圓柱形感應(yīng)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(zhuǎn)動(dòng)部件、無需動(dòng)密封、安裝維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。鈉冷快堆輔助系統(tǒng)及中小流量鈉試驗(yàn)設(shè)施主要采用電磁泵作為動(dòng)力源。本文通過對(duì)圓柱形感應(yīng)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(fā)現(xiàn)，鈉液厚度、繞組匝數(shù)、槽口寬度及高度、初級(jí)鐵心數(shù)、內(nèi)鐵心材料等因數(shù)均對(duì)電磁泵性能有重要影響。

關(guān)鍵詞：鈉電磁泵;仿真分析;電磁泵性能

中圖分類號(hào)：TH35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）10-0102-03

1背景

鈉冷快堆電站以液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑，其輔助工藝系統(tǒng)鈉的傳輸主要通過電磁泵完成。與機(jī)械鈉泵相比，電磁泵具有：（1）無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，無需動(dòng)密封;（2）操作、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，中國實(shí)驗(yàn)快堆的鈉充排系統(tǒng)、鈉凈化系統(tǒng)、氫計(jì)的取樣支路以及中小流量鈉試驗(yàn)設(shè)施主要采用鈉電磁泵作為動(dòng)力源，目前國內(nèi)外關(guān)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(dǎo)磁材料構(gòu)成。考慮到泵在圓周的對(duì)稱性，因此在計(jì)算分析時(shí)采用1/6模型進(jìn)行簡化，如圖1（b）所示。電磁泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)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(jìn)而影響輸出壓力。圖2給出了流速為零時(shí)的壓力和繞組電流與鈉液厚度的變化關(guān)系?？梢钥闯觯S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(tài)下鈉液中的磁密法向分量，3mm和6.5mm鈉液厚度時(shí)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(tài)下鈉液中感應(yīng)電流分布狀態(tài)。從圖中更可以看出，鈉液厚度增加后鈉液中的感應(yīng)電流也有所減小。因此，根據(jù)電磁力定律可以可知，隨著鈉液厚度的增加，電磁力密度（對(duì)應(yīng)壓力）有所減小。因此，可以看出，若想提高零速時(shí)的壓力，可通過減小鈉液厚度的方式實(shí)現(xiàn)。

3.2 繞組匝數(shù)的影響

繞組匝數(shù)對(duì)泵的電磁電抗參數(shù)具有重要影響，合理選擇繞組匝數(shù)可以提高其壓力和力能指標(biāo)。圖5給出了鈉液厚度為4.5mm時(shí)零速下泵的壓力和繞組電流隨繞組匝數(shù)的變化關(guān)系。從圖中可以看出，該狀態(tài)下泵的出力基本與繞組匝數(shù)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(fā)熱允許的情況下，調(diào)整繞組匝數(shù)對(duì)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(duì)泵的初級(jí)漏抗具有較大影響。當(dāng)槽距一定時(shí)，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(shí)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(duì)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(shù)都不變的情況下壓力和電流隨槽高的變化關(guān)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(jí)鐵心數(shù)的影響

不同鐵心結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。從電磁關(guān)系來看，不同鐵心數(shù)目時(shí)鐵心在圓周的占空比不同，圓柱形時(shí)占空比為1，其他結(jié)構(gòu)都小于1，且隨著鐵心數(shù)目的增加占空比逐漸增大。假定其他結(jié)構(gòu)參數(shù)都不發(fā)生變化且不同鐵心數(shù)時(shí)每塊鐵心厚度都達(dá)到最大值：

其中， 為鐵心內(nèi)徑，n為鐵心數(shù)。從電磁泵的基本電磁關(guān)系可以看出，在其他參數(shù)都不變的情況下，不同鐵心數(shù)所導(dǎo)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(shù)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(shù)的變化關(guān)系，從圖中可以看出，鐵心數(shù)目小，越小，那么定子繞組的漏磁導(dǎo)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(dāng)鐵心數(shù)在5以上時(shí)，變化很小，當(dāng)鐵心數(shù)在2到5范圍內(nèi)，增大很快。因此，在滿足工藝和強(qiáng)度要求的情況下，采用較小的鐵心數(shù)，尤其是鐵心數(shù)小于5的情況可以提高泵的出力。當(dāng)鐵心數(shù)大于5時(shí)，鐵心數(shù)對(duì)泵出力的影響很小。圖10給出了其他參數(shù)都不變的情況下不同鐵心數(shù)時(shí)零速下泵的壓力和電流情況。從圖中可以看出，鐵心數(shù)越小，電流和壓力越大。但不同鐵心數(shù)時(shí)壓力大小并沒有體現(xiàn)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(shù)越小，繞組的端部漏抗越大，最終增大了繞組漏抗，導(dǎo)致泵的出力減小。

3.5 內(nèi)鐵心材料的影響

內(nèi)鐵心作為磁路的重要部分，若采用導(dǎo)電材料，行波磁場在其中所產(chǎn)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(nèi)鐵心為導(dǎo)電和不導(dǎo)電材料時(shí)的壓力和電流比較，可以看出，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)都沒變化的情況，將內(nèi)鐵心材料變?yōu)椴粚?dǎo)電材料壓力提高了15.7%，而電流還略微有所減小，因此，內(nèi)鐵心材料電導(dǎo)率對(duì)泵的性能具有重要影響。

4結(jié)語

通過對(duì)圓柱形感應(yīng)式鈉電磁泵建模仿真分析發(fā)現(xiàn)，鈉液厚度、繞組匝數(shù)、槽口寬度及高度、初級(jí)鐵心數(shù)、內(nèi)鐵心材料等因數(shù)均對(duì)電磁泵性能有重要影響，本仿真結(jié)果將為鈉電磁泵的性能設(shè)計(jì)提供重要的理論支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 薛明倫，唐福林.液態(tài)金屬電磁泵設(shè)計(jì)理論中的幾個(gè)基本問題（一）[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，1974（01）：11-20.

[2] 宋德寬，詹佳碩，鄭向陽.等.圓柱型感應(yīng)式鈉電磁泵自然對(duì)流下的三維溫度場仿真研究[J].核科學(xué)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(yīng)電磁泵的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2016，15（10）：36-38.