圓柱型感應(yīng)式鈉電磁泵電磁設(shè)計(jì)影響因素的仿真分析

□張 琭 宋德寬

電磁泵與機(jī)械鈉泵相比具有：無轉(zhuǎn)動(dòng)部件、無需動(dòng)密封；操作、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在快堆輔助工藝系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。電磁泵按液態(tài)金屬中電流饋給方式可分為傳導(dǎo)式和感應(yīng)式，按泵溝截面型式可分為平面型、螺旋型和圓環(huán)型。本文根據(jù)目前使用需求主要論述圓環(huán)型感應(yīng)式鈉電磁泵的研制。

一、圓環(huán)型感應(yīng)式鈉電磁泵

圓環(huán)型鈉電磁泵泵溝截面呈環(huán)形，外鐵芯布置在外圓筒壁上，內(nèi)圓筒放有內(nèi)置鐵芯，內(nèi)外鐵芯之間為鈉液流通通道泵溝，泵溝外側(cè)包裹隔熱材料以阻止高溫鈉向繞組線圈傳熱。

通常圓環(huán)型電磁泵電磁設(shè)計(jì)的主要影響因素包括電磁氣隙確定、繞組接線方式選擇、外鐵芯數(shù)量以及內(nèi)鐵芯尺寸等參數(shù)。要提高電磁泵的性能，減小內(nèi)外鐵芯之間的氣隙是關(guān)鍵，電磁氣隙主要由泵溝內(nèi)外壁、隔熱材料、鈉液厚度確定。本文針對(duì)這些影響因素建立圓柱型鈉電磁泵三維電磁分析模型，并根據(jù)特定條件對(duì)不同影響因素進(jìn)行仿真計(jì)算分析，獲取電磁泵電磁設(shè)計(jì)影響因素的基本規(guī)律，為鈉電磁泵的設(shè)計(jì)提供有效的理論依據(jù)。

二、圓環(huán)型鈉電磁泵電磁性能分析

為提高電磁泵性能參數(shù)，需要對(duì)其初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化分析。本文以12槽小型電磁泵樣機(jī)為模型，對(duì)其影響電磁泵出力的主要因素進(jìn)行分析，給出其影響趨勢(shì)，為后續(xù)鈉電磁泵樣機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。模型網(wǎng)格剖分全部采用內(nèi)部剖分法，模型計(jì)算采用電壓激勵(lì)源，單相直流電阻為0.432Ω(實(shí)驗(yàn)值)，三相輸入電壓為：A相：176×sin(2×3.14×20×time)；B相：176×sin(2×3.14×20×time-2/3×3.14)；C相：176×sin(2×3.14×20×time+2/3×3.14)。

(一)鈉液厚度的影響。鈉液厚度不僅影響泵中磁場(chǎng)的分布，同時(shí)也是調(diào)節(jié)流量和揚(yáng)程之間均衡的一個(gè)重要因素。為分析鈉液層厚度對(duì)電磁泵出力的影響，假定外鐵芯結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過改變內(nèi)鐵芯外徑調(diào)整鈉液層厚度，得到電磁泵靜態(tài)情況下出力如圖1所示。可以看出，隨著鈉流厚度的增加，電磁力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在鈉液厚度為6mm時(shí)達(dá)到最大。由電磁力計(jì)算方法可知，在僅僅改變鈉液厚度時(shí)，電磁力可表示為下式：F∝B×J×S。式中：B—磁感應(yīng)強(qiáng)度；J—感應(yīng)電流密度；S—鈉液截面積。

隨著氣隙長(zhǎng)度的增加，感應(yīng)電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度都呈下降趨勢(shì)。但由于鈉液厚度增加，所以整體的出力并沒有減小。因此，雖然在鈉液厚度為2mm到6mm的變化過程中，鈉液中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和感應(yīng)電流J都在降低，但由于鈉液層的截面積增加相對(duì)更多，所以鈉液所產(chǎn)生的推力增加；而當(dāng)鈉液厚度超過6mm，鈉液截面積的增加相對(duì)于磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流密度的減小要小，因此鈉液推力開始減小。

圖1 電磁力隨鈉流厚度變化關(guān)系

(二)繞組接線方式選擇。鈉電磁泵存在多個(gè)繞組線圈，也同樣存在不同的接線方式。因接線方式較多很難在短期內(nèi)采用電磁分析方式準(zhǔn)確地計(jì)算各種接線方式之間的差別，為此本文特別設(shè)計(jì)一臺(tái)電磁驅(qū)動(dòng)原理樣機(jī)，通過試驗(yàn)分析各種接線方式之間的差別。本文主要列出兩種接線方式對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)分析。兩種方式接線示意圖分別如圖2、圖3所示。

斜線為A相、橫線為B相、豎線為C相圖2 繞組接線方式a)

圖3 繞組接線方式b)

兩種接線方式不同氣隙下推力隨電流的變化試驗(yàn)結(jié)果為，在電磁泵剛啟動(dòng)輸入電流較低的情況下，接線方式b)推力略大于接線方式a)；當(dāng)電流逐步升高之后方式a)推力逐漸大于方式b)，在電流相同的情況下推力較大的接線方式其輸入電壓也偏大，即輸出推力偏大方式，其輸入功率也偏大，二種接線方式效率相當(dāng)。因此，單從輸出電磁推力結(jié)果看方式a)具有一定的優(yōu)越性，二者差別并不明顯。但方式a)接線較為復(fù)雜，使得電磁泵制造工藝難度加大，運(yùn)行可靠性降低。因此，綜合考慮對(duì)中小功率的電磁泵來說選擇方式b)較為合適。

(三)內(nèi)鐵芯直徑的影響。保證電磁泵其他部件徑向尺寸不變情況下，僅僅調(diào)整內(nèi)鐵芯直徑分析得到內(nèi)鐵芯不同尺寸時(shí)的出力曲線如圖4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，隨著內(nèi)鐵芯尺寸的增大，泵的出力逐漸變大。其主要原因是隨著內(nèi)鐵芯內(nèi)徑的增大，外鐵芯槽漏磁通減小，主磁通增加，導(dǎo)致泵的出力增大。需要注意的是，雖然內(nèi)徑擴(kuò)大之后鈉流的端面面積增大，但由于外鐵芯寬度并沒有調(diào)整，因此鈉液中感應(yīng)電流的面積并沒有發(fā)生明顯變化，所以泵的出力沒有按照鈉液端面面積成比例變化。

圖4 不同內(nèi)徑時(shí)出力隨時(shí)間變化曲線

(四)其它。

1.外鐵芯數(shù)量對(duì)電磁性能影響。外鐵芯數(shù)量不僅對(duì)電磁泵性能有所影響，對(duì)其重量及制造加工成本也有很大影響。在上述輸入條件不變的情況下，保證外鐵芯和內(nèi)鐵芯的耦合面積最大。雖然外鐵芯和內(nèi)鐵芯的耦合面積沒有變化，但外鐵芯繞組和定子繞組的耦合面積卻發(fā)生了變化，這導(dǎo)致繞組電抗發(fā)生了變化，繞組與定子之間漏磁減少。因此，在相同外界激勵(lì)源條件下，增加初級(jí)鐵心數(shù)目起到了充分利用繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，并將其轉(zhuǎn)換為有用的磁感應(yīng)強(qiáng)度。所以，外鐵芯數(shù)目越多，電磁泵產(chǎn)生的電磁力就會(huì)越大。

2.齒槽尺寸影響。其他參數(shù)一定時(shí)，齒寬及槽高對(duì)磁路飽和程度、漏抗以及主電抗參數(shù)都有重要影響。不同齒寬下的內(nèi)鐵芯推力隨著齒寬的增加而減小，隨著槽高的增加而減小。從磁路角度來講，雖然減小以及增加槽高之后磁路會(huì)飽和，但槽漏抗參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。

三、結(jié)語

綜上所述，鈉液層厚度、外鐵芯寬度、槽寬以及槽高對(duì)電磁推力的影響較大，而繞組接線方式、定子鐵芯數(shù)以及外鐵芯結(jié)構(gòu)對(duì)推力影響較小。鈉液層厚度的選擇不僅對(duì)電磁性能有較大的影響，同時(shí)也是調(diào)節(jié)電磁泵流量與揚(yáng)程平衡的主要因素。在輸入一定的情況下，不同繞組接線方式對(duì)電磁泵出力影響并不是特別大，但其對(duì)電磁泵加工制造及運(yùn)行可靠性具有很大影響。同樣氣隙條件內(nèi)鐵芯直徑對(duì)電磁性能影響不大，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)保持流量不變的情況下，內(nèi)鐵芯直徑增大可以減小鈉液層的厚度，進(jìn)而影響電磁泵的性能。此外，上述分析僅僅是從電磁分析的角度出發(fā)得出的結(jié)論，沒有考慮熱工、泵溝流體阻力、鐵芯損耗以及效率等問題。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要綜合電磁、熱工及機(jī)械強(qiáng)度等問題進(jìn)行全面分析設(shè)計(jì)。