舱内电气设备对舰船感应磁场的影响研究.pdf

第45卷第2 2 期2023年11月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.22Nov.,2023舱内电气设备对舰船感应磁场的影响研究史莹凯，刘瑞杰，王磊，于大鹏13（1.大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116 0 2 4；2.中国人民解放军92 57 8 部队，北京10 0 16 1；3.船舶制造国家工程研究中心，辽宁大连116 0 2 4)摘要：舰船机舱内部装有大量电气设备，由电磁产生的原理可知，电气设备中的线圈会因通电产生特定磁场，从而也会对舰船感应磁场产生影响。针对舰船模型在简化时因磁屏蔽效应存在常常忽略电气设备通电产生的磁场这一问题，采用数值分析方法，以某驱逐舰为研究对象，考虑电气设备产生磁场的部位为通电线圈，因此对舰船机舱内部的某电气设备简化为通电线圈。通过分析机舱内部电气设备在舰船磁导率、船体厚度的作用下，得出电气设备对舰船感应磁场的影响规律。结果表明，对于低磁导率、低厚度的舰船在进行感应磁场计算时，舰船内部电气设备在简化建模时需要考虑的必要性。所得规律可以快速地预测机舱内部的电气设备在建模计算时是否需要保留。关键词：通电线圈；舰船感应磁场；磁导率；船体厚度中图分类号：TM153文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 2-0 17 3-0 4Research on the influence of electric equipment in cabin on the induced magnetic field of ship(1.School of Naval Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China;2.No.92578 Unit of the PLA,BejingAbstract:There are a lot of electric equipments in the engine room of a ship.According to the principle of electromag-netic generation,the coil in the electric equipments will produce special magnetic field,which will affect the induced mag-netic field of the ship.In order to solve the problem that the magnetic field generated by the electrification of electrical equip-ment is often neglected due to the magnetic shielding effect when the ship model is simplified,this paper adopts the numeric-al analysis method and takes a certain destroyer as the research object,considering the position of magnetic field produced byelectric equipment is electrified coil,so the electric equipment in the engine room of a ship is simplified as electrified coil.By analyzing the effect of the electrical equipment in the engine room on the magnetic field induced by the ships permeabil-ity and the ships thickness,the influence law of the electrical equipment on the ships magnetic field is obtained.The resultsshow that it is necessary to consider the necessity of simplified modeling for the electrical equipment in the ship with lowpermeability and low thickness when calculating the induced magnetic field.The obtained rule can quickly predict whetherthe electrical equipment in the engine room needs to be retained in the modeling calculation.Key words:energized coil;ship-induced magnetic field;magnetic permeability;hull thickness0引言舰船的目标探测主要通过声场和磁场2 个方面，随着舰船声场隐身和水声对抗技术的进展，舰船目标的声特征检测越来越困难，人们开始开展目标电磁场等非声特性研究!，寻求利用非声场手段即磁场信号探测舰船的存在和类型2-3。收稿日期：2 0 2 2-11-2 4作者简介：史莹凯（1997-），女，硕士研究生，研究方向为舰船感应磁场。文献标识码：ASHI Ying-kai,LIU Ruije,WANG Lei,YU Da-pengls100161,China;3.National Engineering Research Center of Shipbuilding,Dalian 116024,China)doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.22.032在未来科技高速向前发展的新时代形势下，舰船材料也正在向磁化较低的方向迅速发展4。在新型低铁磁材料和新型的无磁铁材料技术出现后，船内电气设备产生的磁场，已经成为敌军磁探测的主要部分5。国内外专家在舰船电机领域的相关研究较多，但大多研究的是电机内部磁场分布，主要通过对电机线圈、永磁体的设计来满足电机输出功率、扭矩等参数6-7 1,174对于电机外部自由空间对舰船的感应磁场分布研究较少。国内对舰船内部电磁性设备的研究处于起步阶段，相关电磁研究都比较零散，缺乏专门系统地研究。在现代舰船磁场的实际应用测量计算中就不难发现，不考虑在舰船内大型电气设备的局部磁场影响，的确会带来一些较大的测量计算误差，所以现在急需对这些舰船外壳以及内部电气工作设备的磁场特征进行系统的理论分析。因此，研究电气设备在舰船感应磁场背景下的传播特征，对舰船的内部某电气设备进行三维简化和建模，研究电气设备通电时对舰船感应磁场传播的影响规律，通过改变舰船的磁导率与厚度，系统地研究电气设备在不同船体磁导率、不同船体厚度下通电时对舰船感应磁场的影响，为舰船机舱内部载有电气设备的磁场计算的时模型简化提供了理论依据，为机舱内部的电气设备对舰船感应磁场的影响规律的预测提供了指导意义。1舰船磁场理论感应磁场B与外界磁场H有如下关系：B=uuoH。舰船磁场实际上可看做静磁场。由麦克斯韦方程组可知，静磁场基本方程为8 ：rotH=Q,B=H,divB=O在舰船周围的空间，电流密度为常数，有rotH=0,divH=0。式中，H为舰船磁场强度。由矢量运算公式rot(rotH)=grad(divH)-V?H,可得出：此外，在舰船外部的空间，由于rotH=0，因此存在磁势函Um，使得：aUmaUmaUmH=-gradUm=oy式中，Um为舰船磁场的标量磁位，满足拉普拉斯方程a2m+a2 Um+02Um72Um=0。0.x20y2由式（6）和式（7）可知，在船体外部空间，舰舰船科学技术船磁场强度分量和标量磁位函数均满足拉普拉斯方程。2电气设备对舰船感应磁场的影响2.1模型设置舰船内部通电设备种类繁多，电流载体各式各样，空间分布也较为复杂，从动力系统的通电线圈，到通讯系统的电缆，再到船内的各处照明设备，电气设备无处不在9。是通过定性分析舰船系统内部的电气设备对舰船整体空间和感应的磁场特征变化的影响，为了方便研究，故将舰船内部的某电气设备简化为环形通电线圈，基于磁场有限元仿真软件，仿真分析内部某电气设备对全舰船的影响。计算模型为某驱逐舰舰船模型，其中，舰船总长168m，船宽19m，型深10 m，背景地磁场为37 7 53nT。通电线圈相关的参数设置如表1所示。表1通电线圈仿真参数表Tab.1 Simulation parameter table of energizing coil参数数值(1)2.2电气设备电流大小对舰船感应磁场的影响磁场强度与电流的关系公式为：H=(2)Le式中：H为磁场强度；N为通电线圈的匝数；I为通电电流；Le为通电线圈的有效磁路长度。由此公式结合实际考虑，舰船建好以后，电气设(3)备的通电线圈匝数和线圈的有效磁路长度是一定的，不能为了满足舰船的隐蔽性而做出相应的改变，只有通电电流的大小可以设置。根据IEC60092（船舶电气(4)设备）标准系列及对应国家标准对照表可知，所用的电流大小范围为45 450 A。设置电气设备通电电流为2 0 0 A，根据弱磁材料国V?H=0。(5)(6)(7)022第45卷电流I/A半径r/m2001.5NI标GB/T35690-2017，设置船体的相对磁导率在50 450H/m变化，以此来研究该电流大小下电气设备对不同磁导率的舰船感应磁场的影响，影响结果如图1所示。可知，2 0 0 A的电气设备对舰船感应磁场的影响随着舰船磁导率的升高而降低。舰船磁导率为50 H/m时，该电气设备对舰船感应磁场的影响效果高达220.85%；舰船磁导率为450 H/m时，影响效果只有11.47%。进一步，研究不同电流大小的电气设备对舰船感截面半径d/m0.2(8)第45卷-1000-1500-2.000-2.500050100150200250300船长方向/m(b)船体相对磁导率=450 H/m250200150100500050100150200250300350400450500相对磁导率(c)电气设备随舰船磁导率变化的影响效果图1电气设备对不同船体磁导率的舰船感应磁场影响Fig.1 Influence of power equipment on induced magnetic field ofships with different hull materials应磁场的影响，分别设置通电线圈的电流大小为50 450A，每次增加10 0 A进行运算，舰船相对磁导率设置为2 0 0 H/m，选取舰船下方10 m处为测量面进行仿真，结果如图2 所示。可知，舰船的感应磁场在电气设备附近出现了不1000/5000-500-1000050100150200250300船长方向/m图2 电流大小对舰船感应磁场的影响Fig.2 Influence of current on induced magnetic field of ship史莹凯，等：舱内电气设备对舰船感应磁场的影响研究3002001000100200-300-400-5000501001500200250300船长方向/m(a)船体相对磁导率=50 H/m30002.5002000150010005000-500175同程度的变化，随着电流的增大，相关电气设备因通电产生的磁场对舰船感应磁场的影响呈线性增大。3船体厚度对电气设备的磁屏蔽影响分析设置船体厚度为8 2 0 mm，每次增加2 mm，对一无通电线圈一有通电线圈无通电线圈有通电线圈050150250350450船体不同厚度时电气设备对舰船感应磁场的影响进行逐一计算，结果如图3所示。150010005000-500-1000-1500050100150200250300船长方向/m(a)船体厚度=8 mm30002.50020001500/10005000-500-1000-1500-2.0002.500-3 000050100150200250300船长方向/m(b)船体厚度=2 0 mm10090807060504030810 12 14161820船体厚度/mm(c)电气设备的影响效果随船体厚度变化曲线图3电气设备对舰船感应磁场的影响随船体厚度变化曲线Fig.3 The influence of electrical equipment on ship induced mag-netic field varies with hull thickness可知，电气设备对舰船感应磁场强度的影响随船体厚度的增加而降低，且舰船低磁导率材料比低厚度船的影响效果明显。出现此种现象，考虑是由于电磁屏蔽所造成。电磁屏蔽是用导电材料减少交变电磁场向指定区域穿透的屏蔽10 。电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用，其与屏蔽结构一无通电线圈一有通电线圈一无通电线圈一有通电线圈176 表面和屏蔽体内部感生的电荷、电流与极化现象密切相关。真正直接影响整个屏蔽体发挥屏蔽效能的只有2个因素：一个是要求整个屏蔽体表面结构必须保证是均匀导电的连续体，另一个因素是确保不能允许有直接穿透到屏蔽体外面的导体!。由于舰船的材料多为钢铁，船体表面符合导电连续性，通电线圈在机舱内部时可看成是有直接穿透屏蔽体的导体。所以，舰船的船体对机舱内部的通电设备会有一定的屏蔽效应。而露天甲板处也同样存在如锚机、绞缆机等甲板设备，也会对舰船产生的感应磁场产生影响。在舰船的船体机舱内，加人通电线圈以后的舰船感应磁场所生成的磁感应强度大小记为Bi；在舰船的甲板上，加入通电线圈以后的舰船感应磁场所生成的磁感应强度大小记为B2。从而舰船内部有通电线圈时影响舰船产生的感应磁场强度减去线圈裸露在甲板上时舰船产生的磁感应强度记为磁屏蔽变化量By，即B,=B1-B2,所产生的磁屏蔽为效果为：4=B=B21不同舰船在实际设计建造过程中，会根据舰船的工作场所设计不同的船体厚度，以及在实际建造中因为设计误差存在的船体厚度差异。因此，有必要分析内部电气设备在不同船体厚度下的的影响，得到的磁屏蔽效果 随船体厚度的变化，如图4所示。60504030201008101214161820船体厚度/mm图4磁屏蔽效果随船体厚度的变化曲线Fig.4Variation curve of magnetic shielding effect withhull thickness可知，电气设备随着船体变厚，磁屏蔽效果变大，变大幅度由快变慢，最后趋于平缓。当船体厚度为8 mm时，磁屏蔽效果微弱，当船体厚度大于16 mm时，磁屏蔽效果趋于一致，均超过50%。综上所述，船体厚度对机舱内部通电设备有一定舰船科学技术的屏蔽效果。在薄壁船体厚度下，机舱内部的电气设备会对舰船本身的感应磁场产生不可忽略的影响，在大厚度的船体中，由于磁屏蔽效果的存在，通电设备对于舰船感应磁场的影响大幅度降低，在一定条件下可忽略不计。4结语1）机舱内部的通电线圈对舰船感应磁场产生了局部的影响，现代船舶向低磁或无磁船发展时，舰船相对磁导率越低（2 0 0 H/m），越不可忽略机舱内部设备因通电对舰船感应磁场产生的影响。2）机舱内同一电气设备，在低磁导率的舰船中要比低厚度舰船中对舰船感应磁场产生的影响偏大。3）随通电线圈电流的增大，对舰船感应磁场的影响越明显，并成线性增大。4）在船体厚度低于16 mm时，船体越薄，通电线圈对舰船感应磁场的影响越大，磁屏蔽效果越弱，建(9)模计算感应磁场时不可忽略电气设备因通电产生的磁场。所得结论对于舰船感应磁场的简化模型建立，电气设备对舰船感应磁场的影响规律预测有指导意义，可以快速地预测机舱内部的电气设备在建模计算时是否(10)需要保留。研究电气设备对舰船感应磁场的传播特性影响，也是舰船海战环境下躲避磁探测的重要理论依据。参考文献：1杨国义.舰船水下电磁场国外研究现状.舰船科学技术,2011,33(12):138-143.【2 程锦房，张伽伟，姜润翔，等.水下电磁探测技术的发展现状.数字海洋与水下攻防,2 0 19,2(4):45-49.3 YU M,Zolotarevskii,BULYGIN F V,et al.Methods of mea-suring the low-frequency electric and magnetic fields ofshipsJ.Measurement Techniques,2005,48(11):1140-1144.【4侯振宁.舰船隐身技术的发展现状.舰船电子对抗，2000(2):1923.5张巍，肖昌汉.消磁控制设备现状及其发展.船海工程，2007(4):128-130.6王均，朱孝勇，徐磊，等.基于开绕组结构的漏磁通可控内置式永磁电机磁场调控技术研究.中国电机工程报，2 0 2 0,40(4):1290-1301+1420.【7 】李大雷.横向磁场永磁推进电动机控制系统的研究D.北京：清华大学，2 0 0 7.【8 张光，张英堂，范红波，等.载体姿态变化对磁张量定位精度的影响J.探测与控制学报,2 0 13,35(1):2 0-2 4.9杨元章.VLCC船舶轮机模拟器电气系统的研究与设计D.大连：大连海事大学，2 0 14.10 胡如江.电磁屏蔽法在天气雷达维修中的应用.科技与创新,2 0 2 1(16):157-158.11】刘大明.舰船消磁理论与方法M.长沙：国防工业出版社,2 0 11.第45卷