三轴线圈磁体模拟产生舰船磁场的方法*

黎敏谦 陈菊秋 李 雪

(海军工程大学 武汉 430033)

1 引言

钢质结构的舰船,在地磁场中被磁化而在周围产生磁场,会使该点的地球磁场产生明显的畸变。虽然,有些舰船采取了消磁措施,但最多也只能是减弱,不可能完全消除。因此,其很自然地就成为了鱼水雷武器的启动信号。而对于舰船,由于其外部形状的不规则性,以及内部的不均匀性,其磁场的分布也是不规则的[1]。一般来说,在一艘舰船的通过特性中,Hx、Hy、Hz三个分量各有两个或两个以上的正、负半波,且三个分量的变化规律,如相位特性、频率特性和梯度特性等,都是不一致的。如图1所示[2]。目前,我们模拟产生舰船磁场大多采用多体单轴线圈通电产生三轴磁场分量的方式,这样产生的三轴分量仅由单一电流来控制,因此其变化规律都是随单一电流的变化而变化的,从而在利用其模拟舰船磁场时,就不可避免的产生了偏差。而现代智能水雷正是利用舰船全磁场[3～4]这一点来识别扫雷具,以提高水雷抗扫性的。但是无论哪种智能化的水雷用哪种方法进行目标识别,它归根到底还是利用了扫雷具产生的磁场变化规律与舰船磁场不同这一点,从而对抗的焦点就在于两者之间的区别。因此,要想有效地对抗高智能化的水雷,就必须设法使电磁扫雷具产生的磁场与舰船磁场能够很好的拟合,即设法消除或减小两者之间的区别。为了解决这一问题,我们不妨利用三轴磁体模拟舰船磁场的方法。

2 磁体的设计

图1 某型军舰磁场通过特性曲线

作者设计了一种三轴磁体。该磁体由三个正交的铁芯和线圈组成一个整体。它利用磁化线圈通电所产生的磁场将铁芯磁化,在线圈组周围产生合适强度的三轴正交磁场,从而模拟出舰船的磁场。电磁线圈组是利用螺线管电磁铁原理而制成的。电磁线圈组长度为4m,直径为0.8m,总重约2.2T。总体结构如图2所示。线圈1为整个扫雷磁体的主体,与线圈2、线圈3相互正交并且固定于线圈1内,线圈之间用聚胺脂材料填充,可起到固定、保护、减振和提供浮力的作用。

图2 磁体的总体结构图

经设计计算,电磁铁1的线圈匝数为500匝,电磁铁2的线圈匝数为100匝,电磁铁 3的线圈匝数为150匝。线圈均经高温抽真空浇注环氧树脂材料填充而成。三个线圈上均设有两个接头,各线圈分别绕在各自的铁芯上,互为独立,经聚胺脂材料填充而构成整体。

3 磁体的磁场的建模

一般情况下,当计算距离远大于磁体尺寸时,就可将磁体磁场计算[5]简化为磁偶极子磁场的方法来计算。

设空间磁偶极子M处在直角坐标系的原点,它在空间任一点p(x,y,z)产生的磁场强度分量值为:

由于线圈1只在水平方向上运动,故Mz=0,M应为水平偶极子,其偶极矩M值,可采用简单的载流圆环在轴线上产生的磁场加以等效即可得到,如图3所示的等效磁场。

从电流的观点来看,在P点只产生磁场轴向分量为:

图3 等效磁场

从磁矩的观点看,相应的水平偶极子M产生的轴向磁场分量为:

设磁体总体坐标如图3所示。假设线圈1、线圈2和线圈3,分别通以电流 I1、I2和I3。

其中R=0.8m;W1=500匝,S2≈2.68m2,W2=100匝,S3=2.98m2,W3=150匝,-30A＜I1,I2,I3＜30A。由式(1)可以算出磁场的 Hx、Hy、Hz;利用 H=Hx+Hy+Hz从而计算出整个磁场的强度。

4 计算仿真分析

为分析和确定其效果,下面按设计计算要求,对其磁场进行简要的仿真[6]。根据上述三个分量的磁矩计算公式和利用公式组(1)我们可以计算出Hx,Hy,Hz。

为了简化起见,我们不妨只找几种特殊情况的状态来讨论Hx,Hy,Hz的关系。

1)当 I1=30;I2=0;I3=0时,在-200＜x＜200;-200＜y＜200;z=100的范围内,利用MATLAB仿真有:

由图可知,当仅有线圈1通正电流时,此时相当于单轴磁体的情况,Hx在x的正负方向较窄的区域内分别出现一个正波,在其他方向呈负波状态。Hy在坐标的1相限和3相限出现正波,在2相限和4相限出现负波。Hz在坐标的2和3相限出现负波,在1和4相限出现正波。在坐标原点上出现 Hx、Hy都为0的情况。

2)当 I1=30;I2=-30;I3=0时,在-200＜x＜200;-200＜y＜200;z=100的范围内,利用MATLAB仿真有:

对照只有线圈1通正电的情况,我们发现由于线圈2的通正电,使整个磁场的分布发生了变化:对照图4和图7可知,对Hx的影响是使Hx的负波向左旋转了一定的角度,而正波的分布基本不变;对照图5和图8可知,对Hy的影响最大,基本上是Hy进行了重新分布。对照图6和图9可知,对Hz的影响最小,分布基本上没有变化。

3)当I1=30;I2=I3=-30。为了清楚的看出磁场的分布,在-1000＜x＜1000;-1000＜y＜1000;z=100的范围内,利用MATLAB仿真有:

由图可知,当三个线圈同时通以电流时,此时相当于三轴磁体的情况,对照图7、图8、图9可知,我们发现由于线圈3的通电使磁场的分布发生了一定的变化,其中Hx,Hy的分布基本不变,而Hz基本进行了重新的分布。

4)当I1=30;I2=I3=-15。为了清楚的看出磁场的分布,在-1000＜x＜1000;-1000＜y＜1000;z=100的范围内,利用MATLAB仿真有:

由图可知,当对线圈通入的电流大小进行调整时,Hx,Hy,Hz的分布基本不变,而仅仅是磁场强度大小在三个方向上的变化。

5 结语

通过以上的MATLAB仿真分析可知:三个线圈各自通入电流的大小和极性的变化,都能引起磁体所产生磁场的分布状态的变化。当线圈1、2和3各自向外辐射磁场时,其仅对它所对应的 Hx、Hy、Hz的分量大小和分布起决定性作用,而对其他两个方向的分量磁场只起调节作用。由此可以推断,若三个线圈同时通入的电流大小、极性和频率等都不相同时,所产生的磁场 Hx、Hy、Hz的大小、方向及频率等也会有差异。这就有效地降低了磁体在工作时所产生的三个磁场分量的相关性,更能有效的模拟舰船磁场,以提高其拟合度,从而达到提高其作业效率的目的。

[1]王潜,肖昌汉.设备磁场对全船磁场的影响[J].海军工程大学学报,2003,15(2):41～44

[2]林春生,龚沈光.舰船物理场[M].北京:兵器工业出版社,2007,10

[3]隗燕琳,肖昌汉,陈敬超,等.由舰船垂直分量磁场获得其三分量磁场的研究[J].哈尔滨工程大学学报,2008,29(2):111～114

[4]王新华,高洪林,穆连运.智能引信在水雷武器中的应用[J].四川兵工学报,2009,30(7):31～34

[5]周耀忠,唐申生.任意形状通电线圈磁场的计算[J].海军工程大学学报,2009,21(3):71～74

[6]王正林,龚纯,何倩.MA TLAB科学计算[M].北京:电子工业出版社,2008,5