激光器方艙穿線孔布設(shè)位置的EMC預(yù)測(cè)

葛欣宏，孟范江，寧　飛，賀庚賢

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

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激光器方艙穿線孔布設(shè)位置的EMC預(yù)測(cè)

葛欣宏，孟范江，寧飛，賀庚賢

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

[摘要]依據(jù)激勵(lì)電路耦合有限元方法，計(jì)算了激光器系統(tǒng)的電磁環(huán)境，對(duì)激光器方艙穿線孔布設(shè)位置進(jìn)行了EMC預(yù)測(cè).首先，在分析了大功率TEA CO2激光器的工作原理基礎(chǔ)上，提出了激光器方艙穿線孔布設(shè)位置的EMC預(yù)測(cè)問題；其次，建立了激光器的物理模型，采用激勵(lì)電路耦合有限元方法，計(jì)算了激光器近場(chǎng)區(qū)的磁場(chǎng)分布；最后，依據(jù)有限元計(jì)算的結(jié)果，結(jié)合場(chǎng)線耦合方法，對(duì)激光器方艙穿線孔布設(shè)位置進(jìn)行了分析.結(jié)果表明：當(dāng)激光器處于放電工作狀態(tài)下，激光器方艙底邊的中心處磁場(chǎng)輻射最低(0.79 A/m)，適于布設(shè)穿線孔.

[關(guān)鍵詞]大功率TEA CO2激光器；有限元法；瞬態(tài)磁場(chǎng)；電磁兼容

電磁兼容(EMC)預(yù)測(cè)是合理進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，從設(shè)計(jì)階段開始對(duì)激光器系統(tǒng)的電磁環(huán)境進(jìn)行定量模擬和估計(jì)，能夠避免在設(shè)備生產(chǎn)完成后，出現(xiàn)電磁不兼容問題導(dǎo)致修改設(shè)計(jì)甚至重新調(diào)整布局.采用系統(tǒng)法進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，在元器件已經(jīng)確定的情況下，空間分離是重要的一步，激光器方艙穿線孔布設(shè)位置為典型的空間分離問題，要求在有限的方艙空間內(nèi)，穿線孔布設(shè)位置有限的情況下，設(shè)置穿線孔于電磁輻射最弱之處，以使后續(xù)的電磁兼容設(shè)計(jì)能夠最優(yōu)化進(jìn)行，降低后續(xù)電磁兼容設(shè)計(jì)工作的成本.大功率TEA CO2激光器工作在低頻下，近場(chǎng)輻射主要以磁場(chǎng)輻射為主[1]，由于激光器主回路的電流難以測(cè)試、計(jì)算，且磁場(chǎng)輻射的激勵(lì)源是周期性非正弦電壓源，導(dǎo)致激光器的瞬態(tài)磁場(chǎng)分布計(jì)算較為復(fù)雜，為解決該問題，計(jì)算激光器的電磁場(chǎng)輻射是進(jìn)行線纜布設(shè)的先決條件.目前，基本采用將激光器主回路等效為小環(huán)天線或偶極子的方法計(jì)算激光器的磁場(chǎng)輻射[1-4]，與實(shí)際有較大的誤差，本文采用電磁場(chǎng)有限元方法可以更精確地對(duì)激光器方艙穿線孔的布設(shè)位置進(jìn)行EMC預(yù)測(cè).

1EMC預(yù)測(cè)問題模型

大功率TEA CO2激光器電系統(tǒng)原理如圖1所示[5].當(dāng)觸發(fā)脈沖Trigger將SG1觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，C1上儲(chǔ)存的電量在C1-L1-SG1-C3回路形成脈沖電流I1，C1上的部分電量同時(shí)轉(zhuǎn)移至C3；同時(shí)，C2經(jīng)C2-L1-SG1-SG2回路放電，在SG2放電產(chǎn)生的紫外光電離作用下，主電極周圍形成等離子區(qū).當(dāng)C3上的電壓上升至主電極之間的氣體擊穿閾值時(shí)，主電極之間的氣體被擊穿放電，C3和主電極構(gòu)成回路放電形成脈沖電流I2.依據(jù)電磁場(chǎng)理論，電流I1和I2流經(jīng)的回路為電磁波的輻射源.

激光器方艙空間有限，且工作于放電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁場(chǎng)輻射環(huán)境中，方艙內(nèi)的電磁環(huán)境極其惡劣.為降低激光器主機(jī)對(duì)外的電磁輻射，主體置于屏蔽艙體內(nèi)(見圖2).激光器與電源、控制分系統(tǒng)通過電纜連接[6]，電纜需要穿過屏蔽艙體與激光器主機(jī)相連，因此，電纜在屏蔽艙體內(nèi)的部分會(huì)耦合激光器主體的電磁發(fā)射，產(chǎn)生電磁騷擾，對(duì)控制分系統(tǒng)及供電分系統(tǒng)造成潛在的干擾.系統(tǒng)中電源線傳輸上萬伏高電壓，輻射場(chǎng)入射至電源線耦合的騷擾電壓相對(duì)較小，可以不考慮供電系統(tǒng)的電磁敏感問題，而控制分系統(tǒng)向激光器傳送各種開關(guān)信號(hào)和傳感器控制信號(hào)，控制電纜在方艙內(nèi)會(huì)耦合電磁場(chǎng)，形成干擾電壓與電流傳遞回控制分系統(tǒng)，一方面，會(huì)對(duì)控制分系統(tǒng)內(nèi)的電磁敏感設(shè)備造成干擾；另一方面，耦合的干擾信號(hào)會(huì)導(dǎo)致控制分系統(tǒng)錯(cuò)誤動(dòng)作，因此，需要對(duì)電纜進(jìn)行EMC設(shè)計(jì).

圖1　激光器電系統(tǒng)原理圖

圖2　激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于屏蔽艙體內(nèi)各點(diǎn)的磁場(chǎng)輻射強(qiáng)度不同，控制電纜在方艙的不同位置穿入，將耦合不同強(qiáng)度的干擾電壓，確定最優(yōu)的穿線孔布設(shè)位置，是電磁兼容設(shè)計(jì)的重要步驟之一.將穿線孔布設(shè)于電磁輻射較弱的空間區(qū)域，對(duì)后續(xù)的電磁兼容設(shè)計(jì)能起到事半功倍的效果.尋找最優(yōu)穿線孔布設(shè)位置的先決條件是獲取屏蔽方艙內(nèi)的電磁環(huán)境分布，由于激光器本身的近場(chǎng)輻射特性為低阻性，近場(chǎng)區(qū)性質(zhì)為磁場(chǎng)，因此，需要對(duì)激光器放電狀態(tài)下的磁場(chǎng)輻射進(jìn)行計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)線上耦合電壓進(jìn)行計(jì)算與比較，確定最優(yōu)的開孔位置.

2激光器瞬態(tài)磁場(chǎng)輻射計(jì)算

激光器系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，電壓上萬伏，電流幾千安培，且工作頻率較低，重頻工作于100~500 Hz，電磁場(chǎng)的特性接近于似穩(wěn)場(chǎng)，因此，可以采用φ-A法進(jìn)行計(jì)算，φ為標(biāo)量電位，A為矢量電磁位.由于激光器工作在低頻段，故位移電流的影響可以忽略.利用φ-A電磁位表示的電磁場(chǎng)方程為：

(1)

(2)

(3)

有限元計(jì)算的核心思想是將激光器方艙內(nèi)的整個(gè)連續(xù)空間用若干個(gè)有限單元代替，將微分、積分方程轉(zhuǎn)換成矩陣方程來求解目標(biāo)值，在ANSOFT MAXWELL中，求解步驟如下[8-10]：

(1) 確定求解區(qū)域、邊界條件、初始條件——在激光器系統(tǒng)中，求解區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)屏蔽方艙的內(nèi)部，采用金屬邊界條件，初始條件為默認(rèn)設(shè)置即可；

(2) 劃分網(wǎng)格——激光器磁場(chǎng)屬于三維瞬態(tài)場(chǎng)，因此采用四面體作為基本單元；

(3) 求解——計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的場(chǎng)值；

(4) 后處理——對(duì)場(chǎng)進(jìn)行可視化，并利用求解的結(jié)果計(jì)算擬布設(shè)穿線孔處的磁場(chǎng)強(qiáng)度.

對(duì)于帶有電壓源的實(shí)體導(dǎo)體，總電壓是已知的，總電流密度是未知的，激勵(lì)電路計(jì)算時(shí)采用從實(shí)體導(dǎo)體方程導(dǎo)出的電路方程計(jì)算未知量.導(dǎo)出的電路方程為：

(4)

其中:l為模型的軸向深度，ΩC為導(dǎo)體的橫截面寬度，J為待求解的電流密度，V是已知導(dǎo)體電壓.

建立激光器的實(shí)體結(jié)構(gòu)模型是進(jìn)行電磁場(chǎng)有限元計(jì)算的關(guān)鍵步驟，激光器的實(shí)體模型見圖3.電路中的電容、電感等器件都封裝于火花開關(guān)下的金屬箱中，器件間通過導(dǎo)電銅帶進(jìn)行電氣連接，銅帶與電路系統(tǒng)形成閉合回路，回路電流為I1，激光器在工作時(shí)，主放電電極上的氣體被擊穿，形成電流通路，電極與氣體放電通道形成閉合回路，回路電流為I2.使I1和I2回路分別等效于實(shí)體線圈，實(shí)體線圈上的電流分布通過激勵(lì)電路進(jìn)行計(jì)算，將電路系統(tǒng)與有限元耦合，計(jì)算瞬態(tài)磁場(chǎng)輻射分布，獲得屏蔽方艙內(nèi)的磁場(chǎng)分布.

圖3　激光器實(shí)體模型平面示意圖

圖4　I1回路等效激勵(lì)電路

圖5　激光器放電峰值時(shí)刻磁感應(yīng)強(qiáng)度B的瞬態(tài)分布變化圖

以I1回路計(jì)算為例，I1回路的等效激勵(lì)電路見圖4，其中LWinding為有限元線圈，即電路與有限元耦合分析的接口，由實(shí)際測(cè)試可得，脈沖電壓的上升時(shí)間為1.195 ms，火花開關(guān)導(dǎo)通、極板可以等效為可變電阻.

將I1回路等效激勵(lì)電路耦合到激光器的實(shí)體模型上，經(jīng)過計(jì)算后，可以得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度值B以及B的分布圖.激光器放電峰值時(shí)刻磁場(chǎng)分布的變化及場(chǎng)值見圖5，由有限元后處理結(jié)果分析，磁場(chǎng)輻射最強(qiáng)的區(qū)域在激光器方艙后半部分，從盡量引入小的耦合干擾和減少電磁泄漏的角度考慮，結(jié)合工程設(shè)計(jì)要求，過線孔只能開在前半部分.

3穿線孔布設(shè)于不同位置時(shí)EMC預(yù)測(cè)

開孔區(qū)域及位置示意圖見圖6和7.圖6中A區(qū)域?yàn)榭砷_孔的方艙區(qū)域處，區(qū)域長(zhǎng)為1 m、寬為0.7 m.圖7為A區(qū)域中擬布置的3個(gè)穿線孔，以開孔的圓心坐標(biāo)來確定位置，3個(gè)孔的坐標(biāo)分別為(0.25，0.55)，(0.5，0.35)，(0.75，0.15).

圖6　開孔區(qū)域示意圖

圖7　開孔位置示意圖

在不同穿線孔處穿入電纜，線纜在屏蔽艙內(nèi)、艙外的部分及系統(tǒng)地構(gòu)成一個(gè)回路，在回路耦合磁場(chǎng)的情況下會(huì)產(chǎn)生耦合電壓，耦合電壓由

(5)

計(jì)算.其中:Zc是空間波阻抗，H為入射的磁場(chǎng)強(qiáng)度，β=2π/λ為傳播的相位常數(shù)，L為線纜在艙內(nèi)的長(zhǎng)度，h為艙內(nèi)布線平面距離系統(tǒng)的高度.H可以由

(6)

4結(jié)論

大功率TEA CO2激光器工作于高電壓、非線性狀態(tài)下，依據(jù)激光器的計(jì)算電磁學(xué)物理模型，采用激勵(lì)電路耦合有限元方法計(jì)算了激光器近場(chǎng)區(qū)的電磁輻射分布.計(jì)算結(jié)果表明，激光器方艙底邊的磁場(chǎng)輻射最低，為0.79 A/m，結(jié)合工程實(shí)際要求，對(duì)激光器方艙穿線孔布設(shè)位置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終將穿線孔布置于激光器方艙底邊的中心處.采用激勵(lì)電路耦合有限元方法，能夠?qū)す馄鞣脚摯┚€孔布設(shè)位置進(jìn)行較為精確的EMC預(yù)測(cè)，同時(shí)，該方法對(duì)同類型設(shè)備的EMC前期設(shè)計(jì)中的空間分割具有一定的指導(dǎo)作用.

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(責(zé)任編輯：石紹慶)

EMC forecast of laser shelter threading hole’s layout position

GE Xin-hong，MENG Fan-jiang，NING Fei，HE Geng-xian

(Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Science，Changchun 130033，China)

Abstract:Based on method of finite element coupled excitation circuit，predicted the EMC for the threading hole layout position of laser shelter. Firstly，based on the analysis of the high power TEA CO2 laser’s working principle，proposed EMC prediction of laser shelter’s threading hole layout position；Secondly，established physical of model lasers，using excitation circuit coupled finite element，Calculated the near magnetic field distribution of the laser；finally，based on the finite element calculation results，combined with field-lines coupling method，analyze threading hole layout position of laser shelter. The results showed that，when lasers working in discharged state，the center of the laser side bilge edge has minimum magnetic radiation. It is 0.79 A/m，suitable for laying threading hole.

Keywords:high power TEA CO2 laser；FEM；transient magnetic field；electromagnetic compatibility

[中圖分類號(hào)]TN 248[學(xué)科代碼]510·1025

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[作者簡(jiǎn)介]葛欣宏(1982—)，男，博士，副研究員，主要從事電磁兼容、空間有效載荷電測(cè)技術(shù)研究.

[基金項(xiàng)目]激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金資助項(xiàng)目(SKLLIM0902-01)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20120331).

[收稿日期]2014-09-28

[文章編號(hào)]1000-1832(2016)01-0097-04

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.01.020