直接通电式消磁的船体电阻计算方法研究

高 强，周炜昶，王嘉宾，李丰渫，郭成豹



直接通电式消磁的船体电阻计算方法研究

高 强1，周炜昶2，王嘉宾2，李丰渫2，郭成豹2

（1 海军驻武汉712所军事代表室， 武汉 430064，2 海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

为了实现直接通电式消磁的船体电阻计算分析，提出了一种船体电阻仿真计算方法，编写了计算船体电阻的程序。对一些典型舰船的船体电阻进行了仿真计算，并与实际结果进行比较。数值仿真结果和实际结果比较表明，所提出的直接通电式消磁的船体电阻计算方法能较好地计算船体电阻，验证了所提出计算方法的可行性。所得结果对直接通电式消磁的船体电阻计算具有一定的理论指导意义。

直接通电式消磁；船体电阻；船体

0 引言

传统的舰艇固定磁性处理是由工作线圈产生磁场提供能量来改变舰艇的固定磁性，从而达到消除舰艇固定磁性的目的[1，2]。固定消磁按工作线圈产生磁场的方向可以分为垂向消磁、纵向消磁和横向消磁。这三种消磁方法都是由给工作线圈通电产生的磁场来作为工作磁场的，可以称作旁通式消磁。

还有一种退磁方法是通过直接在船体上从船艏到船艉通工作电流来产生工作磁场。该工作电流产生的磁场方向为沿船体呈周向，根据综合消磁原理中工作线圈磁场方向可任意的结论，利用船体中该工作电流产生的电磁场能量也能达到退磁的目的，称作直接通电式消磁[2]。直接通电式消磁与旁通式消磁相比有以下优点[3，4]：1）直接通电式消磁直接在船体上通电，工作时的交变磁场不受退磁因子的影响，电磁场能量利用率高，退磁效果好；2）直接通电式消磁不缠绕旁通式消磁的工作线圈，大大节省人工和退磁时间，可以节约经费；3）被消磁舰船易于机动，特别适合紧急状态下对大量舰船进行退磁；4）直接通电式消磁通电时，交变磁场主要在船壳内传播，不会泄露在船舱内，更不会影响舰艇上的仪器。

为了实现直接通电式消磁的船体电阻计算，本研究提出了一种直接通电式消磁的船体电阻仿真计算方法，并编写计算船体电阻的程序。对几种典型舰船的船体电阻进行仿真计算，通过数值仿真结果和实际结果比较的方法，验证所提出直接通电式消磁的船体电阻仿真计算方法的可行性。

1 直接通电式消磁的工作原理

船体是一个巨大的铁磁物体，要消除它具有的固定磁性，对船体施加磁饱和以上的交变磁场，逐渐减小交变磁场幅值至零，从而打乱船体内部磁畴的方向，使之对外不产生磁场。如图1所示，直接通电式消磁通过直接在船体上从船艏到船艉通工作电流来产生工作磁场。

图1 直接通电式消磁方法示意图

1）交变磁场产生的方式

旁通式消磁由舰艇外部绕制的通电线圈来提供工作磁场，而直接通电式消磁直接在船体上通工作电流，利用船体铁磁材料中工作电流的电磁场能量来达到退磁目的，如图2所示。

图2 直接通电式消磁方法原理图

2）交变磁场电磁能量的利用率

传统的旁通式消磁在实施过程中，工作磁场容易受到退磁因子的制约，会大量泄露到船体外部。而直接通电式消磁的磁场主要在船体内传播。相对于旁通式消磁，直接通电式消磁的电磁能量利用率很高。

2 直接通电式消磁的船体电阻仿真计算

由于舰船的船体结构极其复杂，对舰船结构做精确的仿真工作量巨大，且对于计算直接通电式消磁的船体电阻来说，对舰船作适当的简化更为实用。因此，可将舰船舯部等效为一个圆柱壳体的铁磁物体，艏艉各等效为一个圆锥壳体去除顶部后的圆台壳体，且设船体的钢材厚度和电阻率均相同。

设某一舰船的船体壁厚()均为8 mm。中间圆柱壳直径(1)为12 m，长度(1)为80 m；两端的圆锥壳体直径和1相同，也为12 m，长度(2、3)为10.7m；圆锥壳体去除的顶部长度(4、5)为0.7m，去除的顶部直径(2、3)为0.8m(综合考虑电缆与船体的连接方式)。舰船等效物如图3所示。船钢电阻率取1.6´10-7Ω/m。

图3 舰船的等效物体

根据等效物的形状，可以将船体电阻分为三个部分来计算。中间圆柱壳体的电阻为1：

两端的圆台壳体的电阻2、3分别为：

舰船等效物体的总电阻为：

然而，实际中上述公式所需的船体等效物体参数并不是已知的，如果进行实船测量就会增加工作量，大大浪费人力和时间。因此，从船体的已知参数去推算所需的船体等效物体参数更为合适。

一般一艘船已知的系数有：设计水线长S(m)；型宽（m）；型深（m）；吃水（m）；排水量（t）；空船重量0（t）；载重量（t）；方形系数CH；钢材比重C；钢材电阻率（Ω/m）

则船体等效物总长1与设计水线长S相等，中间圆柱壳直径1与型宽相等。

空船重量0可分为船壳重量s，机电设备重量m，木作舾装重量w三大项估算[6]。木作舾装重量w可按下式粗略计算

这样舰船的钢材重量可按下式计算

（6）

船体钢材重量与船舶种类很有关系。一般，货船的钢材重量约为排水量的四分之一。

船壳重量可以按下式估算

其中横梁、舱壁等横向船体结构并不导电，可以认为这些船体结构占船体重量的四分之一，因此参与导电的船壳重量约为

（8）

式中系数s1=0.0195，方形系数CB表示船舶在水线以下的总体积与长方形LBT体积之比。它表征船体水下部分的丰满程度。通常，方形囤船的CB接近于1，干货船约为0.7，快速船较小约为0.5。

则参与导电的舰船钢材体积可按下式计算

如图4所示，设船体等效物体两端圆台等高，且高与设计水线长S成比例，比例系数为a。船体等效物体两端圆台顶部直径相同，且顶部直径与型宽成比例，比例系数为b。则圆锥壳体去除的顶部直径(2、3)、顶部长度(4、5)可按下式计算

（10）

则圆锥长度(L2、L3)为

（12）

图4 舰船的等效物体

因为船体厚度与船体尺寸相比小得多，因此可以认为船体等效物体的内外表面积相同。则船体等效物体钢材表面积可按下式计算

设船体等效物的钢材厚度均匀，则钢材厚度可按下式计算

（14）

由此，计算船体等效物电阻的所有所需参数都可以由舰船已知参数推算得到。

已知某干货船的参数如表1所示[6]：

表1 某干货船体已知参数统计表

由式（7）可以计算得到船壳重量为

由式（8）可以计算得到参与导电的船壳重量为

由式（9）、（10）、（13）和（14）可以计算得到船壳等效物平均厚度为35.7 mm。由此可以最终计算得到该干货船的船体电阻为1.6e-05 Ω。

3 典型舰船的船体电阻计算

利用上述方法，对几种舰船的电阻进行仿真计算，并通过与实际测量的电阻相比较，验证该方法的可行性。

3.1 某型舰船电阻仿真计算

已知该型舰船的参数如表2所示[6]：

表2 某型舰船体已知参数统计表

由式（7）可以计算得到船壳重量为

由式（8）可以计算得到参与导电的船壳重量为

由式（9）、（10）、（13）和（14）可以计算得到船壳等效物平均厚度为24 mm。由此可以最终计算得到该舰船的船体电阻为2.9e-05 Ω。

3.2 另一型舰船电阻仿真计算

已知该型舰船的参数如表3所示[6]：

表3 另一型舰船体已知参数统计表

由式（7）可以计算得到船壳重量为

由式（8）计算得到参与导电的船壳重量为

由式（9）、（10）、（13）和（14）可以计算得到船壳等效物平均厚度为11.2 mm。由此可以最终计算得到该舰船的船体电阻为4.0e-05Ω。

3.3 某磁性船模电阻仿真计算

已知该船模的参数如表4所示[7、8]：

表4 磁性船模船体已知参数统计表

由式（7）可以计算得到船壳重量为

由式（8）可以计算得到参与导电的船壳重量为

由式（9）、（10）、（13）和（14）可以计算得到船壳平均厚度为0.3 mm。由此可以最终计算得到该磁性船模的船体电阻为0.002 Ω。

4 结论

直接通电式消磁直接在船体上通电，工作电流产生的磁场方向为沿船体呈周向，工作时的交变磁场不受退磁因子的影响，电磁场能量利用率高。直接通电式消磁不需要绕制工作线圈，大大节省人工和退磁时间。同时，直接通电式消磁的交变磁场主要在船壳内传播，不会泄露到船舱内，更不会影响到舰船上的仪器。本文提出了一种直接通电式消磁的船体电阻仿真计算方法，并编写了相关的程序，分别对几种舰船的船体电阻进行了仿真计算。数值仿真结果表明，所提出的船体电阻仿真计算方法能较好的计算各船体电阻，验证了所提出直接通电式消磁船体电阻仿真计算方法的合理性。研究结果对直接通电式消磁的船体电阻计算具有一定的参考意义。

[1] 马伟明, 张晓峰, 焦侬, 等. 中国电气工程大典:第12 卷,船舶电气工程[M]. 北京: 中国电力出版社, 2009.

[2] 朱运裕, 唐申生.直接通电式消磁法对舰船燃油安全性的分析研究[J].舰电技术, 2011,31(7)：82-83.

[3] 郭成豹, 刘大明, 肖昌汉等. 一种舰船退磁方法[P]. 中国, 20110456000.9.2011-12-30.

[4] 郭成豹, 刘大明, 肖昌汉等.一种铁磁物体退磁方法[P]. 中国, 201210026415.7.2012-02-07.

[5] 高俊吉, 刘大明, 肖昌汉等.带有漂浮式扁平消磁电缆的消磁装置[P]. 中国, 201420663677. 9.2014-11-07.

[6] 裘益钟. 船体磁性的工程估算[J]. 上海交通大学学报, 1980(1): 53-65.

Simulation Calculation of the Hull’s Resistance for the Current-through Demagnetization

Gao Qiang1, Zhou Weichang2, Wang Jiabing2, Li Fengxie2, Guo Chengbao2

(1. Navel Representatives Office of 712 Research Institute, Wuhan 430064 China; 2. School of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM153

A

1003-4862（2017）12-0001-04

2017-09-15

国家自然科学基金（51277176），海军工程大学自主立项课题资助

高强（1985-），男，博士研究生。研究方向：电力电子及电气传动。E-mail: gq04@163.com 郭成豹(1975-)，男，副教授，博士。研究方向：船舶消磁、电磁场数值仿真。