直流电缆作用下铁磁结构磁化特性研究及应用∗

禤予文 王 鲸

（中国人民解放军92601部队 湛江 524009）

1 引言

随着舰船全电力推进技术的发展，其电力系统采用几千伏直流电压的标准传输电能［1］，一旦发生短路现象，电流往往能达到几千甚至上万安培，舰载消磁线圈也会在舰艇局部具有非常高的安匝量。根据毕奥-沙伐尔定律，在电流一定情况下，磁源（电流）产生磁场和与磁源距离的平方成反比。当在舰船上敷设电缆，在其中通以强大的恒定电流时，如果电缆紧贴着钢材，舰船与磁源（电缆）距离趋向于0，舰船将得到很强的磁化。由于未加外磁场前铁磁物质中已发生自发磁化并形成许多磁畴，所以在加入外磁场后，实际是物质中的磁畴结构及分布状态发生了变化，从而在外磁场方向表现出一定的宏观特性。

当这种强大的电流消失后，根据铁磁物体的磁化曲线和磁滞回线，电流的磁化往往超过了铁磁物体磁化曲线线性区，形成不可逆的磁化作用，如果外磁场为零时，这时钢板内部的磁化强度M并不位零，而是保留有一定量级的剩余磁化强度，对外部形成一个剩磁场。这种剩磁场是构成舰船的固定磁性磁场的一部分，在舰船磁性防护中需加以防护或消除［2］。

2 直流电流磁化铁磁物体模型

2.1 直流电流磁化公式

设单根导线流过的电流密度J，因变量为磁矢位A，易推导出磁矢位满足以下泊松方程：

参考电缆在舰船上布置的方式，仅考虑铁磁物体纵向方向和垂向方向磁化，不妨设置电流与铁磁物体的正交。式（1）可知磁矢位与电流面密度方向相同，也只有y方向的分量，设钢板的磁导率为μ，式（1）在直角坐标系下的格式为

设定参考点，定义导线边缘的位置磁矢位为0，式（2）写成：

由于式（3）没有解析解，需用数值求解的方法求得数值解，本文使用有限元方法求解式（3）的数值解。

2.2 直流电流磁化铁磁物体剩磁模型

为了简化模型，采用无限长电缆，铁磁物体沿电缆方向也为无限长的二维模型，电缆放置方式如图1所示。

图1 电缆放置示意图

通过利用有限元仿真软件，可以对直流电缆磁化铁磁物体情况进行仿真。根据磁化的仿真情况，将铁磁物体内部根据不同磁化程度进行剖分［3］，每个剖分区域根据铁磁物体的磁滞回线赋予单独的磁化强度M，如图2所示。每个剖分区域的剩磁叠加即为整个铁磁物体被磁化后的剩余磁场。

图2 钢板被磁化后磁场等值线分布

3 数值算例分析

用一块长100cm，宽20cm，厚2.8cm的钢板代替铁磁物体，测量深度为50.2cm，在紧贴钢板上方放置四根电流流向相反的导线，如图3、图4所示。

图3 钢板尺寸示意图

图4 电缆布设方式示意图

本文采用超级电容放电的方式来达到直流大电流对钢板的磁化效果。利用7100-MMS自动测量系统对钢板中心下50.2cm深度，钢板中轴线上磁场进行测量。预先通过地磁补偿装置来测得钢板的感应磁场［4］，将7100-MMS所测得磁场减去感应磁场即为钢板磁化后的剩余磁场。比较结果如图5。

图5 磁场仿真值与测量值比较

可以看出仿真值与测量值总体吻合较好，个别测量点位误差较大。这是由于利用仿真软件对钢板剩余磁场仿真存在两个方面的的误差：一，对钢板的剩余磁场仿真是在假设钢板处于磁中性状态下进行的，而实际上虽然钢板经过了退磁处理，但仍保留着一定程度的磁化强度；二，仿真模型为二维模型，忽略了钢板横向的边缘效应影响，实际采用的钢板横向尺寸较小，边缘效应明显。

4 利用COMSOL有限元仿真软件对电缆布设方式优化

4.1 不同叠放方式电缆杂散磁场对钢板剩磁的影响

由算例结果可以看出，当电缆按照图4方式布置时，电缆的杂散磁场仍然较大，对钢板进行了明显的纵向磁化。现利用COMSOL有限元仿真软件，对几种常见的布缆方式［5］的电缆在载流1000A时的杂散磁场对钢板剩余磁场影响进行仿真。结果如下。

图6 几种常见的布缆方式

图7 不同布缆方式对钢板剩磁Z分量的影响

图8 不同电缆布设方式对钢板剩磁X分量的影响

可以看出，图6（b）中布缆方式电缆杂散磁场对钢板影响最小，且电缆对钢板是垂向磁化。由于现实中舰船船壳较薄，磁化程度较小，有利于减小舰船的局部磁场［6］。

4.2 不同叠放高度电缆杂散磁场对钢板剩磁的影响

采用图6（b）布缆方式，载流1000A，控制电缆距离钢板的高度，探讨电缆最佳布设高度。

从图9、图10可以看出，随着电缆布设高度的增加，电缆杂散磁场对钢板的影响越小，符合直观影响。在载流1000A时，电缆与钢板距离10mm以上，电缆杂散磁场对钢板影响几乎没有，可以得出结论，以正负交替的电缆上下相叠且距离船壳10mm以上，电缆杂散磁场对船壳影响最小。

图9 不同高度对钢板剩磁Z分量影响

图10 不同高度对钢板剩磁X分量的影响

5 结语

本文以直流电缆磁化钢板后的剩磁为主要研究对象，仿真与实验结合，完成了直流电缆磁化钢板的建模和理论分析，并设计实验进行验证，结果标明仿真结果与测量数值总体符合较好。本文还探讨了不同布放方式电缆杂散磁场对钢板的影响，给出了最佳的布缆方式。为全电力战舰电缆布置提供参考。下一步，建立三维舰船的剩磁模型，增加剖分单元数量，研究电缆杂散磁场对舰船总体磁场的影响。