淺談電磁感應(yīng)現(xiàn)象在船舶建造中的影響實(shí)例分析

李日明+李玉梅

摘 要：本文以船舶建造過(guò)程中的實(shí)際例子，簡(jiǎn)要分析由電磁感應(yīng)現(xiàn)象所帶來(lái)的困惑以及如何避免或者消除由電磁感應(yīng)現(xiàn)象所帶來(lái)的影響。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)現(xiàn)象；電磁感應(yīng)定律；磁感應(yīng)強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U 655.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper analyses the electromagnetic induction by taking actual examples during ship construction， and introduce how to avoid or settle the problems aroused by electromagnetic induction.

Key words： Electromagnetic induction； Faraday law of electromagnetic induction； Induced current； Magnetic flux density Zotdty

1 前言

從電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)至今，電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用非常廣泛，給我們的生活帶來(lái)很多便利。但在某些領(lǐng)域，電磁感應(yīng)也有負(fù)面的影響，使我們不得不去尋求方法來(lái)避免或者消除其帶來(lái)的影響。

2 實(shí)例分析一

（1）在船舶建造敷設(shè)電纜過(guò)程中，隨著發(fā)電機(jī)功率的增大，所對(duì)應(yīng)電纜的橫截面積也要相應(yīng)加大。但對(duì)于三相三線或者三相四線的電力系統(tǒng)，如果敷設(shè)三芯或者四芯的電纜，由于電纜橫截面積過(guò)大，電纜硬度大且重，工人不好操作，而且電纜在接入盒和接線的時(shí)候也很難操作。此時(shí)，我們就會(huì)考慮用單芯線來(lái)代替三芯或者四芯線，以減輕工作難度。

（2）我公司建造的一膄50 m海工船，3臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率為350 kW，電力系統(tǒng)為三相三線制，額定電流為609 A，敷設(shè)三組120 mm?的單芯電纜。由于工人在敷設(shè)此單芯電纜時(shí)，并未注意分開(kāi)三組，而是隨意的并排敷設(shè)，以致該船在做發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷測(cè)試的時(shí)候，用來(lái)接地的金屬保護(hù)套產(chǎn)生感應(yīng)電流過(guò)大，使包在接地線上的水線膠布被燒焦，好在及時(shí)發(fā)現(xiàn)才沒(méi)產(chǎn)生火災(zāi)事故。究其原因，單芯電纜通過(guò)電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)線的分布是以電纜的中心為軸心，以閉合圓環(huán)狀向周圍發(fā)散，越靠近電纜，磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，電流越大。

（3）參照下列電磁理論的公式，可以很好地解釋上述情況：

單芯電纜金屬護(hù)套的感生電流：i=?/R （1）

式中：R為由金屬護(hù)套和船殼組成的回路的電阻；?為感生電動(dòng)勢(shì)。

由公式（1）可以看出，只要單芯電纜敷設(shè)完畢，R的值就已經(jīng)確定了，所以感生電流i的大小就由?的值來(lái)決定。①?的電壓值等于磁通量的變化率，而變化率由發(fā)電機(jī)的頻率決定。②I為發(fā)電機(jī)的額定電流，積分路徑一般取單芯導(dǎo)線的橫截外表面圓環(huán)，那么磁感應(yīng)強(qiáng)度B的值也可以確定，所以?的值大小就看有效面積S。簡(jiǎn)單地說(shuō)，每組單芯電纜靠得越近，S就越小。由于R的值非常小，所以?很小就能產(chǎn)生很大的電流。

（4）那么，如何避免上述影響或者使影響最小化呢？由公式H×dl=I知道，如果單芯電纜按品字形敷設(shè)（如圖1所示），沿扎帶路徑積分一周，可以得到任何時(shí)刻I等于零，使得積分路徑以外的地方不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，自然就沒(méi)有電磁干擾。但對(duì)于每一根單芯電纜來(lái)說(shuō)，金屬護(hù)套中還是會(huì)存在感生電流，只是這種方法能把感生電流降到最低。如果電纜為三芯或者四芯的話，那么，如圖2所示的積分路徑，同樣可得到任何時(shí)刻I等于零，所以在電纜表面以外也不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，由此可知，三芯或者四芯電纜在敷設(shè)時(shí)不需要刻意去排列。

（5）還需要注意的是，對(duì)于電池起動(dòng)的主機(jī)或發(fā)電機(jī)，由于起動(dòng)的瞬間電流非常大，產(chǎn)生的?將會(huì)比較大，為避免觸電危險(xiǎn)，往往電池起動(dòng)電纜都不帶金屬護(hù)套，而且整個(gè)回路盡量緊貼敷設(shè)。

3 實(shí)例分析二

某船主配電版已經(jīng)調(diào)試完畢，也通過(guò)了船級(jí)社的檢驗(yàn)。但工人報(bào)告說(shuō)總配電板的急停功能有問(wèn)題，每次關(guān)閉電源時(shí)急停開(kāi)關(guān)都會(huì)跳閘，以致每天早上送電時(shí)都要重新合上急停開(kāi)關(guān)。

為此，首先檢查急停線路的原理圖，經(jīng)過(guò)分析原理圖沒(méi)問(wèn)題。后經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)了解，原來(lái)工人在下班的時(shí)候?yàn)榱吮M快關(guān)閉電源收工，就直接分?jǐn)喟l(fā)電機(jī)的總開(kāi)關(guān)，而不是先關(guān)掉用電設(shè)備之后再分?jǐn)喟l(fā)電機(jī)的總開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致急停開(kāi)關(guān)每次都跳閘。究其原因，船上常用設(shè)備如機(jī)房風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)等感性設(shè)備，當(dāng)突然斷電的時(shí)候，上述設(shè)備的線圈繞組就會(huì)產(chǎn)生正向磁力線來(lái)阻礙磁力線的減少，再加上馬達(dá)中的轉(zhuǎn)子線圈的慣性運(yùn)動(dòng)切割磁力線，產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，反向供電入主配電版，急停電路不能及時(shí)斷電使急停開(kāi)關(guān)產(chǎn)生誤動(dòng)作跳閘。經(jīng)過(guò)實(shí)船驗(yàn)證，先分開(kāi)上述感性設(shè)備的開(kāi)關(guān)，再分開(kāi)發(fā)電機(jī)的總開(kāi)關(guān)，問(wèn)題就解決了。

4 實(shí)例分析三

某船的外部消防炮系統(tǒng)，由主機(jī)軸帶消防泵運(yùn)作，中間通過(guò)電磁離合器鏈接，有電吸合、斷電分離。

及其對(duì)應(yīng)的線圈繞組端電壓與時(shí)間關(guān)系的曲線圖

圖3為簡(jiǎn)單的電磁離合器控制電路和與其對(duì)應(yīng)的繞組端電壓與時(shí)間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)開(kāi)關(guān)合上通電，線圈繞組立刻產(chǎn)生磁場(chǎng)使離合器合上，消防泵運(yùn)作；但從開(kāi)關(guān)合上到T1完全磁化過(guò)程中，期間線圈繞組會(huì)產(chǎn)生反向的磁力線來(lái)阻礙磁場(chǎng)的增加，致使從合上開(kāi)關(guān)到T1的時(shí)間段，磁場(chǎng)的增加是相對(duì)緩慢的，就會(huì)導(dǎo)致離合器咬合不夠緊密，轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候甚至?xí)a(chǎn)生火花，帶來(lái)額外磨損，使離合器很快報(bào)廢；當(dāng)斷電離合的時(shí)候，離合器的線圈繞組會(huì)阻礙磁力線的減少，產(chǎn)生磁力線的方向與原來(lái)的磁力線方向一致。根據(jù)右手定則，可以確定感生電動(dòng)勢(shì)的?的方向。雖然控制電路中加了一個(gè)二極管來(lái)放電，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到離合器快速分開(kāi)的要求，同樣會(huì)出現(xiàn)通電合上時(shí)的那種磨損。

圖4是改進(jìn)的控制電路和與其對(duì)應(yīng)的繞組端電壓與時(shí)間關(guān)系的曲線圖。

及其對(duì)應(yīng)的線圈繞組端電壓與時(shí)間關(guān)系的曲線圖

其中增加了一個(gè)斬波器模塊，去掉二極管。它的特點(diǎn)是當(dāng)開(kāi)關(guān)合上的時(shí)候，斬波器對(duì)離合器線圈繞組的端電壓進(jìn)行鉗位輸出，使其大約在0.6 s的時(shí)間內(nèi)就完全被磁化，離合器能快速緊密吸合。當(dāng)電路斷電，斬波器能輸出一個(gè)大小等值但反向的電壓，此電壓持續(xù)時(shí)間可以精確到毫秒級(jí)別，而且持續(xù)時(shí)間可調(diào)，能快速離合，避免不必要的磨損。

5 小結(jié)

綜上例子，雖然很多人都感覺(jué)很平常，不會(huì)去特別關(guān)注，但如果不去考慮電磁感應(yīng)帶來(lái)的影響，往往會(huì)影響船舶的建造質(zhì)量，增加船舶的建造周期，造成不必要的人力物力浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘順時(shí).電磁場(chǎng)基礎(chǔ)[M].清華大學(xué)出版社，2006.