ANSYS线缆线束设计解决方案，系统电磁兼容全面仿真分析

序言

线缆线束及其组件是航空、航天、汽车、船舶等军工及车辆领域系统工程重要的配套和接口元件，散布在各个系统和部位，负责着信号和能量的传输。其布线性能的好坏，直接关系到整个系统的可靠性问题。

线缆线束按照功率分，有功率电缆和信号传输线，随着现代技术的发展，线缆线束也在向着高可靠性、高性能的方向发展，对于电磁兼容性的要求也越来越高。

ANSYS线缆线束设计解决方案，使用ANSYS Maxwell®、Q3D®、Simplorer®等电磁仿真软件，从线缆线束设计、寄生参数RLCG提取、到系统电磁兼容全面仿真分析。

创建模型

线缆线束规格多，工程设计经验及教训表明，采用AutoCAD进行电气设计，不仅人工工作量大、设计效率低、重复劳动多，而且容易出错，无法保证各设计阶段之间设计数据的一致性。于是ANSYS在Maxwell®软件基础上提出针对用户定制化的“线缆线束设计工具包”，帮助客户参数化建立特定几何模型，通过算法技术处理，使用二维几何计算模型，反应真实三维线缆线束实体结构，能动态、高效建立模型并求解，大大提高工作效率。

图1展示了典型功率电缆几何定义，功率电缆规格多，主题有功率线芯、护套、铠装、冷却管道等。

图1典型功率电缆剖面视图

    ANSYS提供的基于Maxwell®软件的参数化输入“线缆线束设计工具包”，功率电缆参数化定义界面如图2所示，分别输入功率线、护套、铠装、冷却管等尺寸参数和材料，即可以自动生成如图1所示之几何模型，修改模型参数十分方便，自动实时更新几何尺寸。

图2 线缆设计工具主界面

为了提高电缆线芯利用率，消除电流趋肤效应等影响，工程上需要对线芯换位处理，即绞线。“线缆线束设计工具包”充分考虑了各种换位绞线策略，通过设计工具定义，能直观地用二维模型精确地处理三维结构，图3展示了设计工具包的计算策略，通过L_p和r_t分别定义绞线半径和节距，软件在计算时则考虑了绞线后的参数变化与相互影响。

图3定义绞线尺寸

基于ANSYS Maxwell®的“线缆线束设计工具包”创建的几何模型可以直接传递到ANSYS 的准静态边界元Q3D®中求解，当然用户也能直接将第三方布线/绘图工具得到的复杂三维结构几何模型导入Q3D®，通过电磁计算能够直接得到结构的场分布，包括电压分布，电流分布，电场和磁场等，以及结构的寄生参数矩阵如电容、电阻和电感矩阵，导纳和阻抗值及特性阻抗、差分阻抗等RLCG参数，还可以进行设计和优化。

参数仿真分析

Maxwell®有6大求解器，可以分别求解静磁场、涡流场、瞬态磁场，静电场、直流传导场和瞬态电场，能精确计算模型的电阻、电容、电感等RLCG寄生参数和S参数。更可以直观地查看线缆线束截面上的电场、磁场分布云图，精确读取任意坐标位置下的场数据。

图4查看线缆线束截面上的电场、磁场分布云图

图5展示了使用Maxwell®瞬态求解器仿真在雷击瞬间大电流涌入下电缆磁场动态变化过程，动态地再现能量的衰减现象。此强有力的仿真案例：外加激励电压源或者电流源为任意雷击波形（或者使用Maxwell®自带的circuit editor外电路编辑器工具），同时考虑铠装材料的非线性，考虑电涡流和磁扩散等。

图5瞬态雷击电流下电缆的磁场分布

系统仿真

ANSYS Simplorer®是功能强大的多域机电系统设计与仿真分析软件，用于电气、电磁、电力电子、控制等机电一体化系统的建模、设计、仿真分析和优化。其提供了多种建模语言，包括电路、方框图、状态机、方程、VHDL-AMS、SML以及C/C++等标准建模语言。这些语言可混合使用，轻松建立模拟、数字和混合信号的多域设计模型。

电路系统中，用于连接设备与负载的线缆线束，在仿真中不能用理想的电气连接线替代，需要高精度建模体现RLCG寄生参数对系统性能的影响。Simplorer®能够直接和业界领先的ANSYS电磁场仿真工具动态链接，包括：Maxwell®，Q3DExtractor®等。这种协同仿真技术和模型降阶技术让Simplorer®具有强大的基于物理原型的系统仿真能力。

图6、7展示的案例中，负载为大功率变频电机，电网提供的电能每相由6条并行电缆传输，铺设于金属线槽中，按照工厂电气安规要求，金属线槽外壳与大地良好连接。当由6条并行线缆组成的三相线任意排布时，在金属线槽接地线上感应的最大电流值可达负载额定电流值的4.8%，绝对值高达42A。利用Maxwell®和Simplorer®场路耦合仿真，优化线缆换位排布后，可以显著减小零序电流值。优化后的比例为额定值的1.1%，电流绝对值明显减小，大大改善机电系统性能。^{【参考文献1】}

图6 电机电缆线槽安全接地点零序电流分析和优化

图7 并行排布线缆中电流波形和线间磁链分布

    图8展示了考虑电机逆变器连接电缆上寄生参数对系统电磁兼容的影响和分析：“线缆线束设计工具包”参数化建模并求解得到分布参数，Maxwell®输出ROM（包含全部参数的降阶模型）模型到Simplorer®系统平台中，输入输出端子连接逆变器和负载电机之间的电路。仿真结果表明，线缆分布参数对电机控制系统传导干扰EMC影响明显。

图8 电机逆变器中间连接电缆建模后耦合仿真

【参考文献】

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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本文作者为ANSYS公司张宗兵工程师。