電磁仿真在機(jī)車電磁兼容中的應(yīng)用

謝華君 董亮

摘 要：本文闡述了電磁仿真應(yīng)用于機(jī)車設(shè)計中的理念和可行性，以某內(nèi)燃機(jī)車的電氣線纜為例，借助電磁仿真軟件建立了內(nèi)燃機(jī)車線纜模型，從而分析了線纜的屏蔽、放置情況不同下的電磁場情況，對內(nèi)燃機(jī)車線纜的選用設(shè)計給出了相應(yīng)建議。本文著重從機(jī)車布線、屏蔽和接地三方面進(jìn)行了優(yōu)化分析，從而減少相應(yīng)的電磁干擾，降低了車廂內(nèi)低頻磁場輻射強度。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；電磁仿真；電氣線纜；機(jī)車

Abstract：The concept and feasibility of electromagnetic simulation applied to locomotive design are proposed.Taking the electric cable of a diesel locomotive as an example，the cable model of diesel locomotive is established by means of electromagnetic simulation software.The electromagnetic field conditions under different shielding and placement conditions of the cable are analyzed，and corresponding suggestions for the selection design of the diesel locomotive cable are given.This paper focuses on optimization analysis from three aspects of locomotive wiring，shielding and grounding，thus reducing the corresponding electromagnetic interference and reducing the low-frequency magnetic field radiation intensity in the cabin.

Key words：Electromagnetic compatibility；electromagnetic simulation；electrical cable；locomotive

眾所周知，機(jī)車內(nèi)的電磁環(huán)境是復(fù)雜、惡劣的，強電弱電各種信號交織在一個有限的空間和面積內(nèi)。在傳統(tǒng)的機(jī)車上，由于電力電子設(shè)備少，電磁環(huán)境對機(jī)車性能的影響不是那么的明顯。但是隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和機(jī)車可靠性、安全性能要求的提高，機(jī)車上已開始裝配有越來越多的電力電子設(shè)備和電氣設(shè)備，例如，高壓、變頻、網(wǎng)絡(luò)通訊、微機(jī)控制等多種電子設(shè)備和電纜線束等。由于機(jī)車惡劣的電磁環(huán)境，既有大功率的輻射信號源，又有高靈敏度的傳感器和通訊設(shè)備，這些設(shè)備裝車后，有的性能不穩(wěn)定，在機(jī)車的某些工況下出現(xiàn)死機(jī)等故障，有的不能正常工作，導(dǎo)致竄車等險情，以至造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。[1]電磁兼容性是影響其性能可靠性的關(guān)鍵問題之一，因此必須將電磁兼容技術(shù)的應(yīng)用貫穿于整個機(jī)車設(shè)計制造的流程之中。[2]

1 機(jī)車電磁仿真的意義

電磁兼容預(yù)測是一種通過理論計算對電子設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容程度進(jìn)行分析評估的方法。[3]通過對電磁干擾的預(yù)測和分析，可以對潛在的干擾進(jìn)行定量的計算和估計，對電磁兼容措施與設(shè)計方法提供理論指導(dǎo)。[4]借助軟件手段對機(jī)車的電磁干擾和電磁兼容問題進(jìn)行仿真分析，是電磁兼容分析預(yù)測的實現(xiàn)途徑之一。在機(jī)車設(shè)計階段進(jìn)行有效的電磁兼容仿真與分析，能夠在系統(tǒng)和設(shè)備研制初期發(fā)現(xiàn)和解決出現(xiàn)的電磁兼容問題，保證機(jī)車研制的進(jìn)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。[5]將電磁兼容軟件仿真分析應(yīng)用于具體型號任務(wù)，可以提高機(jī)車的電磁兼容設(shè)計水平。通過仿真，預(yù)測和分析不同設(shè)計階段的EMC問題，有效評估系統(tǒng)的性能是否達(dá)到要求，將無形的電磁場問題轉(zhuǎn)化為有形，如果存在問題可以在設(shè)計前期將其解決，減少實驗次數(shù)，控制設(shè)計風(fēng)險，縮短研發(fā)周期并降低成本，提高機(jī)車的電磁兼容可靠性能。

2 機(jī)車電磁仿真的應(yīng)用

2.1 機(jī)車電纜的建模

選取某內(nèi)燃機(jī)車內(nèi)的動力電纜，通過建立其三維模型，并設(shè)置相關(guān)的材料屬性進(jìn)行電磁仿真。內(nèi)燃機(jī)車動力電纜參數(shù)為：

故仿真所建線纜結(jié)構(gòu)：內(nèi)層銅導(dǎo)體為11.4mm和絕緣層（聚氯乙烯PVC）厚度為2.8mm。為檢驗屏蔽層在動力電纜上的效果，建立一帶屏蔽層結(jié)構(gòu)的線纜：內(nèi)層銅導(dǎo)體為11.4mm，內(nèi)絕緣層（聚氯乙烯PVC）厚度為2mm，屏蔽層（鋁Aluminum）厚度為0.5mm和外絕緣層（聚氯乙烯PVC）厚度為2.8mm。兩根所建仿真線纜的長度均為1m。在仿真軟件中建立的電纜三維模型如下圖1所示。

2.2 機(jī)車電纜的仿真分析

添加工頻電源進(jìn)行仿真，在線纜正上方1m處設(shè)置觀測點。圖2為電纜的電場分布圖，圖3為屏蔽線纜上方1m處的電場強度，從仿真結(jié)果中可以看出，無屏蔽層電纜上方1m處的電場強度約為5.8V/m，有屏蔽層電纜上方1m處的電場強度接近于0，帶有屏蔽層的電纜的電場分布顯然要比不帶屏蔽層的電纜的電場分布弱得多。由于機(jī)車內(nèi)空間有限，強電、弱電設(shè)備眾多，線纜鋪設(shè)交織緊湊，輻射干擾會通過空間傳播進(jìn)入到鄰近的電纜及電子設(shè)備，影響其正常使用。從仿真中可以看出，屏蔽電纜能有效的防止電磁輻射干擾，由于金屬對電磁波的反射、吸收和趨膚效應(yīng)，能夠有效的降低電纜內(nèi)傳輸信號對外的電磁輻射。

三相電纜芯線相對位置主要有兩種常見形式：并排直線布置和等邊三角形布置。針對上述兩種形式對屏蔽線纜進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。從圖中可知，三相屏蔽線纜平行放置的電場強度約為0.03V/m，而等邊三角形放置時的電場強度約為0.009V/m。相比于并排直線布置方式，當(dāng)三相屏蔽電纜采用等邊三角形布置時，具有更佳的電場屏蔽效能。

影響屏蔽電纜屏蔽效果的主要因素是屏蔽層的接地形式。電纜屏蔽層接地方式主要有2種：單端接地和雙端接地。選取一500kHz諧波干擾信號對線纜的屏蔽性能進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。圖中屏蔽層不接地時的電場強度約為2.75V/m，單端接地時的電場強度約為0.06V/m，而雙端接地時的電場強度接近于0。故對于電場屏蔽，屏蔽層電纜需要進(jìn)行接地處理，單端接地與雙端接都能取得很好的結(jié)果，而雙端接地的效果更優(yōu)。

線纜槽既可以對線纜進(jìn)行物理防護(hù)，又可以對線纜的電磁輻射進(jìn)行屏蔽，有無線纜槽的屏蔽效果如圖 6中（a）、（b）所示。圖中（a）無隔板兩個線纜間的電場相互交織影響，而在（b）加入隔板后兩根線纜的電場隔離開來。故線纜槽中間應(yīng)加入隔板，不同類型的線纜敷設(shè)在不同的線槽格內(nèi)，并盡可能地彼此遠(yuǎn)離，這樣可以減少線纜彼此間的輻射干擾。

屏蔽線纜對于工頻磁場的屏蔽效果相對于電場屏蔽效果的作用相當(dāng)有限。如圖7所示為屏蔽線纜上方1m處的磁場強度，兩者的磁場強度很接近。電纜的屏蔽層只對電場具有屏蔽作用，對工頻磁場的屏蔽效果很弱。

針對工頻磁場的屏蔽只能用具有一定厚度、磁導(dǎo)率高的鐵磁材料來約束磁力線在鐵磁材料內(nèi)部運動，避免空間內(nèi)的傳播。其屏蔽效果如圖8所示，不加高磁導(dǎo)率材料屏蔽的線纜上方1m處的磁場強度約為0.045A/m，而加高磁導(dǎo)率材料屏蔽層的線纜上方1m處的磁場強度約為0.005A/m。如圖9所示可知，磁場強度會隨著距離的增加而迅速地衰減。故為了保證電磁環(huán)境不對人體造成影響，在機(jī)車布線中應(yīng)考慮電纜線束和乘客區(qū)域間保持盡可能大的間距。

3 結(jié)語

對于機(jī)車線纜線束的研究，可以為抑制線纜間的干擾、正確使用各種線纜線束及合理布線提供可靠的依據(jù)。本文對內(nèi)燃機(jī)車中特定的線纜線束進(jìn)行了建模、仿真分析，該電磁仿真方法能夠較準(zhǔn)確、快速地計算出線纜線束間電磁場分布，對機(jī)車布線及排除故障具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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項目名稱：無接觸網(wǎng)供電城軌車輛關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制（2017YFB1201003）