第４９卷第４期 ２０１５年４月 原子能科学技术 Ｖｏ１．４９，Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２０１５ Ａｔｏｍｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 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） 摘要：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。 关键词：中国先进研究堆；控制棒驱动机构；电磁力；有限元分析 中图分类号：ＴＬ３５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—６９３１（２０１５）０４—０７２５—０７ ｄｏｉ：１０．７５３８／ｙｚｋ．２０１５．４９．０４．０７２５ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ Ｆｏｒｃｅ ｏｆ ＣＡＲＲ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｏｄ Ｄｒｉｖｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｍａｃｈｉｎｅ ＺＨＵ Ｘｕｅ—ｗｅｉ ，ＺＨＥＮ Ｊｉａｎ—ｘｉａｏ ，ＷＡＮＧ Ｙｕ—ｌｉｎ ，ＹＩＮ Ｈａｏ—ｚｈｅ ， ＪＩＡ Ｙｕｅ—ｇｕａｎｇ ，ＹＡＮＧ Ｋｕｎ （１．Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｔｏｍｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｐ．０．Ｂｏｘ ２７５一ｉ００，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２４１３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ，Ｈｅｎｇｙａｎｇ ４２１００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｍ ｏｆ ａｃｑｕｉｒｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓ— ｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ 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． 收稿日期：２０１３－１２－２３；修回日期：２０１４ ０４ ２４ 作者简介：朱学微（１９８５一），男，内蒙古赤峰人，博士研究生，核能科学与工程专业 ７２６ 原子能科学技术 第４９卷 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｈｉｎａ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅａｃｔｏｒ； ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 中国先进研究堆（ＣＡＲＲ）采用先进的磁 １ ＣＡＲＲ控制棒驱动机构 力传动式控制棒驱动机构，利用电磁传动方 ＣＡＲＲ控制棒驱动机构结构示于图１。控 式提升、下降、保持控制棒组件，达到控制反 制棒及跟随体组件通过连杆组件与衔铁组件相 应堆启动、调节反应堆功率的目的，通过断 连接，二者在密封套筒内，组件中间有冷却剂流 电，控制棒在重力作用下以自由落体方式实 过，驱动线圈在密封套筒外面与滚轴丝杠刚性 现快速落棒停止反应堆＿１］。为获得ＣＡＲＲ控 连接。当驱动线圈通电后产生电磁力，吸引密 制棒驱动机构电磁参数，本工作根据ＣＡＲＲ 封套筒里的衔铁组件同步运动，步进电机带动 控制棒驱动机构结构和功能制造试验样机， 滚轴丝杠转动，使驱动线圈上下移动，通过电磁 通过对控制棒驱动机构试验样机的有限元仿 传动使衔铁组件上下移动，衔铁组件带动控制 真得到电磁力及电磁场分布、永磁体磁场对 棒升降，实现反应堆启动、控制反应堆的功率水 电磁场的影响和结构参数对电磁力的影响， 平『２］。当驱动线圈断电后电磁力消失，衔铁组 旨为ＣＡＲＲ控制驱动机构反转特性优化研究 件和控制棒以及跟随体组件无法保持原位，依 提供必需的参考数据和研究工具，通过试验 靠重力和冷却剂动压自由下落，可保证反应堆 验证有限元分析的合理性和可靠性。 快速安全停堆。 一／ 一 ｘ 嚣 ／ 一 一 — — 一 一一 ～躲避王 斗 — —ｘ叫 一 一 ●囵■ 一 一 １ ｌ 一 ～—■圈 ＼ 隧 ＼ ＼ 图１控制棒驱动机构结构示意图 ２ ＣＡＲＲ控制棒驱动机构试验样机 ３仿真建模分析 根据ＣＡＲＲ控制棒驱动机构的结构和功 使用有限元分析软件Ａｎｓｏｆｔ Ｍａｘｗｅｌｌ对 能，设计制造了试验样机，其结构尺寸按 试验样机进行建模分析［３＿４］，其模型如图３所 ＣＡＲＲ驱动机构３个磁路中的１个进行加工制 示。建模时进行一些简化，不锈钢材料的磁导 造，试验样机结构如图２所示，驱动线圈骨架采 率相当于空气 ］，在建模中不锈钢材料、气隙等 用“ 型结构，由两段线圈并联组成，绕线匝 介质设置均为空气。线圈绕线为４ ０００匝，共 数与ＣＡＲＲ驱动机构一段磁路相同。试验样 ８ ０００匝，仿真中将两组线圈视为１组，由于并 机衔铁组件由两端材料为钕铁硼永磁铁、中间 联，激励值为安匝数，计算公式为：安匝数＝＝＝ 为０Ｃｒ１３铁芯组成。试验样机隔离套筒材料为 ２×４ ０００×ｔ／ｚ（Ｉ为通电电流）。 不锈钢０Ｃｒ１８Ｎｉ１０Ｔｉ，线圈盒材料为０Ｃｒ１３。 电磁力受驱动电流影响，改变驱动电流，得 依靠３个互成１２０。的定位杆保证样机的垂直度 到电磁力与电流变化的关系。驱动电流设置在 与同心度。砝码箱通过芯杆与衔铁组件刚性连 ０．５～２．３ Ａ变化，每０．１ Ａ计算１次。仿真数 接，模拟驱动线负重。光栅尺记录试验过程中 据列于表１。 衔铁组件相对驱动线圈的位移变化。底部设有 图４为电磁力仿真值与试验值对比，可看 缓冲垫缓冲砝码箱下落时产生的冲击。 到在０．５～２．３ Ａ电流区间内，仿真值与试验值 第４期 朱学微等：ＣＡＲＲ控制棒驱动机构试验样机电磁力研究 ７２７ 符合较好，该仿真模型对试验样机模拟仿真结 对位置，从图中可看到，随着衔铁相对驱动线圈 果是可靠的。 Ｉ 码箱 ｝尺 ／垫 固定螺ｉ ～ ｌ ； ；／ Ｌ／—Ｌ ；：杆、 ： ：．隔离套１ ＼ ：／ ＼ ２： ； ：： ： ； ：定位杆 ：／ 日盒、 ： ：＼ ： ： ：董 线圈 ＼ 定位螺 Ｉ 鲟 导衔向铁轮 ’一 ＩｉＩ ｌ ～１ 底 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 ＋５ｏ～一５０ ｍｍ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 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 注：１）通电电流为总通电电流，两个线圈并联，每个线圈 ４ ０００匝，每个线圈通电电流为该电流的１／２ ２）安匝数一２×４ ０００×ｉ／２ 擅 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 第４期 朱学微等：ＣＡＲＲ控制棒驱动机构试验样机电磁力研究 ７３１ ６ 结论 根据ＣＡＲＲ控制棒驱动机构结构和功能 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 搭建了控制棒驱动机构试验样机，该试验样机 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。 参考文献： ［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， 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。 ４７（８）：１ ３８０—１ ３８２． ＺＨＡＮＧ Ｙｉｎｇｃｈａｏ，ＧＡＯ Ｙｏｎｇｇｕａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｇｋｕｉ，ｅｔ ａ１．Ｏｕｔ ｏｆ ｐｉｌｅ ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｉｎｇ ｔｅｓｔ ｏｆ ＣＡＲＲ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ［Ｊ］．Ａｔｏｍ— ｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１３，４７（８）： １ ３８０—１ ３８２（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）． Ｅ２］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 ＥＭ］．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． 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