雙層磁性材料屏蔽效能研究

熊鵬俊，周 暢，王曉川

雙層磁性材料屏蔽效能研究

熊鵬俊1，周 暢2，王曉川3

（1. 海軍駐武漢第三軍代表室，武漢 430064；2. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064；3. 華中科技大學光學與電子信息學院）

為更有效消除船上敏感設備受到的低頻電磁干擾，研究了雙層屏蔽結構的屏蔽效能。利用CST有限元計算軟件，建立強電電纜計算模型，對不同層間距情況下雙層磁性屏蔽結構屏蔽效能進行仿真計算。對比分析表明，在屏蔽材料總厚度一定的情況下，雙層磁性屏蔽結構屏蔽效能隨外部屏蔽層直徑的增大而增大；當屏蔽材料總厚度及外部屏蔽層直徑一定時，屏蔽效能隨內(nèi)部屏蔽層直徑的增大，屏蔽效能先增大，后降低，最高差距可達27 dB。

電磁兼容 雙層磁屏蔽 優(yōu)化

0 引言

現(xiàn)代艦艇作為綜合性作戰(zhàn)平臺，集成了聲納、通信等大量敏感信號類設備，為保證這些低頻敏感信號類設備正常工作，需要有效控制和消除其附近空間中的低頻電磁干擾。低頻電磁干擾主要以磁場耦合為主。降低低頻磁場耦合的方法較多，總體上采取合理的電纜分類敷設措施、對關鍵設備進行區(qū)域性布置確能取得一定的效果[1-2]，但是艦艇內(nèi)部空間極為寶貴，有限的空間無法完全按照磁場防護標準進行電纜和設備布置。因此采用屏蔽材料對關鍵部位進行磁屏蔽成為電磁兼容設計師的必然選擇[3-6]。

由于低頻磁場對于一般銅、銀等非磁性、低磁性材料具有較強的穿透能力，因此低頻電磁干擾抑制較為困難。主流的電磁干擾抑制手段為在強電設備或電纜外加裝磁性屏蔽材料，對于磁性屏蔽材料的制造、安裝工藝等相關技術研究較多，并取得一定的成果[7-12]。但是考慮加工及安裝難度，單層屏蔽材料厚度不宜過厚，屏蔽效能有限，為抑制空間低頻磁場干擾，往往需要使用雙層屏蔽結構。但是雙層屏蔽結構相對復雜，影響因素較多，尤其是對交流狀態(tài)下雙層屏蔽結構效能分析的研究報道相對較少[13-14]。本課題對雙層屏蔽結構效能開展了研究。

1 仿真模型及機理分析

為有效模擬雙層磁性屏蔽結構的屏蔽效能，本文基于CST EM靜磁仿真模塊建立仿真雙層屏蔽電纜模型如圖1所示。

圖1 雙層屏蔽電纜CST EM模型

雙層磁性屏蔽結構內(nèi)屏蔽層外徑為1，厚度為1，外部屏蔽層外徑為2，厚度為2，內(nèi)外磁屏蔽材料磁導率均為，假設屏蔽區(qū)域無屏蔽層時磁場強度為0，加裝磁性屏蔽結構后磁場強度為1，則磁屏蔽效能滿足

其中磁屏蔽效能可根據(jù)經(jīng)驗公式獲得，其中雙層圓柱型磁性屏蔽結構屏蔽效能經(jīng)驗公示如下：

經(jīng)驗公式可以使設計人員快速對磁性屏蔽結構的屏蔽效能進行估算。但是磁性屏蔽效能受屏蔽層結構、外部邊界條件、材料自身非線性等各種因素影響較大，經(jīng)驗公式無法對復雜情況進行精確計算，利用CST有限元計算軟件對模型進行參數(shù)化建模和仿真計算，可以對復雜模型進行定量分析，確保計算快速，結果準確。

2 電纜磁場三維仿真及分析

按圖1設置三維仿真模型參數(shù)，其中設定內(nèi)屏蔽層外徑為R，厚度為T，外部屏蔽層外徑為R，電纜長度=5 m，電纜信號強度為0.001 A-1 A，頻率為100×103Hz，發(fā)射電纜邊界條件設置如圖2所示。

圖2 雙層屏蔽電纜CST EM邊界條件設置

考慮到雙層屏蔽電纜周圍磁場分布的特異性，分別在電纜周圍均勻選取9個磁場強度監(jiān)測點，其位置如下圖所示：

圖3 磁場強度監(jiān)測點分布圖

圖3中L=2.5 m，L=1.2 m，L=60 mm，L=80 mm，L=100 mm。首先計算無屏蔽層時，各個監(jiān)測點屏蔽磁場強度，然后計算加載屏蔽層后各個監(jiān)測點屏蔽磁場強度，根據(jù)式（1）即可換算得到屏蔽層的屏蔽效能。

固定內(nèi)屏蔽層外徑為R=6 mm，外屏蔽層外徑R變化范圍從10 mm-26 mm，完成仿真計算，雙層屏蔽結構磁性屏蔽效能與外屏蔽層外徑R的關系圖如下；

圖4 磁場強度及屏蔽效能與外部屏蔽層外徑關系圖

由上圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著外屏蔽層外徑2的增大，各磁場強度監(jiān)測點磁場強度不斷降低，這說明在內(nèi)外磁屏蔽層厚度，內(nèi)屏蔽層外徑等其它各項參數(shù)一定的情況下，外屏蔽層外徑越大，雙層屏蔽結構的磁性屏蔽效能越強。其原因在于，內(nèi)外屏蔽層之間間隙增加，雙層屏蔽結構形成的低磁阻通路范圍增大，可以將內(nèi)部強電電纜發(fā)射的低頻磁場更加有效的禁錮于屏蔽結構內(nèi)部。同時，隨著外部屏蔽層外徑增大，屏蔽效能增強的趨勢變緩，這說明屏蔽層外徑增加到一定程度后，其帶來的屏蔽效能增益會慢慢降低。

考慮到磁屏蔽結構的尺寸、成本及施工難度，雙層磁屏蔽結構外屏蔽層外徑并非越大越好，可以根據(jù)具體情況具體選擇。

固定外屏蔽層外徑為2=26 mm，內(nèi)屏蔽層外徑1變化范圍從6 mm-25 mm，完成仿真計算。雙層屏蔽結構磁性屏蔽效能與內(nèi)屏蔽層外徑R的關系圖如下；

圖5 磁場強度及屏蔽效能與內(nèi)部屏蔽層外徑關系圖

由圖5可知，隨著內(nèi)屏蔽層外徑R的增大，雙層屏蔽結構的磁性屏蔽效能先增大，這是因為，當內(nèi)屏蔽層外徑較小時，內(nèi)屏蔽層距離強電電纜較近，其形成的低磁阻通路范圍較小，屏蔽效能較弱。隨著內(nèi)屏蔽層外徑R的進一步增大，雙層屏蔽結構磁性屏蔽效能開始降低，這是由于內(nèi)屏蔽層外徑R增大到一定程度后，內(nèi)、外屏蔽層之間的間距降低，雙層屏蔽層整體磁通路減少，導致屏蔽結構整體磁性屏蔽效能降低、

以上分析可知，當雙層磁屏蔽結構外屏蔽層外徑一定時，內(nèi)屏蔽層外徑存在最優(yōu)值?？梢愿鶕?jù)仿真計算結果進行優(yōu)化設計，在不改變雙層屏蔽結構整體厚度的情況下，確保其具有最優(yōu)的屏蔽效果。

綜上所述，CST EM仿真計算可以快速精確得到計算結果。同單層屏蔽層相比，雙層屏蔽層屏蔽效能明顯更高。此外，雙層屏蔽層內(nèi)、外層直徑的選擇對于屏蔽層整體的屏蔽效能有較大的影響。

3 結論

本文基于CST仿真軟件，建立了雙層磁性屏蔽材料模型，引入強電電纜，對雙層磁性屏蔽材料在電纜周圍不同位置的磁場屏蔽效能進行綜合分析。研究結果表明，對于100 kHz的典型頻率點，屏蔽材料厚度一定的情況下，雙層磁性屏蔽材料的屏蔽效能隨外部屏蔽層的外徑增加而增大；而在外部屏蔽層外徑保持一定的情況下，屏蔽效能隨著內(nèi)部屏蔽層外徑的增加，先增大后減小，最大差距可達27 dB。由此可見，在保持雙層磁性屏蔽結構整體尺寸的前提下，通過優(yōu)化設計，可以有效的指導屏蔽結構設計，提高屏蔽結構的整體屏蔽效能。電纜屏蔽層是電纜電磁兼容設計的關鍵所在，基于CST設計軟件對電纜屏蔽結構進行三維建模和整體仿真計算，可以快速、準確完成復雜屏蔽結構優(yōu)化設計，有效增強艦船關鍵電纜電磁防護水平，提高設計效率。

[1] 陳窮, 蔣全興, 周開基, 王素英等. 電磁兼容性工程設計手冊[M]．北京: 國防工業(yè)出版社, 1993.

[2] 周暢,楊華榮, 許榮彧, 劉剛, 瞿丹, 樊友文等. 基于CST的多電纜耦合影響仿真分析[J]. 艦船科學技術, 2015, 10(37): 77-80.

[3] 周暢, 殷虎, 楊華榮, 劉剛, 許榮彧, 瞿丹, 樊友文等. 基于CST的接地電阻對金屬編織網(wǎng)屏蔽效果影響仿真分析[J]. 船電技術, 2015, 11(35): 19-22.

[4] 熊鵬俊, 周暢, 張星, 魏世樂, 張建國等. 非線性磁材料屏蔽效能研究[J]. 船電技術, 2016, 36(10): 19-22.

[5] 任世炎, 劉情新, 任琳等. 徑向干擾磁場下電流比較儀雙層磁屏蔽效能[J]. 華中科技大學學報, 2014, 12(42):6-9.

[6] 周輝.磁屏蔽技術的仿真研究[D]. 湖南: 湖南大學, 2014.

[7] 聶世東.低頻磁屏蔽膜的制備與性能研究[D]. 北京: 北京工業(yè)大學, 2007.

[8] 趙啟博,姚臘紅, 王向欣等. 磁導率與厚度因素對磁屏蔽效能的影響[J]. 武漢工程職業(yè)技術學院學報, 2008, 2(19):13-16.

[9] 管登高,黃婉霞, 陳家釗, 涂銘苼等. 低頻電磁波磁屏蔽復合涂料研究[J]. 電工技術雜志, 2002, 12:29-30.

[10] 胡濤春. 磁屏蔽電纜感應耦合干擾抑制機理分析[D]. 北京:北京工業(yè)大學, 2016.

[11] 張進治, 何艾生, 付雪奎, 華佩文, 周貽茹等. Bi(2223)超導體的磁屏蔽效應[J]. 功能材料, 1998, 29(3):333-335.

[12] 胡春濤,王群, 唐章宏等. 軟磁薄膜材料對電力電纜的低頻磁屏蔽效果[J]. 安全與電磁兼容, 2016,3:53-58.

[13] 胡葉青,林春生, 周建軍等. 多層圓柱殼屏蔽體的徑向靜磁屏蔽效能分析[J]. 武漢理工大學學報, 2012,6(36):1306-1309.

[14] 唐章宏,胡春濤, 周樂偉, 王群等. 電纜磁耦合分析及磁屏蔽材料應用[J]. 安全與電磁兼容, 2016,4: 53-56.

The Research on the Shielding Effectiveness of the Double-layer Magnetic Material

Xiong Pengjun1, Zhou Chang2, Wang Xiaochuan3

(1. The Third Naval Military Representativ Office in Wuhan, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; 3. School of Optics and Electonic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430072, China)

27

O482.54

A

1003-4862（2019）09-0006-04

2019-05-14

國防科工局JSCG2016110B006

熊鵬?。?986-），男，高級工程師。研究方向：船機電、電磁兼容設計與研究。E-mail: rabbite6@126.com