电磁学论文范文第1篇
摘 要：针对现有馈能悬架无法很好地兼顾隔振性与馈能性的问题，提出一种混合励磁直线电机与液压减振器集成的车辆悬架减振器，实现输出可调阻尼力与回收振动能量同时进行。基于集总磁路法对混合励磁直线电机进行解析分析，并在Ansoft软件中建立有限元模型，以电磁阻尼力调节范围为目标，优化气隙长度、永磁体高度，确定负载阻值。Matlab仿真结果表明，与传统被动悬架相比，在随机路面激励下，混合励磁悬架不仅提升了隔振性，还能回收部分振动能量，验证了所提出结构的可行性。
关键词：悬架；混合励磁；减振器；能量回收；有限元分析
半主动悬架多包含阻尼可调减振器，功耗小、结构简单，可以获得接近主动悬架的性能，具有重要的研究意义。与此同时，将被动阻尼与可调阻尼集成的混合阻尼器日益得到重视，早在1999年，MARTINS等[1]就提出将传统被动阻尼减振器与主动电磁减振器集成，并在汽车悬架中加以应用。滑铁卢大学的EBRAHIM等[2]将液压减振器与电磁作动器组合，通过对电磁作动器部分进行主动控制，为悬架提供不同作动力。ASADI等[3]提出一种集成液压减振器与直线电机的混合阻尼器，并通过有限元法对其进行了结构优化。另一方面，传统悬架在汽车行驶过程中，振动能量转化为热能耗散掉，不利于燃油经济性。因此，提出在优化悬架性能的同时，回收振动能量，以提高燃油经济性。施德华等[4]提出一种半主动馈能悬架，借由永磁直线电机回收振动能量，通过步进电机调节节流阀面积以改变阻尼系数，但直线电机仅用作回收能量，利用效率不高。陈士安等[5]将液压蓄能器和油缸结合，通过压力阀进行能量存储和释放控制，达到减振和回收能量的作用。SUDA等[6]设计了能量自供给的两级式馈能悬架，一级馈能，一级进行车身姿态控制。
圆筒直线电机结构简单，绕组利用率高。无横向端部效应，不存在单边磁拉力，应用在车辆悬架中既可提供电磁阻尼力，也可以有效回收悬架振动能量。NAKANO等[7-8]通过改变馈能回路电阻调节在发电机模式下工作的直线电机电磁阻尼力，实现半主动控制，优化了悬架隔振性。陈龙等[9]提出通过控制馈能回路中DC-DC变换器，实时调节绕组感应电流，使电机电磁阻尼力在一定范围内连续可调。
本研究将基于混合励磁的圆筒直线电机与液压减振器集成，提出一种应用于车辆半主动悬架的馈能减振器。采用此新型馈能减振器的半主动悬架依据路况进行阻尼力调节，隔振性能良好，在车辆行驶过程中可以将振动能量转化为电能储存，降低整车能耗，并可满足故障-安全（Fail-Safe）特性。首先，介绍了混合励磁悬架减振器的结构与工作原理，基于集总磁路对混合励磁直线电机磁场进行解析，并借由Ansoft有限元分析软件进行结构优化，确定负载电阻大小。最后，通过仿真验证其隔振性与馈能性。
1 结构与工作原理
新型馈能减振器将传统液压减振器与混合励磁圆筒直线电机集成。混合励磁是由电励磁与永磁励磁共同作用的新型励磁方式，因此，混合励磁直线电机存在两种类型的励磁源，一种是永磁励磁源，它在气隙中产生一个基本不变的磁通；另一种是直流励磁绕组，工作时，通过调节励磁绕组上的电流大小和方向，使气隙中的磁通发生变化，两种励磁源磁场在气隙中共同作用产生电机内主磁场。与永磁电机比较，混合励磁电机具有调节气隙磁场的能力；与电励磁同步电机相比，具有较小的电枢反应电抗[10]。
混合励磁悬架减振器结构如图1所示。由图可知，混合励磁圆筒直线电机由初级与次级两部分组成，初级部分是与防尘罩焊接的导体管，其内部设有三相绕组。次级部分与初级部分之间有固定尺寸的气隙。次级部分设有开口矩形槽，焊接于减振器缸筒外壁，由永磁体、铁芯、直流励磁绕组组成。永磁体贴附于次级部分表面，次级部分的矩形槽内绕有直流励磁绕组。
气隙中的励磁磁场由永磁体与励磁绕组共同产生，永磁体提供直线电机运行时主要的气隙磁场，直流励磁电流作为磁场调节器起到调节气隙磁场的作用。当车辆行驶时，车身与车轮的相对运动使减振器工作，此时，与上吊耳、防尘罩相连的电机初级部分与次级部分产生相对运动，根据法拉第电磁感应定律，在三相绕组中产生感应电流，得以将振动能量转化为电能储存，实现馈能。同时，根据楞次定律，在产生感应电流的同时伴随着电磁阻尼力的产生。通过改变直流励磁绕组的励磁电流大小，可以使电磁阻尼力与感应电流大小改变，实现阻尼值可调。此外，如果混合励磁电机失效，液压减振器部分仍能继续工作，实现“Fail-Safe”。
2 电机解析与优化
2.1 磁感应强度推导
在电机设计分析中，根据需要，倾向于采用解析法寻找电磁设计规律，采用等效磁路法进行初步电磁和结构参数计算，使用有限元计算分析得到准确的磁场分布、电磁推力和反电动势[11]。为了分析此新型馈能减振器的工作特性，并推导出混合阻尼力和感应电动势表达式，基于集总磁路法进行混合励磁直线电机磁场分析。
混合励磁电机一对磁极结构如图2所示，其中，回路C为其等效磁回路。
对图2中各变量具体含义的描述见表1。
（1）永磁体为径向充磁，气隙中磁场完全为径向，且磁极中各部分磁感线方向都与回路C相平行。
（2）忽略结构中各部分漏磁。
（3）材料中无磁饱和。
（4）液压减振器与混合励磁电机连接部分为非导磁材料。
由式（8）、（11）可知，悬架簧上质量与簧下质量间相对速度越大，即车身振动越剧烈，由振动机械能转化成的电能也越多，即回收能量越多。同时，为了获得良好的平顺性与操纵稳定性，需要提供的电磁阻尼力越大。
2.2 磁感应强度优化
由式（8）、（11）可知，混合励磁直线电机输出的电磁阻尼力与回收能量大小都与磁感应强度Bm有关，且由式（4）可知，Bm的大小主要由电机结构尺寸与直流励磁电流决定。由于电机一旦设计完成，结构尺寸不可调，所以通过有限元法进行关键结构尺寸优化。
假设圆筒混合励磁直线电机部分初定结构尺寸，见表2。这部分在初定尺寸的基础上，以电磁阻尼力和回收能量为目标利用有限元法进行尺寸优化，从而提高悬架隔振性与馈能性。在Ansoft 12.0中建立圆筒混合励磁直线电机模型，并在Maxwell/circuit模块设置馈能电路，进行联合仿真，分别以气隙长度、永磁体宽度为可变参数，进行优化设计。初级部分与次级部分的相对运动速度设定为0.26 m/s，馈能电路电阻设为10 Ω，为了避免直流励磁部分磁饱和对仿真结果的影响，励磁电流变化区间设置为0～2.5 A。
2.2.1 气隙长度
假设其它结构尺寸不变，气隙从0.5 mm变化到2.5 mm，励磁电流从0 A变化到2.5 A，电磁阻尼力与回收能量的变化如图3和图4所示。由所推导公式可知，随着气隙长度增大，电磁阻尼力与回收能量都将减少，符合有限元分析结果，同时可以看出，随着气隙的增大，不同励磁电流下阻尼力与回收能量的变化逐渐减小。由此得出结论，较大气隙会使阻尼调节的范围降低，气隙过小会使阻尼调节系统灵敏度过高，且电机初级部分与次级部分易发生碰撞。综上所述，取气隙为1 mm。
2.2.2 永磁体高度
永磁体高度的选取将很大程度影响减振器工作性能，高度增加则永磁体提供磁场强度增加，但同时会导致磁路饱和程度增加，削弱电励磁场的影响。因此，需要选取一个最佳值，既能使电励磁场最大程度起到调节磁场作用，又可充分利用永磁体。假设其它结构尺寸不变，永磁体高度从4 mm变化至6.5 mm，励磁电流从0 A变化至2.5 A，电磁阻尼力的变化如图5所示。随着永磁体高度增大，电磁阻尼力增大，但直流励磁的作用不断减弱。综上所述，为了提高输出的电磁阻尼力，并尽可能发挥励磁磁场的作用，选取永磁体高度5 mm作为最终结果。
2.3 优化结果
综合以上结论，考虑到边界条件，得到优化后的混合励磁电机尺寸，见表3。利用有限元软件分析尺寸优化前后电磁阻尼力与回收能量大小的变化，结果如图6和图7所示。尺寸经过优化后，在相同工况下，所能提供的电磁阻尼力与回收能量均得到了提升。
2.4 负载电阻确定
除了改变磁感应强度Bm大小，调节负载电路的电阻也可以使输出的电磁阻尼力与回收能量发生改变。为了得到负载电路电阻对工作性能的具体影响[13]，进行相同工况下，不同电阻值对电磁阻尼力大小与回收能量的影响仿真分析，从而确定出最佳电阻值。由图8可知，当负载电路电阻为0时，输出的电磁阻尼力达到最大，当负载电路电阻等于电机内阻时（内阻约为5.3 Ω），回收能量达到最大值。综上所述，为了使悬架时刻工作在最佳馈能状态，并能输出合适大小的电磁阻尼力，取5.3 Ω为负载电路阻值。
3 混合励磁悬架动力学分析与仿真
混合励磁的四分之一悬架等效模型如图9所示。
采用通过滤波器的一阶白噪声来模拟路面输入。假设汽车以20 m/s驶过 B 级路面，其它仿真参数为：簧载质量ms160 kg，非簧载质量mt20 kg，悬架刚度ks10 kN/m，轮胎刚度 kt100 kN/m，假设传统液压减振器的阻尼系数cs被设定为1 100 Ns/m，电机绕组经过整流器串接阻值为 5.3 Ω 的负载，仿真时间10 s。
通过仿真得到带有混合励磁悬架和传统被动悬架汽车的车身加速度对比曲线图与车轮动载荷对比曲线图，如图10和图11所示。
由图可知，带有混合励磁悬架的车辆车身加速度得到了明显优化，相比于传统被动悬架，车身加速度均方根值减少了30.13%，车身峰值加速度减少了17.16%，此外，轮胎动载荷幅值增加了2.67%，均方根值增加了4.21%，但对车辆操纵稳定性的影响不大。总体而言，混合励磁悬架的减振效果明显优于传统被动悬架。
在路面激励下，仿真得到的混合励磁悬架感应电动势如图12所示。图中电压的有效值为11.35 V，证明了混合励磁悬架在车辆行驶过程中除了有较好的减振效果外，还可回收部分振动能量。
由于液力阻尼系数cs为定值，在给定车辆参数下，cs值的选取将很大程度上影响悬架性能。通过仿真研究液力阻尼系数的选取对隔振性的影响，结果如图13所示。当液力阻尼系数取550 Ns /m时，隔振性最优。
4 结论与展望
（1）提出一种混合励磁直线电机与液压减振器集成的车辆悬架减振器，实现阻尼可调与振动能量回收，详细介绍其结构与工作原理，并利用集总磁路模型推导出混合励磁直线电机输出的电磁阻尼力与其感应电动势公式。
（2）建立混合励磁直线电机部分有限元模型，并对其进行有限元分析，分别优化了气隙长度与永磁体宽度。综合考虑输出电磁阻尼力大小以及对阻尼力的调节能力，取气隙长度为1 mm，永磁体高度为5 mm，对优化前后的混合励磁直线电机进行有限元分析，发现优化后输出电磁阻尼力能力较优且阻尼调节能力较佳。同时分析不同外电路电阻值对悬架性能的影响，确定负载电路阻值为5.3 Ω。仿真结果表明，混合励磁悬架在车辆行驶过程中除了有较好的减振效果，还能回收振动能量。
（3）在考虑悬架隔振性的前提下，进行液力阻尼与电磁阻尼的最优匹配分析，发现在给定悬架参数下，液力阻尼系数取550 Ns/m时，隔振性最优。而综合考虑馈能性与隔振性，进行阻尼匹配，值得进一步研究。
（4）当混合励磁直线电机中通入的励磁电流一定时，电机的力特性曲线近似线性，与减振器集成后，并不会影响减振器外特性。而在实际工作过程中，由于通入的励磁电流根据不同工况实时改变，导致在宏观角度直线电机的力特性产生变化，有可能在集成液力阻尼后，产生外特性的畸变，需要进行进一步的仿真与试验研究。
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电磁学论文范文第2篇
[摘 要] 针对学生学习“数字信号处理”课程时存在的概念理解难、实际应用能力弱等问题，提出基于问题探索与项目驱动相结合的实验教学方式。首先，发布实验小课题，包括雷达探测目标的工作原理模型建立仿真、快速傅里叶变换的应用、雷达信号处理中数字正交解调的设计与实现;其次，从数字信号处理基本理论的角度讲解课题内容对应的相关知识点，并让学生完成相关实验。该教学方式强调学生对雷达探测项目为中心任务下的数字信号处理理论和方法的理解与综合运用。
[关键词] 数字信号处理;问题探索;实验课程
[基金项目] 2018年度深圳大学教学改革研究项目“面向应用实践的‘数字信号处理’实验课程教学改革探索”（JG2018097）;2018年度广东省高等教育教学改革项目“传感器网络信息处理方向创新实践人才培养体系建设”
[作者简介] 阳召成（1984—），男，湖南浏阳人，博士，深圳大学电子与信息工程学院副教授，硕士生导师，主要从事雷达信号处理、阵列信号处理、压缩感知等领域的理论与教学研究。
一、引言
“数字信号处理”课程是电子信息类的一门核心基础课程，对于培养电子信息类专业人才具有重要作用。然而，由于数字信号处理具有抽象的概念、繁多的公式和专业理论的基础性，学生在学习课程时出现了概念理解困难、实际应用能力弱等问题。而且由于学生耗费大量精力在数学计算上，无法掌握数字信号处理的核心物理要义，无法体会到知识学习与解决实际工程问题的成就感，丧失了对该课程的学习兴趣。为了帮助学生更好地理解和掌握该课程，有学者通过引入案例或问题让学生自主学习[1，2];有学者通过MATLAB仿真[3]或教学辅助软件让学生直观地认识数字信号处理流程。但是，上述教学方式依然存在案例分散或实验内容偏多偏杂等问题，学生在短时间内无法深入掌握数字信号处理在案例应用中的精髓。
本文则采用问题探测与项目驱动结合的方式，提出基于雷达探测的“数字信号处理”实验课程改革方式。该改革的核心在于将雷达探测拆解成为一系列的子问题，对应数字信号处理的基本理论与方法，在讲解理论的同时，探讨实际应用;在完成实验的同时，理解实际工程问题的解决思路。最后通过实际雷达信号处理，让学生综合利用所学知识，通过小组方式进行课题探讨、任务分工与协作，并辅助以小组问答的考核方式，提高小组成员协作的荣誉感和完成项目任务的积极性。
二、教学组织与评价
（一）实验课题内容
1.雷达探测目标的工作原理模型建立仿真。该部分知识点主要涉及数字信号的产生与认识、离散时间线性时不变系统时域分析法（卷积、自相关做延时估计）。所对应的教学内容是：实际工程问题抽象为线性时不变系统的理解与掌握、线性时不变系统的时域分析方法（卷积、自相关）。
2.FFT的应用。该部分知识点主要涉及周期与非周期、连续与离散信号的傅里叶变换形式，以及离散傅里叶变换的快速傅里叶变换算法。所对应的教学内容是：傅里叶级数、傅里叶变换、离散傅里叶级数、离散时间傅里叶变换、DFT及其快速算法FFT。
3.雷达信号处理中数字正交解调的设计与实现。该部分知识点主要涉及频域分析法，即信号在调制或解调的时候，在频域是一个卷积关系，搬移;低通滤波器的加入，时域卷积、频域乘积的应用。所对应的教学内容是：调制与解调对应的基本原理的理解，雷达实际回波信号的理解、信号的数字正交解调方法设计（频谱分析、低通滤波器设计、群延时的理解）。
（二）教学组织实施
1.组队开展实验。在以上教学中采取分组的方式展开：学生根据自愿方式组队，每组4～5人，选派一位组长，每组根据具体任务进行执行与完成。
2.教学过程。（1）雷达探测目标的工作原理模型建立仿真。首先给学生讲述雷达探测的工作原理。雷达发射机产生发射信号，并调制到振荡器产生的载频信号上，然后经收发开关由天线辐射到探测区域中。若该探测区域内有目标存在，则目标会将部分电磁波朝各个方向散射。而朝向雷达接收方向的电磁波会被接收，然后基于振荡器产生的解调信号进行解调。最后，后端的信号处理将用于接收的回波從而获取回波所包含的目标信息。在讲述该部分原理时，从连续时间信号、连续时间线性时不变系统的角度出发进行原理讲解，并详细推导每一步的输出结果。该原理讲解融汇了输入信号、线性时不变系统单位冲激响应和输出信号的卷积关系、采样定理的理解、时间离散化的理解、信号调制与解调（即傅里叶变换的两信号相乘性质的运用）、信号的傅里叶分析（频谱）等基本概念，是非常适用的数字信号处理全过程学习案例。让学生基于原理的理解建立该模型为线性时不变系统，并以恰当的方式表述出来，如单位冲激响应。其次运用MATLAB工具仿真雷达的发射波形、系统的单位冲激响应，以及发射波形通过系统后的雷达回波数据仿真。（2）FFT的应用。首先给学生归纳傅里叶变换的四种形式;接着分析DFT、DFS、DTFT及z变换之间的关系，并让学生绘制框图加深DFT的理解;讲述DFT的主要性质及DFT的应用;继而，从DFT的运算量出发，介绍快速算法FFT;最后让学生运用MATLAB对书中例题进行仿真，加深对FFT的理解以及应用。（3）雷达信号处理中数字正交解调的设计与实现。首先讲述为什么要调制与解调及对应的基本原理;接着展示雷达实际回波信号，让学生加深对实际数字信号的理解;讲述正交解调的原理与原因;让学生分析雷达实际回波信号的频谱，理解载波与有用信号，理解信噪比、带宽等核心概念;让学生设计低通滤波器，充分理解信噪比、带宽等对数字滤波器核心指标的影响与要求，并选择与设计恰当的滤波器，采用MATLAB来实现该滤波过程;理解群延时的概念对数字滤波的影响，并设计恰当的方法来进行消除。
3.实验完成情况举例。这里以雷达探测走动的人员的实际项目为例说明具体实验完成的细节。该项目中采用的雷达为挪威Novalda公司生产的X4M03雷达，该雷达的发射波形为：
在接收机端，以对射频数据直接采样的方式进行数字信号获取。由于直接采样后的数字信号含有载频信息，目标的包络无法有效获取。因此，可以采用数字解调获取目标响应的包络信息。于是提出了让学生完成雷达信号处理中數字正交解调的设计与实现的具体任务要求。该任务要求学生结合所学知识采用MATLAB对雷达原始回波数据进行处理，包括：回波数据的显示、频谱分析;对回波数据进行数字混频，并对混频后的数据进行频谱分析;基于前述的频谱分析，设计恰当的滤波器对混频后的数据进行滤波，获得IQ数据，并提取目标的响应包络。
图1和图2是其中一组学生完成的结果：图1为所设计的低通滤波器幅度谱和相位谱;图2为目标在混频滤波前后的响应包络。
实验中，学生首先通过FFT方法对原始回波数据进行频谱分析，接着根据已知载波信号对原始回波数据进行混频（解调），并且采用FFT对混频后的数据进行频谱分析。学生通过频谱分析，确定低通滤波器的截止频率为0.3，并选取了窗长度点数为1024的海明窗设计了一个10阶低通滤波器，如图1所示。图2展示了混频滤波前回波的响应和混频滤波后回波的响应包络。由图可见，相比于混频滤波之前，混频滤波之后目标的包络中可以明显观察到0.4m、0.6m和1m附近的幅度较大，可能是人体目标或者桌子和墙等强静止目标。后续可以通过雷达动目标检测进一步确定人体目标的存在。通过该实验，学生熟悉了数字信号处理的整体流程，掌握了如何运用数字信号处理理论解决实际工程问题的思路，并深刻地理解了数字信号处理在实际项目中的价值。
（三）实验考核与评价
实验考核评价方式为：（1）检查每组的具体处理结果，并由每组的一位组员进行相应的讲解;（2）针对每组提1个问题，由该组推荐相应成员回答;（3）由前面两点确定该组的成绩上限，譬如A+、A、B+、B等;（4）指定一位组员，进行提问，该成员的回答情况按照0、-1、-2等来确定，具体指维持上述成绩，将为下一级、下两级等;（5）由组长对每位组员的成绩进行打分，最高分为由上述规定确定的成绩，最低分不限。
该考核与评价方式可以激发学生的协作能力，使任何一个学生都不会置之于学习之外。而且，该方式强调学习能力强的学生带动学习能力弱的学生，使分享与团队意识得到最大程度的发挥。
三、改革教学实施效果
围绕上述改革教学方式，以深圳大学电子信息工程专业数字信号处理其中1个班的课程教学，进行了2018—2020年共三年的试点教学。表1给出了试点教学中各年度参与的人数、实验考核结果等级信息。由该表可见，在三年的试点教学中，有10组共53人取得成绩A+，9组共44人取得成绩A，7组共35人取得成绩B+，3组共13人取得成绩B。
通过该种教学方式，学生表现出了以下的反馈信息：（1）虽然学生刚开始理解雷达探测有点难度，但是这个难度激发了学生的求知欲，激发了学生对“数字信号处理”课程的认可度。表现在与实践结合的实验任务完成中，学生非常投入，提问问题的学生增多。（2）在完成最后一个实际信号处理任务中，学生真切地接触了实际工程问题，小组的讨论、攻关过程也加强了学生的求知欲望，以及完成任务的成就感。（3）最后的实际信号处理任务是综合任务，通过学生实验任务完成、任务细节讲解、教师提问与学生回答环节等，让全部学生一并参与思考数字信号处理究竟是如何解决实际问题，以及实际中有哪些问题。让那些枯燥无味的概念，譬如群延时、滤波器的线性、滤波器的设计指标、频谱的物理概念等鲜活起来。（4）学生纷纷表示最后的综合任务让他们真正学习到了一点数字信号处理的知识，但是考虑到期末考试的问题，也希望在更早的时候开展类似实验任务的完成，而不是邻近期末展开。
四、总结
本文提出了一种问题探索与项目驱动相结合的“数字信号处理”教学方式，在为期三年的教学过程中取得了较好的教学效果。该改革教学方式基于雷达探测一个中心任务，围绕数字信号处理的各个理论和方法细节，展开具体实施。首先发布围绕雷达探测为中心的系列实验小课题;接着从数字信号处理基本理论的角度出发讲解课题内容对应的相关知识点，并让学生自主分组完成相关实验。在实验考核与评价中，引入了学生答辩讲解、多级的教师提问与学生回答等综合考评机制，在保证公平的同时，兼顾了学生的学习掌握效果。为期三年的教学改革结果表明：该教学方式可以有效调动学生的学习兴趣，消除学生对枯燥课程内容的恐惧，帮助学生掌握数字信号处理的相关知识，特别是加强学生运用所学知识解决实际工程问题的能力。
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电磁学论文范文第3篇
摘 要： 为了对常导高速磁浮列车系统特性进行更深入研究，建立悬浮系统垂向动力学数学模型，并基于MATLAB/Simulink多体工具箱，对悬浮系统垂向动力学特性进行仿真分析。在额定负载条件下，系统起浮工况下的最大电流为80 A，当悬浮气隙调整为指令气隙12 mm时，稳态电流为27.5 A，与实际悬浮系统相符。此外，模型实现了变负载、气隙脉冲扰动、气隙指令调整等工况的模拟。模型将悬浮系统斩波电路、控制系统及动力学系统进行了统一，实现了系统电气特性与动力学特性的同步观测，改进了对系统单元进行分立仿真的传统方法。
关键词： 常导高速磁浮列车;悬浮系统;垂向动力学;MATLAB/Simulink;斩波电路;控制系统
工業技术创新 URL： http： //www.china-iti.com DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2019.06.005
引言
磁浮列车具有高速、低噪、爬坡能力强、转弯半径小等特点，是下一代轨道交通的发展趋势[1]。
目前，众多学者对磁浮技术进行了广泛研究。文献[2]对磁浮列车的机械耦合特性进行了分析，并提出了解耦控制方案;文献[3]对中低速磁浮列车电磁铁搭接结构进行了分析，建立了悬浮系统多输入多输出的数学模型，实现了悬浮系统解耦控制;文献[4]基于控制理论，分析了悬浮系统的非线性控制方法;文献[5]设计了基于负载扰动观测的负载解耦控制策略;文献[6]基于逆系统理论，建立了悬浮系统车桥耦合模型，优化了悬浮控制方法。通过以上分析不难发现，磁浮技术研究虽然取得了丰富成果，但它们均是将悬浮系统分立为电路、控制系统或动力学系统单独进行的研究。
本文综合悬浮系统斩波电路、控制系统及动力学系统，建立常导高速磁浮列车的数学模型，基于MATLAB/Simulink多体工具箱，对悬浮系统垂向动力学特性进行更为全面的仿真研究。
1 常导高速磁浮列车结构
常导高速磁浮列车整体结构示意图如图1a所示，主要由车体、二系悬挂系统和悬浮架组成，车长27.5 m，车宽3.7 m。单悬浮架模块结构如图1b所示，它是车辆的走形机构，一节车包含4个悬浮架，每个悬浮架有左右两组悬浮臂，每组悬浮臂上安装一块电磁铁，每两个悬浮架之间搭接一块电磁铁，电磁铁与悬浮臂之间通过橡胶弹簧连接。因此，一节车共有14块电磁铁，其中有6块是搭接电磁铁。二系悬挂系统由空气弹簧、摇臂、摆杆、牵引拉杆等机构组成，负责连接车体与悬浮架。车体垂向悬挂刚度是由布置在悬浮架上的空气弹簧提供的，每个悬浮架上布置4个空气弹簧，整节车共有16个空气弹簧，即系统依靠16个空气弹簧将悬浮电磁铁产生的悬浮力平稳地传递给车体。
悬浮电磁铁是悬浮系统的关键部件，悬浮电磁铁与轨道之间的关系如图2a和2b所示。一块悬浮电磁铁由10个全磁极和2个半磁极组成，通过调节线圈绕向来实现磁极N/S交错排布。一块悬浮电磁铁有12个悬浮励磁线圈，悬浮电磁铁两端相邻6组线圈串联后与一套悬浮控制器相联，构成一套悬浮控制回路。一节车共有32套悬浮控制回路，表1给出了悬浮电磁铁的各物理参数，部分参数在图2b中有所标示。
2 磁浮系统垂向动力学数学建模分析
磁浮列车是一个复杂的多体系统，根据系统结构特点，其垂向动力学建模过程可以按照车体、悬浮架、悬浮电磁铁分层展开。
2.1 车体垂向受力分析及数学模型
一节车体通过16个空气弹簧与悬浮架相连，因此垂直方向主要承受自身重量、旅客重量及空气弹簧支撑力。以车体的质点中心为坐标系原点，车的运动方向为x轴正方向，建立右手笛卡尔坐标系，并将力的作用点平移至同一平面内，其垂向受力示意图如图3所示。
图3中，表示第i个悬浮架的第j个空气弹簧的支撑力（i=1，2，3，4; j=1，2，3，4），mr和mb分别表示乘客质量和车体质量，g为重力加速度。则车体的垂向运动学方程如式（1）～（3）所示。
其中，表示车体的垂向加速度，表示车体所受的垂向扰动。Ld、Wd分别为扰动力到导向轴、运行轴的距离，Laij、Waij分别为对应位置的空气弹簧的力到导向轴、运行轴的距离;z为车体垂直方向运行距离，δc为侧滚角，ψc为俯仰角;Jcx为车体绕x轴的转动惯量，Jcy为车体绕y轴的转动惯量。由于整车的重心位于车体底部，在计算转动惯量Jcx、Jcy时可以认为等效导向轴和运行轴位于车体底部。
2.2 悬浮架垂向受力分析及数学模型
车体通过空气弹簧与悬浮架相连，而悬浮电磁铁通过橡胶弹簧与悬浮架相连。以悬浮架的质点中心为坐标系原点，车的运动方向为x轴正方向，建立右手笛卡尔坐标系，并将力的作用点平移至同一平面内，则当系统处于悬浮状态时，悬浮架的垂向受力示意图如图4所示。
图4中，表示第i个悬浮架上第k个橡胶弹簧对悬浮架的垂向作用力，表示第i个悬浮架上第j个空气弹簧对悬浮架的垂向作用力（i=1，2，3，4; j=1，2，3，4; k=1，2，…，8），ms表示悬浮架的质量，则第i个悬浮架的垂向运动学方程可以用式（4）～（6）描述。
其中，表示第i个悬浮架的垂向加速度，fisd表示第i个悬浮架的垂向扰动。Lsd、Wsd分别为扰动力到转向架坐标系导向轴、运行轴的距离;Wsij、Wsik分别为橡胶弹簧距离转向架坐标系导向轴和运行轴间的距离;Lsij、Lsik分别为空气弹簧距离转向架坐标系导向轴和运行轴间的距离;zis为车体垂直方向运行距离，δs为转向架侧滚角，ψs为转向架俯仰角;Jsx转向架绕x轴的转动惯量，Jsy为转向架绕y轴的转动惯量。
2.3 悬浮电磁铁垂向受力分析及数学模型
悬浮电磁铁通过橡胶弹簧连接至悬浮臂上，列车运行时磁极面与轨道面相互作用，产生电磁吸力，而一块悬浮电磁铁上12组励磁绕组分成2组，由2个控制器分别进行控制，因此悬浮电磁铁的垂向受力情况如图2a所示。、分别表示第i块悬浮电磁铁中控制器1和控制器2控制部分产生的电磁力大小;和分别表示第i块悬浮电磁铁的1号和2号橡胶弹簧对其产生的作用力; 表示电磁铁的质量。因此一块电磁铁的垂向动力学方程可以用式（7）描述。
其中，表示第i块悬浮电磁铁的垂向加速度，fied表示第i块悬浮电磁铁的垂向扰动。根据电磁力计算原理及电磁铁结构易知，各控制回路电磁力计算公式如式（8）所示。
其中，i1表示控制器1控制的线圈电流大小，i2表示控制器2控制的线圈电流大小，A0为半磁极面积。
3 仿真结果与讨论
悬浮系统斩波电路采用不对称全桥结构[7]，控制系统采用传统的气隙—电流双环控制[8]，垂向动力学系统基于式（1）～（7）原理及表2所给的系统参数，用MATLAB/Simulink多体工具箱搭建。
悬浮系统多体模式示意图如图5所示。
在悬浮系统多体模式下进行仿真。图6～9分别给出了悬浮系统单个控制单元起浮工况、变负载工况、气隙脉冲扰动工况和气隙指令调整工况下电流和气隙响应波形。由图6可知，系统起浮过程的最大电流为80 A，在系统启动的0～0.4 s阶段，气隙从20 mm调整至指令气隙12 mm位置，稳定后线圈电流为27.5 A，与实际悬浮系统相符。在图7的加载工况中，1 s时刻加载50%额定负载，2 s时刻恢复至额定负载。由图7可知，系统加载50%额定负载时，电流增大为35 A，加载过程中气隙波动不超过1 mm;减载过程中，气隙波动比加载时小，稳定后电流恢复至27.5 A。在图8的气隙脉冲扰动工况中，为系统施加幅值2 mm、宽度2 ms的脉冲气隙扰动（1 s时刻施加正脉冲，2 s时刻施加负脉冲）。由图8可知，正脉冲扰动使得系统悬浮气隙出现较大幅度波动，最大波动不超过3 mm;負脉冲扰动引起的气隙波动没有正脉冲时严重。由图9可知，当0.75 s时刻气隙指令由12 mm增大为14 mm时，气隙最大值达到16 mm，有2 mm的超调;当气隙指令在1.5 s时刻恢复至12 mm以及在2.25 s时刻由12 mm减小为10 mm时，超调量不超过1 mm。整体而言，在所给控制条件下，可以满足系统稳定悬浮要求。
4 结束语
本文综合悬浮系统斩波电路、控制系统、动力学系统，基于MATLAB/Simulink多体工具箱建立了常导高速磁浮列车垂向动力学模型，并进行了仿真研究。该模型可以较好地模拟悬浮系统各工况的电流、气隙响应情况，实现对悬浮系统电气特性和动力学特性的同步观测，为悬浮系统综合仿真提供了新思路。
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Key words： Normal Conductive High Speed Maglev Train; Suspension System; Vertical Dynamics; MATLAB/Simulink; Chopper Circuit; Control System
电磁学论文范文第4篇
[关键词]改革 电磁场与电磁波 教学质量
[作者简介]蔡立娟(1975- ),女,长春理工大学电信学院,讲师,硕士,主要研究方向为电磁场与电磁波;陈宇(1980- ),女,长春理工大学电信学院,讲师,硕士,主要研究方向为电磁场与电磁波;杨立波(1966- ),男,长春理工大学电信学院,副教授,硕士,主要研究方向为电磁场与电磁波。(吉林 长春 130022)
[课题项目]本文系长春理工大学高等教育教学研究课题“利用电磁场与电磁波课程教学改革,加强学生素质教育,培养创新能力”的研究成果。
“电磁场与电磁波”是电子信息类各专业的技术基础课,它的前修课程是高等数学、工程数学、大学物理,是学生学习微波技术、天线、光技术、雷达技术、电气技术、电子对抗等技术的基础。通过本课程的学习,使学生掌握电磁场与电磁波的基本属性、分布参数系统的主要理论、分析方法等,并为以后从事微波电子应用技术、通信工程准备必要的理论基础。该课程理论严谨、逻辑性强,对培养学生的逻辑思维能力、独立分析能力和解决问题的能力以及理论联系实际的能力,都有很重要的作用。电磁场与电磁波是合格的通信和电子类专业本科生知识结构的重要组成部分,同时也是一门比较抽象和难学的专业基础课。笔者结合几年的教学经验从几个方面去探讨“电磁场与电磁波”课程建设,达到提高教学质量的目的。
一、“电磁场与电磁波”课程内容体系结构改革
因为学时紧张,“电磁场与电磁波”的学时数根据要求,已经由最初的64 学时减少到现在的48 学时。所以在内容体系结构上做一些改革,既要学生掌握基本理论,又要打下应用基础,既突出基础性和知识体系的完整性,又尽量避开繁杂的推导。主要调整内容如下:(1)为使学生更容易学习本门课程,补充了矢量分析和场论内容的介绍,以便学生集中学习场的分析方法,更好地建立场的概念。(2)改变以往因为电磁场分析和电磁波传播理论两大部分组成所以先静态后动态的教学顺序,建立电磁场分析和电磁波的整体概念,突出电磁场的基本规律,基于物理电磁学,以三大定律(库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律)和两个基本假说(有旋电场的假说和位移电流的假说)为基础,归纳总结出宏观电磁现象的普遍规律麦克斯韦方程组,然后再讨论静态场、时变场以及电磁波的传播与辐射特性。(3)删除一些大学物理中已经学过的概念,删除极化和磁化的微观机理分析,减少静态场部分内容,通过类比静电场等方法对恒定电场和恒定磁场的讲授和学习,使本课程学时有所减少,内容有所深化。(4)随着科学技术的发展,电磁科学领域特别是电子与信息科学领域取得一系列重大成就,本课程将能反映近代科学技术的成就和一些对学生有重要意义的工程内容,通过例题、习题的方式,通过选修内容的方式引入本门教材和教学内容之中。
二、“电磁场与电磁波”课程教学建设改革
(一)教学建设目标
本课程的建设目标为五年达到省级精品课程要求。争取在五年时间内修改和补充教材内容,充实课程资源,完善网络教学,不断收集最新的科技成果补充到网络教学中。把“电磁场与电磁波”课程建设成为具有一流教学水平和广泛示范辐射作用的省级精品课程。
(二)树立先进的教学理念
在教学实践中,“电磁场与电磁波”课程组积极组织教师开展教学法研究,贯彻“知识、能力和素质”三位一体的教育思想,教学过程不仅仅是传授知识,更要重视学生学习能力、分析能力和运用所学知识解决问题能力的培养,以及科学研究、探索和创新素质的提高。在教学模式改革中努力实现四个转变:由教师为中心向以学生为主体、教师为主导转变;由教师单向注入式教学向师生互动式教学转变;由仅适应粉笔授课向适应现代教学手段相结合使用的教学方法转变;由仅重视课堂教学向课堂教学和实践教学相结合转变。
(三)建设“电磁场与电磁波”网络课程
通过网上教学和辅导,积累素材,不断提高课程教学质量,并加强电子教材的制作,使网络课件内容更具前沿性、实用性、综合性和系统性,使电子教材资源的数量和质量得到提高,完善“信号与系统”试题库、在线测试与答疑。
(四)积极开展教改、教研活动
经常组织进行“电磁场与电磁波”课程的教学改革和教学研究等方面的研讨,吸收并掌握国内外先进的教学理念,了解课程发展动态,使“信号与系统”教学过程体现出一流的水平和鲜明的特色,积极开展教改、教研活动,推广教学研究成果。
(五)加强实践教学建设
加强实验室软、硬环境建设,特别是要开出具有课程特点的基础性、综合性、设计性、研究性实验题目和实验内容,搭建综合实验教学平台,为培养学生科技创新精神提供基础。
三、“电磁场与电磁波”课程教学方法、教学手段改革
“电磁场与电磁波”课程理论性强、抽象、公式多,理解和掌握起来有一定难度,容易导致学生厌学、怕学的情绪,针对这种情况,我们在教学过程中对课程的教学方法进行了改革与探索,并总结了一些富有成效的举措和经验。
(一)全方位、立体化、多视角教学方法的采用
“电磁场与电磁波”课程采用全方位、立体化、多视角的教学模式,发挥教师的主导作用,确定学生的主体地位。在教给学生专业知识和学习方法的同时,努力帮助学生开拓思路,激发潜能,全面培养他们的创新意识、实践能力和综合素质。
结合“电磁场与电磁波”课程的理论性强、信息量大、概念抽象等特点,传统的板书教学方法已不能满足学生对授课内容的理解和掌握。针对板书教学方法单一和信息量有限的弊端,在课堂教学中,我们采用多媒体教学方法,通过形象化的图像、信息变化的动态过程演示,既可在同样的时间内讲授更多的教学内容,为精简授课学时提供条件,又可使一些抽象、难懂的内容变得生动形象,从而提高学生的学习兴趣,促进其学习动机,同时,我们并未彻底放弃板书等传统授课手段,而是根据需要将它们和多媒体教学等现代教育技术手段恰当地组合,扬长避短,力求获得最佳的教学效果。在课后巩固环节中,要求学生利用网上教学资源自主学习,学生在复习后可以进行课前预习,最终达到提高教学效果和教学质量的目的。
(二)采用多种教学方法和实践,培养学生创新能力
教学形式上采用以系统讲授为主,要点提示学生自学为辅,简介扩展内容让学生课后阅读的方法。系统讲授为主的目的在于让全部学生对电磁场理论的基本体系及解决问题的方法有较好的掌握和了解;要点提示学生自学为辅的目的在于对少数较为简单的课程内容进行自学,以使大部分学生有机会得到自己分析问题和解决问题的锻炼。
1.营造一个鼓励创新和想象的课堂气氛。传统课堂教学无视学生的主体地位,往往使学生自主意识和创新能力的培养落空。课程组坚持“学生为主体,教师为主导”的思想,在课堂教学过程中采用“提问式”“启发式”“以练代讲式”“讨论式”和“小结式”等多种形式相结合,加强教学过程中的互动效果和学生的参与程度,引导学生多思考,多问为什么,营造民主、和谐的课堂气氛,形成一个无拘无束的思维空间,让学生处于一种轻松愉快的心理状态,能够积极思维,敢于标新立异。
2.激发学生的求知欲,鼓励学生多问。强烈的求知欲,是学生学习的动力,也是创新的催化剂。因此,在课堂教学中,要激发学生的求知欲。
首先,为引起学生对“电磁场与电磁波”这门课的兴趣,可以先介绍历史的回顾及重大突破等。如,1873年英国科学家麦克斯韦提出了位移电流的假设,认为时变电场可以产生时变磁场,并以严格数学方程描述了电磁场与波应该遵循的统一规律,这就是著名的麦克斯韦方程。该方程说明了时变电场可以产生时变磁场,同时又表明时变磁场可以产生时变电场,因此麦克斯韦预言电磁波的存在,后来在1887年被德国物理学家赫兹的实验证实。在这个基础上,俄国的波波夫及意大利的马可尼于19世纪末先后发明了用电磁波作为媒体传输信息的技术。然后说明应用及发展前景,像静电复印、静电除尘以及静电喷漆等技术都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用;电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等,都是利用磁场力的作用。
其次,要保护学生的求知欲,应注重以下两点:一是教师要善待学生提出的问题,鼓励学生自觉地探索新事物,创造性地解决新问题;二是教师要对学生的求知欲关心、支持,对学生提出的问题给予恰当的处置,不能挫伤学生求知的积极性。
四、“电磁场与电磁波”实验教学改革
电磁场电磁波实验是理论课教学的一个重要组成部分,通过实验教学学生不仅能更牢固地掌握理论知识,而且在实验过程中,通过对理论知识的运用和实践,上升到一个新的高度,从而提高他们的素质。为培养具有创新精神的高素质人才,适应电子信息技术飞跃发展对学生知识结构和能力的要求,“电磁场与电磁波”课程组整合实验课程及教学内容,根据教学的基本要求以及电子学人才培养的需要,设计电磁场与电磁波理论课程和配套实验课程,形成了从基础训练到系统设计的完整的实验教学体系,使学生能够在理论课学习的基础上由浅入深地学习电磁波的传输特性,进而探讨介质对电磁波传播的影响、电磁波的偏振特性等,初步掌握本领域现代CAD开发技术如Microwave office等设计工具,为射频电路设计、无线通信技术、光纤通信、卫星通信等相关领域的课程学习和科研打下坚实的基础。
课程组对电磁场与电磁波实验教学改革的主要内容如下:(1)加强电磁场与电磁波课实践课和理论课的结合与渗透,培养学生解决实际问题的综合能力。理论教学与实践教学密切相关,根据实验教学的要求,保证理论教学为实践教学打好坚实的理论基础。让理论课教师参加实验教学,及时与学生沟通,了解学生掌握知识的情况与兴趣所向。(2)修改实验教学大纲,编写实用的实验指导书。为了保证工科学生工程能力的提高,实验内容应不但具有基础性、设计性和综合性,还要具有研究创新性;不仅使学生能够打下良好的基础,还要激发学生的创造性思维。为了适应开放实验室的要求,改编的实验教材既有实验理论教学,又有实践部分,即包括基本部分实验内容、设计性部分实验内容和综合性部分实验内容以及研究创新部分内容。使实验的教学层次分明,使学生的实验兴趣得到提高,达到最佳实验效果。(3)随着现代化教学的需要,实验教学建立了多媒体教学方式。在多媒体实验教学研制过程中,针对实验教学的特点,我们把实验内容、实验要求、实验考核方法、仪器设备使用手册、器件数据手册等教学资源制作成多媒体课件,同时建立网络教学平台,让学生在校园网上自主交流。
总之,在“电磁场与电磁波”课程教学改革的研究和探索过程中,我们用“加强基础、拓宽知识、强化能力、提高素质”的教学指导思想制订新的教学计划,改进教学方法,灵活应用多种先进的教学手法与教学手段,保证学生理论与实践紧密结合,提高分析问题和解决实际问题的能力,培养学生的创新意识和创造能力,使教学各环节更加完善,真正提高教学质量。
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电磁学论文范文第5篇
因此, 我们有必要对电磁炉的基本工作原理进行了解, 进而了解电磁炉简单的维修方法, 对电磁炉常见故障进行维修。
1 电磁炉基本结构图
1) 陶瓷板:又叫微晶玻璃板, 位于电磁炉顶部, 用于锅具的垫放, 要求具有足够机械强度, 耐酸碱腐蚀, 耐高低温冲击。
2) 上盖:用耐热塑料制成, 作为电器的外保护壳。
3) 面板:用塑料薄膜制成, 用于功能显示及按键操作指示。
4) 灯板:又叫显示控制板, 位于壳内, 进行功能显示及功能按键操作, 有些电磁炉把控制单元集成到灯板上。
5) 炉面传感器组件:位于壳内, 嵌在发热盘的中间, 用橡胶头或其它方式顶住陶瓷板, 用于检测炉面锅具的温度。
6) 加热线盘:位于壳内, 主工作器件, 产生交变的电磁场, 锅体利用电磁场涡流加热原理发热, 自身也会发热。
7) 主控板:又叫电源板、主板, 位于壳内, 作为整个电磁炉加热、控制、电源转换的主体部件。
8) 电源线及线卡:连接市电与电磁炉, 提供电源通道。
9) 电风扇:位于壳内, 通过吸风将炉内热量带出壳外, 主要对线圈和加热组件进行降温。
10) 下盖:用耐热塑料制成, 作为电器的下保护壳, 及支撑内部器件及锅具作用。
2 电磁炉加热基本原理
电磁炉加热的基本原理主要是电磁感应原理, 工作时将电能转换为热能。由整流电路将50/60Hz的交流电压转换成直流电压 (AC-DC-AC、交流-直流-交流) , 再经过控制电路将直流电压转换成频率为20~35KHz的高频信号, 高速变化的电流流过线圈产生高速变化的磁场, 当变化的磁场通过金属器皿底部金属体内就产生无数的小涡流, 使器皿本身自行高速发热, 然后再加热器皿内的东西, 达到用户烹饪的目的。
正是由于这个工作原理, 所以电磁炉的器皿一般是用钢质、铁质材料来加热;铝锅、铜等材料由于材质电阻率太小, 而不易被加热;陶瓷、木材等又由于表面电阻率太大, 使产生的电流太小, 所以也不易被加热。因此, 我们一定要用与电磁炉配套的锅具才能进行加热使用。
3 电磁炉常见故障及维修方法
维修思路按照先易后难, 先外后内、先排除简单故障后解决疑难故障的思路进行。
3.1 上电后无任何反应
原因分析:1) 没有电源或插座接触不良。2) 保险管或整流桥烧毁。3) 二极管被击穿, 芯片损坏。4) 电路出现断路、短路。
检修方法及顺序:1) 检查电源是否接好, 若没有则接好电源。2) 使用万用表检查保险管, 整流桥等容易烧毁的元件是否损坏, 检查二极管是否被击穿, 若是则替换为新的元件。3) 芯片是否输入正常的5V电压, 若否则接好线路或更换芯片。4) 检查开关电源部分的焊点是否有虚焊, 线路是否有断路现象, 若是则把虚焊重新焊好, 断路重新接好。
检修流程图:
3.2 显示正常、开机只有检锅声, 不工作
原因分析:1) 盘线没有接好。2) 盘线两端电阻出现问题。3) 推挽电路有问题。4) Lm339损坏。
检修方法及顺序:1) 通电后, 观察是否显示故障代码, 若有故障代码, 根据故障代码提示初步判断故障部位。2) 检查盘线是否接好, 否则接好盘线。3) 同步接LM339电压8脚 (负端) 比9 (正端) 脚电压低0.2v~0.4v之间, 否则替换盘线之间的电阻。4) 检查推挽电路是否能正常工作, 否则在检查LM339是否损坏, 损坏则替换为新的芯片。
检修流程图:
3.3 风扇不转
原因分析:1) 风扇电机损坏。2) 风扇驱动电路损坏。3) 控制芯片损坏。4) 电路出现断路。
检修方法及顺序:1) 检查风扇插座是否插好, 否则将电源接好。2) 检查电机是否损坏, 是则换风扇。3) 检查风扇是否接上18V, 若没有再检查风扇与18V之间的连线是否接好, 否则接好。4) 检查风扇驱动电路是否正常, 若否, 按照具体情况分析。5) 检查芯片控制端口是否有高电平输出 (5V) , 否则再检查芯片是否损坏或接线有问题。
检修流程图:
3.4 疑难故障处理
在实际维修过程中, 有可能会遇到疑难故障。例如, 判断主控板CPU (单片机) 损坏, 而CPU很难买到;或者同步检测电路故障不好维修;或者电压比较电路故障;有些电磁炉无法找到电路原理图;换件维修成本太高等。
当我们遇到这些无法解决的问题时, 我们还可以通过换主控板的方法进行维修。现在市场上有专门的电磁炉通用改装板, 例如精彩科技出品的电磁炉改装板, 成本在50块钱左右。
我们只需要利用原电磁炉的外壳、线圈、炉面温度传感器、电源线加上一套改装板就可以改造成功, 非常方便。
摘要：电磁炉现在是普通家庭中最为普及的家用电器之一, 非常适合现代家庭使用, 市场普及度相当高。本文对电磁炉一些常见故障出现的原因进行分析, 并对故障维修的方法进行介绍, 让普通用户也能对电磁炉出现的问题进行简单处理。
关键词：电磁炉,故障,维修
参考文献
电磁学论文范文第6篇
摘 要：随着科技发展，电子设备已经成为一种必不可少的基础设施。电子设备的电磁兼容性能与其结构电磁屏蔽措施紧密相关，不采取恰当的电磁屏蔽措施，会导致设备之间的电磁干扰日益严重，电子设备的性能下降，甚至会导致无法正常工作。本文从结构电磁兼容设计的角度出发，以实现良好的电磁兼容为目标，探讨良好有效的电子设备结构设计屏蔽措施。
关键词：电子设备 电磁兼容 结构设计 屏蔽措施
随着技术的创新和发展，电子设备的性能更为强大，功能更加多元化，内部结构也更加复杂。正常情况下，狭小的空间里也会有着不少数目的电子设备，各种设备其不同的工作频率及不适宜的电磁兼容设计，都会影响设备的正常运转，降低工作效率和生产效益。
1 电磁兼容设计的目的
电磁兼容性是电子设备的主要性能之一，在产品研制设计阶段启动时就必须要考虑到设备的电磁兼容设计，如若待设备投产后进行测试时再设法解决电磁兼容问题的话所产生的代价将会很高，乃至不能完全解决所发现的故障及问题。
电磁兼容设计的目的是使所研制设计的设备及产品可以在复杂多样的电磁环境中实现良好稳定的工作狀态，因此设备在进行电磁兼容设计时应符合以下几点要求：首先需要明确设备所要求的电磁兼容指标，然后确定设备内装件中的敏感器件、干扰源及干扰途径，之后采取有针对性的措施，最后通过试验来验证设备能否符合所要求的电磁兼容指标。
2 电磁兼容结构设计要点
在电子设备的结构设计中，不注重电磁兼容设计要求，可能会导致电子设备引发相应的故障，影响设备的正常工作状态，常见故障体现在箱体结构屏蔽设计、搭接设计及接地设计等方面。
另外，电子设备多数为完全密闭的铝合金加固设备，散热性能不太好，避免因内装元器件工作温度过高导致内装元器件寿命减少甚至损坏，因此在进行箱体结构屏蔽设计时还应兼顾设备的热设计要求。
2.1 箱体结构屏蔽设计
箱体结构的屏蔽设计，是电子设备的结构电磁兼容设计中十分重要的一环。箱体的屏蔽性能设计到位，就等同于完成了90%以上的结构电磁兼容设计工作。
箱体结构的选材应当要合理，若选择的材料不合适，将导致结构的屏蔽性能的减弱甚至丧失。在电磁波的传播途径中，只要可以对低电磁波传播能量进行切断、阻碍、降的方法，都能阻碍或阻止电磁波的传播，从而起到屏蔽的作用。
电磁屏蔽是利用导电性能良好的良导体制成的屏蔽体来阻止或减小电磁波传播能量所采取的一种措施。经常选用的方法有静电场屏蔽、静磁场屏蔽及变化的电磁场屏蔽。电子设备结构设计人员在进行电磁兼容设计时，必须按相应的电磁兼容要求进行有针对性的电磁屏蔽设计。在电子设备内部元器件之间的电磁兼容得到了良好控制的前提下，在结构上也要对变化的电磁场进行整机级的结构屏蔽设计。
2.2 接地设计
电子设备提供的接地方式可分为两种，一为保护地，二为信号地。在这二种接地柱中，要求保护地与机箱间低阻抗导通、要求信号地与机箱间高阻抗绝缘。保护地兼做安全地的作用，对保证人身及设备安全具有重要作用。
接地点的合理选择，有助于提高电路组合接地方案的可行性。采用多点就近接地方式，让接地点间的电位差尽量减小，避免接地点相互之间产生干扰。注重接地面的处理，增强抗氧化和抗腐蚀性能，提升接地设计水平。
2.3 搭接设计
结构件与结构件之间，结构件与连接器的屏蔽壳体之间，需要通过安装导电衬垫的方式来实现两者接触面之间的连续低阻抗搭接，从而保证设备箱体良好的屏蔽性能。导电衬垫一般选用铍铜簧片、铝镀银导电橡胶等材料。
2.4 屏蔽设计与设备的热设计
理论上，完全密闭的箱体屏蔽性能是良好的。实际上，设备内部内装件工作会产生大量的热量，需要通过结构件传导到箱体上，然后通过箱体辐射到周围环境中，因此在自然散热的情况下，完全密闭的箱体热传导路径长，其散热能力基本不太理想。
在自然条件下，密闭箱体的散热能力如图1所示（图1引自QJ1474-88《电子设备热设计规范》中对应的图表）[3]。
图1中纵坐标表示电子设备箱体内部的散热量，横坐标表示电子设备箱体的有效热辐射表面积。当设备内装件的发热量和所要求的温升值确定后，可通过此图来预估设备箱体的热设计是否能确保内装件的正常工作。如果预估时设备热设计超出了限值，则需要选择通风机箱或者采取强制风冷等热设计措施。
3 结语
经上述分析可知，在电子设备结构设计过程中，设计人员应着重关注电子设备的屏蔽设计。在实际工作中应认真分析及模拟故障的形成原因，选用有针对性的控制和完善措施，及时的将故障排除，提高电磁兼容设计水平，提升设备的运行可靠性，促进电子设备的全面稳定发展。
参考文献
[1] 汤恒，易艳春.舰用电子设备结构电磁兼容性设计要点[J].电子世界，2017（8）：18.
[2] 詹金晶.浅析舰船电磁兼容中的接地设计方法[J].电子世界，2016（13）：106.
[3] QJ1474-88 电子设备热设计规范[Z].航天部单位资料室，1988.