圓柱形感應式鈉電磁泵性能仿真分析

張川 宋德寬

摘 要：鈉電磁泵具有無轉動部件、無需動密封、安裝維護方便等諸多優點。鈉冷快堆輔助系統及中小流量鈉試驗設施主要采用電磁泵作為動力源。本文通過對圓柱形感應式鈉電磁泵建模仿真，具體分析影響鈉電磁泵性能的因素，通過仿真分析發現，鈉液厚度、繞組匝數、槽口寬度及高度、初級鐵心數、內鐵心材料等因數均對電磁泵性能有重要影響。

關鍵詞：鈉電磁泵;仿真分析;電磁泵性能

中圖分類號：TH35 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）10-0102-03

1背景

鈉冷快堆電站以液態金屬鈉作為冷卻劑，其輔助工藝系統鈉的傳輸主要通過電磁泵完成。與機械鈉泵相比，電磁泵具有：（1）無轉動部件，無需動密封;（2）操作、控制簡單等優點，中國實驗快堆的鈉充排系統、鈉凈化系統、氫計的取樣支路以及中小流量鈉試驗設施主要采用鈉電磁泵作為動力源，目前國內外關于鈉電磁泵方面的研究較少[1-3]。

2 三維模型的建立

電磁泵整體幾何模型如圖1（a）所示，其圓周方向由六塊高導磁材料構成。考慮到泵在圓周的對稱性，因此在計算分析時采用1/6模型進行簡化，如圖1（b）所示。電磁泵主要設計參數如表1所示。

3鈉電磁泵性能影響因素仿真分析

3.1 鈉液厚度的影響

氣隙長度直接決定了激磁電抗的大小，從而影響泵的磁密，進而影響輸出壓力。圖2給出了流速為零時的壓力和繞組電流與鈉液厚度的變化關系。可以看出，隨著鈉液厚度增加，泵的壓力和以鈉液厚度為3mm和6.5mm為例，圖3給出了兩種狀態下鈉液中的磁密法向分量，3mm和6.5mm鈉液厚度時鈉液中磁密為0.28T、0.2T，在鈉液厚度增加了116%的情況下，磁密僅降低了28%。圖4給出了兩種狀態下鈉液中感應電流分布狀態。從圖中更可以看出，鈉液厚度增加后鈉液中的感應電流也有所減小。因此，根據電磁力定律可以可知，隨著鈉液厚度的增加，電磁力密度（對應壓力）有所減小。因此，可以看出，若想提高零速時的壓力，可通過減小鈉液厚度的方式實現。

3.2 繞組匝數的影響

繞組匝數對泵的電磁電抗參數具有重要影響，合理選擇繞組匝數可以提高其壓力和力能指標。圖5給出了鈉液厚度為4.5mm時零速下泵的壓力和繞組電流隨繞組匝數的變化關系。從圖中可以看出，該狀態下泵的出力基本與繞組匝數變化率的平方成反比。因此，在電流不超過電源要求以及泵的發熱允許的情況下，調整繞組匝數對泵的壓力改變具有非常明顯的改善。

3.3 槽口寬度及高度的影響

槽口寬度對泵的初級漏抗具有較大影響。當槽距一定時，減小槽口寬度可以增大齒的寬度，因此可以減小槽漏抗的同時增大繞組激磁電抗，從而可以在相同供電條件下提高氣隙磁密，從而增加泵的出力。如圖6所示是槽口寬度對泵性能的影響，以18mm和12mm槽寬為例，槽口寬度減小了33.3%，壓力增大了45%，電流增大了30%。減小槽高也也可以減小定子漏抗增大激磁電流，提高氣隙磁場從而增大壓力。圖7給出了在其他參數都不變的情況下壓力和電流隨槽高的變化關系。以槽高78mm和48mm為例，槽高減小了38%，壓力提高了62%，電流增大了29%。

3.4 初級鐵心數的影響

不同鐵心結構示意圖如圖8所示。從電磁關系來看，不同鐵心數目時鐵心在圓周的占空比不同，圓柱形時占空比為1，其他結構都小于1，且隨著鐵心數目的增加占空比逐漸增大。假定其他結構參數都不發生變化且不同鐵心數時每塊鐵心厚度都達到最大值：

其中， 為鐵心內徑，n為鐵心數。從電磁泵的基本電磁關系可以看出，在其他參數都不變的情況下，不同鐵心數所導致的鐵心厚度的不同直接影響到繞組漏抗的大小。漏抗越大，出力越小。因此，不同鐵心數圓周的總長度越大，漏抗越大，出力越小。圖9給出了隨鐵心數的變化關系，從圖中可以看出，鐵心數目小，越小，那么定子繞組的漏磁導也就越小，相同條件下泵的出力也就越大。從圖中還可以看出，當鐵心數在5以上時，變化很小，當鐵心數在2到5范圍內，增大很快。因此，在滿足工藝和強度要求的情況下，采用較小的鐵心數，尤其是鐵心數小于5的情況可以提高泵的出力。當鐵心數大于5時，鐵心數對泵出力的影響很小。圖10給出了其他參數都不變的情況下不同鐵心數時零速下泵的壓力和電流情況。從圖中可以看出，鐵心數越小，電流和壓力越大。但不同鐵心數時壓力大小并沒有體現如圖9那樣大的差距，其主要原因是圖9中僅僅比較分析了槽漏磁的大小，而鐵心數越小，繞組的端部漏抗越大，最終增大了繞組漏抗，導致泵的出力減小。

3.5 內鐵心材料的影響

內鐵心作為磁路的重要部分，若采用導電材料，行波磁場在其中所產生的渦流將削弱主磁場，改變繞組電壓和電流的相位，從而減小電磁泵的壓力。圖11給出了內鐵心為導電和不導電材料時的壓力和電流比較，可以看出，在其他結構參數都沒變化的情況，將內鐵心材料變為不導電材料壓力提高了15.7%，而電流還略微有所減小，因此，內鐵心材料電導率對泵的性能具有重要影響。

4結語

通過對圓柱形感應式鈉電磁泵建模仿真分析發現，鈉液厚度、繞組匝數、槽口寬度及高度、初級鐵心數、內鐵心材料等因數均對電磁泵性能有重要影響，本仿真結果將為鈉電磁泵的性能設計提供重要的理論支撐。

參考文獻

[1] 薛明倫，唐福林.液態金屬電磁泵設計理論中的幾個基本問題（一）[J].力學學報，1974（01）：11-20.

[2] 宋德寬，詹佳碩，鄭向陽.等.圓柱型感應式鈉電磁泵自然對流下的三維溫度場仿真研究[J].核科學與工程，2016，12（6）：776-783.

[3] 宋德寬，張琭，羅銳，等.小流量雙平面感應電磁泵的設計及實驗研究[J].產業與科技論壇，2016，15（10）：36-38.