柴油機(jī)磁場(chǎng)的計(jì)算、試驗(yàn)與消磁優(yōu)化

趙建華， 應(yīng)宇辰，2， 郭成豹

(1.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033；2.海軍91202部隊(duì)， 遼寧 葫蘆島 125000；3.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033)

0 引言

船舶消磁主要是指船體消磁，有一套成熟的消磁理論和技術(shù)[1]，但如果掃雷艦的船體采用低磁材料制造，缺少船體的磁屏蔽作用，柴油機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)成為主要的消磁對(duì)象。柴油機(jī)的機(jī)體、曲軸、氣缸蓋等鐵磁性部件在地磁場(chǎng)的磁化作用下會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)[2]，目前，柴油機(jī)感應(yīng)磁場(chǎng)的仿真計(jì)算和消磁技術(shù)研究還比較少。

研究柴油機(jī)磁場(chǎng)仿真和試驗(yàn)方法，獲得地磁作用下一定深度平面上柴油機(jī)的感應(yīng)磁場(chǎng)?；谟?jì)算獲得三維磁場(chǎng)強(qiáng)度，利用抵消磁場(chǎng)法消磁，優(yōu)化柴油機(jī)磁場(chǎng)分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最佳消磁目標(biāo)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 柴油機(jī)消磁研究概況

柴油機(jī)消磁研究包括柴油機(jī)磁場(chǎng)計(jì)算、試驗(yàn)及消磁，主要的技術(shù)手段有：無(wú)磁和低磁材料應(yīng)用、有限元計(jì)算和三維磁場(chǎng)測(cè)試補(bǔ)償?shù)取?/p>

1.1 材料及零部件低磁化技術(shù)

柴油機(jī)是一種集多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式、高機(jī)械強(qiáng)度、熱- 機(jī)耦合、流- 固耦合等于一體的大型鐵磁性動(dòng)力機(jī)械，若采用無(wú)磁材料代替這些鐵磁材料，其感應(yīng)磁場(chǎng)就會(huì)大大降低。但低磁、無(wú)磁材料的強(qiáng)度低會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)的功率、抗沖擊能力及可靠性下降[3]。

英國(guó)Paxman公司在20世紀(jì)80年代采用零部件磁性處理和線(xiàn)圈補(bǔ)償技術(shù)，生產(chǎn)了4RP200E、6RP200E及SRP20OE等3型低磁柴油機(jī)，其無(wú)磁率約為56%. 德國(guó)MTU公司生產(chǎn)的柴油機(jī)按磁性大小可分為無(wú)磁率95%以上、無(wú)磁率70%和普通鐵磁性3大類(lèi)，MTU TB91型無(wú)磁柴油機(jī)應(yīng)用于 “弗蘭肯塔爾”級(jí)、 “哈默爾恩”級(jí)等艦艇。日本三井公司生產(chǎn)的12V42MA型、三菱公司生產(chǎn)的6NMU2TA1型和6MNC型無(wú)磁柴油機(jī)也處于世界領(lǐng)先地位。此外，其他無(wú)磁發(fā)動(dòng)機(jī)還有意大利Isotta Fraschini公司的ID36SS-AM型低磁柴油機(jī)、Fincantieri公司的GMT BL230型柴油機(jī)和西班牙瓦特西拉公司的UD23V12型柴油機(jī)等。

另一種有效的低磁化方法是：對(duì)每一個(gè)零部件單獨(dú)進(jìn)行低磁處理再組裝，可降低柴油機(jī)磁場(chǎng)。例如：2015年芬蘭購(gòu)買(mǎi)的3臺(tái)MTU396型低磁柴油機(jī)中鐵磁材料占90%，就是通過(guò)對(duì)曲軸、連桿、凸輪軸、渦輪增壓器、缸蓋和螺栓等共計(jì)約16 000個(gè)零部件進(jìn)行消磁再組裝而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)無(wú)磁化[3]。但采用這種方案制造的低磁柴油機(jī)難消磁卻易磁化，需要配套消磁保障系統(tǒng)。

1.2 磁場(chǎng)測(cè)試及計(jì)算

杜志瀛[4]根據(jù)柴油機(jī)三維磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，采用局部線(xiàn)圈補(bǔ)償法，大幅度地降低了柴油機(jī)的磁場(chǎng)。但這種測(cè)量- 解析計(jì)算- 設(shè)置線(xiàn)圈的手段難以實(shí)現(xiàn)消磁最優(yōu)化。隨著有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)磁場(chǎng)的復(fù)雜計(jì)算。姜智鵬等[5]利用有限元分析Ansys軟件實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)有限元計(jì)算。劉勝道等[6]提出了一種柴油機(jī)磁場(chǎng)簡(jiǎn)化建模方法，并采用靜磁場(chǎng)積分方程法，獲得了柴油機(jī)的感應(yīng)磁場(chǎng)。郭成豹等[7-8]、Roberts等[9]分析比較了幾種經(jīng)典的磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法[10-12]，可用于柴油機(jī)磁場(chǎng)計(jì)算分析。

2 柴油機(jī)磁場(chǎng)計(jì)算的基本理論

(1)

式中：φm為標(biāo)量磁位；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

(2)

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；B為磁通密度；M是磁介質(zhì)的磁化強(qiáng)度。

(3)

式中：ρm為與M作用等效的體磁荷密度，滿(mǎn)足

(4)

在無(wú)界空間中，(3)式的一個(gè)特解為

(5)

式中：φm(r)為點(diǎn)r處的標(biāo)量磁位；ρm(r′)為點(diǎn)r′處的體磁荷密度；V為磁介質(zhì)的體積；V′為點(diǎn)r′處的體積；R為從源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的矢徑。

(6)

磁介質(zhì)在外磁場(chǎng)中被磁化，引起周?chē)艌?chǎng)的變化，該過(guò)程可以看作是許多磁偶極子連續(xù)分布的集合，它激發(fā)的場(chǎng)是無(wú)旋場(chǎng)。在分界面上，標(biāo)量磁位φm滿(mǎn)足

φmo=φmi，

(7)

(8)

(9)

3 柴油機(jī)磁場(chǎng)有限元計(jì)算分析

隨著電磁場(chǎng)有限元仿真軟件的發(fā)展，可采用等效磁荷法對(duì)地磁場(chǎng)磁化作用下柴油機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真，磁場(chǎng)分析Comsol軟件計(jì)算靜磁場(chǎng)時(shí)所采用的是基于變分原理的有限元法[14]，可考慮影響柴油機(jī)磁場(chǎng)的諸多因素。

3.1 有限元建模

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，在保證機(jī)體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)磁性影響很小的情況下，簡(jiǎn)化了部分圓角、長(zhǎng)條面和小圓孔等細(xì)節(jié)，建立柴油機(jī)機(jī)體的三維模型，如圖1所示。以12 m×12 m×18 m的長(zhǎng)方體空間作為解析域，將柴油機(jī)機(jī)體和解析域形成聯(lián)合體，設(shè)置邊界條件，建立柴油機(jī)磁場(chǎng)仿真模型。

圖1 柴油機(jī)磁場(chǎng)仿真模型Fig.1 Magnetic field simulation model of diesel engine

選用Comsol軟件的“AC/DC-磁場(chǎng)，無(wú)電流(mfnc)”模塊，設(shè)置機(jī)體材料為鑄鐵，其相對(duì)磁導(dǎo)率為400，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，溫度采用默認(rèn)值293.15 K. 模型中本構(gòu)關(guān)系設(shè)置為相對(duì)磁導(dǎo)率；假定某地區(qū)的地磁場(chǎng)變化很小，設(shè)置背景磁場(chǎng)垂直分量值為45 600 nT.

3.2 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分選擇自由剖分四面體網(wǎng)格，模型采用極端細(xì)化模式劃分，最大單元大小為0.36 m，最小單元大小為0.003 6 m，最大單元增長(zhǎng)率為1.3，曲率因子為0.2，共形成3 518 137個(gè)域單元、190 236個(gè)邊界單元和14 254個(gè)邊單元，狹窄區(qū)域分辨率為1，如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite element mesh

3.3 磁場(chǎng)計(jì)算及分析

基于柴油機(jī)磁場(chǎng)模型進(jìn)行求解計(jì)算，獲得了空間各個(gè)平面上和柴油機(jī)機(jī)體上的磁通密度，如圖3所示。柴油機(jī)正下方磁通密度較大，如圖3(a)所示；機(jī)體內(nèi)部磁通密度流線(xiàn)分布因受柴油機(jī)結(jié)構(gòu)影響而不均，磁通密度較大的區(qū)域集中在中間兩氣缸處，如圖3(b)所示。

圖3 磁通密度流線(xiàn)Fig.3 Flux density streamline

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[15]，通常無(wú)磁性?huà)呃淄У拇判苑雷o(hù)指標(biāo)要求距艇體下方9 m標(biāo)準(zhǔn)深度測(cè)量時(shí),其垂向磁通密度量級(jí)為幾十納特。在柴油機(jī)下方9 m的深度平面上布設(shè)考核節(jié)點(diǎn)，以柴油機(jī)的投影為邊界，沿柴油機(jī)橫向等分為3行，分別為-0.75線(xiàn)、0線(xiàn)、0.75線(xiàn)，每行取21個(gè)點(diǎn)，間距為0.75 m，組成由63個(gè)考核節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)陣，如圖4所示。

圖4 布設(shè)考核節(jié)點(diǎn)Fig.4 Layout of checking nodes

在標(biāo)準(zhǔn)深度平面上，沿柴油機(jī)縱向，磁通密度呈現(xiàn)出明顯的中心高、兩端低的分布規(guī)律，最大值位于機(jī)體幾何中心的正下方附近，為45 824.35 nT，去掉地磁場(chǎng)后，數(shù)值為224.35 nT，所以該柴油機(jī)必須經(jīng)過(guò)消磁才能滿(mǎn)足無(wú)磁性?huà)呃淄У拇判苑雷o(hù)指標(biāo)要求，如圖5所示。

圖5 考核節(jié)點(diǎn)磁通密度分布規(guī)律Fig.5 Distribution law of flux density at checking nodes

柴油機(jī)下方9 m平面上的磁場(chǎng)整體分布情況如圖6所示，磁場(chǎng)呈橢圓形分布，平面正中心位置磁通密度最大，距離中心越遠(yuǎn)，磁通密度越小。

圖6 磁通密度分布Fig.6 Flux density distribution

4 柴油機(jī)磁場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

在某地(地磁場(chǎng)分量數(shù)值為4.56×10-5T)開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試，首先對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行消磁，然后在柴油機(jī)再次被地磁場(chǎng)磁化后進(jìn)行測(cè)量。將柴油機(jī)懸置于2 m高度，如圖7所示。然后再在柴油機(jī)縱向、橫向中軸線(xiàn)下方2 m處的地面上分別確定21個(gè)磁測(cè)節(jié)點(diǎn)，利用磁探頭進(jìn)行測(cè)量。將測(cè)量結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，測(cè)量值與計(jì)算值之間的差值不超過(guò)10 nT，計(jì)算誤差小于5%，在工程應(yīng)用允許的范圍之內(nèi)，如圖8所示。

圖7 測(cè)量對(duì)象的布置方式Fig.7 Layout of measuring objects

圖8 測(cè)量值與計(jì)算值對(duì)比Fig.8 Comparison of measured and calculated values

5 基于磁場(chǎng)仿真的消磁及優(yōu)化

5.1 消磁方法

在柴油機(jī)上方0.5 m處設(shè)置4只電磁鐵，對(duì)柴油機(jī)機(jī)體進(jìn)行消磁。

根據(jù)仿真結(jié)果顯示的特征，磁通密度集中分布于機(jī)體的頂角附近，如圖3(b)所示，設(shè)置消磁磁鐵的布設(shè)位置為：將4只電磁鐵安放在磁通密度較集中的區(qū)域，如圖9所示。

圖9 消磁裝置布置Fig.9 Arrangement of degaussing device

5.2 消磁計(jì)算及優(yōu)化

利用Comsol軟件的參數(shù)化掃描功能，通過(guò)不斷改變消磁設(shè)備的磁參數(shù)來(lái)優(yōu)化消磁效果，找到消磁裝置最優(yōu)磁參數(shù)。為此，參數(shù)化設(shè)置消磁裝置的磁性，單位是A/m，以1 000 A/m為步長(zhǎng)，從-60 000 A/m掃描到0 A/m，基于AC/DC模塊計(jì)算分別獲得消磁效果。由掃描結(jié)果可以判定，在柴油機(jī)下方9 m平面上，當(dāng)消磁裝置的磁性數(shù)值取-11 000 A/m時(shí)，通過(guò)下方平面上的磁通量最小。

計(jì)算并導(dǎo)出考核節(jié)點(diǎn)的磁通密度值，如圖10所示。計(jì)算表明，在柴油機(jī)正下方9 m處的磁通密度最大值為45 608.33 nT，去掉地磁場(chǎng)后，數(shù)值為8.33 nT. 即：經(jīng)過(guò)消磁，柴油機(jī)磁場(chǎng)從224.35 nT下降到8.33 nT，降低了95.38%，達(dá)到了最優(yōu)的消磁效果。

圖10 考核節(jié)點(diǎn)磁通密度Fig.10 Flux densities at the checking nodes

將布設(shè)消磁設(shè)備前與布設(shè)消磁設(shè)備后的柴油機(jī)正下方9 m平面的磁信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。布設(shè)消磁設(shè)備后，柴油機(jī)的磁信號(hào)不僅大大降低，而且差值較小。

圖11 消磁前后磁通密度對(duì)比Fig.11 Comparison of flux densities before and after degaussing

消磁前后，柴油機(jī)縱向側(cè)視圖上磁場(chǎng)及流線(xiàn)分別如圖12(a)、圖12(b)所示。消磁前，柴油機(jī)下方磁通密度流線(xiàn)呈圓錐形，消磁后柴油機(jī)下方低磁場(chǎng)范圍顯著增大，呈空心球形狀。整體消磁效果顯著。

圖12 消磁前后磁場(chǎng)對(duì)比Fig.12 Comparison of magnetic fields before and after degaussing

6 結(jié)論

本文采用柴油機(jī)磁場(chǎng)有限元仿真使柴油機(jī)的磁場(chǎng)分布計(jì)算更加精確化，為消磁參數(shù)優(yōu)化提供了定量依據(jù)。仿真方法也適用于船舶整體消磁、裝設(shè)備磁路設(shè)計(jì)等工作。解決了以往磁場(chǎng)估算、采用經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)嘗試獲得消磁參數(shù)等對(duì)近場(chǎng)消磁存在偏差的問(wèn)題。得到主要結(jié)論如下：

1)基于Comsol軟件AC/DC模塊，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)感應(yīng)磁場(chǎng)的計(jì)算，柴油機(jī)下方9 m平面上，感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)地磁場(chǎng)的畸變量計(jì)算值高達(dá)224.35 nT. 在實(shí)驗(yàn)室條件下，將測(cè)量結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差不超過(guò)5%，在工程允許的范圍之內(nèi)。

2)使用4只電磁鐵組成消磁磁陣，通過(guò)柴油機(jī)和消磁磁陣的一體化仿真，獲得最佳消磁參數(shù)，控制每只電磁鐵磁場(chǎng)大小為11 000 A/m，可以使柴油機(jī)下方9 m平面上的磁場(chǎng)強(qiáng)度畸變量降低至最低值8.33 nT，降低約95%.