基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构

摘要

基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构，属于直线电机应用领域，本发明为解决压水堆核电站采用外置式磁力提升驱动机构存在的问题。本发明包括定子和动子；动子包括衔接部和驱动轴；驱动轴的顶端设置衔接部，驱动轴为正N边形的主轴，驱动轴具有交替分布的N个槽面和N个非槽面；定子包括护套、N列励磁部和N列支撑部，护套为正N边形的上端开口、下端封闭的空腔结构，在护套的N个外壁面上交错固定N列励磁部和N列支撑部；驱动轴的下端从护套的上端开口同轴插入，驱动轴与护套之间存在机械气隙，驱动轴的N个槽面与N列励磁部对应，N个非槽面与N列支撑部对应；驱动轴在励磁部的作用下实现上下运动，并通过支撑部实现磁浮支撑。

权利要求

1.基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构，其特征在于，包括定子和动子；

动子包括衔接部(1)和驱动轴(2)；驱动轴(2)的顶端设置衔接部(1)，所述衔接部(1)用于固定控制棒，驱动轴(2)为正2N边形的主轴，驱动轴(2)具有交替分布的N个槽面和N个非槽面，每个槽面上沿轴向排布一列齿槽(2‑1)，N≥2；

定子包括护套(3)、N列励磁部和N列支撑部，护套(3)为正2N边形的上端开口、下端封闭的空腔结构，在护套(3)的2N个外壁面上交错固定N列励磁部和N列支撑部；每列励磁部由j个励磁单元(7)构成并沿轴向排列在护套(3)的奇数外壁面上，每列支撑部由k个导向支撑单元(8)构成并沿轴向排列在护套(3)的偶数外壁面上，j≥1，k≥2；

驱动轴(2)的下端从护套(3)的上端开口同轴插入，驱动轴(2)与护套(3)之间存在机械气隙，驱动轴(2)的N个槽面与N列励磁部对应，N个非槽面与N列支撑部对应；

驱动轴(2)在励磁部的作用下实现上下运动，并通过支撑部实现磁浮支撑；

励磁单元(7)包括励磁铁芯(7‑1)和m个励磁线圈(7‑2)，励磁铁芯(7‑1)包括平板底座(7‑1‑1)和m个线圈定位柱(7‑1‑2)，平板底座(7‑1‑1)的轴向两端具有内翻边沿，平板底座(7‑1‑1)的内表面沿轴向均布m个线圈定位柱(7‑1‑2)，每个线圈定位柱(7‑1‑2)上固定一个励磁线圈(7‑2)，m个励磁线圈(7‑2)构成m相交流绕组;导向支撑单元(8)包括支架(8‑1)、聚磁线圈(8‑2)和聚磁铁芯(8‑3)；聚磁铁芯(8‑3)包括方形底座(8‑3‑1)和方形定位凸起(8‑3‑2)，聚磁铁芯(8‑3)的方形定位凸起(8‑3‑2)上固定一套聚磁线圈(8‑2)；支架(8‑1)内侧开有方形凹槽，所述方形凹槽内嵌入固定线圈的聚磁铁芯(8‑3)，且聚磁铁芯(8‑3)的方形底座(8‑3‑1)与方形凹槽的槽口平齐，该平齐表面固定在护套(3)的外壁面上。

2.根据权利要求1所述基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构，其特征在于，定子还包括外壳(4)、上端盖(5)和下端盖(6)，外壳(4)为正2N边形壳体，外壳(4)设置在N列励磁部和N列支撑部的外部，外壳(4)的上、下开口处设置有上端盖(5)和下端盖(6)，上端盖(5)和下端盖(6)套设在护套(3)外壁上。

3.根据权利要求1所述基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构，其特征在于，还包括缓冲器，缓冲器设置在护套(3)密封的底部腔体中，用于为驱动轴(2)提供机械缓冲。

说明书

基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构

技术领域

[0001] 本发明涉及裂变反应堆控制棒的驱动机构，属于直线电机应用领域。

背景技术

[0002] 作为一种安全、清洁而且经济的能源，核能应用的主要途径是通过可控链式反应长期持续地获得能量。人类和平利用核能的关键即在于如何高效安全地控制核反应。在裂
变反应堆中，控制棒是控制输出功率和启停堆的重要设备，是目前反应堆的必要控制部件。
控制棒由中子的强吸收材料制成，能有效吸收反应堆内的中子，从而控制核反应速率。控制
棒组件在堆芯内的运动主要通过控制棒驱动机构的动作来实现。控制棒驱动机构是反应堆
控制系统和安全保护系统的一种伺服机构，其功能是根据控制系统和安全保护系统的指
令，驱动控制棒组件在堆芯内保持、提升、插入或快速落棒，以控制核反应速率，实现反应堆
的启动、功率调节、停堆和事故工况下的安全控制，保证堆芯安全。因此，控制棒驱动机构执
行着启停堆、功率调节和事故状态下快速停堆等任务，是确保反应堆安全可控的重要动作
部件。

[0003] 目前世界上技术比较成熟，应用较为广泛的控制棒驱动方式主要有机械驱动、电磁驱动和液体静压驱动等。压水堆核电站的控制棒驱动机构普遍采用外置磁力提升式，它
具有机构简单、加工容易、提升力大、准确性高、拆装和维修方便等优点。但是，其提升和下
插动作不连续，也不可微调，而是以一定的设计步距作阶跃运动；主要执行机构都是电子器
件，一旦发生故障，容易出现控制棒卡死，无法停堆等严重事故。此外，外置式驱动的最大缺
点是传动线长，增加反应堆总体高度，并且还存在弹棒的隐患。

发明内容

[0004] 本发明目的是为了解决压水堆核电站采用外置式磁力提升驱动机构存在的问题，提供了一种基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构。

[0005] 本发明所述基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构包括定子和动子；

[0006] 动子包括衔接部1和驱动轴2；驱动轴2的顶端设置衔接部1，所述衔接部1用于固定控制棒，驱动轴2为正2N边形的主轴，驱动轴2具有交替分布的N个槽面和N个非槽面，每个槽
面上沿轴向排布一列齿槽2‑1，N≥2；

[0007] 定子包括护套3、N列励磁部和N列支撑部，护套3为正2N边形的上端开口、下端封闭的空腔结构，在护套3的2N个外壁面上交错固定N列励磁部和N列支撑部；每列励磁部由j个
励磁单元7构成并沿轴向排列在护套3的奇数外壁面上，每列支撑部由k个导向支撑单元8构
成并沿轴向排列在护套3的偶数外壁面上，j≥1，k≥2；

[0008] 驱动轴2的下端从护套3的上端开口同轴插入，驱动轴2与护套3之间存在机械气隙，驱动轴2的N个槽面与N列励磁部对应，N个非槽面与N列支撑部对应；

[0009] 驱动轴2在励磁部的作用下实现上下运动，并通过支撑部实现磁浮支撑。

[0010] 优选地，定子还包括外壳4、上端盖5和下端盖6，外壳4为正2N边形壳体，外壳4设置在N列励磁部和N列支撑部的外部，外壳4的上、下开口处设置有上端盖5和下端盖6，上端盖5
和下端盖6套设在护套3外壁上。

[0011] 优选地，还包括缓冲器，缓冲器设置在护套3密封的底部腔体中，用于为驱动轴2提供机械缓冲。

[0012] 优选地，励磁单元7包括励磁铁芯7‑1和m个励磁线圈7‑2，励磁铁芯7‑1包括平板底座7‑1‑1和m个线圈定位柱7‑1‑2，平板底座7‑1‑1的轴向两端具有内翻边沿，平板底座7‑1‑1
的内表面沿轴向均布m个线圈定位柱7‑1‑2，每个线圈定位柱7‑1‑2上固定一个励磁线圈7‑
2，m个励磁线圈7‑2构成m相交流绕组。

[0013] 优选地，导向支撑单元8包括支架8‑1、聚磁线圈8‑2和聚磁铁芯8‑3；聚磁铁芯8‑3包括方形底座8‑3‑1和方形定位凸起8‑3‑2，聚磁铁芯8‑3的方形定位凸起8‑3‑2上固定一套
聚磁线圈8‑2；支架8‑1内侧开有方形凹槽，所述方形凹槽内嵌入固定线圈的聚磁铁芯8‑3，
且聚磁铁芯8‑3的方形底座8‑3‑1与方形凹槽的槽口平齐，该平齐表面固定在护套3的外壁
面上。

[0014] 本发明的优点：本发明提出一种基于多边形直线磁阻电机的新型控制棒驱动结构，提出的控制棒驱动机构具有结构简单、响应速度快、可靠性高等一系列优点；可实现控
制棒在竖直方向的上、下快速运动和精确定位，具有自锁能力，在断电情况下可快速降落并
具有相应防护措施。此外，由于采用磁浮支撑，避免了机械摩擦，提高了驱动机构的使用寿
命，降低了维修成本。

附图说明

[0015] 图1是本发明所述基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构的平面结构示意图；

[0016] 图2是本发明所述基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构的立体结构示意图；

[0017] 图3是本发明所述基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构的爆炸图；

[0018] 图4是励磁单元结构示意图；

[0019] 图5是励磁单元爆炸图；

[0020] 图6是支撑导向单元爆炸图。

具体实施方式

[0021] 具体实施方式一：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述基于多边形直线磁阻电机的控制棒驱动机构包括定子和动子；

[0022] 动子包括衔接部1和驱动轴2；驱动轴2的顶端设置衔接部1，所述衔接部1用于固定控制棒，驱动轴2为正2N边形的主轴，驱动轴2具有交替分布的N个槽面和N个非槽面，每个槽
面上沿轴向排布一列齿槽2‑1，N≥2；

[0023] 定子包括护套3、N列励磁部和N列支撑部，护套3为正2N边形的上端开口、下端封闭的空腔结构，在护套3的2N个外壁面上交错固定N列励磁部和N列支撑部；每列励磁部由j个
励磁单元7构成并沿轴向排列在护套3的奇数外壁面上，每列支撑部由k个导向支撑单元8构
成并沿轴向排列在护套3的偶数外壁面上，j≥1，k≥2；

[0024] 驱动轴2的下端从护套3的上端开口同轴插入，驱动轴2与护套3之间存在机械气隙，驱动轴2的N个槽面与N列励磁部对应，N个非槽面与N列支撑部对应；

[0025] 驱动轴2在励磁部的作用下实现上下运动，并通过支撑部实现磁浮支撑。

[0026] 定子还包括外部保护单元：外壳4、上端盖5和下端盖6，外壳4为正2N边形壳体，外壳4设置在N列励磁部和N列支撑部的外部，外壳4的上、下开口处设置有上端盖5和下端盖6，
上端盖5和下端盖6套设在护套3外壁上。

[0027] 励磁单元7包括励磁铁芯7‑1和m个励磁线圈7‑2，励磁铁芯7‑1包括平板底座7‑1‑1和m个线圈定位柱7‑1‑2，平板底座7‑1‑1的轴向两端具有内翻边沿，平板底座7‑1‑1的内表
面沿轴向均布m个线圈定位柱7‑1‑2，每个线圈定位柱7‑1‑2上固定一个励磁线圈7‑2，m个励
磁线圈7‑2构成m相交流绕组。

[0028] 导向支撑单元8包括支架8‑1、聚磁线圈8‑2和聚磁铁芯8‑3；聚磁铁芯8‑3包括方形底座8‑3‑1和方形定位凸起8‑3‑2，聚磁铁芯8‑3的方形定位凸起8‑3‑2上固定一套聚磁线圈
8‑2；支架8‑1内侧开有方形凹槽，所述方形凹槽内嵌入固定线圈的聚磁铁芯8‑3，且聚磁铁
芯8‑3的方形底座8‑3‑1与方形凹槽的槽口平齐，该平齐表面固定在护套3的外壁面上。

[0029] 本实施方式中被驱动对象为核反应堆控制棒，将控制棒与衔接部1连接，并随动子上下运动。

[0030] 本实施方式中每个励磁单元7中的励磁线圈7‑2选用m＝3，即构成三相交流绕组，通入三相对称正弦电流后，会产生一个气隙磁场，与驱动轴2上的齿槽相互作用，遵循磁阻
最小原理作直线运动，相当于二者构成了开关磁阻直线电机，用于提供动子在竖直方向运
动的动力，本实施方式中选取N＝3，所述驱动轴2具有3个槽面和3个非槽面，3个槽面上的每
列齿槽2‑1的数量根据开关磁阻电机的要求进行设定。支撑部对应驱动轴2上的3个非槽面，
沿六边形驱动轴2外围均匀分布的聚磁线圈8‑2通过聚磁铁芯8‑3产生的磁吸力保证动子的
磁浮支撑及导向。

[0031] 当对换励磁单元7中任意两相的电流后，运动会反向，根据这一原理，可使开关磁阻直线电机实现在垂直方向作往复直线运动。当需要悬停在垂直方向某一位置时，由控制
系统下达指令，令励磁部和支撑部协同工作，即可将驱动轴2悬停在垂直方向某一位置保持
不动，实现锁定，此时，励磁部产生的竖直推力抵消动子的重力，使驱动轴2在竖直方向的所
受合力为零，支撑部产生的水平方向的力保持动子气隙均匀进而实现悬停。

[0032] 具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括缓冲器，缓冲器设置在护套3密封的底部腔体中，用于为驱动轴2提供机械缓冲。