柴油機磁場的計算、試驗與消磁優化

趙建華， 應宇辰，2， 郭成豹

(1.海軍工程大學 動力工程學院， 湖北 武漢 430033；2.海軍91202部隊， 遼寧 葫蘆島 125000；3.海軍工程大學 電氣工程學院， 湖北 武漢 430033)

0 引言

船舶消磁主要是指船體消磁，有一套成熟的消磁理論和技術[1]，但如果掃雷艦的船體采用低磁材料制造，缺少船體的磁屏蔽作用，柴油機產生的磁場成為主要的消磁對象。柴油機的機體、曲軸、氣缸蓋等鐵磁性部件在地磁場的磁化作用下會產生感應磁場[2]，目前，柴油機感應磁場的仿真計算和消磁技術研究還比較少。

研究柴油機磁場仿真和試驗方法，獲得地磁作用下一定深度平面上柴油機的感應磁場?；谟嬎惬@得三維磁場強度，利用抵消磁場法消磁，優化柴油機磁場分布，進而實現最佳消磁目標，具有重要的應用價值。

1 柴油機消磁研究概況

柴油機消磁研究包括柴油機磁場計算、試驗及消磁，主要的技術手段有：無磁和低磁材料應用、有限元計算和三維磁場測試補償等。

1.1 材料及零部件低磁化技術

柴油機是一種集多種機械運動方式、高機械強度、熱- 機耦合、流- 固耦合等于一體的大型鐵磁性動力機械，若采用無磁材料代替這些鐵磁材料，其感應磁場就會大大降低。但低磁、無磁材料的強度低會導致柴油機的功率、抗沖擊能力及可靠性下降[3]。

英國Paxman公司在20世紀80年代采用零部件磁性處理和線圈補償技術，生產了4RP200E、6RP200E及SRP20OE等3型低磁柴油機，其無磁率約為56%. 德國MTU公司生產的柴油機按磁性大小可分為無磁率95%以上、無磁率70%和普通鐵磁性3大類，MTU TB91型無磁柴油機應用于 “弗蘭肯塔爾”級、 “哈默爾恩”級等艦艇。日本三井公司生產的12V42MA型、三菱公司生產的6NMU2TA1型和6MNC型無磁柴油機也處于世界領先地位。此外，其他無磁發動機還有意大利Isotta Fraschini公司的ID36SS-AM型低磁柴油機、Fincantieri公司的GMT BL230型柴油機和西班牙瓦特西拉公司的UD23V12型柴油機等。

另一種有效的低磁化方法是：對每一個零部件單獨進行低磁處理再組裝，可降低柴油機磁場。例如：2015年芬蘭購買的3臺MTU396型低磁柴油機中鐵磁材料占90%，就是通過對曲軸、連桿、凸輪軸、渦輪增壓器、缸蓋和螺栓等共計約16 000個零部件進行消磁再組裝而實現柴油機無磁化[3]。但采用這種方案制造的低磁柴油機難消磁卻易磁化，需要配套消磁保障系統。

1.2 磁場測試及計算

杜志瀛[4]根據柴油機三維磁場測量結果，采用局部線圈補償法，大幅度地降低了柴油機的磁場。但這種測量- 解析計算- 設置線圈的手段難以實現消磁最優化。隨著有限元仿真技術的發展，可實現柴油機磁場的復雜計算。姜智鵬等[5]利用有限元分析Ansys軟件實現了磁場有限元計算。劉勝道等[6]提出了一種柴油機磁場簡化建模方法，并采用靜磁場積分方程法，獲得了柴油機的感應磁場。郭成豹等[7-8]、Roberts等[9]分析比較了幾種經典的磁場數值計算方法[10-12]，可用于柴油機磁場計算分析。

2 柴油機磁場計算的基本理論

(1)

式中：φm為標量磁位；H為磁場強度。

(2)

式中：μ0為真空磁導率；B為磁通密度；M是磁介質的磁化強度。

(3)

式中：ρm為與M作用等效的體磁荷密度，滿足

(4)

在無界空間中，(3)式的一個特解為

(5)

式中：φm(r)為點r處的標量磁位；ρm(r′)為點r′處的體磁荷密度；V為磁介質的體積；V′為點r′處的體積；R為從源點到場點的矢徑。

(6)

磁介質在外磁場中被磁化，引起周圍磁場的變化，該過程可以看作是許多磁偶極子連續分布的集合，它激發的場是無旋場。在分界面上，標量磁位φm滿足

φmo=φmi，

(7)

(8)

(9)

3 柴油機磁場有限元計算分析

隨著電磁場有限元仿真軟件的發展，可采用等效磁荷法對地磁場磁化作用下柴油機磁場進行有限元仿真，磁場分析Comsol軟件計算靜磁場時所采用的是基于變分原理的有限元法[14]，可考慮影響柴油機磁場的諸多因素。

3.1 有限元建模

根據設計圖紙，在保證機體結構細節對遠場磁性影響很小的情況下，簡化了部分圓角、長條面和小圓孔等細節，建立柴油機機體的三維模型，如圖1所示。以12 m×12 m×18 m的長方體空間作為解析域，將柴油機機體和解析域形成聯合體，設置邊界條件，建立柴油機磁場仿真模型。

圖1 柴油機磁場仿真模型Fig.1 Magnetic field simulation model of diesel engine

選用Comsol軟件的“AC/DC-磁場，無電流(mfnc)”模塊，設置機體材料為鑄鐵，其相對磁導率為400，空氣的相對磁導率為1，溫度采用默認值293.15 K. 模型中本構關系設置為相對磁導率；假定某地區的地磁場變化很小，設置背景磁場垂直分量值為45 600 nT.

3.2 劃分網格

網格劃分選擇自由剖分四面體網格，模型采用極端細化模式劃分，最大單元大小為0.36 m，最小單元大小為0.003 6 m，最大單元增長率為1.3，曲率因子為0.2，共形成3 518 137個域單元、190 236個邊界單元和14 254個邊單元，狹窄區域分辨率為1，如圖2所示。

圖2 有限元網格Fig.2 Finite element mesh

3.3 磁場計算及分析

基于柴油機磁場模型進行求解計算，獲得了空間各個平面上和柴油機機體上的磁通密度，如圖3所示。柴油機正下方磁通密度較大，如圖3(a)所示；機體內部磁通密度流線分布因受柴油機結構影響而不均，磁通密度較大的區域集中在中間兩氣缸處，如圖3(b)所示。

圖3 磁通密度流線Fig.3 Flux density streamline

根據相關標準要求[15]，通常無磁性掃雷艇的磁性防護指標要求距艇體下方9 m標準深度測量時,其垂向磁通密度量級為幾十納特。在柴油機下方9 m的深度平面上布設考核節點，以柴油機的投影為邊界，沿柴油機橫向等分為3行，分別為-0.75線、0線、0.75線，每行取21個點，間距為0.75 m，組成由63個考核節點的點陣，如圖4所示。

圖4 布設考核節點Fig.4 Layout of checking nodes

在標準深度平面上，沿柴油機縱向，磁通密度呈現出明顯的中心高、兩端低的分布規律，最大值位于機體幾何中心的正下方附近，為45 824.35 nT，去掉地磁場后，數值為224.35 nT，所以該柴油機必須經過消磁才能滿足無磁性掃雷艇的磁性防護指標要求，如圖5所示。

圖5 考核節點磁通密度分布規律Fig.5 Distribution law of flux density at checking nodes

柴油機下方9 m平面上的磁場整體分布情況如圖6所示，磁場呈橢圓形分布，平面正中心位置磁通密度最大，距離中心越遠，磁通密度越小。

圖6 磁通密度分布Fig.6 Flux density distribution

4 柴油機磁場試驗驗證

在某地(地磁場分量數值為4.56×10-5T)開展試驗測試，首先對柴油機進行消磁，然后在柴油機再次被地磁場磁化后進行測量。將柴油機懸置于2 m高度，如圖7所示。然后再在柴油機縱向、橫向中軸線下方2 m處的地面上分別確定21個磁測節點，利用磁探頭進行測量。將測量結果與仿真計算結果進行比對，測量值與計算值之間的差值不超過10 nT，計算誤差小于5%，在工程應用允許的范圍之內，如圖8所示。

圖7 測量對象的布置方式Fig.7 Layout of measuring objects

圖8 測量值與計算值對比Fig.8 Comparison of measured and calculated values

5 基于磁場仿真的消磁及優化

5.1 消磁方法

在柴油機上方0.5 m處設置4只電磁鐵，對柴油機機體進行消磁。

根據仿真結果顯示的特征，磁通密度集中分布于機體的頂角附近，如圖3(b)所示，設置消磁磁鐵的布設位置為：將4只電磁鐵安放在磁通密度較集中的區域，如圖9所示。

圖9 消磁裝置布置Fig.9 Arrangement of degaussing device

5.2 消磁計算及優化

利用Comsol軟件的參數化掃描功能，通過不斷改變消磁設備的磁參數來優化消磁效果，找到消磁裝置最優磁參數。為此，參數化設置消磁裝置的磁性，單位是A/m，以1 000 A/m為步長，從-60 000 A/m掃描到0 A/m，基于AC/DC模塊計算分別獲得消磁效果。由掃描結果可以判定，在柴油機下方9 m平面上，當消磁裝置的磁性數值取-11 000 A/m時，通過下方平面上的磁通量最小。

計算并導出考核節點的磁通密度值，如圖10所示。計算表明，在柴油機正下方9 m處的磁通密度最大值為45 608.33 nT，去掉地磁場后，數值為8.33 nT. 即：經過消磁，柴油機磁場從224.35 nT下降到8.33 nT，降低了95.38%，達到了最優的消磁效果。

圖10 考核節點磁通密度Fig.10 Flux densities at the checking nodes

將布設消磁設備前與布設消磁設備后的柴油機正下方9 m平面的磁信號進行對比，如圖11所示。布設消磁設備后，柴油機的磁信號不僅大大降低，而且差值較小。

圖11 消磁前后磁通密度對比Fig.11 Comparison of flux densities before and after degaussing

消磁前后，柴油機縱向側視圖上磁場及流線分別如圖12(a)、圖12(b)所示。消磁前，柴油機下方磁通密度流線呈圓錐形，消磁后柴油機下方低磁場范圍顯著增大，呈空心球形狀。整體消磁效果顯著。

圖12 消磁前后磁場對比Fig.12 Comparison of magnetic fields before and after degaussing

6 結論

本文采用柴油機磁場有限元仿真使柴油機的磁場分布計算更加精確化，為消磁參數優化提供了定量依據。仿真方法也適用于船舶整體消磁、裝設備磁路設計等工作。解決了以往磁場估算、采用經驗與試驗嘗試獲得消磁參數等對近場消磁存在偏差的問題。得到主要結論如下：

1)基于Comsol軟件AC/DC模塊，實現了柴油機感應磁場的計算，柴油機下方9 m平面上，感應磁場強度相對地磁場的畸變量計算值高達224.35 nT. 在實驗室條件下，將測量結果與仿真計算結果進行對比，誤差不超過5%，在工程允許的范圍之內。

2)使用4只電磁鐵組成消磁磁陣，通過柴油機和消磁磁陣的一體化仿真，獲得最佳消磁參數，控制每只電磁鐵磁場大小為11 000 A/m，可以使柴油機下方9 m平面上的磁場強度畸變量降低至最低值8.33 nT，降低約95%.