大型舰船分区消磁理论研究.pdf

文章编号1009 - 3486200301 - 0080 - 04 大型舰船分区消磁理论研究 ① 唐申生 1 ,周耀忠 1 ,庄清华 2 1. 海军工程大学 电气工程系,湖北 武汉430033; 2.青岛基地装备部,山东 青岛266071 摘 要针对以往舰船消磁系统采用单一消磁电流回路所带来的诸多弊端,对某型舰首次提出分区消磁的思 想.在理论分析计算的基础上,进行了模型试验研究.所得有关数据和结论对于舰船消磁系统设计、 建造及调 整等都有重要的参考价值. 关键词分区消磁;区段划分;安匝计算 中图分类号 TM154.2 文献标识码 A The section degaussing theory of capital ships TANG Shen2sheng 1 , ZHOU Yao2zhong 1 , ZHUANGQing2hua 2 1.Dept. of Electrical Eng. , Naval Univ. of Engineering , Wuhan 430033 , China ; 2. Equipment Department of Qingdao Naval Base , Qingdao 266071 , China Abstract In order to overcome some shortcomings caused by the single degaussing current loop used in the existing ship degaussing system , the section degaussing theory is first presented. The model test study is made on the basis of theoretical analysis calculation. The data and conclusions have important reference values for the ship degaussing system design , building , calibration , etc. Key words section degaussing; section partition; ampere2turn calculation 1 问题的提出 现在建造的大型舰船与以往相比,不仅吨位大、 总体尺度大,而且所含铁磁物质的体积、 重量都有较 大幅度的增加,致使其磁场量值增大,分布情况更加复杂,给消磁系统的设计、 施工及调整增加了难度. 在此情况下,如果继续沿用以往中、 小型舰船消磁系统的设计方法,势必产生一系列的问题① 消磁系 统的重量增加,导致整舰排水量增加,将会影响航速指标的提高;② 由于消磁绕组线路长,在消磁系统电 源电压一定的情况下,为使绕组电流达到额定值,必须增加电缆截面,即电缆变粗.这样以来,不仅给电 缆敷设和绕组调整带来很多困难,同时由于选用粗电缆使隔墙开孔尺寸加大,对舰体结构性能造成不利 影响;③ 过长的线路会使绝缘电阻降低,而一旦出现接地往往难以查找;④ 不适应目前船体分段建造的 流行趋势.解决上述问题和矛盾的有效途径就是采用分区消磁技术方案. 2 分区消磁的技术优势 2.1 减轻消磁系统的重量 采用分区消磁,由于线路短、 电阻小,可选用较细的电缆.这不仅可提高电缆截面的利用率、 节省经 第15卷 第1期 2003年2月 海 军工程大学学报 JOURNAL OF NAVAL UNIVERSITYOF ENGINEERING Vol.15 No.1 Feb. 2003 ①收稿日期2002205214;修订日期2002206210 作者简介唐申生19602 , 男,工程师. 费,更重要的是可以减轻消磁系统的重量.以三分区方案为例,可减轻重量三分之一左右.这对于减小排 水量和提高航速意义重大. 2.2 提高消磁系统的可靠性和可维修性 由于分区消磁是每个分区各有一台专用电源供电,构成独立回路,因此当任一分区发生故障时,不 会影响其它分区.改变过去所有分量的消磁绕组都是从舰首到舰尾的单一串联回路,缩短了区段长度, 便于系统的维修,有利于提高系统的绝缘性能. 2.3 有利于系统进行安匝调整 由于各分区独立供电,故可以采取以调整绕组电流为主、 以调整区段匝数为辅的方式对消磁系统进 行安匝调整,改变以往只能采用反接绕组的方式进行跳跃式调整的做法,实现方便、 快速、 精细、 高效调 整的目标. 2.4 适应舰体分段建造的要求 当今世界,对大型舰船多采用分段建造的生产模式,这对于缩短建造周期、 降低费用、 提高质量都具 有重要意义,而分区消磁的特点正好适合于舰体分段建造的工艺要求. 3 分区消磁的理论依据 3.1 载流导线的磁场 根据静磁场理论,图1所示的载流导线在距离为r的p点处所产生的磁感应强度和磁场强度由毕 图1 电流元磁场 奥-沙伐定律确定 [1] ,分别为 dB μ0Idlr 4πr 3 1 dH Idlr 4πr 3 2 式中μ0为真空中的磁导率,在国际单位制中,μ0 4π 10 - 7 HΠm ,B的单位为T,H的单位为AΠm. 由2式,一段载流直导线在周围空间所产生的磁场强度 由下述定积公式给出 Hx0,y0,z0 I 4π∫ B A dlr r 3 I 4π∫ x2 x1 y0-yk - z0-zj [ x0-x 2 y0-y 2 z0-z 2 ] 3Π2dx I 4π∫ y2 y1 z0-zi - x0-xk [ x0-x 2 y0-y 2 z0-z 2 ] 3Π2dy I 4π∫ z2 z1 x0-xj - y0-yi [ x0-x 2 y0-y 2 z0-z 2 ] 3Π2dz 3 式中r [ x0-x 2 y0-y 2 z0-z 2 ] 1Π2为空间点 x0,y0,z0到x,y,z之间的距离.当载流直 导线与某个坐标面或坐标轴平行时,上述积分公式可得到一些简化.例如,当载流直导线与xOy面平行 时 ,3 式简化为 Hx0,y0,z0 I 4π∫ x2 x1 y0-yk r 3 dx- I 4π∫ y2 y1 x0-xk r 3 dy- I 4π z0-z [ ∫ x2 x1 jdx r 3 - ∫ y2 y1 idy r 3 ] 4 18 第1期 唐申生 等大型舰船分区消磁理论研究 当载流直导线与x轴平行时 ,3 式简化为 Hx0,y0,z0 I 4π [ y0-yk - z0-zj]∫ x2 x1 dx r 3 5 总之,只要知道载流直导线的端点坐标,就可以比较方便地计算出空间任一点的磁场. 图2 多边形载流线圈 3.2 多边形载流线圈的磁场 如图2所示,一个由若干直线段组成的多边形载流线圈回路,在空 间任一点x0,y0,z0所产生的磁场可视为每一段载流直导线在该点产 生的磁场的叠加 [2] .因此,只要应用3～5式中任一式,算出各段直导 线的磁场,然后再进行叠加,就可以得到多边形载流线圈的磁场. 3.3 舰船消磁系统绕组的磁场 舰船内无论抵消哪种磁场分量的消磁绕组均由若干安匝区段构成.任何一个安匝区段都可等效成 一个空间多边形,各个空间多边形磁场的组合就构成了绕组的磁场.分区消磁的关键是要计算出各独立 区段的磁场并将它们进行合理的组合,以便在所有测量点上都能较好地抵消舰船磁场. 4 消磁系统各区段安匝数的计算 4.1 对消磁系统磁场的要求 地磁场对舰船的磁化可分解成3个方向的磁化即纵向磁化、 横向磁化和垂向磁化.无论哪种磁化 产生的磁场,除与地磁水平分量Hd和垂向分量Zd有关外,还和舰船的航向角φ、 纵倾角α、 横摇角β 及测量点的坐标有关.在地磁纬度和上述φ、 α、 β确定时,不同测量点上的磁场仅由测量点的坐标决定. 消磁绕组的磁场在任何时刻均应与舰船磁场的分布相同. 4.2 消磁绕组的位置选择及区段划分原则 1 ZH、HP、HZ绕组宜对称布置于两舷紧靠甲板下方之处 ,这一位置不易受损,可靠性好,安全性 也好. 2各绕组电缆应尽量敷设在一起,这样可少占空间,也便于施工. 3为使绕组的磁场在纵向与舰船磁场形状吻合,各绕组应从首至尾分成若干区段,舰船磁场变化 剧烈的地方,区段分得细一些,磁场变化缓慢的地方,区段可划分得疏一些. 图3 磁场补偿状态 4关于绕组磁场与舰船磁场在横向形状吻合的问题,在目前的消磁 系统设计中,是用左右舷下和龙骨下的磁场来考核绕组磁场与舰船磁场在 横向吻合的程度.设舰船磁场的形状系数为As,绕组磁场的形状系数为 Aw,一般Aw和As是不等的,故在调整绕组的磁场时必须兼顾龙骨下和两 舷下的补偿结果,使之在龙骨下呈欠补偿状态,而两舷下呈过补偿状态见 图3 . 设在龙骨下舰船磁场为ZL、 绕组产生的磁场为Zw,在龙骨下和舷下ZL和Zw所产生的磁场应满 足 ZL-ZwZwAw-ZLAs 由上式得到 Zw 1 AsZL 1 Aw 6 误差值 ERAZL- 1 AsZL 1 Aw Aw-AsZL 1 Aw 7 28海 军 工 程 大 学 学 报 第15卷 如果ERA之值小于容许值,则不必考虑敷设下层绕组问题,否则就必须敷设下层绕组.通过调整上 下层绕组之间的安匝比来达到龙骨下和舷下均能充分抵消之目的. 4.3 绕组各区段安匝数的计算 4.3.1 数学方法 将测量点按照左舷下首部至尾部、 龙骨下首部至尾部、 右舷下首部至尾部的顺序编号,设共有m个 测量点,船内有n个独立的消磁区段.第i个区段单位安匝在第j个测量点上产生的磁场以aj,i表示.第 j个测量点上的舰船磁场为HZj,第i个区段的安匝数为AWi.在理想情况下,在每个测量点上各绕组区 段的磁场之和应恰好等于舰船磁场.据此可列出方程组 在这个方程组中aj,ij 1 ,2 ,⋯,m;i 1 ,2 ,⋯,n是由测量点坐标、 绕组区段形状和坐标所决定的 常数,AWii1 ,2 ,⋯,n是未知的待求量,HZjj 1 ,2 ,⋯,m是设计舰磁场.一般情况下测量点数m 总大于绕组区段数n,故上述方程组是一个线性矛盾方程组.通过解矛盾方程组可以求得各区段安匝数 的近似解. 4.3.2 单位安匝磁场的计算方法 任何一个安匝区段都可近似成一个空间多边形,多边形的每条边都是一段通电直导线.空间导线的 磁场用3式计算.该区段在某测量点上的单位安匝磁场即为各段直导线磁场之和.设计时只要测量出 各测量点的坐标及各多边形顶点的坐标,即可算出各区段在各测量点的单位安匝磁场,有了各区段的单 位安匝磁场及舰船磁场就可求出各区段的安匝数. 5 结束语 如果将单一大绕组分成若干分区,每个分区内的绕组区段串联在一起,由一个独立电源供电组成分 区消磁系统.不同的分区系统用不同的电源,这些电源由同一信号控制并同步变化.因此,分区消磁系统 各磁场的变化与单一大区段消磁系统是完全相同的. 参考文献 [1] 黄礼镇.电磁场原理[M].北京高等教育出版社,1980. [2] 盛剑霓.电磁场数值分析[M].北京科学出版社,1984. 38 第1期 唐申生 等大型舰船分区消磁理论研究