直通式磁性處理方法的效果研究

李志新

應用研究

直通式磁性處理方法的效果研究

李志新

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

首先闡述了直通式磁性處理方法的基本原理，同時分析了其不足之處，并通過磁場測量試驗和直通式磁性處理試驗進行了驗證。接著對直通式磁性處理效果不佳的原因做了進一步的分析，提出了利用連接電纜產生的磁場改善磁性處理效果的方案，進一步的試驗結果表明，磁性處理效果得到了有效改善，但仍比旁通式差，最后得出了直通式磁性處理方法僅適用于應急磁性處理的結論。

直通式磁性處理 旁通式磁性處理 脈沖電源

0 引言

為達到消除鐵磁材料固定磁性磁場的目的，通常需給鐵磁材料施加圖1所示的初始幅值足夠大、正負交替、幅值逐步衰減的間歇式脈沖工作磁場[1]。根據有關資料的分析[2]，產生圖1所示的工作磁場有圖2所示的兩種方式，(a)為旁通式，即將鐵磁材料置于螺線管中，用脈沖電源在螺線管中通以初始幅值足夠大、正負交替、幅值逐步衰減的間歇式脈沖工作電流，工作電流波形與圖1所示工作磁場波形相同，工作磁場沿鐵磁物質軸向方向分布。(b)為直通式，即將鐵磁材料作為電路的一部分，將波形與圖1所示工作磁場相同的工作電流直接通入到鐵磁物質中，工作磁場沿鐵磁物質切線方向分布。有關文獻表明[1～3]，要對鐵磁材料進行磁性處理，作用于其上的工作磁場最大幅值應滿足式（1）

式中：X——鐵磁物質的最大磁化率；——物體的退磁系數；H——鐵磁材料的矯頑力。

直通式磁性處理方法、旁通式磁性處理方法基本原理相同，只是產生工作磁場的方法不同。圖2(a)旁通式磁性處理方法已經為大家所熟悉，本文主要討論圖2(b)所示直通式磁性處理方法。

圖1 常用磁性處理脈沖磁場波形

圖2 工作磁場產生方式

1 直通式磁性處理方法原理

需進行磁性處理的鐵磁性試件以實心圓柱形和空心單層圓柱最為典型，下面對這兩種鐵磁試件的直通式磁性處理原理分別進行分析。圖3為直通式磁性處理時強度分布。

圖3 實心圓柱鐵磁材料截面內外的磁場強度分布

采用直通式磁性處理方法對實心圓柱鐵磁材料進行磁性處理時，截面內電流及截面內外磁場強度分布如圖3所示，截面內的點表示電流流出紙面，截面半徑為，周圍媒質為空氣。在鐵磁材料內部（≤），若不考慮趨膚效應，設總電流為，電流在截面范圍內均勻分布，則電流密度為：

圓柱內外的磁場強度如圖3下部分所示，在中心處為零，在表面達到最大值。

對于圖4所示的空心單層圓柱鐵磁材料，其外半徑為1，內半徑為2，在空腔內，電流為零，故空腔內的磁場強度為零，不考慮趨膚效應，設總電流為，鐵磁材料截面（2＜＜1）電流密度為：

半徑為處的磁感應強度只和半徑以內的電流有關系。也就是，在鐵磁材料內部半徑為的磁場強度為

在鐵磁材料外部（≥1）

空心單層圓柱體內外的磁場強度如圖4下部分所示，在空腔及內表面為零，在外表面達到最大值。

可見在鐵磁材料中直接通首脈沖幅值足夠大的工作電流，可在鐵磁材料中產生符合磁性處理要求的工作磁場，再將鐵磁材料周圍的恒定磁場補償掉，就可對鐵磁材料進行磁性處理，即為直通式磁性處理方法。

2 直通式磁性處理方法的不足

采用直通式磁性處理方法對鐵磁試件進行磁性處理時，綜合考慮電源輸出能力和磁性處理對工作磁場最大值的需求，一般設計通最大電流時鐵磁材料表面的磁場強度為2000 A/m。對于圖3所示實心圓柱體鐵磁試件，若式（1）中的鐵磁材料的矯頑力c=715A/m，即工作磁場首脈沖幅值需達到1.4c=1000A/m，才能滿足磁性處理需求[4～6]，如圖3下部分所示，不考慮趨膚效應時，半徑小于/2區域內的工作磁場幅值均達不到磁性處理要求。若考慮趨膚效應，電流向表面集中，則工作磁場幅值達不到要求的范圍更大。

對于圖4所示空心單層圓柱體鐵磁試件，如圖4下部分所示，即使不考慮趨膚效應，當表面磁場強度為2000 A/m時，殼體內磁場強度能達到1000 A/m的區域遠小于一半，考慮趨膚效應時，工作磁場幅值達到要求的范圍更小。若有鐵磁物質在圓柱內部，則由于工作磁場為零，完全不能實現磁性處理。

圖5 空心單層圓柱內部磁場測量

搭建如圖5(a)所示的實驗平臺，在長度為2.2 m，半徑為0.2 m的空心單層圓柱體內中心位置附近放置測磁設備，測量空心單層圓柱內的磁場狀況。空心單層圓柱外纏繞的工作線圈為39匝，通以首脈沖幅值為40 A的工作電流時，按空心螺線管估算圓柱內磁場強度分量最大值約為709 A/m（縱向分量），實測磁場強度分量最大值如圖(b)所示（縱向分量），最大值約為320 A/m（40萬nT），量級相當（存在屏蔽等影響）。當首脈沖幅值為1000 A的工作電流直接通入到圓柱時，圓柱表面磁場強度最大值的計算值約為796 A/m（橫向或垂向分量），實測磁場強度如圖7(c)所示，最大值約為20 A/m(2.5萬nT，橫向分量)，僅為表面磁場強度的2.5%。可見在表面磁場強度相當的情況下，旁通式時的內部磁場遠大于直通式時的內部磁場。

直通式磁性處理方法時，無法做到對鐵磁材料進行充分的磁性處理，甚至只能對其中的小部分進行磁性處理，是其一個源頭上的不足。

3 直通式磁性處理試驗

圖6 直通式磁性處理試驗（電纜遠離被處理試件）

采用圖5(a)所示的實驗平臺進行直通式磁性處理試驗，如圖6(a)所示，電源E輸出工作電流直接從被處理鐵磁試件的一端輸入，然后從遠離鐵磁試件的電纜返回電源形成回路。鐵磁試件為空心單層圓柱，殼內磁場如圖6(b)所示，磁場強度的分布如圖4下半部分所示。現將鐵磁試件固定磁場值充至20000 nT以上，經多次通電（鐵磁試件表面工作磁場首脈沖幅值為2000 A/m），得到最好的磁性處理結果如圖6(c)所示。可見采用直通式磁性處理方法能對鐵磁性試件進行磁性處理，但效果較差，剩余固定磁場達3000 nT，遠大于采用旁通式磁性處理時1000 nT以下的剩余固定磁場（鐵磁試件表面工作磁場首脈沖幅值為1600 A/m）。直通式磁性處理方法消耗了更多的能量而得不到好的磁性處理效果，與前面得到的直通式磁性處理方法不能充分地對鐵磁材料進行磁性處理的分析結論一致。

工作磁場只能滿足鐵磁試件部分區域的磁性處理要求，是圖6(c)所示磁性處理結果差的主要原因。連接電纜的電流為，與流經鐵磁試件的電流相同，可考慮利用連接電纜產生的磁場改善磁性處理效果。如圖7(a)所示，電源E輸出工作電流直接從被處理鐵磁試件的一端輸入，電流從另一端流出后，分成均等的兩部分從貼近鐵磁試件兩側的電纜返回電源形成回路。鐵磁試件為空心單層圓柱，僅考慮鐵磁試件內的電流時，殼內磁場與圖6(b)相同，磁場強度的分布如圖4下半部分所示。從圖7（b）還可以看出，兩側電纜產生的磁場能分別大幅加大鐵磁材料兩側的磁場強度，有利于鐵磁試件的磁性處理。與圖6通相同的電流后，得到的磁性處理結果如圖7(c)所示，剩余固定磁場小于1500 nT，可見磁性處理結果雖然仍舊不如旁通式磁性處理方法，但優于圖5(c)所示的磁性處理結果，與理論分析結果相符。

圖7 直通式磁性處理試驗（電纜貼近被處理試件）

4 小結

直通式磁性處理方法不能對被處理的鐵磁試件進行充分的磁性處理，通過優化電纜的布設方式可改善磁性處理效果，但效果依舊不如旁通式，僅適合作為應急磁性處理。另外，在電路回路中，被處理試件的電阻往往較小，遠小于連接電纜的電阻，也就意味著電源輸出的能量大部分消耗在了電纜上。如何較小這部分能量或利用這部分能量也是值得研究的問題。

[1] 周國華, 肖昌漢.鐵磁學[M], 武漢: 海軍工程大學出版社, 2014, 126-128.

[2] 郭成豹. 艦艇磁性處理技術[M]. 武漢: 海軍工程大學出版社, 2015, 23-28.

[3] 余晉岳, 周煒君. 船體鋼鐵的磁特性[Z]. 上海: 上海交通大學, 1980, 37-39.

[4] 劉大明, 肖昌漢. 直通式磁性處理研制技術報告. [R] 武漢: 海軍工程大學, 2014, 11-15.

[5] 郭成豹, 劉大明, 周耀忠. 直通式磁性處理方法研究研究報告[R]. 武漢: 海軍工程大學, 2009, 19-21.

[6] 李志新, 趙文春, 劉勝道. 艦艇消磁設備原理[M]. 武漢: 海軍工程大學, 2015, 224-225.

The study of outcomes of straight-through demagnetization method

Li Zhixin

(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Hubei, China)

TM46

A

1003-4862（2022）01-0012-04

2021-06-07

李志新(1981-)，男，講師，主要從事電工理論與新技術。Email：01021332@163.com