郭成豹，周煒昶

海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033

0 引 言

船舶退磁設(shè)施廣泛采用臨時線圈退磁，退磁時要在被退磁船外捆綁大量的退磁電纜，特別費(fèi)時費(fèi)力。即便是對小噸位船舶退磁，每艘船也需要花費(fèi)2～3天的時間，且由于退磁時船舶被電纜捆綁，在非常情況下難于機(jī)動，十分危險［1-2］。在和平時期，這一矛盾并不顯得突出，但在戰(zhàn)時將面臨短時期內(nèi)對大量船舶退磁的嚴(yán)峻局面。因此，從技術(shù)方面研究新的退磁方法，縮短單艦退磁時間是解決問題的途徑之一。

對船舶進(jìn)行退磁應(yīng)用最廣的技術(shù)措施是螺線管形式的多匝工作線圈，采用外部電源供電，被退磁船舶被放置在線圈內(nèi)部［3-8］。一種典型的例子是水下船舶退磁設(shè)施，即在退磁設(shè)施碼頭上安裝框架式的工作線圈，構(gòu)成一個螺線管，其長度稍微超過被退磁船舶。這種形式的工作線圈需要非常大的投資，安裝大量的工作電纜。另一種典型的例子是消磁船或臨時繞纜式固定退磁設(shè)施，即臨時在船舶外部纏繞工作線圈進(jìn)行磁性處理。這種方式需要大量的人力勞動，退磁速度慢，容易損壞退磁電纜，船舶無法機(jī)動，并且退磁效果較差，特別是對于某些水下船舶，退磁結(jié)果難以滿足技術(shù)要求。還有一種應(yīng)用較廣的工作線圈形式是垂向工作線圈，包括鞍形線圈退磁設(shè)施、海底線圈退磁設(shè)施以及碼頭固定線圈退磁設(shè)施。這種工作線圈所產(chǎn)生的磁場垂向作用在船體上，難以實現(xiàn)有效的退磁，并且不能在船舶整個長度上產(chǎn)生均勻的工作磁場，補(bǔ)償線圈調(diào)整復(fù)雜，難以達(dá)到高質(zhì)量的退磁效果［9-10］。

本文將通過對退磁理論和試驗的研究，提出一種船舶快速退磁方法——環(huán)形工作線圈退磁設(shè)施，既可以大幅提高船舶退磁速度，還可以確保高質(zhì)量的退磁效果，并降低日常維護(hù)費(fèi)用，特別適合于水下船舶和中小型船舶退磁。

1 環(huán)形工作線圈退磁設(shè)施設(shè)計方案

設(shè)計一種環(huán)形工作線圈退磁設(shè)施，其總體方案如圖1所示。在磁東西方向上，設(shè)置環(huán)形工作線圈（圖2），船舶在中間通過時可以進(jìn)行退磁。在退磁時，為了抵消地磁場在環(huán)形工作線圈兩側(cè)的海底敷設(shè)了橫向補(bǔ)償線圈，用于補(bǔ)償?shù)卮艌龅乃椒至?；在環(huán)形工作線圈的正下方敷設(shè)了水平補(bǔ)償線圈，用于補(bǔ)償?shù)卮艌龅拇瓜蚍至?；在與環(huán)形工作線圈相同的安裝位置上敷設(shè)了縱向環(huán)形補(bǔ)償線圈，用于調(diào)節(jié)船舶磁場的縱向分量。為了檢測退磁前和退磁后船舶的磁性狀況，在海底敷設(shè)了測磁陣列。在陸地上，設(shè)有磁性測量裝置、電源裝置以及電流控制裝置。當(dāng)被消磁船按照規(guī)定航跡在環(huán)形工作線圈中間通過時，該線圈通加正負(fù)交替、幅值不變的電流，利用船舶航行時遠(yuǎn)離線圈而達(dá)到作用在船舶上的磁場逐漸衰減的目的。

本文所提出的環(huán)形工作線圈產(chǎn)生的是縱向工作磁場，退磁能力強(qiáng)，并且在船舶穿過環(huán)形工作線圈的過程中，船舶每個部分都經(jīng)歷了非常均衡可靠的工作磁場作用，因而可以達(dá)到非常好的退磁效果。由于具有3套補(bǔ)償線圈，能夠產(chǎn)生縱向X、橫向Y和垂向Z3個方向的補(bǔ)償磁場，因此補(bǔ)償線圈的調(diào)節(jié)十分靈活，容易快速地實現(xiàn)高質(zhì)量退磁。

環(huán)形工作線圈退磁設(shè)施的優(yōu)點是被退磁船舶機(jī)動性好、退磁速度非?？?、退磁電流容易調(diào)節(jié)、效果好且建設(shè)費(fèi)用低。

2 船模退磁試驗研究

船模試驗分為2種情況：東西航向和南北航向，對比這2種情形下船模退磁質(zhì)量的高低，選擇最優(yōu)化的退磁設(shè)施設(shè)計方案。

2.1 試驗裝置——環(huán)形工作線圈退磁設(shè)施物理模型

1）東西航向退磁設(shè)施物理模型。

東西航向退磁設(shè)施物理模型結(jié)構(gòu)如圖3～圖5所示，包括工作線圈和垂向、橫向、縱向3種補(bǔ)償線圈，具體參數(shù)如表1所示。

2）南北航向退磁設(shè)施物理模型。

南北航向退磁設(shè)施物理模型結(jié)構(gòu)如圖6～圖8所示，包括工作線圈和垂向、縱向2種補(bǔ)償線圈，具體參數(shù)如表2所示。

表1 東西航向退磁設(shè)施物理模型線圈參數(shù)Table 1 The coil parameters of the physical model of the deperming station in west-east direction

表2 南北航向退磁設(shè)施物理模型線圈參數(shù)Table 2 The coil parameters of the physical model of the deperming station in north-south direction

2.2 環(huán)形退磁線圈磁場模擬仿真

東西航向退磁設(shè)施物理模型磁場模擬仿真如圖9所示，定義距離線圈底部0.5 m高度（大約是船模的水線位置）的船模運(yùn)動路徑為線圈磁場評估線。

線圈仿真尺寸如圖3和圖4所示。其中，當(dāng)環(huán)形工作線圈峰值安匝量約為3 182 AT時，在評估線上縱向1 m長的范圍內(nèi)，工作磁場縱向分量峰值約為3 300 A/m；當(dāng)縱向補(bǔ)償線圈安匝量為38 AT時，在評估線上縱向1 m長的范圍內(nèi)，縱向補(bǔ)償磁場縱向分量值約為40 A/m；當(dāng)橫向補(bǔ)償線圈大圈安匝量為28 AT、小圈安匝量為280 AT時，在評估線上縱向1.5 m長的范圍內(nèi)，橫向補(bǔ)償磁場橫向分量值約為40 A/m；當(dāng)垂向補(bǔ)償線圈安匝量為127 AT時，在評估線上縱向8 m長的范圍內(nèi)，垂向補(bǔ)償磁場垂向分量值約為40 A/m。

南北航向退磁設(shè)施物理模型磁場模擬仿真如圖10所示，定義距離線圈底部0.5 m高度（大約是船模的水線位置）的船模運(yùn)動路徑為線圈磁場評估線。

線圈仿真尺寸如圖6和圖7所示。其中，當(dāng)環(huán)形工作線圈峰值安匝量約為3 182 AT時，在距離線圈底部0.5 m高度（大約是船模的水線位置）的船模運(yùn)動路徑上縱向1 m長范圍內(nèi)，工作磁場縱向分量峰值約為3 300 A/m；當(dāng)縱向補(bǔ)償線圈安匝量為38 AT時，在距離線圈底部0.5 m高度的船模運(yùn)動路徑上縱向1 m長范圍內(nèi)，縱向補(bǔ)償磁場縱向分量值約為40 A/m；當(dāng)垂向補(bǔ)償線圈安匝量為127 AT時，在距離線圈底部0.5 m高度的船模運(yùn)動路徑上縱向8 m長范圍內(nèi)，垂向補(bǔ)償磁場垂向分量值約為40 A/m。

2.3 船模退磁試驗

船模試驗分別在水面船舶、水下船舶等4種磁性船模上進(jìn)行，包括南北航向、東西航向2種狀態(tài)。

2.3.1 水面船舶1的船模試驗

1）船模參數(shù)：長度4.20 m，寬度0.43 m。

2）退磁試驗過程及試驗結(jié)果。

（1）東西航向退磁試驗。東西航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補(bǔ)償線圈電流0 A，橫向補(bǔ)償線圈電流-10 A，垂向補(bǔ)償線圈電流-15.5 A。原始磁場最小值5，最大值39；退磁結(jié)果最小值-2，最大值3。

（2）南北航向退磁試驗。南北航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補(bǔ)償線圈電流4.5 A，垂向補(bǔ)償線圈電流-15 A。原始磁場最小值-70，最大值100；退磁結(jié)果最小值-9，最大值14。

（3）試驗結(jié)果分析。東西航向退磁時，補(bǔ)償電流容易調(diào)節(jié)，通電次數(shù)少，且可以達(dá)到要求，能達(dá)到非常好的退磁效果。南北航向退磁時，補(bǔ)償電流難以調(diào)節(jié)，通電次數(shù)多，且最終無法達(dá)到要求，退磁效果較差。

2.3.2 水面船舶2的船模試驗

1）船模參數(shù)：長度4.86 m，寬度0.53 m。

2）退磁試驗過程及試驗結(jié)果。

（1）東西航向退磁試驗。東西航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補(bǔ)償線圈電流0 A，橫向補(bǔ)償線圈電流0 A，垂向補(bǔ)償線圈電流-20 A。原始磁場最小值-12，最大值52；退磁結(jié)果最小值-5，最大值4。

（2）南北航向退磁試驗。南北航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補(bǔ)償線圈電流6.5 A，垂向補(bǔ)償線圈電流-15 A。原始磁場最小值-21，最大值94；退磁結(jié)果最小值-4，最大值20。

（3）試驗結(jié)果分析。東西航向退磁時，補(bǔ)償電流容易調(diào)節(jié)，通電次數(shù)少，且可以達(dá)到非常好的退磁效果。南北航向退磁時，補(bǔ)償電流難以調(diào)節(jié)，通電次數(shù)多，且最終無法達(dá)到要求，退磁效果較差。

2.3.3 水下船舶1的船模試驗

1）船模參數(shù)：長度3.09 m，寬度0.30 m。

2）退磁試驗過程及試驗結(jié)果。

（1）東西航向退磁試驗。東西航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補(bǔ)償線圈-0.8 A，橫向補(bǔ)償線圈電流-10 A，垂向補(bǔ)償線圈電流-19 A。原始磁場最小值-40，最大值89；退磁結(jié)果最小值-5，最大值3。

（2）南北航向退磁試驗。南北航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補(bǔ)償線圈電流6.5 A，垂向補(bǔ)償線圈電流-15 A。原始磁場最小值-26，最大值10；退磁結(jié)果最小值-9，最大值9。

（3）試驗結(jié)果分析。東西航向退磁時，補(bǔ)償電流容易調(diào)節(jié)，通電次數(shù)少，且可以達(dá)到非常好的退磁效果。南北航向退磁時，補(bǔ)償電流難以調(diào)節(jié)，通電次數(shù)多，且最終無法達(dá)到要求，退磁效果較差。

2.3.4 水下船舶2的船模試驗

1）船模參數(shù)：長度3.06 m，寬度0.31 m。

2）退磁試驗過程及試驗結(jié)果。

（1）東西航向退磁試驗。東西航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補(bǔ)償線圈-2.1 A，橫向補(bǔ)償線圈電流-20 A，垂向補(bǔ)償線圈電流-18 A。原始磁場最小值-8，最大值72；退磁結(jié)果最小值-3，最大值4。

（2）南北航向退磁試驗。南北航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補(bǔ)償線圈電流5.5 A，垂向補(bǔ)償線圈電流-17.5 A。原始磁場最小值-40，最大值25；退磁結(jié)果最小值-3，最大值3。

（3）試驗結(jié)果分析。東西航向退磁時，補(bǔ)償電流容易調(diào)節(jié)，通電次數(shù)少，且可以達(dá)到要求，能達(dá)到非常好的退磁效果。南北航向退磁時，補(bǔ)償電流較難調(diào)節(jié)，通電次數(shù)多，但最終可以達(dá)到要求。

2.3.5 船模退磁試驗結(jié)果分析

船模退磁的試驗結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，在東西航向，4種船模都可以以較少的通電次數(shù)達(dá)到合格要求；而在南北航向，通電次數(shù)較多，3種船模均無法達(dá)到要求，1種船模經(jīng)過多次調(diào)整可以達(dá)到要求?？梢?，在東西航向退磁比在南北航向退磁具有優(yōu)勢，環(huán)形工作線圈退磁設(shè)施應(yīng)選擇在東西航向進(jìn)行退磁。

表3 船模退磁試驗結(jié)果總結(jié)Table 3 The test results of ship model deperming

3 實船退磁可行性分析

上述退磁設(shè)施物理模型的線圈布置基本是按照實際退磁設(shè)施尺寸的1/30布置的，因此可以按照這個比例進(jìn)行放大，設(shè)計相應(yīng)的實際退磁設(shè)施。

3.1 工作線圈布置

在上述物理模型試驗中，工作線圈電流達(dá)到30 A時，可以對4種船模進(jìn)行效果良好的退磁，工作線圈電流小于此數(shù)值則會給退磁造成困難?？紤]到工作線圈匝數(shù)為75匝，并且由于工作電流為50 Hz的交流電，其峰值是有效值的倍，那么工作線圈的峰值安匝量為30××75=3 182 AT。在距離線圈底部0.5 m高度（大約是船模的水線位置）的船模運(yùn)動路徑上縱向1 m長范圍內(nèi)，工作磁場縱向分量峰值為3 300 A/m。在實際的退磁設(shè)施建設(shè)中，工作線圈在規(guī)定位置（船舶水線位置）處產(chǎn)生的工作磁場峰值也應(yīng)不低于3 300 A/m。

在實際退磁設(shè)施設(shè)計中，最大的被退磁目標(biāo)船舶可以考慮為船寬約20 m，桅桿距離海面的高度約30 m的船舶（包括了大部分水面船舶、水下船舶，以及其他符合尺寸要求的船舶），考慮潮差漲落的因素，可以將環(huán)形工作線圈在海面以上的高度設(shè)計為35 m，在海面以下的深度設(shè)計為10 m，工作線圈的寬度可以設(shè)計為30 m，如圖11所示。

如果按照1∶30的比例對物理模型進(jìn)行放大設(shè)計時，則工作線圈的安匝量為30×3 182=95 460 AT。

若按照海平面位置處進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)工作線圈的安匝量為132 000 AT時可以達(dá)到3 300 A/m的磁場要求。在海平面位置處，在工作線圈中間位置的縱向30 m長路徑上，工作磁場的縱向分量峰值約3 300 A/m。

綜合上述2種情況，可以考慮將工作線圈安匝量取為100 000 AT。

3.2 補(bǔ)償線圈布置

根據(jù)表3可知，在東西航向，縱向補(bǔ)償線圈最大電流為2.1 A，則其安匝量為2.1×10=21 AT；橫向補(bǔ)償線圈最大電流為20 A，則其安匝量為大圈20×3=60 AT，小圈 20×30=600 AT；垂向補(bǔ)償線圈最大電流值20 A，則其安匝量為20×10=200 AT。將上述安匝量乘以比例系數(shù)30，就可以得到實際退磁設(shè)施所需要的安匝量，如表4所示。

表4 退磁設(shè)施補(bǔ)償線圈參數(shù)Table 4 The compesating coil parameters of the deperming station

3.3 退磁工藝

工作電流的波形如圖12所示，采用通用的整流退磁電源供電。

3.4 電纜和電源參數(shù)的選擇

實際退磁設(shè)施總的電纜和電源需求如表5所示。

表5 退磁設(shè)施線圈和電源參數(shù)Table 5 The coil and power supply parameters of the deperming station

3.5 實際退磁設(shè)施總體布置和使用方法

實際退磁設(shè)施中，主要包括4個主要組成部分：線圈系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、測磁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。如圖13所示，岸上布置了電源室和控制室，海中布置了線圈系統(tǒng)和測磁陣列。

進(jìn)行船舶退磁時，被退磁船舶按照規(guī)定的航跡航行穿過環(huán)形工作線圈進(jìn)行磁性處理，然后從測磁陣列上方通過，檢測其磁場特征。如果沒有達(dá)到合格指標(biāo)，則調(diào)整補(bǔ)償電流，被退磁船舶再次航行穿過環(huán)形工作線圈進(jìn)行磁性處理，直到合格為止。

一般情況下，被退磁船舶穿過環(huán)形工作線圈時，應(yīng)保持在3～5 kn的航速勻速通過。首次退磁的船舶，10～16個航次就可處理到合格，退磁速度可以達(dá)到4 h/艘；非首次退磁船舶5～8個航次就可以達(dá)到合格要求，退磁速度可以達(dá)到2 h/艘。

4 結(jié) 語

環(huán)形工作線圈退磁設(shè)施應(yīng)選擇在東西航向進(jìn)行退磁，因為在東西航向退磁比在南北航向退磁具有優(yōu)勢。環(huán)形工作線圈退磁設(shè)施的優(yōu)點是被退磁船舶機(jī)動性好，退磁速度非?？?，退磁電流容易調(diào)節(jié)，退磁效果好，建設(shè)費(fèi)用低，可以大幅度地縮短船舶退磁時間，具有重要的軍事意義和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。