直动电磁阀线圈温度场特性分析

第36卷 第4期 核 技 术 V ol. 36, No.4 2013年4月 NUCLEAR TECHNIQUES April 2013

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第一作者：刘潜峰，男，1983年出生，2011年于清华大学获博士学位，主要从事反应堆装备方向研究

收稿日期：2012-10-31，修回日期：2013-01-15

直动电磁阀线圈温度场特性分析

刘潜峰 薄涵亮 王 露

（清华大学核能与新能源技术研究院 先进反应堆工程与安全教育部重点实验室 北京 100084）

摘要 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。 关键词 控制棒水压驱动系统，电磁阀，线圈，温度场 中图分类号 TL362

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[1]。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[4]。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 。

图1 电磁阀结构示意图

Fig.1 The structure diagram of the solenoid valve.

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。

核技术 2013, 36(4): 040650

表1 材料导热系数

Table 1 Coefficient of thermal conductivity.

温度Temperature

/°C

100 200

300 400 500 600 空气Air 0.0321 0.0393

0.0521 0.0574 0.0622 0.0671 线圈Coil X1X2X3X4X5X6

图2直动电磁阀线圈

Fig.2Coil of the solenoid valve.

根据定义，分别为所选定的区域赋予材料号和单元类型号，设置网格形状和尺寸，用MESH工具划分网格，本例的网格划分单元尺度为1，整个区域网格划分单元尺度一样。为提高电磁场求解精度，选定划分网格的单元类型为PLANE55，且为轴对称。

Q v = I2R / V c(1)边界定义过程如下：

1) 定义内热源热量密度。式中(1)所示，Q v 为热量密度，I为电流，R为线圈电阻，V c为线圈体积。

2) 加载对流换热系数边界。对流导热系数的求解通过方程(2)，其中，h为对流换热系数，N u为努赛尔数，λ为流体导热系数，l为特征长度。

h =N uλ / l (2)

上表面运用大空间水平自然对流换热系数方程[5]。其中Pr通过干空气的热物理性质表获得。

N u =B(Gr* Pr)m

6.37×105

Gr*=Gr N u = gαql4/ν2

Q = Q/S

式中，g为重力加速度，α为膨胀系数，q为热流密度，v运动粘度。其中α，v通过干空气的热物理性质表获得。

外表面运用大空间竖直自然对流换热系数的方程[5]。

N u=C(Gr Pr)n

104

3×109

2×1010

Gr =gαΔTl3/ν2

式中，g为重力加速度，α为膨胀系数，ΔT为壁面和气体温差，v运动粘度。其中α，v通过干空气的热物理性质表获得。

下表面运用有限空间水平自然对流换热系数方程[5]。

N u =0.212(GrδPr)1/4, Grδ=1×104–4.6×105

N u =0.061(GrδPr)1/3, Grδ>4.6×105

Grδ=g αΔTδ3/ν2

式中，g为重力加速度，α为膨胀系数，ΔT为壁面和气体温差，δ为有限空间特征长度，v运动粘度。其中α，v通过干空气的热物理性质表获得。

内表面运用有限空间竖直自然对流换热系数方程[5]。

N u=0.197(GrδPr)1/4(H/δ) –1/9,

Grδ=8.6×103–2.9×105

N u=0.073(GrδPr)1/3(H/δ) –1/9,

Grδ=2.9×105–1.6×107

Grδ=g αΔTδ3/ν2

式中，g为重力加速度，α为膨胀系数，ΔT为壁面和气体温差，δ为有限空间特征长度，v运动粘度。其中α，v通过干空气的热物理性质表获得。

在求解过程中，选择求解器，确定分析类型为静态分析，定义分析选项，启动求解器进行求解。求解过程如下：1) 选择求解器；2) 确定分析类型为静态分析；3) 定义分析选项；4) 启动求解器。求解后，在通用后处理器中查看直动电磁阀阀头温度场的分析结果，得到温度场分布图。求解过程采用ANSYS-APDL 语言。由于自然对流换热系数的求解必须知道线圈表面温度值，因此，该过程为迭代求解。求解算法如下示：

设置初始线圈边界温度T a

While{

通过T a计算线圈自然对流换热系数

定义内热源单位体积热量Q v

加载自然对流换热系数

求解直动电磁阀温度场

获取边界温度T b

T a= T a – |T a –T b|/2

}