环形线圈退磁设施的电磁设计和试验

郭成豹，周炜昶

海军工程大学电气工程学院，武汉430033

0 引 言

船舶退磁设施广泛采用临时线圈退磁，退磁时要在被退磁船外捆绑大量的退磁电缆，特别费时费力。即便是对小吨位船舶退磁，每艘船也需要花费2～3天的时间，且由于退磁时船舶被电缆捆绑，在非常情况下难于机动，十分危险［1-2］。在和平时期，这一矛盾并不显得突出，但在战时将面临短时期内对大量船舶退磁的严峻局面。因此，从技术方面研究新的退磁方法，缩短单舰退磁时间是解决问题的途径之一。

对船舶进行退磁应用最广的技术措施是螺线管形式的多匝工作线圈，采用外部电源供电，被退磁船舶被放置在线圈内部［3-8］。一种典型的例子是水下船舶退磁设施，即在退磁设施码头上安装框架式的工作线圈，构成一个螺线管，其长度稍微超过被退磁船舶。这种形式的工作线圈需要非常大的投资，安装大量的工作电缆。另一种典型的例子是消磁船或临时绕缆式固定退磁设施，即临时在船舶外部缠绕工作线圈进行磁性处理。这种方式需要大量的人力劳动，退磁速度慢，容易损坏退磁电缆，船舶无法机动，并且退磁效果较差，特别是对于某些水下船舶，退磁结果难以满足技术要求。还有一种应用较广的工作线圈形式是垂向工作线圈，包括鞍形线圈退磁设施、海底线圈退磁设施以及码头固定线圈退磁设施。这种工作线圈所产生的磁场垂向作用在船体上，难以实现有效的退磁，并且不能在船舶整个长度上产生均匀的工作磁场，补偿线圈调整复杂，难以达到高质量的退磁效果［9-10］。

本文将通过对退磁理论和试验的研究，提出一种船舶快速退磁方法——环形工作线圈退磁设施，既可以大幅提高船舶退磁速度，还可以确保高质量的退磁效果，并降低日常维护费用，特别适合于水下船舶和中小型船舶退磁。

1 环形工作线圈退磁设施设计方案

设计一种环形工作线圈退磁设施，其总体方案如图1所示。在磁东西方向上，设置环形工作线圈（图2），船舶在中间通过时可以进行退磁。在退磁时，为了抵消地磁场在环形工作线圈两侧的海底敷设了横向补偿线圈，用于补偿地磁场的水平分量；在环形工作线圈的正下方敷设了水平补偿线圈，用于补偿地磁场的垂向分量；在与环形工作线圈相同的安装位置上敷设了纵向环形补偿线圈，用于调节船舶磁场的纵向分量。为了检测退磁前和退磁后船舶的磁性状况，在海底敷设了测磁阵列。在陆地上，设有磁性测量装置、电源装置以及电流控制装置。当被消磁船按照规定航迹在环形工作线圈中间通过时，该线圈通加正负交替、幅值不变的电流，利用船舶航行时远离线圈而达到作用在船舶上的磁场逐渐衰减的目的。

本文所提出的环形工作线圈产生的是纵向工作磁场，退磁能力强，并且在船舶穿过环形工作线圈的过程中，船舶每个部分都经历了非常均衡可靠的工作磁场作用，因而可以达到非常好的退磁效果。由于具有3套补偿线圈，能够产生纵向X、横向Y和垂向Z3个方向的补偿磁场，因此补偿线圈的调节十分灵活，容易快速地实现高质量退磁。

环形工作线圈退磁设施的优点是被退磁船舶机动性好、退磁速度非常快、退磁电流容易调节、效果好且建设费用低。

2 船模退磁试验研究

船模试验分为2种情况：东西航向和南北航向，对比这2种情形下船模退磁质量的高低，选择最优化的退磁设施设计方案。

2.1 试验装置——环形工作线圈退磁设施物理模型

1）东西航向退磁设施物理模型。

东西航向退磁设施物理模型结构如图3～图5所示，包括工作线圈和垂向、横向、纵向3种补偿线圈，具体参数如表1所示。

2）南北航向退磁设施物理模型。

南北航向退磁设施物理模型结构如图6～图8所示，包括工作线圈和垂向、纵向2种补偿线圈，具体参数如表2所示。

表1 东西航向退磁设施物理模型线圈参数Table 1 The coil parameters of the physical model of the deperming station in west-east direction

表2 南北航向退磁设施物理模型线圈参数Table 2 The coil parameters of the physical model of the deperming station in north-south direction

2.2 环形退磁线圈磁场模拟仿真

东西航向退磁设施物理模型磁场模拟仿真如图9所示，定义距离线圈底部0.5 m高度（大约是船模的水线位置）的船模运动路径为线圈磁场评估线。

线圈仿真尺寸如图3和图4所示。其中，当环形工作线圈峰值安匝量约为3 182 AT时，在评估线上纵向1 m长的范围内，工作磁场纵向分量峰值约为3 300 A/m；当纵向补偿线圈安匝量为38 AT时，在评估线上纵向1 m长的范围内，纵向补偿磁场纵向分量值约为40 A/m；当横向补偿线圈大圈安匝量为28 AT、小圈安匝量为280 AT时，在评估线上纵向1.5 m长的范围内，横向补偿磁场横向分量值约为40 A/m；当垂向补偿线圈安匝量为127 AT时，在评估线上纵向8 m长的范围内，垂向补偿磁场垂向分量值约为40 A/m。

南北航向退磁设施物理模型磁场模拟仿真如图10所示，定义距离线圈底部0.5 m高度（大约是船模的水线位置）的船模运动路径为线圈磁场评估线。

线圈仿真尺寸如图6和图7所示。其中，当环形工作线圈峰值安匝量约为3 182 AT时，在距离线圈底部0.5 m高度（大约是船模的水线位置）的船模运动路径上纵向1 m长范围内，工作磁场纵向分量峰值约为3 300 A/m；当纵向补偿线圈安匝量为38 AT时，在距离线圈底部0.5 m高度的船模运动路径上纵向1 m长范围内，纵向补偿磁场纵向分量值约为40 A/m；当垂向补偿线圈安匝量为127 AT时，在距离线圈底部0.5 m高度的船模运动路径上纵向8 m长范围内，垂向补偿磁场垂向分量值约为40 A/m。

2.3 船模退磁试验

船模试验分别在水面船舶、水下船舶等4种磁性船模上进行，包括南北航向、东西航向2种状态。

2.3.1 水面船舶1的船模试验

1）船模参数：长度4.20 m，宽度0.43 m。

2）退磁试验过程及试验结果。

（1）东西航向退磁试验。东西航向退磁时，工作线圈电流30 A；纵向补偿线圈电流0 A，横向补偿线圈电流-10 A，垂向补偿线圈电流-15.5 A。原始磁场最小值5，最大值39；退磁结果最小值-2，最大值3。

（2）南北航向退磁试验。南北航向退磁时，工作线圈电流30 A；纵向补偿线圈电流4.5 A，垂向补偿线圈电流-15 A。原始磁场最小值-70，最大值100；退磁结果最小值-9，最大值14。

（3）试验结果分析。东西航向退磁时，补偿电流容易调节，通电次数少，且可以达到要求，能达到非常好的退磁效果。南北航向退磁时，补偿电流难以调节，通电次数多，且最终无法达到要求，退磁效果较差。

2.3.2 水面船舶2的船模试验

1）船模参数：长度4.86 m，宽度0.53 m。

2）退磁试验过程及试验结果。

（1）东西航向退磁试验。东西航向退磁时，工作线圈电流30 A；纵向补偿线圈电流0 A，横向补偿线圈电流0 A，垂向补偿线圈电流-20 A。原始磁场最小值-12，最大值52；退磁结果最小值-5，最大值4。

（2）南北航向退磁试验。南北航向退磁时，工作线圈电流30 A；纵向补偿线圈电流6.5 A，垂向补偿线圈电流-15 A。原始磁场最小值-21，最大值94；退磁结果最小值-4，最大值20。

（3）试验结果分析。东西航向退磁时，补偿电流容易调节，通电次数少，且可以达到非常好的退磁效果。南北航向退磁时，补偿电流难以调节，通电次数多，且最终无法达到要求，退磁效果较差。

2.3.3 水下船舶1的船模试验

1）船模参数：长度3.09 m，宽度0.30 m。

2）退磁试验过程及试验结果。

（1）东西航向退磁试验。东西航向退磁时，工作线圈电流30 A；纵向补偿线圈-0.8 A，横向补偿线圈电流-10 A，垂向补偿线圈电流-19 A。原始磁场最小值-40，最大值89；退磁结果最小值-5，最大值3。

（2）南北航向退磁试验。南北航向退磁时，工作线圈电流30 A；纵向补偿线圈电流6.5 A，垂向补偿线圈电流-15 A。原始磁场最小值-26，最大值10；退磁结果最小值-9，最大值9。

（3）试验结果分析。东西航向退磁时，补偿电流容易调节，通电次数少，且可以达到非常好的退磁效果。南北航向退磁时，补偿电流难以调节，通电次数多，且最终无法达到要求，退磁效果较差。

2.3.4 水下船舶2的船模试验

1）船模参数：长度3.06 m，宽度0.31 m。

2）退磁试验过程及试验结果。

（1）东西航向退磁试验。东西航向退磁时，工作线圈电流30 A；纵向补偿线圈-2.1 A，横向补偿线圈电流-20 A，垂向补偿线圈电流-18 A。原始磁场最小值-8，最大值72；退磁结果最小值-3，最大值4。

（2）南北航向退磁试验。南北航向退磁时，工作线圈电流30 A；纵向补偿线圈电流5.5 A，垂向补偿线圈电流-17.5 A。原始磁场最小值-40，最大值25；退磁结果最小值-3，最大值3。

（3）试验结果分析。东西航向退磁时，补偿电流容易调节，通电次数少，且可以达到要求，能达到非常好的退磁效果。南北航向退磁时，补偿电流较难调节，通电次数多，但最终可以达到要求。

2.3.5 船模退磁试验结果分析

船模退磁的试验结果如表3所示。从表中可以看出，在东西航向，4种船模都可以以较少的通电次数达到合格要求；而在南北航向，通电次数较多，3种船模均无法达到要求，1种船模经过多次调整可以达到要求。可见，在东西航向退磁比在南北航向退磁具有优势，环形工作线圈退磁设施应选择在东西航向进行退磁。

表3 船模退磁试验结果总结Table 3 The test results of ship model deperming

3 实船退磁可行性分析

上述退磁设施物理模型的线圈布置基本是按照实际退磁设施尺寸的1/30布置的，因此可以按照这个比例进行放大，设计相应的实际退磁设施。

3.1 工作线圈布置

在上述物理模型试验中，工作线圈电流达到30 A时，可以对4种船模进行效果良好的退磁，工作线圈电流小于此数值则会给退磁造成困难。考虑到工作线圈匝数为75匝，并且由于工作电流为50 Hz的交流电，其峰值是有效值的倍，那么工作线圈的峰值安匝量为30××75=3 182 AT。在距离线圈底部0.5 m高度（大约是船模的水线位置）的船模运动路径上纵向1 m长范围内，工作磁场纵向分量峰值为3 300 A/m。在实际的退磁设施建设中，工作线圈在规定位置（船舶水线位置）处产生的工作磁场峰值也应不低于3 300 A/m。

在实际退磁设施设计中，最大的被退磁目标船舶可以考虑为船宽约20 m，桅杆距离海面的高度约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），考虑潮差涨落的因素，可以将环形工作线圈在海面以上的高度设计为35 m，在海面以下的深度设计为10 m，工作线圈的宽度可以设计为30 m，如图11所示。

如果按照1∶30的比例对物理模型进行放大设计时，则工作线圈的安匝量为30×3 182=95 460 AT。

若按照海平面位置处进行设计，当工作线圈的安匝量为132 000 AT时可以达到3 300 A/m的磁场要求。在海平面位置处，在工作线圈中间位置的纵向30 m长路径上，工作磁场的纵向分量峰值约3 300 A/m。

综合上述2种情况，可以考虑将工作线圈安匝量取为100 000 AT。

3.2 补偿线圈布置

根据表3可知，在东西航向，纵向补偿线圈最大电流为2.1 A，则其安匝量为2.1×10=21 AT；横向补偿线圈最大电流为20 A，则其安匝量为大圈20×3=60 AT，小圈 20×30=600 AT；垂向补偿线圈最大电流值20 A，则其安匝量为20×10=200 AT。将上述安匝量乘以比例系数30，就可以得到实际退磁设施所需要的安匝量，如表4所示。

表4 退磁设施补偿线圈参数Table 4 The compesating coil parameters of the deperming station

3.3 退磁工艺

工作电流的波形如图12所示，采用通用的整流退磁电源供电。

3.4 电缆和电源参数的选择

实际退磁设施总的电缆和电源需求如表5所示。

表5 退磁设施线圈和电源参数Table 5 The coil and power supply parameters of the deperming station

3.5 实际退磁设施总体布置和使用方法

实际退磁设施中，主要包括4个主要组成部分：线圈系统、电源系统、测磁系统和控制系统。如图13所示，岸上布置了电源室和控制室，海中布置了线圈系统和测磁阵列。

进行船舶退磁时，被退磁船舶按照规定的航迹航行穿过环形工作线圈进行磁性处理，然后从测磁阵列上方通过，检测其磁场特征。如果没有达到合格指标，则调整补偿电流，被退磁船舶再次航行穿过环形工作线圈进行磁性处理，直到合格为止。

一般情况下，被退磁船舶穿过环形工作线圈时，应保持在3～5 kn的航速匀速通过。首次退磁的船舶，10～16个航次就可处理到合格，退磁速度可以达到4 h/艘；非首次退磁船舶5～8个航次就可以达到合格要求，退磁速度可以达到2 h/艘。

4 结 语

环形工作线圈退磁设施应选择在东西航向进行退磁，因为在东西航向退磁比在南北航向退磁具有优势。环形工作线圈退磁设施的优点是被退磁船舶机动性好，退磁速度非常快，退磁电流容易调节，退磁效果好，建设费用低，可以大幅度地缩短船舶退磁时间，具有重要的军事意义和显著的经济效益。