仿真軟件在電磁兼容課程教學(xué)中的應(yīng)用

夏能弘　郭杰　田孟林

摘要：電磁兼容原理及技術(shù)是一門理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)的課程。對(duì)學(xué)生而言，單純的理論學(xué)習(xí)艱澀難懂且枯燥乏味，有必要通過(guò)實(shí)踐來(lái)獲得感性認(rèn)識(shí)，從而加深對(duì)理論的理解。本文首先介紹了電磁兼容課程的特點(diǎn)，然后分析了開(kāi)展實(shí)踐的難點(diǎn)，進(jìn)而提出了將電磁仿真軟件應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中去，最后通過(guò)實(shí)例介紹了Ansys Maxwell在電磁兼容課程中的應(yīng)用，此方法效果顯著。

關(guān)鍵詞：電磁兼容（EMC）；電磁仿真軟件；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）04-0187-02

隨著各種電子設(shè)備和電力電子技術(shù)在工業(yè)、交通、國(guó)防及日常生活中的廣泛應(yīng)用，電磁干擾和電磁兼容（EMC）已成為現(xiàn)代電氣工程設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題。大量電氣、電子設(shè)備和線路的集中，形成了復(fù)雜的電磁環(huán)境，包含敏感電子器件的設(shè)備容易受到外部電磁干擾的影響，出現(xiàn)運(yùn)行紊亂、計(jì)算差錯(cuò)、檢測(cè)失誤等現(xiàn)象而無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞設(shè)備、危及人員安全。為了維持電子、電氣設(shè)備在電磁環(huán)境中的共存和工作上相互兼容，電磁兼容學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。

作為一門迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，它涉及的基礎(chǔ)學(xué)科廣，又與實(shí)際工程聯(lián)系緊密，理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)，因此在高校電類專業(yè)中開(kāi)設(shè)“電磁兼容”這門課程是十分必要的。傳統(tǒng)的教學(xué)方式，僅通過(guò)教師的講授和學(xué)生的理論學(xué)習(xí)，容易使學(xué)生喪失學(xué)習(xí)熱情，而開(kāi)展電磁兼容實(shí)踐所需的硬件環(huán)境又很高。在學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件不足的情況下，針對(duì)以上問(wèn)題，筆者結(jié)合自己多年的教學(xué)以及科研經(jīng)驗(yàn)，提出利用電磁仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)電磁兼容技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用的理解，為學(xué)生將來(lái)從事電氣工程方面的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、電磁兼容課程的特點(diǎn)

如前所述，電磁兼容是一門新型的交叉學(xué)科，學(xué)習(xí)電磁兼容所需的前修課程繁多，且學(xué)生并不具備工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，較難將所學(xué)的不同門類課程和理論知識(shí)進(jìn)行銜接、過(guò)渡，更難以應(yīng)用，這些都使得電磁兼容原理與技術(shù)具有與眾不同的特點(diǎn)。

1.電磁兼容課程的原理部分涉及較多的數(shù)學(xué)、物理概念。教學(xué)中，許多結(jié)論必須通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和物理分析才能得出，難度較大。

2.電磁兼容課程的實(shí)踐部分需要一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和較好的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。

電磁兼容技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用有著非常密切的聯(lián)系，而且它本身就是一門在實(shí)踐中發(fā)展起來(lái)的學(xué)科，課程的理論學(xué)習(xí)需要在實(shí)踐中理解和掌握。

二、仿真實(shí)驗(yàn)引入課堂

正是基于上述特點(diǎn)，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度適當(dāng)引入一些與生活中常見(jiàn)的電磁現(xiàn)象密切相關(guān)的案例實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提升和加深理論理解有顯著幫助。然而，諸多客觀因素使課程實(shí)驗(yàn)很難在一般高校中開(kāi)展。

1.實(shí)驗(yàn)條件要求高。電磁兼容類實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求較高，普通實(shí)驗(yàn)室里各種電氣電子設(shè)備在正常和異常運(yùn)行狀態(tài)下都會(huì)產(chǎn)生或出現(xiàn)各種電磁干擾，往往會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。這就需要一個(gè)全屏蔽的空間，起到內(nèi)外電磁場(chǎng)相互隔離的作用，即提供一個(gè)純粹的電磁環(huán)境，便于對(duì)設(shè)備開(kāi)展各種電磁場(chǎng)分析和研究而不受到外界的影響。再者，實(shí)驗(yàn)所需的儀器設(shè)備通常較為昂貴，由于經(jīng)費(fèi)有限，如此苛刻的硬件條件是目前大部分高校都較難滿足的。

2.專業(yè)經(jīng)驗(yàn)要求高。實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)需要具備豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)學(xué)生而言顯然是不能完成的任務(wù)。即使教師設(shè)計(jì)好了實(shí)驗(yàn)方案，儀器設(shè)備的操作也需要較高的專業(yè)技能。操作不當(dāng)極易對(duì)設(shè)備造成損壞，甚至可能威脅到學(xué)生的人身安全。

理論教學(xué)缺乏實(shí)感，實(shí)驗(yàn)教學(xué)又難以開(kāi)展，面對(duì)此矛盾，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為解決問(wèn)題提供了可能。仿真軟件將電磁理論與數(shù)值方法結(jié)合起來(lái)，能夠方便、快捷地進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，使問(wèn)題形象化，可操作性較強(qiáng)。目前電磁仿真已經(jīng)成功地應(yīng)用于電磁性能預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)的多個(gè)方面。在理解待分析的問(wèn)題、合理設(shè)置仿真模型和求解參數(shù)的前提下，仿真可以完全代替測(cè)試，在電磁兼容教學(xué)中引入仿真實(shí)驗(yàn)，具有多方面的優(yōu)勢(shì)：第一，可以方便靈活地調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性、放置位置等關(guān)鍵參數(shù)，并且可以針對(duì)某一環(huán)節(jié)進(jìn)行單獨(dú)的分析；第二，可以根據(jù)教學(xué)的要求分析任意部件，得到系統(tǒng)的任意電磁特性，提供了比測(cè)試更豐富的信息；第三，在虛擬環(huán)境下，得到結(jié)果都是理想的，有助于排除干擾。

三、案例分析

電磁兼容技術(shù)中，屏蔽技術(shù)是抑制電磁干擾的三大途徑之一，因此也是電磁兼容教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容，有必要在此處設(shè)置實(shí)驗(yàn)。

1.實(shí)驗(yàn)的理論分析。屏蔽是利用屏蔽體來(lái)阻擋或削弱電磁能傳輸?shù)囊环N技術(shù)，屏蔽材料一般選用金屬導(dǎo)體或其他對(duì)電磁波有抑制作用的材料。屏蔽體的性能可用其屏蔽效能來(lái)定量評(píng)估。屏蔽效能定義為空間某點(diǎn)上未加屏蔽時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度（或磁場(chǎng)強(qiáng)度）與安裝屏蔽后該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度（或磁場(chǎng)強(qiáng)度）的比值，一般用分貝表示：

通常情況下，屏蔽效能的大小與屏蔽體的結(jié)構(gòu)和材料關(guān)系緊密。在磁場(chǎng)屏蔽中，利用良導(dǎo)體在入射磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生渦流電流，并由渦流電流的反磁抑制入射磁場(chǎng)。此外，對(duì)于鐵磁性物質(zhì)，其產(chǎn)生的磁化電流也會(huì)對(duì)磁場(chǎng)起到抑制作用。

2.實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。為了研究不同屏蔽材料對(duì)磁場(chǎng)屏蔽效能的影響，采用當(dāng)前主流的電磁場(chǎng)有限元分析軟件ANSOFT MAXWELL進(jìn)行建模分析，模型如圖1所示。一根銅質(zhì)導(dǎo)線載有100A、50Hz交流電流，傳輸線上方0.3m處置有一塊長(zhǎng)2m、寬1m、厚0.002m的金屬薄板，對(duì)載流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)起到屏蔽作用。在金屬板上方取一條平行于x軸的觀測(cè)線，仿真時(shí)其他參數(shù)保持不變，金屬板先后采用鋁、鐵、銅三種材料來(lái)測(cè)試它們對(duì)磁場(chǎng)屏蔽效能的差異。

3.仿真結(jié)果。屏蔽效能仿真測(cè)試結(jié)果如圖2所示，可以看出鐵板的屏蔽效果明顯優(yōu)于鋁板和銅板，與理論分析相符合，所以在進(jìn)行磁屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)要盡量選用鐵磁性材料，如鋼、工業(yè)純鐵或高磁導(dǎo)率鐵鎳合金等。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)電磁屏蔽的仿真實(shí)驗(yàn)，書本上的理論知識(shí)得到了直觀、有效地驗(yàn)證，學(xué)生可以深入理解屏蔽的效用和評(píng)估方法。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)習(xí)了常用電磁仿真軟件的簡(jiǎn)單應(yīng)用，并能初步運(yùn)用數(shù)值方法分析電磁工程問(wèn)題。教學(xué)中根據(jù)教學(xué)進(jìn)度合理安排仿真實(shí)驗(yàn)，大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，擴(kuò)大了學(xué)生的參與規(guī)模。通過(guò)理論與實(shí)踐結(jié)合，避免了純理論灌輸?shù)目菰锓ξ?，使電磁兼容課程的教學(xué)效果得到明顯提升。

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