Brevet FR2576707A1 — publié le 19860801

Dispositif électromagnétique de déplacement linéaire L'invention a pour objet un dispositif électromagnétique de déplacement linéaire d'une tige, permettant de déplacer la tige pas-à-pas suivant son axe et-de la maintenir dans une position déterminée. Elle trouve une application particulièrement importante. bien que non exclusive, dans la commande du déplacement et de la position des barres de contrôle utilisées dans les réac teurs nucleaires. On connait déjà de nombreux dispositifs électromagnétiques destinés à cet usage. On connait notamment (FR-A-1 371 802 et BE-A-753 529) un dispositif électromagnétique de déplacement linéaire d'une tige, solidarisable d'une barre de contrôle de réacteur nucléaire, comprenant une enveloppe étanche dans laquelle sont déplaçables longitudinalement un premier et un second jeux de moyens de préhension de la tige. décalés dans le sens longitudinal, le premier jeu de moyens étant associé à un pôle mobile coopérant avec une bobine. dite de maintien, portée par l'enveloppe et déplaçable par excitation et coupure de la bobine entre une position où le premier jeu de moyens saisit la tige et une position où il la libère. et le second jeu de moyens étant associé à un plongeur ferromagnétique mobile coopérant avec une bobine. dite de transfert, et déplaçable. par excitation et coupure de cette bobine. entre une position d'appui sur un autre pole où le jeu de moyens saisit la tige et une position où il la libère. ledit autre pôle coopérant avec une bobine. dite de levée. permettant de déplacer ledit autre pôle entre deux positions écartées d'un pas déterminé. Les dispositifs connus du type ci-dessus defini fonctionnent de façon satisfaisante Mais 1 évolution des barres re contrôle notamment en ce qui concerne la masse et 1 rigidité de leurs constituants, s'est traduite par un accroissement des efforts dynamiques appliqués aux mécanismes de déplacement. En particulier, l'usure des cliquets constituant les moyens de préhension habituellement utilisés devient extrêmement rapide sur les réacteurs de grande puissance qui entrent maintenant en service du fait de leur utilisation en suivi de charge et en teléréglage. Cette usure a pu être quelque peu ralentie en substituant, aux cliquets à dent unique utilisés initialement. des cliquets à double denture (FR-A- 2 472 227).Mais si cette solution a-permis de ralentir l'usure de façon satisfaisante pour les réacteurs actuels. elle ne garantit pas une durée de vie suffisante pour les dispositifs de déplacement destinés aux réacteurs sous-modérés etlou à variation de spectre actuellement en cours de développement. L'invention vise en conséquence à fournir un dispositif de déplacement réduisant les forces d impact aux différents niveaux du mécanisme et notamment sur les cliquets. Pour arriver à ce résultat, il a été nécessaire d'identifier les causes de l usure rapide des cliquets Une cause importante d'usure rapide des cliquets appartenant au second jeu de moyens est le fait que la force motrice de levée de la tige et de la charge qui y est suspendue augmente au fur et à mesure que l'entrefer du circuit magnétique associé à la bobine de levée diminue. Cette force est très largement supérieure au poids à la fin de la course de montée. L'énergie cinétique acquise par la charge provoque la remontée de la tige audelà du pas prédéterminé de levée et les cannelures de la tige viennent frapper le dessous des cliquets appartenant au second jeu de moyens (cliquets de transfert), en provoquant une usure du flanc non porteur des dents des cliquets. Le choc contre ce flanc renvoie brutalement la charge vers le bas.Le mouvement de descente est brusquement interrompu par un choc des cannelures de la tige de commande. cette fois sur le dessus des cliquets de transfert, ce qui use le flanc porteur de ces cliquets. L'usure des cliquets du premier jeu de moyens de préhension (cliquets de maintien) provient du fait que ces cliquets attaquent en fin de course le flanc porteur des cannelures de la tige avec une vitesse importante, ce qui provoque un choc et l'abrasion du flanc porteur. Pour réduire les chocs sur les cliquets de transfert, les inventeurs se sont attachés à réduire l'énergie cinétique imprimée à la charge pendant la levée. sans toute-Fois modifier la force rappel en début de course. Cette approche minimise envol de la tige et élimine le premier choc sur les cliquets de transfert. Elle diminue également notablement l'énergie dissipée au cours du second choc. En ce qui concerne les cliquets de maintien, une réduction d'usure peut être obtenue en réduisant la vitesse d'impact de ces cliquets. Dans les dispositifs suivant loart antérieur, les pôles associés à la bobine de levée présentent des faces terminales plates. ce qui donne à la loi de varia tion de la force de levée en fonction du déplacement une allure approximativement parabolique. Suivant un premier aspect de l'.inventiona un dispositif du type ci-dessus défini comporte un pole mobile et un pôle fixe associes au second jeu de moyens de préhension dont los faces an regard ont une forme telle que la loi de variation- de la force de levée présente un pente moyenne faible. Crache à cette disposition. la force d'attraction n'augmente pas de façon excessive au cours de la course et la force d'arrachage prédéterminé requise pour amor- cer la levée est obtenue avec un minimum d'Ampères/tour de la bobine. Les face peuvent notamment etre tronconiques et parallèles. El2es peuvent aussi présenter un ou des gradins annulaires. qui donnent à la surface moyenne une allure évasée, les faces étant prévues pour s'appliquer exactement 1 uns sur l'autre en fin de course. On peut compléter.l'effet d'une forme particulière des pôles par une constitution de circuit magnétique qui provoque une saturation écrêtant la courbe representative de la variation de la force de levée en fonction du déplacement dans la partie finale de la course. Une solution similaire peut être utilisée pour réduire l'usure des cliquets appartenant au premier jeu des moyens de préhension. On peut ainsi ralentir 1 usure de façon appréciable : en effet, la force d'attraction requise pour que le poids de la charge soit transféré des cliquetis de levée aux cliquets de maintien est considérable et l'énergie mise en jeu pour fermer les cliquets de maintien est telle que le pôle mobile correspondant acquiert une grande vitesse avant d'arriver sur la tige de commande. Une autre solution, qui semble particulierement avantageuse, consiste à freiner hydrauliquement- le pôle mobile coopérant avec la bobine de maintien en fin de courseS ce qui est d'autant plus facile que, dans un dispositif de commande de barre de contrôle, l'ensemble de ltenveloppe est occupé-par de l'eau sous pression. L invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers. d'exécution de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La descrption se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - -la Figure t est une demi-vue d'un dispositif suivant l'invention. en coupe suivant un plan passant par l'axe - la Figure 2 est un diagramme montrant l'allure de la loi de variation de la.force en fonction du déplaemert dans le cas du dispositif de la Figure 1 (courbe en trait plein) comparée à celle d'un dispositif classique (courbe en tirets) - les Figures 3A à 3D sont des schémas montrant des variantes de realisation des pôles du dispositif de la Figure 1 ;; - les Figures 4A à4D montrent l'allure de la courbe de variation de la force en fonction de l'élongation pour les formes montrées en Figures 3A à 3D. Le dispositif montré en Figure 1 est destiné à manoeuvrer une barre de contrôle de réacteur nucléaire refroidi et modéré à l'eau sous pression. Sa constitution générale ne sera décrite que de façon sommaire, étant donné qu'elle est déjà connue. Le dispositif comporte une enveloppe externe étanche 10 sur laquelle est fixée une carcasse magnetique 12 délimitant avec l'enveloppe des logements annulaires de réception de trois bobines 14, 16 et lA, qu'on appelera bobine de levee, bobine de transfert et bobine de maintien. La tige tubulaire 20 à déplacer est montée dans l'axe d'un canal ménagé par l'enveloppe 10. Cette tige comporte des cannelures régulièrement réparties de préhension de la tige par des moyens qui seront ultérieurement décrits. On décrira maintenant successivement les seconds moyens et les premiers moyens mentionnés plus haut. Les seconds moyens comportent un pôle annulaire fixe 22 qui coopère avec la carcasse 12 et deux bagues magnetiques 24 et 26 solidarisées de l'enveloppe 10 pour constituer la partie fixe d'un circuit magnétique dont la partie mobile est constituée par un pôle de levée 28. Ce pôle est solidarisé, par exemple par une liaison filetée 30. à un fourreau 32 monté coulissant sur une chemise 34 dont l'extrémité supérieure est solidarisée du pôle fixe 22. Le fourreau 32 porte également un pôle de transfert 36. Un ressort de rappel 38 comprimé entre le pôle fixe 22 et le pôle mobile de levée 28 tend à repousser l'équipage mobile comprenant les pâles 28 et 36 et le fourreau 32 vers la position de butée basse dans laquelle il est montré en Figure 1.Cette position de butée est définie par l'appui de la tranche inférieure du fourreau 32 contre un pôle annulaire fixe 45 dont le rôle apparaitra plus loin, L'excitatiop de la bobine 14 crée un champ magnétique, dont les lignes de force ont l'allure montrée en traits mixtes sur la Figure 1, qui tend à soulever le pôle mobile 28 pour l'amener en appui contre le pôle fixe 22. Plusieurs cliquets de transfert 40 (trois par exemple) sont régulièrement répartis autour de la tige 20 et tournent chacun sur un axe 42 solidaire du fourreau 32. Chacun des cliquets 40 est déplaçable entre une position de repos où il est montré en Figure 1 et une position de travail où il est engagé dans les cannelures de la tige 20. Le mécanisme de manoeuvre des cliquets comporte un plongeur en matériau magnétique monté à frottement doux sur le fourreau 32 et des biellettes 44 articulées, d'une part, sur les cliquets. d'autre part, sur le plongeur 56. Un ressort de rappel *8 comprimé entre le pôle de transfert 36 et le plongeur 46 tend â maintenir ce dernier dans la position de repos où il est montré en Figure 1, pour laquelle les cliquets 40 sont dégagés de la tige.La bobine de transfert 16 est placée de façon que, lorsqu'elle est excitée, elle crée un champ magnétique dans un circuit comportant la carcasse 12, la bague magnétique 26, le pôle de transfert 36, le plongeur 46 et une autre bague magnétique 50 et amène le plongeur en butée contre le pôle de transfert 36. On voit que l'excitation de la bobine 16, puis de la bobine 14 sans coupure de la bobine 16. permet de soulever la tige d'un pas. Les moyens montrés en Figure 1 pour diminuer l usure des cliquets de transfert 40 sont de diverses natures - les faces en regard des pôles 28 et 22 ne sont pas plates, mais tronconiques et parallèles. Grâce à cette disposition, on obtient une loi de variation du genre indiqué schématiquement en Figure 2. Dans la pratique, et comme on le verra plus loin, cette modifi cation de la loi de variation peut être obtenue par diverses formes qui, en règle générale, se traduisent par le fait que la ligne moyenne des faces en regard n'est pas perpendiculaire à l'axe de la tige, mais oblique par rapport à cette dernière.La pente de 45 environ sur l'horizontale indiquée sur la Figure 1 n est évidemment pas limitative, bien qu'elle représente un ordre de grandeur généralement acceptable. Cette nouvelle géométrie de l'entrefer entre les pâles 22 et 28 peut être dans certains cas plus favorable, du point de vue du nombre des Ampèresitour nécessaire, qu'une forme plate, ce qui permet de diminuer la taille de la bobine 14. On réduit encore l'épaisseur cu mulée dans l'entrefer en ne prévo-yant pas de jeu de passage d'eau entre le pôle 22 et l'enveloppe 10 On réduit ainsi l'entrefer radial entourant le pôle fie. En conrepartie, des trous 52 de passage d'eau sont ménagés dans le pôle fixe 22. Le ressort de rappel 38 est placé, dans le mode de réalisation montré en Figure 1, dans un logement annulaire 54 du pôle fixe. ce qui favorise l'évacuation par les courants d'eau dans les trous 52 des particules qui ont tendance à s'accumuler dans les logements de ressorts Cette disposition du ressort 38 présente l'avan- tage supplémentaire qu'il est possible de prévoir. sur le pôle 28, une portée 56 de coulissement sur la chemise 34, qi est au niveau langitudiseal de l'entrefer utile cette disposition évite que la force électromagnétique transuersale présente un moment par rapport à la portée 5E, La bague magnétique 24 doit etre fixée sur l'enveloppe 10. Dans les dispositifs actuellement utilisés, cette fixation est généralement réalisée à l'aide d'un jonc logé dans une gorge placée au milieu de la bague Cette disposition a l'inconvénient que la gorge réduit la section de passage du flux magnétique.Dans le mode de réalisation montré en Figure 1, les gorges 58 destinées à recevoir les joncs sont placées à proximité des extrémités de la bague. Elles ne créent donc pas de résistance magnétique et n'ont pas d'influence néfaste sur le nombre d'Ampères/tour nécessaire. Alors que dans les dispositifs classiquement utilisés à l'heure actuelle les pôles de levée 28 et de transfert 36 sont d'une seule pièce. le dispositif de la Figure 1 comporte deux pôles séparés. réunis simplement par le fourreau 32. Gracie å cette disposition, les circuits de levée et de transfert sont totalement découplés et on obtint des coupures plus franches de courant et des ouvertures plus rapides. Il faut encore remarquer que. du fait que le ressort de rappel 48 est place dans un chambrage du pôle de transfert 36, la portée 60 par laquelle le plongeur 46 coulisse sur le fourreau 32 ne descend jamais jusqu'au niveau des lumières 63 traversées par les cliquets 4'1. On peut ainsi en consequen-ce munir le fourreau 32 d'une couche de revêtement en métal résistance au frottement (chrome dur par exemple) ius-qu'å un niveau n'atteignant pas les lumières 63. On évite ainsi le risque de fissuration de la couche par les contraintes appa ravissant aux arêtes des lumières. Les moyens coopérant avec la bobine de maintien 18 présentent. eux aussi. une constitution générale classique. Ces moyens sont représentés sur la Figure 1 dans la position qu'ils occupent lorsque la bobine 18 est excitez. Ils comprennent un tôle mobile 62 en deux parties assemblées par une broche 64 travaillant en cisaillement pur, ce qui garantit une bonne résistance. Le ressort de rappel 66 agissant à l'encontre de l'attraction de la bobine 18 est logé dans un chambrage du pôle 62. Une bague amagnétique 68 est avantageusement interposée entre le ressort 66 et le pôle fixe 46. Cette bague, dont la partie qui sépare les pâles 62 et 46 peut être très mince, évite le risque de collage par rémanence magnétique. La bague 68 joue également le rôle de frein hydraulique permettant de réduire les chocs lors de la fermeture des cliquets 70. dont le montage est similaire à celui des cliquets 40. Pour cela. la bague amagnétique présente. dans sa partie centrale, un épaulement qui vient s'engager dans le chambrage contenant le ressort de rappel 66 en fin de course du pôle mobile 62 L'eau refoulée par le pôle mobile 62 pendant sa course de montée est ainsi laminée entre l'épaulement de la bague amagnétique 68 et le chambrage du ressort, ce qui freine la pièce polaire avant la fin du transfert de charge. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. En particulier, la forme de pole montrée en Figure 1 n'est nullement limitative. Les Figures 3A à 3D montrent diverses autres formes possibles. qui conduisent également à une loi de variation de la force de levée en fonction de la course plus favorable que celle obtenue avec des pôles plats. Dans le mode de réalisation montré en Figure 3A, la force d'attraction est diminuée en fin de course grace à la saturation du matériau magnétique, provoquée par la présence d'une cavité 72 dans l'un des pôles. dont la forme extérieure reste classique. Dans ce cas, on passe, pour une forme extérieure identique, de la courbe représentés en tirets à la courbe représentée en trait plein sur la Figure 4A. On constate en particulier que la diminution de force d'attraction REVENDICATIONS 1. Dispositif électromagnétique de déplacement linéaire d'une tige, solidarisable d'une barre de contrôle de réacteur nucléaire, comprenant une enveloppe étanche (10) dans laquelle sont déplaçables longitudina- lement un premier et un second jeux de moyens de prehen- sion de la tige, décalés dans le sens longitudinal, le premier jeu de moyens étant associe à un pôle mobile coopérant avec une bobine 5183-, dite de maintien, portée par l'enveloppe et déplaçable par excitation et coupure de la bobine entre une position où le premier jeu de moyens saisit la tige et une position ou il la libéré, et le second jeu de moyens étant associé à un plongeur mobile (46) coopérant avec une bobine (16), dite de transfert. et déplaçable. par excitation et coupure de cette bobine. entre une position d'appui sur un autre pôle (36) ou le jeu de moyens saisit la tige et une position où il la libère, ledit autre pôle coopérant avec une bobine (14), dite de levée, permettant de déplacer ledit autre pôle entre deux positions écartées d'un pas déterminé, caractérisé en ce que le second jeu de moyens de préhension comporte un pôle mobile (28) et un pôle fixe (22) dont les faces an regard ont une forme celle que la loi de variation de la force de levée en fonction de la course présente une croissance moyenne faible. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risc en ce que lesdites faces on regard sont sensible- ment tronconiques et parallèles. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites faces- sont a gradins nnulaires. 4. Disposi.tif selon la revendication I,- 2 nu 3, caractérise en ce que ledit pôle fixe (22 > est directe- ment monté sux l'enveloppe et est percé e trous de traversée de liquide. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu un chambrage de réception d'un ressort de rappel (38) est ménagé dans ledit pôle fixe (22) et en ce que ledit polie mobile t28) comporte une portée de coulissement sur une chemise (34) solidaire du pôle fixe, ménagée dans la partie du pôle mobile proche du pôle fixe. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit pole mobile (28) est solidarisé par un fourreau (32) dudit autre pôle (36), distinct dudit pôle mobile (28). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pole mobile (62) du premier jeu est muni de moyens (66) de freinage hydraulisue an fin de course.