黎敏謙 陳菊秋 李 雪

(海軍工程大學(xué) 武漢 430033)

1 引言

鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的艦船,在地磁場(chǎng)中被磁化而在周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng),會(huì)使該點(diǎn)的地球磁場(chǎng)產(chǎn)生明顯的畸變。雖然,有些艦船采取了消磁措施,但最多也只能是減弱,不可能完全消除。因此,其很自然地就成為了魚(yú)水雷武器的啟動(dòng)信號(hào)。而對(duì)于艦船,由于其外部形狀的不規(guī)則性,以及內(nèi)部的不均勻性,其磁場(chǎng)的分布也是不規(guī)則的[1]。一般來(lái)說(shuō),在一艘艦船的通過(guò)特性中,Hx、Hy、Hz三個(gè)分量各有兩個(gè)或兩個(gè)以上的正、負(fù)半波,且三個(gè)分量的變化規(guī)律,如相位特性、頻率特性和梯度特性等,都是不一致的。如圖1所示[2]。目前,我們模擬產(chǎn)生艦船磁場(chǎng)大多采用多體單軸線圈通電產(chǎn)生三軸磁場(chǎng)分量的方式,這樣產(chǎn)生的三軸分量?jī)H由單一電流來(lái)控制,因此其變化規(guī)律都是隨單一電流的變化而變化的,從而在利用其模擬艦船磁場(chǎng)時(shí),就不可避免的產(chǎn)生了偏差。而現(xiàn)代智能水雷正是利用艦船全磁場(chǎng)[3～4]這一點(diǎn)來(lái)識(shí)別掃雷具,以提高水雷抗掃性的。但是無(wú)論哪種智能化的水雷用哪種方法進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別,它歸根到底還是利用了掃雷具產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化規(guī)律與艦船磁場(chǎng)不同這一點(diǎn),從而對(duì)抗的焦點(diǎn)就在于兩者之間的區(qū)別。因此,要想有效地對(duì)抗高智能化的水雷,就必須設(shè)法使電磁掃雷具產(chǎn)生的磁場(chǎng)與艦船磁場(chǎng)能夠很好的擬合,即設(shè)法消除或減小兩者之間的區(qū)別。為了解決這一問(wèn)題,我們不妨利用三軸磁體模擬艦船磁場(chǎng)的方法。

2 磁體的設(shè)計(jì)

圖1 某型軍艦磁場(chǎng)通過(guò)特性曲線

作者設(shè)計(jì)了一種三軸磁體。該磁體由三個(gè)正交的鐵芯和線圈組成一個(gè)整體。它利用磁化線圈通電所產(chǎn)生的磁場(chǎng)將鐵芯磁化,在線圈組周?chē)a(chǎn)生合適強(qiáng)度的三軸正交磁場(chǎng),從而模擬出艦船的磁場(chǎng)。電磁線圈組是利用螺線管電磁鐵原理而制成的。電磁線圈組長(zhǎng)度為4m,直徑為0.8m,總重約2.2T?？傮w結(jié)構(gòu)如圖2所示。線圈1為整個(gè)掃雷磁體的主體,與線圈2、線圈3相互正交并且固定于線圈1內(nèi),線圈之間用聚胺脂材料填充,可起到固定、保護(hù)、減振和提供浮力的作用。

圖2 磁體的總體結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算,電磁鐵1的線圈匝數(shù)為500匝,電磁鐵2的線圈匝數(shù)為100匝,電磁鐵 3的線圈匝數(shù)為150匝。線圈均經(jīng)高溫抽真空澆注環(huán)氧樹(shù)脂材料填充而成。三個(gè)線圈上均設(shè)有兩個(gè)接頭,各線圈分別繞在各自的鐵芯上,互為獨(dú)立,經(jīng)聚胺脂材料填充而構(gòu)成整體。

3 磁體的磁場(chǎng)的建模

一般情況下,當(dāng)計(jì)算距離遠(yuǎn)大于磁體尺寸時(shí),就可將磁體磁場(chǎng)計(jì)算[5]簡(jiǎn)化為磁偶極子磁場(chǎng)的方法來(lái)計(jì)算。

設(shè)空間磁偶極子M處在直角坐標(biāo)系的原點(diǎn),它在空間任一點(diǎn)p(x,y,z)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量值為:

由于線圈1只在水平方向上運(yùn)動(dòng),故Mz=0,M應(yīng)為水平偶極子,其偶極矩M值,可采用簡(jiǎn)單的載流圓環(huán)在軸線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)加以等效即可得到,如圖3所示的等效磁場(chǎng)。

從電流的觀點(diǎn)來(lái)看,在P點(diǎn)只產(chǎn)生磁場(chǎng)軸向分量為:

圖3 等效磁場(chǎng)

從磁矩的觀點(diǎn)看,相應(yīng)的水平偶極子M產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)分量為:

設(shè)磁體總體坐標(biāo)如圖3所示。假設(shè)線圈1、線圈2和線圈3,分別通以電流 I1、I2和I3。

其中R=0.8m;W1=500匝,S2≈2.68m2,W2=100匝,S3=2.98m2,W3=150匝,-30A＜I1,I2,I3＜30A。由式(1)可以算出磁場(chǎng)的 Hx、Hy、Hz;利用 H=Hx+Hy+Hz從而計(jì)算出整個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

4 計(jì)算仿真分析

為分析和確定其效果,下面按設(shè)計(jì)計(jì)算要求,對(duì)其磁場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的仿真[6]。根據(jù)上述三個(gè)分量的磁矩計(jì)算公式和利用公式組(1)我們可以計(jì)算出Hx,Hy,Hz。

為了簡(jiǎn)化起見(jiàn),我們不妨只找?guī)追N特殊情況的狀態(tài)來(lái)討論Hx,Hy,Hz的關(guān)系。

1)當(dāng) I1=30;I2=0;I3=0時(shí),在-200＜x＜200;-200＜y＜200;z=100的范圍內(nèi),利用MATLAB仿真有:

由圖可知,當(dāng)僅有線圈1通正電流時(shí),此時(shí)相當(dāng)于單軸磁體的情況,Hx在x的正負(fù)方向較窄的區(qū)域內(nèi)分別出現(xiàn)一個(gè)正波,在其他方向呈負(fù)波狀態(tài)。Hy在坐標(biāo)的1相限和3相限出現(xiàn)正波,在2相限和4相限出現(xiàn)負(fù)波。Hz在坐標(biāo)的2和3相限出現(xiàn)負(fù)波,在1和4相限出現(xiàn)正波。在坐標(biāo)原點(diǎn)上出現(xiàn) Hx、Hy都為0的情況。

2)當(dāng) I1=30;I2=-30;I3=0時(shí),在-200＜x＜200;-200＜y＜200;z=100的范圍內(nèi),利用MATLAB仿真有:

對(duì)照只有線圈1通正電的情況,我們發(fā)現(xiàn)由于線圈2的通正電,使整個(gè)磁場(chǎng)的分布發(fā)生了變化:對(duì)照?qǐng)D4和圖7可知,對(duì)Hx的影響是使Hx的負(fù)波向左旋轉(zhuǎn)了一定的角度,而正波的分布基本不變;對(duì)照?qǐng)D5和圖8可知,對(duì)Hy的影響最大,基本上是Hy進(jìn)行了重新分布。對(duì)照?qǐng)D6和圖9可知,對(duì)Hz的影響最小,分布基本上沒(méi)有變化。

3)當(dāng)I1=30;I2=I3=-30。為了清楚的看出磁場(chǎng)的分布,在-1000＜x＜1000;-1000＜y＜1000;z=100的范圍內(nèi),利用MATLAB仿真有:

由圖可知,當(dāng)三個(gè)線圈同時(shí)通以電流時(shí),此時(shí)相當(dāng)于三軸磁體的情況,對(duì)照?qǐng)D7、圖8、圖9可知,我們發(fā)現(xiàn)由于線圈3的通電使磁場(chǎng)的分布發(fā)生了一定的變化,其中Hx,Hy的分布基本不變,而Hz基本進(jìn)行了重新的分布。

4)當(dāng)I1=30;I2=I3=-15。為了清楚的看出磁場(chǎng)的分布,在-1000＜x＜1000;-1000＜y＜1000;z=100的范圍內(nèi),利用MATLAB仿真有:

由圖可知,當(dāng)對(duì)線圈通入的電流大小進(jìn)行調(diào)整時(shí),Hx,Hy,Hz的分布基本不變,而僅僅是磁場(chǎng)強(qiáng)度大小在三個(gè)方向上的變化。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的MATLAB仿真分析可知:三個(gè)線圈各自通入電流的大小和極性的變化,都能引起磁體所產(chǎn)生磁場(chǎng)的分布狀態(tài)的變化。當(dāng)線圈1、2和3各自向外輻射磁場(chǎng)時(shí),其僅對(duì)它所對(duì)應(yīng)的 Hx、Hy、Hz的分量大小和分布起決定性作用,而對(duì)其他兩個(gè)方向的分量磁場(chǎng)只起調(diào)節(jié)作用。由此可以推斷,若三個(gè)線圈同時(shí)通入的電流大小、極性和頻率等都不相同時(shí),所產(chǎn)生的磁場(chǎng) Hx、Hy、Hz的大小、方向及頻率等也會(huì)有差異。這就有效地降低了磁體在工作時(shí)所產(chǎn)生的三個(gè)磁場(chǎng)分量的相關(guān)性,更能有效的模擬艦船磁場(chǎng),以提高其擬合度,從而達(dá)到提高其作業(yè)效率的目的。

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