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Verfahren zur Kompensation des magnetischen Störfeldes von aus ferromagnetischen
Bauteilen bestehenden Einheiten, insbesondere auf Schiffen mit unmagnetischer Außenhaut
Wegen der Gefahr der Auslösung magnetischer Minen oder anderer magnetisch gesteuerter
Waffen unter Fahrzeugen, insbesondere Schiffen, ist es erwünscht, die Störung des
magnetischen Erdfeldes unter den betreffenden Fahrzeugen möglichst gering zu halten.
Diese magnetischen Störungen, z. B. unter Schiffen, rühren bei sogenannten amagnetischen
Schiffen mit nichtmagnetisierbarer Außenhaut, die z. B. aus Holz sein kann, von
einer Summe magnetisierbarer Aggregate und Bauteile wie Antriebsmaschinen, Motoren,
Generatoren, Pumpen, Winden usw. her. Das gesamte unter einem Schiff auftretende
magnetische Störfeld läßt sich auffassen als die Summenwirkung von sechs magnetischen
Störmomenten. Diese sechs magnetischen Störmomente setzen sich zusammen aus den
drei durch das Erdfeld induzierten und mit dem Erdfeld sich ändernden Komponenten
des magnetischen Induziermomentes sowie den drei permanenten erdfeldunabhängigen.Komponenten
des magnetischen Momentes in den drei Schiffskoordinaten x (Längsachse),
y (Querachse) und z (Vertikale des Schiffes).
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Zur Kompensation dieser magnetischen Störfelder unter dem Schiff sind
Anordnungen bekanntgeworden, bei denen durch stromdurchflossene Schleifen an Bord
des Schiffes magnetische Kornpensationsfelder
erzeugt werden, die
den Störfeldern entgegengesetzt gerichtet sind. Bei diesen unter der Bezeichnung
MES (magnetischer Eigenschutz) oder Autodeg (auto-degaussing) bekanntgewordenen
Anordnungen wird ein System von sechs stromdurchflossenen Kabelschleifen zur Kompensation
der Störfelder, herrührend aus den drei vom Erdfeld induzierten sowie den drei permanenten
magnetischen Momenten in den drei Schiffsrichtungen, verwendet. Dabei wird der Strom
durch das Schleifensystem zur Kompensation der Störfelder, herrührend von den drei
Komponenten des permanenten magnetischen Momentes, fest eingestellt, während der
Strom durch das Schleifensystem zur Kompensation der Störfelder, herrührend von
den drei Komponenten des induzierten magnetischen Momentes, entweder von Hand oder
durch ein kreiselgesteuertes Rechengerät oder durch magnetische Sonden entsprechend
den Änderungen der magnetischen Erdfeldkomponente bei Stampf- und Schlingerbewegung
sowie bei Kursänderung gesteuert wird. Die Schleifensysteme der MES-Anlage werden
entsprechend dem heutigen Stand der Technik auf amagnetischen Schiffen so ausgelegt,
daß einmal die Summe der Störfelder aller kleineren magnetischen Störkörper wie
Pumpen, Elektromotoren, Generatoren usw. durch große Schleifen, die in ihren Dimensionen
vergleichbar mit der Gesamtausdehnung des Schiffes sind, pauschal kompensiert werden
soll. Die von magnetischen Hauptstörkörpern, wie z. B. Antriebsmotoren, ausgehenden
magnetischen Störfelder werden außerdem zusätzlich durch ein besonderes Schleifensystem
kompensiert, das um den betreffenden Hauptstörkörper herumgelegt wird.
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Die Kompensation magnetischer Störfelder durch stromduchflossene Schleifen
enthält jedoch einige schwerwiegende Nachteile. Die magnetischen Einzelstörkörper
auf Schiffen zeigen - wie umfangreiche Untersuchungen ergeben haben - bereits in
geringer Entfernung ziemlich genau das Verhalten eines magnetischen Dipols, dessen
Störfeld nach Gleichung (1 a) und (1-b) und Fig. 1 mit der dritten Potenz der Entfernung
abnimmt. In F i g. 1 sei 1 ein magnetischer Dipol mit dem in Pfeilrichtung wirkenden
magnetischen Moment M (Gauß cm3). Am Ort 2 (I. Hauptlage) im Abstand a cm von dem
Dipol herrscht die Feldstärke H0e nach Gleichung 1 a
Am Ort 3 (II. Hauptlage) im seitlichen Abstand a (Fig. 1) herrscht die Feldstärke
Das von einem Dipol herrührende magnetische Störfeld läßt sich dann in allen Richtungen
und kompensieren, Entfernungen vom Stördipol wenn die räumliche Verteilung des magnetischen
Kompensationsfeldes möglichst genau mit der des Stördipols übereinstimmt. Die räumlicheVerteilung
des Feldes einer Schleife stimmt insbesondere in der Nähe der Schleife; d. h. in
einem Abstandsbereich bis zum Zwei- bis Dreifachen des Schleifendurchmessers, jedoch
in keiner Weise mit der Verteilung des Störfeldes eines magnetischen Dipols überein.
Daher ist die Kompensation des Störfeldes von magnetischen Störkörpern mit Dipolcharakter
insbesondere in der Nähe des Störkörpers sehr unvollkommen.' Eine genaue Kompensation
des Störfeldes ist daher nur in einer bestimmten Entfernung unter dem Störkörper
für einen einzigen Punkt möglich. In größerer oder kleinerer Entfernung, insbesondere
auch seitlich von dem Ort mit der genauen Störfeldkompensation, können erhebliche
unkompensierte Störfelder auftreten, wie die exakte mathematische Analyse zeigt.
Wenn z. B. der Strom der Kompensationsschleife um einen magnetischen Störkörper
so eingestellt ist, daß gerade in einer Tiefe senkrecht unter dem magnetischen Störkörper,
die gleich dem Durchmesser D der Kompensationsschleife ist, eine vollständige Kompensation
erreicht ist, so treten neben diesem Punkt in gleicher Tiefe erhebliche Störfelder
auf; in diesem Beispiel 140/o des maximalen Störfeldes ohne Kompensation, wie Fig.
2 zeigt. Abgesehen von der Unvollkommenheit der Kompensation eines magnetischen
Störfeldes durch ein Schleifenfeld, zeigt der Verlauf des nichtkompensierten Betrages
bei Schleifenfeldkompensation eine besondere Gefährdung für das Fahrzeug durch magnetische
Induktionsminen. Durch die bei der Schleifenkompensation nach Fig. 2 auftretende
steile Änderung der Größe des nichtkompensierbaren Anteiles des Störeiner magnetischen
feldes können beim Mine mit Induktionszündung, die nicht auf den Absolutwert des
Feldes, sondern auf die Änderungsgeschwindigkeit des Störfeldes anspricht, erhebdüktions-Zündsystem
liche Spannungen in dem I auftreten. die genaue mathematische Analyse zeigt, wächst
der nichtkompensierbare Anteil F (gleich Fehler der Kompensation) hei der Schleifenkompensation
nach Gleichung (2) an:
Dabei ist D der Schleifendurchmesser, a die Tiefe unter dem Schleifenzentrum und
Hu der Maximalwert der Störfeldstärke des magnetischen Störkörpers in .einer Tiefe
a ohne jegliche SchIeifenl:ompensation. Hu ist daher identisch mit der des magnetischen
Dipols nach Gleichung (1 a) in einer Tiefe .a unter dem Störkörper. Die Unvollkommenheit
der Störfeldkompensation (Größe des Kompensationsfehlers F) eines magnetischen Störkörpers
durch ein Schleifenfeld wächst nach Gleichung 2 an mit dem Quadrat der reziproken
Tiefe, in der das Fahrzeug noch vor magnetischen Minen in geschützt sein soll. Je
geringer die Wassertiefe,
der noch eine Störfeldkompensation erreicht
werden soll, um so unvollkommener ist die Störfeldkompensation durch eine Schleife,
d. h. um so größer ist der Kompensationsfehler F.
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Nachdem in steigendem Maße Schiffstypen für sehr geringe Gefährdungstiefen
(sogenannte Flachwasserboote) gebaut werden und nachdem eine Verringerung der Gefährdungstiefen
bereits vorlrandener Bootstypen angestrebt wird, besteht ein dringendes Bedürfnis,
das Schleifen-Kompensationsverfahren durch ein wirksames Kompensationsverfahren
für magnetische Störfelder zu ersetzen.
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Um die geschilderten Nachteile der genannten Verfahren zu vermeiden,
wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Kompensation des magnetischen Störfeldes
von aus ferromagnetischen Bauteilen (Störkörpern) bestehenden Einheiten, insbesondere
auf Schiffen mit unmagnetischer Schiffshaut, bei denen in der Nähe der wesentlichen
Störkörper magnetische Gegenfelder erzeugt werden, vorgeschlagen, daß an jedem Störkörper
mit dem Verhalten eines magnetischen Dipols ein magnetisches Gegenfeld durch mindestens
einen sogenannten Antidipol erzeugt wird, dessen magnetisches Moment gleich oder
nahezu gleich dem dieses Störkörpers ist, wobei durch die bei dieser Art der Erzeugung
magnetischer Gegenfelder ermöglichte Anbringung des Antidipols in nächster Nähe
des magnetischen Schwerpunktes des Störkörpers eine Kompensation des Störfeldes
in allen Richtungen und Entfernungen erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren hat
den Vorteil, daß mit ihm bei wesentlich geringerem Leistungsaufwand als bei den
früher benutzten Verfahren eine wesentlich bessere Kompensation in einem großen
Abstandsbereich bis nahe an den Störkörper erzielt wird.
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Wird einem magnetischen Störkörper mit dem Verhalten eines magnetischen
Dipols mit dem Moment M ein magnetischer Dipol mit dem gleich großen, aber entgegengesetzt
gerichteten Moment, im folgenden mit Antidipol bezeichnet, genähert, so ergibt sich
eine um so vollkommenere Kompensation des Störfeldes in allen Richtungen und Entfernungen,
je mehr der Antidipol dem Stördipol genähert wird. Aus einer umfangreichen mathematischen
Analyse über die Kompensationswirkung aller nur möglichen Dipol-Antidipol-Konfigurationen
sei das Beispiel (Fig. 3) behandelt, bei welchem dem magnetischen Stördipol 1 ein
Antidipol 2 in Richtung des Vektors des Momentes genähert wird. Der Abstand der
beiden magnetischen Schwerpunkte zwischen Dipol und Antidipol sei b; dann tritt
in der Ebene, die im Abstand a unter dem Momentenschwerpunkt 3 (Fig. 3) senkrecht
zur Dipolachse verläuft, ein maximales nichtkompensierbares Differenzfeld Hd nach
Gleichung (3) auf:
Fig. 4 zeigt den Fall, daß ein magnetisches Störmoment 1 durch zwei Antidipole 2
und 3 mit je dem halben Moment kompensiert wird. In der unter dem magnetischen Ebene,
die im Abstand Schwerpunkt des Dipols senkrecht zur Dipölrichnichtkompensiertung
verläuft, tritt als (4) auf: bares Differenzfeld H,, nach
Beispiel aus Aus Gleichung (3) und (4), die der Kompendem gesamten untersuchten
sationswirkung aller nur möglichen Dipol-Antionen dienen mögen, ergibt sich, dipol-Konfigurat
daß die Kompensationswirkung kleiner Werte für Hd eines Antidipols um so besser
wird, je näher er an den Stördipol herangebracht wird, je kleiner also der Abstand
b gewählt kann. Wird nun der Antidipol direkt auf den Stördipol gesetzt
a von einigen (b® 0), so ergibt sich für eine Metern in der gesamten Ebene
durch den Abstand a eine außerordentlich gute Kompensation (Hdda der Wert in Gleichung
(3) und (4) verschwindet.
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Durch Verwendung von zwei Antidipolen mit je nach Gleichung (4) die
dem halten Moment Kompensation der magnetischen Störfelder noch weitergetrieben
werden, da das in einer Tiefe a noch vorhandene, nichtkompensierbare Differenzfeld
mit dem Quadrat des Verhältnisses abnimmt.
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Es besteht einmal die Möglichkeit, größere, magnetisierbaren und nichtmagnetisierbaren
Werkstoffen aufgebaute Aggregate, wie z. B. Antriebsmaschinen, magnetisch zu kompensieren,
indem die Antidipole möglichst in der Nähe des magnetischen Schwerpunktes aller
magnetisierbaren Einzelteile des betreffenden Aggregates angebracht werden.-Es hat
sich nämlich aus zahlreichen magnetischen Vermessungen solcher Aggregate ergeben,
daß ein aus einzelnen diskreten magnetischen Störmomenten bestehendes Aggregat schon
in verhältnismäßig geringer Entfernung das Verhalten eines einzigen magnetischen
Dipols erhält.
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Anstatt die Summe aller Einzelstörmomente pauschal mit einem oder
einigen Antidipolen zu kompensieren, besteht aber zum anderen auch die Möglichkeit,
jeden einzelnen magnetischen Störkörper in einem Aggregat durch je einen oder mehrere
Antidipole zu kompensieren. Hierbei wird der Antidipol direkt an oder dicht bei
dem Stördipol befestigt. Dadurch wird der Quotient
in Gleichung (3) bzw.
in Gleichung (d) extrem klein. Das bedeutet aber eine vollständige Kompensation
der magnetischen Störfelder in allen Entfernungen, in denen die Bedingung
b << a erfüllt ist, was bei der an dem Stördipol Befestigung des Antidipols
zu erreichen ist.
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Kompensation sowohl des induzierten als von auch des permanenten magnetischen
magnetisierbaren Störkörpern an Bord von Fahrnsbezeugen lassen sich zahlreiche Anordnungen,
sondere
zur kontinuierlichen Variation des magnetischen Antidipolmomentes, angeben. Im folgenden
werden einige solcher Anordnungen als Beispiele behandelt, ohne daß jedoch das Verfahren
auf die angeführten Beispiele beschränkt bleiben soll.
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Zur Kompensation der magnetischen Momente .dienen erfindungsgemäß
hochpermeable, von einer stromdurchflossenen Spule umgebene Körper, die durch die
MES-Einrichtung gesteuert werden. Diese Körper werden möglichst nahe an die Stördipole
herangebracht [kleiner Wert für b in Gleichung (3) und (4) ].
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Zur kontinuierlichen Variation des magnetischen Momentes eines solchen
Antidipols bei gegebenem Strom läßt sich dieser aus mindestens zwei teleskopartig
ineinander verschiebbaren Rohren ausbilden, wodurch das Moment bei einem bestimmten
Strom in weiten Grenzen variierbar gemacht werden kann. Fig.5 zeigt ein Schema der
Anordnung eines in seiner Kompensationswirkung stetig veränderlichen Antidipols.
l stellt ein magnetisierbares Rohr dar, in dem der magnetisierbare Kern 2 verschiebbar
angeordnet ist, 3 ist die Magnetisierungsspule zur Erzeugung eines magnetischen
Momentes. Durch kontinuierliches Verschieben des Kernes 2 in dem Rohr 1 zu größerer
Länge der aus beiden Teilen 1 und 2 bestehenden Anordnung wächst das bei einem bestimmten
Strom durch die Spule 3 erzeugte Antidipolmoment kontinuierlich an. Die Möglichkeit
der kontinuierlichen Variation des Antidipolmomentes durch teleskopartige Verschiebung
des Spulenkernes hat erhebliche Vorteile gegenüber der üblichen unstetigen Variation
des Kompensationsgrades einer MES-Schleife durch Umklemmen der Windungszahlen.
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Der gleiche Effekt der kontinuierlichen Änderung der Kompensationswirkung
eines Antidipols bei konstantem Strom kann (gemäß Fig. 6) erreicht werden durch
Verschiebung eines magnetisierbaren Kernes 3 in einer Spule, die aus zwei gegeneinander
geschalteten Teilen 1 und 2 besteht. Befindet sich der Kern nur in Spule 2, so zeigt
er das bei gegebenem Spulenstrom größte Antidipolmoment. Dieses kann bei konstant
gehaltenem Strom kontinuierlich verkleinert werden, wenn der Kern mehr und mehr
in Spule 1 mit entgegengesetzter Feldrichtung eintaucht.
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Solche Anordnungen zur kontinuierlichen Variation des Antidipolmomentes
bei gegebenem Kompensätionsstrom, für die Fig. 5 und 6 ein Ausführungsbeispiel geben,
sind von Bedeutung, wenn die verschiedenen Störkörper durch entsprechende Antidipole
hinsichtlich ihres induzierten Störfeldes kompensiert werden sollen, wobei jedoch
alle Antidipole von dem gleichen Strom durchflossen werden.
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In gleicher Weise, wie in Fig. 5 durch Verschieben des Kernes bei
einem Rohr ein variables Antidipolmoment erzeugt wird, läßt sich mit einer ähnlichen
Anordnung ein kontinuierlich variierbares, permanentes Moment erzeugen. Hierbei
wird statt des hochpermeablen, verschiebbaren Kernes ein verschiebbarer zylindrischer
Dauermagnet im Innern eines hochpermeablen Weicheisenrohres angeordnet. Befindet
sich der Weicheisenmagnet vollständig in dem Rohr, so erhalten die aus dem Magneten
austretenden Kraftlinien einen Kurzschluß, so daß nur ein sehr schwaches permanentes
Antidipolmoment erzeugt werden kann. Je weiter der Magnet aus dem Rohr herausgeschoben
wird, um so größer ist das permanente Antidipolmoment.
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In Weiterbildung der Erfindung kann die Kompensation des induzierten
und des permanenten Anteiles des Störfeldes getrennt vorgenommen werden, indem zur
Kompensation des induzierten Anteiles zweckmäßigerweise alle vorher beschriebenen
Anordnungen in Frage kommen, die mit einer stromdurchflossenen Spule ausgerüstet
sind, während sich zur Kompensation des permanenten Anteiles sowohl die Anordnungen
mit Dauermagneten als auch diejenigen mit Spulen eignen.
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Die Kompensation des Gesamtstörfeldes eines Schiffes erfolgt erfindungsgemäß
in der Weise, daß für jeden Störkörper (Stördipol) mindestens ein Antidipol für
den induzierten Anteil bzw. für die Änderung des induzierten Anteiles beim Stampf-und
Schlingervorgang und ein Antidipol für den permanenten Anteil des magnetischen Störfeldes
dieses Störkörpers vorgesehen wird. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, für jeden
Störkörper einen einzigen Antidipol zur Kompensation des permanenten Anteiles und
drei Antidipole zur Kompensation des induzierten Anteiles des Störfeldes in den
drei Komponentenrichtungen eines Störkörpers vorzusehen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird auch vorgesehen, die drei Komponenten
des permanenten Anteiles und die drei Komponenten des induzierten Anteiles des Störfeldes
eines Störkörpers durch je drei Antidipole zu kompensieren. Dabei werden die drei
genannten Antidipole für den. permanenten Anteil des Störfeldes und die Antidipole
für den induzierten Anteil des Störfeldes gemäß den entsprechenden Komponentenrichtungen
des Störfeldes ausgerichtet. Es ist jedoch auch möglich, einen einzigen Antidipol
in der Richtung des resultierenden Feldes der drei Komponenten des permanenten Anteiles
des Störfeldes sowie des induzierten Anteiles des Störfeldes anzubringen. Dabei
wird die Wicklung jedes Antidipols, der das permanente Störfeld kompensieren soll,
mit einem konstanten Strom entsprechend dem unveränderlichen Permanentmoment erregt,
während die Wicklung des Antidipols zur Kompensation des induzierten Momentes mit
einem Strom erregt wird, welcher der jeweiligen Komponente des Erdfeldes, die das
induzierte magnetische Moment des Störkörpers erzeugt, proportional ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgesehen, daß der Strom durch
die Spulen des Antidipols zur Kompensation des induzierten Anteiles bzw. zur Kompensation
der Änderung des induzierten Anteiles beim Stampf- und Schlingervorgang entsprechend
der Erdfeldstärke entweder manuell oder automatisch reguliert wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird fernerhin vorgesehen, daß alle
magnetischen Störkörper,
deren Verhalten dem eines magnetischen
Dipols entspricht, schon vor dein Einbau in das Schiff, also auf Land, mit geeigneten
Antidipolen versehen werden und daß das magnetische Verhalten der Störkörper (Stördipole)
schon vor dem Einbau genau gemessen, eingestellt und kontrolliert wird.