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        非線性磁性材料屏蔽效能研究

        2016-10-14 12:11:17熊鵬俊魏世樂(lè)張建國(guó)
        船電技術(shù) 2016年10期
        關(guān)鍵詞:磁性材料磁導(dǎo)率屏蔽

        熊鵬俊,周 暢,張 星,魏世樂(lè),張建國(guó)

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        非線性磁性材料屏蔽效能研究

        熊鵬俊1,周 暢2,張 星2,魏世樂(lè)2,張建國(guó)2

        (1. 海軍駐719所軍代表室,武漢 430064;2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,武漢 430205)

        針對(duì)幾種常用的磁屏蔽材料,重點(diǎn)分析了磁導(dǎo)率的頻譜非線性對(duì)于磁性材料屏蔽能力的影響,基于CST EM工作室,結(jié)合工程實(shí)際,建立電纜三維仿真模型,對(duì)不同非線性磁性材料的屏蔽效能進(jìn)行定量計(jì)算和對(duì)比分析,研究結(jié)果表明,仿真計(jì)算的結(jié)果比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果更加貼近實(shí)際,理想磁性材料屏蔽效能受頻率變化影響很小,而鐵和1008鋼等非線性材料的屏蔽效能受頻率變化影響較大,其中1008鋼的整體屏蔽效能較高,鐵的屏蔽效能在低頻段隨頻率上升下降較慢,但是整體屏蔽效能較低。

        電磁兼容 磁屏蔽 非線性

        0 引言

        艦艇作為集成了大量高新技術(shù)的武器平臺(tái),艇上的電磁環(huán)境,尤其是低頻電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜[1-3]。相比一般頻段,低頻磁場(chǎng)屏蔽更為困難,對(duì)艦船的很多重要設(shè)備如聲納等有著重大的影響。為確保艦艇復(fù)雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)斗力的正常發(fā)揮,低頻磁場(chǎng)的屏蔽一直很受重視[4-5]。

        低頻磁場(chǎng)的屏蔽,最常采取的方法是用磁性材料制成屏蔽層包裹于強(qiáng)電電纜外圍,對(duì)強(qiáng)電電纜發(fā)射的低頻磁場(chǎng)進(jìn)行直接屏蔽,磁性材料本身的性質(zhì)、屏蔽層的厚度、屏蔽電纜所處的環(huán)境、屏蔽信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率直接關(guān)系到屏蔽層的屏蔽效果及其保護(hù)的敏感設(shè)備的正常工作,因此對(duì)于磁性材料屏蔽效能的定量預(yù)估十分關(guān)鍵,很多論文對(duì)磁性材料的低頻磁屏蔽效能進(jìn)行了分析和研究,并取得了一些結(jié)果。然而,以往的研究基本局限于孤立的試驗(yàn)或者仿真計(jì)算[6-8],單純的試驗(yàn)雖然能夠得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果,但是需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間,而仿真計(jì)算則主要基于理想模型,對(duì)于與實(shí)際情況密切相關(guān)的非線性磁性材料屏蔽效能的仿真和計(jì)算研究較少。

        本文針對(duì)幾種常用的磁屏蔽材料,重點(diǎn)分析了磁導(dǎo)率的頻譜非線性對(duì)于磁性材料屏蔽能力的影響?;贑ST EM工作室,結(jié)合工程實(shí)際,建立電纜三維仿真模型,對(duì)理想磁性材料和不同種類的非線性磁性材料的屏蔽效能進(jìn)行定量計(jì)算和對(duì)比分析。

        1 仿真模型及初始理論分析

        本文的仿真計(jì)算利用CST EM Studio模塊,結(jié)合工程實(shí)際建立實(shí)體模型,如圖1所示的電纜模型。

        (a) (b)

        其中銅導(dǎo)線直徑為D1,絕緣層直徑為D2,磁屏蔽材料厚度為T1,整個(gè)電纜長(zhǎng)度為L(zhǎng),磁屏蔽層的工作原理在于,磁屏蔽效能的定義公式如下:

        式中,0為未加裝磁屏蔽材料時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度,1為加裝磁屏蔽材料之后的磁場(chǎng)強(qiáng)度,SE為磁場(chǎng)屏蔽能效,通過(guò)改變磁屏蔽層的材料并加以仿真計(jì)算,可以對(duì)不同材料在低頻頻段的屏蔽效能進(jìn)行定量分析,此外通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比,可以確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        2 電纜磁場(chǎng)三維仿真及分析

        按圖1和圖2設(shè)置CST EM模塊仿真模型,1=1.6 mm,2=10 mm,1=1 mm,=5 m,發(fā)射電纜傳輸信號(hào)幅度為0.001~1 A,頻率為500 Hz~100×103Hz,發(fā)射電纜邊界條件設(shè)置如圖2所示。

        電纜正下方為金屬大地,前后方設(shè)置為電邊界,其它方向?yàn)榭諝饨缑?。理想磁性材料鐵和1008鋼的屬性設(shè)置按照CST EM Studio中的非線性材料庫(kù)中的設(shè)置進(jìn)行。

        圖2 CST EM Studio電纜邊界條件設(shè)置

        模型建立完成后,利用CST EM Studio中的低頻算法計(jì)算結(jié)果,如圖4為發(fā)射電纜傳輸信號(hào)幅度為0.0069 A,頻率為10 kHz時(shí),非屏蔽電纜及加裝了鐵屏蔽材料的電纜三維仿真結(jié)果。

        圖3電纜磁場(chǎng)分布仿真結(jié)果

        從圖3(a)可以看出,在未加裝磁屏蔽層電纜的周圍空間中存在著較強(qiáng)的磁場(chǎng),距離電纜20 mm以內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于10-8Vs/m2,隨著距離電纜越近,其磁場(chǎng)分布越強(qiáng),由于電纜并非出于絕對(duì)的理想空間,電纜下方5 mm為金屬地面,因此磁場(chǎng)的分布較為復(fù)雜,在距離電纜較遠(yuǎn)的位置,靠近地面的區(qū)域磁場(chǎng)更強(qiáng)。從圖3(b)可以看出,加裝了磁屏蔽層以后,整個(gè)電纜磁屏蔽層外部的磁場(chǎng)大大減弱,磁場(chǎng)基本被限制在磁屏蔽層內(nèi)部及靠近此屏蔽層的有限區(qū)域內(nèi)部。

        經(jīng)對(duì)比,結(jié)合式(1)算得10 kHz時(shí)理想磁屏蔽層的屏蔽效能為43.1 dB,而經(jīng)驗(yàn)公式算得磁屏蔽層的屏蔽效能為37.8 dB,計(jì)算結(jié)果較為接近,但是略有區(qū)別,主要是因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)公式考慮的理想狀態(tài)下的磁性材料屏蔽效能,而實(shí)際環(huán)境中,電纜周圍環(huán)境受大地、設(shè)備、艙壁的影響,其屏蔽效果不可一概而論,電纜自身的性質(zhì)也不完全相同,全部套用經(jīng)驗(yàn)公式必然會(huì)有一定的偏差,而使用三維電磁場(chǎng)分析軟件,在邊界條件設(shè)置準(zhǔn)確、模型剖分充分、算法選擇合理的前提下,計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性是有保障的。

        按照以上方法,在500 Hz~100×103Hz頻段,對(duì)理想磁性材料、鐵和1008鋼的構(gòu)成的磁屏蔽層進(jìn)行仿真計(jì)算,其屏蔽效能如圖4所示:

        圖4電纜收/發(fā)模型仿真結(jié)果

        由圖4可知,理想磁性材料的屏蔽效能在整個(gè)頻段內(nèi)基本保持不變。這是因?yàn)槔硐氪判圆牧系拇艑?dǎo)率保持恒定,根據(jù)式(1)可知,在磁導(dǎo)率不變的情況下,磁性材料的屏蔽效能主要由電纜的內(nèi)徑和磁性材料的厚度決定,因此理想磁性材料屏蔽效能受頻率影響很小。1008鋼的初始屏蔽效能較高,基本與理想磁性材料持平,500 Hz時(shí)為32.2 dB。但是隨著頻率的增加,1008鋼的屏蔽效能迅速降低,5 kHz時(shí)1008鋼的屏蔽效能僅為10.6 dB,之后隨著頻率的增加,其屏蔽效能慢慢恢復(fù)。100 kHz時(shí),1008鋼的屏蔽效能為18.7 dB。鐵的屏蔽效能較低,500 Hz時(shí)為19.2 dB,隨著頻率的提高繼續(xù)降低,5 kHz時(shí)僅為10 dB,之后隨著頻率的增大慢慢增加,100 kHz時(shí),其屏蔽效能為20.2 dB。1008鋼和鐵的屏蔽效能變化很大,這是因?yàn)?008鋼和鐵作為非線性材料,其磁導(dǎo)率受頻率影響很大,在500 Hz左右的低頻,其磁導(dǎo)率處于巔峰值,之后迅速降低,在20 ~100 kHz左右,其磁導(dǎo)率有所恢復(fù),因此1008鋼和鐵的屏蔽效能也隨著磁導(dǎo)率的變化迅速變化。

        綜上所述,CST EM studio仿真計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相比,較為接近,在電纜結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境完全相同的情況下,磁導(dǎo)率較為穩(wěn)定的理想磁性材料磁屏蔽效能隨頻率變化較小,而鐵、1008鋼等非線性材料的磁屏蔽效能受頻率影響較大。

        3 結(jié)論

        本文基于CST EM Studio仿真模塊,結(jié)合工程實(shí)際,針對(duì)幾種常用的磁屏蔽材料,重點(diǎn)分析了磁導(dǎo)率的頻譜非線性對(duì)于磁性材料屏蔽能力的影響,對(duì)不同非線性磁性材料的屏蔽效能進(jìn)行定量計(jì)算和對(duì)比分析,研究結(jié)果表明,對(duì)于理想材料構(gòu)成的模型,屏蔽效能的仿真結(jié)果與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果較為接近,并且理想磁性材料屏蔽效能受頻率變化影響很小,而鐵和1008鋼等非線性材料的屏蔽效能受頻率變化影響較大,其中1008鋼的整體屏蔽效能較高,但是在某些頻段,屏蔽效能下降達(dá)20dB,鐵的屏蔽效能下降較慢,但是整體屏蔽效能較低。由于CST EM Studio仿真模塊可以對(duì)電纜輻射發(fā)射進(jìn)行精確的剖分和計(jì)算,在仿真模型足夠精確的基礎(chǔ)上,其計(jì)算結(jié)果相比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式更加準(zhǔn)確,可以對(duì)非線性磁性材料在各個(gè)關(guān)鍵頻段的屏蔽效能進(jìn)行定量預(yù)估和對(duì)比分析,可以有效的指導(dǎo)艦船電纜磁屏蔽層的設(shè)計(jì),對(duì)于確保艦船敏感設(shè)備正常兼容工作,降低設(shè)計(jì)和制造成本具有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和借鑒意義。

        參考文獻(xiàn):

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        Research on the Shielding Effectiveness of the Nonlinear Magnetic Material

        Xiong Pengjun1, Zhou Chang2, Zhang Xin2, Wei Shile2, Zhang Jianguo2

        (1. Naval Representatives Office in 719 Institute, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China )

        TM27

        A

        1003-4862(2016)10-0020-03

        2016-05-09

        熊鵬?。?968-),男,高級(jí)工程師。主要從事船機(jī)電、電磁兼容設(shè)計(jì)與研究。

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