Результат интеллектуальной деятельности: ЛИНЕЙНЫЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Изобретение относится к исполнительным механизмам системы управления и защиты ядерных реакторов, а именно к конструкциям линейных шаговых двигателей (ЛШД), которые используются в качестве приводов рабочих органов управления.

К устройствам рассматриваемого типа предъявляются высокие критерии по безопасности, надежности и продолжительности работы. В ряде случаев их эксплуатация происходит в условиях значительных термических нагрузок и высокой химической и радиационной агрессивности, требующих специальных мер по охлаждению и изолированию от окружающей среды элементов конструкции ЛШД, в частности электрических обмоток.

Наиболее близким аналогом изобретения является ЛШД универсального исполнительного механизма системы управления и защиты исследовательского реактора, содержащий цилиндрический корпус, закрепленный в нем статор с индукционными обмотками и стержневой якорь, передвигающийся внутри статора под действием продольного магнитного поля. Каждая обмотка статора имеет кольцевую цилиндрическую форму и расположена внутри магнитопровода, образованного внутренней и наружной трубами и торцевыми дисками. При этом наружная труба и диски выполнены из магнитопроводящего материала, а внутренняя труба состоит из чередующихся магнито- и немагнитопроводящих участков («Основы конструирования исполнительных механизмов управления ядерных реакторов», И.Я. Емельянов, В.В. Воскобойников, Б.А. Масленок, 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1987, стр. 69-70).

Известное устройство имеет ряд недостатков. Размещение обмоток с магнитопроводами в корпусе обеспечивает герметичность ЛШД, но в то же время существенно ухудшает передачу тепла, выделяемого в обмотках, в окружающую среду. При этом значительный температурный перепад образуется как в зазоре между наружной трубой магнитопровода и внутренней поверхностью корпуса, так и внутри наружной трубы на границе с обмоткой, где также имеется зазор из-за неровной укладки обмоточного провода.

Высокая вероятность перегрева обмоток ЛШД существенно ограничивает возможности применения данного устройства. В частности, как показывают расчеты, при использовании этого устройства без принудительного охлаждения в ядерном реакторе с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем не удовлетворяются требования по надежности и срокам эксплуатации.

Задачей настоящего изобретения является расширение области применения, повышение надежности и улучшение технико-экономических показателей ЛШД.

Достигаемый в изобретении технический результат состоит в том, что в предложенном устройстве существенно улучшен отвод тепла от обмоток в окружающую среду за счет комбинации двух факторов - уменьшения теплового сопротивления зазора между обмоткой и ее наружной трубой и исключением теплового сопротивления корпуса и зазора между корпусом и наружной трубой. Такое снижение перепадов температуры по сечению ЛШД улучшает его рабочие характеристики, так как появляется дополнительный запас до пороговых значений, при которых наступает перегрев и межвитковое замыкание в обмотках. При этом конструкция ЛШД остается герметичной, поэтому его можно надежно и безопасно эксплуатировать в режимах, недостижимых для известного устройства.

Дополнительным преимуществом изобретения является то, что заявленный ЛШД отличается уменьшенным весом.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что линейный шаговый двигатель исполнительного механизма системы управления и защиты ядерного реактора содержит цилиндрический корпус, закрепленный в нем статор с кольцевыми обмотками, каждая из которых размещена между внутренней и наружной магнитопроводящими трубами и торцевыми магнитопроводящими дисками, и расположенный внутри статора якорь, а пространство между обмоткой и наружной трубой заполнено пластичным теплопроводящим материалом. При этом наружная труба состоит из продольных полос, установленных с зазорами между собой, а напротив полос в корпусе выполнены отверстия, герметизированные по периметру.

На фиг. 1 показан частичный продольный разрез ЛШД в соответствии с изобретением, а на фиг. 2 - его поперечный разрез.

ЛШД содержит цилиндрический корпус 1, вставленный в него статор с индукционными обмотками 2 и стержневой якорь 3, передвигающийся внутри статора под действием продольного магнитного поля. Обмотка статора имеет кольцевую цилиндрическую форму и размещена между внутренней трубой 4, наружной трубой 5 и двумя торцевыми дисками 6, которые в совокупности образуют магнитопровод обмотки. При этом наружная труба 5 и диски 6 выполнены из магнитопроводящего материала, а внутренняя труба 4 состоит из чередующихся магнито- и немагнитопроводящих участков.

В соответствии с изобретением наружная труба 5 выполнена продольно-разрезной. При изготовлении ЛШД каждую продольную полосу 7, из которых собирают наружную трубу 5, по отдельности устанавливают между кольцевыми дисками 6, накладывая на наружную поверхность обмотки таким образом, чтобы между соседними полосами оставался продольный зазор 8.

Поскольку наружная труба состоит из продольных полос, зазоры 8 между полосами практически не препятствуют прохождению магнитного поля и не ухудшают характеристики магнитопровода, но при этом позволяют компенсировать отклонения наружного диаметра обмотки и обеспечить максимально плотное прилегание полос к обмотке.

Перед установкой полос их внутренняя поверхность предварительно покрывается теплопроводящим пластичным материалом 9, поэтому при наложении полосы на обмотку 2 обеспечивается гарантированное заполнение этим материалом пространства между ними, образованного неровностями намотки. Излишки материала удаляются при этом через продольные зазоры 8.

В соответствии с изобретением в корпусе 1 напротив полос 7 выполнены сквозные отверстия 10, например, в виде прямоугольных окон, как показано на фиг 1. Отверстия 10 имеют несколько меньший, чем у полос, размер, чтобы по периметру их кромок могла быть выполнена герметизация стыка, например, с помощью клея. Зазоры 8 остаются скрытыми под корпусом 1 между отверстиями 10 и достаточными для компенсации неравномерностей намотки обмоточного провода и укладки в них выводов обмоток и измерительных датчиков.

Герметизация отверстий 10 по всему периметру изолирует внутреннюю полость ЛШД от окружающей среды, а в пределах отверстия обеспечивается непосредственный контакт наружной трубы 5 с окружающей средой. В результате происходит прямая теплоотдача с поверхности трубы, что существенно понижает температуру в обмотках. Возможное отклонение от соосности корпуса 1 и полос 7 из-за наложения полос на неровности намотки при сборке статора в данном случае не влияет на теплопередачу. Напротив, при отсутствии отверстий 10 зазор между трубой 5 и корпусом 1 привел бы к значительному нагреву обмоток, а отсутствие соосности его локально еще более бы усилило.

Надежность работы заявленного устройства и его промышленная применимость экспериментально апробировались в испытаниях макета исполнительного механизма системы управления и защиты ядерного реактора с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. Условия эксплуатации в этом случае предполагают пассивное охлаждение установленного вертикально ЛШД за счет естественной конвекции воздушной среды и отсутствие систем принудительной вентиляции обмоток или их водяного охлаждения.

В данном примере в немагнитопроводящем корпусе ЛШД, имеющем отверстия в виде прямоугольных окон, размещался статор, снабженный четырьмя одинаковыми обмотками, намотанными на внутреннюю трубу, сваренную из одинаковых магнитопроводящих колец, чередующихся с немагнитными кольцами с постоянным шагом в пределах обмотки и с широкими немагнитными кольцами между обмотками.

К торцам обмотки примыкали магнитопроводящие кольцевые диски-полюсы, посаженные на крайние магнитопроводящие кольца внутренней трубы. Снаружи обмотку окружала разрезная наружная труба магнитопровода, приваренная торцами к дискам-полюсам. Она состояла из 6 продольных полос с зазорами порядка 3 мм между полосами. Зазор между обмоткой и наружной трубой был заполнен теплопроводящим гелем-герметиком.

Во время работы данного устройства усилие перемещения якоря создается импульсами постоянного тока, проходящими через обмотки в заданном напряжением порядке. Для ускорения выхода на заданную напряжением величину тока в начале импульса подается короткий форсирующий импульс повышенного напряжения. Ток, протекающий в обмотке, создает вокруг обмотки магнитный поток в замкнутом контуре «наружная труба магнитопровода - полюс - магнитопроводящие кольца статора и якоря - полюс - наружная труба» и приводит якорь на каждом шаге в положение равновесия с вертикальной нагрузкой. Широкие немагнитные кольца статора между обмотками отделяют магнитные потоки соседних обмоток и задают сдвиг положений равновесия, равный четверти шага колец якоря.

Проведенные расчеты и испытания показали, что применительно к конструкциям исполнительных механизмов системы управления и защиты ядерных реакторов с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем использование заявленного изобретения обеспечивает выполнение существующих требований по надежности и срокам эксплуатации ЛШД.