CN111009379B - 一种磁约束方法及自消磁舰艇 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁约束方法及自消磁舰艇，其中磁约束方法包括如下步骤：S1准备导磁结构件；S2将所述导磁结构件设置在待消磁主体的内部，为所述待消磁主体的外部磁场提供位于所述待消磁主体内部的磁场线回路；所述待消磁主体为空腔磁体。本发明的磁约束方法，与现有技术中采用临时线圈或固定线圈产生与待消磁主体(如舰艇)磁场方向相反大小相等的磁场来消磁不同，而是通过在待消主体内部建立磁场线回路，改变待消磁主体的磁回路，使得原本在待消磁主体外部闭合的磁场线从待消磁主体的内部闭合，进而使得位于待消磁主体外部的磁场线减少甚至消失，从而起到磁约束的目的。

Description

一种磁约束方法及自消磁舰艇

技术领域

本发明涉及舰艇消磁技术领域，具体涉及一种磁约束方法及自消磁舰艇。

背景技术

钢铁建造的舰艇在地球磁场的磁化作用下形成舰艇磁场。根据舰艇钢铁的铁磁性质，舰艇磁场对应的磁性可分为两部分：永久磁性和感应磁性。永久磁性是在舰艇的建造过程中形成的，另外，舰艇下水后，航行中受到激浪或爆炸的冲击，或者由于高速形成的水击作用等产生振动时，永久磁性会发生变化；如果舰艇在某一个磁纬度的海域长期活动，则其永久磁性会慢慢接近某一定值，只有在变换了磁纬度区并长期在后一个磁纬度区航行时，永久磁性才会再次变化，并稳定在与这个磁纬度区相应的值上；如果舰艇长期沿一个航向航行或长期停靠码头，其永久磁性也会慢慢变化。感应磁性是随着舰艇所处的磁纬度、航向和船体摇摆的变化而变化的。船体的感应磁性取决船体形状、尺寸、钢材的磁特性、钢材的重量和钢材的分布等因素。所以同一设计的舰艇，产生大致相同的感应磁性。

目前，控制舰艇铁磁磁性的主要手段有临时消磁和固定线圈消磁。对于前者，需要定期到消磁站或利用消磁船实施，费时费力。对于后者，需要在舰艇上固定安装消磁绕组、消磁电源与电流调整器等设备(这些设备统称为消磁系统)，消磁绕组通电时，使该电流产生的磁场与舰艇磁场大小相等，方向相反，从而达到补偿舰艇磁性磁场的目的。实际操作中，由于舰艇磁化的非均匀性、舰艇磁场近场监控测量反馈的复杂性，使得舰艇固定线圈消磁法实现起来技术难度很大。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中对于控制舰艇铁磁磁性主要采用临时消磁和固定线圈消磁两种手段，前者需要定期消磁，费时费力，后者需要得到准确的舰艇磁性数据，建模难度大的技术缺陷，从而提供一种既不需要临时消磁，也不需要固定线圈消磁的新的磁约束方法。

本发明还提供一种自消磁舰艇。

为此，本发明提供一种磁约束方法，包括如下步骤：

S1准备导磁结构件；

S2将所述导磁结构件设置在待消磁主体的内部，为所述待消磁主体的外部磁场提供位于所述待消磁主体内部的磁场线回路；所述待消磁主体为空腔磁体。

作为一种优选方案，所述步骤S2中，所述导磁结构件至少为3个，将其分别沿所述待消磁主体的纵向、横向和垂向设置。

作为一种优选方案，所述步骤S2中，将所述导磁结构件分别沿所述待消磁主体的纵向、横向和垂向设置后，控制所述导磁结构件产生磁场，使所述导磁结构件产生磁场的磁场线方向,与所述待消磁主体相应方向磁场的磁场线方向相反。

作为一种优选方案，所述步骤S2中，控制所述导磁结构件产生磁场，使所述导磁结构件产生磁场的磁场线数目，与所述待消磁主体相应方向磁场的磁场线数目基本相同。

作为一种优选方案，所述导磁结构件为电磁铁结构件，通过改变电流改变所述电磁铁结构件产生磁场的方向和磁场线数目。

作为一种优选方案，所述步骤S2中，还包括在待消磁主体外部设置磁探测阵，根据所述磁探测阵探测的到磁场方向和大小来改变所述电磁铁结构件的电流。

本发明还提供一种自消磁舰艇，包括：

舰艇主体，具有内部空腔；

导磁结构件，设置在所述舰艇主体的内部空腔内部，为所述舰艇主体的外部磁场线提供位于所述舰艇主体内部的磁场线回路。

作为一种优选方案，所述导磁结构至少为三个，分别沿所述舰艇主体的纵向、横向和垂向设置。

作为一种优选方案，所述导磁结构件自身能够产生磁场；所述导磁结构件产生磁场的磁场线方向，与所述舰艇主体相应方向磁场的磁场线方向相反。

作为一种优选方案，所述导磁结构件产生磁场的磁场线数目，与所述舰艇主体相应方向磁场的磁场线数目基本相同。

作为一种优选方案，所述导磁结构件为电磁铁结构件，其产生磁场的磁场线方向和磁场线数目可通过施加的电流调整。

作为一种优选方案，还包括设置在所述舰艇主体外部的磁探测阵。

本发明提供的技术方案，具有以下优点：

1.本发明的磁约束方法，与现有技术中采用临时线圈或固定线圈产生与待消磁主体（如舰艇）磁场方向相反大小相等的磁场来消磁不同，而是通过在待消主体内部建立磁场线回路，改变待消磁主体的磁回路，使得原本在待消磁主体外部闭合的磁场线从待消磁主体的内部闭合，进而使得位于待消磁主体外部的磁场线减少甚至消失，从而起到磁约束的目的。

2.本发明的磁约束方法，导磁结构设置有至少3个，将其分别沿待消磁主体的纵向、横向和垂向设置，分别用于待消磁主体不同方向的磁约束。

3.本发明的磁约束方法，步骤S2中，控制导磁结构件产生磁场，且磁场方向与待消磁主体相应方向的磁场方向相反，这样可以更好地引导待消磁主体的磁场经由导磁结构件构成磁回路。

4.本发明的磁约束方法，步骤S2中，控制导磁结构件产生磁场的磁场线数目，与待消磁主体相应方向磁场的磁场线数目基本相同，这样可以起到最好的磁约束效果。

5.本发明的磁约束方法，导磁结构件为电磁铁结构件，通过改变电流即可改变导磁结构件产生磁场的方向和大小，控制更加方便，而且能够应对待消磁主体随时间变化自身磁性也发生变化的情况，当待消磁主体自身的磁性发生变化时，通过改变电磁铁结构的电流，即可适应磁性发生变化了的待消磁主体，适应性更强。

6.本发明的磁约束方法，还包括在待消磁主体外设置磁探测阵的步骤，根据磁探测阵探测到的磁场方向和大小来改变所述电磁铁结构的电流，从而更好地实现磁约束。

7.本发明还提供一种自消磁舰艇，包括舰艇主体和导磁结构件；其中导磁结构件设置在舰艇内部，为舰艇主体的外部磁场线提供位于舰艇主体内部的磁场线回路。本发明的自消磁舰艇，与现有舰艇相比，设置了导磁结构件，其能够将舰艇的永久磁性和感应磁性的磁场线，由舰艇外部形成磁回路改变为在舰艇内部形成磁回路，从而达到“消磁”的目的；与现有技术相比，本发明的自消磁舰艇改变了原来“消磁”的思路，将磁约束在舰艇内部，无需定期到消磁站或利用消磁船消磁，也无需设置复杂的固定线圈消磁，不仅能够满足安全的要求，也大大降低了设备的维护成本。

8.本发明的自消磁舰艇，导磁结构件至少为三个，分别沿舰艇主体的纵向、横向和垂向设置；沿不同方向设置的导磁结构件能够为舰艇不同方向的磁场提供磁回路，从而实现整个舰艇的磁场均被有效约束在舰艇主体内部的目的。

9.本发明的自消磁舰艇，导磁结构件自身可以产生磁场，控制导磁结构件产生磁场的磁场方向与相应位置舰艇主体的磁场方向相反，有利于引导原本从舰艇主体外部闭合的磁场线经由位于舰艇主体内部的导磁结构件实现磁路闭合，从而有利于将磁场线约束在舰艇内部。

10.本发明的自消磁舰艇，导磁结构件产生磁场的磁场线数目，与舰艇主体相应方向磁场的磁场线数目基本相同，这样可以起到最好的磁约束效果。

11.本发明的自消磁舰艇，导磁结构件为电磁铁结构件，其产生磁场的磁场线方向和磁场线数目可通过施加的电流调整；通过改变电流即可改变导磁结构件产生磁场的方向和大小，控制更加方便，而且能够应对待消磁主体随时间变化自身磁性也发生变化的情况，当待消磁主体自身的磁性发生变化时，通过改变电磁铁结构的电流，即可适应磁性发生变化了的待消磁主体，适应性更强。

12.本发明的自消磁舰艇，还包括设置在待消磁主体外设置的磁探测阵，根据磁探测阵探测到的磁场方向和大小来改变所述电磁铁结构的电流，从而更好地实现磁约束。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对所使用的相关附图作简单介绍。

图1是未增加导磁结构件时，待消磁主体纵向磁场的磁场线走向。

图2是图1沿所述待消磁主体的纵向设置导磁结构件后，待消磁主体纵向磁场的磁场线走向。

图3是纵向磁化椭球壳的磁场空间分布图。

图4是图3的磁场等值面图。

图5是图3中纵向磁化椭球壳在2.5倍艇高高度纵中轴线平行线上的磁场分布图。

图6是图3纵向磁化椭球壳在7.5倍艇高高度纵中轴线平行线上的磁场分布图。

图7是对图3纵向磁化椭球壳内的纵向导磁结构件施加5A电流后的磁约束效果图。

图8是对图3纵向磁化椭球壳内的纵向导磁结构件施加10A电流后的磁约束效果图。

图9是对图3纵向磁化椭球壳内的纵向导磁结构件施加15A电流后的磁约束效果图。

图10是采取5A电流强度的磁约束对磁体7.5倍艇高纵中轴线上磁场分布的影响。

图11是采取10A电流强度的磁约束对磁体7.5倍艇高纵中轴线上磁场分布的影响。

图12是采取15A电流强度的磁约束对磁体7.5倍艇高纵中轴线上磁场分布的影响。

图13是距舰艇0倍艇高纵中轴线平行线上磁场极值随磁约束强度的关系图。

图14是距舰艇2.5倍艇高纵中轴线平行线上磁场极值随磁约束强度的关系图。

图15是距舰艇5倍艇高纵中轴线平行线上磁场极值随磁约束强度的关系图。

图16是距舰艇7.5倍艇高纵中轴线平行线上磁场极值随磁约束强度的关系图。

图17是潜艇磁性模型磁场磁约束试验结果图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行详细描述。

实施例1

本实施例提供一种磁约束方法，具体是对空心磁体进行磁约束的方法，包括如下步骤：

S1准备导磁结构件；

S2将所述导磁结构件设置在待消磁主体的内部，为所述待消磁主体的外部磁场提供位于所述待消磁主体内部的磁场线回路，其中所述待消磁主体为空心磁体。

上述磁约束方法的原理具体如图1-2所示，未增加导磁结构件时，如图1所示，待消磁主体的磁场线在待消磁主体的外部闭合，待消磁主体外部磁场强度高；增加导磁结构件后，如图2所示，导磁结构件在待消磁主体内部为待消磁主体的磁场线提供了磁场线回路，从而将原本在待消磁主体外部闭合的磁感应线引导至在待消磁主体的内部闭合，进而大大降低了待消磁主体外部的磁场强度。

进一步的，在步骤S2中，将导磁结构件设置为至少3个，分别沿所述待消磁主体的纵向、横向和垂向设置，可以为待消磁主体的纵向磁场、横向磁场和垂向磁场提供导磁回路，从而能够对待消磁主体各个方向的磁场进行磁约束。

进一步的，在所述步骤S2中，将所述导磁结构件分别沿所述待消磁主体的纵向、横向和垂向设置后，控制所述导磁结构件产生磁场，使所述导磁结构件产生磁场的磁场线方向,与所述待消磁主体相应方向磁场的磁场线方向相反（如图2中两个黑色箭头所指的磁场线方向），这样可以更好地引导待消磁主体的磁场经由导磁机构件构成磁回路。

进一步的，在所述步骤S2中，控制所述导磁结构件产生磁场，使所述导磁结构件产生磁场的磁场线数目，与所述待消磁主体相应方向磁场的磁场线数目基本相同，这样可以起到最好的磁约束效果。

进一步的，所述导磁结构件为电磁铁结构件，通过改变电流改变所述电磁铁结构件产生磁场的方向和磁场线数目，控制更加方便，而且能够应对待消磁主体随时间变化自身磁性也发生变化的情况，当待消磁主体自身的磁性发生变化时，通过改变电磁铁结构的电流，即可适应此项发生变化了的待消磁主体，适应性更强。

进一步的，在所述步骤S2中，还包括在待消磁主体外部设置磁探测阵，根据所述磁探测阵探测的到磁场方向和大小来改变所述电磁铁结构件的电流。

下面是对本实施例磁约束方案的有限元分析：

舰艇作为待消磁主体的一种，其纵向、横向和垂向三个方向的磁场中，纵向因长径比最大，最易于磁化；垂向因地磁分量方向不变，属于连续磁化；横向则磁化最弱。不失一般性，以舰艇纵向磁性为研究对象，将舰艇简化为一旋转椭球壳，利用Maxwell 有限元分析软件，针对纵向磁化旋转椭球壳，仿真分析了未采取磁约束和采用不同程度磁约束情况下舰艇磁场的分布变化。

未采取磁约束时磁场分布如图3所示，其磁场等值面图如图4所示，纵向磁化椭球壳在2.5倍艇高高度纵中轴线平行线上的磁场分布图（纵轴为磁感应强度，横轴为纵中轴线平行线上位置坐标（1.8mm处为距离椭球的最近点））如图5所示，在7.5倍艇高高度纵中轴线平行线上的磁场分布图如图6所示，由图可知，对于纵向磁化椭球壳，中轴线上的磁场主要集中在椭球壳两端之外，椭球壳内部的磁场非常弱。在椭球壳之外，随着距离的增大，近似为一磁偶极子的磁场。

采取不同磁约束程度时纵向磁化旋转椭球磁场的仿真计算如图7-9所示，其中图7是对纵向导磁结构件施加5A电流时的磁约束效果，图8是对纵向导磁结构件施加10A电流时的磁约束效果，图9是对纵向导磁结构件施加15A电流时的磁约束效果。由图可见，随着施加的主动磁约束电流的增大，磁约束回路约束磁场线的能力增大。随着距离的增大，近似为一磁偶极子的磁场。图10-12分别是采取5A、10A和15A电流强度的磁约束对舰艇7.5倍径纵中轴线上磁场分布的影响。纵轴为磁感应强度，横轴为纵中轴线平行线上位置坐标（1.8mm处为距离椭球的最近点）。

图13-16是距舰艇不同倍数艇高纵中轴线平行线上磁场极值随磁约束强度的关系图（图中，纵轴为磁场强度B，横轴为磁约束强度，即约束电流A），由图可见，在磁体内部中轴线上，随着磁约束强度（电流）的增大，内部磁场随之线性增大，即磁体内部磁场增强——磁约束强度（电流）增大了16倍，最大磁场增大了14.4倍；在磁体外部不同高度的纵中轴线上，随着磁约束强度（电流）的增大，外部磁场随之线性降低，2.5倍艇高高度位置的磁场强度降低了70.45%，5.0倍艇高高度位置的磁场强度降低了92.78%；7.5倍艇高高度位置的磁场强度降低了97.82。可见，对于磁体外部磁场，随着距离的增大，磁约束效果越好。

铁磁磁性磁约束的试验验证，具体情况为：以80m长，9m宽的舰艇为母艇，采取1：40比例缩比成模型；舰艇模型舱室中心轴线上设安装支架，便于对内部磁约束系统的安装调试；舰艇模型内部设有配铁，用于模拟舰艇艇体的设备磁性。

在舰艇模型内部，沿纵向设置带铁芯螺线管作为导磁结构件，通过改变线圈内的电流，检测到舰艇模型外部纵轴延长线上一点磁场的变化情况如图17所示。

由图17可见，当线圈内的电流正向增大时，舰艇模型纵向的磁场强度随之增大，即带铁芯螺线管产生的磁场与舰艇模型纵向磁场的磁场方向相同，此时带铁芯螺线管没有起到磁约束作用；当线圈内的电流反向增大时，舰艇模型纵向的磁场强度开始快速降低，然后缓慢降低。快速降低区间即为磁约束起作用区间，由于线圈与舰艇模型的磁场线闭合，使得线圈的励磁效率提升，在励磁电流为0.223A时，磁性模型的磁场被完全约束（只剩地磁场贡献）；当过约束时，励磁效率受线圈内建磁场的退磁作用而降低。

实施例2

本实施例提供一种自消磁舰艇，包括：舰艇主体，具有内部空腔；导磁结构件，设置在所述舰艇主体的内部空腔内部，为所述舰艇主体的外部磁场线提供位于所述舰艇主体内部的磁场线回路。

本实施例的自消磁舰艇，与现有舰艇相比，设置了导磁结构件，其能够将舰艇的永久磁性和感应磁性的磁场线，由舰艇外部形成磁回路改变为在舰艇内部形成磁回路，从而达到“消磁”的目的；与现有技术相比，本实施例的自消磁舰艇改变了原来“消磁”的思路，将磁约束在舰艇内部，无需定期到消磁站或利用消磁船消磁，也无需设置复杂的固定线圈消磁，不仅能够满足安全的要求，也大大降低了设备的维护成本。

作为改进，所述导磁结构至少为三个，分别沿所述舰艇主体的纵向、横向和垂向设置。导磁结构件至少为三个，分别沿舰艇主体的纵向、横向和垂向设置；沿不同方向设置的导磁结构件能够为舰艇不同方向的磁场提供磁回路，从而实现整个舰艇的磁场均被有效约束在舰艇主体内部的目的。

作为改进，所述导磁结构件自身能够产生磁场；所述导磁结构件产生磁场的磁场线方向，与所述舰艇主体相应方向磁场的磁场线方向相反，有利于引导原本从舰艇主体外部闭合的磁场线经由位于舰艇主体内部的导磁结构件实现磁路闭合，从而有利于将磁场线约束在舰艇内部。

作为改进，所述导磁结构件产生磁场的磁场线数目，与所述舰艇主体相应方向磁场的磁场线数目基本相同，这样可以起到最好的磁约束效果。

作为改进，所述导磁结构件为电磁铁结构件，其产生磁场的磁场线方向和磁场线数目可通过施加的电流调整；通过改变电流即可改变导磁结构件产生磁场的方向和大小，控制更加方便，而且能够应对待消磁主体随时间变化自身磁性也发生变化的情况，当待消磁主体自身的磁性发生变化时，通过改变电磁铁结构的电流，即可适应磁性发生变化了的待消磁主体，适应性更强。

作为改进方案，还包括设置在所述舰艇主体外部的磁探测阵，根据磁探测阵探测到的磁场方向和大小来改变所述电磁铁结构的电流，从而更好地实现磁约束。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种磁约束方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1准备导磁结构件，所述导磁结构件为带铁芯的螺线管；

S2将所述导磁结构件设置在待消磁主体的内部，所述铁芯与待消磁主体相接触，使得导磁结构件产生磁场的方向与待消磁主体上的磁场方向相反，所述导磁结构件引导所述待消磁主体产生的，原来经由待消磁主体外部闭合的磁场线经由所述导磁结构件在待消磁主体内部形成磁场线闭合回路，对待消磁主体产生的磁场形成磁约束；使得位于待消磁主体外部的磁场线减少甚至消失；所述待消磁主体为空腔磁体。

2.根据权利要求1所述的磁约束方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述导磁结构件至少为3个，将其分别沿所述待消磁主体的纵向、横向和垂向设置。

3.根据权利要求2所述的磁约束方法，其特征在于：所述步骤S2中，将所述导磁结构件分别沿所述待消磁主体的纵向、横向和垂向设置后，控制所述导磁结构件产生磁场，使所述导磁结构件产生磁场的磁场线方向,与所述待消磁主体相应方向磁场的磁场线方向相反。

4.根据权利要求3所述的磁约束方法，其特征在于：所述步骤S2中，控制所述导磁结构件产生磁场，使所述导磁结构件产生磁场的磁场线数目，与所述待消磁主体相应方向磁场的磁场线数目基本相同。

5.根据权利要求3或4所述的磁约束方法，其特征在于：所述导磁结构件为电磁铁结构件，通过改变电流改变所述电磁铁结构件产生磁场的方向和磁场线数目。

6.一种自消磁舰艇，其特征在于：包括：

舰艇主体，具有内部空腔；

导磁结构件，为带铁芯的螺线管；所述导磁结构件设置在所述舰艇主体的内部空腔内部，所述铁芯与所述舰艇主体相接触，使得导磁结构件产生磁场的方向与舰艇主体上的磁场方向相反，所述导磁结构件引导所述舰艇主体产生的，原来经由舰艇主体外部闭合的磁场线经由所述导磁结构件在舰艇主体内部形成磁场线闭合回路，对舰艇主体产生的磁场形成磁约束；使得位于舰艇主体外部的磁场线减少甚至消失。

7.根据权利要求6所述的自消磁舰艇，其特征在于：所述导磁结构至少为三个，分别沿所述舰艇主体的纵向、横向和垂向设置。

8.根据权利要求6或7所述的自消磁舰艇，其特征在于：所述导磁结构件自身能够产生磁场；所述导磁结构件产生磁场的磁场线方向，与所述舰艇主体相应方向磁场的磁场线方向相反。

9.根据权利要求8所述的自消磁舰艇，其特征在于：所述导磁结构件产生磁场的磁场线数目，与所述舰艇主体相应方向磁场的磁场线数目基本相同。

10.根据权利要求9所述的自消磁舰艇，其特征在于：所述导磁结构件为电磁铁结构件，其产生磁场的磁场线方向和磁场线数目可通过施加的电流调整。

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