周煒昶，郭成豹

海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430033

0 引 言

對(duì)船舶進(jìn)行退磁最常用的技術(shù)措施是采用螺線管形式的多匝工作線圈，采用外部電源供電，被退磁船舶放置在線圈內(nèi)部［1-5］。一個(gè)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工作線圈，構(gòu)成一個(gè)螺線管，其長(zhǎng)度超過(guò)被退磁船舶。這種形式的工作線圈需要非常大的投資，需安裝大量的工作電纜，并且難以適用于大型水面船舶。另一種典型的例子是消磁船或臨時(shí)繞纜式固定退磁設(shè)施，即臨時(shí)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(dòng)，退磁速度很慢，容易損壞退磁電纜，使得船舶無(wú)法機(jī)動(dòng)，特別是對(duì)某些水下船舶，退磁結(jié)果難以滿足技術(shù)要求。這種退磁方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，即便是對(duì)小噸位船舶退磁，每艘也要花費(fèi)至少2～3天時(shí)間，且由于退磁時(shí)船舶被電纜捆綁，在緊急情況下難于機(jī)動(dòng)，十分危險(xiǎn)［6-7］。在和平時(shí)期，這一矛盾還不突出，但在戰(zhàn)時(shí)將面臨短時(shí)期內(nèi)對(duì)大量船舶進(jìn)行退磁的嚴(yán)峻局面。因此，從技術(shù)方面研究新的退磁方法，縮短船舶退磁時(shí)間是解決問(wèn)題的途徑之一。

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、海底水平線圈退磁設(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(chǎng)垂向作用在船體上，難以實(shí)現(xiàn)有效的退磁，并且不能在船舶整個(gè)長(zhǎng)度上產(chǎn)生均勻的工作磁場(chǎng)，補(bǔ)償線圈調(diào)整復(fù)雜，難以達(dá)到非常高的退磁質(zhì)量［7］。不過(guò)海底水平線圈退磁設(shè)施依然具有獨(dú)特的吸引力，因?yàn)檫@種退磁設(shè)施的線圈完全水平敷設(shè)在海底，不需要建設(shè)專門(mén)的退磁碼頭；被退磁船舶可以較為自由地航行通過(guò)實(shí)現(xiàn)退磁，被退磁船舶機(jī)動(dòng)性好，理論上具有最高的退磁速度，可以大幅縮短船舶退磁時(shí)間，提高退磁保障能力；此外，適用對(duì)象廣泛，包括各種尺度的水上和水下船舶，尤其是戰(zhàn)時(shí)臨時(shí)征用的各種大型民用船舶。

為了實(shí)現(xiàn)船舶方便和快速地退磁，本文將借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)通過(guò)式消磁站線圈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。George等［7-8］研究表明通過(guò)式消磁具有一定的消磁效果且消磁速度快，但通過(guò)式消磁的消磁效果會(huì)受航向、航速和航跡等因素的影響，消磁效果有時(shí)無(wú)法保證；郭成豹等［9］提出了一種環(huán)形線圈退磁設(shè)施的新技術(shù)方法，該方法表明環(huán)形線圈退磁的速度非?？?，退磁電流容易調(diào)節(jié)，退磁效果好，建設(shè)費(fèi)用低，可大幅縮短船舶的退磁時(shí)間，具有重要的軍事意義和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但環(huán)形線圈的建設(shè)難度和建造成本較水平線圈大，且該研究沒(méi)有對(duì)補(bǔ)償線圈的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行深入研究。因此，本文將提出一種通過(guò)式消磁站的線圈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案——海底水平線圈退磁設(shè)施，將借助數(shù)值仿真手段，對(duì)通過(guò)式消磁站的線圈系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，包括垂向補(bǔ)償線圈、橫向補(bǔ)償線圈和垂向工作線圈，以使被退磁船舶既能補(bǔ)償所受到的地磁場(chǎng)作用，還能產(chǎn)生足夠幅值的交變磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)船舶的退磁。

1 通過(guò)式消磁站的工作原理

通過(guò)式消磁站主要由4部分組成：消磁線圈、測(cè)磁設(shè)備、消磁電源和控制設(shè)備。消磁線圈敷設(shè)在海底，其中，垂向工作線圈產(chǎn)生幅值不衰減的極低頻交變脈沖磁場(chǎng)，垂向補(bǔ)償線圈產(chǎn)生補(bǔ)償?shù)卮艌?chǎng)垂直分量的直流磁場(chǎng)，橫向補(bǔ)償線圈產(chǎn)生補(bǔ)償?shù)卮艌?chǎng)水平分量的直流磁場(chǎng)。磁傳感器陣列布置在海底，用來(lái)測(cè)量船舶的磁場(chǎng)特征。消磁電源和控制設(shè)備布置在岸上，其中消磁電源為消磁線圈供電，控制設(shè)備控制整個(gè)消磁站的運(yùn)行。

通過(guò)式消磁站一般按照磁東西方向布置，被消磁船舶以低速、固定航向和航跡從消磁線圈上方勻速通過(guò)（圖1）。當(dāng)船舶在工作線圈正上方時(shí)，船舶受到的脈沖磁場(chǎng)作用最大。在船舶駛離工作線圈的過(guò)程中，船舶受到的脈沖磁場(chǎng)作用逐漸減小（圖2）。這樣，被消磁船舶的每一段都會(huì)受到一個(gè)幅值逐漸衰減的極低頻交變脈沖磁場(chǎng)的作用，船舶的固定磁性因此得到消除［10］?？傊?，通過(guò)式消磁站的工作原理與傳統(tǒng)消磁站的物理機(jī)理類似，都是采用補(bǔ)償線圈來(lái)將被消磁船舶所處空間處的地磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)窒麨榱?，然后采用工作線圈對(duì)船體施加一個(gè)幅值逐步衰減、方向正負(fù)交替變化的工作磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)被消磁船舶的無(wú)磁滯退磁。

圖1 通過(guò)式消磁站的工作原理Fig.1 The principle of the overrun deperming station

圖2 工作線圈磁場(chǎng)分布Fig.2 Distribution of the magnetic fields from the working coils

2 消磁線圈布局

設(shè)某海域海底水深-15 m，航道中有50 m的寬度范圍，水深-20 m（圖3）。船舶航行軌跡為磁東西方向，線圈展布范圍為磁東西方向300 m，磁南北方向150 m（圖4）。定義坐標(biāo)原點(diǎn)為線圈中心在水面上的投影點(diǎn)。消磁線圈包括垂向補(bǔ)償線圈Z、橫向補(bǔ)償線圈Y、垂向工作線圈G，均沿著海底地形敷設(shè)，相對(duì)于航跡線和坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)稱布置（圖5）。

圖3 場(chǎng)地地形示意圖Fig.3 Drawing of site terrain

圖4 線圈系統(tǒng)俯視示意圖Fig.4 Top view of the coil system

圖5 線圈系統(tǒng)橫截面示意圖Fig.5 Cross-section of the coil system

如圖5所示，垂向補(bǔ)償線圈含Z1和Z2共2個(gè)線圈，深度均為-15 m；線圈Z1長(zhǎng)300 m，寬150 m；線圈Z2長(zhǎng)240 m，寬90 m。橫向補(bǔ)償線圈含Y1～Y8共8個(gè)線圈，長(zhǎng)度均為240 m；Y1，Y8的寬度為30 m，深度-15 m，對(duì)稱敷設(shè)；Y2，Y7的寬度為50 m，外側(cè)支線深度-15 m，內(nèi)側(cè)支線深度-20 m，對(duì)稱敷設(shè)；Y3，Y6的寬度為60 m，外側(cè)支線深度-15 m，內(nèi)側(cè)支線深度-20 m，對(duì)稱敷設(shè)；Y4，Y5的寬度為70 m，外側(cè)支線深度-15 m，內(nèi)側(cè)支線深度-20 m，對(duì)稱敷設(shè)。垂向工作線圈G長(zhǎng)30 m、寬70 m，相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)稱敷設(shè)。

3 消磁線圈磁場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)Biot-Savart定律，建立通過(guò)式消磁站的線圈系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，具體實(shí)施工作采用船舶磁場(chǎng)仿真分析軟件MagShip完成［11-13］，包括垂向補(bǔ)償線圈、橫向補(bǔ)償線圈和工作線圈，并分別分析在船舶船體受到消磁磁場(chǎng)作用的評(píng)估線和評(píng)估面上產(chǎn)生的補(bǔ)償磁場(chǎng)和工作磁場(chǎng)。

如圖6所示，定義2個(gè)線圈磁場(chǎng)評(píng)估面（坐標(biāo)點(diǎn)單位：m）：坐標(biāo)點(diǎn)（0，-15，-9），（0，15，-9），（0，15，9），（0，-15，9）這4個(gè)角點(diǎn)圍成的長(zhǎng)方形（評(píng)估面1）；坐標(biāo)點(diǎn)（-50，-15，0），（-50，15，0），（50，15，0），（50，-15，0）這4個(gè)角點(diǎn)圍成的長(zhǎng)方形（評(píng)估面 2）。

定義線圈電流方向?yàn)椋簭母┮晥D上看，線圈電流逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)。

圖6 評(píng)估面的定義Fig.6 Definition of evaluation surfaces

3.1 垂向補(bǔ)償線圈磁場(chǎng)仿真

垂向補(bǔ)償線圈的作用是補(bǔ)償?shù)卮艌?chǎng)的垂向分量，考慮到需要保留一定的余量，垂向補(bǔ)償線圈應(yīng)能產(chǎn)生約80 A/m的垂向磁場(chǎng)。為了在考核平面上產(chǎn)生較為均勻的垂向磁場(chǎng)，需設(shè)線圈Z1的安匝量為+29 700 AT，線圈Z2的安匝量為-8 100 AT。計(jì)算得到評(píng)估面1和評(píng)估面2上的磁場(chǎng)分布分別如圖7、圖8所示。

從圖中可以看出，垂向補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在評(píng)估面1上幅值可達(dá)80 A/m，均勻度約95%；在評(píng)估面2上磁場(chǎng)幅值和均勻度均較好?？梢?jiàn)，所設(shè)計(jì)的垂向補(bǔ)償線圈可以滿足船舶消磁需要。

圖7 評(píng)估面1上的垂向補(bǔ)償線圈磁場(chǎng)分布Fig.7 The magnetic field distributions of vertical compensation coils on the evaluation surface 1

圖8 評(píng)估面2上的垂向補(bǔ)償線圈磁場(chǎng)分布Fig.8 The magnetic field distributions of vertical compensation coils on the evaluation surface 2

3.2 橫向補(bǔ)償線圈磁場(chǎng)仿真

橫向補(bǔ)償線圈的作用是補(bǔ)償?shù)卮艌?chǎng)的水平分量，考慮到需要保留一定的余量，橫向補(bǔ)償線圈應(yīng)能產(chǎn)生約40 A/m的水平磁場(chǎng)。為了在評(píng)估面上產(chǎn)生較為均勻的橫向磁場(chǎng)，需設(shè)線圈Y1和Y8的安匝量分別為+12 500和-12 500 AT，線圈Y2～Y4的安匝量為820 AT，Y5～Y7的安匝量為-820 AT。計(jì)算得到評(píng)估面1和評(píng)估面2上的磁場(chǎng)分布分別如圖9、圖10所示。

圖9 評(píng)估面1上的橫向補(bǔ)償線圈磁場(chǎng)分布Fig.9 The magnetic field distributions of transverse compensation coils on the evaluation surface 1

圖10 評(píng)估面2上的橫向補(bǔ)償線圈磁場(chǎng)分布Fig.10 The magnetic field distributions of transverse compensation coils on the evaluation surface 2

從圖中可以看出，橫向補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在評(píng)估面1上幅值可達(dá)40 A/m，均勻度約95%；在評(píng)估面2上磁場(chǎng)幅值和均勻度均較好?？梢?jiàn)，所設(shè)計(jì)的橫向補(bǔ)償線圈可以滿足船舶消磁需要。

3.3 工作線圈磁場(chǎng)仿真

工作線圈的作用是在船舶上施加一個(gè)強(qiáng)交變磁場(chǎng)，使其反復(fù)作用于船舶內(nèi)部的磁疇上，最終打亂磁疇的定向排列規(guī)律，實(shí)現(xiàn)各向同性的重新排列，宏觀上對(duì)外不顯磁場(chǎng)。在綜合消磁中，工作線圈電流是正負(fù)交替且逐漸衰減的，其目的是產(chǎn)生一個(gè)幅值逐步衰減的極低頻交變脈沖磁場(chǎng)。這樣，被消磁船舶的每一段船體都會(huì)受到幅值逐步衰減至零的極低頻退磁磁場(chǎng)的作用，其固定磁性從而得到消除。但通過(guò)式消磁的工作線圈所產(chǎn)生的是幅值不衰減的極低頻交變脈沖磁場(chǎng)，這是由于通過(guò)式消磁中船舶和工作線圈的距離是改變的，因此船舶所受磁場(chǎng)也是改變的。當(dāng)船舶位于工作線圈正上方時(shí)，所受磁場(chǎng)數(shù)值最大；當(dāng)駛離消磁區(qū)域時(shí)，所受磁場(chǎng)就和綜合消磁中一樣，是正負(fù)交替且逐漸衰減的。

工作線圈應(yīng)能在評(píng)估面區(qū)域產(chǎn)生2 000 A/m以上的磁場(chǎng)，滿足通過(guò)式消磁對(duì)工作線圈磁場(chǎng)的要求。設(shè)垂向工作線圈G的安匝量為300×103AT。計(jì)算得到評(píng)估面1和評(píng)估面2上的磁場(chǎng)分布分別如圖11、圖12所示。從圖中可以看出，垂向工作線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在評(píng)估面1和評(píng)估面2上幅值均超過(guò)2 000 A/m，均勻度較好?？梢?jiàn)，所設(shè)計(jì)的工作線圈可以滿足船舶消磁的需要。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)式消磁站將所有的消磁線圈都敷設(shè)在海底，無(wú)需臨時(shí)纏繞線圈，也不需要被消磁船舶固定不動(dòng)，而是從消磁線圈上方航行通過(guò)即可實(shí)現(xiàn)消磁。因此，通過(guò)式消磁的消磁勤務(wù)工作量較小，消磁速度大大提高。同時(shí)，還提高了船舶在消磁過(guò)程中的機(jī)動(dòng)性，非常適合戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急消磁。本文提出了一種通過(guò)式消磁站線圈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)仿真模型，包括工作線圈、垂向補(bǔ)償線圈、橫向補(bǔ)償線圈，分別分析了在典型評(píng)估面上所產(chǎn)生的補(bǔ)償磁場(chǎng)和工作磁場(chǎng)。數(shù)值仿真結(jié)果表明，所提出的消磁線圈設(shè)計(jì)方案不但能較好地補(bǔ)償磁場(chǎng)，而且能產(chǎn)生足夠幅值的交變磁場(chǎng)。研究結(jié)果對(duì)通過(guò)式消磁站的線圈系統(tǒng)的進(jìn)一步研究工作和工程設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

圖11 評(píng)估面1上的垂向工作線圈磁場(chǎng)分布Fig.11 The magnetic field distributions of vertical working coils on the evaluation surface 1

圖12 評(píng)估面2上的垂向工作線圈磁場(chǎng)分布Fig.12 The magnetic field distributions of vertical working coils on the evaluation surface 2