艦船設(shè)備低頻磁場傳播特性仿真研究及試驗驗證?

華 陽 華成超

（1.海裝沈陽局大連地區(qū)第一軍事代表室 大連 116001）（2.電磁兼容性國防科技重點實驗室 武漢 430064）

1 引言

近年來，由于電力電子開關(guān)器件在功能、效率、體積重量等方面具有無可比擬的優(yōu)勢，艦載機電設(shè)備的功率越來越大，使得艦船上低頻電磁環(huán)境愈發(fā)復雜，低頻電磁干擾對整個電力系統(tǒng)、輸配電設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、通信設(shè)備、等敏感設(shè)備的影響越來越大［1～2］。且由于艦載大功率機電設(shè)備工況多、頻率范圍廣，且艦船上環(huán)境較為復雜，往往涉及到多邊界條件［3～4］，對其輻射傳播特性的研究已成為難點之一。

目前國內(nèi)外艦船低頻磁場仿真建模領(lǐng)域發(fā)展較為緩慢，大量研究集中于射頻微波領(lǐng)域。隨著艦船上大功率機電設(shè)備的應(yīng)用，對艦船設(shè)備低頻磁場輻射傳播特性研究的重要性逐漸開始凸顯［5］。本文首先討論了艦船上典型電機的性能特點，利用有限元仿真軟件對電機進行建模仿真，得到典型設(shè)備的低頻磁場分布特性。隨后利用多介質(zhì)模型［6］仿真模擬設(shè)備低頻磁場在空間中的傳播特性。最后建立低頻磁場高精度測試系統(tǒng)，利用測試數(shù)據(jù)對仿真結(jié)果進行試驗驗證。

2 典型電機特性分析

艦船典型的機電設(shè)備包括推進電機、汽輪機、柴油發(fā)電機等。其核心都為電動機。隨著技術(shù)的發(fā)展，大功率的永磁同步電機正成為艦船推進電機的主力［7］。

永磁同步電機的數(shù)學模型主要包括電壓方程、機電聯(lián)系方程、機械運動方程等［8］。

根據(jù)基本的電路理論，為了計算分析簡便，可將轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈ψm等效為由轉(zhuǎn)子電流im通過轉(zhuǎn)子繞組電感Lm產(chǎn)生，即:

典型的三相永磁同步電機的電壓回路方程為

其中，Ua、Ub、Uc為三相繞組電壓，ia、ib、ic為三相繞組電流，Rs為各相繞組電阻，a為微分算子，ψa、ψb、ψc為各相繞組總磁鏈。

三相永磁同步電機的永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生恒定的電磁場，當定子上通以三相對稱的正弦交流電時，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換公式，同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩為

其中，Te為電機的電磁轉(zhuǎn)矩，p為電機的極對數(shù)。

而對于機械運動方程，對所有電機來說都有

其中，TL為電機負載轉(zhuǎn)矩，J為電機轉(zhuǎn)動慣量，ωn為轉(zhuǎn)子角速度。

其他不同相數(shù)的永磁同步電機的數(shù)學模型與上述類似。

3 電機低頻磁場輻射分布特性建模仿真

3.1 有限元建模仿真

Maxwell是一款相當成熟的電磁場有限元分析軟件。由于電機磁場在軸向上具有一致性，且軸向長度遠大于氣隙寬度，因此忽略電機軸向的端部效應(yīng)，選擇二維場建模方式。在Maxwell中建立永磁推進電機的模型［9～10］，仿真計算其靜態(tài)磁場分布特性，如圖1所示。

圖1 電機的有限元仿真模型

3.2 多介質(zhì)傳播建模仿真

由于艦船結(jié)構(gòu)及環(huán)境特殊，低頻電磁干擾的傳播、耦合機理復雜，特別是空氣、殼體、海水等多層介質(zhì)產(chǎn)生的多徑效應(yīng)，對電磁波的傳播造成很大的影響［11］。本文基于低頻電磁場傳播理論［12］，建立海水環(huán)境下的多介質(zhì)仿真簡化模型，對低頻電磁干擾空間傳播特性進行建模分析。

如圖3所示，仿真模型從內(nèi)到外分別是空氣、金屬體和海水，電磁場干擾源位于內(nèi)部。

圖2 三層介質(zhì)簡化模型

圖3 等效磁場源在殼體上的磁場分布仿真結(jié)果

在仿真軟件中建立圓柱殼體三維結(jié)構(gòu)模型模擬船體外殼，為減輕計算壓力，去除了殼體內(nèi)部的加強筋、設(shè)備等結(jié)構(gòu)。為了簡化仿真計算，同時也因為電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電機低頻磁場在外部空間中的傳播特性關(guān)系不大，因此在仿真中利用上一節(jié)中得到的電機磁場特性，以等效線圈模擬電機，作為仿真系統(tǒng)的低頻磁場源。將低頻磁場源放置于圓柱殼體內(nèi)部右側(cè)，得到磁場在殼體上的分布仿真結(jié)果如圖4所示。

4 試驗驗證

在實驗室條件下開展驗證試驗，以矢量磁通門傳感器為基礎(chǔ)，建立低頻磁場高精度測試系統(tǒng)，測試電機空間磁場分布情況，與仿真計算結(jié)果對比，驗證仿真模型的準確性。

4.1 低頻磁場高精度測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。磁場傳感器為三軸磁通門，其測試頻率范圍為DC-3kHz，1Hz處的噪聲水平為，完全能滿足測試條件［13］。濾波模塊采用自適應(yīng)濾波，能濾除地磁背景噪聲。數(shù)據(jù)采集模塊采用12通道24位AD采集卡，采樣率最大為50kS/s。采集控制程序采用Lab-VIEW編寫，包括了12路磁場信號量化、數(shù)據(jù)存儲、時域曲線顯示、頻率曲線計算等功能。在實驗室條件下開展驗證試驗，測試電機空間磁場分布情況。

圖4 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4.2 電機低頻磁場分布測試結(jié)果

某推進電機的低頻磁場測試分布如圖5所示，磁通門傳感器分布在電機周圍，距離電機20cm～200cm。

圖5 測試布置圖

圖6為某一距離時的電機低頻磁場分布時域及頻域波形，可以看到時域波形類似調(diào)制信號，三軸分量中以Y軸磁感應(yīng)強度最大；頻譜上呈現(xiàn)為大量干擾信號頻譜，最強干擾頻率為60Hz，磁感應(yīng)強度大約為10uT。

圖6 測試結(jié)果

在仿真模型中，設(shè)置干擾源頻率為60Hz，仿真計算干擾源不同距離處的磁感應(yīng)強度；在測試結(jié)果中選取60Hz頻點，測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖7所示?？梢钥吹?，仿真結(jié)果與測試結(jié)果最大誤差不超過5dB。

圖7 仿真與測試結(jié)果對比

5 結(jié)語

首先，本文對艦船上典型的永磁推進電機進行了特性分析，隨后通過有限元仿真實現(xiàn)了典型電機建模。利用多介質(zhì)簡化模型，仿真分析了電機低頻磁場傳播特性，并得到了其磁場在殼體上的分布特性。最后，利用矢量磁通門傳感器建立了高精度低頻磁場測試系統(tǒng)，對電機低頻磁場進行了測試。結(jié)果表明，測試結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差小于5dB，驗證了仿真手段的有效性。