艙內電氣設備對艦船感應磁場的影響研究

史瑩凱，劉瑞杰，王 磊，于大鵬,

(1. 大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024；2. 中國人民解放軍 92578 部隊, 北京 100161；3. 船舶制造國家工程研究中心，遼寧 大連 116024)

0 引 言

艦船的目標探測主要通過聲場和磁場2 個方面，隨著艦船聲場隱身和水聲對抗技術的進展，艦船目標的聲特征檢測越來越困難，人們開始開展目標電磁場等非聲特性研究[1]，尋求利用非聲場手段即磁場信號探測艦船的存在和類型[2-3]。

在未來科技高速向前發(fā)展的新時代形勢下，艦船材料也正在向磁化較低的方向迅速發(fā)展[4]。在新型低鐵磁材料和新型的無磁鐵材料技術出現(xiàn)后，船內電氣設備產生的磁場，已經成為敵軍磁探測的主要部分[5]。國內外專家在艦船電機領域的相關研究較多，但大多研究的是電機內部磁場分布，主要通過對電機線圈、永磁體的設計來滿足電機輸出功率、扭矩等參數(shù)[6-7]，對于電機外部自由空間對艦船的感應磁場分布研究較少。國內對艦船內部電磁性設備的研究處于起步階段，相關電磁研究都比較零散，缺乏專門系統(tǒng)地研究。

在現(xiàn)代艦船磁場的實際應用測量計算中就不難發(fā)現(xiàn)，不考慮在艦船內大型電氣設備的局部磁場影響，的確會帶來一些較大的測量計算誤差，所以現(xiàn)在急需對這些艦船外殼以及內部電氣工作設備的磁場特征進行系統(tǒng)的理論分析。因此，研究電氣設備在艦船感應磁場背景下的傳播特征，對艦船的內部某電氣設備進行三維簡化和建模，研究電氣設備通電時對艦船感應磁場傳播的影響規(guī)律，通過改變艦船的磁導率與厚度，系統(tǒng)地研究電氣設備在不同船體磁導率、不同船體厚度下通電時對艦船感應磁場的影響，為艦船機艙內部載有電氣設備的磁場計算的時模型簡化提供了理論依據，為機艙內部的電氣設備對艦船感應磁場的影響規(guī)律的預測提供了指導意義。

1 艦船磁場理論

感應磁場B與外界磁場H有如下關系:

艦船磁場實際上可看做靜磁場。由麥克斯韋方程組可知，靜磁場基本方程為[8]：

在艦船周圍的空間，電流密度為常數(shù)，有

式中，H為艦船磁場強度。由矢量運算公式

可得出：

此外，在艦船外部的空間，由于rotH=0，因此存在磁勢函Um，使得：

式中，Um為艦船磁場的標量磁位，滿足拉普拉斯方程。

由式（6）和式（7）可知，在船體外部空間，艦船磁場強度分量和標量磁位函數(shù)均滿足拉普拉斯方程。

2 電氣設備對艦船感應磁場的影響

2.1 模型設置

艦船內部通電設備種類繁多，電流載體各式各樣，空間分布也較為復雜，從動力系統(tǒng)的通電線圈，到通訊系統(tǒng)的電纜，再到船內的各處照明設備，電氣設備無處不在[9]。是通過定性分析艦船系統(tǒng)內部的電氣設備對艦船整體空間和感應的磁場特征變化的影響，為了方便研究，故將艦船內部的某電氣設備簡化為環(huán)形通電線圈，基于磁場有限元仿真軟件，仿真分析內部某電氣設備對全艦船的影響。

計算模型為某驅逐艦艦船模型，其中，艦船總長168 m，船寬19 m，型深10 m，背景地磁場為37 753 nT。

通電線圈相關的參數(shù)設置如表1 所示。

表1 通電線圈仿真參數(shù)表Tab. 1 Simulation parameter table of energizing coil

2.2 電氣設備電流大小對艦船感應磁場的影響

磁場強度與電流的關系公式為：

式中：H為磁場強度；N為通電線圈的匝數(shù)；I為通電電流；Le為通電線圈的有效磁路長度。

由此公式結合實際考慮，艦船建好以后，電氣設備的通電線圈匝數(shù)和線圈的有效磁路長度是一定的，不能為了滿足艦船的隱蔽性而做出相應的改變，只有通電電流的大小可以設置。根據IEC 60092（船舶電氣設備）標準系列及對應國家標準對照表可知，所用的電流大小范圍為45～450 A。

設置電氣設備通電電流為200A，根據弱磁材料國標 GB/T 35 690-2017，設置船體的相對磁導率在50～450 H/m 變化，以此來研究該電流大小下電氣設備對不同磁導率的艦船感應磁場的影響，影響結果如圖1所示。

圖1 電氣設備對不同船體磁導率的艦船感應磁場影響Fig. 1 Influence of power equipment on induced magnetic field of ships with different hull materials

可知，200A 的電氣設備對艦船感應磁場的影響隨著艦船磁導率的升高而降低。艦船磁導率為50 H/m時，該電氣設備對艦船感應磁場的影響效果高達220.85%；艦船磁導率為450 H/m 時，影響效果只有11.47%。

進一步，研究不同電流大小的電氣設備對艦船感應磁場的影響，分別設置通電線圈的電流大小為50～450 A，每次增加100 A 進行運算，艦船相對磁導率設置為200 H/m，選取艦船下方10 m 處為測量面進行仿真，結果如圖2 所示。

圖2 電流大小對艦船感應磁場的影響Fig. 2 Influence of current on induced magnetic field of ship

可知，艦船的感應磁場在電氣設備附近出現(xiàn)了不同程度的變化，隨著電流的增大，相關電氣設備因通電產生的磁場對艦船感應磁場的影響呈線性增大。

3 船體厚度對電氣設備的磁屏蔽影響分析

設置船體厚度為8～20 mm，每次增加2 mm，對船體不同厚度時電氣設備對艦船感應磁場的影響進行逐一計算，結果如圖3 所示。

圖3 電氣設備對艦船感應磁場的影響隨船體厚度變化曲線Fig. 3 The influence of electrical equipment on ship induced magnetic field varies with hull thickness

可知，電氣設備對艦船感應磁場強度的影響隨船體厚度的增加而降低，且艦船低磁導率材料比低厚度船的影響效果明顯。出現(xiàn)此種現(xiàn)象，考慮是由于電磁屏蔽所造成。

電磁屏蔽是用導電材料減少交變電磁場向指定區(qū)域穿透的屏蔽[10]。電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導作用，其與屏蔽結構表面和屏蔽體內部感生的電荷、電流與極化現(xiàn)象密切相關。真正直接影響整個屏蔽體發(fā)揮屏蔽效能的只有2 個因素：一個是要求整個屏蔽體表面結構必須保證是均勻導電的連續(xù)體，另一個因素是確保不能允許有直接穿透到屏蔽體外面的導體[11]。

由于艦船的材料多為鋼鐵，船體表面符合導電連續(xù)性，通電線圈在機艙內部時可看成是有直接穿透屏蔽體的導體。所以，艦船的船體對機艙內部的通電設備會有一定的屏蔽效應。而露天甲板處也同樣存在如錨機、絞纜機等甲板設備，也會對艦船產生的感應磁場產生影響。

在艦船的船體機艙內，加入通電線圈以后的艦船感應磁場所生成的磁感應強度大小記為B1；在艦船的甲板上，加入通電線圈以后的艦船感應磁場所生成的磁感應強度大小記為B2。從而艦船內部有通電線圈時影響艦船產生的感應磁場強度減去線圈裸露在甲板上時艦船產生的磁感應強度記為磁屏蔽變化量By，即

所產生的磁屏蔽為效果為：

不同艦船在實際設計建造過程中，會根據艦船的工作場所設計不同的船體厚度，以及在實際建造中因為設計誤差存在的船體厚度差異。因此，有必要分析內部電氣設備在不同船體厚度下的的影響，得到的磁屏蔽效果 Δ隨船體厚度的變化，如圖4 所示。

圖4 磁屏蔽效果隨船體厚度的變化曲線Fig. 4 Variation curve of magnetic shielding effect with hull thickness

可知，電氣設備隨著船體變厚，磁屏蔽效果變大，變大幅度由快變慢，最后趨于平緩。當船體厚度為8 mm時，磁屏蔽效果微弱，當船體厚度大于16 mm 時，磁屏蔽效果趨于一致，均超過50%。

綜上所述，船體厚度對機艙內部通電設備有一定的屏蔽效果。在薄壁船體厚度下，機艙內部的電氣設備會對艦船本身的感應磁場產生不可忽略的影響，在大厚度的船體中，由于磁屏蔽效果的存在，通電設備對于艦船感應磁場的影響大幅度降低，在一定條件下可忽略不計。

4 結 語

1）機艙內部的通電線圈對艦船感應磁場產生了局部的影響，現(xiàn)代船舶向低磁或無磁船發(fā)展時，艦船相對磁導率越低（≤200 H/m），越不可忽略機艙內部設備因通電對艦船感應磁場產生的影響。

2）機艙內同一電氣設備，在低磁導率的艦船中要比低厚度艦船中對艦船感應磁場產生的影響偏大。

3）隨通電線圈電流的增大，對艦船感應磁場的影響越明顯，并成線性增大。

4）在船體厚度低于16 mm 時，船體越薄，通電線圈對艦船感應磁場的影響越大，磁屏蔽效果越弱，建模計算感應磁場時不可忽略電氣設備因通電產生的磁場。

所得結論對于艦船感應磁場的簡化模型建立，電氣設備對艦船感應磁場的影響規(guī)律預測有指導意義，可以快速地預測機艙內部的電氣設備在建模計算時是否需要保留。研究電氣設備對艦船感應磁場的傳播特性影響，也是艦船海戰(zhàn)環(huán)境下躲避磁探測的重要理論依據。