直线电机型控制棒驱动机构设计与试验研究

邓 强，于天达，杨 博，刘 佳，张志强，付国忠

(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041)

作者简介：邓强（1987—），男，高级工程师，硕士，主要从事核反应堆控制棒驱动机构的设计工作，hitdengqiang@163.com.

摘要：为满足核反应堆控制棒驱动机构布置在压力容器堆底、间距小的特殊要求，设计了一种基于行波磁场的直线电机型控制棒驱动机构，实现无机械传动装置的直线驱动，完成了力移特性分析、永磁材料特性研究和结构设计，制造了直线电机型控制棒驱动机构样机，并通过了错对中试验、热态寿命试验、抗震试验等。试验结果表明，直线电机型控制棒驱动机构各项性能指标满足设计要求。

关键词：核反应堆；驱动机构；直线电机；寿命试验；抗震试验

中图分类号：TH122；TL351    文献标识码：A    文章编号：2095-509X(2021)04-0117-04

控制棒驱动机构（简称驱动机构）是反应堆控制系统和保护系统的执行机构，能够带动控制棒组件上、下移动及快速释放控制棒组件，实现对反应堆反应性的控制，完成反应堆的启动、功率调节、功率维持和停堆。

目前，核电站普遍采用磁力提升型控制棒驱动机构^［1-5］，步进式提升控制棒组件，其具有寿命长、可靠性高等优点，但外形尺寸较大，不适用于驱动机构布置在反应堆压力容器堆底的特殊堆型，且不能实现控制棒组件高度无级调节。

针对研究堆控制棒驱动机构布置在堆底、间距小、调节精细的特殊需求，本文设计了直线电机型控制棒驱动机构，突破了传统控制棒驱动机构机械式传动结构的局限，实现了无中间转换装置的直线驱动，具有落棒可靠性高、调节精度高的优点。

1 直线驱动原理

直线电机型驱动机构的电磁结构主要包括定子和动子，如图1所示。动子为环形齿结构，工作在反应堆冷却剂中，材料为导磁不锈钢06Cr13。定子主要由多组控制线圈、磁极、永磁体相互叠加组成，其中控制线圈采用聚酰亚胺漆包线绕制而成，位于磁极内部，磁极采用DT4C电磁纯铁。为提高电机输出力，在磁极之间布置永磁体，材料为NdFeB。

直线电机型驱动机构的提升力是由控制线圈中的电流与永磁体建立的空间磁场相互作用产生的，其原理为：当定子某相绕组通电时，该相励磁，并与永磁体建立的空间磁场进行矢量叠加，进而对该相绕组对应的动子内部的磁场产生加强或减弱作用。定义动子内部磁场加强或减弱的电流方向，将使磁场加强的电流方向定义为正方向，使磁场减弱的电流方向定义为负方向。正方向电流（负方向电流）与永磁体建立的磁场相互作用会产生使动子内部磁场有增大（减小）趋势的电磁拉力。按照一定的相序给各相绕组依次通电，则动子会向同一方向连续运动，通电相序相反，则动子会向相反方向连续运动，从而实现控制棒的提升与下插。在运行过程中，给某相通直流电，则动子会悬停在相应位置，实现挂棒操作；当绕组断电时，动子依靠自身重力下落到堆底，实现落棒功能。