仿真软件在电磁兼容课程教学中的应用

夏能弘　郭杰　田孟林

摘要：电磁兼容原理及技术是一门理论性和实践性均较强的课程。对学生而言，单纯的理论学习艰涩难懂且枯燥乏味，有必要通过实践来获得感性认识，从而加深对理论的理解。本文首先介绍了电磁兼容课程的特点，然后分析了开展实践的难点，进而提出了将电磁仿真软件应用到教学实践中去，最后通过实例介绍了Ansys Maxwell在电磁兼容课程中的应用，此方法效果显著。

关键词：电磁兼容（EMC）；电磁仿真软件；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）04-0187-02

随着各种电子设备和电力电子技术在工业、交通、国防及日常生活中的广泛应用，电磁干扰和电磁兼容（EMC）已成为现代电气工程设计中必须考虑的问题。大量电气、电子设备和线路的集中，形成了复杂的电磁环境，包含敏感电子器件的设备容易受到外部电磁干扰的影响，出现运行紊乱、计算差错、检测失误等现象而无法正常工作，严重时还会损坏设备、危及人员安全。为了维持电子、电气设备在电磁环境中的共存和工作上相互兼容，电磁兼容学科应运而生。

作为一门迅速发展的交叉学科，它涉及的基础学科广，又与实际工程联系紧密，理论性和实践性均较强，因此在高校电类专业中开设“电磁兼容”这门课程是十分必要的。传统的教学方式，仅通过教师的讲授和学生的理论学习，容易使学生丧失学习热情，而开展电磁兼容实践所需的硬件环境又很高。在学校实验条件不足的情况下，针对以上问题，笔者结合自己多年的教学以及科研经验，提出利用电磁仿真软件进行辅助教学，加深学生对电磁兼容技术在实际工程中应用的理解，为学生将来从事电气工程方面的工作打下坚实的基础。

一、电磁兼容课程的特点

如前所述，电磁兼容是一门新型的交叉学科，学习电磁兼容所需的前修课程繁多，且学生并不具备工程经验基础，较难将所学的不同门类课程和理论知识进行衔接、过渡，更难以应用，这些都使得电磁兼容原理与技术具有与众不同的特点。

1.电磁兼容课程的原理部分涉及较多的数学、物理概念。教学中，许多结论必须通过数学推导和物理分析才能得出，难度较大。

2.电磁兼容课程的实践部分需要一定的工程实践经验和较好的实验动手能力。

电磁兼容技术与实际应用有着非常密切的联系，而且它本身就是一门在实践中发展起来的学科，课程的理论学习需要在实践中理解和掌握。

二、仿真实验引入课堂

正是基于上述特点，根据教学进度适当引入一些与生活中常见的电磁现象密切相关的案例实验，对学生学习兴趣的提升和加深理论理解有显著帮助。然而，诸多客观因素使课程实验很难在一般高校中开展。

1.实验条件要求高。电磁兼容类实验对实验环境要求较高，普通实验室里各种电气电子设备在正常和异常运行状态下都会产生或出现各种电磁干扰，往往会影响实验结果的准确性。这就需要一个全屏蔽的空间，起到内外电磁场相互隔离的作用，即提供一个纯粹的电磁环境，便于对设备开展各种电磁场分析和研究而不受到外界的影响。再者，实验所需的仪器设备通常较为昂贵，由于经费有限，如此苛刻的硬件条件是目前大部分高校都较难满足的。

2.专业经验要求高。实验方案的设计需要具备丰富的工程实践经验，这对学生而言显然是不能完成的任务。即使教师设计好了实验方案，仪器设备的操作也需要较高的专业技能。操作不当极易对设备造成损坏，甚至可能威胁到学生的人身安全。

理论教学缺乏实感，实验教学又难以开展，面对此矛盾，虚拟仿真实验为解决问题提供了可能。仿真软件将电磁理论与数值方法结合起来，能够方便、快捷地进行数值实验，使问题形象化，可操作性较强。目前电磁仿真已经成功地应用于电磁性能预测、设计的多个方面。在理解待分析的问题、合理设置仿真模型和求解参数的前提下，仿真可以完全代替测试，在电磁兼容教学中引入仿真实验，具有多方面的优势：第一，可以方便灵活地调整几何结构、材料属性、放置位置等关键参数，并且可以针对某一环节进行单独的分析；第二，可以根据教学的要求分析任意部件，得到系统的任意电磁特性，提供了比测试更丰富的信息；第三，在虚拟环境下，得到结果都是理想的，有助于排除干扰。

三、案例分析

电磁兼容技术中，屏蔽技术是抑制电磁干扰的三大途径之一，因此也是电磁兼容教学中的重点内容，有必要在此处设置实验。

1.实验的理论分析。屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或削弱电磁能传输的一种技术，屏蔽材料一般选用金属导体或其他对电磁波有抑制作用的材料。屏蔽体的性能可用其屏蔽效能来定量评估。屏蔽效能定义为空间某点上未加屏蔽时的电场强度（或磁场强度）与安装屏蔽后该点的电场强度（或磁场强度）的比值，一般用分贝表示：

通常情况下，屏蔽效能的大小与屏蔽体的结构和材料关系紧密。在磁场屏蔽中，利用良导体在入射磁场作用下产生涡流电流，并由涡流电流的反磁抑制入射磁场。此外，对于铁磁性物质，其产生的磁化电流也会对磁场起到抑制作用。

2.实验的设计。为了研究不同屏蔽材料对磁场屏蔽效能的影响，采用当前主流的电磁场有限元分析软件ANSOFT MAXWELL进行建模分析，模型如图1所示。一根铜质导线载有100A、50Hz交流电流，传输线上方0.3m处置有一块长2m、宽1m、厚0.002m的金属薄板，对载流导线产生的磁场起到屏蔽作用。在金属板上方取一条平行于x轴的观测线，仿真时其他参数保持不变，金属板先后采用铝、铁、铜三种材料来测试它们对磁场屏蔽效能的差异。

3.仿真结果。屏蔽效能仿真测试结果如图2所示，可以看出铁板的屏蔽效果明显优于铝板和铜板，与理论分析相符合，所以在进行磁屏蔽设计时要尽量选用铁磁性材料，如钢、工业纯铁或高磁导率铁镍合金等。

四、结语

针对电磁屏蔽的仿真实验，书本上的理论知识得到了直观、有效地验证，学生可以深入理解屏蔽的效用和评估方法。在实验过程中学习了常用电磁仿真软件的简单应用，并能初步运用数值方法分析电磁工程问题。教学中根据教学进度合理安排仿真实驗，大大降低了实验成本，扩大了学生的参与规模。通过理论与实践结合，避免了纯理论灌输的枯燥乏味，使电磁兼容课程的教学效果得到明显提升。

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