ANSYS線纜線束設(shè)計(jì)解決方案，系統(tǒng)電磁兼容全面仿真分析

序言

線纜線束及其組件是航空、航天、汽車、船舶等軍工及車輛領(lǐng)域系統(tǒng)工程重要的配套和接口元件，散布在各個(gè)系統(tǒng)和部位，負(fù)責(zé)著信號(hào)和能量的傳輸。其布線性能的好壞，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性問題。

線纜線束按照功率分，有功率電纜和信號(hào)傳輸線，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，線纜線束也在向著高可靠性、高性能的方向發(fā)展，對(duì)于電磁兼容性的要求也越來越高。

ANSYS線纜線束設(shè)計(jì)解決方案，使用ANSYS Maxwell?、Q3D?、Simplorer?等電磁仿真軟件，從線纜線束設(shè)計(jì)、寄生參數(shù)RLCG提取、到系統(tǒng)電磁兼容全面仿真分析。

創(chuàng)建模型

線纜線束規(guī)格多，工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)表明，采用AutoCAD進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)，不僅人工工作量大、設(shè)計(jì)效率低、重復(fù)勞動(dòng)多，而且容易出錯(cuò)，無法保證各設(shè)計(jì)階段之間設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性。于是ANSYS在Maxwell?軟件基礎(chǔ)上提出針對(duì)用戶定制化的“線纜線束設(shè)計(jì)工具包”，幫助客戶參數(shù)化建立特定幾何模型，通過算法技術(shù)處理，使用二維幾何計(jì)算模型，反應(yīng)真實(shí)三維線纜線束實(shí)體結(jié)構(gòu)，能動(dòng)態(tài)、高效建立模型并求解，大大提高工作效率。

圖1展示了典型功率電纜幾何定義，功率電纜規(guī)格多，主題有功率線芯、護(hù)套、鎧裝、冷卻管道等。

圖1典型功率電纜剖面視圖

ANSYS提供的基于Maxwell?軟件的參數(shù)化輸入“線纜線束設(shè)計(jì)工具包”，功率電纜參數(shù)化定義界面如圖2所示，分別輸入功率線、護(hù)套、鎧裝、冷卻管等尺寸參數(shù)和材料，即可以自動(dòng)生成如圖1所示之幾何模型，修改模型參數(shù)十分方便，自動(dòng)實(shí)時(shí)更新幾何尺寸。

圖2 線纜設(shè)計(jì)工具主界面

為了提高電纜線芯利用率，消除電流趨膚效應(yīng)等影響，工程上需要對(duì)線芯換位處理，即絞線?！熬€纜線束設(shè)計(jì)工具包”充分考慮了各種換位絞線策略，通過設(shè)計(jì)工具定義，能直觀地用二維模型精確地處理三維結(jié)構(gòu)，圖3展示了設(shè)計(jì)工具包的計(jì)算策略，通過L_p和r_t分別定義絞線半徑和節(jié)距，軟件在計(jì)算時(shí)則考慮了絞線后的參數(shù)變化與相互影響。

圖3定義絞線尺寸

基于ANSYS Maxwell?的“線纜線束設(shè)計(jì)工具包”創(chuàng)建的幾何模型可以直接傳遞到ANSYS 的準(zhǔn)靜態(tài)邊界元Q3D?中求解，當(dāng)然用戶也能直接將第三方布線/繪圖工具得到的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)幾何模型導(dǎo)入Q3D?，通過電磁計(jì)算能夠直接得到結(jié)構(gòu)的場(chǎng)分布，包括電壓分布，電流分布，電場(chǎng)和磁場(chǎng)等，以及結(jié)構(gòu)的寄生參數(shù)矩陣如電容、電阻和電感矩陣，導(dǎo)納和阻抗值及特性阻抗、差分阻抗等RLCG參數(shù)，還可以進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

參數(shù)仿真分析

Maxwell?有6大求解器，可以分別求解靜磁場(chǎng)、渦流場(chǎng)、瞬態(tài)磁場(chǎng)，靜電場(chǎng)、直流傳導(dǎo)場(chǎng)和瞬態(tài)電場(chǎng)，能精確計(jì)算模型的電阻、電容、電感等RLCG寄生參數(shù)和S參數(shù)。更可以直觀地查看線纜線束截面上的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布云圖，精確讀取任意坐標(biāo)位置下的場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖4查看線纜線束截面上的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布云圖

圖5展示了使用Maxwell?瞬態(tài)求解器仿真在雷擊瞬間大電流涌入下電纜磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化過程，動(dòng)態(tài)地再現(xiàn)能量的衰減現(xiàn)象。此強(qiáng)有力的仿真案例：外加激勵(lì)電壓源或者電流源為任意雷擊波形（或者使用Maxwell?自帶的circuit editor外電路編輯器工具），同時(shí)考慮鎧裝材料的非線性，考慮電渦流和磁擴(kuò)散等。

圖5瞬態(tài)雷擊電流下電纜的磁場(chǎng)分布

系統(tǒng)仿真

ANSYS Simplorer?是功能強(qiáng)大的多域機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析軟件，用于電氣、電磁、電力電子、控制等機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)、仿真分析和優(yōu)化。其提供了多種建模語言，包括電路、方框圖、狀態(tài)機(jī)、方程、VHDL-AMS、SML以及C/C++等標(biāo)準(zhǔn)建模語言。這些語言可混合使用，輕松建立模擬、數(shù)字和混合信號(hào)的多域設(shè)計(jì)模型。

電路系統(tǒng)中，用于連接設(shè)備與負(fù)載的線纜線束，在仿真中不能用理想的電氣連接線替代，需要高精度建模體現(xiàn)RLCG寄生參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。Simplorer?能夠直接和業(yè)界領(lǐng)先的ANSYS電磁場(chǎng)仿真工具動(dòng)態(tài)鏈接，包括：Maxwell?，Q3DExtractor?等。這種協(xié)同仿真技術(shù)和模型降階技術(shù)讓Simplorer?具有強(qiáng)大的基于物理原型的系統(tǒng)仿真能力。

圖6、7展示的案例中，負(fù)載為大功率變頻電機(jī)，電網(wǎng)提供的電能每相由6條并行電纜傳輸，鋪設(shè)于金屬線槽中，按照工廠電氣安規(guī)要求，金屬線槽外殼與大地良好連接。當(dāng)由6條并行線纜組成的三相線任意排布時(shí)，在金屬線槽接地線上感應(yīng)的最大電流值可達(dá)負(fù)載額定電流值的4.8%，絕對(duì)值高達(dá)42A。利用Maxwell?和Simplorer?場(chǎng)路耦合仿真，優(yōu)化線纜換位排布后，可以顯著減小零序電流值。優(yōu)化后的比例為額定值的1.1%，電流絕對(duì)值明顯減小，大大改善機(jī)電系統(tǒng)性能。^{【參考文獻(xiàn)1】}

圖6 電機(jī)電纜線槽安全接地點(diǎn)零序電流分析和優(yōu)化

圖7 并行排布線纜中電流波形和線間磁鏈分布

圖8展示了考慮電機(jī)逆變器連接電纜上寄生參數(shù)對(duì)系統(tǒng)電磁兼容的影響和分析：“線纜線束設(shè)計(jì)工具包”參數(shù)化建模并求解得到分布參數(shù)，Maxwell?輸出ROM（包含全部參數(shù)的降階模型）模型到Simplorer?系統(tǒng)平臺(tái)中，輸入輸出端子連接逆變器和負(fù)載電機(jī)之間的電路。仿真結(jié)果表明，線纜分布參數(shù)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾EMC影響明顯。

圖8 電機(jī)逆變器中間連接電纜建模后耦合仿真

【參考文獻(xiàn)】

1，“Effect of Cable Geometry onInduced Zero Sequence Ground Currents with High Power Converters,” Skibinski, G.L., Brown, B., Christini, M.,Petroleum and Chemical Industry Conference, 2006. Industry Applications Society 53rd Annual .

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本文作者為ANSYS公司張宗兵工程師。