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）

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）

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。

控制棒水压驱动系统，电磁阀，线圈，温度场

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。

表1材料导热系数Table 1 Coefficient of thermal conductivity.

图2 直动电磁阀线圈Fig.2 Coil 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。

边界定义过程如下：

1) 定义内热源热量密度。 式中(1)所示， Qv为热量密度，I为电流，R为线圈电阻，Vc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，Nu为努赛尔数，λ为流体导热系数，l为特征长度。

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。

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]。

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]。

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]。

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：

2 计算方案

根据控制棒运行工况，对电磁线圈的输入电流进行计算，同时为了获得其等效导热系数，对系数遍历求解使其符合实验结果。因此，变化如下参数：输入电流为0.05A、0.10A、0.15A、0.20A、0.25A；等效导热系数为0.01–0.7 W·m–2，间隔0.01 W·m–2。

3 计算结果

如图3所示，在迭代计算10次以后，自然对流换热系数均到达稳定值，可以作为最终计算的输入参数。Ex、In、Up、Down分别是外表面、内表面、上表面和下表面自然对流换热系数。

图3 自然对流换热系数迭代情况Fig.3 Iteration of the coefficient of heat transfer.

输入电流从0增至0.25 A时，电磁线圈内外壁温度稳态变化如图4所示，其中1、2、3、4、5、6分别是图2中线圈各测量点，Up为线圈上表面中心点，Down为下边面中心点。稳态温度随电流增加而增加，同时内壁温度高于外壁温度高于外壳，中心温度高于边缘温度。

图4 线圈各个点温度Fig.4 Comparison the temperature of the coil.

图5为线圈等效导热系数随电流变化的曲线，等效导热系数随电流增加而减小。并获得了等效导热系数和电流的函数关系式，为电磁阀高温设计提供了参考数据。

图5 线圈等效换热系数Fig.5 Coefficient of thermal conductivity of the coil.

图6 为线圈最高温度随电流变化的曲线，线圈最高温度随电流增加而非线性增大，近似2次曲线。线圈的最高温度低于其破坏温度300°C，保证了其正常运行。

图6 线圈最高温度Fig.6 Highest temperature of the head of the valve.

图7为各个表面自然对流换热系数随电流变化情况，随着电流增加，对流换热系数增加。对流换热系数大小顺序为：上表面，外表面，内表面，下表面。Ex、In、Up、Down分别是外表面、内表面、上表面和下表面自然对流换热系数。

图7 各个表面自然对流换热系数Fig.7 Surface coefficient of heat transfer.

4 计算分析

图8电流为0.15 A和0.25 A时线圈温度分布图。当电流为0.15 A时，线圈最高温度为 82.41°C；当电流为0.25 A时，线圈最高温度为202.77°C，剧烈增加。根据Q =I2R可知，式中Q为热量，I为电流，R为电阻，当电流增大时，热能增大，温度升高。同时，呈现2次曲线关系(图4)。由于线圈表面主要为自然对流换热，且内表面为窄空间，外表面为大空间，故内表面的换热系数要差于外表面的换热系数，因此，内表面的温度高于外表面。由于热源处于线圈中心，故线圈中心的温度高于边缘温度。

图8 线圈温度场Fig.8 Temperature field of the coil.

图9的电流为0.15 A和0.25 A时线圈热流密度分布图。可以看出，当电流0.15 A时，线圈最高热流密度为683.09 W·m–2，而当电流0.25 A时，线圈最高热流密度为1363.2 W·m–2，剧烈增加，这是由于电流大产生热量大，故热流密度大。各个表面热流密度大小顺序为：上表面，外表面，内表面，下表面，这是由于上表面和外表面为大空间，自然对流换热系数大，而内表面和下表面为窄空间，自然对流换热系数小，故前者热流密度大。

图9 线圈热流密度Fig.9 Heat flux of the coil.

图10是线圈点5和点6的温度计算值与实验值比较，可以看出，点5计算值和实验值符合较好，点6计算值和实验值在低温时符合较好而在高温时符合较差，是因为6点为大空间边界点受环境影响较大。

图10 线圈温度计算值与实验值比较Fig.10 Comparison of the computation and the experimental result of the temperature of the coil.

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。

1 薄涵亮, 郑文翔, 王大中, 等. 核反应堆控制棒水压驱动技术[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2005, 45(3): 424–427 BO Hanliang, ZHENG Wenxiang, WANG Dazhong, et al. Hydraulic control rod drive technology for nuclear reactors[J]. Tsinghua Univ (Sci &Tech), 2005, 45(3): 424–427

2 薄涵亮, 郑文翔, 董铎, 等. 水力驱动控制棒步进动态过程的研究[J]. 核科学与工程, 2000, 20(4): 322–328 BO Hanliang, ZHENG Wenxiang, DONG Duo, et al. Analysis on step action of hydraulic control rod driving[J]. Nuclear Science and Engineering, 2000, 20(4): 322–328

3 蒋庆华, 李子. 电磁阀的特长和应用[J]. 自动化仪表, 1996, 17(4): 41 JIANG Qinghua, LI Zi. Characteristic and application ofsolenoid valve[J]. Process Automation Instrumentation, 1996, 17(4): 41

4 张冠生, 陆俭国. 电磁铁与自动电磁元件[M]. 北京:机械工业出版社, 1982: 27 ZHANG Guansheng, LU Jianguo. Electromagnet and automatic electromagnetic component[M]. Beijing: China Machine Press, 1982: 27

5 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1980: 178–189 YANG Shiming, TAO Wenquan. Heat transfer[M]. Beijing: Higher Education Press, 1980: 178–189

Analysis of temperature field of direct action solenoid valve

LIU Qianfeng BO Hanliang WANG Luo
(Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety of the Ministry of Education, Beijing 100084, China)

Background: Hydraulic Control Rod Drive Technology (HCRDT) is a newly invented patent and Institute of Nuclear and New Energy Technology Tsinghua University owns HCRDT’s independent intellectual property rights. Purpose: Integrated valve which is made up of three direct action solenoid valves is the key part of this technology, so the performance of the solenoid valve directly affects the function of the integrated valve and the HCRDT. The performance of the coil affects the service behavior of the solenoid valve, so the thermal performance of the coil is researched. Methods: The temperature field of the coil of the direct action solenoid valve was analyzed using the ANSYS software with various currents, the results of which were validated by experiments. Results: The result shows that the temperature of the coil of the solenoid valve increases with the current increasing firstly. Second, the temperature of the inner wall of the coil is higher than that of the exterior wall. The temperature of the middle coil is higher than that of the edge of the coil. Third, the coefficient of thermal conductivity of the coil is obtained. Fourth, the highest temperature of the coil is under the limiting temperature. Furthermore, the comparison of the temperature of the coil achieved by calculation with the one achieved by experiment under different condition shows that the calculation results are rational if the experiment errors are considered. Conclusions: The results can be provided for the parameter design of the solenoid valve.

Control rod hydraulic drive system, Solenoid valve, Coil, Temperature field

TL362

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040650

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

2012-10-31，

2013-01-15

CLC TL362