直線電機型控制棒驅(qū)動機構設計與試驗研究

鄧 強，于天達，楊 博，劉 佳，張志強，付國忠

(中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川 成都 610041)

控制棒驅(qū)動機構(簡稱驅(qū)動機構)是反應堆控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)的執(zhí)行機構，能夠帶動控制棒組件上、下移動及快速釋放控制棒組件，實現(xiàn)對反應堆反應性的控制，完成反應堆的啟動、功率調(diào)節(jié)、功率維持和停堆。

目前，核電站普遍采用磁力提升型控制棒驅(qū)動機構[1-5]，步進式提升控制棒組件，其具有壽命長、可靠性高等優(yōu)點，但外形尺寸較大，不適用于驅(qū)動機構布置在反應堆壓力容器堆底的特殊堆型，且不能實現(xiàn)控制棒組件高度無級調(diào)節(jié)。

針對研究堆控制棒驅(qū)動機構布置在堆底、間距小、調(diào)節(jié)精細的特殊需求，本文設計了直線電機型控制棒驅(qū)動機構，突破了傳統(tǒng)控制棒驅(qū)動機構機械式傳動結構的局限，實現(xiàn)了無中間轉(zhuǎn)換裝置的直線驅(qū)動，具有落棒可靠性高、調(diào)節(jié)精度高的優(yōu)點。

1 直線驅(qū)動原理

直線電機型驅(qū)動機構的電磁結構主要包括定子和動子，如圖1所示。動子為環(huán)形齒結構，工作在反應堆冷卻劑中，材料為導磁不銹鋼06Cr13。定子主要由多組控制線圈、磁極、永磁體相互疊加組成，其中控制線圈采用聚酰亞胺漆包線繞制而成，位于磁極內(nèi)部，磁極采用DT4C電磁純鐵。為提高電機輸出力，在磁極之間布置永磁體，材料為NdFeB。

圖1 直線電機型驅(qū)動機構電磁結構

直線電機型驅(qū)動機構的提升力是由控制線圈中的電流與永磁體建立的空間磁場相互作用產(chǎn)生的，其原理為：當定子某相繞組通電時，該相勵磁，并與永磁體建立的空間磁場進行矢量疊加，進而對該相繞組對應的動子內(nèi)部的磁場產(chǎn)生加強或減弱作用。定義動子內(nèi)部磁場加強或減弱的電流方向，將使磁場加強的電流方向定義為正方向，使磁場減弱的電流方向定義為負方向。正方向電流(負方向電流)與永磁體建立的磁場相互作用會產(chǎn)生使動子內(nèi)部磁場有增大(減小)趨勢的電磁拉力。按照一定的相序給各相繞組依次通電，則動子會向同一方向連續(xù)運動，通電相序相反，則動子會向相反方向連續(xù)運動，從而實現(xiàn)控制棒的提升與下插。在運行過程中，給某相通直流電，則動子會懸停在相應位置，實現(xiàn)掛棒操作；當繞組斷電時，動子依靠自身重力下落到堆底，實現(xiàn)落棒功能。

2 力移特性分析

力移特性是機構在固定勵磁狀態(tài)下所具有的特性，它反映了動子所受電磁力和位置之間的關系。本文研究分析了動子齒頂寬b1、動子齒底寬b2和永磁體厚度dp3個主要電磁結構參數(shù)對力移特性的影響，進而確定較佳的電磁結構參數(shù)。

基于ANSOFT軟件，采用二維1/4對稱電磁模型進行計算，選取了動子齒頂寬b1、動子齒底寬b2、永磁體厚度dp作為參數(shù)化設計變量，具體見表1。考慮永磁體的磁性能會隨溫度的升高而降低，對永磁體的室溫磁性能(GB/T 13560—2009)進行了18%的降級處理。

表1 參數(shù)化變量信息

經(jīng)計算分析，確定動子齒頂寬b1為9 mm，動子齒底寬b2為11 mm，永磁體厚度dp為4 mm，得到機構的最大輸出電磁力為1 172 N(電磁模型為1/4模型，驅(qū)動機構最大提升力為如圖2所示最大電磁力的4倍)，滿足設計要求。

圖2 力移特性曲線族

3 永磁材料研究

在直線電機型控制棒驅(qū)動機構中，除永磁體外，其余材料均為核電站常用的金屬材料和電工材料?？紤]到永磁材料隨著溫度的升高磁性能會降低，并且長時間使用后磁性能會發(fā)生老化衰減，因此有必要對NdFeB永磁材料開展老化試驗研究，為工程應用提供必要的試驗依據(jù)。

為了獲得NdFeB材料在工作溫度和輻照下的磁性能變化情況，對標準NdFeB試樣進行了溫度特性測試、γ射線輻照測試、老化穩(wěn)定性測試。試樣的牌號為NdFeB 260/240 EH(見GB/T 13560—2009)，試樣規(guī)格為φ20 mm×14 mm(直徑×高)。

3.1 溫度特性測試

試樣在60,100,140,180,200 ℃時的開路磁通下降率如圖3所示。由試驗結果可知：隨著溫度升高，試樣的開路磁通下降率呈線性增加趨勢。直線電機型驅(qū)動機構的工作溫度小于150 ℃，該溫度下開路磁通較室溫時下降了約15%，測試結果表明力移特性分析所采用的磁性能降級處理是保守的。

圖3 不同溫度的磁通下降率

3.2 耐輻照測試

對試樣進行5.0×105Gy和1.0×107Gy劑量的γ射線輻照，與輻照前相比試樣的開路磁通變化率分別為0.35%和0.89%，由試驗結果可知，γ射線輻照對該材料的磁性能影響很小，對直線電機型驅(qū)動機構的性能基本沒有影響。

3.3 老化穩(wěn)定性測試

對試樣分別進行200 ℃下保溫4,21,44,500,1 500,2 000,2 500 h的開路磁通測試，不同保溫時長后的開路磁通損失率如圖4所示。由試驗結果可知：試樣處于長期高溫下的開路磁通不可逆損失僅為1%～2%，隨著保溫時間的延長，前500 h損失率增幅較大， 500 h后趨于平穩(wěn)。試驗結果表明,長期高溫熱老化對磁性能不可逆損失影響較小，對于直線電機型驅(qū)動機構來說是可以接受的。

圖4 磁通不可逆損失率

4 結構設計

4.1 總體結構

直線電機型控制棒驅(qū)動機構安裝在反應堆壓力容器底部的CRDM管座下，采用法蘭結構連接和密封。驅(qū)動機構主要由線圈組件、動子、滾輪組件、柔性連接體、管座、行程套管、定子機座等組成，如圖5所示，其中:柔性連接體與控制棒組件連接，位于驅(qū)動機構的上方；線圈組件由控制線圈、磁極、永磁體交替排列組成；控制線圈分為A、B、C三相；驅(qū)動機構正常工作情況下定子部件通過風冷系統(tǒng)降低控制線圈工作溫度。

在直線電機型控制棒驅(qū)動機構結構設計過程中，除動子和線圈組件外，柔性連接體和滾輪組件的設計尤為重要。由于制造、裝配等因素影響，動子相對線圈組件必然存在偏心，產(chǎn)生的磁偏拉力將導致動子運動時具有較大的摩擦阻力，影響驅(qū)動機構的運行和落棒，因此必須設置導向裝置，即滾輪組件，使動子始終處于定子的中心位置。此外，由于直線電機型驅(qū)動機構布置在堆底，有必要設置柔性連接結構，以避免控制棒驅(qū)動線安裝偏心而產(chǎn)生過大的阻力。

1—柔性連接體；2—管座；3—定子機座；4—動子；5—滾輪組件；6—線圈組件；7—行程套管

4.2 滾輪組件

滾輪組件包括支架、軸、滾輪等，支架夾在環(huán)齒底，滾輪圍繞軸轉(zhuǎn)動，滾輪外圓略高出動子。滾輪組件不僅能夠使動子始終處于定子的中心，還能使動子在耐壓殼內(nèi)的摩擦由滑動摩擦變?yōu)檗D(zhuǎn)動摩擦，較大程度上降低摩擦系數(shù)。滾輪選用GH05不導磁鎳基合金，硬度控制在40HRC～45HRC，軸采用GH4145絲材冷拉硬化，基體硬度達到35HRC以上，為了提高耐磨性，對其表面進行鍍鉻處理，使其表面硬度達到45HRC～50HRC。

4.3 柔性連接體

柔性連接體由兩端帶有球頭的柔性連接桿組成，連接桿一端球頭與動子側的球頭相連，另一端與控制棒側的球頭連接，球頭在接頭內(nèi)有一定的轉(zhuǎn)動自由度，經(jīng)計算分析，柔性連接體允許驅(qū)動線的安裝錯對中達到5.2 mm，從而避免了安裝偏心產(chǎn)生過大阻力的問題。

5 試驗驗證

為了驗證所設計的直線電機型驅(qū)動機構，試制了樣機，完成了驅(qū)動線冷態(tài)錯對中試驗、熱態(tài)壽命試驗和抗震試驗。

5.1 冷態(tài)錯對中試驗

安裝時人為設置了0～10 mm不同的錯對中，對驅(qū)動線抽插阻力進行測試，測試結果表明，錯對中不大于5 mm時的抽插阻力、落棒快插時間基本一致，驗證了柔性連接體可以允許驅(qū)動線的錯對中值達到5 mm。

5.2 熱態(tài)壽命試驗

驅(qū)動機構樣機在專用的試驗臺架上，模擬反應堆額定熱態(tài)工況，完成了累計運行行程為3 000 m和2 000次全高度落棒的壽命考驗，滿足設計要求。在整個試驗期間，驅(qū)動機構運行正常，落棒機電延遲時間小于50 ms，快插時間在1.25～1.35 s，如圖6所示，滿足設計要求。

圖6 驅(qū)動機構落棒時間統(tǒng)計

試驗后不同位置滾輪組件的磨損量如圖7所示，由圖可知，動子中部滾輪組件的磨損量較大，滾輪外圓最大磨損為0.16 mm，其余位置的磨損量均小于0.10 mm，有較大裕量。試驗結果表明滾輪導向結構設計是合理的。

5.3 抗震試驗

依據(jù)HAFJ0053[6]等規(guī)范要求，采用多頻波法完成了直線電機型控制棒驅(qū)動機構的5次OBE(運行基準地震)和1次SSE(安全停堆地震)抗震試驗，驅(qū)動機構在地震載荷下結構完整，OBE地震載荷下能夠保持正常運行和停堆， SSE地震載荷下能夠?qū)崿F(xiàn)安全停堆，具體試驗內(nèi)容見表2。在抗震試驗完成后，再次進行了驅(qū)動機構的結構完整性和功能測試，確認其結構完整、功能正常。試驗結果表明驅(qū)動機構的性能滿足抗震的要求。

圖7 滾輪磨損量

表2 抗震試驗內(nèi)容

6 結論

本文采用理論分析及試驗驗證相結合的方法，完成了直線電機型控制棒驅(qū)動機構的研制，并通過了錯對中試驗、熱態(tài)壽命試驗、抗震試驗，得到主要

結論如下：

1)通過對電磁結構進行參數(shù)化分析，確定了較佳的電磁結構參數(shù)，直線電機型驅(qū)動機構的最大輸出電磁力可達到1 172 N。

2)NdFeB永磁材料的性能試驗結果表明，溫度達150 ℃時永磁體磁性能下降約15%，輻照及熱老化對永磁體磁性能影響非常小，NdFeB永磁材料滿足驅(qū)動機構長期使用的要求。

3)驅(qū)動線冷態(tài)錯對中試驗、熱態(tài)壽命試驗和抗震試驗結果表明，直線電機型驅(qū)動機構結構設計合理，驅(qū)動機構在壽命期內(nèi)能夠可靠地完成提升、下插、保持和落棒動作，各項性能指標滿足設計要求。