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文檔簡介

消磁電流的電磁性能分析

0理想的階躍過渡過程全球船磁體的消失是通過負(fù)交變和振幅衰減的脈沖電流的。在補(bǔ)償線圈形成的無磁空間中,船磁體沒有中斷和撤退。目前,在磁化效果的分析和建模中,都假定脈沖電流是理想的階躍,忽略其上升的過渡過程(從0上升到最大幅值的時(shí)間),然后再基于鐵磁學(xué)和電磁學(xué)理論來計(jì)算脈沖的最大幅值,確定幅值衰減率,通電頻率及通斷電時(shí)間等參數(shù)。然而,理想的階躍在工程中并不可能實(shí)現(xiàn),電流上升的過渡過程總是客觀存在的,在實(shí)際消磁工作中,對工作電流的過渡過程也有具體的指標(biāo)要求。過渡過程的存在對消磁效果是否會有一定的影響及這一指標(biāo)是否合理尚無定論。本文將通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對這一問題展開研究。1磁場在金屬中的傳播規(guī)律眾所周知,一切的電磁行為都遵循麥克斯韋方程組,消磁時(shí),低頻交流線圈中的磁場屬于磁準(zhǔn)靜態(tài)場,再依據(jù)金屬的物質(zhì)特性方程,可以得到磁場在金屬中的傳播規(guī)律為:其中,μ和σ分別為磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率,這是典型的擴(kuò)散方程。假設(shè)一種理想的位形,設(shè)鐵磁物質(zhì)充滿半個(gè)空間,如圖1所示。取一直角坐標(biāo)系,令xy平面與鐵磁物質(zhì)的界面重合,z方向指向物質(zhì)的內(nèi)部,并假設(shè)物質(zhì)外部的磁場H沿著x方向,即:在所設(shè)條件下,物質(zhì)內(nèi)部磁場也必沿著x方向,且只是坐標(biāo)z的函數(shù):下面對3種不同制式的消磁電流對鐵磁物質(zhì)的磁化作用進(jìn)行分析。1.1模型求解和仿真由于外磁場由理想脈沖電流產(chǎn)生,所以設(shè)物質(zhì)外部磁場的表達(dá)式為:令λ2=μσ,便得到傳導(dǎo)方程:邊界條件為:初始條件為:用拉普拉斯變換的方法求解上述方程,對式(5)和(6)進(jìn)行拉普拉斯變換,得到如下方程:式中:s為常量,且s和z是互相獨(dú)立的變量,則滿足邊界條件式(8)和式(9)的解為通過拉氏逆變換得到式(10)的時(shí)域表達(dá)式為而參量u為:即:F(u)是t和z的二元復(fù)合函數(shù)。這里僅討論以z為參數(shù),F(xiàn)(u)隨t的變化關(guān)系,即不同深度的H/H0隨時(shí)間t的變化關(guān)系。對于造船鋼板,取μ=500μ0,σ=107西門子/m,選取3mm,7mm和10mm等3種不同的深度,并且作用的時(shí)間都為10s,通過Matlab編程仿真并繪圖,如圖2所示??梢姡煌疃壬系拇艌鰪?qiáng)度隨時(shí)間的增加而上升,z越小,磁場強(qiáng)度上升越快,隨著時(shí)間的增加,磁場強(qiáng)度上升趨勢漸緩。1.2均勻速度上升的磁強(qiáng)1.2.1拉普拉斯變換條件下的時(shí)域線性傳統(tǒng)由于外磁場由勻速上升電流產(chǎn)生,所以設(shè)物質(zhì)外部磁場的表達(dá)式為:其中,T為電流作用的時(shí)間,將式(13)代入傳導(dǎo)方程(5),并確定邊界為:初始條件為:同樣,用拉普拉斯變換的方法解此方程,可得:如果能直接獲得式(16)的時(shí)域表達(dá)式,便可進(jìn)行相關(guān)的分析和計(jì)算,然而卻是不容易辦到的,必須另辟蹊徑。通過對式(16)變形可得:其中,H1即為式(10),再由拉氏變換的性質(zhì)可知,只要對式(10)的時(shí)域表達(dá)式(11)在0~t內(nèi)對t求一次積分,再乘以相應(yīng)的系數(shù),便可得到式(17)的時(shí)域表達(dá)式:這樣,可以據(jù)此式計(jì)算過渡過程內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)不同深度上的磁場強(qiáng)度。暫時(shí)稱其為直接積分法。1.2.2場強(qiáng)度q的計(jì)算將式(13)的外磁場看成是由n個(gè)幅值相同(均為H0/n)、作用時(shí)間依次遞減的小的理想階躍組成,即:其中,ε(t)為理想階躍函數(shù),再利用式(11),采用疊加的方法可計(jì)算出過渡過程內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)不同深度的磁場強(qiáng)度,n值越大,則計(jì)算精度越高。表1列出了5種深度,n從100,200直到10000,2s過渡時(shí)間結(jié)束時(shí)的H/H0值??梢?,剖分?jǐn)?shù)n的值越大,小階躍疊加法的計(jì)算值越接近直接積分計(jì)算值,當(dāng)n取10000時(shí),疊加計(jì)算值已和直接計(jì)算值基本相同,從而驗(yàn)證了小階躍疊加法的正確性。為分析梯形波的磁化效果打下基礎(chǔ)。為了能實(shí)時(shí)顯示過渡過程內(nèi)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的H/H0值,利用小階躍疊加法,選3種不同的深度,分別為3mm、7mm和10mm,過渡過程T設(shè)為2.5s,Matlab數(shù)值仿真結(jié)果如圖3所示。同樣可以看出,z越小,磁場上升越快,但是和圖2對比明顯看出,勻速上升電流的磁化效果遠(yuǎn)不如理想階躍電流的磁化效果。1.3仿真計(jì)算參數(shù)梯形波電流是指先勻速上升一段時(shí)間,再維持一段時(shí)間不變的消磁電流。該電流最接近實(shí)際消磁工作中所用的消磁電流。假設(shè)有2種梯形波電流,通電時(shí)間均為2s,最大幅值相同,1號梯形波的過渡過程時(shí)間為0.5s,穩(wěn)定時(shí)間為1.5s;2號梯形波的過渡時(shí)間為1.0s,穩(wěn)定時(shí)間為1.0s。如果用解析法進(jìn)行分析,則式(5)會成為1個(gè)非齊次方程,特解的尋找非常困難。表2列出了用小階躍疊加法仿真計(jì)算得到的這2種梯形波電流在5種不同深度的H/H0值。可以看出,同樣通電時(shí)間和幅值的梯形波電流,過渡時(shí)間越短的磁化效果越好。24動態(tài)仿真結(jié)果上文單獨(dú)分析了4種制式消磁電流對鐵磁物質(zhì)的磁化作用,為了便于比較,將通電制式參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,具體參數(shù)見表3。Matlab的動態(tài)仿真結(jié)果如圖4所示。可以看出,勻速上升電流制式的磁化效果最差,梯形波相對于理想脈沖,在過渡過程有較明顯差別,進(jìn)入穩(wěn)定階段后,差別迅速減小,最后非常接近。3消磁效果和磁場穩(wěn)定性的測定由于實(shí)時(shí)的磁化效果無法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的目的主要是為了檢驗(yàn)各種波形的消磁效果和結(jié)果磁場的穩(wěn)定性。首先設(shè)計(jì)制作了由計(jì)算機(jī)控制的可控電源系統(tǒng),并開發(fā)了相應(yīng)的控制軟件,此系統(tǒng)可以輸出參數(shù)可調(diào)的電流,這些參數(shù)包括脈沖個(gè)數(shù)、衰減模式,衰減比、上升時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、下降時(shí)間及斷電時(shí)間等。3.1鋼板波形參數(shù)選用12mm和20mm兩種厚度的鋼板在北航向上進(jìn)行消磁實(shí)驗(yàn),通電時(shí),消磁電流從小電流開始通起,以很小的幅度逐漸增加,反復(fù)通電和測量,直到結(jié)果磁場能達(dá)到消磁規(guī)范,這時(shí)認(rèn)為找到了能否消磁的消磁電流的能量臨界值,以此模式作為0號波,在此基礎(chǔ)上對每一塊鋼板分別設(shè)定4種波形,波形的參數(shù)分別如表4和表5所示。其中,對12mm板消磁時(shí),首脈沖的幅值為6.4A,脈沖個(gè)數(shù)均為36個(gè),衰減模式為等差衰減,等差為0.17A。對于20mm鋼板,首脈沖的幅值為22.2A,脈沖個(gè)數(shù)為50個(gè),衰減模式為等差衰減,等差為0.45A。測量點(diǎn)均為21個(gè)。通電結(jié)果表明,與每一塊鋼板對應(yīng)的5種波形均可以達(dá)到消磁規(guī)范,消磁過程中還發(fā)現(xiàn),對2塊鋼板均存在如下現(xiàn)象,即從0~3號波,由于過渡過程時(shí)間的增加,能量不斷減小,通電時(shí)縱向補(bǔ)償電流要不斷增加,如對12mm板消磁時(shí)從0~3號波縱向補(bǔ)償依次為10A,10A,11A和11A。4號波由于能量最大,縱向補(bǔ)償與0號波相同為10A。這表明在消磁電流能量不充足時(shí)需要在縱向補(bǔ)償?shù)膸椭?,才能使磁疇充分扭轉(zhuǎn),也證明了此時(shí)消磁電流的確處在臨界狀態(tài)。3.2鋼板磁場沖擊試驗(yàn)磁場穩(wěn)定性定義為在外部磁場改變的情況下,鋼板磁場變化的難易。在實(shí)驗(yàn)室條件下,通過在工作線圈中通以短時(shí)的脈沖電流來改變外部磁場,測量鋼板磁場變化量的大小,判斷磁場穩(wěn)定性的好壞。沖擊脈沖的持續(xù)時(shí)間為0.5s,幅值為2A,產(chǎn)生約2倍的地磁場,每塊鋼板在對應(yīng)每種波形消磁后均做1次沖擊,結(jié)果磁場在沖擊下的變化量(數(shù)據(jù)已做歸一化處理)分別如圖5和圖6所示。由圖可以看出,如果考慮測量誤差,可以說每種波形消磁后的結(jié)果磁場的穩(wěn)定性幾乎沒有差別。3.3過渡過程中效果由以上的理論分析和實(shí)驗(yàn),可以得出以下結(jié)論:1)針對不同厚度的船體鋼板,可以采用不同的通電時(shí)間和脈沖幅值進(jìn)行消磁,鋼板越薄,則通電時(shí)間可以越短,幅值可以越小。2)從理論上講,過渡時(shí)間不同對磁化效果有一定的影響,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,它的影響微不足道,不是影響消磁效果和結(jié)果磁場穩(wěn)定性的主要矛盾,主要因素是通電時(shí)間和幅值。3)目前消磁工程中,對過渡過程指標(biāo)的過高要求沒有必要。在消磁電源能量足夠的情況下,過渡過程相對延長,同樣可以達(dá)到理想的消磁效果,這樣可以降低對消磁電源設(shè)備和控制設(shè)備的要求,減小通斷電時(shí)對供電機(jī)組的沖擊,降低設(shè)計(jì)難度和造價(jià)。4規(guī)范了磁電流的制作,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)

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