工頻交流電用作磁性處理主電源初步研究

李志新，朱武兵

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

在磁性處理勤務(wù)中，為達(dá)到消除艦船固定磁場(chǎng)的目的，磁性處理主電源通常需產(chǎn)生圖1所示的正負(fù)交替、幅值逐步衰減的脈沖電流，電流波形（幅值、上升下降時(shí)間、超調(diào)量等）要求嚴(yán)格，這就對(duì)磁性處理主電源提出了很高的要求。

圖1 常用磁性處理主電源電流波形

有關(guān)文獻(xiàn)表明[1,2]，要對(duì)鐵磁材料進(jìn)行磁性處理，作用于其上的脈沖磁場(chǎng)最大幅值應(yīng)滿足式（1）

其中，xm——鐵磁物質(zhì)的最大磁化率；N——物體的退磁系數(shù)；Hc——鐵磁材料的矯頑力。

還有文獻(xiàn)表明[1,3,4]，鐵磁物體處于交變磁場(chǎng)中時(shí)，由于受渦流磁場(chǎng)的影響，磁場(chǎng)的幅值隨著深度的增加而逐漸減小，其滲透深度為

其中μ為鐵磁物體磁導(dǎo)率，σ為鐵磁物體電導(dǎo)率，f為交變磁場(chǎng)頻率，δ為趨膚的深度。若鐵磁物體的厚度為 10 mm，σ為 107S/m，μ=100μ0，則給該鐵磁物體進(jìn)行磁性處理時(shí)，若脈沖磁場(chǎng)的最大幅值僅比式（1）所要求的略大，則其頻率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2.53 Hz。故常用的脈沖式磁性處理主電源，脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖間隔時(shí)間均為數(shù)秒，其交變的頻率極低[1,2]。

1 磁性處理主電源可行性的理論分析

圖2 渦流磁場(chǎng)與工作磁場(chǎng)

一個(gè)長(zhǎng)為l，寬為b，厚為a，電阻率為ρ的鐵磁物體處于交變工作磁場(chǎng)B中，將感應(yīng)出電勢(shì)，產(chǎn)生渦流電流，進(jìn)而產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)，如圖2所示。沿電流方向?qū)摪宸殖稍S多厚度為 dr，寬為 2r,長(zhǎng)為 2ra/b的金屬薄筒，對(duì)渦流磁場(chǎng)進(jìn)行較為粗略的估算，任意薄筒內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為[3]

取工作磁場(chǎng)B=B0sinωt，不考慮電感時(shí)，該薄筒的渦流電流為

圖2所示鐵磁物體產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)由邊緣向中心逐漸增強(qiáng)，中心的渦流磁場(chǎng)為

式（5）所得的渦流磁場(chǎng)未考慮電感，超前工作磁場(chǎng) 90°，實(shí)際上電感不可避免，而且電感的大小受多種因素影響，渦流磁場(chǎng)超前工作磁場(chǎng)（90°-φ），相應(yīng)的φ的大小也受諸多因素影響，受頻率的影響尤為顯著。鐵磁物質(zhì)受工作磁場(chǎng)和渦流磁場(chǎng)的疊加磁場(chǎng)的作用，如圖3所示。

由圖3可知，總磁場(chǎng)幅的大小可能大于也可能小于工作磁場(chǎng)幅值，角度φ的影響甚大。在高頻的情況下，φ趨于90°，工作磁場(chǎng)與渦流磁場(chǎng)方向相反，二者相互抵消，鐵磁物體內(nèi)的合成磁場(chǎng)幅值由邊緣向中心逐漸減小，即為趨膚效應(yīng)。而低頻情況下，角度φ較小，合成磁場(chǎng)幅值可能大于工作磁場(chǎng)，所以當(dāng)工作磁場(chǎng)的頻率為工頻（50 Hz）時(shí)，合成磁場(chǎng)的幅值極有可能大于工作磁場(chǎng)幅值。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的分析，當(dāng)作用在鐵磁物質(zhì)上的交變磁場(chǎng)的初始幅值滿足式（1）時(shí)，即可對(duì)鐵磁物質(zhì)進(jìn)行磁性處理，表明基于工頻交流電的磁性處理主電源在理論上是可行的。

圖3 工作磁場(chǎng)與渦流磁場(chǎng)合成后的總磁場(chǎng)

2 磁性處理主電源試驗(yàn)研究

用基于工頻交流電的磁性處理主電源產(chǎn)生正弦式磁性處理工作電流（以下簡(jiǎn)稱正弦電流），如圖4（a）所示，用脈沖式磁性處理主電源產(chǎn)生脈沖式磁性處理工作電流（以下簡(jiǎn)稱脈沖電流），如圖4（b）所示，其中正弦電流從最大值衰減到接近零所需時(shí)間約為10～20 s，脈沖電流的衰減率為6%，每個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間為2 s，脈沖間隔時(shí)間為2 s，脈沖個(gè)數(shù)為49。

用圖4所示的兩種磁性處理工作電流分別對(duì)長(zhǎng)度 1000 mm，寬度 200 mm，厚度 28 mm 的鋼板從縱向方向進(jìn)行磁性處理，處理效果如圖5所示。在工作線圈匝數(shù)一定的情況下，從6 A開(kāi)始，逐步增大正弦電流和脈沖電流的最大值，正弦電流最大有效值為 15 A時(shí)可將鋼板固定磁場(chǎng)處理到比較理想范圍（1000 nT以內(nèi)），而脈沖電流最大值為15 A時(shí)，固定磁場(chǎng)值幾乎不變（10000 nT左右），如圖 5（a）所示（每?jī)蓚€(gè)測(cè)量點(diǎn)間間隔100 mm，下同）；繼續(xù)增大正弦電流和脈沖電流的最大值，至40 A時(shí)，兩種工作電流均能將鋼板固定磁場(chǎng)處理到比較理想范圍（1200 nT以內(nèi)），如圖5（b）所示。

圖4 磁性處理工作電流

圖5 厚鋼板縱向磁性處理效果

用圖4（a）所示正弦式電流對(duì)上述的厚鋼板從垂向方向進(jìn)行磁性處理，處理效果如圖6所示。在工作線圈匝數(shù)一定的情況下，正弦電流最大有效值從50 A逐漸增加。增加到96 A時(shí)，固定磁場(chǎng)被處理到較為滿意的范圍（1000 nT以內(nèi)）。受試驗(yàn)條件的限制，沒(méi)有采用脈沖電流對(duì)厚鋼板從垂向方向進(jìn)行磁性處理。

圖6 厚鋼板垂向磁性處理效果

圖7 厚艇模

圖8 厚艇模縱向磁性處理效果

用圖4所示的兩種磁性處理工作電流分別對(duì)圖 7 所示的，長(zhǎng) 1000 mm，舯寬 200 mm，厚 9 mm的厚艇模從縱向方向進(jìn)行磁性處理，處理效果如圖8所示。在工作線圈匝數(shù)一定的情況下，從6 A開(kāi)始，逐步增大正弦電流和脈沖電流的最大值，正弦電流最大有效值為8 A時(shí)可將鋼板固定磁場(chǎng)處理到比較理想范圍（除個(gè)別點(diǎn)外，均在1000 nT以內(nèi)），而脈沖電流最大值為8 A時(shí)，固定磁場(chǎng)值幾乎不變（5000 nT），如圖8（a）所示；繼續(xù)增大正弦電流和脈沖電流的最大值，至25 A時(shí)，兩種工作電流均能將鋼板固定磁場(chǎng)處理到比較理想范圍(1300 nT 以內(nèi)), 如圖 8（b）所示。

3 小結(jié)

對(duì)比正弦電流和脈沖電流的磁性處理效果，可見(jiàn)，在試驗(yàn)條件相同、磁性處理效果相近時(shí)，無(wú)論是對(duì)厚鋼板還是對(duì)厚艇模的縱向方向的磁性處理，正弦電流所需幅值均不及脈沖電流所需幅值的二分之一；正弦電流對(duì)鋼板垂向方向進(jìn)行磁性處理時(shí)的處理效果進(jìn)一步說(shuō)明了，式（2）對(duì)磁性處理工作電流的約束有待進(jìn)一步研究；經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，基于工頻交流電的磁性處理主電源至少在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)是可行的，與脈沖式磁性處理主電源相比較，具有所需最大幅值小，單次通電所需時(shí)間短、耗能量少，容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，有開(kāi)展進(jìn)一步研究向工程應(yīng)用實(shí)踐推廣的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]周國(guó)華, 肖昌漢. 鐵磁學(xué)[M]. 海軍工程大學(xué), 2014.

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[4]張忠龍. 關(guān)于艦船渦流磁場(chǎng)的幾個(gè)問(wèn)題[M]. 海軍工程學(xué)院, 1983.