一種模擬艦艇全磁場的二軸磁體設(shè)計

陳 浩，林春生，呂紅偉

（1.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院，湖北 武漢430033；2.中國人民解放軍91194部隊，遼寧 大連116011）

0 引言

大量的測量研究表明，在艦船下方艦船磁場橫向分量Hy的大部分磁場存在死區(qū)，其量值較小，作用也較小；而量值較大，取主要作用的是磁場縱向分量Hx和磁場垂直分量Hz[1]。而且其三軸磁場的變化規(guī)律和特性是不一樣的。所以模擬艦船磁場主要模擬縱向分量Hx和垂直分量Hz。同時，從磁場產(chǎn)生的本質(zhì)來看，模擬最重要的指標是要模擬目標艦船產(chǎn)生磁場的大小和各分量磁場的變化規(guī)律和基本特征要求，才能提高模擬精度[2]。

磁體是水下實場模擬艦船磁場的關(guān)鍵設(shè)備，它的好壞將直接關(guān)系到使用性能和磁場產(chǎn)生的基本特性，因此必須引起高度重視。由于老式單軸磁體只能通入一種變化的電流，就決定了其只能產(chǎn)生單軸磁場，其所謂的三軸磁場的形成，其實就是其總量磁場的矢量在3個分量坐標軸上的投影，其變化關(guān)系特征是基本相同的；只有當多個磁體組成線列陣，且運動軌跡不在同一直線上時，才可能在某區(qū)域的某點處，由于多個磁體磁場的疊加效果，形成某些變化。因此，多個單軸磁體產(chǎn)生真正的三軸不一樣的變化磁場是非常有限的。通過大量的調(diào)研、磁場測量實驗和現(xiàn)場實用體驗，發(fā)現(xiàn)老式單軸磁體主要存在以下幾個問題急待改進。

1）現(xiàn)有單軸磁體滿足不了三軸磁場獨立分析的高智能化水下磁場測控分析儀的對抗要求。

研制線列陣電磁體的目的是有效對抗高智能化水下磁場測控分析儀的挑戰(zhàn)。真正的智能磁場測控分析儀都是采用三軸磁傳感器來接收磁場信號的，即不但感知該點處的總磁場，而且能隨時感知三軸方向的不同磁場的變化規(guī)律。艦船磁場是由剩磁、大地感應(yīng)和船電交變磁場等疊加而成，其三軸磁場的變化特性是不一樣的。而現(xiàn)有單軸磁體所產(chǎn)生的三軸磁場其變化特性都是一樣的。那么，真正的高智能化的磁場測控分析儀，只要對三軸分量的磁場分別進行獨立的信號特性分析，就會很容易地能夠分辯出這是真正的艦船磁場還是磁體模擬所產(chǎn)生的磁場。其實真正的高智能化的水下磁場測控分析儀就是利用船船磁場和電磁體所產(chǎn)生磁場的差別來抗掃的。所以單軸磁體是滿足不了對抗三軸磁場獨立分析的高智能化的水下磁場測控分析儀的要求，必須重新研究設(shè)計二軸磁體。

2）抗炸性能有待進一步提高。

單軸磁體的線圈是繞在一個密封的鐵質(zhì)圓筒上，當近距離水中爆炸時，由于密封的鐵質(zhì)圓筒內(nèi)空氣容易壓縮的原因，內(nèi)外壓差的突變，將使鐵質(zhì)圓筒迅速變形，線圈就會斷裂而報廢，所以抗炸性能有待進一步提高。

3）國外的二軸磁體，體積龐大而又笨重。

國外所了解到的二軸磁體，因二軸線圈和鐵芯互相獨立，二軸磁環(huán)軸線正交，至使體積龐大而又笨重，這不但限制了使用平臺的條件，而且操作使用也十分不便。因此，需要研制適合使用平臺的二軸磁體。

綜上所述，為了克服上述問題，必須重新設(shè)計研制一種體積小、重量輕的開放式的二軸磁體。本方案就是一種研制成功的上述二軸磁體。它的研制成功，將在對抗效率、使用安全和可靠性上會有重大突破：不但現(xiàn)有單軸磁體可以換裝，而且新生產(chǎn)的產(chǎn)品可按新方案生產(chǎn)；特別是在磁體設(shè)計結(jié)構(gòu)上將是一個大的創(chuàng)新，其他磁體模擬艦船磁場產(chǎn)生的方式都可按此技術(shù)進行改裝，具有一定的軍事和經(jīng)濟應(yīng)用價值。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對上述單軸磁體存在的問題，著眼未來使用需求，新型二軸磁體設(shè)計必須滿足下列幾項基本要求：

1）能產(chǎn)生相互垂直的二軸磁場，相互產(chǎn)生磁場影響度誤差不大于10%。

2）根據(jù)現(xiàn)有裝船條件不變的要求，磁體的總重量，外形尺寸要符合現(xiàn)有要求。

3）根據(jù)磁場對抗指標要求：單個磁體的最大磁矩不小于指標；原單軸磁體模擬精度只有50%左右，二軸磁體要達到80%以上的精度。

4）采用磁體開放式設(shè)計結(jié)構(gòu)，內(nèi)充聚胺脂浮芯，保證正浮力滿足要求。

5）使其抗炸性能高于現(xiàn)有的磁體指標。

為了滿足上述5點要求，最后確定了如下總體設(shè)計方案：二軸磁體結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。

圖1 二軸磁體結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-axis magnet’s structure principle

把同一圓筒形鐵芯做成中間段壁薄，兩端壁厚，再把螺線管繞組繞在中間段壁槽內(nèi)，設(shè)計壁槽內(nèi)空間正好繞滿螺線管繞組所要求的線圈匝數(shù)，然后在兩端壁厚段按圖1所示位置繞制馬鞍形繞組。這樣螺線管繞組產(chǎn)生縱向磁場，而馬鞍形繞組產(chǎn)生垂直磁場，只要馬鞍形繞組繞制時定位準確，那么二者所產(chǎn)生的磁場正好正交，保證了二軸相互垂直磁場的產(chǎn)生。

磁體總體采用開放式設(shè)汁，在浮芯和鐵芯圓筒之間加5道加強圈，加強圈圓環(huán)內(nèi)有許多圓孔，保證水流暢通。由于加強圈的增加，提高了圓筒形鐵芯的耐壓性能，同時由于水流的傳壓作用，也可減緩壓差的形成，這樣的結(jié)構(gòu)形式是能夠提高抗炸性能的。另外加強圈的安裝還保證了浮芯的固定位置和與圓筒鐵芯之間的間隙通道，保證水流通暢，達到降溫散熱的效果。磁體頭尾罩設(shè)計采用開放式的柵狀結(jié)構(gòu)，用錳鈦合金材料制成，可減小重量和提高強度，頭尾罩內(nèi)部和鐵芯圓筒內(nèi)均安裝有由聚胺脂材料制成的浮芯，以保證的正浮力要求。鐵芯用材料非常重要，雖說冷軋電工鋼比DT4C超導(dǎo)電工純鐵的價格要高，但磁特性卻好了很多，其最大磁導(dǎo)率可達38 000。為了達到減小體積和重量的要求，設(shè)計選用冷軋電工鋼做鐵芯[3-6]。

2 磁場激發(fā)原理

按照磁荷理論的觀點，磁介質(zhì)分子可看作是磁偶極子分子，磁化就是大量的磁偶極子分子在磁場力的作用下，按規(guī)則重新取向，即按正、負磁荷重新聚集兩端的過程。本方案中螺線管線圈通電磁化的作用是把鐵芯中一半磁偶極子分子按正、負聚集于鐵芯兩端，而馬鞍形線圈通電磁化的作用是把鐵芯中另一半磁偶極子分子按正、負聚集于鐵芯上下兩邊的端部?；驹砣鐖D2所示。

圖2 同一鐵芯被正交磁場磁化示意圖Fig.2 Schematic diagram of the core is magnetized by an orthogonal magnetic field

根據(jù)理論分析可知，采用一個鐵芯進行兩繞組的方案是可行的。再者我們從艦船磁場特性分析可知，艦船可以看成是一個被磁化的大磁體，也可以看成是一個由無數(shù)磁單元分體聚合而成的，被均勻磁化的旋轉(zhuǎn)橢球體，即無數(shù)磁偶極子迭加的總磁體。那么同樣的道理，也可以用一個鐵芯，同時被多個線圈通電磁化，而變成多個磁偶極子迭加的總磁體。從電機學(xué)的觀點我們知道，三相交流發(fā)電機和三相交流電動機的定子都是由一個鐵芯和相差120°相位差的三相繞組所組成。其當分別通入三相變化的電流時，就能產(chǎn)生三相變化的磁場，使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來，這就是三相交流電動機原理，反之，就是所謂三相交流發(fā)電機原理。在這個事例中我們可以看到，同一鐵芯可以被3個不同相位的繞組所利用，能夠分別產(chǎn)生三相時間差的交變磁場。那么，本方案的一個鐵芯也一定可以被相位相差90°的2個繞組所利用，所以，同鐵芯二繞組方案是可行的。如果用2個獨立的鐵芯，外部鐵芯將對內(nèi)部鐵芯磁場向外發(fā)散反而構(gòu)成磁阻影響。原理示意如圖3所示。

圖3 外部鐵芯對內(nèi)部磁場向外發(fā)散的磁阻影響示意圖Fig.3 Schematic diagram of influences of external core on internal magnetic field’s magnetoresistance diverging outward

通過以上分析證明，同用1個鐵芯不僅是可行的，而且比獨立用2個鐵芯更有利于磁場的向外發(fā)散，同時更能減小磁體的體積和重量[7-8]。

3 實驗研究

實驗的主要目的就是要驗證二軸線圈產(chǎn)生磁場的相關(guān)性和相互影響的程度，以及磁體所產(chǎn)生的磁場沿坐標分布的關(guān)系特征是否滿足模擬艦船磁場特征的要求，同時還要驗證磁體所設(shè)計的參數(shù)和產(chǎn)生磁場的強度參數(shù)是否滿足模擬目標艦船的磁場強度的技術(shù)指標要求。

1）實驗原理。

按照相擬理論的相擬判據(jù)條件，根椐磁體實際設(shè)計的諸參數(shù)指標，按10∶1的比例尺寸制作磁體模型。磁體模型實物形狀見圖1所示：將磁體模型按水地坐標方位安裝固定于可左、右、前、后移動的滑動車架上，磁體的2個繞組分別接入能獨立供電，且連續(xù)可調(diào)的二組直流穩(wěn)壓電源。將磁探頭固定安裝于水池坐標中O點處，磁探頭規(guī)定的南北方向與坐標X軸方向重合一致，磁探頭規(guī)定的東西方向與坐標Y軸方向重合一致，則垂直方向以磁體下方為正，調(diào)整磁探頭高低位置，就是改變Z軸測量位置，即磁體下方不同深度位置。當磁體隨滑動車架按坐標位置移動時，就相對改變了磁體與磁探頭的相對位置，從而所測磁場強度值將隨之改變。當不斷改變磁體各繞組之間通入電流的大小和方向時，磁體所產(chǎn)生的磁場也就隨之而改變，這樣就可測得不同的磁場強度參數(shù)。根椐改變磁體各繞組之間通入電流的大小和方向的各種情況下所對應(yīng)的所測磁場強度的數(shù)據(jù)分析，就可判斷二軸線圈產(chǎn)生磁場的相關(guān)性和相互影響的程度。當固定通入電流的模式和大小，同時固定其水平某軸坐標，而改變水平另一坐標值，就可測到磁場的平面分布關(guān)系。當改變磁探頭的上下位置時，可測到磁體下方不同深度的磁場強度參數(shù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析，不但可以了解磁體產(chǎn)生磁場的分布特性，還可以判定設(shè)計參數(shù)的準確性和產(chǎn)生磁場的強度參數(shù)是否滿足模擬目標艦船的磁場強度的指標要求。當然，只要移動磁探頭位置，測磁儀必須重新進行地磁補償和進行背景磁場測量。為降低剩磁的影響，每進行一次通電實驗測量后，都必須對磁體進行消磁處理，特別是當改變磁體線圈通電方向時，反向剩磁將嚴重影響測量精度。

2）磁體2繞組8種不同通電形式和電流大小變化情況的實驗。

通過兩繞組的8種不同通電方式的實驗分析證明，磁體螺線管繞組的通電極性和通入電流的大小，決定了縱向分量磁場產(chǎn)生的方向和大??；而馬鞍形繞組的通電極性和通入電流的大小，決定了垂直分量磁場產(chǎn)生的方向和大小。同時兩繞組可以同時按自已的通電方式同時工作，且相互影響有限，估算平均影響程度誤差在3.64%以內(nèi)；只有兩線圈之間反相通電時，影響誤差最大，但也沒有超過9%。匝數(shù)多少和產(chǎn)生磁場大小是符合正比關(guān)系的，所以其基本具有獨立性，兩繞組工作時所產(chǎn)生的橫向分量磁場很小，可以忽略不計。

3）在相同水平坐標下，磁體不同深度的磁場強度實驗結(jié)論。

根據(jù)不同深度所測Hz的數(shù)據(jù)繪制的磁場強度哀減曲線如圖4所示。

圖4 磁體磁場Hz隨深度的變化曲線圖Fig.4 Curve diagram of magnet’s magnetic field Hz changing with depth

從圖4磁體磁場Hz隨深度的衰減曲線圖中可以看出，當深度變化乘倍增加時，磁體所產(chǎn)生的磁場強度值基本上是按指數(shù)規(guī)律下降的，這符合磁場理論衰減規(guī)律。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，按相似理論分析，當實際磁體兩繞組通入10 A電流時，其在磁體下方12 m的深度處垂直分量磁場Hz可產(chǎn)生9.5 μT的磁場。按艦船消磁標準8 000 t船在0.8倍船寬的深度下，垂直分量磁場Hz的絕對值在1 μT以下。例如，某船寬度是17.84 m，則0.8 × 17.84 m ＝14.272 m的深度處垂直分量磁場Hz的絕對值在1 μT以下。很顯然，實驗數(shù)據(jù)證明，該磁體在該深度處所產(chǎn)生的磁場是要大于這個數(shù)值的，所以，新設(shè)計的磁體參數(shù)是能夠滿足模擬目標艦艇磁場的強度要求的。

4）磁體三軸磁場在水平坐標方向上分布變化情況的實驗。

處理實驗數(shù)據(jù)所制作的分布曲線圖太多，由于篇幅所限，現(xiàn)只例Hz在X軸方向的分布狀態(tài)如圖5所示。

圖5 Hz在X軸方向的分布狀態(tài)Fig.5 Distribution state of Hz in X-axis direction

從分布曲線圖可以看出，磁體所產(chǎn)生的三軸磁場，在水平面坐標軸上的分布特征是符合艦船磁場分布特征的基本要求的，雖說對稱關(guān)系和零點位置有一些偏移，這是由于模型尺寸設(shè)計和線圈繞制誤差和測量誤差所造成。由于沒有橫軸方向的線圈，所以Hy的磁場份量很小，但其基本分布特征關(guān)系還是非常明顯的顯現(xiàn)出來了。通過實驗測量證明用這種結(jié)構(gòu)形式的磁體去實場模擬艦船磁場，在分布狀態(tài)上是沒有問題的，完全可以滿足艦船磁場分布特征的基本要求。這種開放式的磁體設(shè)計方案，不僅有利于磁體散熱降溫，而且更有利于磁體抗炸性能的提高[9-11]。

4 結(jié)束語

提出的一種二軸磁體的模擬方法解決了單軸磁體模擬艦船磁場的不足。采用的同鐵芯、兩繞組、同軸線和不同繞制方法按10∶1的比例制作了磁體模型，實驗結(jié)果表明本方案設(shè)計的二軸磁體在有效模擬艦船磁場特征的同時，還有效地減小體積和重量。

此外，該方案中的同一鐵芯被2個正交方向磁場所磁化，從而可以輻射出2個正交方向的分量磁場。系統(tǒng)可以分別控制2個線圈的通電電流大小和變化關(guān)系，不僅減小了電磁體向外輻射二個方向的磁場的相關(guān)性，而且還可以按不同要求來任意分別改變二軸線圈產(chǎn)生磁場的變化關(guān)系。為對抗高智能化的水下磁場測控分析儀提供了一種可靠的實施方法。