CARR控制棒驱动机构试验样机电磁力研究

朱学微，甄建霄，王玉林，殷浩哲，贾月光，杨 坤

（1.中国原子能科学研究院 反应堆工程研究设计所，北京 102413；2.南华大学 核科学技术学院，湖南 衡阳 421001）

CARR控制棒驱动机构试验样机电磁力研究

朱学微1，甄建霄1，王玉林1，殷浩哲2，贾月光1，杨 坤1

（1.中国原子能科学研究院 反应堆工程研究设计所，北京 102413；2.南华大学 核科学技术学院，湖南 衡阳 421001）

为获得中国先进研究堆（CARR）控制棒驱动机构电磁力及电磁场分布，对控制棒驱动机构进行了受力分析，设计制造CARR控制棒驱动机构试验样机。在试验样机上进行了电磁力试验，使用有限元分析软件Ansoft Maxwell对试验样机电磁场及电磁力分布进行仿真分析，计算得到了试验样机磁感应强度分布曲线和电磁力分布数据，以及永磁体磁场对电磁场的影响和结构参数对电磁力的影响。仿真结果与试验值符合较好，研究结果为CARR控制棒驱动机构电磁力研究和同类型控制棒驱动机构设计提供了参考。

中国先进研究堆；控制棒驱动机构；电磁力；有限元分析

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

中国先进研究堆（CARR）采用先进的磁力传动式控制棒驱动机构，利用电磁传动方式提升、下降、保持控制棒组件，达到控制反应堆启动、调节反应堆功率的目的，通过断电，控制棒在重力作用下以自由落体方式实现快速落棒停止反应堆［1］。为获得CARR控制棒驱动机构电磁参数，本工作根据CARR控制棒驱动机构结构和功能制造试验样机，通过对控制棒驱动机构试验样机的有限元仿真得到电磁力及电磁场分布、永磁体磁场对电磁场的影响和结构参数对电磁力的影响，旨为CARR控制驱动机构反转特性优化研究提供必需的参考数据和研究工具，通过试验验证有限元分析的合理性和可靠性。

1 CARR控制棒驱动机构

CARR控制棒驱动机构结构示于图1。控制棒及跟随体组件通过连杆组件与衔铁组件相连接，二者在密封套筒内，组件中间有冷却剂流过，驱动线圈在密封套筒外面与滚轴丝杠刚性连接。当驱动线圈通电后产生电磁力，吸引密封套筒里的衔铁组件同步运动，步进电机带动滚轴丝杠转动，使驱动线圈上下移动，通过电磁传动使衔铁组件上下移动，衔铁组件带动控制棒升降，实现反应堆启动、控制反应堆的功率水平［2］。当驱动线圈断电后电磁力消失，衔铁组件和控制棒以及跟随体组件无法保持原位，依靠重力和冷却剂动压自由下落，可保证反应堆快速安全停堆。

图1 控制棒驱动机构结构示意图Fig.1 Configuration diagram of control rod drive mechanism

2 CARR控制棒驱动机构试验样机

根据CARR控制棒驱动机构的结构和功能，设计制造了试验样机，其结构尺寸按CARR驱动机构3个磁路中的1个进行加工制造，试验样机结构如图2所示，驱动线圈骨架采用“╢╟”型结构，由两段线圈并联组成，绕线匝数与CARR驱动机构一段磁路相同。试验样机衔铁组件由两端材料为钕铁硼永磁铁、中间为0Cr13铁芯组成。试验样机隔离套筒材料为不锈钢0Cr18Ni10Ti，线圈盒材料为0Cr13。依靠3个互成120°的定位杆保证样机的垂直度与同心度。砝码箱通过芯杆与衔铁组件刚性连接，模拟驱动线负重。光栅尺记录试验过程中衔铁组件相对驱动线圈的位移变化。底部设有缓冲垫缓冲砝码箱下落时产生的冲击。

3 仿真建模分析

使用有限元分析软件Ansoft Maxwell对试验样机进行建模分析［3－4］，其模型如图3所示。建模时进行一些简化，不锈钢材料的磁导率相当于空气［5］，在建模中不锈钢材料、气隙等介质设置均为空气。线圈绕线为4 000匝，共8 000匝，仿真中将两组线圈视为1组，由于并联，激励值为安匝数，计算公式为：安匝数＝2×4 000×I／2（I为通电电流）。

电磁力受驱动电流影响，改变驱动电流，得到电磁力与电流变化的关系。驱动电流设置在0.5～2.3A变化，每0.1A计算1次。仿真数据列于表1。

图4为电磁力仿真值与试验值对比，可看到在0.5～2.3A电流区间内，仿真值与试验值符合较好，该仿真模型对试验样机模拟仿真结果是可靠的。

图2 试验样机结构示意图Fig.2 Configuration diagram of experimental machine

图3 试验样机模型示意图Fig.3 Model diagram of experimental machine

电磁力受衔铁组件相对驱动线圈位置的变化影响，改变二者相对位置，即得到电磁力随相对位置的分布。衔铁组件相对驱动线圈位置在＋50～－50mm变化，计算得到电磁力相对分布如图5所示，横坐标为衔铁对于驱动线圈相对位置，从图中可看到，随着衔铁相对驱动线圈位置从正到负变化，电磁力的变化为由小变大到达极点后又变小。根据试验样机试验记录显示，在通电时，样机电磁力工作点主要分布于曲线右侧。

表1 电磁力随电流变化的仿真数据Table 1 Simulation data of electromagnetic force following current change

图4 电磁力仿真值与试验值对比Fig.4 Comparison of electromagnetic force between simulation and experiment values

图5 试验样机电磁力分布Fig.5 Electromagnetism force of experimental machine

经Ansoft Maxwell计算得到试验样机的电磁场分布。图6示出仿真磁力线图和磁感应强度图。分析图6发现：通电后，驱动线圈、线圈盒、衔铁组件和主气隙形成磁回路，磁路中的磁感应强度随线圈通电电流的增加而增加，磁路中磁感应强度最强处为上永磁铁和线圈上部之间的主气隙。

为研究永磁体磁场对电磁场的影响，在仿真模型中将永磁体去除后进行有限元分析，去除永磁体前后系统磁感应强度对比如图7所示。图中，去除上永磁体后在主气隙处磁感应强度明显减弱，去除下永磁体后，衔铁下部和线圈盒之间磁感应强度走向发生偏移，使衔铁下部出现部分磁化不均的情况。永磁体磁场可增加电磁场主气隙处磁感应强度，并改变下部气隙磁感应强度分布，使衔铁磁化更加均匀。

图6 仿真磁力线图（a、b）和磁感应强度图（c、d）Fig.6 Simulation magnetism diagram（a，b）and magnetic induction intensity diagram（c，d）

图8a为永磁体磁场对电磁力影响曲线。从图8a可看出，去除永磁体后系统电磁力明显下降，永磁体磁场对电磁力有较大影响。

为研究电磁系统各结构参数对系统电磁力的影响，在有限元分析中对衔铁尺寸、气隙尺寸、线圈盒尺寸等主要结构参数进行参数化建模，得到各结构参数对电磁力的影响示于图8b、c、d。

图8b中，x1坐标为衔铁半径，h1坐标为衔铁长度，z坐标为电磁力。x1取值区间为（10mm，21mm），h1取值区间为（100mm，130mm），可看出，电磁力随衔铁半径的增加而增加，但衔铁半径对电磁力影响幅度有限；电磁力随衔铁长度的增加先增加后减小，其中存在一峰值，说明衔铁长度对电磁力影响较为显著，在设计衔铁长度时应选择最优长度。

图7 永磁体磁场对电磁场的影响Fig.7 Effect of permanent magnetic field on electromagnetic field

图8 永磁体磁场、衔铁尺寸、气隙尺寸和线圈盒尺寸对电磁力的影响Fig.8 Effect of permanent magnetic field，armature size，air-gap size and coil-box size on electromagnetic force

图8c中，气隙尺寸取值区间为（1mm，9mm），可看出电磁力受气隙尺寸影响较大，电磁力随气隙变大而急剧减小。气隙尺寸为密封套筒厚度和间隙（空气）尺寸之和，因此在设计密封套筒厚度时应兼顾套筒作为冷却剂压力边界的安全性和对电磁力的影响两方面因素综合考虑。

图8d中，z1坐标为线圈盒高度，r1坐标为线圈盒半径。线圈盒高度取值区间为（146mm，186mm），线圈盒半径取值区间为（35mm，50mm），线圈盒的尺寸直接影响磁路中导磁材料的体积，可看出，电磁力随线圈盒高度的增加先增加后减小，随线圈盒半径增加而增加，当线圈盒半径达某一值后电磁力受线圈盒半径增加的影响变小，曲线趋于水平。

综上所述，在设计线圈盒时，线圈盒高度应合理选择在电磁力最大的区间，增加线圈盒半径可提高导磁体体积，当线圈盒半径到达一定数值后，增加线圈盒半径将不会提高电磁力，为避免浪费材料和4组驱动机构间的相互干扰，线圈盒半径应合理选择。

4 衔铁组件受力分析

CARR控制棒驱动机构驱动线圈与衔铁组件中间设置有1个隔离套筒，二者之间为磁力连接。衔铁在工作时受到的力为重力、电磁力和摩擦力的合力，该摩擦力来自于与衔铁刚性连接的驱动线上的摩擦。以驱动机构由上向下转向过程为例对衔铁组件进行受力分析，衔铁组件受力分析如图9所示。

在t1时刻衔铁组件向上运动过程如图9a所示，衔铁组件受到方向向下的动摩擦力f动和重力mg，以及向上的电磁力F，F≥mg＋f动。

图9b中在t1－t2时刻发生转向，此时衔铁相对于线圈的位置开始变化，线圈转向向下运动，f动改变方向变为向上，此时mg＜F＋f动，衔铁保持不动，动摩擦力变为静摩擦力f静，随着衔铁相对线圈位置发生改变，F减小，在t2时刻，线圈相对衔铁位置由d1变为d2。

图9c中，在t2时刻后，电磁力F减小为F′，mg≥F′＋f静，衔铁开始随线圈向下运动。衔铁组件受到的电磁力变化如图9d中曲线所示。

图9 衔铁组件受力示意图Fig.9 Force analysis diagram of iron subassembly

整个过程中受到的电磁力均向上。当线圈电流为零时，电磁力F为零，mg＞f动，衔铁自由落体下落。同理可知，由下向上转向运动时，电磁力在转向过程中逐渐增大，当电磁力增大到F≥mg＋f动时，衔铁开始跟随线圈向上运动。在驱动机构工作过程中，电磁力始终保持方向向上，并随衔铁与线圈相对位置的变化而改变。

5 试验样机电磁力测试试验

试验时将驱动线圈推至一定高度，由3个定位杆上的定位螺栓将驱动线圈固定，通电后，将砝码箱提升，当衔铁组件提升至驱动线圈磁场内，由于电磁力的作用使衔铁组件保持在这一位置，向砝码箱内逐次加入重量为71N的砝码，在配重接近仿真计算值时改用小重量砝码，直至落棒，砝码重量加驱动线自重即为该电流下样机的最大电磁力。铜质漆包线允许通过的最大电流值I≈3倍导线横截面积［6］，驱动线圈允许加载的最大电流理论值约为2.308A。以0.1A为电流台阶，重复上述试验步骤，样机在不同通电电流下的电磁力列于表2。

表2 试验样机电磁力随电流变化的试验数据Table 2 Experiment data of electromagnetic force following current change

6 结论

根据CARR控制棒驱动机构结构和功能搭建了控制棒驱动机构试验样机，该试验样机是对堆内控制棒驱动机构3个磁路中的1个磁路进行模拟。通过仿真方法获得试验样机内部电磁力的分布和磁感应强度随电流的变化，对比试验样机试验中记录的衔铁相对线圈位置，发现衔铁工作区域集中在电磁力分布曲线右侧；磁路中磁感应强度随通电电流的增大而增大，最大磁感应强度集中于驱动线圈与衔铁组件上部主气隙处。

对电磁系统进行了有限元建模分析，永磁体磁场对电磁场的影响为：上永磁体增加主气隙处磁感应强度，下永磁体改变磁通量走向，使衔铁磁化更加均匀，永磁体磁场对系统电磁力有显著提高。在对这一类型控制棒驱动机构进行设计时应尽可能减小气隙尺寸，合理选择衔铁尺寸和线圈盒尺寸，衔铁尺寸和线圈盒高度过长或过短均会减小电磁力，增加线圈盒半径可提高电磁力，半径在达到一定尺寸后将不会提升电磁力。

对衔铁组件进行受力分析，在驱动机构转向过程中，电磁力随驱动线圈与衔铁组件相对位置改变而变化，使衔铁组件适应线圈的转向。在试验样机上进行了通电电流与电磁力变化试验，试验发现，随通电电流的增大电磁力也随之增大。对比仿真结果和试验结果表明，仿真模型对试验样机模拟较好，平均误差为3.02%，为同类型控制棒驱动机构设计提供了参考。

［1］ 张应超，高永光，张明葵，等.CARR控制棒驱动机构堆外调试试验［J］.原子能科学技术，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］ 张继革.控制棒可动线圈电磁驱动机构的研究［D］.北京：清华大学，2003.

［3］ 赵博，张洪亮.Ansoft 12在工程电磁场中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［4］ 刘国志，赵凌志，蒋继娅.Ansoft工程电磁场有限元分析［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［5］ 钟文定.技术磁学［M］.北京：科学出版社，2009.

［6］ 方大千.常用电工手册［M］.北京：机械工业出版社，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

朱学微（1985—），男，内蒙古赤峰人，博士研究生，核能科学与工程专业