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摘 要：根据磁隐身坦克消磁线圈的特殊工作原理，结合实验室研制的实践经验，设计了一种新型低成本铝制消磁线圈，在保持消磁性能不变的情况下，新型消磁线圈对于磁隐身坦克等大型装备研制的经济效益十分显著。新型消磁线圈的制作主要包括绕线、包扎、粘接等技术，粘接过程可以采用导电胶粘接工艺解决铝的焊接问题，整个过程简单可靠。该低成本新型消磁线圈的研制将使得磁隐身坦克的批量面世成为可能，新型消磁线圈与传统消磁线圈的参数比照结果为研发相关电磁装甲的军工行业节约生产经费提供一些思路，并且为装备磁防护方法提供一些参考。
关键词：新型消磁线圈；磁隐身坦克；设计；成本分析
中图分类号：TM937 文献标识码：A
引言
消磁线圈是磁隐身坦克的核心部件之一，它安装在坦克钢壳的外部，属于新型电磁装甲，研究消磁线圈对坦克等军事装备周围磁场的消去效应具有重要意义，“磁隐身”坦克的研制已经成为世界军事领域的热点问题[1,2]之一。由于坦克、飞机、舰艇等军事装备作为高磁导体，在作战中被地磁场磁化后会形成标志性的磁场[3]，例如坦克中心的磁场为0，临近坦克区域的磁场很强，远离坦克的区域逐渐趋于地磁场。这种带有很强特征的磁场标志很容易被磁探测器识别，因而大大降低了该类主战装备的生存能力[2,3]。消磁线圈[2]就是针对这种磁场标志而设计的消磁元件，旨在使坦克的磁隐身性能达到战技指标。这个问题对于水陆两栖坦克尤为重要，在水中潜行的两栖坦克在机动过程中可能被反潜飞机精确定位[4]，因此，消磁线圈的设计[5-8]与制作已经成为现代世界各国装备领域急需解决的重要课题。本文根据消磁线圈特殊的工作原理，用漆包铝线设计了一种重量轻、成本低、消磁性能良好的新型消磁线圈。从应用角度上来讲，本文的设计结果及检测数据旨在为坦克等大型主战装备磁防护方法[2,8,9]给出一点参考，该方案对所有待消磁作战装备均可尝试应用。
1 坦克消磁线圈的基本结构及现状分析
1.1 坦克消磁线圈的基本结构
目前，国内坦克消磁线圈的应用尚处于实验室测试阶段。如图1所示，它们主要由线圈、 PVC 绝缘胶带和引线三部分组成；线圈是由漆包线绕制的，PVC 绝缘胶带包在线圈外面，引线与线圈焊接在一起。消磁线圈的主要参数为线圈内阻、周长、匝数、漆包线线径、绝缘胶带的包扎层数。其中周长主要坦克外壳的大小决定，线圈内阻、匝数、线径由消磁电路允许的最大通电电流的强度决定，绝缘胶带的包扎层数由抗电强度的要求决定。
1.2 坦克消磁线圈的现状分析
现有实验室采用的消磁线圈其绕线部分都使用漆包铜线，它的缺点是耗线多，重量重，因此对于坦克等大型需实现磁隐身的装备，漆包线的成本比较高，比如，对于一般尺寸（约 ）的坦克而言，一个线圈的耗线量达20千克，按现行价（30元/千克）计算达600元，因此，消磁線圈要在坦克上普及安装，将耗费大量的经费，这对于我国这种发展中国家的装备建设现状来说，将成为一项较重的军费负担，这也将成为阻碍该项目转入进一步生产及推广的瓶颈，因此，在保证性能不变的前提下，设计一种成本更高的消磁线圈，对磁隐身坦克的研制及推广来说，就显得特别重要。
2 新型消磁线圈的设计与成本分析
2.1新型低成本消磁线圈的可行性分析
漆包线有两种，一种是漆包铜线，一种是漆包铝线，由于前者的电阻率更小，因此在军事工程领域广泛应用前者，但后者重量轻（比重只有前者的三分之一），价格较便宜，具有很大的成本优势。如果能用它来制造消磁线圈就能很好的解决原线圈成本高这个缺点。那么能否用其制造消磁线圈呢？
首先，我们来分析一下消磁线圈的工作原理。如图2所示，消磁线圈与一正温度系数的消磁电阻（热敏电阻）串联后接到220伏交流电上，通电前，回路的静态电阻较小，为正温度系数消磁电阻的初始值Rt与线圈的内阻r之和。通电后，回路的起始电流很大，消磁电阻迅速升温，阻值随之上升，回路电流下降，从而在坦克周围造就一个迅速衰减的交变磁场，达到给坦克消磁的目的。从消磁线圈的工作原理及图2可以看出：消磁回路中有两个串联在一起的电阻，一是线圈的内阻，一是外接的消磁电阻，回路总电阻为两者之和。由于消磁电路在工作时需要回路具有一定的电阻，因此考虑新型消磁线圈取代传统的漆包铜线时，必须考虑如何保持回路的总电阻不变，这个问题可以通过调整外接的消磁电阻来解决，消磁电阻Rt初始值的设置能够补偿线圈内阻r的变化。由此我们可以得出这样的结论：由于消磁线圈的特定的工作方式，虽然铝的电阻率偏高，但可以用漆包铝线来制造消磁线圈，线圈由此增加的内阻可以通过调整外接的消磁电阻来补偿，以保持回路总电阻不变，从而使得整个消磁回路的消磁性能不变。
2.2新型线圈的具体设计及成本分析
由于消磁线圈的主要参数为线圈的匝数、内阻、周长、漆包线的线径、胶带的包扎层数，而胶带的包扎层数由线圈的抗电强度决定，与漆包线的关系不大，因此仅需对前四项进行讨论。根据文献[2,3]，考核消磁回路消磁性能的主要指标为消磁线圈中允许通过的电流强度的最大值以及消磁线圈的相应匝数，不同型号的坦克对其都有不同的要求，所以线圈的匝数和漆包铝线的线径要根据坦克所要求的最大安匝数和线圈的周长（主要由坦克外壳的大小决定）以及消磁电阻来确定。它们之间的相互关系为：
(1)
(2)
式中：Imax为消磁线圈中允许通过的电流强度的最大值，Umax为交流峰值电压，N为线圈的匝数，Rt为消磁电阻的初始值，r为消磁线圈内阻，l为线圈的周长，d为漆包铝线的线径，p为铝的电阻率。
在具体设计时有一个简单方法。由于铝的强度低，漆包铝线的线径比较大，一般都在 mm以上，而现有的用漆包铜线制成的消磁线圈所需的铜线线径一般都在 mm以下，所以在设计新线圈的过程中，可以参照原有用漆包铜线绕制的消磁线圈的内阻，提高漆包铝线的线径，使其内阻与原来的相一致，这样新消磁线圈的匝数、内阻、周长均与原漆包铜线制成的消磁线圈一致，仅因为线径变大而使得铝制消磁线圈比原有的粗一些。在内阻相同的情况下，漆包铝线的线径与漆包铜线线径的关系为： (3)
式中dAl、dCu分别为漆包铝、铜线的线径；pAl、pCu分别为漆包铝、铜线的电阻率。为防止消磁线圈太粗，以增加胶带的消耗量，漆包铝线的线径最好不要超过 ，若没有相对应规格的漆包铝线，可选用相临一档线径的漆包铝线，同时调整匝数和消磁回路中的消磁电阻，以保持消磁回路的最大安匝数不变。另外，在线径的选择时要注意铝线能承受的最大电流密度。
经计算，以前面提到的某坦克（约 ）消磁线圈为例，原用漆包铜线设计的消磁线圈的有关参数为：匝数50匝，线径 ，线圈周长约600m，线圈内阻为 ，消磁回路消磁电阻为 。如果按以上匝数、周长、线圈内阻将其设计成用漆包铝线制造的消磁线圈，通过计算，漆包铝线的线径定为0.65mm，这样该消磁线圈的其他参数仍然可以保持原来的数据不变（匝数50匝，线圈周长约600m，线圈内阻为 ，回路消磁电阻为 ）。这种用漆包铝线设计的消磁线圈的线材重量仅为10kg，比原线圈的耗材20kg降低10kg，下降近50%，除去因线圈变粗增加的胶带用量等因素外，材料成本最少将减少200元人民币，下降30%以上，因此，若推广起来经济效益将十分显著。
3 新型消磁线圈的制作方法
新型消磁线圈的制作步骤主要分为绕线、包扎、粘接三个部分，绕线时将漆包铝线紧贴坦克的外壳按一定的方位[2] （根据坦克的对称轴线方向、地磁场的方向及需要消磁的方向确定）绕制一定的匝数（比如50匝），组成一组线圈；包扎是指用绝缘胶带在整个线圈外面包扎一层一定厚度的绝缘层；粘接属于最難的步骤，需要将漆包铝线与外引线连接起来，由于铝的可焊性差，不能使用锡焊，它与外引线的连接就成了很大的问题，是该线圈能否实现低成本大规模生产的关键。通常，传统的连接方法有直接绞接、铆接、电弧焊接等，由于消磁线圈对连接的可靠性要求高，且线圈体积大、所用的漆包铝线较细，外引线又是多股铜芯软线，所以这些方法都不适合用于该新型消磁线圈的连接。建议采用导电胶粘接技术，导电胶的电阻率低，粘接力强，并且已经广泛应用于半导体领域，连接可靠，在采用该技术粘接时，先将除漆后的铝线缠绕在引线的连接端，然后将该连接端浸入导电胶中，使导电胶附着在其表面上，最后，对浸有导电胶的连接端进行固化处理。这种方法可以很好地解决铝的焊接问题，保证它们与外引线的可靠连接，并且成本较低，可望实现大规模生产。
4小结
综上所述，根据磁隐身坦克[2,3]消磁线圈的特殊工作原理，在保持消磁性能不变的情况下，可以用漆包铝线制造出成本更低的消磁线圈，特别对于大型主战装备，其经济效果十分明显：线材下降近50%，综合成本将下降30%以上。消磁线圈的制作主要包括绕线、包扎、粘接等技术，粘接技术建议采用导电胶粘接工艺，可以解决铝的焊接问题，整个过程简单可靠，该低成本新型消磁线圈的研制与推广将使得磁隐身坦克的批量面世成为可能，本文为装备磁防护理论提供一些支持，为研发及生产相关电磁装甲的军工行业如何节约经费提供一点思路。
参考文献
[1] 刘尚合. 武器装备的电磁环境效应及其发展趋势[J]. 装备指挥技术学院学报, 2005, 16(1) : 1～6.
[2]黄英、李华、戚英华.同轴均匀消磁线圈对坦克磁场影响效应的数值模拟[J]. 装甲兵工程学院学报(总第84期），2009，23（4）：90-94.
本文受装甲兵工程学院2009年度创新基金资助：磁隐身坦克的实验设计及性能检测；编号：2008GL15
关键词：新型消磁线圈；磁隐身坦克；设计；成本分析
中图分类号：TM937 文献标识码：A
引言
消磁线圈是磁隐身坦克的核心部件之一，它安装在坦克钢壳的外部，属于新型电磁装甲，研究消磁线圈对坦克等军事装备周围磁场的消去效应具有重要意义，“磁隐身”坦克的研制已经成为世界军事领域的热点问题[1,2]之一。由于坦克、飞机、舰艇等军事装备作为高磁导体，在作战中被地磁场磁化后会形成标志性的磁场[3]，例如坦克中心的磁场为0，临近坦克区域的磁场很强，远离坦克的区域逐渐趋于地磁场。这种带有很强特征的磁场标志很容易被磁探测器识别，因而大大降低了该类主战装备的生存能力[2,3]。消磁线圈[2]就是针对这种磁场标志而设计的消磁元件，旨在使坦克的磁隐身性能达到战技指标。这个问题对于水陆两栖坦克尤为重要，在水中潜行的两栖坦克在机动过程中可能被反潜飞机精确定位[4]，因此，消磁线圈的设计[5-8]与制作已经成为现代世界各国装备领域急需解决的重要课题。本文根据消磁线圈特殊的工作原理，用漆包铝线设计了一种重量轻、成本低、消磁性能良好的新型消磁线圈。从应用角度上来讲，本文的设计结果及检测数据旨在为坦克等大型主战装备磁防护方法[2,8,9]给出一点参考，该方案对所有待消磁作战装备均可尝试应用。
1 坦克消磁线圈的基本结构及现状分析
1.1 坦克消磁线圈的基本结构
目前，国内坦克消磁线圈的应用尚处于实验室测试阶段。如图1所示，它们主要由线圈、 PVC 绝缘胶带和引线三部分组成；线圈是由漆包线绕制的，PVC 绝缘胶带包在线圈外面，引线与线圈焊接在一起。消磁线圈的主要参数为线圈内阻、周长、匝数、漆包线线径、绝缘胶带的包扎层数。其中周长主要坦克外壳的大小决定，线圈内阻、匝数、线径由消磁电路允许的最大通电电流的强度决定，绝缘胶带的包扎层数由抗电强度的要求决定。
1.2 坦克消磁线圈的现状分析
现有实验室采用的消磁线圈其绕线部分都使用漆包铜线，它的缺点是耗线多，重量重，因此对于坦克等大型需实现磁隐身的装备，漆包线的成本比较高，比如，对于一般尺寸（约 ）的坦克而言，一个线圈的耗线量达20千克，按现行价（30元/千克）计算达600元，因此，消磁線圈要在坦克上普及安装，将耗费大量的经费，这对于我国这种发展中国家的装备建设现状来说，将成为一项较重的军费负担，这也将成为阻碍该项目转入进一步生产及推广的瓶颈，因此，在保证性能不变的前提下，设计一种成本更高的消磁线圈，对磁隐身坦克的研制及推广来说，就显得特别重要。
2 新型消磁线圈的设计与成本分析
2.1新型低成本消磁线圈的可行性分析
漆包线有两种，一种是漆包铜线，一种是漆包铝线，由于前者的电阻率更小，因此在军事工程领域广泛应用前者，但后者重量轻（比重只有前者的三分之一），价格较便宜，具有很大的成本优势。如果能用它来制造消磁线圈就能很好的解决原线圈成本高这个缺点。那么能否用其制造消磁线圈呢？
首先，我们来分析一下消磁线圈的工作原理。如图2所示，消磁线圈与一正温度系数的消磁电阻（热敏电阻）串联后接到220伏交流电上，通电前，回路的静态电阻较小，为正温度系数消磁电阻的初始值Rt与线圈的内阻r之和。通电后，回路的起始电流很大，消磁电阻迅速升温，阻值随之上升，回路电流下降，从而在坦克周围造就一个迅速衰减的交变磁场，达到给坦克消磁的目的。从消磁线圈的工作原理及图2可以看出：消磁回路中有两个串联在一起的电阻，一是线圈的内阻，一是外接的消磁电阻，回路总电阻为两者之和。由于消磁电路在工作时需要回路具有一定的电阻，因此考虑新型消磁线圈取代传统的漆包铜线时，必须考虑如何保持回路的总电阻不变，这个问题可以通过调整外接的消磁电阻来解决，消磁电阻Rt初始值的设置能够补偿线圈内阻r的变化。由此我们可以得出这样的结论：由于消磁线圈的特定的工作方式，虽然铝的电阻率偏高，但可以用漆包铝线来制造消磁线圈，线圈由此增加的内阻可以通过调整外接的消磁电阻来补偿，以保持回路总电阻不变，从而使得整个消磁回路的消磁性能不变。
2.2新型线圈的具体设计及成本分析
由于消磁线圈的主要参数为线圈的匝数、内阻、周长、漆包线的线径、胶带的包扎层数，而胶带的包扎层数由线圈的抗电强度决定，与漆包线的关系不大，因此仅需对前四项进行讨论。根据文献[2,3]，考核消磁回路消磁性能的主要指标为消磁线圈中允许通过的电流强度的最大值以及消磁线圈的相应匝数，不同型号的坦克对其都有不同的要求，所以线圈的匝数和漆包铝线的线径要根据坦克所要求的最大安匝数和线圈的周长（主要由坦克外壳的大小决定）以及消磁电阻来确定。它们之间的相互关系为：
(1)
(2)
式中：Imax为消磁线圈中允许通过的电流强度的最大值，Umax为交流峰值电压，N为线圈的匝数，Rt为消磁电阻的初始值，r为消磁线圈内阻，l为线圈的周长，d为漆包铝线的线径，p为铝的电阻率。
在具体设计时有一个简单方法。由于铝的强度低，漆包铝线的线径比较大，一般都在 mm以上，而现有的用漆包铜线制成的消磁线圈所需的铜线线径一般都在 mm以下，所以在设计新线圈的过程中，可以参照原有用漆包铜线绕制的消磁线圈的内阻，提高漆包铝线的线径，使其内阻与原来的相一致，这样新消磁线圈的匝数、内阻、周长均与原漆包铜线制成的消磁线圈一致，仅因为线径变大而使得铝制消磁线圈比原有的粗一些。在内阻相同的情况下，漆包铝线的线径与漆包铜线线径的关系为： (3)
式中dAl、dCu分别为漆包铝、铜线的线径；pAl、pCu分别为漆包铝、铜线的电阻率。为防止消磁线圈太粗，以增加胶带的消耗量，漆包铝线的线径最好不要超过 ，若没有相对应规格的漆包铝线，可选用相临一档线径的漆包铝线，同时调整匝数和消磁回路中的消磁电阻，以保持消磁回路的最大安匝数不变。另外，在线径的选择时要注意铝线能承受的最大电流密度。
经计算，以前面提到的某坦克（约 ）消磁线圈为例，原用漆包铜线设计的消磁线圈的有关参数为：匝数50匝，线径 ，线圈周长约600m，线圈内阻为 ，消磁回路消磁电阻为 。如果按以上匝数、周长、线圈内阻将其设计成用漆包铝线制造的消磁线圈，通过计算，漆包铝线的线径定为0.65mm，这样该消磁线圈的其他参数仍然可以保持原来的数据不变（匝数50匝，线圈周长约600m，线圈内阻为 ，回路消磁电阻为 ）。这种用漆包铝线设计的消磁线圈的线材重量仅为10kg，比原线圈的耗材20kg降低10kg，下降近50%，除去因线圈变粗增加的胶带用量等因素外，材料成本最少将减少200元人民币，下降30%以上，因此，若推广起来经济效益将十分显著。
3 新型消磁线圈的制作方法
新型消磁线圈的制作步骤主要分为绕线、包扎、粘接三个部分，绕线时将漆包铝线紧贴坦克的外壳按一定的方位[2] （根据坦克的对称轴线方向、地磁场的方向及需要消磁的方向确定）绕制一定的匝数（比如50匝），组成一组线圈；包扎是指用绝缘胶带在整个线圈外面包扎一层一定厚度的绝缘层；粘接属于最難的步骤，需要将漆包铝线与外引线连接起来，由于铝的可焊性差，不能使用锡焊，它与外引线的连接就成了很大的问题，是该线圈能否实现低成本大规模生产的关键。通常，传统的连接方法有直接绞接、铆接、电弧焊接等，由于消磁线圈对连接的可靠性要求高，且线圈体积大、所用的漆包铝线较细，外引线又是多股铜芯软线，所以这些方法都不适合用于该新型消磁线圈的连接。建议采用导电胶粘接技术，导电胶的电阻率低，粘接力强，并且已经广泛应用于半导体领域，连接可靠，在采用该技术粘接时，先将除漆后的铝线缠绕在引线的连接端，然后将该连接端浸入导电胶中，使导电胶附着在其表面上，最后，对浸有导电胶的连接端进行固化处理。这种方法可以很好地解决铝的焊接问题，保证它们与外引线的可靠连接，并且成本较低，可望实现大规模生产。
4小结
综上所述，根据磁隐身坦克[2,3]消磁线圈的特殊工作原理，在保持消磁性能不变的情况下，可以用漆包铝线制造出成本更低的消磁线圈，特别对于大型主战装备，其经济效果十分明显：线材下降近50%，综合成本将下降30%以上。消磁线圈的制作主要包括绕线、包扎、粘接等技术，粘接技术建议采用导电胶粘接工艺，可以解决铝的焊接问题，整个过程简单可靠，该低成本新型消磁线圈的研制与推广将使得磁隐身坦克的批量面世成为可能，本文为装备磁防护理论提供一些支持，为研发及生产相关电磁装甲的军工行业如何节约经费提供一点思路。
参考文献
[1] 刘尚合. 武器装备的电磁环境效应及其发展趋势[J]. 装备指挥技术学院学报, 2005, 16(1) : 1～6.
[2]黄英、李华、戚英华.同轴均匀消磁线圈对坦克磁场影响效应的数值模拟[J]. 装甲兵工程学院学报(总第84期），2009，23（4）：90-94.
本文受装甲兵工程学院2009年度创新基金资助：磁隐身坦克的实验设计及性能检测；编号：2008GL15