大型消磁站设计中消磁兼容性分析.pdf

文章编号1009 - 3486200402 - 0089 - 03 大型消磁站设计中消磁兼容性分析 ① 徐和俊,何 明,周耀忠 海军工程大学 电气工程系,湖北 武汉430033 摘 要针对大型消磁站的消磁兼容性,基于通电线圈磁场计算,分析大型消磁站补偿线圈安匝组合,提出磁 探头的布局问题,为大型消磁站消磁线圈的计算设计方案提供了参考依据. 关键词消磁站;消磁兼容性;补偿线圈 中图分类号 TM154.2 文献标识码 A Compatibility of large2scale degaussing station XU He2jun , HE Ming , ZHOU Yao2zhong Dept. of Electrical Eng. , Naval Univ. of Engineering , Wuhan 430033 , China Abstract In order to research the compatibilityof a large2scale degaussing station , this paper analyzes the compag2 es of ampere turns of compensating coil based on the calculation of magnetic field about degaussing coil. And the problem of the distribution of magnetic field sensors is put forward , and is then sovled. Key words degaussing station; degaussing compatibility; compensating coil 大型消磁站设备结构复杂、 造价高、 规模大,担负的消磁任务重,要兼顾不同型号舰船磁性测量和磁 性处理的需要.因此,充分发挥大型消磁站的综合消磁能力,显然具有十分重要的意义. 在大型消磁站的补偿线圈计算、 分析和设计中,不仅要考虑将消磁区的环境磁场补偿到较理想的程 度,而且还要考虑被消磁舰船的大小、 停泊位置、 潮位高低以及舰船不同位置的磁性状态等对线圈设计 的影响.只有根据这些特点,求出不同区段的补偿线圈的安匝数,然后综合分析各种工况,最终确定能够 满足各种工况需要的安匝数,才能使所设计的消磁站能够兼容各工况的消磁要求 [1] .对此笔者作如下讨 论. 图1 通电直导线空间点磁场图 1 单匝补偿线圈磁场的计算 虽然大型消磁站补偿线圈复杂,但线圈磁场在空间具有矢量迭 加性 [2] ,故可先计算单匝线圈的磁场见图1 . 设直导线AB中,电流为1 A ,端点A和B的空间坐标分别为 x1,y1 ,z1和x2,y2,z2 , 则空间点Px0,y0,z0处所产生的磁场可 写成定积分 H∫ x1 x2 y0-yk - z0-zj [ x0-x 2 y0-y 2 z0-z 2 ] 3 2 dx 第16卷 第2期 2004年4月 海 军工程大学学报 JOURNAL OF NAVAL UNIVERSITYOF ENGINEERING Vol.16 No.2 Apr. 2004 ①收稿日期2003209201;修订日期2003209212 作者简介徐和俊19752 , 男,硕士生. 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ∫ y1 y2 z0-zi - x0-xk [ x0-x 2 y0-y 2 z0-z 2 ] 3 2 dy ∫ z1 z2 x0-xj - y0-yi [ x0-x 2 y0-y 2 z0-z 2 ] 3 2 dz1 以Hx、Hy、Hz分别表示H在x、y、z轴上的分量,即 HHxiHyjHzk2 设补偿线圈是由N段直导线所构成的多边形见图2 ,其电流为1A ,则单匝线圈在P点所产生磁 图2 通电导线构成的多边形示意图 场为各段直导线所产生的磁场之和,即 HX ∑ N i1 Hxi HY ∑ N i1 Hyi HZ ∑ N i1 Hzi 式中HX、HY、HZ分别为单匝补偿线圈磁场的X、Y、Z分量; Hxi、Hyi、Hzi分别为第i段导线磁场的X、Y、Z分量. 2 补偿线圈设计中的兼容性分析 消磁站补偿线圈多为固定敷设,如何兼顾不同工况下被消磁舰船磁性处理的需要,是设计中一大技 术难题.通常的办法是将补偿线圈沿舰船的停泊方向划分若干区,而每个区又分上下2层,每区的每层 称为1个区段,设总共分成了n个区段.科学合理地组合这n个区段的安匝数,可以兼容不同型号、 不 同潮位、 不同磁性状态舰船的消磁要求. 图3 补偿线圈空间分布图 2.1 不同舰型的兼容 如图3所示,设消磁码头长140 m ,将补偿线圈分成了3个 区,3个区的长度分别为80 m、40 m、20 m.上述3个区分别称 为1号区、2号区和3号区.如果被消磁舰船的长度小于70 m , 则令其停于1号区,通电消磁时只用1号区的线圈和电源;如 果舰长大于70 m ,但小于110 m ,则令其停于1号区和2号区, 通电消磁时用1号区和2号区的线圈和电源;如果舰长为130 m左右,则令其停于全码头上,通电消磁时所有线圈和电源全 部用上. 2.2 潮位不同时的兼容 假设补偿线圈每个区都分成上下2层见图3 ,在高低潮位之间,线圈的中心与舰船中心恰好在同 一水平面上.如果此时消磁,则上下2层线圈的安匝数应该相同,以便在船中心附近产生最大的磁场均 匀区.如果在高平潮时消磁,则线圈中心在舰船中心的下面,为使线圈磁场的中心与舰船中心仍在同一 平面上,则需改变上下层线圈的安匝分配.如果在低平潮时消磁,线圈中心在舰船中心的上面,为使线圈 磁场的中心与舰船中心仍重合在一起也需改变上下层线圈的安匝分配. 2.3 舰船不同磁化状态的兼容 在消磁勤务中,常常会遇到这样的问题虽然舰船被置于接近0的背景磁场中,但工作线圈通电之 后,有的部位固定磁性被消掉了,有的部位固定磁性仍然很强,必需加大此处的补偿磁场继续消磁,这就 要求不同部位的补偿线圈有不同的安匝数. 09海 军 工 程 大 学 学 报 第16卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图4 空间m个监控点分布示意图 2.4 补偿线圈各区段的安匝组合 根据上述种种不同情况,可在舰船所在的空间中,设置m 个监控点 [3] 见图4 . 对于不同的工况船型、 停泊位置、 潮位、 磁化状态 , 各监 控点的磁场应有不同的要求. 设某工况下这m个监控点上的磁场应为H [h1,h2,⋯, hm] T ,又设第i个区段的安匝数为xi.当安匝数为1时在第j 个监控点上产生的磁场为aji,当所有监控点上补偿线圈的合 成磁场恰好等于所需要的磁场 [4]时 ,可建立下列方程组 a11⋯a1i⋯a1n aj1⋯aji⋯ajn am1⋯ami⋯amn x1 xi xn h1 hj hm 3 解此方程组可以得到该工况下的各区段安匝组合. 从所有工况中取出各区段最大的安匝量,作为消磁站所采用安匝量,就可做到对所有工况的兼容. 3 磁性探头的布局要求 衡量消磁结果的好坏,不仅要看结果磁场的大小,而且还要看是在什么深度测量的.由于不同型号 舰船的外形尺寸不同,磁场分布不同,舰磁的标准考核深度各不相同.如何用同一套测磁系统精确测量 不同型号舰船磁场也是技术难点之一. 目前,消磁站磁场测量方法包括悬挂探头测量法、 磁探头矩阵、 水下行车测量法等 [4] .悬挂探头测 量法可以根据需要测量不同深度的磁场,但操作复杂,故不采用;水下行车测量法可利用升降架调整探 头的深度,达到对不同型号舰船的磁场测量.但是,水下行车测量法也有其缺点一是探头的深度调整受 水深的影响,调整范围不大;二是施工难度大,须由专人操作和维护. 探头矩阵则有安装方便、 使用简单、 平时无需维护等特点,深受用户欢迎.但探头矩阵一旦固定,很 难再调整,所以要求探头布局合理.关于探头矩阵的深度、 密度、 范围,要兼顾不同型号舰船,并充分应用 已经研究出的数学模型进行磁场换算 [5] ,对此应进行专门的分析论证. 4 结束语 作者针对大型消磁站的消磁兼容性,应用数学方法分析了补偿线圈区段的组合问题,可为大型消磁 站消磁线圈的计算设计方案提供参考.关于磁探头矩阵布局的兼容性问题有待进一步研究. 参考文献 [1] 刘大明.铺助舰船应急消磁系统研究[J ].海军工程大学学报,2002 ,144 37 - 40. [2] 晁立东,仵 杰,王仲奕.工程电磁场基础[M].西安西北工业大学出版社,2002. [3] Liang C S, Jin A K. Applied Electromagnetism 3rd Ed. [M]. Massachusetts PWS, 1995. [4] 刘大明.舰船磁场测量[M].武汉海军工程学院,1993. [5] 张忠龙.舰船磁场计算与换算[M].武汉海军工程学院,1990. 19 第2期 徐和俊 等大型消磁站设计中消磁兼容性分析 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.