某微纳卫星电气控制装置抗强磁场干扰的设计

张中前，朱 宁

(贵州航天电器股份有限公司,贵州贵阳，550009)

1 引言

某空间在轨电磁炮发射微纳卫星项目为：将电磁线圈炮平台发射后在轨运行；需要时，使用电磁线圈炮对带有制导功能的微纳卫星进行发射，实现对来袭导弹、在轨卫星的摧毁。发射时，处于电磁线圈炮有效载荷中的电子元器件在膛内发射过程将承受高的加速度，电磁炮内的脉冲强磁场，出炮口瞬间磁通突变感应产生的强电场等。其中，电磁炮特有的脉冲强磁场是电子元器件受到的最主要电磁干扰，脉冲强磁场的高磁通密度对智能弹药的磁敏感探测元件及用于弹道修正控制的电机等部件具有较大危害，而其在出炮口瞬间感应产生的强电场则对绝大多数电子元件都可能会产生致命的破坏。目前，只有美国进行了使用电磁炮发射制导弹丸的试验，国内微纳卫星采用电磁炮发射项目为样机研制阶段，为跟进美国NASA进行研究。

电气控制装置为供配电产品，通常其所选主要元器件为电磁继电器、固态继电器及DC-DC模块等，由于是空间在轨运行，需要承受耐辐照指标及电磁线圈炮的加速度过载，故选择器件时，电磁继电器承受不了线圈炮的加速过载，光电型的固态继电器因空间辐照位移效应，也避免选择；故为满足该环境要求，选择使用变压器耦合的固态继电器作为供电控制继电器，电源变换模块选用具有抗辐照指标的DC-DC模块进行转换；这两种器件均含有变压器，对强磁场的干扰敏感。

综上可见，产品最重要设计为抗低频磁场的设计。本文主要解决的问题为：电气控制装置的低频强磁场的屏蔽。

2 电气控制装置磁场环境分析

2.1 电磁线圈炮介绍

电磁线圈炮由固定线圈和弹丸线圈组成，是利用两个同轴线圈间的互感梯度而引起电磁力的，如图1所示。

图1 电磁线圈炮原理图

线圈相当于炮管，通电后会形成运动磁场，并在弹丸线圈中产生感应电流，线圈炮就是利用磁场和感应电流相互作用的电磁力加速弹丸线圈而使得炮弹高速射出。

某空间电磁线圈炮采用圆柱形弹丸形式进行发射，弹丸前端开口，安装制导弹丸的光学探测器等，如图2所示。

图2 弹丸外形三维示意图

2.2 电磁线圈炮磁场分析

电磁线圈炮线圈等效于螺线管，对电磁线圈炮炮管等效如图3所示。

图3 载流直螺线管等效示意图

线圈长度为L，半径为R，单位长度上线圈匝数为n，通过的电流为I，则线圈炮内轴线上任意一点P的磁感应强度为：

(1)

式中，R为圆形线圈半径， 为真空磁导率，x为轴线上中心点到P点的距离。

螺线管线圈在密绕时，每匝线圈相当于一个圆形电源，假设单位长度上有n匝线圈，在螺线管上任意取长度dl，则这段有线圈ndl匝，其电流强度为dI=nIdl，根据上式(1)，P点磁感应强度为：

(2)

式中，l为P点距离dl处的距离。故P点的磁场强度为对公式(2)的积分。根据图3，对长度为L的螺线管，可知：R=rsinβ，l=rctgβ，从而有：

dl=IRcsc2βdβ

R2+I2=R2csc2β

故

(3)

即：

(4)

当L远大于R时，cosβ2→1，cosβ1→0，此时有：

B≈μ0nI

(5)

根据参考文献[6]，当线圈长度L远大于其半径R时，可认为线圈内部电场在dl长度内为均匀磁场。弹丸直径较线圈直径小，因此可通过使用线圈内中线的磁场近似产品内部磁场。根据电气控制装置研制任务书输入，电磁线圈炮膛内磁场高达41T，经过炮弹外层桶形屏蔽层后，如图4所示，电气控制装置所承受磁场为200Gs，如图5所示。该磁场足以使电磁继电器失效，DC-DC模块的变压器性能降低甚至失效。故此，在对电气控制装置设计时，需对其进行屏蔽设计。

图4 电气控制装置安装示意

图5 弹丸所在磁场环境分析

3 磁屏蔽机理分析

3.1 恒定磁场屏蔽原理

恒定磁场屏蔽是利用高导磁材料(如铁、硅钢片、坡莫合金等)构成低磁阻通路，即屏蔽外壳与空气介质组成并联磁路，从而减少屏蔽体内部磁场强度，达到屏蔽的目的。如图6所示。由于空气或真空环境相对磁导率接近1，二屏蔽外壳相对磁导率大，故空气或真空介质的磁阻R0比屏蔽外壳磁阻Rm大，干扰磁场的磁通密度线大部分沿屏蔽壳体通过，屏蔽体外部磁通量少，达到屏蔽恒定磁场的目的。

图6 静磁屏蔽原理示意图

3.2 交变磁场屏蔽原理

交变磁场屏蔽采用低电阻率导体，根据楞次定律，利用电磁感应现象在屏蔽体表面产生的涡流的反向磁场来达到屏蔽的目的，即利用了涡流反向磁场对原骚扰磁场的排斥作用，抑制或抵消屏蔽体外的磁场。涡流电流的大小直接影响屏蔽的效果。同时，对交变磁场，电磁波在进入屏蔽体材料界面处发生发射，减少进入产品内部电磁波，达到屏蔽目的。

3.3 电气控制装置屏蔽机理分析

根据上述对屏蔽原理的分析，电气控制装置的屏蔽机理主要为：

a)磁路原理屏蔽；

b)吸收损耗

c)反射损耗；

磁路原理与低频电路中电阻并联分析相似，不再进行分析。下面分别从吸收损耗、反射损耗两个个方面分析电气控制装置的屏蔽原理。

3.3.1吸收损耗分析

a)低频吸收损耗分析

参照参考文献[7]，当磁场变化频率较低，其频率不足以导致趋肤效应，此时，涡流在金属屏蔽薄壳上产生的单位质量功耗为：

(6)

式中：

k为常数，对金属板等于1，对电线等于2；P为单位质量的功耗(W/kg)；Bp为磁场峰值(T)；d为金属薄板的厚度或电线的直径(m)；f为磁场改变的频率；ρ为电阻率(Ωm)；D为材料密度(kg/m3)。

由式(7)可见，在外界磁场一定时，选用高磁导率的材料提高材料的磁通峰值Bp，增加屏蔽体金属薄板厚度，可有效提高产品的低频吸收损耗。

b)高频吸收损耗分析

当磁场变化频率较高时，透射入金属屏蔽材料内的电磁波在屏蔽材料内继续传播，电磁波在金属屏蔽层上产生涡流，其场量振幅按指数规律损耗，即通常所说趋肤效应(具体参见参考文献8)。其衰减规律如下：

E=E0e-αxe-jβx

(7)

该损耗反映了屏蔽材料对透射如的电磁能量的吸收，其吸收损耗为：

(8)

从以上式(7)及式(9)可见，为得到较好的屏蔽效果，对低频电磁波的屏蔽，主要考虑选用高磁导率的材料进行屏蔽；对高频电磁波，由于磁导率 随频率增加而减少，可见选用相对电导率 大的金属材料进行高频磁场的屏蔽。

3.3.2反射损耗分析

根据电磁波理论，当电磁波从空气或真空到屏蔽材料上时，阻抗发生变化从而产生反射，此时反射系数为：

(9)

根据反射系数，由此可推导电磁波的反射损耗R为：

(10)

上述式中，Zw为入射电磁波阻抗，Zs为屏蔽材料界面阻抗。

对远场电磁波，|Zw|=120π≈377Ω，故对远场波经良导体的反射衰减为：

(11)

对近场电场波阻抗，|Zw|=1/2πfε0r，故对近场电场波经良导体的发射衰减为：

(12)

对近场磁场波阻抗，|Zw|=2πfμ0r，故对近场电场波经良导体的发射衰减为：

(13)

由上式(11)、式(12)及式(13)可见，为提高产品的反射损耗，对远场电磁波及近场电场波，选用相对电导率大、相对磁导率小的金属材料进行屏蔽，如银、铜等；对近场磁场，使用相对电导率大，相对磁导率大的材料进行屏蔽，可提高其损耗系数。可见低频磁场的屏蔽与静磁场屏蔽方式相同。

3.4 电气控制装置屏蔽效能的评估

为了验证电气控制装置的屏蔽效果，对电气控制装置的磁场屏蔽定义为：在无屏蔽与存在屏蔽情况下，给定位置处的磁通密度绝对值之比，由分贝(dB)表示。因此定义屏蔽后考察点的磁场屏蔽效能SE定义为：

其中，BW0与BW分别为屏蔽前后考察点的磁通密度峰值。

5 电气控制装置屏蔽方案设计

根据产品的结构形式，对产品的仿真结构件进行了简化，即将产品的厚度设计为1mm，采用铝合金2A12-T4进行加工制造，产品结构外形如图7所示。

图7 电气控制装置三维示意图

图中，开口处为连接器安装孔。根据电气控制装置所处环境为低频强磁场，其内部元器件主要对磁场敏感，故在对电气控制装置屏蔽处理时，主要考虑对低频磁场的屏蔽。根据上一节对低频磁场的屏蔽机理分析可见，对低频磁场进行屏蔽，需要选择导磁率高的材料作为屏蔽材料，导磁率较高材料比如镍、铁氧体、低碳钢、硅钢等，这些材料密度大，为此，结合产品的常用工艺及装配方便，采用镀镍及其使用高磁导率的合金材料两种方案对产品进行设计：

a)镀镍

由于镍为磁的良导体，通过对产品铝合金外壳进行镀镍，镍层厚度20μm，考擦镀镍后产品的磁屏蔽效果。

b)使用高导磁率的合金箔材进行屏蔽

选择CO-Netic AA型导磁箔片作为屏蔽材料，该箔片磁导率大，磁饱和能力达8000高斯，具有良好的导磁能力。且制成0.1mm的箔片后，易于弯折成形，且通过热处理，无需进行二次热处理，简便易用。产品主要技术参数如表1所示。

表1 CO-Netic AA材料参数表

将箔材按照壳体形状成形后，使用环氧胶等固定到产品壳体上，对接缝处有一定的间隙，可采用低碳钢片压制后通过螺钉固定到壳体上；为了避免单层屏蔽带来泄露较大问题，可采用双层屏蔽的方式进行磁场屏蔽。这种屏蔽方式易于安装，且在产品总装时，通过使用磁屏蔽箔材CO-neticAA对电连接器出口处进行屏蔽处理，可进一步减小连接器出口处磁场进入产品壳体内部的可能。

产品使用CO-Netic AA材料屏蔽后，简化结构如图8所示。

图8 将导磁材料与产品壳体粘接后三维示意

5 电气控制装置磁场屏蔽仿真

根据以上的设计，对产品的磁屏蔽使用MAXWELL软件进行了仿真，仿真时主要对低频(小于10kHZ)磁场的屏蔽进行分析，具体情况如下。

5.1 仿真边界设置

仿真时，为模拟电磁线圈中经过外壳屏蔽后的200高斯的磁场强度，采用在直流线圈中通过电流的形式，模拟电气控制装置外部磁场。边界条件设定如图9，外框为整个分析域。根据Co-Netic材料的特性，其磁饱和强度8000高斯，经过曲线拟合后，Co-Netic材料BH曲线如图10所示。

图9 边界条件设定

图10 磁屏蔽材料BH曲线

5.1 仿真结果查看

采用截面的方式查看产品内部的场强情况，截面选取如图9，选择产品中间垂直截面。

图11 截面选择

a)镀镍产品仿真分析

图12 镀镍产品磁场分布图

经过仿真，镀镍产品截面场强分布如图12，镍相对磁导率600，中间方框为产品内部，从开口处往内部依次取3个点A、B、C，可以得出这三个点的磁场强度经屏蔽后分别为0.013T，0.011T，0.01T，由此可见，经镀镍屏蔽后，产品磁场强度有所降低，其屏蔽效能最大约为6dB，可见，镀镍屏蔽由于镍的相对导磁率较低，且镀镍层厚度较薄，导致屏蔽效果不佳。

b)采用磁屏蔽材仿真分析(出口处不屏蔽)

采用磁屏蔽材料Co-Netic AA材料屏蔽后，产品连接器安装开口处的磁场分布如图13、图14所示，从连接器开口处往电气控制装置壳体内部依次取3各点A、B、C，可以得出这三个点屏蔽后的磁场强度分别为0.001T，0.0004T，0.0002T，可见产品磁场强度最少降低20倍以上，最大达到100倍。即A点的磁场屏蔽效能为26dB，B点处磁场屏蔽效能达34dB，C点处磁场强度屏蔽达40dB。可见，开口处磁场泄露较大，屏蔽效果略差。

c)电气控制装置连接器出口屏蔽后仿真分析

为了减小连接器开口磁泄露对产品内部元器件的影响，在产品设计装配时，使用CO-Netic AA磁屏蔽材料将电缆及连接器开口处进行屏蔽处理，在仿真时，将连屏蔽箔材将开口处屏蔽后进行仿真，仿真后产品磁场分布如图15、图16所示。从连接器开口处往电气控制装置壳体内部依次取3各点A、B、C，可以得出这三个点屏蔽后的磁场强度分别为0.00008T，0.00001T，0.00001T，可见产品磁场强度最少降低两个数量级以上。即A点的磁场屏蔽效能为48dB，B点及C点处磁场屏蔽效能达46dB。可见，开口处磁场屏蔽后，产品内部磁场大大减小。

图13 采用磁屏蔽材料屏蔽后仿真分析

图14 磁屏蔽开口内部场强分布(外部场强设定为0.02T)

图15 磁屏蔽封口磁场分布图

图16 磁屏蔽封口内部场强分布

5.3 仿真结果说明

经过仿真，产品经镀镍、采用CO-Netic AA材料屏蔽后仿真结果如表2所示。

表2 产品仿真屏蔽结果

从上表可见，电气控制装置周围磁场为0.02T，通过镀镍屏蔽方式，磁场降低至0.013T～0.01T，磁场屏蔽后稍有降低；通过使用CO-Netic AA材料屏蔽后，连接器出口不进行屏蔽，磁场降低至0.001T～0.0002T；使用CO-Netic材料屏蔽连接器出口后，磁场降低至0.00008T～0.00001T；可见，使用CO-Netic材料屏蔽具有良好的效果。

6 结论

电磁线圈炮发射制导弹丸是当前国内研究的电磁炮热点之一。针对制导组件中电气控制装置中元器件不能承受过强磁场的问题，采用MAXWELL软件对镀镍及CO-Netic材料屏蔽后的屏蔽效果进行了仿真分析，结果表明：

镀镍层对产品磁场的降低效果不大，采用CO-Netic材料屏蔽能够有效降低产品内部的磁场强度，通过对连接器出口进行加强屏蔽后，产品内部连接器出口处磁场降低至800μT左右，该磁场强度与日常电磁环境相差不大；连接器开孔处屏蔽效果达48dB，内部屏蔽效果达68dB。实际生产时，将磁敏感元器件远离连接器安装孔，通过对电气控制装置进行双层屏蔽的方式，达到进一步降低电气控制装置内部磁场的目的。满足产品工作需要。同时，该研究对其他电磁炮发射制导弹丸的制导组件具有参考意义。