双层磁性材料屏蔽效能研究

熊鹏俊，周 畅，王晓川

双层磁性材料屏蔽效能研究

熊鹏俊1，周 畅2，王晓川3

（1. 海军驻武汉第三军代表室，武汉 430064；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064；3. 华中科技大学光学与电子信息学院）

为更有效消除船上敏感设备受到的低频电磁干扰，研究了双层屏蔽结构的屏蔽效能。利用CST有限元计算软件，建立强电电缆计算模型，对不同层间距情况下双层磁性屏蔽结构屏蔽效能进行仿真计算。对比分析表明，在屏蔽材料总厚度一定的情况下，双层磁性屏蔽结构屏蔽效能随外部屏蔽层直径的增大而增大；当屏蔽材料总厚度及外部屏蔽层直径一定时，屏蔽效能随内部屏蔽层直径的增大，屏蔽效能先增大，后降低，最高差距可达27 dB。

电磁兼容 双层磁屏蔽 优化

0 引言

现代舰艇作为综合性作战平台，集成了声纳、通信等大量敏感信号类设备，为保证这些低频敏感信号类设备正常工作，需要有效控制和消除其附近空间中的低频电磁干扰。低频电磁干扰主要以磁场耦合为主。降低低频磁场耦合的方法较多，总体上采取合理的电缆分类敷设措施、对关键设备进行区域性布置确能取得一定的效果[1-2]，但是舰艇内部空间极为宝贵，有限的空间无法完全按照磁场防护标准进行电缆和设备布置。因此采用屏蔽材料对关键部位进行磁屏蔽成为电磁兼容设计师的必然选择[3-6]。

由于低频磁场对于一般铜、银等非磁性、低磁性材料具有较强的穿透能力，因此低频电磁干扰抑制较为困难。主流的电磁干扰抑制手段为在强电设备或电缆外加装磁性屏蔽材料，对于磁性屏蔽材料的制造、安装工艺等相关技术研究较多，并取得一定的成果[7-12]。但是考虑加工及安装难度，单层屏蔽材料厚度不宜过厚，屏蔽效能有限，为抑制空间低频磁场干扰，往往需要使用双层屏蔽结构。但是双层屏蔽结构相对复杂，影响因素较多，尤其是对交流状态下双层屏蔽结构效能分析的研究报道相对较少[13-14]。本课题对双层屏蔽结构效能开展了研究。

1 仿真模型及机理分析

为有效模拟双层磁性屏蔽结构的屏蔽效能，本文基于CST EM静磁仿真模块建立仿真双层屏蔽电缆模型如图1所示。

图1 双层屏蔽电缆CST EM模型

双层磁性屏蔽结构内屏蔽层外径为1，厚度为1，外部屏蔽层外径为2，厚度为2，内外磁屏蔽材料磁导率均为，假设屏蔽区域无屏蔽层时磁场强度为0，加装磁性屏蔽结构后磁场强度为1，则磁屏蔽效能满足

其中磁屏蔽效能可根据经验公式获得，其中双层圆柱型磁性屏蔽结构屏蔽效能经验公示如下：

经验公式可以使设计人员快速对磁性屏蔽结构的屏蔽效能进行估算。但是磁性屏蔽效能受屏蔽层结构、外部边界条件、材料自身非线性等各种因素影响较大，经验公式无法对复杂情况进行精确计算，利用CST有限元计算软件对模型进行参数化建模和仿真计算，可以对复杂模型进行定量分析，确保计算快速，结果准确。

2 电缆磁场三维仿真及分析

按图1设置三维仿真模型参数，其中设定内屏蔽层外径为R，厚度为T，外部屏蔽层外径为R，电缆长度=5 m，电缆信号强度为0.001 A-1 A，频率为100×103Hz，发射电缆边界条件设置如图2所示。

图2 双层屏蔽电缆CST EM边界条件设置

考虑到双层屏蔽电缆周围磁场分布的特异性，分别在电缆周围均匀选取9个磁场强度监测点，其位置如下图所示：

图3 磁场强度监测点分布图

图3中L=2.5 m，L=1.2 m，L=60 mm，L=80 mm，L=100 mm。首先计算无屏蔽层时，各个监测点屏蔽磁场强度，然后计算加载屏蔽层后各个监测点屏蔽磁场强度，根据式（1）即可换算得到屏蔽层的屏蔽效能。

固定内屏蔽层外径为R=6 mm，外屏蔽层外径R变化范围从10 mm-26 mm，完成仿真计算，双层屏蔽结构磁性屏蔽效能与外屏蔽层外径R的关系图如下；

图4 磁场强度及屏蔽效能与外部屏蔽层外径关系图

由上图可以发现，随着外屏蔽层外径2的增大，各磁场强度监测点磁场强度不断降低，这说明在内外磁屏蔽层厚度，内屏蔽层外径等其它各项参数一定的情况下，外屏蔽层外径越大，双层屏蔽结构的磁性屏蔽效能越强。其原因在于，内外屏蔽层之间间隙增加，双层屏蔽结构形成的低磁阻通路范围增大，可以将内部强电电缆发射的低频磁场更加有效的禁锢于屏蔽结构内部。同时，随着外部屏蔽层外径增大，屏蔽效能增强的趋势变缓，这说明屏蔽层外径增加到一定程度后，其带来的屏蔽效能增益会慢慢降低。

考虑到磁屏蔽结构的尺寸、成本及施工难度，双层磁屏蔽结构外屏蔽层外径并非越大越好，可以根据具体情况具体选择。

固定外屏蔽层外径为2=26 mm，内屏蔽层外径1变化范围从6 mm-25 mm，完成仿真计算。双层屏蔽结构磁性屏蔽效能与内屏蔽层外径R的关系图如下；

图5 磁场强度及屏蔽效能与内部屏蔽层外径关系图

由图5可知，随着内屏蔽层外径R的增大，双层屏蔽结构的磁性屏蔽效能先增大，这是因为，当内屏蔽层外径较小时，内屏蔽层距离强电电缆较近，其形成的低磁阻通路范围较小，屏蔽效能较弱。随着内屏蔽层外径R的进一步增大，双层屏蔽结构磁性屏蔽效能开始降低，这是由于内屏蔽层外径R增大到一定程度后，内、外屏蔽层之间的间距降低，双层屏蔽层整体磁通路减少，导致屏蔽结构整体磁性屏蔽效能降低、

以上分析可知，当双层磁屏蔽结构外屏蔽层外径一定时，内屏蔽层外径存在最优值。可以根据仿真计算结果进行优化设计，在不改变双层屏蔽结构整体厚度的情况下，确保其具有最优的屏蔽效果。

综上所述，CST EM仿真计算可以快速精确得到计算结果。同单层屏蔽层相比，双层屏蔽层屏蔽效能明显更高。此外，双层屏蔽层内、外层直径的选择对于屏蔽层整体的屏蔽效能有较大的影响。

3 结论

本文基于CST仿真软件，建立了双层磁性屏蔽材料模型，引入强电电缆，对双层磁性屏蔽材料在电缆周围不同位置的磁场屏蔽效能进行综合分析。研究结果表明，对于100 kHz的典型频率点，屏蔽材料厚度一定的情况下，双层磁性屏蔽材料的屏蔽效能随外部屏蔽层的外径增加而增大；而在外部屏蔽层外径保持一定的情况下，屏蔽效能随着内部屏蔽层外径的增加，先增大后减小，最大差距可达27 dB。由此可见，在保持双层磁性屏蔽结构整体尺寸的前提下，通过优化设计，可以有效的指导屏蔽结构设计，提高屏蔽结构的整体屏蔽效能。电缆屏蔽层是电缆电磁兼容设计的关键所在，基于CST设计软件对电缆屏蔽结构进行三维建模和整体仿真计算，可以快速、准确完成复杂屏蔽结构优化设计，有效增强舰船关键电缆电磁防护水平，提高设计效率。

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The Research on the Shielding Effectiveness of the Double-layer Magnetic Material

Xiong Pengjun1, Zhou Chang2, Wang Xiaochuan3

(1. The Third Naval Military Representativ Office in Wuhan, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; 3. School of Optics and Electonic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430072, China)

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O482.54

A

1003-4862（2019）09-0006-04

2019-05-14

国防科工局JSCG2016110B006

熊鹏俊（1986-），男，高级工程师。研究方向：船机电、电磁兼容设计与研究。E-mail: rabbite6@126.com