电子机柜结构设计的方案优化

王菁

（中国船舶重工集团公司第七一五研究所，浙江杭州，310023）

0 引言

我国的造船事业正伴随海航市场的扩大而更新换代，船只的吨位逐步提高，为了适应船只性能提升带来的电子机柜设计要求提升这一变化，设计者就要根据船舶设备的供电功率、电磁辐射等问题有针对性对机柜的设计方案做优化调整，让机柜充分满足船舶电子设备大功率、高效率、安全可靠的运作需求，推动造船事业的安全发展。

1 电子机柜的设计需求

1.1 结构设计

结构设计是机柜设计中的根本要求和基础条件，机柜的核心在于骨架，骨架是设备放入机柜中的主要载荷受力对象，在电子设备中起到了支撑设备运作的效果。设备能否安全使用，就要看骨架的强度和装置刚度是否合理[1]。船只运输中，机柜始终处于不稳定的运输状态，比较容易因为海浪、风暴等因素发生颠簸、震动问题，所以相比一般电子机柜，作为船舶设备的电子机柜遭遇外部冲击的次数更多，发生变形的可能性更高，因此在设计船只所用的电子机柜时，对骨架刚性的要求也更高。

1.2 散热设计

机柜散热是设计者在设计过程中要格外重视的环节，电子设备在运作过程中会产生大量的热量，这些热量如果没有合适的散发方式，将会聚集在设备内部，对设备的电子元件造成损伤，不仅会引发设备故障，而且将导致设备的使用寿命下降，增加船只所属单位维护船体的开支[2]。在设计机柜的散热系统时，设计者要注意对热功率，即设备的发热功耗加以掌握，并结合设备的热功率思考如何将热量从设备的元器件向周围环境传递，从而实现散热稳态，保护电子设备的稳定与安全。

1.3 抗干扰设计

信号稳定是电子设备维持正常运作的根本，船只在航行中容易遭遇磁场波的干扰，如果不能有效过滤和屏蔽这些电磁波，创造出良好的电屏蔽环境，将会对船只的电子设备的运转造成极大的阻碍，影响到电子设备的运行状态，降低运作效率[3]。

2 电子机柜的设计方案

2.1 电子机柜的结构设计方案

2.1.1 强度设计

强度电子机柜结构设计中重要性较高的一环，强度设计和机柜的可靠性以及使用寿命密切关联，为了保证设计的合理性，设计师需要注意计算机柜结构件的应力和受力，以此作为评估依据，对机柜结构设计的强度要求进行锁定，保证设计的合理性[4]。

设计者根据公式(1)和公式(2)计算出机柜的最大剪力和最大弯矩，并将计算结果和材料的物性进行对比，由此可以知道结构设计的合理性，并明白该如何调整机柜的强度指标。

其次是横梁的弯曲强度，机柜的梁上应力会随截面位置的改变而随之改变，设计者在设计机柜结构时需要找出最大应力所在的截面，最大应力所在截面是机柜结构中的危险截面，这个截面最容易出现工作应力超过材料许用应力的情况，也是机柜横梁中最容易弯曲的部分。将危险截面的最大应力用бmax表示，将危险截面的弯矩用Mmax表示，将抗弯截面系数用Wz表示，将机柜材料的许用应力用б 表示，机柜的横梁强度条件计算如下：

根据公式(3)可计算出机柜的强度条件，从而明确危险截面的最大应力情况，合理加强截面强度，从而避免弯曲问题的发生。

2.1.2 减震设计

船只在运行中会因为船体晃动和颠簸等问题让高速运行的电子设备长期处于振动状态，为了让电子设备的运行稳定，使设备在运作中始终保持动态平衡，设计者就要思考如何实现电子设备的振动降低和阻尼能力提高，减少不平衡现象的发生[5]。通常来说，为实现机柜的有效减震，设计者会为电子机柜设计特别的减震结构，常见的减震机构设计是采用弹簧减震器系统来吸收机柜设备运作时的动能源，以此降低减震体的相互作用情况。但是考虑到船只航行过程中的船体晃动情况，仅仅依靠减震设计很难满足电子机柜的消震需求，所以还需要在进行隔震设计，以此增强阻尼作用，具体而言，设计者要在机柜内的电子设备间加装阻尼板衬垫，减少震动强度，同时还应对机柜内各组成部分做详细的物理机制分析，确保采用的设备装置方式合情合理，设备的结构参数以及悬架性能指标都符合最佳结构参数要求，实现机柜的良好抗震。

2.2 电子机柜的散热设计方案

2.2.1 材料选择

散热设计的核心在于快速将系统产生的热量传递到机柜之外，避免机柜中的温度环境超标，对电子元器件造成损伤，故散热系统需要选择热导率材料作为基础，以此来让设备的接触热阻降低，增大机柜的传热面积，这样可以缩短热传导路径，让电子设备实现快速散热，比较常用的散热材料有铝合金和导热油脂等，以铝合金为基础材料可以提高热辐射效率，铝合金的黑度和表面积越大，则散热性能越良好，故设计师在选择设计材料时也当以此为基础，尽量挑选符合电子设备散热要求的材料制作散热系统，实现对机柜热量的充分传递。

2.2.2 散热方式选择

自然对流散热和辐射散热是船舶机柜较常使用的散热方式，自然对流散热是在机柜顶面和侧面设置散热端口，将热功耗以自然流动的方式传递到外部环境中，自然对流散热的散热设计要点在于对热功率的确定，而要确定热功率就要进行冷却计算，热功率的计算包括自然对流换热系数、自然对流换热发生面积、机柜外壳表面温度、环境温度等几个部分。此处以h 代表换热系数，以A 代表换热发生面积，以Ts代表机柜外壳表面温度，以T∞代表环境温度，以б代表电子设备的热功耗，也就是热量对时间的导数。设计师可以采取牛顿冷却公式来计算和获得电子设备的热功耗，具体如下：

在公式(4)中，对流换热系数与常规散热设计的导热系数有很大差别，对流换热系数并不是物理参数，而是经验参数，即对流换热系数的确定不是以物体为依据，而是以实际条件来确认。设计者在确定对流换热系数时，要对船只环境进行仔细的检查和测试，以此获得最准确的流换热系数，保证热功率计算的准确性。

辐射散热是设计师将机柜的顶面和侧面的热功耗用辐射形式传递给天花板或者墙壁，实现对柜内温度环境的调控。辐射散热确定热功耗使用的是斯蒂芬-玻尔兹曼定律，其计算内容包括了机柜表面发射率、斯蒂芬-玻尔兹曼常数、机柜表面积和机柜的表面温度等几个部分。此处以ε表示表面发射率，以б表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数，A 表示表面积，Ts表示机柜外壳表面温度，以T∞表示船体的天花板和墙壁温度，计算公式如下：

在公式(5)中，斯蒂芬-玻尔兹曼定律设定是绝对温度。即如果真实的环境温度比设计师给出的假设温度要高，那么在电子设备的输入功率保持不变的情况下，即使电子机柜的表面温度跟外部环境间不存在温差变化，但最终设计师所计算出的热功耗会比实际的热功耗低。故设计师在采取辐射散热时要特别重视此点。

强制对流散热是在自然对流散热和辐射散热都无法满足电子设备的情况下所采取的散热方式，设计师可通过给机柜加装风扇的方式来满足电子设备在运行时的散热需求。强制对流散热确定热功耗使用的是热力学定律，其计算内容包括了空气质量流速、空气恒压比热、空气进口温度和空气出口温度等几个部分。此处以ḿ 表示空气质量流速，以Cp表示空气恒压比热，Ti表示空气进口温度，To表示空气出口温度，计算公式如下：

根据公式(6)中，设计师可以有效确定满足设备热功耗需求的风量，从而适当在机柜中加装风扇，让热量能有效向外部环境传递，实现良好散热。

2.3 电子机柜的抗干扰设计方案

2.3.1 材料选择

船舶机柜的理想材料以磁导通率为标准，磁导通率越高，做成的屏蔽体屏蔽效果越好，铁、铝、钢和铜都是比较理想的材料，用这些材料组合制作的屏蔽体能对电磁波起到很强的反射损耗，可以为设备创作好的电屏蔽环境[7]。除了组合屏蔽体外，以不锈钢为材料的屏蔽壳体也有不错的电磁屏蔽效果，可以选择作为船舶机柜的基础屏蔽材料。

2.3.2 导电柔性介质的屏蔽设计

设计者要使用导电橡胶垫、导电布和金属丝网等作为导电柔性介质，这些介质需要填充到机柜的缝隙处，以此帮助机柜缝隙实现结构件的电接触，让结构件间能够充分导电，使电磁屏蔽作用完全发挥出来[8]。导电柔性介质有平面安装和沟槽安装两种安装思路，平面安装是利用导电胶将导电橡胶粘固到箱体上，然后用螺钉和箱体将盖板加固处理。沟槽安装是通过镶嵌的方式将导电橡胶条镶到箱体上，从而实现屏蔽效果。

2.3.3 螺钉设计

螺钉是机柜结构中对电磁屏蔽效果影响较大的一环，这是因为螺钉的安装会让机柜中互相连接的结构件电接触，同时能够减少结构件的缝隙，对电磁泄露产生阻挡效果。所以螺钉的数量及间距在电子机柜抗干扰设计中占据了非常重要的地位。螺钉的安装数量越多，间距越小，分布越密，那么机柜的屏蔽效果会越好。但是值得注意的是，如果为了追求屏蔽效果而一味增加螺钉安装数量，会导致机柜的装配变得繁琐又麻烦，而且会令生产时长过度延长，反而会阻碍设备的正常运作。所以在实际设计中，设计师要选择λ/20 波长来当做螺钉的安装间距。

3 结语

船舶设备的电子工具要考虑其航行状态所带来的振动和冲击，这些动态机械力会很容易造成机柜的变形，并损害机柜的电子元器件及电路工作稳定性，令电子设备受损，设备的使用寿命缩短。而要克服这些问题，设计者就要注重机柜的结构设计、散热设计和抗干扰设计，要通过合理的机柜强度优化、散热系统优化以及电磁屏蔽优化，为电子设备提供完美的运作环境，减少船只航行对电子设备造成的负面影响，确保电子设备可以在运作中始终保持动态平衡，为船舶设备的稳定运转提供牢固的支持。

参看文献

[1]金静.低压开关柜结构设计对电气性能的影响[J].居舍,2020(10):103.

[2]杨坤,程志刚,王巍.一种机柜结构设计中的散热分析[J].科技视界,2019(35):25-27.

[3]张小建.开关柜结构设计与制造的实践研究[J].城市建设理论研究(电子版),2018(32):98.

[4]郭龙.通信用一体化户外机柜结构设计要点[J].科技风,2018(16):65-65.

[5]贾松.标准机柜的参数化建模设计方法[J].机械工程师,2021(10):49-51.

[6]余涛,刘毅,张磊.基于气液热交换器的密闭机柜热设计[J].电子机械工程,2021(03):17-21.

[7]丁文,韩德斌.浅谈形式美法则在电力机柜设计中的应用[J].工业设计,2021(04):155-156.

[8]梁帅奇,张华润,姜辉等.某型强制风冷直流变压器机柜风道设计与优化[J].电力电子技术,2021(02):50-53.