直动电磁阀线圈温度场特性分析

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  组合阀由 3 个直动电磁阀组成,电磁阀的性能直接影响组合阀的性能,从而影响控制棒水压驱动技术的运行性能。而电磁阀线圈的正常运行直接影响电磁阀的工作性能,因此,本文对电磁线圈发热情况进行了研究。运用ANSYS 电磁场分析软件,变化输入电流,对直动电磁阀线圈进行了温度场特性分析,并予以了实验验证。结果表明,当电流增大时,温度升高;内壁温度高于外壁温度,中心温度高于边缘温度,其中内壁中心温度最高;线圈最高温度低于其破坏温度;获得了线圈等效导热系数;在考虑误差的条件下,计算分析有较高的准确性。为电磁阀工作参数设计提供了依据。

  核反应堆控制棒驱动机构是反应堆最关键的安全设备,担负着反应堆的启动、功率调节及停堆等重要功能。控制棒水压驱动系统[2]是一种新型的内置式控制棒驱动技术,它是在对清华大学发明的水力驱动控制棒系统深入研究的基础上,结合商用压水堆磁力提升器的优点发展而来的。组合阀是控制棒水压驱动系统的关键设备,驱动机构的运动就是通过电磁阀发出的脉冲水流进行控制调节[3]。组合阀是由电磁阀、阀顶盖、阀本体和阀底座组成,其中直动电磁阀是组合阀的重要组成部分。

  电磁阀是自动化仪表中执行器的一大分支,具有重量轻、尺寸小、型式多样,动作时间极快,电信号传输,便于与计算机连接等等,因此,电磁阀在工农业、运输业、航天航空业、旅游业以及生活设施等各个方面均获得广泛运用。电磁阀按其能量转换方式可分为以下2 种:直动式电磁阀和先导式电磁阀。

  本文以直动电磁阀为研究对象,就控制棒水压驱动系统运行过程中直动电磁阀线圈多种运行工况运用ANSYS 软件进行了温度场特性分析。

1、计算模型

  控制棒水压驱动系统中的组合阀结构由图 1 可见。主要由顶盖1、动铁芯2、定铁芯3、大推杆4、线圈上盖板5、外壳6、线圈7、线圈下盖板8 等组成。其中动铁芯和定铁芯的材料为1J50,大推杆的材料为1Cr18Ni9Ti,线圈上盖板和下盖板的材料为DT4C,外壳的材料为10 钢。线圈匝数为13205 匝。直动电磁阀的输入电流为直流电0.05–0.25 A。

电磁阀结构示意图

图 1 电磁阀结构示意图

  图2(a)为线圈结构简图,其中1,2,3,4,5,6 各点为实验测量各点。在分析中,获取其计算值并与实验室对比。由于电磁线圈具有轴对称的结构特点,将其简化为二维模型进行计算求解(图2(b))。模型分为2 种材料区域,由表1 所示。其中线圈的导热系数未知,首先遍历求解估计区间内所有导热系数值,然后对照实验结果得出。

表1 材料导热系数

材料导热系数

5、结语

  (1) 随着时间增加,温度增加,且达到稳定状态。当电流增大时,温度升高,且呈现2 次关系。内壁温度高于外壁温度,中心温度高于边缘温度。

  (2) 获取了线圈的等效导热系数经验公式,为电磁阀设计提供了参考数据。

  (3) 线圈的最高温度低于其破坏温度,保证其正常运行。

  (4) 在考虑环境温度影响下,数值模拟值和实验值符合较好。

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