基于Maxwell 3D的電動(dòng)飛機(jī)動(dòng)力電池磁場(chǎng)干擾仿真與測(cè)試分析

王爾申,藍(lán) 彬,張 磊，徐 嵩，劉遠(yuǎn)強(qiáng)，雷 虹，劉達(dá)

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)a.電子信息工程學(xué)院；b.遼寧通用航空研究院，沈陽(yáng) 110136；2.沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 電磁環(huán)境效應(yīng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110035)

近年來(lái)節(jié)能減排在全世界的呼聲越來(lái)越高，并且伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)清潔能源也成為主流的研究方向[1]。在出行方面更是推行綠色出行理念，大力發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)飛機(jī)等以清潔能源為動(dòng)力系統(tǒng)的交通工具。相對(duì)于燃油飛機(jī)，電動(dòng)飛機(jī)具有零排放、低噪聲和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，這也引起世界各國(guó)和機(jī)構(gòu)進(jìn)行電動(dòng)飛機(jī)的研制大浪潮[2]。在電動(dòng)飛機(jī)的檢測(cè)中，電動(dòng)飛機(jī)自身電磁兼容性檢測(cè)也是衡量電動(dòng)飛機(jī)是否能正常飛行的重要因素[3]。

而民用航空器上的諸多機(jī)載電子設(shè)備是造成飛機(jī)復(fù)雜電磁環(huán)境的主要原因，會(huì)影響飛機(jī)生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至?xí)：︼w行安全，所以航空器的電磁干擾及電磁兼容問(wèn)題的研究就顯得非常重要[4-6]。電磁干擾主要分為自然干擾和人為干擾兩大類(lèi)。自然干擾就是地磁環(huán)境所造成的干擾、地球空間雷電干擾以及太空空間環(huán)境射向地球的電磁噪聲干擾，但在我們的測(cè)試中認(rèn)為只存在正常的地磁干擾；而人為干擾是由電機(jī)、大功率電路或其他動(dòng)力系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁能量干擾[7-9]。電動(dòng)飛機(jī)上的主要電磁干擾源為大功率燃料鋰電池開(kāi)合電路的穩(wěn)恒磁場(chǎng)以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電磁干擾場(chǎng)[10-12]。電動(dòng)飛機(jī)上的電磁敏感設(shè)備包括通信天線(xiàn)、通信傳輸線(xiàn)纜及元器件和監(jiān)測(cè)航向的磁力計(jì)等。

因此，本文針對(duì)電動(dòng)飛機(jī)大功率電池電路不同布局下所產(chǎn)生的快變電磁場(chǎng)干擾環(huán)境進(jìn)行研究，并使用飛機(jī)磁力計(jì)以及磁羅盤(pán)對(duì)電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行測(cè)試。本次測(cè)試分為兩個(gè)部分：首先，通過(guò)使用Maxwell 3D軟件建模仿真，在動(dòng)力電池組快變時(shí)，觀測(cè)疊加磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向變化情況；然后，在室內(nèi)進(jìn)行動(dòng)力電池對(duì)飛機(jī)磁力計(jì)的電磁干擾測(cè)試。通過(guò)仿真計(jì)算與真實(shí)測(cè)試的結(jié)合，觀測(cè)在雙重磁場(chǎng)疊加下的干擾情況，以便進(jìn)一步研究如何抑制此類(lèi)電磁干擾。

1 電動(dòng)飛機(jī)電池電路穩(wěn)恒磁場(chǎng)計(jì)算與分析

由于電動(dòng)飛機(jī)電池組電路具有大電流、高電壓的特性，在電池放電時(shí)會(huì)形成快變電磁干擾場(chǎng)。而為了有效地了解和研究電動(dòng)飛機(jī)電磁兼容問(wèn)題，本文將采用Maxwell 3D軟件進(jìn)行電動(dòng)飛機(jī)電池電路的快變大電流輻射場(chǎng)的仿真建模計(jì)算。Maxwell 3D基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，有著足夠的準(zhǔn)確性和快捷性[13]。穩(wěn)恒磁場(chǎng)計(jì)算方程是麥克斯韋方程的特殊形式，在本次仿真中需要計(jì)算通電線(xiàn)圈與均勻磁場(chǎng)疊加后所產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)對(duì)不同位置磁針?biāo)艽艌?chǎng)力的大小和方向，用以模擬電動(dòng)飛機(jī)大功率電池電路工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)飛機(jī)磁力計(jì)的影響情況。因此，本文將其引入到電磁場(chǎng)疊加檢測(cè)中。

1.1 電動(dòng)飛機(jī)電池電路電磁場(chǎng)計(jì)算原理

在本文中，由穩(wěn)恒磁場(chǎng)的基本方程[14]

(1)

且空間無(wú)散場(chǎng)B可記為

B=?×A

(2)

其中:H為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量；B為磁感強(qiáng)度矢量；J為線(xiàn)圈電流密度；μ為空間媒質(zhì)的磁導(dǎo)率；A為矢量磁位；?為微分算子。

在本文使用均勻的磁導(dǎo)率介質(zhì)，故矢量磁位的描述方程為

?2A=-μJ

(3)

其中:?2為拉普拉斯算子。

文中電池電路模型是線(xiàn)圈模型,為軸對(duì)稱(chēng)模型，對(duì)式(3)圓柱坐標(biāo)系展開(kāi)，該模型的電流密度Jφ和矢量磁位Aφ，關(guān)系式為

(4)

(5)

由于Maxwell 3D中的偏微分方程定義于三維直角坐標(biāo)系下，該對(duì)稱(chēng)軸為x軸，式(5)中的r、x分別轉(zhuǎn)換為z、y，可得

(6)

根據(jù)直角坐標(biāo)系微分運(yùn)算關(guān)系，可得

?(z3?u)=-z2μJφ

(7)

在對(duì)稱(chēng)軸處的矢量磁位Aφ等于0，又Aφ=ur，r=0,故對(duì)u可不限制；在給定邊界條件下，Maxwell 3D采用基本網(wǎng)格剖析，可計(jì)算出u的空間分布。

(8)

轉(zhuǎn)換成Z-Y直角坐標(biāo)系可得

(9)

其中:er、ex、ez、ey為坐標(biāo)系偏微分方程對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中，可通過(guò)該方法設(shè)置不同的參數(shù)來(lái)計(jì)算出線(xiàn)圈近場(chǎng)磁感強(qiáng)度矢量B的分布。

1.2 以磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向?yàn)闇y(cè)試參考量可行性分析

將地球的磁場(chǎng)假設(shè)為一個(gè)條形磁體，由磁南極指向磁北極。因地球?yàn)椴灰?guī)則球體，故不同地理位置磁場(chǎng)強(qiáng)度通常在50～60 μT。但是在某一固定的地點(diǎn)可認(rèn)為地球磁場(chǎng)線(xiàn)平行于地平線(xiàn)且磁場(chǎng)強(qiáng)度大小一致。

在某一個(gè)固定的地點(diǎn)，地球磁場(chǎng)矢量可以被分解為兩個(gè)與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€(gè)與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至?。如果保持磁羅盤(pán)和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，那么羅盤(pán)中磁力計(jì)的3個(gè)軸就和這3個(gè)分量對(duì)應(yīng)起來(lái)，如圖1所示。

圖1 地磁矢量分解示意圖

實(shí)際上對(duì)水平方向的兩個(gè)分量來(lái)說(shuō)，它們的矢量和(即圖中與地面平行的分量)總是指向磁北的。羅盤(pán)中的航向角就是當(dāng)前方向和磁北的夾角。由于羅盤(pán)保持水平，用磁力計(jì)水平方向兩軸(通常為X軸和Y軸)的檢測(cè)數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出航向角。

2 電動(dòng)飛機(jī)大功率電池電磁干擾模型仿真

2.1 電動(dòng)飛機(jī)仿真模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置

文中設(shè)計(jì)的通電線(xiàn)圈是立體對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，采用Maxwell 3D坐標(biāo)系的靜磁場(chǎng)求解器。電動(dòng)飛機(jī)導(dǎo)線(xiàn)通常采用銅制閉環(huán)雙絞線(xiàn)對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行連接，故而本次仿真的線(xiàn)圈電路采用銅為材料建立，等效于電動(dòng)飛機(jī)電池電路的線(xiàn)圈電路模型、測(cè)試某點(diǎn)電磁強(qiáng)度的磁針以及等效于地磁場(chǎng)的均勻靜磁場(chǎng)的求解邊界[15]。模型建立后，邊界條件、材料、激勵(lì)源、網(wǎng)格劃分等，相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 靜磁場(chǎng)求解參數(shù)表

如圖2所示，Maxwell 3D仿真模型為電動(dòng)飛機(jī)在地球表面所受磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向的理想模型，假設(shè)飛機(jī)飛行方向?yàn)閄軸負(fù)半軸方向，模擬地磁方向?yàn)閅軸正半軸方向。該模型主要由兩個(gè)通電銅線(xiàn)圈、兩塊測(cè)試磁針和等效地球表面磁場(chǎng)強(qiáng)度(50～60 μT)的均勻磁場(chǎng)(取55 μT=44 A/m)，均勻磁場(chǎng)方向?yàn)閅軸正半軸。主要測(cè)試兩組電流(110 A、120 A)快變下，其分別對(duì)應(yīng)線(xiàn)圈不同角度下所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)和均勻磁場(chǎng)疊加后，磁針?biāo)艽艌?chǎng)強(qiáng)度和方向情況，以判斷磁針指向偏離。

圖2 電動(dòng)飛機(jī)電池線(xiàn)路系統(tǒng)仿真模型

2.2 電動(dòng)飛機(jī)電池磁場(chǎng)仿真與分析

本次仿真采用兩塊磁針?lè)謩e代替電動(dòng)飛機(jī)的磁力計(jì)和磁羅盤(pán)，使用通電線(xiàn)圈表示電動(dòng)飛機(jī)電池組。磁針?biāo)艽艌?chǎng)強(qiáng)度大小及方向由Maxwell 3D軟件計(jì)算和表示出來(lái)。

2.2.1 均勻磁場(chǎng)中磁針測(cè)試分析

當(dāng)兩等效線(xiàn)圈電流為0 A，在計(jì)算邊界中只存在和地球地表磁場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)?shù)木鶆虼艌?chǎng),如圖3所示。

圖3 電動(dòng)飛機(jī)電池組模型在均勻磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向

由圖3可知，磁針于均勻磁場(chǎng)中的所受磁場(chǎng)強(qiáng)度與方向，磁針X、Y和Z方向上的所受磁場(chǎng)強(qiáng)度如表2所示。再結(jié)合圖1中的地磁分解示意圖可知磁針原始角度，如表3所示。在均勻磁場(chǎng)中，磁針主要的磁場(chǎng)強(qiáng)度方向?yàn)閅軸正方向，即磁場(chǎng)方向。

表2 電動(dòng)飛機(jī)均勻磁場(chǎng)中所受影響仿真數(shù)據(jù)

表3 均勻場(chǎng)中磁針角度

2.2.2 疊加磁場(chǎng)中磁針測(cè)試分析

本文針對(duì)RX4E銳翔電動(dòng)飛機(jī)進(jìn)行測(cè)試，在沒(méi)有任何電磁屏蔽條件下進(jìn)行模擬仿真。當(dāng)兩線(xiàn)圈中某一個(gè)的電流值為0 A時(shí)，另一個(gè)在電流I=110 A、220 A時(shí)分別觀測(cè)計(jì)算域中磁場(chǎng)分布情況，應(yīng)用Maxwell 3D對(duì)場(chǎng)域和兩塊測(cè)試磁針進(jìn)行三維可視化模擬，可以非常直觀清晰地觀察到場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)大小和方向，如圖4以及表4、表5所示。

表4 電動(dòng)飛機(jī)在疊加磁場(chǎng)中磁力計(jì)仿真數(shù)據(jù)表(磁針1)

表5 電動(dòng)飛機(jī)在疊加磁場(chǎng)中磁羅盤(pán)仿真數(shù)據(jù)表(磁針2)

圖4 等效模型在疊加磁場(chǎng)模擬情況圖

當(dāng)只有后電池組工作時(shí)，由圖4a、4b可以看出，其主要影響的是后機(jī)身的磁力計(jì)，從X、Y、Z面的磁場(chǎng)強(qiáng)度及受磁力分布情況看，前機(jī)身的磁針基本不受影響，所受磁力大小較為均衡。由仿真可知，磁針2在X、Y面的所受磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于Z面，則磁力計(jì)指針更加偏向X、Y面磁場(chǎng)的矢量和方向。同理，當(dāng)只有前電池組工作時(shí)，由圖4c、4d可知，其對(duì)后機(jī)身的磁力計(jì)影響較小，對(duì)磁羅盤(pán)影響較大，且所受磁場(chǎng)力方向?yàn)閅方向。

結(jié)合上述內(nèi)容分析，可計(jì)算出在電池組工作時(shí)，前后磁針工作航向角，如表6、表7所示。

表6 后電池組放電對(duì)磁力計(jì)的影響

表7 前電池組放電對(duì)磁力計(jì)的影響

由上述數(shù)據(jù)表可知，電流強(qiáng)度越大，所產(chǎn)生的影響也就越大。而在電動(dòng)飛機(jī)電路布局中，在兩電池組距離一定的情況下，電池組工作所產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)較近的磁力計(jì)影響較大，并且電路閉合環(huán)路平面與地磁場(chǎng)相重合，且磁力計(jì)位于環(huán)路上方時(shí)，對(duì)于磁針的磁力影響較小。因此，動(dòng)力電池及負(fù)載的布局可減小電磁場(chǎng)對(duì)磁感設(shè)備的影響。

3 電動(dòng)飛機(jī)電池輻射干擾實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)仿真建模實(shí)驗(yàn)后，本次場(chǎng)地模擬測(cè)試的布局采用電池組閉合電路的電流方向與地面平行且磁力計(jì)位于環(huán)路上方的布局，詳見(jiàn)圖5所示。

圖5 電動(dòng)飛機(jī)電池電路磁干擾測(cè)試環(huán)境圖

現(xiàn)場(chǎng)使用GMU44磁力計(jì)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)試，GMU44對(duì)重金屬、導(dǎo)線(xiàn)以及易產(chǎn)生電磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備比較敏感。CMU44磁力計(jì)在靜止?fàn)顟B(tài)的航向誤差為±2°，飛行狀態(tài)實(shí)時(shí)航向誤差為±6°。電動(dòng)飛機(jī)基本參數(shù)如表8所示。電動(dòng)飛機(jī)安裝前后兩個(gè)動(dòng)力電池組，每個(gè)電池組包括2組96串鋰電池，每組有100 AH容量，合計(jì)整機(jī)電池組總共可以提供200 AH容量給飛機(jī)電機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)飛機(jī)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生拉力。由于這兩個(gè)機(jī)載動(dòng)力電池組的輸出具有高電壓、大電流的特點(diǎn)，因此給整機(jī)航電系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)帶來(lái)較大挑戰(zhàn)，故而進(jìn)行本次測(cè)試。

表8 電動(dòng)飛機(jī)基本參數(shù)表

3.1 電動(dòng)飛機(jī)的實(shí)測(cè)環(huán)境搭建

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行動(dòng)力電池組對(duì)磁羅盤(pán)的電磁干擾測(cè)試。具體安裝位置參數(shù)為：X軸指向機(jī)頭，Y軸指向右機(jī)翼，Z軸指向機(jī)頂，原點(diǎn)在Catia繪圖原點(diǎn)，前電池組左下棱角坐標(biāo)(2 071,-342，-368)；儀表艙磁羅盤(pán)坐標(biāo)(2 643,0,377)，后電池組左下棱角坐標(biāo)(5 222，-342,-360),后機(jī)身磁力計(jì)坐標(biāo)(6 824，0,-252)。前后電池組外形尺寸：X軸向長(zhǎng)613 mm，Y軸向?qū)?84 mm，Z軸向高576 mm。

通過(guò)三維坐標(biāo)計(jì)算出前電池組和儀表倉(cāng)的磁羅盤(pán)距離約為999.586 mm，以前電池組坐標(biāo)為原點(diǎn)建立空間坐標(biāo)系，磁羅盤(pán)位于俯仰角度約為48.27°，水平分量角度約東偏北59.12°的位置；后電池組到后機(jī)身磁力計(jì)距離約1 641.655 mm，以后電池組坐標(biāo)為原點(diǎn)建立空間坐標(biāo)系，磁力計(jì)位于俯仰角度約為3.772°，水平分量角度約為東偏北約77.95°的位置。前電池組到機(jī)后磁力計(jì)距離約為4 766.700 mm，后電池組到機(jī)前磁力計(jì)為2 703.955 mm。

磁力計(jì)在同時(shí)感知地球磁場(chǎng)和飛機(jī)電池等機(jī)載設(shè)備電磁場(chǎng)時(shí)，受到地球磁場(chǎng)和飛機(jī)電池產(chǎn)生磁場(chǎng)角度差的影響，還受到機(jī)械設(shè)備到磁力計(jì)距離的影響。因此當(dāng)磁力計(jì)距離電池組相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，磁力計(jì)不受該電池組所產(chǎn)生磁場(chǎng)的干擾。本次測(cè)試以某一測(cè)試點(diǎn)電池組電流為0 A時(shí)的磁力計(jì)刻度為基準(zhǔn)值，可以保證在誤差值相同的測(cè)試點(diǎn)環(huán)境下測(cè)試電磁場(chǎng)變化引起的磁力計(jì)刻度變化。

3.2 電動(dòng)飛機(jī)的實(shí)測(cè)結(jié)果分析

前電池組對(duì)2 m外磁力計(jì)電磁干擾測(cè)試如表9所示。當(dāng)磁力計(jì)與電池組距離為2 m時(shí)，可認(rèn)為不論電路電流多大都不對(duì)磁力計(jì)造成干擾。前電池組到機(jī)后磁力計(jì)距離約為4.7 m，后電池組到機(jī)前磁力計(jì)為2.7 m，故而前電池組產(chǎn)生電磁場(chǎng)對(duì)后磁力計(jì)沒(méi)有影響，后電池組產(chǎn)生電磁場(chǎng)對(duì)前磁羅盤(pán)也不造成影響。

表9 前電池組對(duì)2 m外磁力計(jì)電磁干擾測(cè)試

由表10可知，后電池組放電電流為220 A時(shí)，磁力計(jì)(試驗(yàn)時(shí)用磁羅盤(pán)代替)磁航向指示值由207°變?yōu)?09°，電磁干擾影響為2°；后電池組放電電流為110 A時(shí)，磁力計(jì)(試驗(yàn)時(shí)用磁羅盤(pán)代替)磁航向指示值由207°變?yōu)?08°，電磁干擾影響為1°。

表10 電動(dòng)飛機(jī)后電池組放電對(duì)磁力計(jì)的影響

由表11可知，前電池組放電電流為220 A時(shí)，磁羅盤(pán)磁航向指示值由185°變?yōu)?95°，電磁干擾影響為10°；前電池組放電電流110 A時(shí)，磁羅盤(pán)磁航向指示值由185°變?yōu)?90°，電磁干擾影響為5°。

表11 電動(dòng)飛機(jī)前電池組放電對(duì)磁羅盤(pán)的影響

由表9～11結(jié)合仿真建模數(shù)據(jù)可知，電流越大，產(chǎn)生的影響越大。磁力計(jì)或磁羅盤(pán)與電池組環(huán)路距離越近，所受影響越大。因此，合理安排動(dòng)力電池電路的布局可減小電磁場(chǎng)對(duì)磁感設(shè)備的影響。

4 結(jié)論

本文針對(duì)在電動(dòng)飛機(jī)未進(jìn)行其他磁航向補(bǔ)償時(shí)的電池電路磁場(chǎng)干擾問(wèn)題進(jìn)行了Maxwell 3D建模仿真，并對(duì)電動(dòng)飛機(jī)實(shí)際電池組干擾進(jìn)行了測(cè)試，旨在完成未進(jìn)行補(bǔ)充時(shí)，通過(guò)電池電路結(jié)構(gòu)布局、將電磁影響降低。通過(guò)仿真建模和實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以看出在電池電路放電時(shí)，電路周?chē)拇艌?chǎng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)態(tài)干擾磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度與電池放電大小有關(guān)，而且對(duì)電動(dòng)飛機(jī)磁力計(jì)以及磁羅盤(pán)的影響主要與安裝距離和角度有關(guān)。文中研究的結(jié)果為電動(dòng)飛機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)提供了較好的參考依據(jù)，在飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)電池組安裝進(jìn)行角度與距離的優(yōu)化可有效減小電池穩(wěn)恒電磁場(chǎng)的干擾。