通過式消磁站線圈系統(tǒng)仿真設(shè)計

周煒昶，郭成豹

海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430033

0 引 言

對船舶進(jìn)行退磁最常用的技術(shù)措施是采用螺線管形式的多匝工作線圈，采用外部電源供電，被退磁船舶放置在線圈內(nèi)部［1-5］。一個典型的例子是水下船舶退磁設(shè)施，即在退磁設(shè)施碼頭上安裝框架式工作線圈，構(gòu)成一個螺線管，其長度超過被退磁船舶。這種形式的工作線圈需要非常大的投資，需安裝大量的工作電纜，并且難以適用于大型水面船舶。另一種典型的例子是消磁船或臨時繞纜式固定退磁設(shè)施，即臨時在船舶外部纏繞工作線圈進(jìn)行磁性處理。這種方式需要大量的人力勞動，退磁速度很慢，容易損壞退磁電纜，使得船舶無法機動，特別是對某些水下船舶，退磁結(jié)果難以滿足技術(shù)要求。這種退磁方式費時費力，即便是對小噸位船舶退磁，每艘也要花費至少2～3天時間，且由于退磁時船舶被電纜捆綁，在緊急情況下難于機動，十分危險［6-7］。在和平時期，這一矛盾還不突出，但在戰(zhàn)時將面臨短時期內(nèi)對大量船舶進(jìn)行退磁的嚴(yán)峻局面。因此，從技術(shù)方面研究新的退磁方法，縮短船舶退磁時間是解決問題的途徑之一。

還有一種應(yīng)用較廣的工作線圈形式是垂向工作線圈，包括鞍形線圈退磁設(shè)施、海底水平線圈退磁設(shè)施以及碼頭固定線圈退磁設(shè)施。這種工作線圈所產(chǎn)生的磁場垂向作用在船體上，難以實現(xiàn)有效的退磁，并且不能在船舶整個長度上產(chǎn)生均勻的工作磁場，補償線圈調(diào)整復(fù)雜，難以達(dá)到非常高的退磁質(zhì)量［7］。不過海底水平線圈退磁設(shè)施依然具有獨特的吸引力，因為這種退磁設(shè)施的線圈完全水平敷設(shè)在海底，不需要建設(shè)專門的退磁碼頭；被退磁船舶可以較為自由地航行通過實現(xiàn)退磁，被退磁船舶機動性好，理論上具有最高的退磁速度，可以大幅縮短船舶退磁時間，提高退磁保障能力；此外，適用對象廣泛，包括各種尺度的水上和水下船舶，尤其是戰(zhàn)時臨時征用的各種大型民用船舶。

為了實現(xiàn)船舶方便和快速地退磁，本文將借鑒國內(nèi)外對通過式消磁站線圈系統(tǒng)的設(shè)計研究。George等［7-8］研究表明通過式消磁具有一定的消磁效果且消磁速度快，但通過式消磁的消磁效果會受航向、航速和航跡等因素的影響，消磁效果有時無法保證；郭成豹等［9］提出了一種環(huán)形線圈退磁設(shè)施的新技術(shù)方法，該方法表明環(huán)形線圈退磁的速度非?？?，退磁電流容易調(diào)節(jié)，退磁效果好，建設(shè)費用低，可大幅縮短船舶的退磁時間，具有重要的軍事意義和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但環(huán)形線圈的建設(shè)難度和建造成本較水平線圈大，且該研究沒有對補償線圈的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行深入研究。因此，本文將提出一種通過式消磁站的線圈系統(tǒng)設(shè)計方案——海底水平線圈退磁設(shè)施，將借助數(shù)值仿真手段，對通過式消磁站的線圈系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計，包括垂向補償線圈、橫向補償線圈和垂向工作線圈，以使被退磁船舶既能補償所受到的地磁場作用，還能產(chǎn)生足夠幅值的交變磁場，從而實現(xiàn)船舶的退磁。

1 通過式消磁站的工作原理

通過式消磁站主要由4部分組成：消磁線圈、測磁設(shè)備、消磁電源和控制設(shè)備。消磁線圈敷設(shè)在海底，其中，垂向工作線圈產(chǎn)生幅值不衰減的極低頻交變脈沖磁場，垂向補償線圈產(chǎn)生補償?shù)卮艌龃怪狈至康闹绷鞔艌?，橫向補償線圈產(chǎn)生補償?shù)卮艌鏊椒至康闹绷鞔艌?。磁傳感器陣列布置在海底，用來測量船舶的磁場特征。消磁電源和控制設(shè)備布置在岸上，其中消磁電源為消磁線圈供電，控制設(shè)備控制整個消磁站的運行。

通過式消磁站一般按照磁東西方向布置，被消磁船舶以低速、固定航向和航跡從消磁線圈上方勻速通過（圖1）。當(dāng)船舶在工作線圈正上方時，船舶受到的脈沖磁場作用最大。在船舶駛離工作線圈的過程中，船舶受到的脈沖磁場作用逐漸減?。▓D2）。這樣，被消磁船舶的每一段都會受到一個幅值逐漸衰減的極低頻交變脈沖磁場的作用，船舶的固定磁性因此得到消除［10］?？傊ㄟ^式消磁站的工作原理與傳統(tǒng)消磁站的物理機理類似，都是采用補償線圈來將被消磁船舶所處空間處的地磁場補償?shù)窒麨榱?，然后采用工作線圈對船體施加一個幅值逐步衰減、方向正負(fù)交替變化的工作磁場，從而實現(xiàn)被消磁船舶的無磁滯退磁。

圖1 通過式消磁站的工作原理Fig.1 The principle of the overrun deperming station

圖2 工作線圈磁場分布Fig.2 Distribution of the magnetic fields from the working coils

2 消磁線圈布局

設(shè)某海域海底水深-15 m，航道中有50 m的寬度范圍，水深-20 m（圖3）。船舶航行軌跡為磁東西方向，線圈展布范圍為磁東西方向300 m，磁南北方向150 m（圖4）。定義坐標(biāo)原點為線圈中心在水面上的投影點。消磁線圈包括垂向補償線圈Z、橫向補償線圈Y、垂向工作線圈G，均沿著海底地形敷設(shè)，相對于航跡線和坐標(biāo)原點對稱布置（圖5）。

圖3 場地地形示意圖Fig.3 Drawing of site terrain

圖4 線圈系統(tǒng)俯視示意圖Fig.4 Top view of the coil system

圖5 線圈系統(tǒng)橫截面示意圖Fig.5 Cross-section of the coil system

如圖5所示，垂向補償線圈含Z1和Z2共2個線圈，深度均為-15 m；線圈Z1長300 m，寬150 m；線圈Z2長240 m，寬90 m。橫向補償線圈含Y1～Y8共8個線圈，長度均為240 m；Y1，Y8的寬度為30 m，深度-15 m，對稱敷設(shè)；Y2，Y7的寬度為50 m，外側(cè)支線深度-15 m，內(nèi)側(cè)支線深度-20 m，對稱敷設(shè)；Y3，Y6的寬度為60 m，外側(cè)支線深度-15 m，內(nèi)側(cè)支線深度-20 m，對稱敷設(shè)；Y4，Y5的寬度為70 m，外側(cè)支線深度-15 m，內(nèi)側(cè)支線深度-20 m，對稱敷設(shè)。垂向工作線圈G長30 m、寬70 m，相對于坐標(biāo)原點對稱敷設(shè)。

3 消磁線圈磁場仿真設(shè)計

根據(jù)Biot-Savart定律，建立通過式消磁站的線圈系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，具體實施工作采用船舶磁場仿真分析軟件MagShip完成［11-13］，包括垂向補償線圈、橫向補償線圈和工作線圈，并分別分析在船舶船體受到消磁磁場作用的評估線和評估面上產(chǎn)生的補償磁場和工作磁場。

如圖6所示，定義2個線圈磁場評估面（坐標(biāo)點單位：m）：坐標(biāo)點（0，-15，-9），（0，15，-9），（0，15，9），（0，-15，9）這4個角點圍成的長方形（評估面1）；坐標(biāo)點（-50，-15，0），（-50，15，0），（50，15，0），（50，-15，0）這4個角點圍成的長方形（評估面 2）。

定義線圈電流方向為：從俯視圖上看，線圈電流逆時針方向為正，順時針方向為負(fù)。

圖6 評估面的定義Fig.6 Definition of evaluation surfaces

3.1 垂向補償線圈磁場仿真

垂向補償線圈的作用是補償?shù)卮艌龅拇瓜蚍至?，考慮到需要保留一定的余量，垂向補償線圈應(yīng)能產(chǎn)生約80 A/m的垂向磁場。為了在考核平面上產(chǎn)生較為均勻的垂向磁場，需設(shè)線圈Z1的安匝量為+29 700 AT，線圈Z2的安匝量為-8 100 AT。計算得到評估面1和評估面2上的磁場分布分別如圖7、圖8所示。

從圖中可以看出，垂向補償線圈產(chǎn)生的磁場在評估面1上幅值可達(dá)80 A/m，均勻度約95%；在評估面2上磁場幅值和均勻度均較好?？梢?，所設(shè)計的垂向補償線圈可以滿足船舶消磁需要。

圖7 評估面1上的垂向補償線圈磁場分布Fig.7 The magnetic field distributions of vertical compensation coils on the evaluation surface 1

圖8 評估面2上的垂向補償線圈磁場分布Fig.8 The magnetic field distributions of vertical compensation coils on the evaluation surface 2

3.2 橫向補償線圈磁場仿真

橫向補償線圈的作用是補償?shù)卮艌龅乃椒至浚紤]到需要保留一定的余量，橫向補償線圈應(yīng)能產(chǎn)生約40 A/m的水平磁場。為了在評估面上產(chǎn)生較為均勻的橫向磁場，需設(shè)線圈Y1和Y8的安匝量分別為+12 500和-12 500 AT，線圈Y2～Y4的安匝量為820 AT，Y5～Y7的安匝量為-820 AT。計算得到評估面1和評估面2上的磁場分布分別如圖9、圖10所示。

圖9 評估面1上的橫向補償線圈磁場分布Fig.9 The magnetic field distributions of transverse compensation coils on the evaluation surface 1

圖10 評估面2上的橫向補償線圈磁場分布Fig.10 The magnetic field distributions of transverse compensation coils on the evaluation surface 2

從圖中可以看出，橫向補償線圈產(chǎn)生的磁場在評估面1上幅值可達(dá)40 A/m，均勻度約95%；在評估面2上磁場幅值和均勻度均較好?？梢?，所設(shè)計的橫向補償線圈可以滿足船舶消磁需要。

3.3 工作線圈磁場仿真

工作線圈的作用是在船舶上施加一個強交變磁場，使其反復(fù)作用于船舶內(nèi)部的磁疇上，最終打亂磁疇的定向排列規(guī)律，實現(xiàn)各向同性的重新排列，宏觀上對外不顯磁場。在綜合消磁中，工作線圈電流是正負(fù)交替且逐漸衰減的，其目的是產(chǎn)生一個幅值逐步衰減的極低頻交變脈沖磁場。這樣，被消磁船舶的每一段船體都會受到幅值逐步衰減至零的極低頻退磁磁場的作用，其固定磁性從而得到消除。但通過式消磁的工作線圈所產(chǎn)生的是幅值不衰減的極低頻交變脈沖磁場，這是由于通過式消磁中船舶和工作線圈的距離是改變的，因此船舶所受磁場也是改變的。當(dāng)船舶位于工作線圈正上方時，所受磁場數(shù)值最大；當(dāng)駛離消磁區(qū)域時，所受磁場就和綜合消磁中一樣，是正負(fù)交替且逐漸衰減的。

工作線圈應(yīng)能在評估面區(qū)域產(chǎn)生2 000 A/m以上的磁場，滿足通過式消磁對工作線圈磁場的要求。設(shè)垂向工作線圈G的安匝量為300×103AT。計算得到評估面1和評估面2上的磁場分布分別如圖11、圖12所示。從圖中可以看出，垂向工作線圈產(chǎn)生的磁場在評估面1和評估面2上幅值均超過2 000 A/m，均勻度較好?？梢?，所設(shè)計的工作線圈可以滿足船舶消磁的需要。

4 結(jié) 語

通過式消磁站將所有的消磁線圈都敷設(shè)在海底，無需臨時纏繞線圈，也不需要被消磁船舶固定不動，而是從消磁線圈上方航行通過即可實現(xiàn)消磁。因此，通過式消磁的消磁勤務(wù)工作量較小，消磁速度大大提高。同時，還提高了船舶在消磁過程中的機動性，非常適合戰(zhàn)時應(yīng)急消磁。本文提出了一種通過式消磁站線圈系統(tǒng)設(shè)計方案，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)仿真模型，包括工作線圈、垂向補償線圈、橫向補償線圈，分別分析了在典型評估面上所產(chǎn)生的補償磁場和工作磁場。數(shù)值仿真結(jié)果表明，所提出的消磁線圈設(shè)計方案不但能較好地補償磁場，而且能產(chǎn)生足夠幅值的交變磁場。研究結(jié)果對通過式消磁站的線圈系統(tǒng)的進(jìn)一步研究工作和工程設(shè)計具有一定的參考意義。

圖11 評估面1上的垂向工作線圈磁場分布Fig.11 The magnetic field distributions of vertical working coils on the evaluation surface 1

圖12 評估面2上的垂向工作線圈磁場分布Fig.12 The magnetic field distributions of vertical working coils on the evaluation surface 2