电气电子设备结构设计方法探究

洪竹伟

(中国船舶重工集团公司第726研究所，上海 200237)



电气电子设备结构设计方法探究

洪竹伟

(中国船舶重工集团公司第726研究所，上海 200237)

电气电子设备的运用涵盖了工业、国防、科研、民用、公用工程等领域，目前对电气电子设备的功能、运转可靠性、安全性、维护性等方面提出了更高的要求，而电气电子结构设计的质量直接关系到设备对这些要求的可实现性。介绍了电气电子设备结构设计的现状，重点对电气电子设备结构的设计内容及设计要点进行了阐述。

电气电子设备；结构设计；设计要点；可靠性

电气电子设备结构设计质量的高低，对设备的各种性能和功能的实现起着重要的作用。电气电子设备结构设计方法探究的作用就是把设计的主要内容、要点以及需要掌握相关学科的知识点进行总结和归纳，其目的就是使设计人员能够掌握行之有效的设计方法，在整个产品设计中，能够符合产品的技术条件和要求，并且使产品具有较高的可靠性、实用性、可操作性、经济性、可维护性、竞争性等。

目前，电气电子设备的结构设计还跟不上技术的发展与需求，特别是新技术、新材料、新器件、新工艺的问世，给电气电子设备结构设计注入了新的设计内容。目前仅以电性能评价电气电子设备的技术指标，而忽视结构设计重要性的观念将受到挑战，结构设计方法也需要变革和创新。

1 电气电子设备结构设计的内容、方法和要点

1.1 结构设计的总体规划

为了使电气电子设备符合技术条件和使用环境，需要对其进行总体规划，重点是对零部件结构的设计和总体布局，主要有以下5个方面：

(1) 确定设备的外观造型、结构材料，加工工艺，装配工艺和安装方式。

(2) 确定设备控制、调节、传递信号的方式及操作所需的执行装置。

(3) 确定设备的环境保护措施，包括对整机、分机、模块、元器件的温升控制，设备的减震措施、防腐措施、使用安全性措施等。

(4) 确定设备的结构尺寸和内部分机、模块、元器件之间的连接关系及形式。

(5) 在设计中必须尽量减少特殊零部件的数量，尽可能采用标准化、规格化的零部件和尺寸系列。

1.2 热设计

把设备的元器件、组件、模块、分机以及整机的温升控制在允许的范围之内是热设计的主要目的。热设计首先要正确地确定元器件的失效温度，把最高允许温度和最大功耗作为主要设计参数。热设计是在热源至热沉之间提供一条低热阻通道，保证热量迅速传递出去，以满足可靠性要求[1]。 热设计的要点及原则具体如下：

(1) 保证热控系统具有良好的冷却功能，电子器件均能在更多的热环境中正常工作。

(2) 保证热控系统具有可靠性，在使用期限內，冷却系统出现的故障率要比器件出现的故障率低。

(3) 保证热控系统具有良好的适应性就必须留有余量，以满足各种增加散热能力和要求。

(4) 保证热控系统具有良好的维修性，方便维护人员进行维护，测试更换器件。

确定冷却方案要充分考虑设备的使用环境、使用条件以及其他特殊要求等多种因素。常用的冷却方法有：自然冷却、强迫空气冷却、液体冷却、蒸发冷却等。这些方法可以单独使用，也可以组合起来使用。在冷却方法确定后，要正确布置发热元件与热敏元件的位置及距离，必要时可以选择使用一些导热材料，保证气流均匀流过发热元器件，形成合理的气流通路[2]。

1.3 振动和冲击隔离

处于运载中使用或运输过程中的设备，元器件承受机械环境能力较弱，振动导致元器件或材料疲劳损坏，而冲击由于瞬时加速度很大造成元器件损坏。除了保证设备自身的强度和刚度外，采用减震器进行隔离成为弱振动和冲击对设备干扰的主要措施[3]。选用减震器的主要原则：不仅要考虑总重量，还应考虑各支撑部位的重力大小，要确定每个减震器的实际承载量，使设备安装减震器后，其安装平面与基础平行；减震器的总刚度应满足隔振系数的要求；各支撑部位的减震器刚度应对称于系统的惯性主轴；减震器的总阻尼既要满足系统通过共振区时对振幅的要求，也要考虑隔振区隔振效率；无特殊要求尽量选用标准产品。

1.4 电磁屏蔽与接地

现代设备中信号传输及处理系统的自动化，要求电子线路、设备、系统相互不影响。

电屏蔽设计要点如下：

(1) 屏蔽体必须良好接地；

(2) 正确选择接地点；

(3) 合理设计屏蔽体形状；

(4) 合理选择屏材料。

磁屏蔽设计要点如下：

(1) 磁屏蔽壳体应采用高磁导率的铁磁材料；

(2) 屏蔽效能随着材料厚度的增加而增加，随着屏蔽体内空间的增大而减小；

(3) 多层屏蔽能显著提高屏蔽效果；

(4) 要尽量减小屏蔽体上接缝与孔洞处的磁阻；

(5) 必须注意所用的铁磁材料的特性。

电磁兼容设计要使设备壳体有良好的接地，既能起到电磁屏蔽作用又能起到静电屏蔽作用，壳体尽量减小孔的面积，选用屏蔽效能好的孔形，合理布置孔的位置和分布，对于通风孔可采用屏蔽效能高的蜂窝状通风窗等方法来进行屏蔽[4]。屏蔽体上的永久性接缝最好采用焊接工艺如熔焊、钎焊、点焊等。对非永久性接缝可采用增加缝隙深度、减小缝隙长度、缩短螺钉间距，以及在缝隙处涂上导电涂料和填隙料等方法来进行屏蔽。搭接可以使设备减小电磁干扰，搭接条最好采用导电性能好的扁平薄板制造，连接方法有：铆接、熔接、钎焊、螺栓联接等。接地是为了防止设备外壳带电或遭雷击，因此在结构设计时，必须在机壳上设置接地端子。

1.5 防腐蚀设计

根据设备所处环境条件，采取相应的保护措施，避免性能显著下降和各种损坏。防腐蚀保护措施应在设计阶段确定，要根据主要腐蚀因素的种类，作用强度的大小和影响因素，来选择正确、有效、经济的防腐蚀保护措施。

常用的防止腐蚀损坏方法有如以下5种：

(1) 根据使用条件和环境选择合适的耐腐蚀材料；

(2) 削弱或减弱产生腐蚀的各种因素；

(3) 采用金属镀覆、化学覆盖、表面涂层等方法进行耐腐蚀性处理；

(4) 采用能减弱腐蚀程度的结构形式；

(5) 采用阴极或阳极电化学保护措施；

这些方法可以单独使用，也可以组合起来使用。

1.6 人机工程学应用

在满足性能指标的同时，设计出操作方便、灵活、安全、外形美观，符合人的生理和心理特点的结构与外形，提高人机系统的效能和可靠性。这需要充分了解人体特征，如视觉、听觉、触觉以及工作环境因素对人体的影响及安全要求，面板设计通常涉及到仪器、仪表、控制器、显示器、键盘、按钮开关等器件位置的确定和分组排列，要合理布局，做到整齐美观，便于观察和操作。面板的色彩及文字符号需要符合有关规定和标准。同时。必须考虑便于迅速寻找和确定故障部位，元件拆卸方便，考虑保护安装维护人员的安全措施，设置必要的安装维护出入孔和观察窗口。

1.7 可靠性设计

可靠性是衡量产品质量极其重要的指标，设备必须满足可靠性试验指标及使用要求 ，以确认设计的正确性及可靠性。对于可维护的产品，在规定的时间内要求无故障工作时间长，而出现故障时，应能迅速排除，恢复正常。设备中存在着的固定的、半固定的、活动的电气接点，这些接点的接触可靠性对整体或系统的可靠性有很大的影响，必须正确地选择连接工艺和方法，如钎焊、压接、熔接等。

2 结语

电气电子设备结构设计内容和方法随着科学技术的发展而不断地扩展和更新，要应用到多门基础学科，知识点多而散，设计人员既要加深理论基础、工程意识，又要反映科学发展动向，因此全面掌握各相关学科的有关理论知识，了解新技术的发展趋势，对确定产品的设计方案，提高产品的设计质量有着很大的帮助。

[1] 王健石.电子机械工程设计手册[M]. 北京:中国标准出版社, 2006.

[2] 邱成悌.电子设备结构设计原理[M].南京:东南大学出版社,2002.

[3] 高攸纲.屏蔽与接地[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.

[4] 颜声远, 许彧青.人机工程与产品设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社, 2003.

(本文编辑：赵艳粉)

Structure Design Methods for Electrical and Electronic Equipment

HONG Zhu-wei

(No. 726 Research Institute，China Shipbuilding Corporation, Shanghai 200237, China)

Electrical and electronic equipments have been applied in various fields, such as industry, national defense, scientific research, civil engineering, utilities and so on. Presently, higher demand for electrical and electronic equipments has been posed in terms of the performance, operation reliability, safety, maintainability, etc, but the realizability of the above requirements is directly related to the structural design quality. This paper introduces the present situation of electrical and electronic equipment structure design, with a focus on the design content and highlights.

electrical and electronic equipment; structure design; design highlights; reliability

10.11973/dlyny201605030

洪竹伟(1958)，男，高级工程师，从事电子设备结构设计工作。

TM65

B

2095-1256(2016)05-0659-03

2016-05-20