舰船设备低频磁场传播特性仿真研究及试验验证∗

华 阳 华成超

（1.海装沈阳局大连地区第一军事代表室 大连 116001）（2.电磁兼容性国防科技重点实验室 武汉 430064）

1 引言

近年来，由于电力电子开关器件在功能、效率、体积重量等方面具有无可比拟的优势，舰载机电设备的功率越来越大，使得舰船上低频电磁环境愈发复杂，低频电磁干扰对整个电力系统、输配电设备、监控设备、通信设备、等敏感设备的影响越来越大［1～2］。且由于舰载大功率机电设备工况多、频率范围广，且舰船上环境较为复杂，往往涉及到多边界条件［3～4］，对其辐射传播特性的研究已成为难点之一。

目前国内外舰船低频磁场仿真建模领域发展较为缓慢，大量研究集中于射频微波领域。随着舰船上大功率机电设备的应用，对舰船设备低频磁场辐射传播特性研究的重要性逐渐开始凸显［5］。本文首先讨论了舰船上典型电机的性能特点，利用有限元仿真软件对电机进行建模仿真，得到典型设备的低频磁场分布特性。随后利用多介质模型［6］仿真模拟设备低频磁场在空间中的传播特性。最后建立低频磁场高精度测试系统，利用测试数据对仿真结果进行试验验证。

2 典型电机特性分析

舰船典型的机电设备包括推进电机、汽轮机、柴油发电机等。其核心都为电动机。随着技术的发展，大功率的永磁同步电机正成为舰船推进电机的主力［7］。

永磁同步电机的数学模型主要包括电压方程、机电联系方程、机械运动方程等［8］。

根据基本的电路理论，为了计算分析简便，可将转子永磁体磁链ψm等效为由转子电流im通过转子绕组电感Lm产生，即:

典型的三相永磁同步电机的电压回路方程为

其中，Ua、Ub、Uc为三相绕组电压，ia、ib、ic为三相绕组电流，Rs为各相绕组电阻，a为微分算子，ψa、ψb、ψc为各相绕组总磁链。

三相永磁同步电机的永磁体转子产生恒定的电磁场，当定子上通以三相对称的正弦交流电时，则产生旋转的磁场，定、转子磁场相互作用产生电磁转矩，推动转子旋转。根据机电能量转换公式，同步电机的电磁转矩为

其中，Te为电机的电磁转矩，p为电机的极对数。

而对于机械运动方程，对所有电机来说都有

其中，TL为电机负载转矩，J为电机转动惯量，ωn为转子角速度。

其他不同相数的永磁同步电机的数学模型与上述类似。

3 电机低频磁场辐射分布特性建模仿真

3.1 有限元建模仿真

Maxwell是一款相当成熟的电磁场有限元分析软件。由于电机磁场在轴向上具有一致性，且轴向长度远大于气隙宽度，因此忽略电机轴向的端部效应，选择二维场建模方式。在Maxwell中建立永磁推进电机的模型［9～10］，仿真计算其静态磁场分布特性，如图1所示。

图1 电机的有限元仿真模型

3.2 多介质传播建模仿真

由于舰船结构及环境特殊，低频电磁干扰的传播、耦合机理复杂，特别是空气、壳体、海水等多层介质产生的多径效应，对电磁波的传播造成很大的影响［11］。本文基于低频电磁场传播理论［12］，建立海水环境下的多介质仿真简化模型，对低频电磁干扰空间传播特性进行建模分析。

如图3所示，仿真模型从内到外分别是空气、金属体和海水，电磁场干扰源位于内部。

图2 三层介质简化模型

图3 等效磁场源在壳体上的磁场分布仿真结果

在仿真软件中建立圆柱壳体三维结构模型模拟船体外壳，为减轻计算压力，去除了壳体内部的加强筋、设备等结构。为了简化仿真计算，同时也因为电机内部结构与电机低频磁场在外部空间中的传播特性关系不大，因此在仿真中利用上一节中得到的电机磁场特性，以等效线圈模拟电机，作为仿真系统的低频磁场源。将低频磁场源放置于圆柱壳体内部右侧，得到磁场在壳体上的分布仿真结果如图4所示。

4 试验验证

在实验室条件下开展验证试验，以矢量磁通门传感器为基础，建立低频磁场高精度测试系统，测试电机空间磁场分布情况，与仿真计算结果对比，验证仿真模型的准确性。

4.1 低频磁场高精度测试系统

测试系统结构框图如图4所示。磁场传感器为三轴磁通门，其测试频率范围为DC-3kHz，1Hz处的噪声水平为，完全能满足测试条件［13］。滤波模块采用自适应滤波，能滤除地磁背景噪声。数据采集模块采用12通道24位AD采集卡，采样率最大为50kS/s。采集控制程序采用Lab-VIEW编写，包括了12路磁场信号量化、数据存储、时域曲线显示、频率曲线计算等功能。在实验室条件下开展验证试验，测试电机空间磁场分布情况。

图4 测试系统结构框图

4.2 电机低频磁场分布测试结果

某推进电机的低频磁场测试分布如图5所示，磁通门传感器分布在电机周围，距离电机20cm～200cm。

图5 测试布置图

图6为某一距离时的电机低频磁场分布时域及频域波形，可以看到时域波形类似调制信号，三轴分量中以Y轴磁感应强度最大；频谱上呈现为大量干扰信号频谱，最强干扰频率为60Hz，磁感应强度大约为10uT。

图6 测试结果

在仿真模型中，设置干扰源频率为60Hz，仿真计算干扰源不同距离处的磁感应强度；在测试结果中选取60Hz频点，测试结果与仿真结果对比如图7所示。可以看到，仿真结果与测试结果最大误差不超过5dB。

图7 仿真与测试结果对比

5 结语

首先，本文对舰船上典型的永磁推进电机进行了特性分析，随后通过有限元仿真实现了典型电机建模。利用多介质简化模型，仿真分析了电机低频磁场传播特性，并得到了其磁场在壳体上的分布特性。最后，利用矢量磁通门传感器建立了高精度低频磁场测试系统，对电机低频磁场进行了测试。结果表明，测试结果与仿真结果的误差小于5dB，验证了仿真手段的有效性。