通过式消磁站线圈系统仿真设计

2018-10-25周炜昶郭成豹

中国舰船研究 2018年5期

周炜昶，郭成豹

海军工程大学电气工程学院，湖北武汉430033

0 引言

对船舶进行退磁最常用的技术措施是采用螺线管形式的多匝工作线圈，采用外部电源供电，被退磁船舶放置在线圈内部［1-5］。一个典型的例子是水下船舶退磁设施，即在退磁设施码头上安装框架式工作线圈，构成一个螺线管，其长度超过被退磁船舶。这种形式的工作线圈需要非常大的投资，需安装大量的工作电缆，并且难以适用于大型水面船舶。另一种典型的例子是消磁船或临时绕缆式固定退磁设施，即临时在船舶外部缠绕工作线圈进行磁性处理。这种方式需要大量的人力劳动，退磁速度很慢，容易损坏退磁电缆，使得船舶无法机动，特别是对某些水下船舶，退磁结果难以满足技术要求。这种退磁方式费时费力，即便是对小吨位船舶退磁，每艘也要花费至少2～3天时间，且由于退磁时船舶被电缆捆绑，在紧急情况下难于机动，十分危险［6-7］。在和平时期，这一矛盾还不突出，但在战时将面临短时期内对大量船舶进行退磁的严峻局面。因此，从技术方面研究新的退磁方法，缩短船舶退磁时间是解决问题的途径之一。

还有一种应用较广的工作线圈形式是垂向工作线圈，包括鞍形线圈退磁设施、海底水平线圈退磁设施以及码头固定线圈退磁设施。这种工作线圈所产生的磁场垂向作用在船体上，难以实现有效的退磁，并且不能在船舶整个长度上产生均匀的工作磁场，补偿线圈调整复杂，难以达到非常高的退磁质量［7］。不过海底水平线圈退磁设施依然具有独特的吸引力，因为这种退磁设施的线圈完全水平敷设在海底，不需要建设专门的退磁码头；被退磁船舶可以较为自由地航行通过实现退磁，被退磁船舶机动性好，理论上具有最高的退磁速度，可以大幅缩短船舶退磁时间，提高退磁保障能力；此外，适用对象广泛，包括各种尺度的水上和水下船舶，尤其是战时临时征用的各种大型民用船舶。

为了实现船舶方便和快速地退磁，本文将借鉴国内外对通过式消磁站线圈系统的设计研究。George等［7-8］研究表明通过式消磁具有一定的消磁效果且消磁速度快，但通过式消磁的消磁效果会受航向、航速和航迹等因素的影响，消磁效果有时无法保证；郭成豹等［9］提出了一种环形线圈退磁设施的新技术方法，该方法表明环形线圈退磁的速度非常快，退磁电流容易调节，退磁效果好，建设费用低，可大幅缩短船舶的退磁时间，具有重要的军事意义和显著的经济效益。但环形线圈的建设难度和建造成本较水平线圈大，且该研究没有对补偿线圈的结构和功能进行深入研究。因此，本文将提出一种通过式消磁站的线圈系统设计方案——海底水平线圈退磁设施，将借助数值仿真手段，对通过式消磁站的线圈系统进行仿真设计，包括垂向补偿线圈、横向补偿线圈和垂向工作线圈，以使被退磁船舶既能补偿所受到的地磁场作用，还能产生足够幅值的交变磁场，从而实现船舶的退磁。

1 通过式消磁站的工作原理

通过式消磁站主要由4部分组成：消磁线圈、测磁设备、消磁电源和控制设备。消磁线圈敷设在海底，其中，垂向工作线圈产生幅值不衰减的极低频交变脉冲磁场，垂向补偿线圈产生补偿地磁场垂直分量的直流磁场，横向补偿线圈产生补偿地磁场水平分量的直流磁场。磁传感器阵列布置在海底，用来测量船舶的磁场特征。消磁电源和控制设备布置在岸上，其中消磁电源为消磁线圈供电，控制设备控制整个消磁站的运行。

通过式消磁站一般按照磁东西方向布置，被消磁船舶以低速、固定航向和航迹从消磁线圈上方匀速通过（图1）。当船舶在工作线圈正上方时，船舶受到的脉冲磁场作用最大。在船舶驶离工作线圈的过程中，船舶受到的脉冲磁场作用逐渐减小（图2）。这样，被消磁船舶的每一段都会受到一个幅值逐渐衰减的极低频交变脉冲磁场的作用，船舶的固定磁性因此得到消除［10］。总之，通过式消磁站的工作原理与传统消磁站的物理机理类似，都是采用补偿线圈来将被消磁船舶所处空间处的地磁场补偿抵消为零，然后采用工作线圈对船体施加一个幅值逐步衰减、方向正负交替变化的工作磁场，从而实现被消磁船舶的无磁滞退磁。

图1 通过式消磁站的工作原理Fig.1 The principle of the overrun deperming station

图2 工作线圈磁场分布Fig.2 Distribution of the magnetic fields from the working coils

2 消磁线圈布局

设某海域海底水深-15 m，航道中有50 m的宽度范围，水深-20 m（图3）。船舶航行轨迹为磁东西方向，线圈展布范围为磁东西方向300 m，磁南北方向150 m（图4）。定义坐标原点为线圈中心在水面上的投影点。消磁线圈包括垂向补偿线圈Z、横向补偿线圈Y、垂向工作线圈G，均沿着海底地形敷设，相对于航迹线和坐标原点对称布置（图5）。

图3 场地地形示意图Fig.3 Drawing of site terrain

图4 线圈系统俯视示意图Fig.4 Top view of the coil system

图5 线圈系统横截面示意图Fig.5 Cross-section of the coil system

如图5所示，垂向补偿线圈含Z1和Z2共2个线圈，深度均为-15 m；线圈Z1长300 m，宽150 m；线圈Z2长240 m，宽90 m。横向补偿线圈含Y1～Y8共8个线圈，长度均为240 m；Y1，Y8的宽度为30 m，深度-15 m，对称敷设；Y2，Y7的宽度为50 m，外侧支线深度-15 m，内侧支线深度-20 m，对称敷设；Y3，Y6的宽度为60 m，外侧支线深度-15 m，内侧支线深度-20 m，对称敷设；Y4，Y5的宽度为70 m，外侧支线深度-15 m，内侧支线深度-20 m，对称敷设。垂向工作线圈G长30 m、宽70 m，相对于坐标原点对称敷设。

3 消磁线圈磁场仿真设计

根据Biot-Savart定律，建立通过式消磁站的线圈系统数学模型，具体实施工作采用船舶磁场仿真分析软件MagShip完成［11-13］，包括垂向补偿线圈、横向补偿线圈和工作线圈，并分别分析在船舶船体受到消磁磁场作用的评估线和评估面上产生的补偿磁场和工作磁场。

如图6所示，定义2个线圈磁场评估面（坐标点单位：m）：坐标点（0，-15，-9），（0，15，-9），（0，15，9），（0，-15，9）这4个角点围成的长方形（评估面1）；坐标点（-50，-15，0），（-50，15，0），（50，15，0），（50，-15，0）这4个角点围成的长方形（评估面 2）。

定义线圈电流方向为：从俯视图上看，线圈电流逆时针方向为正，顺时针方向为负。

图6 评估面的定义Fig.6 Definition of evaluation surfaces

3.1 垂向补偿线圈磁场仿真

垂向补偿线圈的作用是补偿地磁场的垂向分量，考虑到需要保留一定的余量，垂向补偿线圈应能产生约80 A/m的垂向磁场。为了在考核平面上产生较为均匀的垂向磁场，需设线圈Z1的安匝量为+29 700 AT，线圈Z2的安匝量为-8 100 AT。计算得到评估面1和评估面2上的磁场分布分别如图7、图8所示。

从图中可以看出，垂向补偿线圈产生的磁场在评估面1上幅值可达80 A/m，均匀度约95%；在评估面2上磁场幅值和均匀度均较好。可见，所设计的垂向补偿线圈可以满足船舶消磁需要。

图7 评估面1上的垂向补偿线圈磁场分布Fig.7 The magnetic field distributions of vertical compensation coils on the evaluation surface 1

图8 评估面2上的垂向补偿线圈磁场分布Fig.8 The magnetic field distributions of vertical compensation coils on the evaluation surface 2

3.2 横向补偿线圈磁场仿真

横向补偿线圈的作用是补偿地磁场的水平分量，考虑到需要保留一定的余量，横向补偿线圈应能产生约40 A/m的水平磁场。为了在评估面上产生较为均匀的横向磁场，需设线圈Y1和Y8的安匝量分别为+12 500和-12 500 AT，线圈Y2～Y4的安匝量为820 AT，Y5～Y7的安匝量为-820 AT。计算得到评估面1和评估面2上的磁场分布分别如图9、图10所示。

图9 评估面1上的横向补偿线圈磁场分布Fig.9 The magnetic field distributions of transverse compensation coils on the evaluation surface 1

图10 评估面2上的横向补偿线圈磁场分布Fig.10 The magnetic field distributions of transverse compensation coils on the evaluation surface 2

从图中可以看出，横向补偿线圈产生的磁场在评估面1上幅值可达40 A/m，均匀度约95%；在评估面2上磁场幅值和均匀度均较好。可见，所设计的横向补偿线圈可以满足船舶消磁需要。

3.3 工作线圈磁场仿真

工作线圈的作用是在船舶上施加一个强交变磁场，使其反复作用于船舶内部的磁畴上，最终打乱磁畴的定向排列规律，实现各向同性的重新排列，宏观上对外不显磁场。在综合消磁中，工作线圈电流是正负交替且逐渐衰减的，其目的是产生一个幅值逐步衰减的极低频交变脉冲磁场。这样，被消磁船舶的每一段船体都会受到幅值逐步衰减至零的极低频退磁磁场的作用，其固定磁性从而得到消除。但通过式消磁的工作线圈所产生的是幅值不衰减的极低频交变脉冲磁场，这是由于通过式消磁中船舶和工作线圈的距离是改变的，因此船舶所受磁场也是改变的。当船舶位于工作线圈正上方时，所受磁场数值最大；当驶离消磁区域时，所受磁场就和综合消磁中一样，是正负交替且逐渐衰减的。

工作线圈应能在评估面区域产生2 000 A/m以上的磁场，满足通过式消磁对工作线圈磁场的要求。设垂向工作线圈G的安匝量为300×103AT。计算得到评估面1和评估面2上的磁场分布分别如图11、图12所示。从图中可以看出，垂向工作线圈产生的磁场在评估面1和评估面2上幅值均超过2 000 A/m，均匀度较好。可见，所设计的工作线圈可以满足船舶消磁的需要。

4 结语

通过式消磁站将所有的消磁线圈都敷设在海底，无需临时缠绕线圈，也不需要被消磁船舶固定不动，而是从消磁线圈上方航行通过即可实现消磁。因此，通过式消磁的消磁勤务工作量较小，消磁速度大大提高。同时，还提高了船舶在消磁过程中的机动性，非常适合战时应急消磁。本文提出了一种通过式消磁站线圈系统设计方案，并建立了相应的数学仿真模型，包括工作线圈、垂向补偿线圈、横向补偿线圈，分别分析了在典型评估面上所产生的补偿磁场和工作磁场。数值仿真结果表明，所提出的消磁线圈设计方案不但能较好地补偿磁场，而且能产生足够幅值的交变磁场。研究结果对通过式消磁站的线圈系统的进一步研究工作和工程设计具有一定的参考意义。