0 引　言

消磁站的工作线圈一般采用2种形式，分别为马鞍型垂向工作线圈和螺线管型纵向工作线圈^[1-3]。理论上，无论是何种形式的工作线圈，只要产生的磁场满足退磁临界场的要求就能够为舰艇实施固定磁性处理。针对螺线管型工作线圈需要在舰船消磁前临时缠绕，人工工作量较大，效率不高等问题，提出一种基于垂向工作线圈的消磁方法。

美国是消磁站技术较为先进的国家，其最大的水面消磁站为Norfolk消磁站^[1]。该消磁站对大型非对称舰船进行消磁时采用的是纵向工作线圈，需要进行人工临时绕缆，并没有实现全自动化消磁。

国内使用垂向工作线圈消除大、中、小型舰艇固定磁性的技术已经较为成熟，我国近些年建成的几个水面消磁站都采用了垂向工作线圈。但是对于大型非对称舰船，其甲板超出垂向工作线圈尺寸覆盖范围，舰岛更是远离垂向工作线圈，能否实现磁性处理还没有研究。

此外，螺线管型纵向工作线圈产生的磁场分布较为密集，而马鞍型垂向工作线圈产生的磁场是发散型的。对于相同的舰船来说，垂向的退磁因子更大一些，因此采用垂向工作线圈进行消磁的难度更大。

1 舰船磁性处理的理论基础 1.1 消除舰船固定磁性的基本方法

舰船的磁性主要分为2种，一种是固定磁性，一种是感应磁性。其中感应磁性由舰载消磁绕组进行补偿。固定磁性主要是由船体本身及船上的大量钢铁设备所产生。固定磁性在外界的磁场条件不发生大的改变的情况下，在一定时间内不变。固定磁性一般由固定消磁站或消磁船进行消除。

根据综合消磁法的退磁原理，将舰船置于一个无外磁场干扰的环境中，然后对它施加一个初始振幅足够大、正负交替变化、逐渐衰减至零的脉冲交变磁场，舰船的固定磁场可被清除。退磁时施加的磁场要求有足够大的初始磁场幅值，否则不足以完全打乱磁畴的磁化方向，舰船仍然会残留一部分磁性。

1.2 退磁临界场的估算

刚好将舰船的所有磁畴全部转移到外磁场方向上去而施加的磁场称为退磁临界场^[4]。根据铁磁学理论，最大临界场的数值大约是矫顽力的1.4倍。退磁临界场以及矫顽力分别用 $ {H_m} $ 及 $ {H_c} $ 来表示。对于具有一定形状的铁磁性物质而言还必须考虑到它的退磁因子 $ N $ 以及磁化率 $\, {\chi _m} $ 。 $ {H_m} $ 可用下式表示：

$ {H_m} = 1.4{H_c}(1 + {\chi _m}N)。$

(1)

矫顽力和磁化率都是可以测量的，退磁因子难以测量。因此退磁临界场一般只能估算，并不准确。按照要求，磁性处理时空气中磁场强度须超过1600 A/m，在留有余量的情况下，大型非对称舰船所需退磁临界场的振幅约为2 000 A/m。

1.3 基于毕奥-萨伐尔定律的磁场计算

计算线圈磁场的理论基础是毕奥-萨伐尔定律^[4-5]。假设空间中有一载流直线段AB，P点为空间中任意一点， $ r $ 为任一电流元到P点的距离，而H为通电导线在场点所产生的磁场，那么该载流直线段在空间中P点产生的磁场为：

$ d\vec H = \frac{1}{{4{\text{π }}}}\frac{{Id\vec l \times d\vec r}}{{{{\text{r}}^3}}}，$

(2)

其中， $ d\vec l = d{l_x}\vec i + d{l_y}\vec j + d{l_z}\vec k,\vec r = ({x_0} - x)\vec i + ({y_0} - y)\vec j + ({z_0} - z)\vec k $ 。

任意形状载流线圈所产生的磁场强度是每段通电导线产生磁场强度的叠加^[6-8]。

假设有一通电马鞍型线圈，电流为 $ I $ ，该线圈中点为坐标原点，其边长如图1所示。由于 $ AB，CD，EF，GH $ 在 $ x $ 轴上不产生 $ z $ 方向上的磁场，那么在 $ x $ 轴上产生的 $ z $ 方向磁场可以表示为：

$ {H_z} = {H_{BC}} + {H_{FG}} + {H_{DE}} + {H_{HA}} ，$

(3)

根据毕奥-萨伐尔定律可以得到：

$ {H_{BC}} = \frac{I}{{8{\text{π}} b}}\frac{{{b^2} + {c^2} + (a - x)(a - 4{b^2} - x)}}{{\left[ {{c^2} + {{(a - x)}^2}} \right]\sqrt {{b^2} + {c^2} + {{(a - x)}^2}} }}，$

(4)

$ {H_{FG}} = \frac{{ - I}}{{8{\text{π}} b}}\frac{{{b^2} + {c^2} + (a + x)(a + 4{b^2} + x)}}{{\left[ {{c^2} + {{(a + x)}^2}} \right]\sqrt {{b^2} + {c^2} + {{(a + x)}^2}} }}，$

(5)

$ \begin{split} {H_{DE}} = &\frac{{ - I}}{{8{\text{π}} a}} \times\\ &\frac{{\dfrac{{2ab(a - x)}}{{\sqrt {{b^2} + {c^2} + {{(a - x)}^2}} }} + \dfrac{{2{a^2}b + {b^2} + {c^2} + 2abx + {{(a + x)}^2}}}{{\sqrt {{b^2} + {c^2} + {{(a + x)}^2}} }}}}{{{b^2} + {c^2}}} ，\end{split}$

(6)

$\begin{split} {H_{HA}} =& \frac{I}{{8{\text{π}} a}}\times\\ &\frac{{\dfrac{{ - 2ab(a + x)}}{{\sqrt {{b^2} + {c^2} + {{(a + x)}^2}} }} + \dfrac{{ - 2{a^2}b + {b^2} + {c^2} + 2abx + {{(a - x)}^2}}}{{\sqrt {{b^2} + {c^2} + {{(a - x)}^2}} }}}}{{{b^2} + {c^2}}} 。\end{split}$

(7)

垂向工作线圈采用双层马鞍型线圈的设计，并根据实验室的实际效果，将该线圈模拟为长度为9 m，宽度为1.75 m，高度为0.76 m的马鞍型线圈进行计算，实验计划采用2台双向程控主电源对工作线圈进行供电，工作电流为60 A。若以工作线圈的中心位置为场点，将工作电流、线圈尺寸及中心点的坐标代入式（4）～式（7），最终可以得到工作电流在线圈中心所产生的磁化强度约为−18.78 A/m。

根据1.2计算得出的退磁临界场的振幅，在电源输出60 A时，每个区段需要约110匝的工作线圈。

2 基于Matlab软件的仿真分析

该仿真主要是利用毕奥-萨伐尔定律及Matlab软件编写的磁场计算程序，绘制出工作线圈在各平面内场点产生的磁场强度图像，仿真平面的参数主要是根据船模的尺寸来决定，所有图像均是在标准深度下进行绘制。

2.1 垂向工作线圈在船模甲板平面产生的磁场仿真

为了判断实验室的电源设备是否满足实验需求，针对单匝马鞍型线圈在甲板平面内4×10⁴个场点产生的磁场强度进行仿真分析。在甲板平面内所有场点产生的磁场强度如图2所示。

可以得出，若采用垂向工作线圈消磁，在通电60 A时，单匝马鞍型线圈在甲板平面两侧产生磁场强度较大，在甲板中心位置产生的磁场强度较小。假设马鞍型线圈敷设匝数为110匝，那么工作线圈在该平面内的场点所产生磁场强度的绝对值最大约为1.366×10⁵ nT，最小约为2.815×10⁴ nT。假设马鞍型线圈敷设匝数为110匝，那么工作线圈在该平面内的场点所产生磁场强度的绝对值大约在3.09×10⁶～1.5×10⁷ nT之间。通过对最大临界场的估算，打乱舰船的磁畴分布的振幅大约为2 000 A/m，约为2.5×10⁶ nT。

综上所述，该电源设备可以满足船模主船体的消磁需求，与理论计算结果相一致。

2.2 垂向工作线圈在舰岛部分所产生的磁场仿真 2.2.1 垂向工作线圈在舰岛中部区域产生的磁场仿真

在舰岛中部区域共设置了400个场点，在该区域内垂向工作线圈通电60 A时产生的磁场强度分布如图3所示。在通电60 A时，单匝马鞍型线圈该平面内场点产生的磁场强度绝对值最大约为 2.645×10⁴ nT且磁场分布较为均匀。由于该仿真区域大于舰岛中部建筑区域，因此区域边缘较小的仿真值可以不考虑。假设工作线圈敷设的匝数为110匝时，那么工作线圈在平面内大部分场点所产生的磁场强度都能符合打乱船模磁畴分布的要求。

2.2.2 垂向工作线圈在舰岛顶部区域产生的磁场仿真

在舰岛顶部区域也设置了400个场点，垂向工作线圈在该区域内通电60 A时产生的磁场强度如图4所示。在该高度下设置的仿真区域与舰岛中部相同，单匝马鞍型线圈在该平面内场点所产生磁场强度的最大值约为1.519×10⁴ nT。若敷设110匝工作线圈，则不能达到打乱船模磁畴分布所需的磁场强度值。仿真结果表明船体的上层建筑距离工作线圈较远确实会影响消磁效果，而是否可以通过局部改变补偿电流的方式对舰岛部分进行消磁还需要实验验证。

3 实际消磁试验分析 3.1 实验过程描述

模拟消磁实验采用某型船模，按照实物以40∶1的尺寸设计制造。由于实验场地位于南北航向，因此实验中不需要补偿地磁场的横向分量。依据船模的比例，将测量深度设为0.625 m，分为21个测量点。

实验过程如下：

1）船模远离实验场地，测量背景磁场并记录；

2）船模以北航向通过实验场地，逐点测量并记录北航向磁场；

3）船模以南航向通过实验场地，逐点测量并记录南航向磁场；

4）船模停放在实验场地，将消磁副电源连接到纵向补偿线圈和垂向补偿线圈并通以适当的恒定电流，将消磁主电源连接到垂向工作线圈并通以电流幅值为60 A，脉冲个数为50的交变衰减电流，通电完成后测量船模的磁场并分析固定磁场的变化；

5）分析固定磁场变化，适当调整补偿电流，继续通电消磁，最终将船模各点固定磁场的磁场强度降至合格值以下。

3.2 测量结果分析

图中磁场强度值均以合格值为基准进行了归一化处理，其合格值为1。通电前测得大型非对称舰船 $ z $ 方向固定磁场如图5所示。

经过通电消磁之后测得磁场如图6所示。图像显示该船模的固定磁场多集中于第13测量点至第19测量点的位置，正好位于该船模舰岛的四周，与原先理论推测的一致。经过分析认为，船模第三区段的补偿电流过大是导致其固定磁场强度偏大的主要原因。在随后的通电过程中，对磁场不合格的点将采取局部调整垂向补偿电流的措施，各区段补偿线圈的通电参数如表1所示。

经过4轮的局部补偿，最终将船模各点固定磁场的磁场强度降至合格值以下，实现了对大型非对称船模的固定磁性的处理。最后各点的测量结果如图7所示。

3.3 实验结论

实验采用的船模是1∶40的缩比模型，假设消磁站所使用的线圈的尺寸也是按照实验室设计的尺寸成比例建造，那么在实际消磁的过程中，所需要的安匝量也应该是实验室消磁的40倍。由于在实验室对工作线圈通电所用的电流是60 A，那么在工作线圈敷设的匝数相同的情况下，不考虑电缆损耗等其他外部因素，理论上每个区段的工作线圈最少需要2400 A的工作电流才能完成该类型舰船的消磁任务，而消磁站目前的消磁电源符合要求。

4 结　语

为了提高工作效率，某消磁站拟采用垂向工作线圈对某大型非对称舰船进行消磁。因此，在实验室设计制作垂向工作线圈、纵向补偿线圈、垂向补偿线圈，并利用磁性缩比船模开展了固定磁性处理实验。实验结果表明，采用垂向工作线圈为该大型非对称舰船进行固定磁性是可行的。这一结论为实际消磁站的建设奠定了基础，后续将进一步开展线圈优化设计工作。