.04.0725

2013-12-23；

2014-04-24

朱學微（1985—），男，內蒙古赤峰人，博士研究生，核能科學與工程專業