三軸線圈磁體模擬產生艦船磁場的方法*

黎敏謙 陳菊秋 李 雪

(海軍工程大學 武漢 430033)

1 引言

鋼質結構的艦船,在地磁場中被磁化而在周圍產生磁場,會使該點的地球磁場產生明顯的畸變。雖然,有些艦船采取了消磁措施,但最多也只能是減弱,不可能完全消除。因此,其很自然地就成為了魚水雷武器的啟動信號。而對于艦船,由于其外部形狀的不規(guī)則性,以及內部的不均勻性,其磁場的分布也是不規(guī)則的[1]。一般來說,在一艘艦船的通過特性中,Hx、Hy、Hz三個分量各有兩個或兩個以上的正、負半波,且三個分量的變化規(guī)律,如相位特性、頻率特性和梯度特性等,都是不一致的。如圖1所示[2]。目前,我們模擬產生艦船磁場大多采用多體單軸線圈通電產生三軸磁場分量的方式,這樣產生的三軸分量僅由單一電流來控制,因此其變化規(guī)律都是隨單一電流的變化而變化的,從而在利用其模擬艦船磁場時,就不可避免的產生了偏差。而現(xiàn)代智能水雷正是利用艦船全磁場[3～4]這一點來識別掃雷具,以提高水雷抗掃性的。但是無論哪種智能化的水雷用哪種方法進行目標識別,它歸根到底還是利用了掃雷具產生的磁場變化規(guī)律與艦船磁場不同這一點,從而對抗的焦點就在于兩者之間的區(qū)別。因此,要想有效地對抗高智能化的水雷,就必須設法使電磁掃雷具產生的磁場與艦船磁場能夠很好的擬合,即設法消除或減小兩者之間的區(qū)別。為了解決這一問題,我們不妨利用三軸磁體模擬艦船磁場的方法。

2 磁體的設計

圖1 某型軍艦磁場通過特性曲線

作者設計了一種三軸磁體。該磁體由三個正交的鐵芯和線圈組成一個整體。它利用磁化線圈通電所產生的磁場將鐵芯磁化,在線圈組周圍產生合適強度的三軸正交磁場,從而模擬出艦船的磁場。電磁線圈組是利用螺線管電磁鐵原理而制成的。電磁線圈組長度為4m,直徑為0.8m,總重約2.2T?？傮w結構如圖2所示。線圈1為整個掃雷磁體的主體,與線圈2、線圈3相互正交并且固定于線圈1內,線圈之間用聚胺脂材料填充,可起到固定、保護、減振和提供浮力的作用。

圖2 磁體的總體結構圖

經設計計算,電磁鐵1的線圈匝數(shù)為500匝,電磁鐵2的線圈匝數(shù)為100匝,電磁鐵 3的線圈匝數(shù)為150匝。線圈均經高溫抽真空澆注環(huán)氧樹脂材料填充而成。三個線圈上均設有兩個接頭,各線圈分別繞在各自的鐵芯上,互為獨立,經聚胺脂材料填充而構成整體。

3 磁體的磁場的建模

一般情況下,當計算距離遠大于磁體尺寸時,就可將磁體磁場計算[5]簡化為磁偶極子磁場的方法來計算。

設空間磁偶極子M處在直角坐標系的原點,它在空間任一點p(x,y,z)產生的磁場強度分量值為:

由于線圈1只在水平方向上運動,故Mz=0,M應為水平偶極子,其偶極矩M值,可采用簡單的載流圓環(huán)在軸線上產生的磁場加以等效即可得到,如圖3所示的等效磁場。

從電流的觀點來看,在P點只產生磁場軸向分量為:

圖3 等效磁場

從磁矩的觀點看,相應的水平偶極子M產生的軸向磁場分量為:

設磁體總體坐標如圖3所示。假設線圈1、線圈2和線圈3,分別通以電流 I1、I2和I3。

其中R=0.8m;W1=500匝,S2≈2.68m2,W2=100匝,S3=2.98m2,W3=150匝,-30A＜I1,I2,I3＜30A。由式(1)可以算出磁場的 Hx、Hy、Hz;利用 H=Hx+Hy+Hz從而計算出整個磁場的強度。

4 計算仿真分析

為分析和確定其效果,下面按設計計算要求,對其磁場進行簡要的仿真[6]。根據(jù)上述三個分量的磁矩計算公式和利用公式組(1)我們可以計算出Hx,Hy,Hz。

為了簡化起見,我們不妨只找?guī)追N特殊情況的狀態(tài)來討論Hx,Hy,Hz的關系。

1)當 I1=30;I2=0;I3=0時,在-200＜x＜200;-200＜y＜200;z=100的范圍內,利用MATLAB仿真有:

由圖可知,當僅有線圈1通正電流時,此時相當于單軸磁體的情況,Hx在x的正負方向較窄的區(qū)域內分別出現(xiàn)一個正波,在其他方向呈負波狀態(tài)。Hy在坐標的1相限和3相限出現(xiàn)正波,在2相限和4相限出現(xiàn)負波。Hz在坐標的2和3相限出現(xiàn)負波,在1和4相限出現(xiàn)正波。在坐標原點上出現(xiàn) Hx、Hy都為0的情況。

2)當 I1=30;I2=-30;I3=0時,在-200＜x＜200;-200＜y＜200;z=100的范圍內,利用MATLAB仿真有:

對照只有線圈1通正電的情況,我們發(fā)現(xiàn)由于線圈2的通正電,使整個磁場的分布發(fā)生了變化:對照圖4和圖7可知,對Hx的影響是使Hx的負波向左旋轉了一定的角度,而正波的分布基本不變;對照圖5和圖8可知,對Hy的影響最大,基本上是Hy進行了重新分布。對照圖6和圖9可知,對Hz的影響最小,分布基本上沒有變化。

3)當I1=30;I2=I3=-30。為了清楚的看出磁場的分布,在-1000＜x＜1000;-1000＜y＜1000;z=100的范圍內,利用MATLAB仿真有:

由圖可知,當三個線圈同時通以電流時,此時相當于三軸磁體的情況,對照圖7、圖8、圖9可知,我們發(fā)現(xiàn)由于線圈3的通電使磁場的分布發(fā)生了一定的變化,其中Hx,Hy的分布基本不變,而Hz基本進行了重新的分布。

4)當I1=30;I2=I3=-15。為了清楚的看出磁場的分布,在-1000＜x＜1000;-1000＜y＜1000;z=100的范圍內,利用MATLAB仿真有:

由圖可知,當對線圈通入的電流大小進行調整時,Hx,Hy,Hz的分布基本不變,而僅僅是磁場強度大小在三個方向上的變化。

5 結語

通過以上的MATLAB仿真分析可知:三個線圈各自通入電流的大小和極性的變化,都能引起磁體所產生磁場的分布狀態(tài)的變化。當線圈1、2和3各自向外輻射磁場時,其僅對它所對應的 Hx、Hy、Hz的分量大小和分布起決定性作用,而對其他兩個方向的分量磁場只起調節(jié)作用。由此可以推斷,若三個線圈同時通入的電流大小、極性和頻率等都不相同時,所產生的磁場 Hx、Hy、Hz的大小、方向及頻率等也會有差異。這就有效地降低了磁體在工作時所產生的三個磁場分量的相關性,更能有效的模擬艦船磁場,以提高其擬合度,從而達到提高其作業(yè)效率的目的。

[1]王潛,肖昌漢.設備磁場對全船磁場的影響[J].海軍工程大學學報,2003,15(2):41～44

[2]林春生,龔沈光.艦船物理場[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2007,10

[3]隗燕琳,肖昌漢,陳敬超,等.由艦船垂直分量磁場獲得其三分量磁場的研究[J].哈爾濱工程大學學報,2008,29(2):111～114

[4]王新華,高洪林,穆連運.智能引信在水雷武器中的應用[J].四川兵工學報,2009,30(7):31～34

[5]周耀忠,唐申生.任意形狀通電線圈磁場的計算[J].海軍工程大學學報,2009,21(3):71～74

[6]王正林,龔純,何倩.MA TLAB科學計算[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008,5