某微納衛(wèi)星電氣控制裝置抗強(qiáng)磁場干擾的設(shè)計(jì)

張中前，朱 寧

(貴州航天電器股份有限公司,貴州貴陽，550009)

1 引言

某空間在軌電磁炮發(fā)射微納衛(wèi)星項(xiàng)目為：將電磁線圈炮平臺發(fā)射后在軌運(yùn)行；需要時(shí)，使用電磁線圈炮對帶有制導(dǎo)功能的微納衛(wèi)星進(jìn)行發(fā)射，實(shí)現(xiàn)對來襲導(dǎo)彈、在軌衛(wèi)星的摧毀。發(fā)射時(shí)，處于電磁線圈炮有效載荷中的電子元器件在膛內(nèi)發(fā)射過程將承受高的加速度，電磁炮內(nèi)的脈沖強(qiáng)磁場，出炮口瞬間磁通突變感應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)電場等。其中，電磁炮特有的脈沖強(qiáng)磁場是電子元器件受到的最主要電磁干擾，脈沖強(qiáng)磁場的高磁通密度對智能彈藥的磁敏感探測元件及用于彈道修正控制的電機(jī)等部件具有較大危害，而其在出炮口瞬間感應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)電場則對絕大多數(shù)電子元件都可能會產(chǎn)生致命的破壞。目前，只有美國進(jìn)行了使用電磁炮發(fā)射制導(dǎo)彈丸的試驗(yàn)，國內(nèi)微納衛(wèi)星采用電磁炮發(fā)射項(xiàng)目為樣機(jī)研制階段，為跟進(jìn)美國NASA進(jìn)行研究。

電氣控制裝置為供配電產(chǎn)品，通常其所選主要元器件為電磁繼電器、固態(tài)繼電器及DC-DC模塊等，由于是空間在軌運(yùn)行，需要承受耐輻照指標(biāo)及電磁線圈炮的加速度過載，故選擇器件時(shí)，電磁繼電器承受不了線圈炮的加速過載，光電型的固態(tài)繼電器因空間輻照位移效應(yīng)，也避免選擇；故為滿足該環(huán)境要求，選擇使用變壓器耦合的固態(tài)繼電器作為供電控制繼電器，電源變換模塊選用具有抗輻照指標(biāo)的DC-DC模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換；這兩種器件均含有變壓器，對強(qiáng)磁場的干擾敏感。

綜上可見，產(chǎn)品最重要設(shè)計(jì)為抗低頻磁場的設(shè)計(jì)。本文主要解決的問題為：電氣控制裝置的低頻強(qiáng)磁場的屏蔽。

2 電氣控制裝置磁場環(huán)境分析

2.1 電磁線圈炮介紹

電磁線圈炮由固定線圈和彈丸線圈組成，是利用兩個(gè)同軸線圈間的互感梯度而引起電磁力的，如圖1所示。

圖1 電磁線圈炮原理圖

線圈相當(dāng)于炮管，通電后會形成運(yùn)動(dòng)磁場，并在彈丸線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，線圈炮就是利用磁場和感應(yīng)電流相互作用的電磁力加速彈丸線圈而使得炮彈高速射出。

某空間電磁線圈炮采用圓柱形彈丸形式進(jìn)行發(fā)射，彈丸前端開口，安裝制導(dǎo)彈丸的光學(xué)探測器等，如圖2所示。

圖2 彈丸外形三維示意圖

2.2 電磁線圈炮磁場分析

電磁線圈炮線圈等效于螺線管，對電磁線圈炮炮管等效如圖3所示。

圖3 載流直螺線管等效示意圖

線圈長度為L，半徑為R，單位長度上線圈匝數(shù)為n，通過的電流為I，則線圈炮內(nèi)軸線上任意一點(diǎn)P的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

(1)

式中，R為圓形線圈半徑， 為真空磁導(dǎo)率，x為軸線上中心點(diǎn)到P點(diǎn)的距離。

螺線管線圈在密繞時(shí)，每匝線圈相當(dāng)于一個(gè)圓形電源，假設(shè)單位長度上有n匝線圈，在螺線管上任意取長度dl，則這段有線圈ndl匝，其電流強(qiáng)度為dI=nIdl，根據(jù)上式(1)，P點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

(2)

式中，l為P點(diǎn)距離dl處的距離。故P點(diǎn)的磁場強(qiáng)度為對公式(2)的積分。根據(jù)圖3，對長度為L的螺線管，可知：R=rsinβ，l=rctgβ，從而有：

dl=IRcsc2βdβ

R2+I2=R2csc2β

故

(3)

即：

(4)

當(dāng)L遠(yuǎn)大于R時(shí)，cosβ2→1，cosβ1→0，此時(shí)有：

B≈μ0nI

(5)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，當(dāng)線圈長度L遠(yuǎn)大于其半徑R時(shí)，可認(rèn)為線圈內(nèi)部電場在dl長度內(nèi)為均勻磁場。彈丸直徑較線圈直徑小，因此可通過使用線圈內(nèi)中線的磁場近似產(chǎn)品內(nèi)部磁場。根據(jù)電氣控制裝置研制任務(wù)書輸入，電磁線圈炮膛內(nèi)磁場高達(dá)41T，經(jīng)過炮彈外層桶形屏蔽層后，如圖4所示，電氣控制裝置所承受磁場為200Gs，如圖5所示。該磁場足以使電磁繼電器失效，DC-DC模塊的變壓器性能降低甚至失效。故此，在對電氣控制裝置設(shè)計(jì)時(shí)，需對其進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)。

圖4 電氣控制裝置安裝示意

圖5 彈丸所在磁場環(huán)境分析

3 磁屏蔽機(jī)理分析

3.1 恒定磁場屏蔽原理

恒定磁場屏蔽是利用高導(dǎo)磁材料(如鐵、硅鋼片、坡莫合金等)構(gòu)成低磁阻通路，即屏蔽外殼與空氣介質(zhì)組成并聯(lián)磁路，從而減少屏蔽體內(nèi)部磁場強(qiáng)度，達(dá)到屏蔽的目的。如圖6所示。由于空氣或真空環(huán)境相對磁導(dǎo)率接近1，二屏蔽外殼相對磁導(dǎo)率大，故空氣或真空介質(zhì)的磁阻R0比屏蔽外殼磁阻Rm大，干擾磁場的磁通密度線大部分沿屏蔽殼體通過，屏蔽體外部磁通量少，達(dá)到屏蔽恒定磁場的目的。

圖6 靜磁屏蔽原理示意圖

3.2 交變磁場屏蔽原理

交變磁場屏蔽采用低電阻率導(dǎo)體，根據(jù)楞次定律，利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象在屏蔽體表面產(chǎn)生的渦流的反向磁場來達(dá)到屏蔽的目的，即利用了渦流反向磁場對原騷擾磁場的排斥作用，抑制或抵消屏蔽體外的磁場。渦流電流的大小直接影響屏蔽的效果。同時(shí)，對交變磁場，電磁波在進(jìn)入屏蔽體材料界面處發(fā)生發(fā)射，減少進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部電磁波，達(dá)到屏蔽目的。

3.3 電氣控制裝置屏蔽機(jī)理分析

根據(jù)上述對屏蔽原理的分析，電氣控制裝置的屏蔽機(jī)理主要為：

a)磁路原理屏蔽；

b)吸收損耗

c)反射損耗；

磁路原理與低頻電路中電阻并聯(lián)分析相似，不再進(jìn)行分析。下面分別從吸收損耗、反射損耗兩個(gè)個(gè)方面分析電氣控制裝置的屏蔽原理。

3.3.1吸收損耗分析

a)低頻吸收損耗分析

參照參考文獻(xiàn)[7]，當(dāng)磁場變化頻率較低，其頻率不足以導(dǎo)致趨膚效應(yīng)，此時(shí)，渦流在金屬屏蔽薄殼上產(chǎn)生的單位質(zhì)量功耗為：

(6)

式中：

k為常數(shù)，對金屬板等于1，對電線等于2；P為單位質(zhì)量的功耗(W/kg)；Bp為磁場峰值(T)；d為金屬薄板的厚度或電線的直徑(m)；f為磁場改變的頻率；ρ為電阻率(Ωm)；D為材料密度(kg/m3)。

由式(7)可見，在外界磁場一定時(shí)，選用高磁導(dǎo)率的材料提高材料的磁通峰值Bp，增加屏蔽體金屬薄板厚度，可有效提高產(chǎn)品的低頻吸收損耗。

b)高頻吸收損耗分析

當(dāng)磁場變化頻率較高時(shí)，透射入金屬屏蔽材料內(nèi)的電磁波在屏蔽材料內(nèi)繼續(xù)傳播，電磁波在金屬屏蔽層上產(chǎn)生渦流，其場量振幅按指數(shù)規(guī)律損耗，即通常所說趨膚效應(yīng)(具體參見參考文獻(xiàn)8)。其衰減規(guī)律如下：

E=E0e-αxe-jβx

(7)

該損耗反映了屏蔽材料對透射如的電磁能量的吸收，其吸收損耗為：

(8)

從以上式(7)及式(9)可見，為得到較好的屏蔽效果，對低頻電磁波的屏蔽，主要考慮選用高磁導(dǎo)率的材料進(jìn)行屏蔽；對高頻電磁波，由于磁導(dǎo)率 隨頻率增加而減少，可見選用相對電導(dǎo)率 大的金屬材料進(jìn)行高頻磁場的屏蔽。

3.3.2反射損耗分析

根據(jù)電磁波理論，當(dāng)電磁波從空氣或真空到屏蔽材料上時(shí)，阻抗發(fā)生變化從而產(chǎn)生反射，此時(shí)反射系數(shù)為：

(9)

根據(jù)反射系數(shù)，由此可推導(dǎo)電磁波的反射損耗R為：

(10)

上述式中，Zw為入射電磁波阻抗，Zs為屏蔽材料界面阻抗。

對遠(yuǎn)場電磁波，|Zw|=120π≈377Ω，故對遠(yuǎn)場波經(jīng)良導(dǎo)體的反射衰減為：

(11)

對近場電場波阻抗，|Zw|=1/2πfε0r，故對近場電場波經(jīng)良導(dǎo)體的發(fā)射衰減為：

(12)

對近場磁場波阻抗，|Zw|=2πfμ0r，故對近場電場波經(jīng)良導(dǎo)體的發(fā)射衰減為：

(13)

由上式(11)、式(12)及式(13)可見，為提高產(chǎn)品的反射損耗，對遠(yuǎn)場電磁波及近場電場波，選用相對電導(dǎo)率大、相對磁導(dǎo)率小的金屬材料進(jìn)行屏蔽，如銀、銅等；對近場磁場，使用相對電導(dǎo)率大，相對磁導(dǎo)率大的材料進(jìn)行屏蔽，可提高其損耗系數(shù)。可見低頻磁場的屏蔽與靜磁場屏蔽方式相同。

3.4 電氣控制裝置屏蔽效能的評估

為了驗(yàn)證電氣控制裝置的屏蔽效果，對電氣控制裝置的磁場屏蔽定義為：在無屏蔽與存在屏蔽情況下，給定位置處的磁通密度絕對值之比，由分貝(dB)表示。因此定義屏蔽后考察點(diǎn)的磁場屏蔽效能SE定義為：

其中，BW0與BW分別為屏蔽前后考察點(diǎn)的磁通密度峰值。

5 電氣控制裝置屏蔽方案設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式，對產(chǎn)品的仿真結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了簡化，即將產(chǎn)品的厚度設(shè)計(jì)為1mm，采用鋁合金2A12-T4進(jìn)行加工制造，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形如圖7所示。

圖7 電氣控制裝置三維示意圖

圖中，開口處為連接器安裝孔。根據(jù)電氣控制裝置所處環(huán)境為低頻強(qiáng)磁場，其內(nèi)部元器件主要對磁場敏感，故在對電氣控制裝置屏蔽處理時(shí)，主要考慮對低頻磁場的屏蔽。根據(jù)上一節(jié)對低頻磁場的屏蔽機(jī)理分析可見，對低頻磁場進(jìn)行屏蔽，需要選擇導(dǎo)磁率高的材料作為屏蔽材料，導(dǎo)磁率較高材料比如鎳、鐵氧體、低碳鋼、硅鋼等，這些材料密度大，為此，結(jié)合產(chǎn)品的常用工藝及裝配方便，采用鍍鎳及其使用高磁導(dǎo)率的合金材料兩種方案對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)：

a)鍍鎳

由于鎳為磁的良導(dǎo)體，通過對產(chǎn)品鋁合金外殼進(jìn)行鍍鎳，鎳層厚度20μm，考擦鍍鎳后產(chǎn)品的磁屏蔽效果。

b)使用高導(dǎo)磁率的合金箔材進(jìn)行屏蔽

選擇CO-Netic AA型導(dǎo)磁箔片作為屏蔽材料，該箔片磁導(dǎo)率大，磁飽和能力達(dá)8000高斯，具有良好的導(dǎo)磁能力。且制成0.1mm的箔片后，易于彎折成形，且通過熱處理，無需進(jìn)行二次熱處理，簡便易用。產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 CO-Netic AA材料參數(shù)表

將箔材按照殼體形狀成形后，使用環(huán)氧膠等固定到產(chǎn)品殼體上，對接縫處有一定的間隙，可采用低碳鋼片壓制后通過螺釘固定到殼體上；為了避免單層屏蔽帶來泄露較大問題，可采用雙層屏蔽的方式進(jìn)行磁場屏蔽。這種屏蔽方式易于安裝，且在產(chǎn)品總裝時(shí)，通過使用磁屏蔽箔材CO-neticAA對電連接器出口處進(jìn)行屏蔽處理，可進(jìn)一步減小連接器出口處磁場進(jìn)入產(chǎn)品殼體內(nèi)部的可能。

產(chǎn)品使用CO-Netic AA材料屏蔽后，簡化結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 將導(dǎo)磁材料與產(chǎn)品殼體粘接后三維示意

5 電氣控制裝置磁場屏蔽仿真

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)，對產(chǎn)品的磁屏蔽使用MAXWELL軟件進(jìn)行了仿真，仿真時(shí)主要對低頻(小于10kHZ)磁場的屏蔽進(jìn)行分析，具體情況如下。

5.1 仿真邊界設(shè)置

仿真時(shí)，為模擬電磁線圈中經(jīng)過外殼屏蔽后的200高斯的磁場強(qiáng)度，采用在直流線圈中通過電流的形式，模擬電氣控制裝置外部磁場。邊界條件設(shè)定如圖9，外框?yàn)檎麄€(gè)分析域。根據(jù)Co-Netic材料的特性，其磁飽和強(qiáng)度8000高斯，經(jīng)過曲線擬合后，Co-Netic材料BH曲線如圖10所示。

圖9 邊界條件設(shè)定

圖10 磁屏蔽材料BH曲線

5.1 仿真結(jié)果查看

采用截面的方式查看產(chǎn)品內(nèi)部的場強(qiáng)情況，截面選取如圖9，選擇產(chǎn)品中間垂直截面。

圖11 截面選擇

a)鍍鎳產(chǎn)品仿真分析

圖12 鍍鎳產(chǎn)品磁場分布圖

經(jīng)過仿真，鍍鎳產(chǎn)品截面場強(qiáng)分布如圖12，鎳相對磁導(dǎo)率600，中間方框?yàn)楫a(chǎn)品內(nèi)部，從開口處往內(nèi)部依次取3個(gè)點(diǎn)A、B、C，可以得出這三個(gè)點(diǎn)的磁場強(qiáng)度經(jīng)屏蔽后分別為0.013T，0.011T，0.01T，由此可見，經(jīng)鍍鎳屏蔽后，產(chǎn)品磁場強(qiáng)度有所降低，其屏蔽效能最大約為6dB，可見，鍍鎳屏蔽由于鎳的相對導(dǎo)磁率較低，且鍍鎳層厚度較薄，導(dǎo)致屏蔽效果不佳。

b)采用磁屏蔽材仿真分析(出口處不屏蔽)

采用磁屏蔽材料Co-Netic AA材料屏蔽后，產(chǎn)品連接器安裝開口處的磁場分布如圖13、圖14所示，從連接器開口處往電氣控制裝置殼體內(nèi)部依次取3各點(diǎn)A、B、C，可以得出這三個(gè)點(diǎn)屏蔽后的磁場強(qiáng)度分別為0.001T，0.0004T，0.0002T，可見產(chǎn)品磁場強(qiáng)度最少降低20倍以上，最大達(dá)到100倍。即A點(diǎn)的磁場屏蔽效能為26dB，B點(diǎn)處磁場屏蔽效能達(dá)34dB，C點(diǎn)處磁場強(qiáng)度屏蔽達(dá)40dB。可見，開口處磁場泄露較大，屏蔽效果略差。

c)電氣控制裝置連接器出口屏蔽后仿真分析

為了減小連接器開口磁泄露對產(chǎn)品內(nèi)部元器件的影響，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)裝配時(shí)，使用CO-Netic AA磁屏蔽材料將電纜及連接器開口處進(jìn)行屏蔽處理，在仿真時(shí)，將連屏蔽箔材將開口處屏蔽后進(jìn)行仿真，仿真后產(chǎn)品磁場分布如圖15、圖16所示。從連接器開口處往電氣控制裝置殼體內(nèi)部依次取3各點(diǎn)A、B、C，可以得出這三個(gè)點(diǎn)屏蔽后的磁場強(qiáng)度分別為0.00008T，0.00001T，0.00001T，可見產(chǎn)品磁場強(qiáng)度最少降低兩個(gè)數(shù)量級以上。即A點(diǎn)的磁場屏蔽效能為48dB，B點(diǎn)及C點(diǎn)處磁場屏蔽效能達(dá)46dB。可見，開口處磁場屏蔽后，產(chǎn)品內(nèi)部磁場大大減小。

圖13 采用磁屏蔽材料屏蔽后仿真分析

圖14 磁屏蔽開口內(nèi)部場強(qiáng)分布(外部場強(qiáng)設(shè)定為0.02T)

圖15 磁屏蔽封口磁場分布圖

圖16 磁屏蔽封口內(nèi)部場強(qiáng)分布

5.3 仿真結(jié)果說明

經(jīng)過仿真，產(chǎn)品經(jīng)鍍鎳、采用CO-Netic AA材料屏蔽后仿真結(jié)果如表2所示。

表2 產(chǎn)品仿真屏蔽結(jié)果

從上表可見，電氣控制裝置周圍磁場為0.02T，通過鍍鎳屏蔽方式，磁場降低至0.013T～0.01T，磁場屏蔽后稍有降低；通過使用CO-Netic AA材料屏蔽后，連接器出口不進(jìn)行屏蔽，磁場降低至0.001T～0.0002T；使用CO-Netic材料屏蔽連接器出口后，磁場降低至0.00008T～0.00001T；可見，使用CO-Netic材料屏蔽具有良好的效果。

6 結(jié)論

電磁線圈炮發(fā)射制導(dǎo)彈丸是當(dāng)前國內(nèi)研究的電磁炮熱點(diǎn)之一。針對制導(dǎo)組件中電氣控制裝置中元器件不能承受過強(qiáng)磁場的問題，采用MAXWELL軟件對鍍鎳及CO-Netic材料屏蔽后的屏蔽效果進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：

鍍鎳層對產(chǎn)品磁場的降低效果不大，采用CO-Netic材料屏蔽能夠有效降低產(chǎn)品內(nèi)部的磁場強(qiáng)度，通過對連接器出口進(jìn)行加強(qiáng)屏蔽后，產(chǎn)品內(nèi)部連接器出口處磁場降低至800μT左右，該磁場強(qiáng)度與日常電磁環(huán)境相差不大；連接器開孔處屏蔽效果達(dá)48dB，內(nèi)部屏蔽效果達(dá)68dB。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，將磁敏感元器件遠(yuǎn)離連接器安裝孔，通過對電氣控制裝置進(jìn)行雙層屏蔽的方式，達(dá)到進(jìn)一步降低電氣控制裝置內(nèi)部磁場的目的。滿足產(chǎn)品工作需要。同時(shí)，該研究對其他電磁炮發(fā)射制導(dǎo)彈丸的制導(dǎo)組件具有參考意義。