環形線圈退磁設施的電磁設計和試驗

郭成豹，周煒昶

海軍工程大學電氣工程學院，武漢430033

0 引 言

船舶退磁設施廣泛采用臨時線圈退磁，退磁時要在被退磁船外捆綁大量的退磁電纜，特別費時費力。即便是對小噸位船舶退磁，每艘船也需要花費2～3天的時間，且由于退磁時船舶被電纜捆綁，在非常情況下難于機動，十分危險［1-2］。在和平時期，這一矛盾并不顯得突出，但在戰時將面臨短時期內對大量船舶退磁的嚴峻局面。因此，從技術方面研究新的退磁方法，縮短單艦退磁時間是解決問題的途徑之一。

對船舶進行退磁應用最廣的技術措施是螺線管形式的多匝工作線圈，采用外部電源供電，被退磁船舶被放置在線圈內部［3-8］。一種典型的例子是水下船舶退磁設施，即在退磁設施碼頭上安裝框架式的工作線圈，構成一個螺線管，其長度稍微超過被退磁船舶。這種形式的工作線圈需要非常大的投資，安裝大量的工作電纜。另一種典型的例子是消磁船或臨時繞纜式固定退磁設施，即臨時在船舶外部纏繞工作線圈進行磁性處理。這種方式需要大量的人力勞動，退磁速度慢，容易損壞退磁電纜，船舶無法機動，并且退磁效果較差，特別是對于某些水下船舶，退磁結果難以滿足技術要求。還有一種應用較廣的工作線圈形式是垂向工作線圈，包括鞍形線圈退磁設施、海底線圈退磁設施以及碼頭固定線圈退磁設施。這種工作線圈所產生的磁場垂向作用在船體上，難以實現有效的退磁，并且不能在船舶整個長度上產生均勻的工作磁場，補償線圈調整復雜，難以達到高質量的退磁效果［9-10］。

本文將通過對退磁理論和試驗的研究，提出一種船舶快速退磁方法——環形工作線圈退磁設施，既可以大幅提高船舶退磁速度，還可以確保高質量的退磁效果，并降低日常維護費用，特別適合于水下船舶和中小型船舶退磁。

1 環形工作線圈退磁設施設計方案

設計一種環形工作線圈退磁設施，其總體方案如圖1所示。在磁東西方向上，設置環形工作線圈（圖2），船舶在中間通過時可以進行退磁。在退磁時，為了抵消地磁場在環形工作線圈兩側的海底敷設了橫向補償線圈，用于補償地磁場的水平分量；在環形工作線圈的正下方敷設了水平補償線圈，用于補償地磁場的垂向分量；在與環形工作線圈相同的安裝位置上敷設了縱向環形補償線圈，用于調節船舶磁場的縱向分量。為了檢測退磁前和退磁后船舶的磁性狀況，在海底敷設了測磁陣列。在陸地上，設有磁性測量裝置、電源裝置以及電流控制裝置。當被消磁船按照規定航跡在環形工作線圈中間通過時，該線圈通加正負交替、幅值不變的電流，利用船舶航行時遠離線圈而達到作用在船舶上的磁場逐漸衰減的目的。

本文所提出的環形工作線圈產生的是縱向工作磁場，退磁能力強，并且在船舶穿過環形工作線圈的過程中，船舶每個部分都經歷了非常均衡可靠的工作磁場作用，因而可以達到非常好的退磁效果。由于具有3套補償線圈，能夠產生縱向X、橫向Y和垂向Z3個方向的補償磁場，因此補償線圈的調節十分靈活，容易快速地實現高質量退磁。

環形工作線圈退磁設施的優點是被退磁船舶機動性好、退磁速度非常快、退磁電流容易調節、效果好且建設費用低。

2 船模退磁試驗研究

船模試驗分為2種情況：東西航向和南北航向，對比這2種情形下船模退磁質量的高低，選擇最優化的退磁設施設計方案。

2.1 試驗裝置——環形工作線圈退磁設施物理模型

1）東西航向退磁設施物理模型。

東西航向退磁設施物理模型結構如圖3～圖5所示，包括工作線圈和垂向、橫向、縱向3種補償線圈，具體參數如表1所示。

2）南北航向退磁設施物理模型。

南北航向退磁設施物理模型結構如圖6～圖8所示，包括工作線圈和垂向、縱向2種補償線圈，具體參數如表2所示。

表1 東西航向退磁設施物理模型線圈參數Table 1 The coil parameters of the physical model of the deperming station in west-east direction

表2 南北航向退磁設施物理模型線圈參數Table 2 The coil parameters of the physical model of the deperming station in north-south direction

2.2 環形退磁線圈磁場模擬仿真

東西航向退磁設施物理模型磁場模擬仿真如圖9所示，定義距離線圈底部0.5 m高度（大約是船模的水線位置）的船模運動路徑為線圈磁場評估線。

線圈仿真尺寸如圖3和圖4所示。其中，當環形工作線圈峰值安匝量約為3 182 AT時，在評估線上縱向1 m長的范圍內，工作磁場縱向分量峰值約為3 300 A/m；當縱向補償線圈安匝量為38 AT時，在評估線上縱向1 m長的范圍內，縱向補償磁場縱向分量值約為40 A/m；當橫向補償線圈大圈安匝量為28 AT、小圈安匝量為280 AT時，在評估線上縱向1.5 m長的范圍內，橫向補償磁場橫向分量值約為40 A/m；當垂向補償線圈安匝量為127 AT時，在評估線上縱向8 m長的范圍內，垂向補償磁場垂向分量值約為40 A/m。

南北航向退磁設施物理模型磁場模擬仿真如圖10所示，定義距離線圈底部0.5 m高度（大約是船模的水線位置）的船模運動路徑為線圈磁場評估線。

線圈仿真尺寸如圖6和圖7所示。其中，當環形工作線圈峰值安匝量約為3 182 AT時，在距離線圈底部0.5 m高度（大約是船模的水線位置）的船模運動路徑上縱向1 m長范圍內，工作磁場縱向分量峰值約為3 300 A/m；當縱向補償線圈安匝量為38 AT時，在距離線圈底部0.5 m高度的船模運動路徑上縱向1 m長范圍內，縱向補償磁場縱向分量值約為40 A/m；當垂向補償線圈安匝量為127 AT時，在距離線圈底部0.5 m高度的船模運動路徑上縱向8 m長范圍內，垂向補償磁場垂向分量值約為40 A/m。

2.3 船模退磁試驗

船模試驗分別在水面船舶、水下船舶等4種磁性船模上進行，包括南北航向、東西航向2種狀態。

2.3.1 水面船舶1的船模試驗

1）船模參數：長度4.20 m，寬度0.43 m。

2）退磁試驗過程及試驗結果。

（1）東西航向退磁試驗。東西航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補償線圈電流0 A，橫向補償線圈電流-10 A，垂向補償線圈電流-15.5 A。原始磁場最小值5，最大值39；退磁結果最小值-2，最大值3。

（2）南北航向退磁試驗。南北航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補償線圈電流4.5 A，垂向補償線圈電流-15 A。原始磁場最小值-70，最大值100；退磁結果最小值-9，最大值14。

（3）試驗結果分析。東西航向退磁時，補償電流容易調節，通電次數少，且可以達到要求，能達到非常好的退磁效果。南北航向退磁時，補償電流難以調節，通電次數多，且最終無法達到要求，退磁效果較差。

2.3.2 水面船舶2的船模試驗

1）船模參數：長度4.86 m，寬度0.53 m。

2）退磁試驗過程及試驗結果。

（1）東西航向退磁試驗。東西航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補償線圈電流0 A，橫向補償線圈電流0 A，垂向補償線圈電流-20 A。原始磁場最小值-12，最大值52；退磁結果最小值-5，最大值4。

（2）南北航向退磁試驗。南北航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補償線圈電流6.5 A，垂向補償線圈電流-15 A。原始磁場最小值-21，最大值94；退磁結果最小值-4，最大值20。

（3）試驗結果分析。東西航向退磁時，補償電流容易調節，通電次數少，且可以達到非常好的退磁效果。南北航向退磁時，補償電流難以調節，通電次數多，且最終無法達到要求，退磁效果較差。

2.3.3 水下船舶1的船模試驗

1）船模參數：長度3.09 m，寬度0.30 m。

2）退磁試驗過程及試驗結果。

（1）東西航向退磁試驗。東西航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補償線圈-0.8 A，橫向補償線圈電流-10 A，垂向補償線圈電流-19 A。原始磁場最小值-40，最大值89；退磁結果最小值-5，最大值3。

（2）南北航向退磁試驗。南北航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補償線圈電流6.5 A，垂向補償線圈電流-15 A。原始磁場最小值-26，最大值10；退磁結果最小值-9，最大值9。

（3）試驗結果分析。東西航向退磁時，補償電流容易調節，通電次數少，且可以達到非常好的退磁效果。南北航向退磁時，補償電流難以調節，通電次數多，且最終無法達到要求，退磁效果較差。

2.3.4 水下船舶2的船模試驗

1）船模參數：長度3.06 m，寬度0.31 m。

2）退磁試驗過程及試驗結果。

（1）東西航向退磁試驗。東西航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補償線圈-2.1 A，橫向補償線圈電流-20 A，垂向補償線圈電流-18 A。原始磁場最小值-8，最大值72；退磁結果最小值-3，最大值4。

（2）南北航向退磁試驗。南北航向退磁時，工作線圈電流30 A；縱向補償線圈電流5.5 A，垂向補償線圈電流-17.5 A。原始磁場最小值-40，最大值25；退磁結果最小值-3，最大值3。

（3）試驗結果分析。東西航向退磁時，補償電流容易調節，通電次數少，且可以達到要求，能達到非常好的退磁效果。南北航向退磁時，補償電流較難調節，通電次數多，但最終可以達到要求。

2.3.5 船模退磁試驗結果分析

船模退磁的試驗結果如表3所示。從表中可以看出，在東西航向，4種船模都可以以較少的通電次數達到合格要求；而在南北航向，通電次數較多，3種船模均無法達到要求，1種船模經過多次調整可以達到要求。可見，在東西航向退磁比在南北航向退磁具有優勢，環形工作線圈退磁設施應選擇在東西航向進行退磁。

表3 船模退磁試驗結果總結Table 3 The test results of ship model deperming

3 實船退磁可行性分析

上述退磁設施物理模型的線圈布置基本是按照實際退磁設施尺寸的1/30布置的，因此可以按照這個比例進行放大，設計相應的實際退磁設施。

3.1 工作線圈布置

在上述物理模型試驗中，工作線圈電流達到30 A時，可以對4種船模進行效果良好的退磁，工作線圈電流小于此數值則會給退磁造成困難。考慮到工作線圈匝數為75匝，并且由于工作電流為50 Hz的交流電，其峰值是有效值的倍，那么工作線圈的峰值安匝量為30××75=3 182 AT。在距離線圈底部0.5 m高度（大約是船模的水線位置）的船模運動路徑上縱向1 m長范圍內，工作磁場縱向分量峰值為3 300 A/m。在實際的退磁設施建設中，工作線圈在規定位置（船舶水線位置）處產生的工作磁場峰值也應不低于3 300 A/m。

在實際退磁設施設計中，最大的被退磁目標船舶可以考慮為船寬約20 m，桅桿距離海面的高度約30 m的船舶（包括了大部分水面船舶、水下船舶，以及其他符合尺寸要求的船舶），考慮潮差漲落的因素，可以將環形工作線圈在海面以上的高度設計為35 m，在海面以下的深度設計為10 m，工作線圈的寬度可以設計為30 m，如圖11所示。

如果按照1∶30的比例對物理模型進行放大設計時，則工作線圈的安匝量為30×3 182=95 460 AT。

若按照海平面位置處進行設計，當工作線圈的安匝量為132 000 AT時可以達到3 300 A/m的磁場要求。在海平面位置處，在工作線圈中間位置的縱向30 m長路徑上，工作磁場的縱向分量峰值約3 300 A/m。

綜合上述2種情況，可以考慮將工作線圈安匝量取為100 000 AT。

3.2 補償線圈布置

根據表3可知，在東西航向，縱向補償線圈最大電流為2.1 A，則其安匝量為2.1×10=21 AT；橫向補償線圈最大電流為20 A，則其安匝量為大圈20×3=60 AT，小圈 20×30=600 AT；垂向補償線圈最大電流值20 A，則其安匝量為20×10=200 AT。將上述安匝量乘以比例系數30，就可以得到實際退磁設施所需要的安匝量，如表4所示。

表4 退磁設施補償線圈參數Table 4 The compesating coil parameters of the deperming station

3.3 退磁工藝

工作電流的波形如圖12所示，采用通用的整流退磁電源供電。

3.4 電纜和電源參數的選擇

實際退磁設施總的電纜和電源需求如表5所示。

表5 退磁設施線圈和電源參數Table 5 The coil and power supply parameters of the deperming station

3.5 實際退磁設施總體布置和使用方法

實際退磁設施中，主要包括4個主要組成部分：線圈系統、電源系統、測磁系統和控制系統。如圖13所示，岸上布置了電源室和控制室，海中布置了線圈系統和測磁陣列。

進行船舶退磁時，被退磁船舶按照規定的航跡航行穿過環形工作線圈進行磁性處理，然后從測磁陣列上方通過，檢測其磁場特征。如果沒有達到合格指標，則調整補償電流，被退磁船舶再次航行穿過環形工作線圈進行磁性處理，直到合格為止。

一般情況下，被退磁船舶穿過環形工作線圈時，應保持在3～5 kn的航速勻速通過。首次退磁的船舶，10～16個航次就可處理到合格，退磁速度可以達到4 h/艘；非首次退磁船舶5～8個航次就可以達到合格要求，退磁速度可以達到2 h/艘。

4 結 語

環形工作線圈退磁設施應選擇在東西航向進行退磁，因為在東西航向退磁比在南北航向退磁具有優勢。環形工作線圈退磁設施的優點是被退磁船舶機動性好，退磁速度非常快，退磁電流容易調節，退磁效果好，建設費用低，可以大幅度地縮短船舶退磁時間，具有重要的軍事意義和顯著的經濟效益。