一种模拟舰艇全磁场的二轴磁体设计

陈 浩，林春生，吕红伟

（1.海军工程大学 兵器工程学院，湖北 武汉430033；2.中国人民解放军91194部队，辽宁 大连116011）

0 引言

大量的测量研究表明，在舰船下方舰船磁场横向分量Hy的大部分磁场存在死区，其量值较小，作用也较小；而量值较大，取主要作用的是磁场纵向分量Hx和磁场垂直分量Hz[1]。而且其三轴磁场的变化规律和特性是不一样的。所以模拟舰船磁场主要模拟纵向分量Hx和垂直分量Hz。同时，从磁场产生的本质来看，模拟最重要的指标是要模拟目标舰船产生磁场的大小和各分量磁场的变化规律和基本特征要求，才能提高模拟精度[2]。

磁体是水下实场模拟舰船磁场的关键设备，它的好坏将直接关系到使用性能和磁场产生的基本特性，因此必须引起高度重视。由于老式单轴磁体只能通入一种变化的电流，就决定了其只能产生单轴磁场，其所谓的三轴磁场的形成，其实就是其总量磁场的矢量在3个分量坐标轴上的投影，其变化关系特征是基本相同的；只有当多个磁体组成线列阵，且运动轨迹不在同一直线上时，才可能在某区域的某点处，由于多个磁体磁场的叠加效果，形成某些变化。因此，多个单轴磁体产生真正的三轴不一样的变化磁场是非常有限的。通过大量的调研、磁场测量实验和现场实用体验，发现老式单轴磁体主要存在以下几个问题急待改进。

1）现有单轴磁体满足不了三轴磁场独立分析的高智能化水下磁场测控分析仪的对抗要求。

研制线列阵电磁体的目的是有效对抗高智能化水下磁场测控分析仪的挑战。真正的智能磁场测控分析仪都是采用三轴磁传感器来接收磁场信号的，即不但感知该点处的总磁场，而且能随时感知三轴方向的不同磁场的变化规律。舰船磁场是由剩磁、大地感应和船电交变磁场等叠加而成，其三轴磁场的变化特性是不一样的。而现有单轴磁体所产生的三轴磁场其变化特性都是一样的。那么，真正的高智能化的磁场测控分析仪，只要对三轴分量的磁场分别进行独立的信号特性分析，就会很容易地能够分辩出这是真正的舰船磁场还是磁体模拟所产生的磁场。其实真正的高智能化的水下磁场测控分析仪就是利用船船磁场和电磁体所产生磁场的差别来抗扫的。所以单轴磁体是满足不了对抗三轴磁场独立分析的高智能化的水下磁场测控分析仪的要求，必须重新研究设计二轴磁体。

2）抗炸性能有待进一步提高。

单轴磁体的线圈是绕在一个密封的铁质圆筒上，当近距离水中爆炸时，由于密封的铁质圆筒内空气容易压缩的原因，内外压差的突变，将使铁质圆筒迅速变形，线圈就会断裂而报废，所以抗炸性能有待进一步提高。

3）国外的二轴磁体，体积庞大而又笨重。

国外所了解到的二轴磁体，因二轴线圈和铁芯互相独立，二轴磁环轴线正交，至使体积庞大而又笨重，这不但限制了使用平台的条件，而且操作使用也十分不便。因此，需要研制适合使用平台的二轴磁体。

综上所述，为了克服上述问题，必须重新设计研制一种体积小、重量轻的开放式的二轴磁体。本方案就是一种研制成功的上述二轴磁体。它的研制成功，将在对抗效率、使用安全和可靠性上会有重大突破：不但现有单轴磁体可以换装，而且新生产的产品可按新方案生产；特别是在磁体设计结构上将是一个大的创新，其他磁体模拟舰船磁场产生的方式都可按此技术进行改装，具有一定的军事和经济应用价值。

1 结构设计

针对上述单轴磁体存在的问题，着眼未来使用需求，新型二轴磁体设计必须满足下列几项基本要求：

1）能产生相互垂直的二轴磁场，相互产生磁场影响度误差不大于10%。

2）根据现有装船条件不变的要求，磁体的总重量，外形尺寸要符合现有要求。

3）根据磁场对抗指标要求：单个磁体的最大磁矩不小于指标；原单轴磁体模拟精度只有50%左右，二轴磁体要达到80%以上的精度。

4）采用磁体开放式设计结构，内充聚胺脂浮芯，保证正浮力满足要求。

5）使其抗炸性能高于现有的磁体指标。

为了满足上述5点要求，最后确定了如下总体设计方案：二轴磁体结构原理示意图如图1所示。

图1 二轴磁体结构原理示意图Fig.1 Schematic diagram of two-axis magnet’s structure principle

把同一圆筒形铁芯做成中间段壁薄，两端壁厚，再把螺线管绕组绕在中间段壁槽内，设计壁槽内空间正好绕满螺线管绕组所要求的线圈匝数，然后在两端壁厚段按图1所示位置绕制马鞍形绕组。这样螺线管绕组产生纵向磁场，而马鞍形绕组产生垂直磁场，只要马鞍形绕组绕制时定位准确，那么二者所产生的磁场正好正交，保证了二轴相互垂直磁场的产生。

磁体总体采用开放式设汁，在浮芯和铁芯圆筒之间加5道加强圈，加强圈圆环内有许多圆孔，保证水流畅通。由于加强圈的增加，提高了圆筒形铁芯的耐压性能，同时由于水流的传压作用，也可减缓压差的形成，这样的结构形式是能够提高抗炸性能的。另外加强圈的安装还保证了浮芯的固定位置和与圆筒铁芯之间的间隙通道，保证水流通畅，达到降温散热的效果。磁体头尾罩设计采用开放式的栅状结构，用锰钛合金材料制成，可减小重量和提高强度，头尾罩内部和铁芯圆筒内均安装有由聚胺脂材料制成的浮芯，以保证的正浮力要求。铁芯用材料非常重要，虽说冷轧电工钢比DT4C超导电工纯铁的价格要高，但磁特性却好了很多，其最大磁导率可达38 000。为了达到减小体积和重量的要求，设计选用冷轧电工钢做铁芯[3-6]。

2 磁场激发原理

按照磁荷理论的观点，磁介质分子可看作是磁偶极子分子，磁化就是大量的磁偶极子分子在磁场力的作用下，按规则重新取向，即按正、负磁荷重新聚集两端的过程。本方案中螺线管线圈通电磁化的作用是把铁芯中一半磁偶极子分子按正、负聚集于铁芯两端，而马鞍形线圈通电磁化的作用是把铁芯中另一半磁偶极子分子按正、负聚集于铁芯上下两边的端部。基本原理如图2所示。

图2 同一铁芯被正交磁场磁化示意图Fig.2 Schematic diagram of the core is magnetized by an orthogonal magnetic field

根据理论分析可知，采用一个铁芯进行两绕组的方案是可行的。再者我们从舰船磁场特性分析可知，舰船可以看成是一个被磁化的大磁体，也可以看成是一个由无数磁单元分体聚合而成的，被均匀磁化的旋转椭球体，即无数磁偶极子迭加的总磁体。那么同样的道理，也可以用一个铁芯，同时被多个线圈通电磁化，而变成多个磁偶极子迭加的总磁体。从电机学的观点我们知道，三相交流发电机和三相交流电动机的定子都是由一个铁芯和相差120°相位差的三相绕组所组成。其当分别通入三相变化的电流时，就能产生三相变化的磁场，使其产生旋转磁矩，使转子转动起来，这就是三相交流电动机原理，反之，就是所谓三相交流发电机原理。在这个事例中我们可以看到，同一铁芯可以被3个不同相位的绕组所利用，能够分别产生三相时间差的交变磁场。那么，本方案的一个铁芯也一定可以被相位相差90°的2个绕组所利用，所以，同铁芯二绕组方案是可行的。如果用2个独立的铁芯，外部铁芯将对内部铁芯磁场向外发散反而构成磁阻影响。原理示意如图3所示。

图3 外部铁芯对内部磁场向外发散的磁阻影响示意图Fig.3 Schematic diagram of influences of external core on internal magnetic field’s magnetoresistance diverging outward

通过以上分析证明，同用1个铁芯不仅是可行的，而且比独立用2个铁芯更有利于磁场的向外发散，同时更能减小磁体的体积和重量[7-8]。

3 实验研究

实验的主要目的就是要验证二轴线圈产生磁场的相关性和相互影响的程度，以及磁体所产生的磁场沿坐标分布的关系特征是否满足模拟舰船磁场特征的要求，同时还要验证磁体所设计的参数和产生磁场的强度参数是否满足模拟目标舰船的磁场强度的技术指标要求。

1）实验原理。

按照相拟理论的相拟判据条件，根椐磁体实际设计的诸参数指标，按10∶1的比例尺寸制作磁体模型。磁体模型实物形状见图1所示：将磁体模型按水地坐标方位安装固定于可左、右、前、后移动的滑动车架上，磁体的2个绕组分别接入能独立供电，且连续可调的二组直流稳压电源。将磁探头固定安装于水池坐标中O点处，磁探头规定的南北方向与坐标X轴方向重合一致，磁探头规定的东西方向与坐标Y轴方向重合一致，则垂直方向以磁体下方为正，调整磁探头高低位置，就是改变Z轴测量位置，即磁体下方不同深度位置。当磁体随滑动车架按坐标位置移动时，就相对改变了磁体与磁探头的相对位置，从而所测磁场强度值将随之改变。当不断改变磁体各绕组之间通入电流的大小和方向时，磁体所产生的磁场也就随之而改变，这样就可测得不同的磁场强度参数。根椐改变磁体各绕组之间通入电流的大小和方向的各种情况下所对应的所测磁场强度的数据分析，就可判断二轴线圈产生磁场的相关性和相互影响的程度。当固定通入电流的模式和大小，同时固定其水平某轴坐标，而改变水平另一坐标值，就可测到磁场的平面分布关系。当改变磁探头的上下位置时，可测到磁体下方不同深度的磁场强度参数。根据这些数据分析，不但可以了解磁体产生磁场的分布特性，还可以判定设计参数的准确性和产生磁场的强度参数是否满足模拟目标舰船的磁场强度的指标要求。当然，只要移动磁探头位置，测磁仪必须重新进行地磁补偿和进行背景磁场测量。为降低剩磁的影响，每进行一次通电实验测量后，都必须对磁体进行消磁处理，特别是当改变磁体线圈通电方向时，反向剩磁将严重影响测量精度。

2）磁体2绕组8种不同通电形式和电流大小变化情况的实验。

通过两绕组的8种不同通电方式的实验分析证明，磁体螺线管绕组的通电极性和通入电流的大小，决定了纵向分量磁场产生的方向和大小；而马鞍形绕组的通电极性和通入电流的大小，决定了垂直分量磁场产生的方向和大小。同时两绕组可以同时按自已的通电方式同时工作，且相互影响有限，估算平均影响程度误差在3.64%以内；只有两线圈之间反相通电时，影响误差最大，但也没有超过9%。匝数多少和产生磁场大小是符合正比关系的，所以其基本具有独立性，两绕组工作时所产生的横向分量磁场很小，可以忽略不计。

3）在相同水平坐标下，磁体不同深度的磁场强度实验结论。

根据不同深度所测Hz的数据绘制的磁场强度哀减曲线如图4所示。

图4 磁体磁场Hz随深度的变化曲线图Fig.4 Curve diagram of magnet’s magnetic field Hz changing with depth

从图4磁体磁场Hz随深度的衰减曲线图中可以看出，当深度变化乘倍增加时，磁体所产生的磁场强度值基本上是按指数规律下降的，这符合磁场理论衰减规律。根据测量数据，按相似理论分析，当实际磁体两绕组通入10 A电流时，其在磁体下方12 m的深度处垂直分量磁场Hz可产生9.5 μT的磁场。按舰船消磁标准8 000 t船在0.8倍船宽的深度下，垂直分量磁场Hz的绝对值在1 μT以下。例如，某船宽度是17.84 m，则0.8 × 17.84 m ＝14.272 m的深度处垂直分量磁场Hz的绝对值在1 μT以下。很显然，实验数据证明，该磁体在该深度处所产生的磁场是要大于这个数值的，所以，新设计的磁体参数是能够满足模拟目标舰艇磁场的强度要求的。

4）磁体三轴磁场在水平坐标方向上分布变化情况的实验。

处理实验数据所制作的分布曲线图太多，由于篇幅所限，现只例Hz在X轴方向的分布状态如图5所示。

图5 Hz在X轴方向的分布状态Fig.5 Distribution state of Hz in X-axis direction

从分布曲线图可以看出，磁体所产生的三轴磁场，在水平面坐标轴上的分布特征是符合舰船磁场分布特征的基本要求的，虽说对称关系和零点位置有一些偏移，这是由于模型尺寸设计和线圈绕制误差和测量误差所造成。由于没有横轴方向的线圈，所以Hy的磁场份量很小，但其基本分布特征关系还是非常明显的显现出来了。通过实验测量证明用这种结构形式的磁体去实场模拟舰船磁场，在分布状态上是没有问题的，完全可以满足舰船磁场分布特征的基本要求。这种开放式的磁体设计方案，不仅有利于磁体散热降温，而且更有利于磁体抗炸性能的提高[9-11]。

4 结束语

提出的一种二轴磁体的模拟方法解决了单轴磁体模拟舰船磁场的不足。采用的同铁芯、两绕组、同轴线和不同绕制方法按10∶1的比例制作了磁体模型，实验结果表明本方案设计的二轴磁体在有效模拟舰船磁场特征的同时，还有效地减小体积和重量。

此外，该方案中的同一铁芯被2个正交方向磁场所磁化，从而可以辐射出2个正交方向的分量磁场。系统可以分别控制2个线圈的通电电流大小和变化关系，不仅减小了电磁体向外辐射二个方向的磁场的相关性，而且还可以按不同要求来任意分别改变二轴线圈产生磁场的变化关系。为对抗高智能化的水下磁场测控分析仪提供了一种可靠的实施方法。