CN112260513A - 一种一体永磁式液态金属电磁泵 - Google Patents

一种一体永磁式液态金属电磁泵 Download PDF

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石磊太
聂靖宇
张衍
王成龙
田文喜
苏光辉
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Abstract

本发明公开了一种一体永磁式液态金属电磁泵，包括定子铁轭、三相绕组线圈、转子永磁体、转子支撑结构、转子转轴、液态金属流道和外部铁轭。三相绕组线圈内通三相交流电时，在定子铁轭和转子永磁体之间形成旋转磁场，转子上固定的转子永磁体在旋转磁场中受到磁场力，使得转子跟随旋转磁场转动，旋转的转子永磁体与外部铁轭之间在流道内形成的径向磁场将会旋转，进而在流道内的液态金属内产生感应涡电流，液态金属在此涡电流与转子永磁体和外部铁轭之间形成的磁场共同作用下产生安培力，进而驱动液态金属向着周向运动。本发明的一体永磁式液态金属电磁泵适用于驱动液态金属流动，如钠、锂、铅铋合金、钠钾合金等。

Description

一种一体永磁式液态金属电磁泵
技术领域
本发明涉及液态金属驱动设备领域，具体是一种一体永磁式液态金属电磁泵。
背景技术
随着***核反应堆及空间堆技术的发展，液态金属作为冷却剂的反应堆得到了越来越多的研究及应用，如铅铋快堆、钠冷快堆、以钠钾合金为冷却剂的空间堆。国内外对液态金属热工水力特性的实验研究也朝着大型化、极端工况方向发展，这些发展趋势对液态金属的驱动设备提出了更高的要求，要求电磁泵耐温更高，输出压头更大。而现有的直线感应式电磁泵由于需考虑高温下的绝缘问题，其最高工作温度受到很大的限制，通常为400℃。且对于高电阻率的液态金属，如铅铋合金、钠钾合金等，直线感应式电磁泵的传输效率非常低，不能满足实验研究的需求。本发明基于上述问题，结合永磁式电磁泵的工作特征，提出一种耐高温，高效率的液态金属电磁泵。
发明内容
针对高温液态金属的驱动需求，本发明提出了一种一体永磁式液态金属电磁泵，能够高效传输高温液态金属。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种一体永磁式液态金属电磁泵，包括由定子铁轭1和三相绕组线圈2构成的定子、由转子永磁体3及转子支撑结构4和转子转轴5构成的转子、液态金属流道6和外部铁轭7；所述定子铁轭1由硅钢片堆叠而成，定子铁轭1上加工一定数量的齿；所述三相绕组线圈2绕于定子铁轭1的齿上，三相绕组线圈2的接线顺序为AZBXCY，以形成旋转磁场；所述转子永磁体3为圆弧形，固定于转子支撑结构4内周圈并位于定子铁轭1外周圈，转子永磁体3磁场方向沿着径向，多个转子永磁体N极和S极交替朝向转子转轴5中心；转子转轴5与转子支撑结构4相连接；液态金属流道6置于转子外部，外部铁轭7置于液态金属流道6外部；当三相绕组线圈2内通三相交流电时，在定子铁轭1和转子永磁体3之间形成旋转磁场，转子上固定的转子永磁体3在旋转磁场中受到磁场力，使得转子跟随旋转磁场转动，旋转的转子永磁体3与外部铁轭7之间在液态金属流道6内形成的径向磁场将会旋转，进而在液态金属流道6内的液态金属内产生感应涡电流，液态金属在感应涡电流与转子永磁体3和外部铁轭7之间的形成的磁场共同作用下产生安培力，进而驱动液态金属在液态金属流道6内沿着出口方向运动。
所述定子铁轭1的齿数为六的整数倍，如6、12、18、24等，所述转子永磁体3的个数为齿数的三分之一，如齿数为18时，永磁体的个数为6
所述三相绕组线圈2内交变电流的频率为5-200Hz，频率由变频器控制，不同频率下电磁泵的输出压力不同，因此，通过控制变频器的输出频率来控制电磁泵的输出压力。
所述转子永磁体3由钐钴材料加工，钐钴材料最高工作温度350℃，转子高速转动时，其与空气的对流换热系数大大增加，可保证转子永磁体3工作在安全温度范围内，液态金属流道6与外部铁轭7外部布置布置热阻大的隔热层，减小高温流体向电磁泵转子的传热，以保证电磁泵可驱动0-600℃的液态金属。
所述外部铁轭7由铁磁材料加工，如纯铁或硅钢片，其目的是提高液态金属流道6内的磁感应强度，进而增加涡电流和安培力大小，提高电磁泵的效率。
所述电磁泵可实现液态金属流道自加热，当电磁泵工作时，转子转动，液态金属流道壁内形成涡电流发热，可实现自加热。
和现有技术相比，本发明具备如下优点：
(1)与传统的感应式电磁泵相比，本发明的一体永磁式液态金属电磁泵不需考虑高温下的绝缘问题，运行温度更高；而现有直线感应式电磁泵的行波磁场由三相绕组产生，为了提高效率，三相绕组置于高温流道外部，其所处环境温度高，且绕组内的大电流也会产生大量的热量，因此，高温下的电绝缘是必须要考虑的问题，通常直线感应式电磁泵的最高运行温度为400℃；
(2)本发明的一体永磁式液态金属电磁泵流道内的行波磁场由原动机带动永磁体产生，其结构简单，尺寸小，效率高。而传统的感应式电磁泵其行波磁场由绕组线圈感应获得，传输效率低，输出压头小。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；图2为本发明定子铁轭示意图；图3为本发明永磁体极性示意图；图4为本发明转子示意图；
其中，1为定子铁轭；2为三相绕组线圈；3为转子永磁体；4为转子支撑结构；5为转子转轴；6为液态金属流道；7为外部铁轭。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明是一种一体永磁式液态金属电磁泵，包括：定子铁轭1；三相绕组线圈2；转子永磁体3；转子支撑结构4；转子转轴5；液态金属流道6；外部铁轭7。如图2所示，定子铁轭1由高导磁硅钢片堆叠而成，以降低电磁泵的铁损，三相绕组线圈2缠绕与定子铁轭1的齿上，三相绕组线圈的接线顺序为AZBXCY，定子铁轭1和三相绕组线圈2构成本发明的一体永磁式液态金属电磁泵的定子，电磁泵工作时，三相绕组线圈2内通三相交流电，进而产生旋转磁场；如图3所示，转子永磁体3固定与转子支撑结构4上，转子永磁体N极、S极交替布置，转子转轴5与转子支撑结构4连接；如图4所示，转子永磁体3、转子支撑结构4、转子转轴5组成本发明的一体永磁式液态金属电磁泵的转子，电磁泵工作时，转子永磁体3受到旋转磁场的作用力，绕着转轴转动；转子外部布置与其同轴的半圆形液态金属流道6，液态金属流道6由不锈钢材料加工，如304不锈钢，316L不锈钢等，液态金属流道6外部布置与转子同轴的半圆形外部铁轭7，外部铁轭7由铁磁材料加工，如纯铁、或硅钢片堆叠而成；外部铁轭7与转子永磁体3之间形成垂直液态金属流道的磁场；电磁泵工作时，三相绕组线圈2产生的旋转磁场带动电磁泵转子5转动，电磁泵转子转动时，垂直于液态金属流道的磁场交替变化，进而在液态金属和液态金属流道壁内产生感应涡电流，液态金属流道6内的液态金属在感应涡电流和交替变化磁场的作用下形成安培力，进而驱动液态金属在液态金属流道6内沿着出口方向运动。
作为本发明的优选实施方式，液态金属流道与外部铁轭外部布置布置热阻大的隔热层，减小高温流体向电磁泵转子的传热，转子永磁体3采用耐温达350℃的钐钴材料加工，以保证本发明的一体永磁式液态金属电磁泵可驱动0-600℃的液态金属，另一方面，高速旋转的转子大大增强了转子永磁体与空气的对流换热，保证转子永磁体工作于安全的温度范围内。
本发明的一体永磁式液态金属电磁泵适用于驱动液态金属流动，如钠、锂、铅铋合金、钠钾合金等。

Claims (7)

1.一种一体永磁式液态金属电磁泵，其特征在于：包括由定子铁轭(1)和三相绕组线圈(2)构成的定子、由转子永磁体(3)及转子支撑结构(4)和转子转轴(5)构成的转子、液态金属流道(6)和外部铁轭(7)；所述定子铁轭(1)由硅钢片堆叠而成，定子铁轭(1)上加工一定数量的齿；所述三相绕组线圈(2)绕于定子铁轭(1)的齿上，三相绕组线圈(2)的接线顺序为AZBXCY，以形成旋转磁场；所述转子永磁体(3)为圆弧形，固定于转子支撑结构(4)内周圈并位于定子铁轭(1)外周圈，转子永磁体(3)磁场方向沿着径向，多个转子永磁体N极和S极交替朝向转子转轴(5)中心；转子转轴(5)与转子支撑结构(4)相连接；液态金属流道(6)置于转子外部，外部铁轭(7)置于液态金属流道(6)外部；当三相绕组线圈(2)内通三相交流电时，在定子铁轭(1)和转子永磁体(3)之间形成旋转磁场，转子上固定的转子永磁体(3)在旋转磁场中受到磁场力，使得转子跟随旋转磁场转动，旋转的转子永磁体(3)与外部铁轭(7)之间在液态金属流道(6)内形成的径向磁场将会旋转，进而在液态金属流道(6)内的液态金属内产生感应涡电流，液态金属在感应涡电流与转子永磁体(3)和外部铁轭(7)之间的形成的磁场共同作用下产生安培力，进而驱动液态金属在液态金属流道(6)内沿着出口方向运动。
2.根据权利要求1所述一种一体永磁式液态金属电磁泵，其特征在于：所述定子铁轭(1)的齿数为6的整数倍，每6个齿构成一极，所述转子永磁体(3)的个数为齿数的三分之一。
3.根据权利要求1所述一种一体永磁式液态金属电磁泵，其特征在于：所述三相绕组线圈(2)内交变电流的频率为5-200Hz，频率由变频器控制，不同频率下电磁泵的输出压力不同，因此，通过控制变频器的输出频率来控制电磁泵的输出压力。
4.根据权利要求1所述一种一体永磁式液态金属电磁泵，其特征在于：所述转子永磁体(3)由钐钴材料加工，钐钴材料最高工作温度350℃，转子高速转动时，其与空气的对流换热系数大大增加，保证转子永磁体(3)工作在安全温度范围内，液态金属流道(6)与外部铁轭(7)外部布置布置热阻大的隔热层，减小高温流体向电磁泵转子的传热，以保证电磁泵能够驱动0-600℃的液态金属。
5.根据权利要求1所述一种一体永磁式液态金属电磁泵，其特征在于：所述外部铁轭(7)由铁磁材料加工，以提高液态金属流道(6)内的磁感应强度，进而增加涡电流和安培力大小，提高电磁泵的效率。
6.根据权利要求5所述一种一体永磁式液态金属电磁泵，其特征在于：所述铁磁材料为纯铁或硅钢片。
7.根据权利要求1所述一种一体永磁式液态金属电磁泵，其特征在于：所述电磁泵能够实现液态金属流道(6)自加热，当电磁泵工作时，转子转动，液态金属流道(6)壁内形成涡电流发热，实现自加热。
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