| 标题 | 圆柱形感应式钠电磁泵性能仿真分析 |
| 范文 | 张川 宋德宽 摘 要：钠电磁泵具有无转动部件、无需动密封、安装维护方便等诸多优点。钠冷快堆辅助系统及中小流量钠试验设施主要采用电磁泵作为动力源。本文通过对圆柱形感应式钠电磁泵建模仿真，具体分析影响钠电磁泵性能的因素，通过仿真分析发现，钠液厚度、绕组匝数、槽口宽度及高度、初级铁心数、内铁心材料等因数均对电磁泵性能有重要影响。 关键词：钠电磁泵;仿真分析;电磁泵性能 中图分类号：TH35 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）10-0102-03 1背景 钠冷快堆电站以液态金属钠作为冷却剂，其辅助工艺系统钠的传输主要通过电磁泵完成。与机械钠泵相比，电磁泵具有：（1）无转动部件，无需动密封;（2）操作、控制简单等优点，中国实验快堆的钠充排系统、钠净化系统、氢计的取样支路以及中小流量钠试验设施主要采用钠电磁泵作为动力源，目前国内外关于钠电磁泵方面的研究较少[1-3]。 2 三维模型的建立 电磁泵整体几何模型如图1（a）所示，其圆周方向由六块高导磁材料构成。考虑到泵在圆周的对称性，因此在计算分析时采用1/6模型进行简化，如图1（b）所示。电磁泵主要设计参数如表1所示。 3钠电磁泵性能影响因素仿真分析 3.1 钠液厚度的影响 气隙长度直接决定了激磁电抗的大小，从而影响泵的磁密，进而影响输出压力。图2给出了流速为零时的压力和绕组电流与钠液厚度的变化关系。可以看出，随着钠液厚度增加，泵的压力和以钠液厚度为3mm和6.5mm为例，图3给出了两种状态下钠液中的磁密法向分量，3mm和6.5mm鈉液厚度时钠液中磁密为0.28T、0.2T，在钠液厚度增加了116%的情况下，磁密仅降低了28%。图4给出了两种状态下钠液中感应电流分布状态。从图中更可以看出，钠液厚度增加后钠液中的感应电流也有所减小。因此，根据电磁力定律可以可知，随着钠液厚度的增加，电磁力密度（对应压力）有所减小。因此，可以看出，若想提高零速时的压力，可通过减小钠液厚度的方式实现。 3.2 绕组匝数的影响 绕组匝数对泵的电磁电抗参数具有重要影响，合理选择绕组匝数可以提高其压力和力能指标。图5给出了钠液厚度为4.5mm时零速下泵的压力和绕组电流随绕组匝数的变化关系。从图中可以看出，该状态下泵的出力基本与绕组匝数变化率的平方成反比。因此，在电流不超过电源要求以及泵的发热允许的情况下，调整绕组匝数对泵的压力改变具有非常明显的改善。 3.3 槽口宽度及高度的影响 槽口宽度对泵的初级漏抗具有较大影响。当槽距一定时，减小槽口宽度可以增大齿的宽度，因此可以减小槽漏抗的同时增大绕组激磁电抗，从而可以在相同供电条件下提高气隙磁密，从而增加泵的出力。如图6所示是槽口宽度对泵性能的影响，以18mm和12mm槽宽为例，槽口宽度减小了33.3%，压力增大了45%，电流增大了30%。减小槽高也也可以减小定子漏抗增大激磁电流，提高气隙磁场从而增大压力。图7给出了在其他参数都不变的情况下压力和电流随槽高的变化关系。以槽高78mm和48mm为例，槽高减小了38%，压力提高了62%，电流增大了29%。 3.4 初级铁心数的影响 不同铁心结构示意图如图8所示。从电磁关系来看，不同铁心数目时铁心在圆周的占空比不同，圆柱形时占空比为1，其他结构都小于1，且随着铁心数目的增加占空比逐渐增大。假定其他结构参数都不发生变化且不同铁心数时每块铁心厚度都达到最大值： 其中， 为铁心内径，n为铁心数。从电磁泵的基本电磁关系可以看出，在其他参数都不变的情况下，不同铁心数所导致的铁心厚度的不同直接影响到绕组漏抗的大小。漏抗越大，出力越小。因此，不同铁心数圆周的总长度越大，漏抗越大，出力越小。图9给出了随铁心数的变化关系，从图中可以看出，铁心数目小，越小，那么定子绕组的漏磁导也就越小，相同条件下泵的出力也就越大。从图中还可以看出，当铁心数在5以上时，变化很小，当铁心数在2到5范围内，增大很快。因此，在满足工艺和强度要求的情况下，采用较小的铁心数，尤其是铁心数小于5的情况可以提高泵的出力。当铁心数大于5时，铁心数对泵出力的影响很小。图10给出了其他参数都不变的情况下不同铁心数时零速下泵的压力和电流情况。从图中可以看出，铁心数越小，电流和压力越大。但不同铁心数时压力大小并没有体现如图9那样大的差距，其主要原因是图9中仅仅比较分析了槽漏磁的大小，而铁心数越小，绕组的端部漏抗越大，最终增大了绕组漏抗，导致泵的出力减小。 3.5 内铁心材料的影响 内铁心作为磁路的重要部分，若采用导电材料，行波磁场在其中所产生的涡流将削弱主磁场，改变绕组电压和电流的相位，从而减小电磁泵的压力。图11给出了内铁心为导电和不导电材料时的压力和电流比较，可以看出，在其他结构参数都没变化的情况，将内铁心材料变为不导电材料压力提高了15.7%，而电流还略微有所减小，因此，内铁心材料电导率对泵的性能具有重要影响。 4结语 通过对圆柱形感应式钠电磁泵建模仿真分析发现，钠液厚度、绕组匝数、槽口宽度及高度、初级铁心数、内铁心材料等因数均对电磁泵性能有重要影响，本仿真结果将为钠电磁泵的性能设计提供重要的理论支撑。 参考文献 [1] 薛明伦，唐福林.液态金属电磁泵设计理论中的几个基本问题（一）[J].力学学报，1974（01）：11-20. [2] 宋德宽，詹佳硕，郑向阳.等.圆柱型感应式钠电磁泵自然对流下的三维温度场仿真研究[J].核科学与工程，2016，12（6）：776-783. [3] 宋德宽，张琭，罗锐，等.小流量双平面感应电磁泵的设计及实验研究[J].产业与科技论坛，2016，15（10）：36-38. |
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