直通式磁性處理方法的效果研究

李志新

應(yīng)用研究

直通式磁性處理方法的效果研究

李志新

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

首先闡述了直通式磁性處理方法的基本原理，同時(shí)分析了其不足之處，并通過磁場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)和直通式磁性處理試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。接著對(duì)直通式磁性處理效果不佳的原因做了進(jìn)一步的分析，提出了利用連接電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)改善磁性處理效果的方案，進(jìn)一步的試驗(yàn)結(jié)果表明，磁性處理效果得到了有效改善，但仍比旁通式差，最后得出了直通式磁性處理方法僅適用于應(yīng)急磁性處理的結(jié)論。

直通式磁性處理 旁通式磁性處理 脈沖電源

0 引言

為達(dá)到消除鐵磁材料固定磁性磁場(chǎng)的目的，通常需給鐵磁材料施加圖1所示的初始幅值足夠大、正負(fù)交替、幅值逐步衰減的間歇式脈沖工作磁場(chǎng)[1]。根據(jù)有關(guān)資料的分析[2]，產(chǎn)生圖1所示的工作磁場(chǎng)有圖2所示的兩種方式，(a)為旁通式，即將鐵磁材料置于螺線管中，用脈沖電源在螺線管中通以初始幅值足夠大、正負(fù)交替、幅值逐步衰減的間歇式脈沖工作電流，工作電流波形與圖1所示工作磁場(chǎng)波形相同，工作磁場(chǎng)沿鐵磁物質(zhì)軸向方向分布。(b)為直通式，即將鐵磁材料作為電路的一部分，將波形與圖1所示工作磁場(chǎng)相同的工作電流直接通入到鐵磁物質(zhì)中，工作磁場(chǎng)沿鐵磁物質(zhì)切線方向分布。有關(guān)文獻(xiàn)表明[1～3]，要對(duì)鐵磁材料進(jìn)行磁性處理，作用于其上的工作磁場(chǎng)最大幅值應(yīng)滿足式（1）

式中：X——鐵磁物質(zhì)的最大磁化率；——物體的退磁系數(shù)；H——鐵磁材料的矯頑力。

直通式磁性處理方法、旁通式磁性處理方法基本原理相同，只是產(chǎn)生工作磁場(chǎng)的方法不同。圖2(a)旁通式磁性處理方法已經(jīng)為大家所熟悉，本文主要討論圖2(b)所示直通式磁性處理方法。

圖1 常用磁性處理脈沖磁場(chǎng)波形

圖2 工作磁場(chǎng)產(chǎn)生方式

1 直通式磁性處理方法原理

需進(jìn)行磁性處理的鐵磁性試件以實(shí)心圓柱形和空心單層圓柱最為典型，下面對(duì)這兩種鐵磁試件的直通式磁性處理原理分別進(jìn)行分析。圖3為直通式磁性處理時(shí)強(qiáng)度分布。

圖3 實(shí)心圓柱鐵磁材料截面內(nèi)外的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

采用直通式磁性處理方法對(duì)實(shí)心圓柱鐵磁材料進(jìn)行磁性處理時(shí)，截面內(nèi)電流及截面內(nèi)外磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖3所示，截面內(nèi)的點(diǎn)表示電流流出紙面，截面半徑為，周圍媒質(zhì)為空氣。在鐵磁材料內(nèi)部（≤），若不考慮趨膚效應(yīng)，設(shè)總電流為，電流在截面范圍內(nèi)均勻分布，則電流密度為：

圓柱內(nèi)外的磁場(chǎng)強(qiáng)度如圖3下部分所示，在中心處為零，在表面達(dá)到最大值。

對(duì)于圖4所示的空心單層圓柱鐵磁材料，其外半徑為1，內(nèi)半徑為2，在空腔內(nèi)，電流為零，故空腔內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為零，不考慮趨膚效應(yīng)，設(shè)總電流為，鐵磁材料截面（2＜＜1）電流密度為：

半徑為處的磁感應(yīng)強(qiáng)度只和半徑以內(nèi)的電流有關(guān)系。也就是，在鐵磁材料內(nèi)部半徑為的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

在鐵磁材料外部（≥1）

空心單層圓柱體內(nèi)外的磁場(chǎng)強(qiáng)度如圖4下部分所示，在空腔及內(nèi)表面為零，在外表面達(dá)到最大值。

可見在鐵磁材料中直接通首脈沖幅值足夠大的工作電流，可在鐵磁材料中產(chǎn)生符合磁性處理要求的工作磁場(chǎng)，再將鐵磁材料周圍的恒定磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)?，就可?duì)鐵磁材料進(jìn)行磁性處理，即為直通式磁性處理方法。

2 直通式磁性處理方法的不足

采用直通式磁性處理方法對(duì)鐵磁試件進(jìn)行磁性處理時(shí)，綜合考慮電源輸出能力和磁性處理對(duì)工作磁場(chǎng)最大值的需求，一般設(shè)計(jì)通最大電流時(shí)鐵磁材料表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度為2000 A/m。對(duì)于圖3所示實(shí)心圓柱體鐵磁試件，若式（1）中的鐵磁材料的矯頑力c=715A/m，即工作磁場(chǎng)首脈沖幅值需達(dá)到1.4c=1000A/m，才能滿足磁性處理需求[4～6]，如圖3下部分所示，不考慮趨膚效應(yīng)時(shí)，半徑小于/2區(qū)域內(nèi)的工作磁場(chǎng)幅值均達(dá)不到磁性處理要求。若考慮趨膚效應(yīng)，電流向表面集中，則工作磁場(chǎng)幅值達(dá)不到要求的范圍更大。

對(duì)于圖4所示空心單層圓柱體鐵磁試件，如圖4下部分所示，即使不考慮趨膚效應(yīng)，當(dāng)表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為2000 A/m時(shí)，殼體內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度能達(dá)到1000 A/m的區(qū)域遠(yuǎn)小于一半，考慮趨膚效應(yīng)時(shí)，工作磁場(chǎng)幅值達(dá)到要求的范圍更小。若有鐵磁物質(zhì)在圓柱內(nèi)部，則由于工作磁場(chǎng)為零，完全不能實(shí)現(xiàn)磁性處理。

圖5 空心單層圓柱內(nèi)部磁場(chǎng)測(cè)量

搭建如圖5(a)所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在長(zhǎng)度為2.2 m，半徑為0.2 m的空心單層圓柱體內(nèi)中心位置附近放置測(cè)磁設(shè)備，測(cè)量空心單層圓柱內(nèi)的磁場(chǎng)狀況。空心單層圓柱外纏繞的工作線圈為39匝，通以首脈沖幅值為40 A的工作電流時(shí)，按空心螺線管估算圓柱內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度分量最大值約為709 A/m（縱向分量），實(shí)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度分量最大值如圖(b)所示（縱向分量），最大值約為320 A/m（40萬nT），量級(jí)相當(dāng)（存在屏蔽等影響）。當(dāng)首脈沖幅值為1000 A的工作電流直接通入到圓柱時(shí)，圓柱表面磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值的計(jì)算值約為796 A/m（橫向或垂向分量），實(shí)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度如圖7(c)所示，最大值約為20 A/m(2.5萬nT，橫向分量)，僅為表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的2.5%?？梢娫诒砻娲艌?chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，旁通式時(shí)的內(nèi)部磁場(chǎng)遠(yuǎn)大于直通式時(shí)的內(nèi)部磁場(chǎng)。

直通式磁性處理方法時(shí)，無法做到對(duì)鐵磁材料進(jìn)行充分的磁性處理，甚至只能對(duì)其中的小部分進(jìn)行磁性處理，是其一個(gè)源頭上的不足。

3 直通式磁性處理試驗(yàn)

圖6 直通式磁性處理試驗(yàn)（電纜遠(yuǎn)離被處理試件）

采用圖5(a)所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行直通式磁性處理試驗(yàn)，如圖6(a)所示，電源E輸出工作電流直接從被處理鐵磁試件的一端輸入，然后從遠(yuǎn)離鐵磁試件的電纜返回電源形成回路。鐵磁試件為空心單層圓柱，殼內(nèi)磁場(chǎng)如圖6(b)所示，磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布如圖4下半部分所示?，F(xiàn)將鐵磁試件固定磁場(chǎng)值充至20000 nT以上，經(jīng)多次通電（鐵磁試件表面工作磁場(chǎng)首脈沖幅值為2000 A/m），得到最好的磁性處理結(jié)果如圖6(c)所示。可見采用直通式磁性處理方法能對(duì)鐵磁性試件進(jìn)行磁性處理，但效果較差，剩余固定磁場(chǎng)達(dá)3000 nT，遠(yuǎn)大于采用旁通式磁性處理時(shí)1000 nT以下的剩余固定磁場(chǎng)（鐵磁試件表面工作磁場(chǎng)首脈沖幅值為1600 A/m）。直通式磁性處理方法消耗了更多的能量而得不到好的磁性處理效果，與前面得到的直通式磁性處理方法不能充分地對(duì)鐵磁材料進(jìn)行磁性處理的分析結(jié)論一致。

工作磁場(chǎng)只能滿足鐵磁試件部分區(qū)域的磁性處理要求，是圖6(c)所示磁性處理結(jié)果差的主要原因。連接電纜的電流為，與流經(jīng)鐵磁試件的電流相同，可考慮利用連接電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)改善磁性處理效果。如圖7(a)所示，電源E輸出工作電流直接從被處理鐵磁試件的一端輸入，電流從另一端流出后，分成均等的兩部分從貼近鐵磁試件兩側(cè)的電纜返回電源形成回路。鐵磁試件為空心單層圓柱，僅考慮鐵磁試件內(nèi)的電流時(shí)，殼內(nèi)磁場(chǎng)與圖6(b)相同，磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布如圖4下半部分所示。從圖7（b）還可以看出，兩側(cè)電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)能分別大幅加大鐵磁材料兩側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，有利于鐵磁試件的磁性處理。與圖6通相同的電流后，得到的磁性處理結(jié)果如圖7(c)所示，剩余固定磁場(chǎng)小于1500 nT，可見磁性處理結(jié)果雖然仍舊不如旁通式磁性處理方法，但優(yōu)于圖5(c)所示的磁性處理結(jié)果，與理論分析結(jié)果相符。

圖7 直通式磁性處理試驗(yàn)（電纜貼近被處理試件）

4 小結(jié)

直通式磁性處理方法不能對(duì)被處理的鐵磁試件進(jìn)行充分的磁性處理，通過優(yōu)化電纜的布設(shè)方式可改善磁性處理效果，但效果依舊不如旁通式，僅適合作為應(yīng)急磁性處理。另外，在電路回路中，被處理試件的電阻往往較小，遠(yuǎn)小于連接電纜的電阻，也就意味著電源輸出的能量大部分消耗在了電纜上。如何較小這部分能量或利用這部分能量也是值得研究的問題。

[1] 周國(guó)華, 肖昌漢.鐵磁學(xué)[M], 武漢: 海軍工程大學(xué)出版社, 2014, 126-128.

[2] 郭成豹. 艦艇磁性處理技術(shù)[M]. 武漢: 海軍工程大學(xué)出版社, 2015, 23-28.

[3] 余晉岳, 周煒君. 船體鋼鐵的磁特性[Z]. 上海: 上海交通大學(xué), 1980, 37-39.

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[5] 郭成豹, 劉大明, 周耀忠. 直通式磁性處理方法研究研究報(bào)告[R]. 武漢: 海軍工程大學(xué), 2009, 19-21.

[6] 李志新, 趙文春, 劉勝道. 艦艇消磁設(shè)備原理[M]. 武漢: 海軍工程大學(xué), 2015, 224-225.

The study of outcomes of straight-through demagnetization method

Li Zhixin

(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Hubei, China)

TM46

A

1003-4862（2022）01-0012-04

2021-06-07

李志新(1981-)，男，講師，主要從事電工理論與新技術(shù)。Email：01021332@163.com