李志新，朱武兵

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

0 引言

在磁性處理勤務中，為達到消除艦船固定磁場的目的，磁性處理主電源通常需產生圖1所示的正負交替、幅值逐步衰減的脈沖電流，電流波形（幅值、上升下降時間、超調量等）要求嚴格，這就對磁性處理主電源提出了很高的要求。

圖1 常用磁性處理主電源電流波形

有關文獻表明[1,2]，要對鐵磁材料進行磁性處理，作用于其上的脈沖磁場最大幅值應滿足式（1）

其中，xm——鐵磁物質的最大磁化率；N——物體的退磁系數；Hc——鐵磁材料的矯頑力。

還有文獻表明[1,3,4]，鐵磁物體處于交變磁場中時，由于受渦流磁場的影響，磁場的幅值隨著深度的增加而逐漸減小，其滲透深度為

其中μ為鐵磁物體磁導率，σ為鐵磁物體電導率，f為交變磁場頻率，δ為趨膚的深度。若鐵磁物體的厚度為 10 mm，σ為 107S/m，μ=100μ0，則給該鐵磁物體進行磁性處理時，若脈沖磁場的最大幅值僅比式（1）所要求的略大，則其頻率應遠遠小于2.53 Hz。故常用的脈沖式磁性處理主電源，脈沖持續(xù)時間和脈沖間隔時間均為數秒，其交變的頻率極低[1,2]。

1 磁性處理主電源可行性的理論分析

圖2 渦流磁場與工作磁場

一個長為l，寬為b，厚為a，電阻率為ρ的鐵磁物體處于交變工作磁場B中，將感應出電勢，產生渦流電流，進而產生渦流磁場，如圖2所示。沿電流方向將鋼板分成許多厚度為 dr，寬為 2r,長為 2ra/b的金屬薄筒，對渦流磁場進行較為粗略的估算，任意薄筒內的感應電動勢為[3]

取工作磁場B=B0sinωt，不考慮電感時，該薄筒的渦流電流為

圖2所示鐵磁物體產生的渦流磁場由邊緣向中心逐漸增強，中心的渦流磁場為

式（5）所得的渦流磁場未考慮電感，超前工作磁場 90°，實際上電感不可避免，而且電感的大小受多種因素影響，渦流磁場超前工作磁場（90°-φ），相應的φ的大小也受諸多因素影響，受頻率的影響尤為顯著。鐵磁物質受工作磁場和渦流磁場的疊加磁場的作用，如圖3所示。

由圖3可知，總磁場幅的大小可能大于也可能小于工作磁場幅值，角度φ的影響甚大。在高頻的情況下，φ趨于90°，工作磁場與渦流磁場方向相反，二者相互抵消，鐵磁物體內的合成磁場幅值由邊緣向中心逐漸減小，即為趨膚效應。而低頻情況下，角度φ較小，合成磁場幅值可能大于工作磁場，所以當工作磁場的頻率為工頻（50 Hz）時，合成磁場的幅值極有可能大于工作磁場幅值。根據有關文獻的分析，當作用在鐵磁物質上的交變磁場的初始幅值滿足式（1）時，即可對鐵磁物質進行磁性處理，表明基于工頻交流電的磁性處理主電源在理論上是可行的。

圖3 工作磁場與渦流磁場合成后的總磁場

2 磁性處理主電源試驗研究

用基于工頻交流電的磁性處理主電源產生正弦式磁性處理工作電流（以下簡稱正弦電流），如圖4（a）所示，用脈沖式磁性處理主電源產生脈沖式磁性處理工作電流（以下簡稱脈沖電流），如圖4（b）所示，其中正弦電流從最大值衰減到接近零所需時間約為10～20 s，脈沖電流的衰減率為6%，每個脈沖持續(xù)時間為2 s，脈沖間隔時間為2 s，脈沖個數為49。

用圖4所示的兩種磁性處理工作電流分別對長度 1000 mm，寬度 200 mm，厚度 28 mm 的鋼板從縱向方向進行磁性處理，處理效果如圖5所示。在工作線圈匝數一定的情況下，從6 A開始，逐步增大正弦電流和脈沖電流的最大值，正弦電流最大有效值為 15 A時可將鋼板固定磁場處理到比較理想范圍（1000 nT以內），而脈沖電流最大值為15 A時，固定磁場值幾乎不變（10000 nT左右），如圖 5（a）所示（每兩個測量點間間隔100 mm，下同）；繼續(xù)增大正弦電流和脈沖電流的最大值，至40 A時，兩種工作電流均能將鋼板固定磁場處理到比較理想范圍（1200 nT以內），如圖5（b）所示。

圖4 磁性處理工作電流

圖5 厚鋼板縱向磁性處理效果

用圖4（a）所示正弦式電流對上述的厚鋼板從垂向方向進行磁性處理，處理效果如圖6所示。在工作線圈匝數一定的情況下，正弦電流最大有效值從50 A逐漸增加。增加到96 A時，固定磁場被處理到較為滿意的范圍（1000 nT以內）。受試驗條件的限制，沒有采用脈沖電流對厚鋼板從垂向方向進行磁性處理。

圖6 厚鋼板垂向磁性處理效果

圖7 厚艇模

圖8 厚艇?？v向磁性處理效果

用圖4所示的兩種磁性處理工作電流分別對圖 7 所示的，長 1000 mm，舯寬 200 mm，厚 9 mm的厚艇模從縱向方向進行磁性處理，處理效果如圖8所示。在工作線圈匝數一定的情況下，從6 A開始，逐步增大正弦電流和脈沖電流的最大值，正弦電流最大有效值為8 A時可將鋼板固定磁場處理到比較理想范圍（除個別點外，均在1000 nT以內），而脈沖電流最大值為8 A時，固定磁場值幾乎不變（5000 nT），如圖8（a）所示；繼續(xù)增大正弦電流和脈沖電流的最大值，至25 A時，兩種工作電流均能將鋼板固定磁場處理到比較理想范圍(1300 nT 以內), 如圖 8（b）所示。

3 小結

對比正弦電流和脈沖電流的磁性處理效果，可見，在試驗條件相同、磁性處理效果相近時，無論是對厚鋼板還是對厚艇模的縱向方向的磁性處理，正弦電流所需幅值均不及脈沖電流所需幅值的二分之一；正弦電流對鋼板垂向方向進行磁性處理時的處理效果進一步說明了，式（2）對磁性處理工作電流的約束有待進一步研究；經試驗驗證，基于工頻交流電的磁性處理主電源至少在實驗室范圍內是可行的，與脈沖式磁性處理主電源相比較，具有所需最大幅值小，單次通電所需時間短、耗能量少，容易實現等特點，有開展進一步研究向工程應用實踐推廣的價值。

參考文獻：

[1]周國華, 肖昌漢. 鐵磁學[M]. 海軍工程大學, 2014.

[2]郭成豹. 艦艇磁性處理技術[M]. 海軍工程大學, 2015.

[3]龔善初. 渦流與趨膚效應[J]. 常德師范學院學報, 2000.

[4]張忠龍. 關于艦船渦流磁場的幾個問題[M]. 海軍工程學院, 1983.