Magnetic design and testing of demagnetization facility with ring-shaped coil

郭成豹,周炜昶 430033海军工程大学 电气工程学院,武汉

Chinese Journal of Ship Research - - CONTENTS -

摘 要:[目的]为实现船舶快速和高质量退磁,提出一种环形线圈退磁设施的新技术方法。[方法]首先,研究环形线圈退磁设施的电磁设计,确定其基本结构,完成理论分析、模拟仿真和电磁计算;然后,分别在南北航向和东西航向构建环形退磁线圈退磁设施的缩比物理模型,依次对两型水面船舶模型和两型水下船舶模型进行退磁试验;最后,对环形工作线圈退磁设施的实船退磁可行性进行分析。[结果]理论分析和船模试验结果表明,环形工作线圈退磁设施在东西航向的退磁效果比在南北航向的退磁更具优势,退磁电流容易调节,退磁效果好,速度非常快,且具有建设费用低的优点,[结论]特别适用于水下船舶退磁工作。关键词:电磁学;船舶磁场;退磁;环形工作线圈;船模试验中图分类号:U665.18 文献标志码:A DOI:10. 19693/j.issn.1673-3185. 01043

Magnetic design and testing of demagnetization facility with ring-shaped coil GUO Chengbao,ZHOU Weichang College of Electrical Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China

Abstract:[Objectives] In order to achieve the fast and high quality demagnetization of ships,a new demagnetization technique adopting a ring-shaped working coil is proposed. [Methods] First, the electromagnetic design of the demagnetization facility with a ring-shaped working coil is studied comprehensively, including the main framework, theoretical analysis, simulation and calculation of electromagnetic data. Next, in the north-south direction and east-west direction, a model of the demagnetization facility with a ring-shaped working coil is constructed and demagnetization tests carried out on models of two types of surface ship and two types of underwater ship. Finally,the feasibility of the demagnetization facility with a ring-shaped working coil is analyzed.[Results] The theoretical analysis and ship model test results show that the demagnetization facility with a ring-shaped working coil has advantages in the east-west direction because of the easily adjusted demagnetization currents,good demagnetization results, very fast demagnetization speed and low construction cost advantage. [Conclusions] The results of this paper show that this proposal is especially suitable for the demagnetization of underwater ships.

Key words:electromagnetism;ship magnetic fields;demagnetization;ring-shaped working coil;ship

model experiments

0引言

船舶退磁设施广泛采用临时线圈退磁,退磁 时要在被退磁船外捆绑大量的退磁电缆,特别费时费力。即便是对小吨位船舶退磁,每艘船也需2~3要花费 天的时间,且由于退磁时船舶被电缆

捆绑,在非常情况下难于机动,十分危险[1-2]。在和平时期,这一矛盾并不显得突出,但在战时将面临短时期内对大量船舶退磁的严峻局面。因此,从技术方面研究新的退磁方法,缩短单舰退磁时间是解决问题的途径之一。对船舶进行退磁应用最广的技术措施是螺线管形式的多匝工作线圈,采用外部电源供电,被退磁船舶被放置在线圈内部[3-8]。一种典型的例子是水下船舶退磁设施,即在退磁设施码头上安装框架式的工作线圈,构成一个螺线管,其长度稍微超过被退磁船舶。这种形式的工作线圈需要非常大的投资,安装大量的工作电缆。另一种典型的例子是消磁船或临时绕缆式固定退磁设施,即临时在船舶外部缠绕工作线圈进行磁性处理。这种方式需要大量的人力劳动,退磁速度慢,容易损坏退磁电缆,船舶无法机动,并且退磁效果较差,特别是对于某些水下船舶,退磁结果难以满足技术要求。还有一种应用较广的工作线圈形式是垂向工作线圈,包括鞍形线圈退磁设施、海底线圈退磁设施以及码头固定线圈退磁设施。这种工作线圈所产生的磁场垂向作用在船体上,难以实现有效的退磁,并且不能在船舶整个长度上产生均匀的工作磁场,补偿线圈调整复杂,难以达到高质果[9-10]。量的退磁效本文将通过对退磁理论和试验的研究,提出一种船舶快速退磁方法——环形工作线圈退磁设施,既可以大幅提高船舶退磁速度,还可以确保高质量的退磁效果,并降低日常维护费用,特别适合于水下船舶和中小型船舶退磁。

1 环形工作线圈退磁设施设计方案

设计一种环形工作线圈退磁设施,其总体方1案如图 所示。在磁东西方向上,设置环形工作2线圈(图 ),船舶在中间通过时可以进行退磁。在退磁时,为了抵消地磁场在环形工作线圈两侧的海底敷设了横向补偿线圈,用于补偿地磁场的水平分量;在环形工作线圈的正下方敷设了水平补偿线圈,用于补偿地磁场的垂向分量;在与环形工作线圈相同的安装位置上敷设了纵向环形补偿线圈,用于调节船舶磁场的纵向分量。为了检测退磁前和退磁后船舶的磁性状况,在海底敷设了测磁阵列。在陆地上,设有磁性测量装置、电源装置以及电流控制装置。当被消磁船按照规定航迹在环形工作线圈中间通过时,该线圈通加正负交替、幅值不变的电流,利用船舶航行时远离线圈而达到作用在船舶上的磁场逐渐衰减的目的。 本文所提出的环形工作线圈产生的是纵向工作磁场,退磁能力强,并且在船舶穿过环形工作线圈的过程中,船舶每个部分都经历了非常均衡可靠的工作磁场作用,因而可以达到非常好的退磁3效果。由于具有 套补偿线圈,能够产生纵向X、3横向Y和垂向Z 个方向的补偿磁场,因此补偿线圈的调节十分灵活,容易快速地实现高质量退磁。环形工作线圈退磁设施的优点是被退磁船舶机动性好、退磁速度非常快、退磁电流容易调节、效果好且建设费用低。

2 船模退磁试验研究

2船模试验分为 种情况:东西航向和南北航2向,对比这 种情形下船模退磁质量的高低,选择最优化的退磁设施设计方案。

2.1 试验装置——环形工作线圈退磁设施物理模型

1)东西航向退磁设施物理模型。3~图5东西航向退磁设施物理模型结构如图3所示,包括工作线圈和垂向、横向、纵向 种补偿1线圈,具体参数如表 所示。2)南北航向退磁设施物理模型。6~图8南北航向退磁设施物理模型结构如图2所示,包括工作线圈和垂向、纵向 种补偿线圈, 2具体参数如表 所示。

1m估线上纵向 长的范围内,工作磁场纵向分量3 300 A/m峰值约为 ;当纵向补偿线圈安匝量为38 AT 1m时,在评估线上纵向 长的范围内,纵向40 A/m;当横向补偿线补偿磁场纵向分量值约为28 AT、小圈安匝量为280 AT圈大圈安匝量为 时, 1.5 m在评估线上纵向 长的范围内,横向补偿磁场40 A/m;当垂向补偿线圈安匝量横向分量值约为127 AT 8m为 时,在评估线上纵向 长的范围内,垂40 A/m。向补偿磁场垂向分量值约为南北航向退磁设施物理模型磁场模拟仿真如10 0.5 m图 所示,定义距离线圈底部 高度(大约是船模的水线位置)的船模运动路径为线圈磁场评估线。 6 7线圈仿真尺寸如图 和图 所示。其中,当3 182 AT环形工作线圈峰值安匝量约为 时,在距0.5 m离线圈底部 高度(大约是船模的水线位置) 1m的船模运动路径上纵向 长范围内,工作磁场3 300 A/m;当纵向补偿线圈安纵向分量峰值约为38 AT 0.5 m匝量为 时,在距离线圈底部 高度的船1m模运动路径上纵向 长范围内,纵向补偿磁场40 A/m;当垂向补偿线圈安匝量纵向分量值约为127 AT 0.5 m为 时,在距离线圈底部 高度的船模8m运动路径上纵向 长范围内,垂向补偿磁场垂40 A/m。向分量值约为

2.3 船模退磁试验

4种船模试验分别在水面船舶、水下船舶等2磁性船模上进行,包括南北航向、东西航向 种状态。

2.3.1 水面船舶1的船模试验

1)船模参数:长度4.20 m,宽度0.43 m。2)退磁试验过程及试验结果。(1 )东西航向退磁试验。东西航向退磁时, 30A 0A,工作线圈电流 ;纵向补偿线圈电流-10 A横向补偿线圈电流 ,垂向补偿线圈电流-15.5 A。原始磁场最小值5,最大值39;退磁结果最小值-2,最大值3。(2 )南北航向退磁试验。南北航向退磁时, 30A 4.5 A,垂工作线圈电流 ;纵向补偿线圈电流向补偿线圈电流-15 A。原始磁场最小值-70,最 100;退磁结果最小值-9,最大值14。大值(3 )试验结果分析。东西航向退磁时,补偿电流容易调节,通电次数少,且可以达到要求,能达到非常好的退磁效果。南北航向退磁时,补偿电流难以调节,通电次数多,且最终无法达到要求,退磁效果较差。

2.3.2 水面船舶2的船模试验

1)船模参数:长度4.86 m,宽度0.53 m。2)退磁试验过程及试验结果。(1 )东西航向退磁试验。东西航向退磁时, 30A 0A工作线圈电流 ;纵向补偿线圈电流 ,横向0A ,垂向补偿线圈电流-20 A。原补偿线圈电流 -12 52始磁场最小值 ,最大值 ;退磁结果最小值-5,最大值4。(2 )南北航向退磁试验。南北航向退磁时, 30A 6.5 A工作线圈电流 ;纵向补偿线圈电流 ,垂向补偿线圈电流-15 A。原始磁场最小值-21,最94;退磁结果最小值-4,最大值20。大值 3 ( )试验结果分析。东西航向退磁时,补偿电流容易调节,通电次数少,且可以达到非常好的退磁效果。南北航向退磁时,补偿电流难以调节,通电次数多,且最终无法达到要求,退磁效果较差。

2.3.3 水下船舶1的船模试验

1)船模参数:长度3.09 m,宽度0.30 m。2)退磁试验过程及试验结果。(1 )东西航向退磁试验。东西航向退磁时, 30A ;纵向补偿线圈-0.8 A,横向补工作线圈电流偿线圈电流-10 A,垂 流-19 A。原向补偿线圈电-40 89始磁场最小值 ,最大值 ;退磁结果最小值-5,最大值3。(2 )南北航向退磁试验。南北航向退磁时, 30A 6.5 A,垂工作线圈电流 ;纵向补偿线圈电流向补偿线圈电流-15 A。原始磁场最小值-26,最10;退磁结果最小值-9,最大值9。大值(3 )试验结果分析。东西航向退磁时,补偿电流容易调节,通电次数少,且可以达到非常好的退磁效果。南北航向退磁时,补偿电流难以调节,通电次数多,且最终无法达到要求,退磁效果较差。

2.3.4 水下船舶2的船模试验

1)船模参数:长度3.06 m,宽度0.31 m。2)退磁试验过程及试验结果。(1 )东西航向退磁试验。东西航向退磁时, 30A ;纵向补偿线圈-2.1 A,横向补工作线圈电流偿线圈电流-20 A,垂 流-18 A。原向补偿线圈电始磁场最小值-8,最大值72;退磁结果最小值-3,

4。最大值(2 )南北航向退磁试验。南北航向退磁时, 30A 5.5 A,垂工作线圈电流 ;纵向补偿线圈电流-17.5 A。原始磁场最小值-40,向补偿线圈电流25;退磁结果最小值-3,最大值3。最大值(3 )试验结果分析。东西航向退磁时,补偿电流容易调节,通电次数少,且可以达到要求,能达到非常好的退磁效果。南北航向退磁时,补偿电流较难调节,通电次数多,但最终可以达到要求。

3 实船退磁可行性分析

上述退磁设施物理模型的线圈布置基本是按1/30照实际退磁设施尺寸的 布置的,因此可以按照这个比例进行放大,设计相应的实际退磁设施。

3.1 工作线圈布置

在上述物理模型试验中,工作线圈电流达到30A 4时,可以对 种船模进行效果良好的退磁,工作线圈电流小于此数值则会给退磁造成困难。考75虑到工作线圈匝数为 匝,并且由于工作电流为50 Hz的交流电,其峰值是有效值的 2 倍,那么30× ×75=3 182 AT。工作线圈的峰值安匝量为 2 0.5 m在距离线圈底部 高度(大约是船模的水线位1m置)的船模运动路径上纵向 长范围内,工作磁3 300 A/m。在实际的退磁设场纵向分量峰值为施建设中,工作线圈在规定位置(船舶水线位置) 3 300 A/m。处产生的工作磁场峰值也应不低于在实际退磁设施设计中,最大的被退磁目标20m船舶可以考虑为船宽约 ,桅杆距离海面的高30m度约 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),考虑潮差涨落的因素,可以将环形工作线圈在海面以上35m的高度设计为 ,在海面以下的深度设计为

2.3.5 船模退磁试验结果分析

3船模退磁的试验结果如表 所示。从表中可4以看出,在东西航向,种船模都可以以较少的通电次数达到合格要求;而在南北航向,通电次数较多,3种船模均无法达到要求,1种船模经过多次调整可以达到要求。可见,在东西航向退磁比在

南北航向退磁具有优势,环形工作线圈退磁设施应选择在东西航向进行退磁。 10m 30m 11 ,工作线圈的宽度可以设计为 ,如图所示。 1∶30如果按照 的比例对物理模型进行放大设30×3 182=95 460 AT。计时,则工作线圈的安匝量为若按照海平面位置处进行设计,当工作线圈132 000 AT 3 300 A/m的安匝量为 时可以达到 的磁场要求。在海平面位置处,在工作线圈中间位30m置的纵向 长路径上,工作磁场的纵向分量峰3 300 A/m。值约 2综合上述 种情况,可以考虑将工作线圈安100 000 AT。匝量取为

3.2 补偿线圈布置

3根据表 可知,在东西航向,纵向补偿线圈最2.1 A,则 2.1×10=21 AT;横大电流为 其安匝量为20A向补偿线圈最大电流为 ,则其安匝量为大圈20×3=60 AT,小圈 20×30=600 AT;垂向补偿线圈20A 20×10=200 AT。最大电流值 ,则其安匝量为30,就可以得到实际将上述安匝量乘以比例系数 4退磁设施所需要的安匝量,如表 所示。

3.3 退磁工艺

12工作电流的波形如图 所示,采用通用的整流退磁电源供电。

3.4 电缆和电源参数的选择

5所示。实际退磁设施总的电缆和电源需求如表

3.5 实际退磁设施总体布置和使用方法

4实际退磁设施中,主要包括 个主要组成部分:线圈系统、电源系统、测磁系统和控制系统。13如图 所示,岸上布置了电源室和控制室,海中布置了线圈系统和测磁阵列。进行船舶退磁时,被退磁船舶按照规定的航迹航行穿过环形工作线圈进行磁性处理,然后从测磁阵列上方通过,检测其磁场特征。如果没有达到合格指标,则调整补偿电流,被退磁船舶再次航行穿过环形工作线圈进行磁性处理,直到合格为止。一般情况下,被退磁船舶穿过环形工作线圈3~ 5kn时,应保持在 的航速匀速通过。首次退磁10~16的船舶, 个航次就可处理到合格,退磁速4h/ 5~8度可以达到 艘;非首次退磁船舶 个航次2h/就可以达到合格要求,退磁速度可以达到 艘。

4结语

环形工作线圈退磁设施应选择在东西航向进行退磁,因为在东西航向退磁比在南北航向退磁具有优势。环形工作线圈退磁设施的优点是被退磁船舶机动性好,退磁速度非常快,退磁电流容易调节,退磁效果好,建设费用低,可以大幅度地缩短船舶退磁时间,具有重要的军事意义和显著的经济效益。

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图2 环形工作线圈Fig.2 The ring shaped working coil

10图 评估线的定义(南北航向) Fig.10 Definition of evaluation line(north-south direction)

11图 退磁设施工作线圈布置Fig.11 The working coils of the deperming station

13图 实际退磁设施的布置图Fig.13 The arrangement plan of the deperming station

12图 工作电流波形Fig.12 The waveforms of the working current

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