工频交流电用作磁性处理主电源初步研究

李志新，朱武兵

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

0 引言

在磁性处理勤务中，为达到消除舰船固定磁场的目的，磁性处理主电源通常需产生图1所示的正负交替、幅值逐步衰减的脉冲电流，电流波形（幅值、上升下降时间、超调量等）要求严格，这就对磁性处理主电源提出了很高的要求。

图1 常用磁性处理主电源电流波形

有关文献表明[1,2]，要对铁磁材料进行磁性处理，作用于其上的脉冲磁场最大幅值应满足式（1）

其中，xm——铁磁物质的最大磁化率；N——物体的退磁系数；Hc——铁磁材料的矫顽力。

还有文献表明[1,3,4]，铁磁物体处于交变磁场中时，由于受涡流磁场的影响，磁场的幅值随着深度的增加而逐渐减小，其渗透深度为

其中μ为铁磁物体磁导率，σ为铁磁物体电导率，f为交变磁场频率，δ为趋肤的深度。若铁磁物体的厚度为 10 mm，σ为 107S/m，μ=100μ0，则给该铁磁物体进行磁性处理时，若脉冲磁场的最大幅值仅比式（1）所要求的略大，则其频率应远远小于2.53 Hz。故常用的脉冲式磁性处理主电源，脉冲持续时间和脉冲间隔时间均为数秒，其交变的频率极低[1,2]。

1 磁性处理主电源可行性的理论分析

图2 涡流磁场与工作磁场

一个长为l，宽为b，厚为a，电阻率为ρ的铁磁物体处于交变工作磁场B中，将感应出电势，产生涡流电流，进而产生涡流磁场，如图2所示。沿电流方向将钢板分成许多厚度为 dr，宽为 2r,长为 2ra/b的金属薄筒，对涡流磁场进行较为粗略的估算，任意薄筒内的感应电动势为[3]

取工作磁场B=B0sinωt，不考虑电感时，该薄筒的涡流电流为

图2所示铁磁物体产生的涡流磁场由边缘向中心逐渐增强，中心的涡流磁场为

式（5）所得的涡流磁场未考虑电感，超前工作磁场 90°，实际上电感不可避免，而且电感的大小受多种因素影响，涡流磁场超前工作磁场（90°-φ），相应的φ的大小也受诸多因素影响，受频率的影响尤为显著。铁磁物质受工作磁场和涡流磁场的叠加磁场的作用，如图3所示。

由图3可知，总磁场幅的大小可能大于也可能小于工作磁场幅值，角度φ的影响甚大。在高频的情况下，φ趋于90°，工作磁场与涡流磁场方向相反，二者相互抵消，铁磁物体内的合成磁场幅值由边缘向中心逐渐减小，即为趋肤效应。而低频情况下，角度φ较小，合成磁场幅值可能大于工作磁场，所以当工作磁场的频率为工频（50 Hz）时，合成磁场的幅值极有可能大于工作磁场幅值。根据有关文献的分析，当作用在铁磁物质上的交变磁场的初始幅值满足式（1）时，即可对铁磁物质进行磁性处理，表明基于工频交流电的磁性处理主电源在理论上是可行的。

图3 工作磁场与涡流磁场合成后的总磁场

2 磁性处理主电源试验研究

用基于工频交流电的磁性处理主电源产生正弦式磁性处理工作电流（以下简称正弦电流），如图4（a）所示，用脉冲式磁性处理主电源产生脉冲式磁性处理工作电流（以下简称脉冲电流），如图4（b）所示，其中正弦电流从最大值衰减到接近零所需时间约为10～20 s，脉冲电流的衰减率为6%，每个脉冲持续时间为2 s，脉冲间隔时间为2 s，脉冲个数为49。

用图4所示的两种磁性处理工作电流分别对长度 1000 mm，宽度 200 mm，厚度 28 mm 的钢板从纵向方向进行磁性处理，处理效果如图5所示。在工作线圈匝数一定的情况下，从6 A开始，逐步增大正弦电流和脉冲电流的最大值，正弦电流最大有效值为 15 A时可将钢板固定磁场处理到比较理想范围（1000 nT以内），而脉冲电流最大值为15 A时，固定磁场值几乎不变（10000 nT左右），如图 5（a）所示（每两个测量点间间隔100 mm，下同）；继续增大正弦电流和脉冲电流的最大值，至40 A时，两种工作电流均能将钢板固定磁场处理到比较理想范围（1200 nT以内），如图5（b）所示。

图4 磁性处理工作电流

图5 厚钢板纵向磁性处理效果

用图4（a）所示正弦式电流对上述的厚钢板从垂向方向进行磁性处理，处理效果如图6所示。在工作线圈匝数一定的情况下，正弦电流最大有效值从50 A逐渐增加。增加到96 A时，固定磁场被处理到较为满意的范围（1000 nT以内）。受试验条件的限制，没有采用脉冲电流对厚钢板从垂向方向进行磁性处理。

图6 厚钢板垂向磁性处理效果

图7 厚艇模

图8 厚艇模纵向磁性处理效果

用图4所示的两种磁性处理工作电流分别对图 7 所示的，长 1000 mm，舯宽 200 mm，厚 9 mm的厚艇模从纵向方向进行磁性处理，处理效果如图8所示。在工作线圈匝数一定的情况下，从6 A开始，逐步增大正弦电流和脉冲电流的最大值，正弦电流最大有效值为8 A时可将钢板固定磁场处理到比较理想范围（除个别点外，均在1000 nT以内），而脉冲电流最大值为8 A时，固定磁场值几乎不变（5000 nT），如图8（a）所示；继续增大正弦电流和脉冲电流的最大值，至25 A时，两种工作电流均能将钢板固定磁场处理到比较理想范围(1300 nT 以内), 如图 8（b）所示。

3 小结

对比正弦电流和脉冲电流的磁性处理效果，可见，在试验条件相同、磁性处理效果相近时，无论是对厚钢板还是对厚艇模的纵向方向的磁性处理，正弦电流所需幅值均不及脉冲电流所需幅值的二分之一；正弦电流对钢板垂向方向进行磁性处理时的处理效果进一步说明了，式（2）对磁性处理工作电流的约束有待进一步研究；经试验验证，基于工频交流电的磁性处理主电源至少在实验室范围内是可行的，与脉冲式磁性处理主电源相比较，具有所需最大幅值小，单次通电所需时间短、耗能量少，容易实现等特点，有开展进一步研究向工程应用实践推广的价值。

参考文献：

[1]周国华, 肖昌汉. 铁磁学[M]. 海军工程大学, 2014.

[2]郭成豹. 舰艇磁性处理技术[M]. 海军工程大学, 2015.

[3]龚善初. 涡流与趋肤效应[J]. 常德师范学院学报, 2000.

[4]张忠龙. 关于舰船涡流磁场的几个问题[M]. 海军工程学院, 1983.