柴油机磁场的计算、试验与消磁优化

赵建华， 应宇辰，2， 郭成豹

(1.海军工程大学 动力工程学院， 湖北 武汉 430033；2.海军91202部队， 辽宁 葫芦岛 125000；3.海军工程大学 电气工程学院， 湖北 武汉 430033)

0 引言

船舶消磁主要是指船体消磁，有一套成熟的消磁理论和技术[1]，但如果扫雷舰的船体采用低磁材料制造，缺少船体的磁屏蔽作用，柴油机产生的磁场成为主要的消磁对象。柴油机的机体、曲轴、气缸盖等铁磁性部件在地磁场的磁化作用下会产生感应磁场[2]，目前，柴油机感应磁场的仿真计算和消磁技术研究还比较少。

研究柴油机磁场仿真和试验方法，获得地磁作用下一定深度平面上柴油机的感应磁场。基于计算获得三维磁场强度，利用抵消磁场法消磁，优化柴油机磁场分布，进而实现最佳消磁目标，具有重要的应用价值。

1 柴油机消磁研究概况

柴油机消磁研究包括柴油机磁场计算、试验及消磁，主要的技术手段有：无磁和低磁材料应用、有限元计算和三维磁场测试补偿等。

1.1 材料及零部件低磁化技术

柴油机是一种集多种机械运动方式、高机械强度、热- 机耦合、流- 固耦合等于一体的大型铁磁性动力机械，若采用无磁材料代替这些铁磁材料，其感应磁场就会大大降低。但低磁、无磁材料的强度低会导致柴油机的功率、抗冲击能力及可靠性下降[3]。

英国Paxman公司在20世纪80年代采用零部件磁性处理和线圈补偿技术，生产了4RP200E、6RP200E及SRP20OE等3型低磁柴油机，其无磁率约为56%. 德国MTU公司生产的柴油机按磁性大小可分为无磁率95%以上、无磁率70%和普通铁磁性3大类，MTU TB91型无磁柴油机应用于 “弗兰肯塔尔”级、 “哈默尔恩”级等舰艇。日本三井公司生产的12V42MA型、三菱公司生产的6NMU2TA1型和6MNC型无磁柴油机也处于世界领先地位。此外，其他无磁发动机还有意大利Isotta Fraschini公司的ID36SS-AM型低磁柴油机、Fincantieri公司的GMT BL230型柴油机和西班牙瓦特西拉公司的UD23V12型柴油机等。

另一种有效的低磁化方法是：对每一个零部件单独进行低磁处理再组装，可降低柴油机磁场。例如：2015年芬兰购买的3台MTU396型低磁柴油机中铁磁材料占90%，就是通过对曲轴、连杆、凸轮轴、涡轮增压器、缸盖和螺栓等共计约16 000个零部件进行消磁再组装而实现柴油机无磁化[3]。但采用这种方案制造的低磁柴油机难消磁却易磁化，需要配套消磁保障系统。

1.2 磁场测试及计算

杜志瀛[4]根据柴油机三维磁场测量结果，采用局部线圈补偿法，大幅度地降低了柴油机的磁场。但这种测量- 解析计算- 设置线圈的手段难以实现消磁最优化。随着有限元仿真技术的发展，可实现柴油机磁场的复杂计算。姜智鹏等[5]利用有限元分析Ansys软件实现了磁场有限元计算。刘胜道等[6]提出了一种柴油机磁场简化建模方法，并采用静磁场积分方程法，获得了柴油机的感应磁场。郭成豹等[7-8]、Roberts等[9]分析比较了几种经典的磁场数值计算方法[10-12]，可用于柴油机磁场计算分析。

2 柴油机磁场计算的基本理论

(1)

式中：φm为标量磁位；H为磁场强度。

(2)

式中：μ0为真空磁导率；B为磁通密度；M是磁介质的磁化强度。

(3)

式中：ρm为与M作用等效的体磁荷密度，满足

(4)

在无界空间中，(3)式的一个特解为

(5)

式中：φm(r)为点r处的标量磁位；ρm(r′)为点r′处的体磁荷密度；V为磁介质的体积；V′为点r′处的体积；R为从源点到场点的矢径。

(6)

磁介质在外磁场中被磁化，引起周围磁场的变化，该过程可以看作是许多磁偶极子连续分布的集合，它激发的场是无旋场。在分界面上，标量磁位φm满足

φmo=φmi，

(7)

(8)

(9)

3 柴油机磁场有限元计算分析

随着电磁场有限元仿真软件的发展，可采用等效磁荷法对地磁场磁化作用下柴油机磁场进行有限元仿真，磁场分析Comsol软件计算静磁场时所采用的是基于变分原理的有限元法[14]，可考虑影响柴油机磁场的诸多因素。

3.1 有限元建模

根据设计图纸，在保证机体结构细节对远场磁性影响很小的情况下，简化了部分圆角、长条面和小圆孔等细节，建立柴油机机体的三维模型，如图1所示。以12 m×12 m×18 m的长方体空间作为解析域，将柴油机机体和解析域形成联合体，设置边界条件，建立柴油机磁场仿真模型。

图1 柴油机磁场仿真模型Fig.1 Magnetic field simulation model of diesel engine

选用Comsol软件的“AC/DC-磁场，无电流(mfnc)”模块，设置机体材料为铸铁，其相对磁导率为400，空气的相对磁导率为1，温度采用默认值293.15 K. 模型中本构关系设置为相对磁导率；假定某地区的地磁场变化很小，设置背景磁场垂直分量值为45 600 nT.

3.2 划分网格

网格划分选择自由剖分四面体网格，模型采用极端细化模式划分，最大单元大小为0.36 m，最小单元大小为0.003 6 m，最大单元增长率为1.3，曲率因子为0.2，共形成3 518 137个域单元、190 236个边界单元和14 254个边单元，狭窄区域分辨率为1，如图2所示。

图2 有限元网格Fig.2 Finite element mesh

3.3 磁场计算及分析

基于柴油机磁场模型进行求解计算，获得了空间各个平面上和柴油机机体上的磁通密度，如图3所示。柴油机正下方磁通密度较大，如图3(a)所示；机体内部磁通密度流线分布因受柴油机结构影响而不均，磁通密度较大的区域集中在中间两气缸处，如图3(b)所示。

图3 磁通密度流线Fig.3 Flux density streamline

根据相关标准要求[15]，通常无磁性扫雷艇的磁性防护指标要求距艇体下方9 m标准深度测量时,其垂向磁通密度量级为几十纳特。在柴油机下方9 m的深度平面上布设考核节点，以柴油机的投影为边界，沿柴油机横向等分为3行，分别为-0.75线、0线、0.75线，每行取21个点，间距为0.75 m，组成由63个考核节点的点阵，如图4所示。

图4 布设考核节点Fig.4 Layout of checking nodes

在标准深度平面上，沿柴油机纵向，磁通密度呈现出明显的中心高、两端低的分布规律，最大值位于机体几何中心的正下方附近，为45 824.35 nT，去掉地磁场后，数值为224.35 nT，所以该柴油机必须经过消磁才能满足无磁性扫雷艇的磁性防护指标要求，如图5所示。

图5 考核节点磁通密度分布规律Fig.5 Distribution law of flux density at checking nodes

柴油机下方9 m平面上的磁场整体分布情况如图6所示，磁场呈椭圆形分布，平面正中心位置磁通密度最大，距离中心越远，磁通密度越小。

图6 磁通密度分布Fig.6 Flux density distribution

4 柴油机磁场试验验证

在某地(地磁场分量数值为4.56×10-5T)开展试验测试，首先对柴油机进行消磁，然后在柴油机再次被地磁场磁化后进行测量。将柴油机悬置于2 m高度，如图7所示。然后再在柴油机纵向、横向中轴线下方2 m处的地面上分别确定21个磁测节点，利用磁探头进行测量。将测量结果与仿真计算结果进行比对，测量值与计算值之间的差值不超过10 nT，计算误差小于5%，在工程应用允许的范围之内，如图8所示。

图7 测量对象的布置方式Fig.7 Layout of measuring objects

图8 测量值与计算值对比Fig.8 Comparison of measured and calculated values

5 基于磁场仿真的消磁及优化

5.1 消磁方法

在柴油机上方0.5 m处设置4只电磁铁，对柴油机机体进行消磁。

根据仿真结果显示的特征，磁通密度集中分布于机体的顶角附近，如图3(b)所示，设置消磁磁铁的布设位置为：将4只电磁铁安放在磁通密度较集中的区域，如图9所示。

图9 消磁装置布置Fig.9 Arrangement of degaussing device

5.2 消磁计算及优化

利用Comsol软件的参数化扫描功能，通过不断改变消磁设备的磁参数来优化消磁效果，找到消磁装置最优磁参数。为此，参数化设置消磁装置的磁性，单位是A/m，以1 000 A/m为步长，从-60 000 A/m扫描到0 A/m，基于AC/DC模块计算分别获得消磁效果。由扫描结果可以判定，在柴油机下方9 m平面上，当消磁装置的磁性数值取-11 000 A/m时，通过下方平面上的磁通量最小。

计算并导出考核节点的磁通密度值，如图10所示。计算表明，在柴油机正下方9 m处的磁通密度最大值为45 608.33 nT，去掉地磁场后，数值为8.33 nT. 即：经过消磁，柴油机磁场从224.35 nT下降到8.33 nT，降低了95.38%，达到了最优的消磁效果。

图10 考核节点磁通密度Fig.10 Flux densities at the checking nodes

将布设消磁设备前与布设消磁设备后的柴油机正下方9 m平面的磁信号进行对比，如图11所示。布设消磁设备后，柴油机的磁信号不仅大大降低，而且差值较小。

图11 消磁前后磁通密度对比Fig.11 Comparison of flux densities before and after degaussing

消磁前后，柴油机纵向侧视图上磁场及流线分别如图12(a)、图12(b)所示。消磁前，柴油机下方磁通密度流线呈圆锥形，消磁后柴油机下方低磁场范围显著增大，呈空心球形状。整体消磁效果显著。

图12 消磁前后磁场对比Fig.12 Comparison of magnetic fields before and after degaussing

6 结论

本文采用柴油机磁场有限元仿真使柴油机的磁场分布计算更加精确化，为消磁参数优化提供了定量依据。仿真方法也适用于船舶整体消磁、装设备磁路设计等工作。解决了以往磁场估算、采用经验与试验尝试获得消磁参数等对近场消磁存在偏差的问题。得到主要结论如下：

1)基于Comsol软件AC/DC模块，实现了柴油机感应磁场的计算，柴油机下方9 m平面上，感应磁场强度相对地磁场的畸变量计算值高达224.35 nT. 在实验室条件下，将测量结果与仿真计算结果进行对比，误差不超过5%，在工程允许的范围之内。

2)使用4只电磁铁组成消磁磁阵，通过柴油机和消磁磁阵的一体化仿真，获得最佳消磁参数，控制每只电磁铁磁场大小为11 000 A/m，可以使柴油机下方9 m平面上的磁场强度畸变量降低至最低值8.33 nT，降低约95%.