圆柱型感应式钠电磁泵电磁设计影响因素的仿真分析

□张 琭 宋德宽

电磁泵与机械钠泵相比具有：无转动部件、无需动密封；操作、控制简单等优点，在快堆辅助工艺系统中得到广泛应用。电磁泵按液态金属中电流馈给方式可分为传导式和感应式，按泵沟截面型式可分为平面型、螺旋型和圆环型。本文根据目前使用需求主要论述圆环型感应式钠电磁泵的研制。

一、圆环型感应式钠电磁泵

圆环型钠电磁泵泵沟截面呈环形，外铁芯布置在外圆筒壁上，内圆筒放有内置铁芯，内外铁芯之间为钠液流通通道泵沟，泵沟外侧包裹隔热材料以阻止高温钠向绕组线圈传热。

通常圆环型电磁泵电磁设计的主要影响因素包括电磁气隙确定、绕组接线方式选择、外铁芯数量以及内铁芯尺寸等参数。要提高电磁泵的性能，减小内外铁芯之间的气隙是关键，电磁气隙主要由泵沟内外壁、隔热材料、钠液厚度确定。本文针对这些影响因素建立圆柱型钠电磁泵三维电磁分析模型，并根据特定条件对不同影响因素进行仿真计算分析，获取电磁泵电磁设计影响因素的基本规律，为钠电磁泵的设计提供有效的理论依据。

二、圆环型钠电磁泵电磁性能分析

为提高电磁泵性能参数，需要对其初步结构设计进行优化分析。本文以12槽小型电磁泵样机为模型，对其影响电磁泵出力的主要因素进行分析，给出其影响趋势，为后续钠电磁泵样机的设计提供理论依据。模型网格剖分全部采用内部剖分法，模型计算采用电压激励源，单相直流电阻为0.432Ω(实验值)，三相输入电压为：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)钠液厚度的影响。钠液厚度不仅影响泵中磁场的分布，同时也是调节流量和扬程之间均衡的一个重要因素。为分析钠液层厚度对电磁泵出力的影响，假定外铁芯结构不变的情况下，通过改变内铁芯外径调整钠液层厚度，得到电磁泵静态情况下出力如图1所示。可以看出，随着钠流厚度的增加，电磁力呈现先增大后减小的趋势，在钠液厚度为6mm时达到最大。由电磁力计算方法可知，在仅仅改变钠液厚度时，电磁力可表示为下式：F∝B×J×S。式中：B—磁感应强度；J—感应电流密度；S—钠液截面积。

随着气隙长度的增加，感应电流密度和磁感应强度都呈下降趋势。但由于钠液厚度增加，所以整体的出力并没有减小。因此，虽然在钠液厚度为2mm到6mm的变化过程中，钠液中的磁感应强度B和感应电流J都在降低，但由于钠液层的截面积增加相对更多，所以钠液所产生的推力增加；而当钠液厚度超过6mm，钠液截面积的增加相对于磁感应强度和电流密度的减小要小，因此钠液推力开始减小。

图1 电磁力随钠流厚度变化关系

(二)绕组接线方式选择。钠电磁泵存在多个绕组线圈，也同样存在不同的接线方式。因接线方式较多很难在短期内采用电磁分析方式准确地计算各种接线方式之间的差别，为此本文特别设计一台电磁驱动原理样机，通过试验分析各种接线方式之间的差别。本文主要列出两种接线方式对其进行试验分析。两种方式接线示意图分别如图2、图3所示。

斜线为A相、横线为B相、竖线为C相图2 绕组接线方式a)

图3 绕组接线方式b)

两种接线方式不同气隙下推力随电流的变化试验结果为，在电磁泵刚启动输入电流较低的情况下，接线方式b)推力略大于接线方式a)；当电流逐步升高之后方式a)推力逐渐大于方式b)，在电流相同的情况下推力较大的接线方式其输入电压也偏大，即输出推力偏大方式，其输入功率也偏大，二种接线方式效率相当。因此，单从输出电磁推力结果看方式a)具有一定的优越性，二者差别并不明显。但方式a)接线较为复杂，使得电磁泵制造工艺难度加大，运行可靠性降低。因此，综合考虑对中小功率的电磁泵来说选择方式b)较为合适。

(三)内铁芯直径的影响。保证电磁泵其他部件径向尺寸不变情况下，仅仅调整内铁芯直径分析得到内铁芯不同尺寸时的出力曲线如图4所示。根据计算结果可知，随着内铁芯尺寸的增大，泵的出力逐渐变大。其主要原因是随着内铁芯内径的增大，外铁芯槽漏磁通减小，主磁通增加，导致泵的出力增大。需要注意的是，虽然内径扩大之后钠流的端面面积增大，但由于外铁芯宽度并没有调整，因此钠液中感应电流的面积并没有发生明显变化，所以泵的出力没有按照钠液端面面积成比例变化。

图4 不同内径时出力随时间变化曲线

(四)其它。

1.外铁芯数量对电磁性能影响。外铁芯数量不仅对电磁泵性能有所影响，对其重量及制造加工成本也有很大影响。在上述输入条件不变的情况下，保证外铁芯和内铁芯的耦合面积最大。虽然外铁芯和内铁芯的耦合面积没有变化，但外铁芯绕组和定子绕组的耦合面积却发生了变化，这导致绕组电抗发生了变化，绕组与定子之间漏磁减少。因此，在相同外界激励源条件下，增加初级铁心数目起到了充分利用绕组产生的磁场强度，并将其转换为有用的磁感应强度。所以，外铁芯数目越多，电磁泵产生的电磁力就会越大。

2.齿槽尺寸影响。其他参数一定时，齿宽及槽高对磁路饱和程度、漏抗以及主电抗参数都有重要影响。不同齿宽下的内铁芯推力随着齿宽的增加而减小，随着槽高的增加而减小。从磁路角度来讲，虽然减小以及增加槽高之后磁路会饱和，但槽漏抗参数也会发生变化。

三、结语

综上所述，钠液层厚度、外铁芯宽度、槽宽以及槽高对电磁推力的影响较大，而绕组接线方式、定子铁芯数以及外铁芯结构对推力影响较小。钠液层厚度的选择不仅对电磁性能有较大的影响，同时也是调节电磁泵流量与扬程平衡的主要因素。在输入一定的情况下，不同绕组接线方式对电磁泵出力影响并不是特别大，但其对电磁泵加工制造及运行可靠性具有很大影响。同样气隙条件内铁芯直径对电磁性能影响不大，但实际设计时保持流量不变的情况下，内铁芯直径增大可以减小钠液层的厚度，进而影响电磁泵的性能。此外，上述分析仅仅是从电磁分析的角度出发得出的结论，没有考虑热工、泵沟流体阻力、铁芯损耗以及效率等问题。因此，实际设计过程中需要综合电磁、热工及机械强度等问题进行全面分析设计。