楊振宇 林春生
(海軍工程大學兵器工程系,武漢 430033)
航磁探測需要實時、精確的地磁場測量數(shù)據(jù),但載體內部復雜的電磁環(huán)境會對測量造成不良影響,為降低磁干擾對測量的影響,需要對載體內部的磁環(huán)境進行改善與凈化,載體內部的磁性結構件退磁是其重要的內容之一。綜合消磁法是工程中常用的退磁方法,其原理是在零磁空間的環(huán)境下,用一個振幅逐漸衰減到零的交變磁場作用于鐵磁材料,材料將被退磁[1]。把線圈看作一個電感,利用RLC電路就可以在線圈中產生振蕩衰減的交變磁場。區(qū)別于艦船等大型物體的消磁,磁性結構件的退磁屬于高精度退磁,要求退磁磁場有較高的磁場均勻度和良好的衰減特性。為滿足磁性結構件的退磁要求,本文對線圈進行了改進,并對改進后線圈磁場性能的影響因素進行了分析。
在以線圈軸線中點為圓心的小圓球內,磁場的徑向分量和軸向分量相比可忽略不計,軸向磁場近似相等,這個小圓球區(qū)域即為磁場均勻區(qū)。隨著線圈的長度增大,均勻區(qū)的范圍也不斷增大,所以提高線圈磁場均勻度的一個直觀方法就是增大長寬比。但這種方法只適用于一些寬度較小的細長的工件,對于一些短粗、方形、甚至不規(guī)則形狀的磁性材料,由于它們的寬度較大,增大長寬比則意味消耗極多的材料和很大的功率,很不經濟。并且增大長寬比只對薄壁線圈的磁場均勻度提高明顯,對厚壁的作用有限,但磁性結構件的退磁一般多使用厚壁線圈,所以增大長寬比的方法并不適用于磁性結構件的退磁。
根據(jù)線圈的磁屏蔽理論[2],當屏蔽桶長度和線圈長度接近時,線圈內部磁場處處均勻,方向沿軸線方向,外部沒有漏磁場??梢栽O想,將周圍的磁介質換成兩個足夠大的磁介質平板蓋在線圈兩端,磁場仍會有上述特性,所以得到一種新的線圈設計方法——在線圈的兩端加屏蔽蓋,如圖1所示。
圖1 兩端屏蔽的線圈
設其長度為2l,內徑為r1,壁厚t,電流密度j,對磁屏蔽線圈取極限計算可得線圈磁場[2]
設線圈繞線的直徑為2r,則繞線電流I = jπr2,代入(1)式得:
可見線圈內部磁場和電流成正比,比例系數(shù)是一個只與線圈的繞線有關與尺寸無關的常量,所以與傳統(tǒng)的設計方法相比,兩端屏蔽的線圈內部磁場不受長寬比的制約且均勻度更好。
在均勻度足夠的條件下,磁性結構件的退磁還要求線圈磁場具有良好的衰減特性。由于綜合退磁法是一種緩慢的長時間退磁,所以磁場衰減速度越慢,退磁效果越好;為了減小退磁時的集膚效應,磁場的頻率越低越好;為了使材料能夠被磁化到飽和,最大振幅越大越好[3]。所以磁場衰減特性可以用衰減速度、磁場頻率、最大振幅三個指標衡量,對線圈磁場的性能分析可以轉化為對其三個性能指標的計算。求解三個性能指標需要先分析交變磁場的產生原理,RLC電路產生交變磁場的電原理圖[4]如圖2所示。
圖2 RLC電路圖
開關合向1,電壓源E向電容C充電,R1是充電電阻。開關合向2,電容C向電感L放電,R是L的內阻, 當 R < 2 L/ C時,經計算可得電流方程[5]:
上式對t求導可解得最大電流:
其中,頻率。
由(2)、(3)、(4)式可見α、f、imax分別決定磁場的衰減速度、頻率、最值,是要計算的三個磁場性能指標。由以上計算過程還可以看出三者只取決于R、L、C、U四個電路參數(shù),其中C、U的值是可以直接選取的,但 R、L的取值受線圈設計的制約。
設線圈設定的最大磁場為Hmax,對應于Hmax的最大電流為Imax(為了和imax區(qū)別,Imax是設定值)、導線半徑為r,它們一般都是提前選好的,帶入(2)式可求解壁厚
考慮導線的截面為圓形,則繞線匝數(shù)
由電阻和電感的計算公式可得:
可見根據(jù) l、r1、Hmax、Imax、r 五個線圈參數(shù)就可以計算出線圈的R、L,再選擇適當?shù)腃、U,就能求解出 α、f、imax三個磁場性能指標,故磁場的性能和 l、r1、Hmax、Imax、r 、C、U七個變量有關。
磁場性能和七個變量之間是復雜的非線性關系,為了討論變量的取值對磁場性能的影響,根據(jù)前面的分析利用Matlab建立了磁場仿真模型,輸入七個變量,即可獲得三個磁場性能指標和i-t(H-t)曲線。為了獲得每個變量的取值對退磁的影響,對七個變量的設定值依次進行改變。
試驗1用的是經驗數(shù)據(jù)。由于飛行器載體內部磁性結構件尺寸一般不超過20 cm,取l= r1=0.1 m。Hmax一般取材料的矯頑力的 3~5倍。以常用的磁性結構件材料碳鋼為例,HC=4×103A/m,故取Hmax=4×104A/m。繞線半徑r=1 mm,電流密度 j=1 A/mm2,即Imax= jπr2=3.14 A。根據(jù)經驗取電容C=0.0001 F,U=200 V,將以上七個量輸入仿真模型可解得一組磁場參數(shù)。試驗2~7對試驗1的七個參數(shù)經驗值每次改變一個,改變后的值是原來的兩倍,具體見表 1。為了便于比較,增加了Imax和對應于Imax的最大設定功率P兩組數(shù)據(jù)。對于i-t(H-t)曲線,由于試驗3、4和試驗1的差別最大,所以只給出了三組作為比較,見圖3。
表1 仿真試驗結果
圖3 部分試驗的i-t曲線
觀察表1和圖3可知:前五組試驗實際的imax都超過設定的 Imax,能夠滿足退磁要求,并且對比試驗1和2可知增大電壓只增大最大電流,所以前五組可以適當降低電壓以減小實際功率。試驗3、4表明改變r、C可以保證α不變的情況下對 f進行調節(jié)。從理論上分析,α越小,衰減越慢,但從圖3可以看出當α一定時,頻率f對磁場的衰減影響也很明顯,f越大,衰減越慢,但f增大會增大集膚效應影響退磁,所以 f要綜合選擇。
后三組的imax小于Imax,導致實際的最大磁場低于設定值,需要增大電容電壓以提高電流。對于試驗6、7,尺寸增大一倍,對應的最大設定功率近似增大一倍,而磁場性能提高有限,可見增大尺寸并不是改善磁場性能的好方法。需要注意的是試驗8,退磁線圈應用于磁場更高的場合時,imax小于 Imax,并且隨著要求的 Hmax增大,imax減小迅速。有時為了使電流達到設定的 Imax,要求的電容電壓高達幾千伏,但從表1可以看出高磁場的α、f都很低,可以通過提高 r或減小 C來獲得更大的電流,以減小對電容電壓的要求。
本文從屏蔽線圈的計算中得到啟發(fā),提出兩端屏蔽的線圈設計新方法,與傳統(tǒng)的設計方法相比,可以在較小的長寬比的條件下獲得極高的磁場均勻度。把磁場的性能分析問題轉化為對磁場的三個性能指標的計算,得出磁場性能和七個變量有關,通過建立的磁場仿真模型定量分析了變量的取值對磁場的性能影響,分析的結論可作為實際應用時的參考。
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[1]林春生,龔沈光.艦船物理場[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2007:47-48.
[2]雷銀照.軸對稱線圈磁場計算[M].北京:中國計量出版社,1991:71-77.
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[4]劉力真,何玉林.強場脈沖充退磁裝置[J].宇航計測技術,2003, 23(3):58-60.
[5]周改葉.高矯頑力永磁材料強場退磁源的研究[J].西北工業(yè)大學學報,1986, 4(3):345-348.