直通式磁性处理方法的效果研究

李志新

应用研究

直通式磁性处理方法的效果研究

李志新

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

首先阐述了直通式磁性处理方法的基本原理，同时分析了其不足之处，并通过磁场测量试验和直通式磁性处理试验进行了验证。接着对直通式磁性处理效果不佳的原因做了进一步的分析，提出了利用连接电缆产生的磁场改善磁性处理效果的方案，进一步的试验结果表明，磁性处理效果得到了有效改善，但仍比旁通式差，最后得出了直通式磁性处理方法仅适用于应急磁性处理的结论。

直通式磁性处理 旁通式磁性处理 脉冲电源

0 引言

为达到消除铁磁材料固定磁性磁场的目的，通常需给铁磁材料施加图1所示的初始幅值足够大、正负交替、幅值逐步衰减的间歇式脉冲工作磁场[1]。根据有关资料的分析[2]，产生图1所示的工作磁场有图2所示的两种方式，(a)为旁通式，即将铁磁材料置于螺线管中，用脉冲电源在螺线管中通以初始幅值足够大、正负交替、幅值逐步衰减的间歇式脉冲工作电流，工作电流波形与图1所示工作磁场波形相同，工作磁场沿铁磁物质轴向方向分布。(b)为直通式，即将铁磁材料作为电路的一部分，将波形与图1所示工作磁场相同的工作电流直接通入到铁磁物质中，工作磁场沿铁磁物质切线方向分布。有关文献表明[1～3]，要对铁磁材料进行磁性处理，作用于其上的工作磁场最大幅值应满足式（1）

式中：X——铁磁物质的最大磁化率；——物体的退磁系数；H——铁磁材料的矫顽力。

直通式磁性处理方法、旁通式磁性处理方法基本原理相同，只是产生工作磁场的方法不同。图2(a)旁通式磁性处理方法已经为大家所熟悉，本文主要讨论图2(b)所示直通式磁性处理方法。

图1 常用磁性处理脉冲磁场波形

图2 工作磁场产生方式

1 直通式磁性处理方法原理

需进行磁性处理的铁磁性试件以实心圆柱形和空心单层圆柱最为典型，下面对这两种铁磁试件的直通式磁性处理原理分别进行分析。图3为直通式磁性处理时强度分布。

图3 实心圆柱铁磁材料截面内外的磁场强度分布

采用直通式磁性处理方法对实心圆柱铁磁材料进行磁性处理时，截面内电流及截面内外磁场强度分布如图3所示，截面内的点表示电流流出纸面，截面半径为，周围媒质为空气。在铁磁材料内部（≤），若不考虑趋肤效应，设总电流为，电流在截面范围内均匀分布，则电流密度为：

圆柱内外的磁场强度如图3下部分所示，在中心处为零，在表面达到最大值。

对于图4所示的空心单层圆柱铁磁材料，其外半径为1，内半径为2，在空腔内，电流为零，故空腔内的磁场强度为零，不考虑趋肤效应，设总电流为，铁磁材料截面（2＜＜1）电流密度为：

半径为处的磁感应强度只和半径以内的电流有关系。也就是，在铁磁材料内部半径为的磁场强度为

在铁磁材料外部（≥1）

空心单层圆柱体内外的磁场强度如图4下部分所示，在空腔及内表面为零，在外表面达到最大值。

可见在铁磁材料中直接通首脉冲幅值足够大的工作电流，可在铁磁材料中产生符合磁性处理要求的工作磁场，再将铁磁材料周围的恒定磁场补偿掉，就可对铁磁材料进行磁性处理，即为直通式磁性处理方法。

2 直通式磁性处理方法的不足

采用直通式磁性处理方法对铁磁试件进行磁性处理时，综合考虑电源输出能力和磁性处理对工作磁场最大值的需求，一般设计通最大电流时铁磁材料表面的磁场强度为2000 A/m。对于图3所示实心圆柱体铁磁试件，若式（1）中的铁磁材料的矫顽力c=715A/m，即工作磁场首脉冲幅值需达到1.4c=1000A/m，才能满足磁性处理需求[4～6]，如图3下部分所示，不考虑趋肤效应时，半径小于/2区域内的工作磁场幅值均达不到磁性处理要求。若考虑趋肤效应，电流向表面集中，则工作磁场幅值达不到要求的范围更大。

对于图4所示空心单层圆柱体铁磁试件，如图4下部分所示，即使不考虑趋肤效应，当表面磁场强度为2000 A/m时，壳体内磁场强度能达到1000 A/m的区域远小于一半，考虑趋肤效应时，工作磁场幅值达到要求的范围更小。若有铁磁物质在圆柱内部，则由于工作磁场为零，完全不能实现磁性处理。

图5 空心单层圆柱内部磁场测量

搭建如图5(a)所示的实验平台，在长度为2.2 m，半径为0.2 m的空心单层圆柱体内中心位置附近放置测磁设备，测量空心单层圆柱内的磁场状况。空心单层圆柱外缠绕的工作线圈为39匝，通以首脉冲幅值为40 A的工作电流时，按空心螺线管估算圆柱内磁场强度分量最大值约为709 A/m（纵向分量），实测磁场强度分量最大值如图(b)所示（纵向分量），最大值约为320 A/m（40万nT），量级相当（存在屏蔽等影响）。当首脉冲幅值为1000 A的工作电流直接通入到圆柱时，圆柱表面磁场强度最大值的计算值约为796 A/m（横向或垂向分量），实测磁场强度如图7(c)所示，最大值约为20 A/m(2.5万nT，横向分量)，仅为表面磁场强度的2.5%。可见在表面磁场强度相当的情况下，旁通式时的内部磁场远大于直通式时的内部磁场。

直通式磁性处理方法时，无法做到对铁磁材料进行充分的磁性处理，甚至只能对其中的小部分进行磁性处理，是其一个源头上的不足。

3 直通式磁性处理试验

图6 直通式磁性处理试验（电缆远离被处理试件）

采用图5(a)所示的实验平台进行直通式磁性处理试验，如图6(a)所示，电源E输出工作电流直接从被处理铁磁试件的一端输入，然后从远离铁磁试件的电缆返回电源形成回路。铁磁试件为空心单层圆柱，壳内磁场如图6(b)所示，磁场强度的分布如图4下半部分所示。现将铁磁试件固定磁场值充至20000 nT以上，经多次通电（铁磁试件表面工作磁场首脉冲幅值为2000 A/m），得到最好的磁性处理结果如图6(c)所示。可见采用直通式磁性处理方法能对铁磁性试件进行磁性处理，但效果较差，剩余固定磁场达3000 nT，远大于采用旁通式磁性处理时1000 nT以下的剩余固定磁场（铁磁试件表面工作磁场首脉冲幅值为1600 A/m）。直通式磁性处理方法消耗了更多的能量而得不到好的磁性处理效果，与前面得到的直通式磁性处理方法不能充分地对铁磁材料进行磁性处理的分析结论一致。

工作磁场只能满足铁磁试件部分区域的磁性处理要求，是图6(c)所示磁性处理结果差的主要原因。连接电缆的电流为，与流经铁磁试件的电流相同，可考虑利用连接电缆产生的磁场改善磁性处理效果。如图7(a)所示，电源E输出工作电流直接从被处理铁磁试件的一端输入，电流从另一端流出后，分成均等的两部分从贴近铁磁试件两侧的电缆返回电源形成回路。铁磁试件为空心单层圆柱，仅考虑铁磁试件内的电流时，壳内磁场与图6(b)相同，磁场强度的分布如图4下半部分所示。从图7（b）还可以看出，两侧电缆产生的磁场能分别大幅加大铁磁材料两侧的磁场强度，有利于铁磁试件的磁性处理。与图6通相同的电流后，得到的磁性处理结果如图7(c)所示，剩余固定磁场小于1500 nT，可见磁性处理结果虽然仍旧不如旁通式磁性处理方法，但优于图5(c)所示的磁性处理结果，与理论分析结果相符。

图7 直通式磁性处理试验（电缆贴近被处理试件）

4 小结

直通式磁性处理方法不能对被处理的铁磁试件进行充分的磁性处理，通过优化电缆的布设方式可改善磁性处理效果，但效果依旧不如旁通式，仅适合作为应急磁性处理。另外，在电路回路中，被处理试件的电阻往往较小，远小于连接电缆的电阻，也就意味着电源输出的能量大部分消耗在了电缆上。如何较小这部分能量或利用这部分能量也是值得研究的问题。

[1] 周国华, 肖昌汉.铁磁学[M], 武汉: 海军工程大学出版社, 2014, 126-128.

[2] 郭成豹. 舰艇磁性处理技术[M]. 武汉: 海军工程大学出版社, 2015, 23-28.

[3] 余晋岳, 周炜君. 船体钢铁的磁特性[Z]. 上海: 上海交通大学, 1980, 37-39.

[4] 刘大明, 肖昌汉. 直通式磁性处理研制技术报告. [R] 武汉: 海军工程大学, 2014, 11-15.

[5] 郭成豹, 刘大明, 周耀忠. 直通式磁性处理方法研究研究报告[R]. 武汉: 海军工程大学, 2009, 19-21.

[6] 李志新, 赵文春, 刘胜道. 舰艇消磁设备原理[M]. 武汉: 海军工程大学, 2015, 224-225.

The study of outcomes of straight-through demagnetization method

Li Zhixin

(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Hubei, China)

TM46

A

1003-4862（2022）01-0012-04

2021-06-07

李志新(1981-)，男，讲师，主要从事电工理论与新技术。Email：01021332@163.com