三軸線圈磁體模擬產(chǎn)生艦船磁場的方法*

黎敏謙 陳菊秋 李 雪

(海軍工程大學(xué) 武漢 430033)

1 引言

鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的艦船,在地磁場中被磁化而在周圍產(chǎn)生磁場,會使該點的地球磁場產(chǎn)生明顯的畸變。雖然,有些艦船采取了消磁措施,但最多也只能是減弱,不可能完全消除。因此,其很自然地就成為了魚水雷武器的啟動信號。而對于艦船,由于其外部形狀的不規(guī)則性,以及內(nèi)部的不均勻性,其磁場的分布也是不規(guī)則的[1]。一般來說,在一艘艦船的通過特性中,Hx、Hy、Hz三個分量各有兩個或兩個以上的正、負半波,且三個分量的變化規(guī)律,如相位特性、頻率特性和梯度特性等,都是不一致的。如圖1所示[2]。目前,我們模擬產(chǎn)生艦船磁場大多采用多體單軸線圈通電產(chǎn)生三軸磁場分量的方式,這樣產(chǎn)生的三軸分量僅由單一電流來控制,因此其變化規(guī)律都是隨單一電流的變化而變化的,從而在利用其模擬艦船磁場時,就不可避免的產(chǎn)生了偏差。而現(xiàn)代智能水雷正是利用艦船全磁場[3～4]這一點來識別掃雷具,以提高水雷抗掃性的。但是無論哪種智能化的水雷用哪種方法進行目標(biāo)識別,它歸根到底還是利用了掃雷具產(chǎn)生的磁場變化規(guī)律與艦船磁場不同這一點,從而對抗的焦點就在于兩者之間的區(qū)別。因此,要想有效地對抗高智能化的水雷,就必須設(shè)法使電磁掃雷具產(chǎn)生的磁場與艦船磁場能夠很好的擬合,即設(shè)法消除或減小兩者之間的區(qū)別。為了解決這一問題,我們不妨利用三軸磁體模擬艦船磁場的方法。

2 磁體的設(shè)計

圖1 某型軍艦磁場通過特性曲線

作者設(shè)計了一種三軸磁體。該磁體由三個正交的鐵芯和線圈組成一個整體。它利用磁化線圈通電所產(chǎn)生的磁場將鐵芯磁化,在線圈組周圍產(chǎn)生合適強度的三軸正交磁場,從而模擬出艦船的磁場。電磁線圈組是利用螺線管電磁鐵原理而制成的。電磁線圈組長度為4m,直徑為0.8m,總重約2.2T。總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。線圈1為整個掃雷磁體的主體,與線圈2、線圈3相互正交并且固定于線圈1內(nèi),線圈之間用聚胺脂材料填充,可起到固定、保護、減振和提供浮力的作用。

圖2 磁體的總體結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)設(shè)計計算,電磁鐵1的線圈匝數(shù)為500匝,電磁鐵2的線圈匝數(shù)為100匝,電磁鐵 3的線圈匝數(shù)為150匝。線圈均經(jīng)高溫抽真空澆注環(huán)氧樹脂材料填充而成。三個線圈上均設(shè)有兩個接頭,各線圈分別繞在各自的鐵芯上,互為獨立,經(jīng)聚胺脂材料填充而構(gòu)成整體。

3 磁體的磁場的建模

一般情況下,當(dāng)計算距離遠大于磁體尺寸時,就可將磁體磁場計算[5]簡化為磁偶極子磁場的方法來計算。

設(shè)空間磁偶極子M處在直角坐標(biāo)系的原點,它在空間任一點p(x,y,z)產(chǎn)生的磁場強度分量值為:

由于線圈1只在水平方向上運動,故Mz=0,M應(yīng)為水平偶極子,其偶極矩M值,可采用簡單的載流圓環(huán)在軸線上產(chǎn)生的磁場加以等效即可得到,如圖3所示的等效磁場。

從電流的觀點來看,在P點只產(chǎn)生磁場軸向分量為:

圖3 等效磁場

從磁矩的觀點看,相應(yīng)的水平偶極子M產(chǎn)生的軸向磁場分量為:

設(shè)磁體總體坐標(biāo)如圖3所示。假設(shè)線圈1、線圈2和線圈3,分別通以電流 I1、I2和I3。

其中R=0.8m;W1=500匝,S2≈2.68m2,W2=100匝,S3=2.98m2,W3=150匝,-30A＜I1,I2,I3＜30A。由式(1)可以算出磁場的 Hx、Hy、Hz;利用 H=Hx+Hy+Hz從而計算出整個磁場的強度。

4 計算仿真分析

為分析和確定其效果,下面按設(shè)計計算要求,對其磁場進行簡要的仿真[6]。根據(jù)上述三個分量的磁矩計算公式和利用公式組(1)我們可以計算出Hx,Hy,Hz。

為了簡化起見,我們不妨只找?guī)追N特殊情況的狀態(tài)來討論Hx,Hy,Hz的關(guān)系。

1)當(dāng) I1=30;I2=0;I3=0時,在-200＜x＜200;-200＜y＜200;z=100的范圍內(nèi),利用MATLAB仿真有:

由圖可知,當(dāng)僅有線圈1通正電流時,此時相當(dāng)于單軸磁體的情況,Hx在x的正負方向較窄的區(qū)域內(nèi)分別出現(xiàn)一個正波,在其他方向呈負波狀態(tài)。Hy在坐標(biāo)的1相限和3相限出現(xiàn)正波,在2相限和4相限出現(xiàn)負波。Hz在坐標(biāo)的2和3相限出現(xiàn)負波,在1和4相限出現(xiàn)正波。在坐標(biāo)原點上出現(xiàn) Hx、Hy都為0的情況。

2)當(dāng) I1=30;I2=-30;I3=0時,在-200＜x＜200;-200＜y＜200;z=100的范圍內(nèi),利用MATLAB仿真有:

對照只有線圈1通正電的情況,我們發(fā)現(xiàn)由于線圈2的通正電,使整個磁場的分布發(fā)生了變化:對照圖4和圖7可知,對Hx的影響是使Hx的負波向左旋轉(zhuǎn)了一定的角度,而正波的分布基本不變;對照圖5和圖8可知,對Hy的影響最大,基本上是Hy進行了重新分布。對照圖6和圖9可知,對Hz的影響最小,分布基本上沒有變化。

3)當(dāng)I1=30;I2=I3=-30。為了清楚的看出磁場的分布,在-1000＜x＜1000;-1000＜y＜1000;z=100的范圍內(nèi),利用MATLAB仿真有:

由圖可知,當(dāng)三個線圈同時通以電流時,此時相當(dāng)于三軸磁體的情況,對照圖7、圖8、圖9可知,我們發(fā)現(xiàn)由于線圈3的通電使磁場的分布發(fā)生了一定的變化,其中Hx,Hy的分布基本不變,而Hz基本進行了重新的分布。

4)當(dāng)I1=30;I2=I3=-15。為了清楚的看出磁場的分布,在-1000＜x＜1000;-1000＜y＜1000;z=100的范圍內(nèi),利用MATLAB仿真有:

由圖可知,當(dāng)對線圈通入的電流大小進行調(diào)整時,Hx,Hy,Hz的分布基本不變,而僅僅是磁場強度大小在三個方向上的變化。

5 結(jié)語

通過以上的MATLAB仿真分析可知:三個線圈各自通入電流的大小和極性的變化,都能引起磁體所產(chǎn)生磁場的分布狀態(tài)的變化。當(dāng)線圈1、2和3各自向外輻射磁場時,其僅對它所對應(yīng)的 Hx、Hy、Hz的分量大小和分布起決定性作用,而對其他兩個方向的分量磁場只起調(diào)節(jié)作用。由此可以推斷,若三個線圈同時通入的電流大小、極性和頻率等都不相同時,所產(chǎn)生的磁場 Hx、Hy、Hz的大小、方向及頻率等也會有差異。這就有效地降低了磁體在工作時所產(chǎn)生的三個磁場分量的相關(guān)性,更能有效的模擬艦船磁場,以提高其擬合度,從而達到提高其作業(yè)效率的目的。

[1]王潛,肖昌漢.設(shè)備磁場對全船磁場的影響[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報,2003,15(2):41～44

[2]林春生,龔沈光.艦船物理場[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2007,10

[3]隗燕琳,肖昌漢,陳敬超,等.由艦船垂直分量磁場獲得其三分量磁場的研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2008,29(2):111～114

[4]王新華,高洪林,穆連運.智能引信在水雷武器中的應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報,2009,30(7):31～34

[5]周耀忠,唐申生.任意形狀通電線圈磁場的計算[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報,2009,21(3):71～74

[6]王正林,龔純,何倩.MA TLAB科學(xué)計算[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008,5