某圆柱型感应电磁泵设计与验证

王　冲，徐　帅，陈树明，余华金，孟　雷，艾长军

某圆柱型感应电磁泵设计与验证

王冲1，徐帅1，陈树明1，余华金1，孟雷2，艾长军2

（1. 中国原子能科学研究院，北京 102413；2. 北京原丰技术开发有限公司，北京 102413）

电磁泵作为钠冷快堆涉钠辅助系统的驱动装置，其性能的好坏直接关系到系统能否安全可靠地运行。本文基于等效电路法，采用VB语言开发了圆柱型感应电磁泵电磁设计程序，并完成了40 m3/h，0.9 MPa电磁泵样机的工程设计。然后，在钠试验回路上对该电磁泵样机进行综合性能试验，试验结果表明：电磁泵的流量-扬程特性曲线满足设计指标，指标偏差小于5%，可以为工程所应用。

圆柱型感应电磁泵；等效电路法；综合性能试验；优化设计

圆柱感应泵（ALIP）是一种常见的电磁泵，是快堆中输送液态金属的关键设备。[1-4]快堆用钠电磁泵国产化设计和制造势在必行，对推进快堆技术发展、设备国产化、降低快堆建造成本都有重要意义。

本文基于等效电路法，开发了ALIP电磁设计程序，对示范快堆电磁泵进行工程设计，并与试验结果进行对比，结果表明该电磁泵满足工程设计指标要求，并提出了设计优化措施。

1　工作原理

电磁泵是利用磁场和导电流体中电流的相互作用，使流体受电磁力作用而产生压力梯度，从而推动流体运动的一种装置[5]。电磁泵结构及原理如图1所示。

图1　电磁泵结构原理图

2　计算

本文对电磁泵的设计要求为：流量40 m3/h，扬程0.9 MPa。基于等效电路理论，采用VB语言进行了编程。

2.1　等效电路

图2为圆柱型感应电磁泵等效电路图。

2.2　磁路分析

安培环路定律：任意一闭合环路的磁场强度的线积分等于穿过该磁场环路所有电流的代数和。

（1）气隙磁动势

根据电磁泵三相交流和连接方式，主磁通如图3所示的正弦分布，每极平均磁场强度定义如下[2]：

图2　圆柱型感应电磁泵等效电路图[6]

其中：

空气气隙每级磁感强度的平均值定义如下：

其中：

——气隙表面积。

图3　主磁通分布图[7]

则磁动势B为：

式中：

根据电机理论[8,9]，磁动势可以分解为基波和一系列谐波。这些谐波对电机是有害的，可以通过采用缩短间距分布的方式来削弱这些谐波。

根据电机理论，单相绕组基波磁动势幅值如下：

考虑三相交流电流的120°相位角，则三相合成磁动势为[7]：

幅值为[7]：

（7）

（2）感应电动势

根据电路理论，每相绕组的感应电动势为：

其中：

——每相串联总匝数；

（9）

根据公式（3）、公式（6）、公式（7）、公式（8），归纳整理多项式，可得[6]：

（3）定子绕组电阻1

定子绕组由砸线圈按特定方式镶嵌到槽中，线圈外面缠绕漆包线，槽由硅钢片叠制而成。漆包线采用铜为导体材料，故总电阻定义如下[6]：

式中：

——每相线圈的总长；

——60%槽满率时的每槽线圈截面积。图4为定子绕组示意图。

图4　定子绕组示意图[6]

（4）定子绕组漏抗1

图5　绕组线圈不同的漏磁

漏电抗定义如下[6]：

其中：

——每匝线圈的电感。

通过对磁通在槽深方向的积分，并整理表达式，可得[6]：

（5）其他等效电阻

泵沟外壁等效电阻[6]

泵沟内壁等效电阻[6]

液钠等效电阻

在分析等效电阻时，将液体钠视为导电固体[6]。

（6）流量-扬程模型

通过分析液钠作用在d单元上的安培力，可以推导出液钠的总电磁力，然后沿EMP轴向长度方向进行积分。安培力除以环形通道面积等于扬程。图6所示，沿着流动方向，处的瞬时磁场强度为[7]：

式中：

x——瞬时磁场密度；

——时间。

同步流速[6]

syn=2（20）

滑差率[6]

=(syn-L)/syn（21）

处的感应电动势x：

考虑到电磁泵有N1/2个极对，则整个安培力为[6]：

扬程D[6]

考虑液钠的等效电阻f和A，重新归纳、整理公式，可得扬程为[6]：

电磁泵水力效率为：

式中：

v——体积流动速度；

D——扬程；

——电压；

——电流。

基于上述理论，使用VB语言完成了电磁泵逆向迭代求解算法的开发，即输入量是泵体预期性能，待确定量为各项几何、结构尺寸以及电气参数。程序计算流程图如图7所示。

图7　程序计算流程

表1　术语表

续表

2.3　计算结果

程序计算结果如表2所示。

表2　计算输出（部分）

3　设计验证

本文用上述设计方法和经验选取结合的方式对电磁泵工程样机进行了设计，并用仿真和实验验证了设计的电磁泵是满足性能要求的。工程设计限制了电磁泵本身性能不是最优项，但本文以满足工程设计要求为首要选择。若单独考虑泵体性能，存在理想设计方案。

3.1　仿真验证

仿真验证的核心为电磁仿真。以二维轴对称模型为研究对象，本次计算的使用的模型如图8所示。由于流动的雷诺数较高，因此，在流体区域采用了分布式网格剖分，在边界附近采用较密的剖分，中心区域采用网格略大。

图8　电磁-流体耦合计算几何模型

程序计算结果如图9～图10所示。

图9　扬程效率曲线

3.2　试验验证

额定工况条件下，电磁泵的流量为40 m3/h，扬程为0.916 MPa，满足设计指标（见图11～图12）。

图10　功率曲线

图11　不同电压下，流量-扬程特性曲线

图12　不同电压下，流量-效率特性曲线

在同一电压下，电磁泵的效率随着流量的增加呈现先增加后降低的趋势，额定工况时效率为12%，效率峰值为17%。

不同电压下，电磁泵效率变化趋势是一致的。随着电压降低，效率峰值逐渐降低。

原因如下：流量随着阀门开度的增大而增大，阻力损失也同时增大，而整个实验回路的阻力减小。相应的，效率会随着电磁泵损耗功率的减小而逐渐增加到峰值，以克服系统的阻力。因此，随着流量的增大，摩擦阻力和局部阻力不断增大，当流量增大对效率的贡献小于阻力增大的贡献时，效率下降。

4 结论

基于等效电路法，采用VB编程开发了圆柱型钠电磁泵电磁设计程序，应用于40 m3/h，0.9 MPa电磁泵设计，对其进行了钠回路综合性能试验，试验结果满足工程设计要求。

［1］ 黄骥．液态金属电磁泵［J］．武钢技术，1966．

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Design and Verification of a Cylindrical Induction Electromagnetic Pump

WANG Chong1，XU Shuai1，CHEN Shuming1，YU Huajin1，MENG Lei2，AI Changjun2

（1. China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China；2. Beijing Yuanfeng Technology Development Company，Beijing 102413，China）

As the driving device of the sodium related auxiliary system of the sodium cooled fast reactor，the performance of electromagnetic pump is directly related to the safe and reliable operation of the system. Based on the equivalent circuit method，the electromagnetic design program of the cylindrical induction electromagnetic pump is developed by VB language，and the engineering design of a 40 m3/h，0.9 MPa electromagnetic pump prototype is completed. Then，the comprehensive performance test of the electromagnetic pump prototype is carried out in the sodium test circuit. The test results show that the flow head characteristic curve of the electromagnetic pump meets the design index，and the index deviation is less than 5%. This method can be used in engineering.

Cylindrical induction electromagnetic pump；Equivalent circuit method；Comprehensive performance test；Optimization design

TL353+.12

A

0258-0918（2022）02-0461-07

2021-01-09

王 冲（1986—），男，辽宁营口人，工程师，硕士，现从事快堆系统与设备设计方面研究