艦船設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，由于電力電子開關器件在功能、效率、體積重量等方面具有無可比擬的優勢，艦載機電設備的功率越來越大，使得艦船上低頻電磁環境愈發復雜，低頻電磁干擾對整個電力系統、輸配電設備、監控設備、通信設備、等敏感設備的影響越來越大［1～2］。且由于艦載大功率機電設備工況多、頻率范圍廣，且艦船上環境較為復雜，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。

目前國內外艦船低頻磁場仿真建模領域發展較為緩慢，大量研究集中于射頻微波領域。隨著艦船上大功率機電設備的應用，對艦船設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，得到典型設備的低頻磁場分布特性。隨后利用多介質模型［6］仿真模擬設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，利用測試數據對仿真結果進行試驗驗證。

2 典型電機特性分析

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

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

根據基本的電路理論，為了計算分析簡便，可將轉子永磁體磁鏈ψm等效為由轉子電流im通過轉子繞組電感Lm產生，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子產生恒定的電磁場，當定子上通以三相對稱的正弦交流電時，則產生旋轉的磁場，定、轉子磁場相互作用產生電磁轉矩，推動轉子旋轉。根據機電能量轉換公式，同步電機的電磁轉矩為

其中，Te為電機的電磁轉矩，p為電機的極對數。

而對于機械運動方程，對所有電機來說都有

其中，TL為電機負載轉矩，J為電機轉動慣量，ωn為轉子角速度。

其他不同相數的永磁同步電機的數學模型與上述類似。

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，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 多介質傳播建模仿真

由于艦船結構及環境特殊，低頻電磁干擾的傳播、耦合機理復雜，特別是空氣、殼體、海水等多層介質產生的多徑效應，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］，建立海水環境下的多介質仿真簡化模型，對低頻電磁干擾空間傳播特性進行建模分析。

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

圖2 三層介質簡化模型

圖3 等效磁場源在殼體上的磁場分布仿真結果

在仿真軟件中建立圓柱殼體三維結構模型模擬船體外殼，為減輕計算壓力，去除了殼體內部的加強筋、設備等結構。為了簡化仿真計算，同時也因為電機內部結構與電機低頻磁場在外部空間中的傳播特性關系不大，因此在仿真中利用上一節中得到的電機磁場特性，以等效線圈模擬電機，作為仿真系統的低頻磁場源。將低頻磁場源放置于圓柱殼體內部右側，得到磁場在殼體上的分布仿真結果如圖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，建立低頻磁場高精度測試系統，測試電機空間磁場分布情況，與仿真計算結果對比，驗證仿真模型的準確性。

4.1 低頻磁場高精度測試系統

測試系統結構框圖如圖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濾波，能濾除地磁背景噪聲。數據采集模塊采用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、數據存儲、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 測試系統結構框圖

4.2 電機低頻磁場分布測試結果

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制信號，三軸分量中以Y軸磁感應強度最大；頻譜上呈現為大量干擾信號頻譜，最強干擾頻率為60Hz，磁感應強度大約為10uT。

圖6 測試結果

在仿真模型中，設置干擾源頻率為60Hz，仿真計算干擾源不同距離處的磁感應強度；在測試結果中選取60Hz頻點，測試結果與仿真結果對比如圖7所示。可以看到，仿真結果與測試結果最大誤差不超過5dB。

圖7 仿真與測試結果對比

5 結語

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了典型電機建模。利用多介質簡化模型，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，對電機低頻磁場進行了測試。結果表明，測試結果與仿真結果的誤差小于5dB，驗證了仿真手段的有效性。