电子设备结构设计范文

导语：如何才能写好一篇电子设备结构设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：电子设备；屏蔽结构；功能设计

随着电子设备使用频率越来越高，但电磁环境不断恶化，为了发挥电子设备的性能，提升抗干扰能力，避免受到电磁的干扰，这对电子设备电磁屏蔽性能提出了更高的要求和标准。因此，本文结合实际情况，针对电子设备电磁屏蔽的结构设计展开论述，并且提出合理化建议。

1 电子设备屏蔽设计标准

就目前而言，电子设备主要包括骨架、盖板以及前后板等，其中可拆连接的接触面具有一定的导电接触，因此，在实际设计过程中，电子设备内部的孔洞、缝隙要满足屏蔽的需要。在实际设计过程中，屏蔽设计要求不尽相同。

对电屏蔽而言，可以利用良导体隔离经电容性耦合传递的影响。电磁屏蔽主要应用在高频设计过程中，主要原理是利用金属反射和金属层内吸收来限制电磁的干扰，在实际设计过程中，具体包括以下要求：第一，要保C材料质量，因此，设计人员在进行电磁屏蔽分析过程中，会认为屏蔽体导体在理想运行状态下运行，导致在实际应用中，屏蔽体具有阻性，并且随着屏蔽体阻抗的增加，屏蔽的性能就会越差。因此，在屏蔽材料选择过程中，要选择性能良好的导体。对电屏蔽厚度而言，需要根据电子设备屏蔽结构进行设计，保证金属壳体封闭性，最大限度的减少孔洞和缝隙，并且采取必要的防护措施。屏蔽体要做好接地设计，根据行业标准，接触电阻要小于2m？@。

在进行屏蔽电子设备运行过程中，影响屏蔽效能的因素主要包括以下几个方面：第一，缝隙问题，在实际的屏蔽体中，导电体具有很多不连续点，就会在各个部分结合处，产生电磁泄漏问题，解决这种问题的方法，就是在缝隙的位置，填充一些弹性的导电材料，从根本上消除不导电点。但是在实际应用过程中，不是所有的屏蔽体的缝隙需要电磁密封衬垫防止电磁泄漏。因为对实际的设计而言，缝隙泄漏电磁波主要取决于电磁波波长的尺寸。如果遇到较高频率干扰的情况下，需要使用电磁密封衬垫。

第二，孔洞问题。在电子设备上，会包括很多开关、连接器以及保险丝等，设计人员需要在面板上，加工出相应的安装孔，为了提升机箱的散热效果，设计人员要在机箱上设置侧板孔、抽气扇进风孔等，对开孔的形状和周长要满足实际设计标准，在电子设备运行过程中，电流通过孔洞时，就会通过辐射的方式发射能量，并且与孔洞的大小周长有着密切联系。

2 缝隙电磁屏蔽设计

下面主要分析缝隙电磁屏蔽设计。

2.1 控制好螺钉的间距

在实际设计过程中，螺钉具有重要的连接作用，并且间距会直接影响了屏蔽的效果。螺钉能够有效缩小接件的缝隙，提升屏蔽的效果。但是一旦螺钉过密，就会增加设备安装的难度，增加了工作量和设计成本。因此，设计人员要从全局出发，结合电子设备的强度，确定科学合理的螺钉间距，在实际设计过程中，缝隙设计间距■/20。

2.2 采用簧片屏蔽设计

针对螺钉设计过密的情况，对需要经常拆卸的电子设备而言，还要从其它方面做好电磁屏蔽设计，在设备的两个接触面上，设置屏蔽簧片。其中EMI屏蔽簧片具有良好的导电性能，并且运行空间比较大，可以满足不同屏蔽要求。这种簧片材料主要以铍青铜、磷青铜为主，具有很强的耐磨性和耐压性，在高温的条件下，也能正常运行。

2.3 导电衬垫的屏蔽设计

这种设计方式主要实现屏蔽体的电接触，提升导电的连续性，有效的防止缝隙电出现泄露，具有良好的密封作用，就目前而言，通常主要包括以下两种形式：第一，平面安装式。就是在把衬垫的背面通过背胶把衬垫和屏蔽体连接起来，保证衬垫具有一定的压力，其中典型的C型导电布衬的平面安装模式得到了广泛的应用。第二，沟槽安装形式。在沟槽安装形式中，就是把衬垫装在沟槽中，可以利用D型导电布衬垫粘装到沟槽中，从而保证面板侧面之间的相互配合，提升衬垫的压力，保证通电正常。

2.4 凸包屏蔽结构设计

为了有效减少屏蔽体缝隙线性尺寸，设计人员可以结合实际情况，在屏蔽体设计凸包，并且应用在屏蔽区域内，从而形成一个弹性的变量，实现两个屏蔽体之间有效的连接，采用这种设计模式，能够有效减少螺钉的密度，节约设计材料，降低设计强度，具有很强的实用性。

2.5 深缝隙结构设计

在采用深缝隙结构设计过程中，深度越深，屏蔽的效果就会越明显，因此，设计人员要结合实际情况，不断加深缝隙的深度，从而提升电子设备电磁干扰性。

3 孔洞的电磁屏蔽设计

受到自身性能的影响，为了解决电子设备通风散热和接线问题，在实际过程中，需要设置孔洞，从而降低了电子设备的屏蔽效果。下面就针对孔洞电磁屏蔽设计展开论述。

3.1 通风口电磁屏蔽设计

3.1.1 在电子设备通风口架设金属丝网。在电子设备实际应用设计过程中，金属丝网是比较常用的非实壁型屏蔽体，这种材料主要包括铜铝等。电子设备通风口通常比较大，因此，可以采用钼数较高的金属丝网安装在窗口的位置，设计人员要把窗口分成细小的通风口，从而获得良好的屏蔽效果。对金属丝网可以直接焊接在屏蔽体上，保证金属丝与屏蔽体具有良好的电接触，但是在实际装配过程中，要做好金属丝网的保护，提升屏蔽的效果。

3.1.2 在屏蔽体上开通风孔。在实际过程中，装配金属网在设计过程中，很容易出现一些屏蔽的缺陷，很容易出现接触不良或者断丝的情况，针对这些问题，可以在屏蔽体设置风孔，从而优化设计工艺流程。在实际应用过程中，设计人员可以采用圆形结构，避免采用异型孔，从而增加设计难度。

3.1.3 介质波导通风蜂窝板屏蔽体应用。设计人员在设计屏蔽要求很高设备过程中，为了提升通风效果和抗电磁屏蔽效果，在实际设计过程中，可以采用波导通风蜂窝板屏蔽体，就可以有效减少空气阻力，降低风压损失，提升机械强度，发挥电子设备良好的性能。

3.2 穿心电容与屏蔽罩的应用

在电子设备设计过程中，需要设计人员做好开关、表头、指示灯等的设计，明确设计标准。为了有效防止在开口处形成电磁泄露，可以在点在设备元件后，装置屏蔽罩，加装穿心电容，并且传过屏蔽罩，连接元件，同时要保证屏蔽罩与面板良好的接触性能，实现电磁屏蔽。

3.3 屏蔽窗设计

对指示器、监视器等，设计人员可以结合实际情况，设计导电玻璃，然后连接到面板，对高频电磁屏蔽结构，可以使用金属夹丝层的导电玻璃。

4 结束语

综上所述，在进行电子设备屏蔽结构设计过程中，设计人员要结合实际屏蔽要求，采用合适的设计方式，针对设计不同的情况，选择合理的材料，从而提高设备抗电磁干扰性，获得良好的屏蔽效果，发挥电子设备的重要作用。

参考文献

[1]白宏兵.某型电子设备电磁屏蔽的结构设计[J].电子世界，2013（15）：147.

[2]吕景峰，陈玲香.电子设备结构设计中的电磁兼容[J].电子世界，2013（12）：163+165.

[3]史广伟，孙丽萍.电子设备的电磁屏蔽设计及复合材料屏蔽检测的应用[J].制造业自动化，2011（05）：215-217.

[4]杨明冬.电磁屏蔽设计在电子设备结构设计中的应用[J].机械与电子，2010（09）：72-74.

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关键词：电子设备 结构设计 工艺设计

中图分类号：TN02 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（c）-0071-03

结构设计是为了满足电子产品的各项功能和电性能，使设备在各种既定环境下都能正常工作所进行的设计。它可以把产品的外观直接展现出来，在一定程度上决定了产品的可靠性、寿命及性价比。好的设计应合理满足整机的性能要求，在市场上具有竞争力。

产品的工艺性能直接影响到产品性能和战术技术指标的实现。工艺设计的最高原则是以最少的社会劳动消耗创造出最大的物质财富，这个原则也是企业赖以生存和发展的基础。

无论哪类电子设备的设计都离不开结构，整机结构设计水平的高低和工艺技术的好坏对于产品质量至关重要。电子设备的故障或失效大都可归结为设计上没有想到或没意识到某些细节或约束，一些通用设计的技术、准则、理念和方法必须被予以重视并深入贯彻到产品研发中去。

1 某系统电子设备结构设计

1.1 概述

某系统主要由多路耦合器、终端机和信号分配器组成，采用19英寸标准机柜上架安装方式。各设备遵循标准化、系列化、通用化设计原则，颜色、标识、铭牌、把手和接口连接器选择均符合系统设计规范要求。

根据研制方案确定电气功能、性能及使用环境要求，经研究分析整机结构形式和尺寸约束后，初步进行元器件布局、布线和组装设计，合理选用材料、涂镀、加工手段，采用通用件和标准件，简化制造工艺，积极运用成熟技术。后通过软件进行三维实体建模、装配仿真、应力应变分析、热流分析，进一步优化零部件结构。

1.2 多路耦合器

机箱箱体及内部隔板全选用铝合金板，铣削成型，并通过相互搭接、螺钉拧紧固定。选用铝合金板，是因其具有重量轻、加工定位准确、易开沟槽安装固定屏蔽材料、装配拆卸简便、外形美观等优点。

多路耦合器采用模块化设计理念，将防雷电路、放大电路和功率分配电路分别安装在铝合金板铣削成型的屏蔽盒内，构成单独的防雷模块、放大模块和功率分配模块。为便于器件散热，将散热器紧贴机箱左侧板，电源模块紧贴机箱右侧板，放大模块和功率分配模块固定在散热器上，并分别在安装贴合面涂敷导热硅脂。由于电源模块较重，为满足冲击、振动试验要求，设计固定架使其一侧与底板连接，另一侧包住电源与右侧板。防雷模块安装在前隔板预设位置，并与中隔板和后隔板一起组成隔板部件，组装时将其整体插入机箱。各模块用隔板隔开，分别安装在3个相对封闭独立的隔段内，尽可能避免电源与模块、模块与模块间的电磁互扰。多路耦合器结构形式如图1所示。

1.2.1 终端机

箱体是机箱结构的主体部分，是设备功能模块的安装载体，也是机箱结构的集中受力体。根据安装器件的尺寸、重量和位置，同时考虑振动、冲击对结构强度的影响，参考压铆螺钉、压铆螺母柱的铆接装配要求，核算确定各面板材料及厚度。终端机结构形式如图2所示。

终端机由16个解调模块组成，外部线缆通过航空插座进入机箱并通过双绞塑胶线与母板欧式插座连接。由于结构尺寸的限制，一个航空插座需通过8路音频信号或8路串口数据，为避免设备内部多路信号互相串扰，走线及母板设计尽量将多路同类信号线分开。另外所有解调板都安装了背板进行电磁屏蔽隔离、安全防护和固定，以提高电气连接的可靠性。

导轨支撑部件由托板、导轨和连接条构成，主要起约束解调模块自由度的作用，模块的插拔、固定简单方便。

终端机前面板左、右两侧各开设一个进风口，出风口安在后面板中部，风扇装在机箱外侧向外抽风。由于风扇转动把箱内的热空气强制抽出，使机箱内产生负压，吸引机箱外的冷空气由进风孔口进入，从而形成空气交换。为避免导轨支撑部件阻挡、妨碍空气在箱内流通，导轨上设计有导风孔，冷空气经导风孔流过带走解调模块散发的热量。其基本任帐窃谌仍粗寥瘸林间设计一条低热阻的通道，保证热量迅速传递出去，以便满足可靠性要求[1]。另一方面，设计导风孔还起到减轻设备重量的作用。兼顾电磁屏蔽和良好通风的双重要求，通风开口处分别安装了屏蔽通风窗，为进一步提高屏蔽效果，屏蔽通风窗与箱体固定贴合面还粘结橡胶密封丝网组合衬垫。终端机风道设计如图3所示。

1.2.2 信号分配器

以前设计的机箱大多采用零部件搭接、螺钉拧紧固定的结构形式，为满足强度和电磁兼容性要求，完成箱体组装往往要使用很多螺钉，这使得设备拆卸、装配十分繁琐，维修性不好。为解决此问题，信号分配器设计采用插装结构形式，如图4所示。

根据装配顺序将底板插入前面板、后面板、左侧板和右侧板底部对应的沟槽，推动左、右侧板使其与前、后面板互相卡住，然后用螺钉进行固定。把隔板插入箱内使其与底板和后面板配合，分别将滤波器、电源模块和主板模块安装在隔板分开的两个封闭隔段内，尽可能避免电源对主板模块的电磁骚扰。将盖板榫齿插入前面板顶部后面的沟槽中，往前推动盖板使其后端向下插入左、右侧板卡槽，用螺钉将盖板与箱体固定。信号分配器全部零部件共计12个，结构简单，组装方便。

2 某系统电子设备工艺设计

2.1 概述

某系统电子设备环境适应性要求比较苛刻，设计人员不仅要将“六性”设计理念融入、贯彻到研发工作中去，还需清楚产品的工艺流程。电子设备环境适应性主要取决于所选材料、构件、元器件的耐环境能力和结构设计、工艺设计采取的耐环境措施是否合理和有效[2]。装联工人应积极主动地提出合理化建议，配合工艺人员共同完善产品设计，这样才能使设备满足低温、高温、湿热、盐雾、霉菌、振动、冲击、颠震等环境试验要求。

装配、组装质量不仅影响设备外观，而且影响系统的性能，可以说系统的质量直接体现在焊接和组装上。应合理安排装配顺序，注意前后工序的衔接，连接应牢固可靠，安装方向、位置要正确，不损伤设备单元和零部件，不损伤面板等机壳表面涂覆层，确保电性能稳定和机械强度足够。

2.2 通用工艺技术

根据各种材料在实际应用中的表现，内部设计规范应明确禁止使用预镀锌钢板。以前钣金件多采用冷轧钢板，加工后进行镀锌工艺处理，但其防护能力还是偏弱，长时间使用时会产生锈斑腐蚀，相关零件要求全部换成奥氏体不绣钢，新产品设计不再使用冷轧钢板。除钝化处理外，奥氏体不绣钢零件可不再做其他表面处理。

电磁兼容设计应采取主动预防、整体规划、“对抗”与“疏导”相结合的方针[3]。某系统电子设备的箱体材料全部选用铝合金板材，机加工后进行导电氧化处理，使机箱内表面形成理论上连续的导电面。

箱体搭接缝隙处全部安装橡胶芯金属丝网屏蔽条，这种屏蔽条既有很好的弹性，又抗永久压缩形变，在潮湿及盐雾环境中具有很强的抗电化学腐蚀性能。由于屏蔽条有弹塑性，按设计尺寸截取时不要用力拉伸，可先从一端塞入沟槽并顺着按压到另一端再截取，剪切屏蔽条时应使其端头的橡胶芯微缩在丝网内，切忌安装后屏蔽条端头的橡胶芯露出金属丝网很长。

在设备通风开口处安装屏蔽通风窗，利用截止波导原理解决通风和屏蔽这对矛盾。具体设计可参考GJB 1046-1990《舰船搭接、接地、屏蔽、滤波及电缆的电磁兼容性要求和方法》（6.2.2.3截止波导通风孔）。

电源线穿过箱体会使机箱整体屏蔽效能降低，为提高设备电磁兼容性，电源输入接口采用将航空插座与电源滤波器做成一体的结构形式。在滤波器与后面板安装固定面粘接扭角铍铜簧片或导电衬垫，使壳体和机箱贴合并保证接触良好，输入输出线不能靠得太近，引线尽量短且不能交叉，电源线不要与其他电缆捆绑走线。电源输入接口旁边就近设计安装安全的螺栓，并将电源线安全地连接。

带有螺纹连接、压合、搭接、铆接、点焊、单面焊接等组合件，原则上不允许进行电化学处理，不同金属材料组合在一起的部件不能进行溶液处理，这些组合件应尽可能采用涂漆，或分别进行电化学处理后再组装。所有电化学处理都应在零件状态（即非组合件）下进行。

钢铁件在喷涂前应进行磷化处理，铝件喷涂前应进行氧化处理（铸铝合金可采用喷砂处理），以增加涂层附着力。

体积和质量较大的模块、晶振、线圈可用硅橡胶封装或加固管脚。尽量降低元器件的安装高度，缩短其管脚引线。导线穿过金属孔或靠近金属零部件时需用绝缘套管将导线套住，线束的安装和支撑应当牢固，以免使用期间绝缘材料因磨损而短路。电路GND通过金属化螺钉以及对应的阻焊亮铜带和结构件良好搭接，对应的结构件不作喷漆处理。使用不锈钢错齿弹垫、棘爪弹垫、止退螺母等紧固件防止装配松动。

3 结语

随着社会发展及加工技术的进步，产品的结构形式有了很大变化，从单机到系统，从最初主要使用型材、钣金结构发展到数控铣削成型的零件实现形式，精密加工技术已开始影响电子设备的设计和生产。

电子设备的结构及工艺设计是项目研制过程的重要组成部分，直接影响到产品的可靠性、稳定性和品质指标，并不仅是为硬件平台做个外壳那样简单，需考虑多方面的约束因素以选择最合理最可靠的设计技术。综合某系统装备介绍，可了解电子设备的结构形式及设计方法和在工程实际应用时采取的具体措施，对其他电子产品的结构及工艺设计具有一定的指导意义。

某系统电子设备装配拆卸简单，生产维护方便，具备较高的标准化、系列化、通用化程度，符合国家标准有关要求。系统通过公司内部功能、性能测试和第三方电磁兼容试验、环境试验、信道试验验证，所有设备均满足研制方案要求。

⒖嘉南

[1] 邱成悌，赵殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理（修订本）[M].南京：东南大学出版社，2005.

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[Keywords]―fibre composites； light weight； reinforced polyurethane

1.Introduction Fibre-reinforced polyurethane composites renders a high potential for serial production of adaptive lightweight structures. Processing of highly reactive， two-component polyurethane sets in fully massive investment is needed processes enables short cycle times and thus the production of composite components for high-volume applications. In examine to other plastics and composite manufacturing technologies， polyurethane processing methods are characterized by moderate process conditions that favor the integration of additional functional elements like sensors and electronic components.

2.Basic technology Long Fiber Injection various factors in the automotive sector have combined to create a favourable climate for the development of materials and fabrication techniques for polymer-based composite body panels and structures as the case in LFI. [3]. It is specially connivance for high-amount production of large lightweight components， which are applied mainly in automotive industry， modern concepts introduce intelligent parts by integrating sensor networks into the composite. [4-5].

3. Development of the novel Multi Fibre Injection process： For the high-amount making of fibre-reinforced polyurethane combination with combined piezoelectric purpose elements， new multi Fibre Injection spray coat application based on the LFI process is applied. This technology is particularly characterized by the process-prevent generation of integrated piezoelectric functional elements.

3.1General requirements and preliminary studiesFor the generation of a piezoelectricfunctional layer， first suitable piezoceramic components are specified. For thegeneration of a piezoelectric functional layer， first suitable piezoceramiccomponents are spell out. A method for manufacturing a cofired multi-layerpiezoelectric transformer device includes forming first and second greenshapes of a sinterable ceramic composition and applying metallizationlayer there between [7].the sensors have been spoiled mechanically in dynamicthree-point bending and compression tests at a frequency of 1 Hz. The resultingvoltage signals before and after polarization have been quantified. In fig. 4the voltage signal of a piezoelectric sensor with PZT fibres and electrodesmade of tin- bronze is drawn.

Fig.4.electric current （voltage）signalofaprototypicpiezoelectricfunctionalelementduringdynamicthree-point-bending，（a） earlier polarization；（b）afterpolarization

3.3Handlingof electrode structures： The machine automatedhandling， especially gripping and positioning of the specified porous electrodestructures， requires an appropriate handling system. Among different handlingtechnologies， holding by cleaner has been favoured due to its processing flexibilityand gentle handling. In preliminary studies， different vacuum grippers weretested and suitable suction pads have been identified. These holders werespecifically designed for the handling of composites and thin films. Thecomposite holders are operated with pressed air and generate an internalvacuum. Due to a special design utilizing the Coanda effect， gentle handling ofthin- walled structures is given. The chosen suction pads have been tested inextensive studies， using the specified electrode structures. At first， thedistance at which picking of the respective electrodes is possible wasquantified as a function of the applied pressure. Fig. 6 shows the determinedvalues.

fig.6.

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【关键词】机箱；电磁屏蔽；结构设计

1.引言

随着科学技术的迅速发展，现代各种电子、电气、信息设备的数量和种类越来越多，性能越来越先进，其使用场合和数量密度也越来越高。这就使得电子设备工作时常受到各种电磁干扰，包括自身干扰和来自其它设备的干扰，同时也对其它设备产生干扰[1]。在这种情况下，要保证设备在各种复杂的电磁环境中正常工作，则在结构设计阶段就必须认真考虑电磁兼容性设计。如果忽视了这一问题，到新产品使用时，干扰问题就会暴露出来。因此及早地解决电磁干扰问题是电子设备机箱结构设计时必须考虑的重要环节。

2.理论基础

电子设备结构中常见的电磁干扰方式主要有传导干扰和辐射干扰两种，因此电磁兼容（EMC）设计的主要方法有屏蔽、滤波、接地等。

2.1屏蔽

电磁屏蔽是利用金属板、网、盖、罩、盒等屏蔽体阻止或减小电磁能量传播所采取的一种结构措施。常用的方法有静电屏蔽，磁屏蔽和电磁屏蔽。电子设备结构设计人员在着手电磁兼容性设计时，必须根据产品所提出的抗干扰要求进行有针对性的电磁屏蔽设计。屏蔽通常有静电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽三种。

2.2滤波

电路中的干扰信号常常通过电源线、信号线、控制线等进入电路造成干扰，所以对公用电源线及通过干扰环境的导线一般均要设置滤波电路。

2.3接地

接地问题在电磁兼容性设计中也是一个极其重要的问题，正确的接地方法可以减少或避免电路间的互相干扰。根据不同的电路可用不同的接地方法。通常组合单元电路接地有串联一点接地、并联一点接地和多点接地三种方式。整机接地方式也是保障产品电磁兼容性的主要措施之一。由于其功能不同，故电路差别甚大，接地状况也不大相同。一般常用的方法是：将模拟电路、数字电路、机壳分开，各自独立接地，避免相互间的干扰，最后三地合一接入大地，这种方式较好地抑制了电磁噪声，减少了数字信号和模拟信号之间的干扰。

3.机箱EMC的结构设计

一电子设备中的机箱，机箱有电源线、信号线、控制线等的穿入及穿出以及散热用的通风孔、调节用的调节孔、显示窗等，同时机箱也是由多个零件组合而成，各部分的连接处难免有泄漏。如何抑制电磁能从上述因素中泄漏，就成了电磁兼容性的关键。在这里仅介绍几种结构设计中比较简单可行的方法：

3.1缝隙的屏蔽

缝隙指的是连接后要拆卸的，如机箱上下盖、前后面板和箱体的连接缝，这类连接通常用螺钉来紧固。这类情形增加屏蔽效能的途径有如下：

（1）增加缝隙深度，也就是增加箱体与盖板的配合宽度。

（2）在结合处加入导电衬垫或者提高结合面的加工精度，即减少缝隙长度。一般比较经济的办法是在接合面安装导电衬垫。这样既可以减少缝隙泄漏，又不要求接合面有很高的加工精度。

（3）接合面上涂上导电涂料：在用螺钉、铆钉紧固的交叠接缝处，由于配合表面微观上是凹凸不平的，接合面上只能是部分点接触；而导电涂料是一种呈流体状的液体，极易流入缝隙，填补结合面上的不平部位，可显著地改善接合处金属之间的电接触使用时应先把接合面上的不导电物质清除干净。对于那些易遭腐蚀的接缝也可用这种涂料来减小腐蚀。如果接缝的配合表面过于粗糙，孔隙很大，应先用导电填隙料把孔隙填平。导电填隙料具有如同油灰的粘稠性，可像刮底漆那样嵌撵。

（4）缩短螺钉间距：接合面不加导电衬垫时，应在结构可能的条件下尽量增加连接螺钉数量，减小螺钉间距，使缝隙长度相应减小。

3.2通风孔的屏蔽[3]

为了满足机箱内部通风散热的要求，有时必须在箱体上开设通风孔。因此，也必须对通风孔进行电磁屏蔽，这类情形增加屏蔽效能的途径有如下：

（1）窗口上覆盖金属丝网：金属丝网覆盖在通风孔上的结构形式有两种，一种是采用焊接方式安装，这种方法使金属网与屏蔽体之间有良好的电接触，但工艺复杂，金属网性能变坏以后又难以更换，且焊接时易破坏周围的保护层，所以很少采用这种方法。另一种是采用环形压圈通过紧固螺钉把金属网安装在屏蔽体的通风孔上。安装之前，应把配合面上的绝缘层、氧化层、油垢等不导电物质除去，并应安装足够数量的螺钉以获得连续的接触。这种安装方式，只要在结构和工艺上仔细考虑，即可使金属网与屏蔽体之间获得良好的电接触，所以应用比较广泛。

（2）用穿孔金属板作通风孔：用许多小孔代替大口径的通风孔是提高屏蔽效能的有效方法，它可以直接在屏蔽体上开许多小孔，亦可单独制成穿孔金属板安装到屏蔽体的通风孔上。与金属网相比，穿孔金属板的特点是屏蔽体性能稳定，因为它不存金属编织网固有的网丝交叉点接触电阻不稳定的问题。在屏蔽壁上直接开小口径通风孔，具有结构与工艺简单、成本低等优点，实际应用已较普遍。

（3）采用截止波导式通风窗：金属丝网和穿孔金属板在较高频下屏蔽效能都要下降， 特别是当孔眼尺寸与电磁波波长可比拟时，则孔眼将引起严重的泄漏。在较高频以上，欲有高的屏蔽性能，且通风良好，可采用截止波导式通风孔板(如蜂窝状通风孔板)，它与金属丝网和穿孔金属板相比有如下优点：工作的频段宽，即便到微波频段仍有较高的屏蔽性能；对空气的阻力小，风压损失少；机械强度高，工作可靠稳定。

3.3表头孔的屏蔽

电子设备的机箱面板上往往装有指示电参数的表头，安装表头需在面板上开相应尺寸的孔。为防止从表头孔中泄漏电磁能量，结构上有两种方法可供选用：

（1）在表头背面进行附加屏蔽，且在面板和屏蔽体之间加入导电衬垫以减少缝隙，改善电接触，穿入屏蔽体的表头引线由装在屏蔽体上的穿心电容引入，使引线感应的干扰信号旁路到地。

（2）表面上覆盖导电玻璃：表面覆盖导电玻璃盖时，必须确保导电玻璃的导电层与面板有良好的电接触，通常在连接处加入导电衬垫。由于导电玻璃主要对电场和高频电磁场有屏蔽作用，所以表头本身最好具有屏蔽作用，或者采用带有细金属网夹层的导电钮子开关和指示灯的附加屏蔽玻璃，这样对磁场也有一定的屏蔽效能。

3.4开关、指示灯的屏蔽

电子设备的机箱面板上均装有电源开关或工作状态的转换开关。较常用的有两类，一是钮子开关，二是按钮开关。它们都可以泄漏电磁能量。钮子开关的防泄漏安装结构是在面板与开关端面间衬入导电衬垫。按钮开关和指示灯的防泄漏可采用附加的屏蔽罩。引线的穿入处应采用穿心电容或插针式滤波连接器，防止电磁能量通过引线泄漏。较简单的指示灯屏蔽可在灯罩上覆盖导电玻璃。并使导电玻璃与面板保持良好接触。

3.5显示屏的屏蔽

带有阴极射线管的电子设备，如示波器、计算机终端监视器等，在阴极射线管的开口处电磁能量很容易泄漏，把阴极射线管的屏蔽罩与机箱连成一个整体，并保持电气上的连续性。若阴极射线管屏蔽罩采用铁磁性材料，则能有效地实现磁屏蔽，使显示的图像不受周围杂散磁场的影响。对于信息处理设备的终端显示器而言，由于它的主要目的是防止信息的泄漏，采用上述屏蔽措施是远远不够的。对于信息设备的显示器，防止周围干扰磁场不是主要目的，关键是要防止信息从显示器屏幕的开口处向外界泄漏，所以必须对显示器屏幕进行屏蔽。它还要求屏蔽层有一定的透光性，不影响观察。常用的方法有两种：

（1）屏幕上覆盖导电玻璃或导电塑料，使导电玻璃的导电层与机箱有连续的电接触。这种方法对屏蔽电场和平面波场较为有效，但对磁场几乎没有屏蔽作用。

（2）屏幕上覆盖金属丝网或导电玻璃与金属丝网的复合层。要求金属网不影响观察，为了提高屏蔽效能，最好把交叉点都焊上。采用金属网与导电玻璃复合层既能屏蔽磁场(交变的)，也能屏蔽电场和平面波场。

3.6电源线的处理

屏蔽机箱的电源线必须通过电源滤波器才能引入机箱，滤波器应有良好的屏蔽。安装时要注意两点：

（1）滤波器应安装在电源线的入口处。

（2）电源滤波器的安装不能破坏机箱的屏蔽，因此滤波器屏蔽罩必须与机箱壁板有连续而良好的电接触。

3.7保险丝座的屏蔽

单个保险丝座的屏蔽用金属帽盖把保险丝座覆盖起来，帽盖内装弹性簧片使其与机箱有良好的电接触。多个保险丝座的屏蔽把设备的所有保险丝集中起来，用附加屏蔽罩将其屏蔽，附加屏蔽罩的结构和安装与表头孔的附加屏蔽相似。

4.总结

电磁兼容性（EMC）是系统设计中不可忽略的问题，直接影响到系统设备工作的可靠性、稳定性和品质指标。本文所述的方法是从设备结构设计方面考虑的，涉及到屏蔽、滤波、接地等有关的问题，与电路设计相辅相成，缺一不可。在实际设计中，应根据各干扰源的性质及设备所处的工作环境，与电路设计人员一起采取相应的措施。同时，在结构设计中要充分注意采取措施的稳定性与持久性，避免代价昂贵和费时的返工，从而取得最佳设计效果。

参考文献

[1]江坚. 船载雷达机柜的电磁兼容设计[J]. 电子机械工程，2001，94(6)：43-45.

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【关键词】电子设备；支架

0 引言

随着微电子技术和微计算机技术的快速发展，越来越多的电子设备被应用于民用飞机。在飞机的设计过程中，设计人员需根据各类电子设备在飞机上的安装位置设计相应的安装支架，来满足电子设备安全性、可靠性和维护性的要求。本文针对某型飞机的典型电子设备设计安装支架，并进行强度分析，验证支架强度的可靠性。

1 支架结构设计

该电子设备安装于3MCU自然冷却标准设备托架上，标准托架前后各有一个安装点。设备安装支架设计过程中，设置两个几字型支架用于标准设备托架的连接，两个几字型支架通过和四个组合式的L型支架连接，最后通过四个机加角盒与主结构连接，如图1所示。因为该设备布置于地板下且靠近蒙皮的两个隔框之间，因而四个机加角盒分别通过与框腹板和地板支柱连接，将载荷传递的机身上，如图2所示。

2 材料属性

设备安装支架选用的材料及相应力学性能见表1，其中σb表示材料拉伸极限；σmax表示模型最大等效应力；σbru表示材料挤压极限；表示材料弹性模量。

3 边界条件

支架静强度分析需考虑飞机地面载荷过载包线、飞行机动载荷过载包线、飞机动d荷情况过载包线和飞机应急着陆情况惯性过载。本文参考该机型相应的载荷数据，整理后得到设备安装支架静载荷包线过载系数，见表2。

本文根据运输类飞机适航标准CCAR-25-R4中25.561（b）（3）条款，得到应急着陆下，设备安装支架载荷过载系数，见表3。

综合考虑上述载荷数据，由于侧向的过载大小相等，方向相反，因此只计算向左的情况；向后的过载大大小于向前的过载，向上的过载大大小于向下的过载，因此本文不将向后和向上的过载作为分析工况，得到如下分析工况，见表4。

4 强度分析方法

5 有限元模型

建立支架的有限元模型，其中支架结构采用四边形shell壳单元；设备用CONM2单元模拟，惯性力以加速度的方式加载，质量单元通过RBE3（设备刚度极大时则使用RBE2）施加于结构件上；在支架与主结构连接位置用SPC约束，约束自由度为123，作为边界条件，见图3。

6 结果分析

结论：支架在以上3种工况下，最大应力值为89.52Mpa，发生在LC2工况，结构零件在各个工况下安全裕度大于0，满足强度要求。

【参考文献】

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关键词：电磁干扰；电磁屏蔽；屏蔽效能

引言

随着电子技术的发展，电子设备的干扰问题也越来越严重；因此，电磁兼容设计已经成为电子产品设计中一项十分重要的内容。在电子设备中，电磁干扰能量一般通过传导性耦合和辐射性耦合两种方式来传输。设计时，通常对传导性耦合采取滤波方法加以抑制；而对辐射性耦合则采用电磁屏蔽措施予以控制。

电磁屏蔽是解决电子设备电磁兼容问题的重要手段之一，大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决，特别是随着电路工作的频率日益提高，单纯依靠线路板设计往往不能满足电磁兼容标准的要求。电子设备的屏蔽设计与传统的结构设计有许多不同之处，一般地在结构设计时如果没有考虑屏蔽问题，很难满足电磁兼容性要求。所以，在设计电子产品时，必须从一开始就考虑电磁屏蔽问题。

电磁屏蔽

电磁屏蔽主要是用来防止高频电磁场的影响，从而有效地控制电磁波从某一区域向另一区域进行辐射传播。基本原理是采用低电阻值的导体材料，利用电磁波在屏蔽体表面的反射、在导体内部的吸收及传输过程中的损耗而产生屏蔽作用。

电磁屏蔽的目的就是抑制电磁噪声的传播，使处在电磁环境中的仪器在避免电磁干扰(EMI)的同时也不产生电磁干扰，通常采用导电性、导磁性较好的材料把所需屏蔽的区域与外部隔离开来。

屏蔽体的有效性是用屏蔽效能来度量的，屏蔽效能定义为：在电磁场中同一地点没有屏蔽存在时的电磁场强度E1与有屏蔽时的电磁场强度E2的比值，它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度。用于电磁兼容目的的屏蔽体通常能将电磁波的强度衰减到原来的百分之一至百万分之一，因此通常用分贝来表述屏蔽效能，这时屏蔽效能(SE)的定义公式为：

SE=201g(E1/E2)(dB)式中E1是没有屏蔽体时测得的场强，E2是有屏蔽体时测得的场强。

屏蔽效能越高，每增加20dB的难度越大。民用设备的机箱一般仅需要40dB左右的屏蔽效能，而军用设备的机箱一般需要60dB以上的屏蔽效能，TEMPEST设备的屏蔽机箱的屏蔽效能要达到80dB以上。屏蔽室或屏蔽舱等往往要达到100dB，100dB以上的屏蔽体是很难制造的，成本也很高。

机箱的电磁屏蔽，不仅取决于构成机箱的材料，而且取决于机箱的结构，即首先要选用高导电、导磁特性的材料作为屏蔽材料，其次要保证机箱导电的连续性。但实际屏蔽机箱的屏蔽效能在很大程度上取决于穿过机箱的导线，特别是穿过机箱的电源线。因此要重点解决电源线的屏蔽问题；当设备由外部电源单独供电时，设计时可不考虑电源线的影响，但应解决好电源输入接口的电磁干扰问题。

本通信终端采用外部独立电源供电，内部附加电源模块。因此，在结构设计时只考虑通信接口。电源输入、键盘、显示屏及上下部分结合处的电磁屏蔽问题。

电磁屏蔽设计

箱体的屏蔽

整机结构由上盖和底座两部分组成，如果仅靠上盖与底座直接接触，接缝处的接触很难连续，屏蔽效能大受影响。为保证接缝的连续密封性，可加装带导电微粒的硅橡胶密封条。上盖、底座接缝处的结构采用图1所示形式，这样不仅可以提高屏蔽效能，还可以提供可靠的环境密封。同时为了避免上盖、底座两部分的相互干扰，设计时用一屏蔽盒将整个上盖里的电路模块、元器件、部件等罩住，这样使维修更方便。

显示屏的屏蔽

终端采用液晶显示器，因面板开孔尺寸较大，故正面显示区域采用透明的屏蔽玻璃，一般有三种方式：

1)在透明基片上镀导电膜；

2)在透明基片上贴成品导电膜；

3)在两层透明基片中间夹金属丝网。

其中金属丝网夹芯型玻璃具有最好的屏蔽效能，但只有65％～80％的透光率，并且由于丝网产生光栅衍射的问题，需要与显示屏配用，调整偏振角度后使用。性价比高的是第一种方式，可选用聚丙烯、玻璃作基片，其重量轻，抗振性好，安装时需注意把有镀层的一面装在终端内侧以防止划伤，并使镀层与面板周围导电涂层良好接触。

这里采用第三种方式，安装时先将普通橡胶条粘在显示窗内壁四周，再将金属丝网夹芯型玻璃粘在橡胶条上，同时用导电胶粘好金属丝；然后用减震垫及金属压板将金属丝网夹芯型玻璃压紧，最后安装显示屏。安装屏蔽玻璃时，一定要将金属丝网紧贴显示窗内壁，保证接触处没有缝隙，以防电磁泄漏。

屏蔽玻璃安装完毕，待粘胶凉干后再装显示屏。为了防止终端内部电路的干扰，最后用屏蔽盖把显示屏包围起来。

键盘的屏蔽

本终端键盘采用硅橡胶专用键盘，安装在上盖表面，开口较多，易引起电磁泄漏，降低屏蔽效能。因为孔缝对电磁波的衰减与干扰波波长及孔缝尺寸有关，一般应使孔洞的尺寸远小于电磁波的波长，只要孔缝的直径足够小，就能够达到所要求的屏蔽效能。但一般按键的大小、排列应符合人们的操作习惯，按键太小使用不方便，故这里主要采取安装屏蔽罩的方法来减少电磁泄漏。

通信接口、电源输入插座的屏蔽

终端的通信连接器及电源输入插座安装在底座侧面，需要在侧面开口。为防止在开口处形成电磁泄露，可以在这些元件的后面装屏蔽罩，穿过屏蔽罩的引线加装穿心电容，焊接时引线通过穿心电容穿过屏蔽罩与元件相连。对于引人的电源插座，采用穿心电容实现电磁屏蔽。

由于连接器与终端的接触阻抗比较大，使得屏蔽电缆的共模传导发射变大，为了防止由此引起的辐射超标，在连接器(插座)与底座以及屏蔽罩之间安装导电衬垫，这种衬垫材料经模切压成，垫在连接器(插座)与屏蔽罩之间，具有良好的电接触性能，能有效地控制该处缝隙泄漏。连接器、电源插座屏蔽结构设计如图4所示。

设计时还可直接选用带电磁屏蔽功能的连接器，此时应着重考虑I/O连接的屏蔽，如采用带金属丝屏蔽层的导线、扁平双绞

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[关键词]Icepak软件；设备

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）17-0212-01

自从1948年半导体器件问世以来，随着电子元器件的小型化、微小型化和集成技术的不断发展，其设备的组装密度和功率密度也在迅速提高。集成电路的热流密度由上世纪80年代的约10W/cm2，上升至目前芯片级的热流密度为100～300W/cm2。

电子元器件热流密度的越来越高导致了其温度的不断上升，从而引起了电子设备故障越来越多。据统计超过55%的电子设备失效是由于散热问题引起的。而在电子设计行业一般都参考“10℃法则”，即当组件温度每升高10℃时，其失效率往往会有一个数量级的增加。因此做好电子设备的热设计对提高产品的可靠性具有重大的意义。

1.电子设备热设计的步骤和方法

随着热设计仿真分析软件在国内的不断推广与使用，设计人员可以在产品开发的前期就初步确定热设计方案，然后对整个方案进行分析。热设计仿真软件可以快速准确的生成系统热分析的结果，为设计人员提供诸如风扇的选型、风道的设计、热源的布局、系统的优化等等的参考依据。现在我们仅仅花费几个小时的时间，就可以得到复杂系统的热分析结果。这与过去传统热设计需花费数天甚至数周的时间相比，无疑是一个巨大的进步。

Icepak是美国Fluent公司开发基于计算流体动力学（CFD）和有限体积法的专业电子设备热分析仿真软件。它广泛的应用于通讯、汽车及航空电子设备等领域。由于采用了统一的集成化界面，用户可以在较短的时间里将该软件应用到实际的设计分析中。

Icepak软件具有以下特点：

*可以分析各种流体状态，如自然对流、强迫对流、混合对流、层流、湍流等。也可以进行热传导、热辐射的分析。

*可以分别对封装级（元器件级别）、组件级（电子模块、散热器、PCB板等）、系统级（电子设备机箱等）进行热分析。

*具有强大的自动网格划分功能，可以划分连续非结构网格、结构网格、非连续非结构网格。

*具有Zoom-in功能，可以对模型进行局部放大，然后详细建模分析。

*具有强大的后处理功能，可运用图表显示的方式来查看结果。

2.电子设备热设计实例

以某电子设备为例，热设计要求为：设备在50℃的环境温度下，芯片的最高温度不超过85℃。在设备内部有一个封闭模块的印制板上主要分布有5个芯片，每个芯片的热损耗功率均为3W。由于发热芯片都集中在一个很小的密封空间里，发热量也比较大（共15W），简单的加装针形散热块，依靠自然对流来散热的方法是行不通的。因此我们在设备后面板加装一个轴流风扇，对设备进行强迫风冷（如图1所示）。

用Icepak对设备进行热分析和温度场模拟，以确定散热块及热设计方案是否满足设计。

通过Icepak软件仿真，我们可以发现在50℃的环境温度下，芯片的最高温度为81.3℃（如图2所示），满足设计要求。

整机的温度场分布如图3所示：

3.小结

利用Icepak提供的强大的传热计算功能，可以方便的模拟出不同几何形状、不同散热介质、不同散热条件下的电子设备的内部温度场， 从而可以快速的验证设计方案是否可行， 并判断所选的大功率器件、散热器及散热方式否能满足设计目标， 便于问题分析解决及重新设计

参考文献

[1] 邓元望，袁茂强，刘长青.传热学[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[2] 赵殳.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3] 徐波.电子测量仪器的热设计[J].电子质量测试技术卷，2006（7）.

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【关键词】 PLC 电磁兼容性 电磁干扰

【Abstract】 The paper analysis the electromagnetic compatibility and electromagnetic interference of the electrical control cabinet for PLC （programmable logic controller） system， In order to solve the electromagnetic compatibility and electromagnetic interference and puts forward the scheme of structure design of PLC electrical control cabinet with project specific requirements， Success in solving the problem of structure design of the practical application of the PLC control cabinet.

【Key words】 PLC； EMC；EMI

PLC（Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器）系统及相应的数控电子、电气产品随着技术的不断进步，PLC在工业领域中的应用日渐广泛，因而对PLC电气控制柜的结构设计也提出了更高的要求。首先设备是在较为复杂的工况电磁环境中运行，因而要求设备在实现设计的工作性能时，不因电磁干扰而影响各项性能指标；其次所涉及的设备不能干扰临近电子设备。这项要求为电子产品提出了一项重要指标――电磁兼容性。随着PLC控制柜内产品复杂度及产品数量的提高，在机箱的结构设计阶段必须充分地考虑到电磁兼容性问题，对于促进机箱结构设计的质量是很有必要的。本文通过对PLC控制柜内的电磁兼容性和电磁干扰的分析研究，并结合几种实际项目对控制柜的元器件种类、数量以及控制柜尺寸限制条件等的具体要求，提出了几种具有针对性的控制柜结构设计方案。这些方案在满足具体电气设计要求的同时也充分考虑了电磁干扰和电磁兼容性，实现了PLC控制柜的结构设计既能保证抗干扰的同时，又能保证电气原理以及施工和维护的便利性，同时也需要兼顾节约能源和成本等因素。

1 电气控制柜电磁干扰分析

1.1 电磁兼容性与电磁干扰

电磁兼容性的英文缩写为EMC（electromagnetic compatibility），它是指：设备在共同的电磁环境中能在不降低任何性能指标的前提下正常工作。PLC电气控制系统各功能单元同在一个机柜之内，那么就要求这些功能单元在独自运行过程中相互适应。因而在PLC电气控制系统结构设计中首先要控制各功能单元的电磁发射，其次也要保证各功能单元不受外界电磁辐射的干扰。

1.2 自生干扰

自生干扰是指PLC设备内部各功能单元之间通过电磁辐射及电路连接而产生的干扰， 这些干扰表现为：PLC（Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器）系统各功能组件及相应的数控电子、电气部件间的电磁干扰；印刷电路板上的线间电容和级间漏电造成的干扰；PLC设备各功能单元内部产生的高频辐射，影响元器件本身或者其它元器件的稳定性造成的干扰。

1.3 入侵干扰

入侵干扰是指PLC电气控制柜系统以外的因素对PLC电气控制系统产生的干扰， 主要包括以下几种情况：外部高电压设备通过共用的电源及公共接地线对PLC电气控制柜系统产生的干扰；外部高频高压设备在空间产生的强磁场，通过辐射对PLC电气控制柜系统产生的干扰；由于设备散热而引起的PLC电气控制柜系统的功能单元性能改变致使整机功能难以实现或性能指标下降；各功能单元的供电电路通过电源变压器、开关电源及逆变器等产生的干扰。

1.4 电磁干扰的形成

（1）沿电路的连接线（电源线、接地线或信号线）形成的电磁干扰。这种干扰可称为连线干扰或直接干扰。连线干扰或直接干扰，在电路设计之初就应加以考虑，因为它是不可避免的。一旦电路设计定型这种干扰就存在了。（2）间接干扰是指空间周围辐射源通过空间传播形成的电磁干扰。干扰源的辐射功率的分贝数如果大于PLC电气控制柜系统中具有增益功能电路的增益分贝数，那么这种电磁干扰即形成了。此外电子设备机箱还存在着结构位移场、电磁场、温度场之间相互影响、相互耦合。这些也应在电磁兼容性中加以考虑。

2 电气控制柜的电磁屏蔽

电磁屏蔽显然是使PLC电气控制柜设备免受干扰的最有效的方法。干扰源、耦合途径和感受器（ 敏感装置） 构成了电磁干扰的三要素。电磁兼容性设计内容包括： 限制干扰源的电磁发射、控制电磁干扰的传播及增强敏感设备的抗干扰能力。因而电磁屏蔽是电磁兼容性设计的极其重要的环节。

2.1 电磁屏蔽的基本原理

根据电磁学的基本原理凡导电和导磁性能良好材料构成的封闭壳体具有电磁屏蔽功能。利用该原理来控制电磁干扰，抑制电磁感应和辐射的传播。目前我们生产的PLC电气控制柜设备都有金属支撑架和金属外壳体，它一方面具有机械结构功能，另一方面还兼有电磁屏蔽的功能。这种电磁屏蔽是符合电磁兼容性设计原则的。这种电磁屏蔽可防止PLC电气控制柜设备的电磁辐射造成对外电磁环境的污染。同时可避免PLC电气控制柜设备在外界电磁干扰下，无法正常工作和性能指标的下降。因此， 机箱对PLC电气控制柜电磁兼容性能的影响是十分大的。有效地电磁屏蔽可以提高抗干扰能力，实现电磁兼容。为实现设备的正常功能通常采取的屏蔽措施有：静电屏蔽，主要用来屏蔽静电场和恒定磁场；以及电磁屏蔽，主要用于屏蔽交变电场、交变磁场以及交变电磁场。

2.2 电磁屏蔽的基本要求

通过上述分析可以给出一些电磁屏蔽设计的基本要求：（1）在屏蔽材料的选择上一定选用导电性和导磁性良好的材料。如果两种性能不能兼顾，可采用电场屏蔽和磁场屏蔽分别屏蔽的双层屏蔽的结构来解决。因为导电性好的材料可有效地屏蔽电场波，而导磁性好的材料可有效地屏蔽磁场波。（2）由于屏蔽磁场要求屏蔽体一定远离磁场源，所以要求屏蔽体和被屏蔽的电路间留有相应的空间。（3）对于1kHz以下的频率很低的磁场，应采用高导磁性的材料进行屏蔽，常用的材料是含镍80%左右的坡莫合金。

3 电磁屏蔽在电气控制柜结构设计中的应用

PLC电气控制柜在结构设计中应充分考虑电磁屏蔽，以保证控制柜内的各个设备元件正常稳定工作。PLC电气控制柜的干扰主要由两个部分组成：一是来自外界的干扰，屏蔽外界干扰最主要的途径是通过柜体来解决的；二是来自内部元器件之间的干扰，屏蔽这种干扰主要是通过元器件之间的相对隔离来实现，在实际应用中主要有两种隔离方式，隔离方式的不同取决于元器件的安装方式、数量以及柜体尺寸大小。

3.1 一般形式的PLC控制柜的结构设计

在PLC电气控制柜在结构设计中一般主要采取以下措施：（1）控制柜体采用不锈钢（Q235）材料，柜体采用框架式结构；框架式结构便于柜内元器件的安装同时提高了机柜整体的强度和稳定性，而不锈钢材料一方面可以保证柜内的电子原件不受外界的电磁干扰影响正常工作，另一方面也增加了柜体的结构强度。（2）一般的PLC控制柜采取的是一块底板式安装，控制柜内设备垂直于安装底板安装，安装底板固定于柜体框架上；因此，为保证控制柜里的核心元件――PLC模块，不受其它设备的干扰，需要将PLC模块集中安装于电气控制柜的上部，与其它电气设备保持一定的电气距离，并且周围布置走线槽，从而减少了其它元器件对它的干扰影响，保证PLC的稳定运行。（3）如果控制柜内还有其它强电设备（如变压器、变频器等）等，这些设备在启动和运行时，都将产生不小的电磁干扰，因此需要将这些设备安装于控制柜底部尽量远离PLC模块。同时也需要将这些强电设备与弱电设备（信号转换器、DC电源等）分别安装在控制柜内不同区域，各器件周围必须保证一定的接线距离以及线槽布置，保持接线距离和布置接线槽在这里也起到了一定的抗干扰作用，空间允许的情况下，应该尽量将各类器件分域区布置。图1为一般情况下设计的PLC控制柜的布置图。

控制柜尺寸2100×800×600（高×宽×深，单位mm），控制柜中使用1块安装底板，安装底板上划分了7个区域（区域间由线槽隔开），各个区域的元器件如表1。

综上所述，由于考虑到PLC模块与其它设备间的干扰问题，在控制柜结构设计中，需要保证PLC模块与其它设备之间的安装距离，因此控制柜的空间则不可避免的需要更大。

3.2 特殊形式的PLC控制柜的结构设计

在实际应用中，往往会有特殊的项目要求，如隧道内的区域控制器项目的箱体大小受到隧道洞的限制，高架项目的箱体大小受到安装法兰大小的限制，挂壁式的箱体大小受到立柱大小以及抱箍位置的限制，都会对控制柜的大小尺寸有比较严格的要求。需要在狭小的控制柜空间内安放下PLC模块、开关电源、光端机、变压器、BBC广播功放等设备并保证其正常工作，这就对控制柜的结构设计提出了新的要求，一整块安装底板的安装方式和单独依靠增加设备间距来降低干扰的方式对这些项目的控制柜就不适用了。因此，在这些项目的控制柜的设计中需要采用一些特殊的结构设计方案，使得控制柜根据项目需要更加应地制宜，已达到项目预期的目的。

3.2.1 条架式的PLC控制柜的结构设计

对于强电设备较多而控制柜尺寸较大的PLC控制柜，可以采取以下方式：将柜内各个设备分别（或分类）安装在控制柜内不同区域并使用不同安装底板固定，安装底板使用覆铝锌板，厚度1.5～2.5mm（根据设备元件的重量选择不同的厚度）。采用独立的安装板可以有效的减少设备之间的电磁干扰，保证了设备的正常工作。这种结构设计还可以有效的提高施工和现场维护的效率：需要维护的时候只需拆下相应的条架即可，不需要整个底板都卸下，节省了人力物力；而条架安装件上下各翻两道边，在大小满足器件的同时强度依然可靠。图2为条架式设计的PLC控制柜的布置图。

控制柜尺寸2100×1600×600（高×宽×深，单位mm），控制柜中使用8块安装条架，每块安装条架上的元器件如表2。

3.2.2 抽屉式的PLC控制柜的结构设计

对于强电设备较少（或没有）而控制柜尺寸较小的PLC控制柜，可以采取抽屉式安装的设备安装方式。各个抽屉之间相互有金属隔板（Q235或覆铝锌板材）隔离，厚度1.5～2.0mm左右，PLC模块与其它设备分别安装于不同的“抽屉”中。由于不同的区域相对独立，这样就有效的隔离了PLC模块以及其它设备之间电磁干扰，另外通过金属隔板来隔离干扰效果明显优于线槽等PVC材料以及拉大器件间距等的阻隔效果，无论从硬度强度还是节约空间和材料方面来说都有明显的优势。采用这种安装方式也便于日常的维修和检查工作：在检修某一区域设备时不会影响到其它区域的设备。该形式的安装方式目前在车道控制器的项目已得到了广泛的应用并收到了很好的效果。图3为抽屉式设计的PLC控制柜的布置图。

控制柜尺寸800×500×350（高×宽×深，单位mm），控制柜中设计了3个安装区域（抽屉），每个安装区域里的元器件如表3。

3.2.3 双层式的PLC控制柜的结构设计

对于设备较多而控制柜尺寸较小的PLC控制柜，可以采用另一种新颖的布局方式：双层安装板的布局形式。不同于抽屉式的上下结构安装，双层结构是在除了安装底板以外，采用金属立柱和铰链或合叶等布置一块与底板平行的安装板（隔板采用覆铝锌板，厚度1.5～2.0mm），将需要屏蔽的元器件装在这块安装板上。由于有一层安装板的隔离，起到了屏蔽的目的。由于采用铰链或合叶的立柱的形式，不会影响现场维护人员进行维修和车间人员进行安装接线，随时可以摇动的安装板，给施工带来极大的便利。采用这种安装方式可以有效的利用控制柜内有限的空间，既能做到在有限的控制柜内摆放大量的元器件，又可以较好的解决设备之间的电磁干扰问题。图4为双层式设计的PLC控制柜的布置图。

控制柜尺寸930×600×320（高×宽×深，单位mm），控制柜内“A”、“B”2个安装底板在第一层，“C”、“D”、“E”3个安装底板分别通过铰链和合叶安装在第二层，每个安装区域里的元器件如表4。

4 结语

实际项目的具体要求复杂多样，对PLC控制柜的结构设计也提出不同要求，通过对电磁干扰和电磁兼容性的分析研究，可以在结构设计中针对不同的要求实现保证电气原理和抗干扰兼顾的同时更好的做到提供施工和维护的便利性以及节约能源和成本等因素。

参考文献：

[1]冯慈章，马西奎.工程电磁场导论[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]区健昌.电子设备的电磁兼容性设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

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【关键词】星载电子设备 热设计 优化设计 Sinda/Fluint

1 引言

相对于地面电子设备，星载电子设备具有不可维修的特点，这对星载电子设备的可靠性提出了很高的要求，随着高性能芯片的应用，星载电子设备的集成度越来越高、热流密度越来越大，热设计作为可靠性设计的重要组成部分日益受到工程设计人员的重视。在实际工程中，星载电子设备的热设计往往只局限于热分析阶段，仅仅是用热设计软件对结构设计及电路设计的结果性进行验证，最终得到合理或不合理的结论，热设计结果对产品设计本身没有起到应有的指导意义。通过将热分析模型完全参数化，再应用热设计软件的优化设计功能，针对某个参数，在目标函数的指导下进行优化，能够在满足温度、结构强度、抗辐射、电磁兼容等方面指标的情况下，使设计结果最优。

2 星载电子设备热设计概述

星载电子设备在整个生命周期中要承受运输、发射、上升段以及在轨运行等阶段的热环境。其中，在轨运行阶段的热环境对设备的热影响最大，安装于卫星内部的电子设备受到周围器件和卫星腔壁的热辐射以及自射热耗散的热影响，安装于卫星外部的电子设备则面临轨道外热流等更加严酷的热环境，与空间站、载人飞船内的设备不同，星载设备大部分处于真空环境之中，只能通过导热及辐射的方式传递热量。

2.1 热特性

宇宙空间的背景温度为4K，由黑体辐射的斯忒藩-玻耳兹曼定律可知，两物体间的辐射换热量与物体开氏温度4次方的差值成正比。因此，对于直接暴露于空间中的设备，辐射换热将对其温度产生巨大影响。而安装于星内的电子设备，其周围其它设备的壳体温度一般控制在-15℃～+50℃，与自身温度相当，辐射换热对其温度影响较小，热传导是其主要的传热方式。

2.2 热设计的主要任务

星内电子设备主要的热问题是热量的排散，如何在热源与热沉之间建立有效和可靠的传热路径是热设计的主要任务，主要的方法是用高导热率的材料或设备将热源与热沉相连，如用导热板、导热索、热管等，在温度稳定性要求较高的情况下还常使用相变储热材料、热电制冷装置等，星载设备除行波管、电源等设备具有较高的温度要求，需要采取主动热控措施外，大部分设备均以被动热控制为主，依靠良好的导热及自身热容量能够保证自身的工作温度要求。

2.3 热设计方法

在热控系统设计中，热分析技术与热设计技术相辅相承，定性的热设计必然要有定量的热分析，甚至在热实验过程中，也要应用热分析技术预测温度、激励响应时间以及进行参数的调整等。热分析计算结果与试验结果相比较，偏差一般5℃～10℃，修正后可达3℃～5℃左右。

热分析软件有两个发展趋势，一是扩大热模型和数学模型的能力和易用性，改进算法，改善界面；另一个方向是基于数据库和网络技术的发展，热分析过程直接融合在热设计的过程，热模型可以自动生成并可与其它模型互换。常用的电子设备热分析的软件主要有Flotherm、IcePak等CFD软件，在针对星载电子设备进行热分析时，需要通过用网格将求解区域划分成若干大小不等的单元，如果模型中没有对流换热，则网格中将产生“空”单元，不影响计算结果确占用计算资源。用于航天器热分析的Sinda/Fluint软件，基于有限差分法（FDM），并支持节点网络模型，求解速度大大超过同类软件，它的辐射分析模块RadCAD使用改进的Monte Carlo方法，完全基于真实几何表面，具有强大的辐射换热分析能力，更加适用于星载电子设备的热分析及热设计。

3 实例分析

某设备机箱由4个屏蔽盒及一个基座组成，4个屏蔽盒并排插在基座中，与位于基座中的PCB板插接，以实现模块间通信，其结构如图1所示，屏蔽盒与基座通过螺栓连接，元器件的热量可通过多种途径向外传递，如图2所示。

3.1 热设计

由设备的导热路径可知，发热器件与屏蔽盒之间的导热以及屏蔽盒与基座之间的导热是热量传递是关键环节。器件通过与屏蔽盒相应位置上的凸台接触实现热量的疏导，接触面加导热硅脂及导热垫，屏蔽盒两端与底座接触，为保证屏蔽盒与底座之间的接触良好，在接触面加铝制导热衬板，削弱屏蔽盒形变对接触热阻的影响。图3为屏蔽盒导热示意图，图中红色加粗部分为主要热接触面。

设备总功耗约为45W，在此热设计方案下，用Sinda/Fluint建立简化的热网络模型（发热元件采用双热阻模型）进行热仿真计算，热沉温度45℃时的部分结果如图4所示，由图可见，温度满足最高结温要求。

3.2 热模型的完全参数化

按功能将模型中涉及的参数进行划分，主要包括：材料参数（Material Property）、环境参数（Environment），工况参数（Case Variable）、载荷参数（Heat Load）、位置尺寸参数（Position）以及常量（Constant）等，模型中的参数组成如图5所示。

在计算时可建立不同的工况（Case），在每个工况中可对模型中的任意参数进行变更，如对环境温度进行改变，如图6所示。

4 结论

本文通过实例分析，说明Sinda/Fluint做为航天器热分析软件同样能够应用于星载电子设备的热分析及热设计，随着星载电子设备所处空间环境的多样化以及集成度与功耗的增大，Sinda/Fluint在星载电子设备研发过程中必将发挥更重要的作用。

参考文献

[1]方志强，付桂翠，高泽溪.电子设备热分析软件应用研究[J].北京航空航天大学学报，2003（08）.

作者单位

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关键词：设备安装；民用航空；电气设备架；冷却系统

民用航空电子电气设备架的科学设计十分关键，它关系到航机的出行安全。在现在的电气设备架中，通常会采用多功能的设计方式完善其电气设备。同时，在电子系统的设计上，要保证其实用性和可靠性。而设备安装设计能够优化其性能，所以，在设备安装设计中，全面分析电子电气设备架是十分关键的。

1设备安装的主要技术要求

1.1维护可达性在早期的机载电子设备的设计阶段，要考虑设备维护初期的可达性。在安装了设备后，更容易更换，且容易接近。在安装的过程中，要有明确的标识，保证设备的外形尺寸、电气连接等各种相似的连接器不会轻易发生错误。对于设备架的各种设计，需要考虑为维修中可能用到的东西留出一定的空间，以便维护人员能够更换设备。因为在与设备相连接的各线束的连接点都有可能会发生故障，比如分里面上的转接插头和设备后部安装的插头。对于设备的安装设计，要想在排除故障时方便各连接点之间的相互接近，就要充分考虑电气各连接部分的内容，以实现可达性。1.2设备的电气连接设备中插头和线束的安装都被包含在设备的电气连接中。设备的安装、拆卸和插入的感应能力、连接器、接触器、电缆的连接关系和设备附件的安装要求等都是设备安装过程中必须考虑的问题。对于插头的安装位置，在安装线束时，需要考虑电缆的可维护性、设备的各项搭接的要求、维护工具的相关的使用标准等。1.3设备的冷却要求电子设备在温度过高的情况下，短时间内超过所规定的极限时会完全失效。所以，对于电子的安装问题，要考虑到电子设备的冷却要求。对于电子设备来说，强迫风冷是比较常用的冷却方式，通过气流将设备中的热量由下而上的转移至周围环境中，最后由周围的环境将热量吸走。一般情况下，单独冷却每个设备比在一个规定的环境中为所有的设备设计冷却系统要难得多。1.4振动和冲击考虑当机载电子设备处于工作状态时，在设备或架子没有被破坏的情况下，安装托架、设备层架、设备架等能够抵御各种冲击和振动。飞机与设备在连接中的冲击和振动位于设备的后部与底部以及设备连接处的前端紧固装置上。当设备加速运行时，会受到一个对于设备的反作用力，这样才能保持设备的平衡。一般情况下，设备架不是作为一个机身结构的放大器存在的，而是一个传递振动荷载的衰减装置。

2航空电子中电气设备架的设计

安装设备时使用的设备架用于将某些机械电子设备安装在飞机的相应特定位置上。一般情况下，装配设备的平台可用于设备架的设计，对于设备和设备中相关的机上线束，飞机上其他设备的连接平台和设备的冷却系统都可在这一平台上操作。设备架所占空间可以直接影响设备架的设计，设备的结构设计与相关的安装要求也可作为影响因素。设备架应设计为易接近、开放式的结构，使航空公司能比较方便地维修、维护架子上的设备，比如环境控制装置、机械部件、电连接器、线束和电缆等。在设计架子时，也要考虑维修过程中可能使用到的各种工具，进而为设备后部电连接器的维护、拆卸留有足够的空间。2.1设备架层架设计为了满足顾客的需求，可在所有设备中安装可容纳的基本构型，增加设备架的层架空间设备。通常情况下，应预留20%～30%的空间。因此，在设计各个夹层时，要按照设备架的超负荷状态来设计。当各类承受件的强度达到设备的全负荷状态时，将设备舱调至最大的向下加速度加载，不会出现变形的情况。架层中最远处的最大弯曲度不会干涉安装设备的下层。安装在设备质量之上的20%预留空间的状态是全负荷状态。同样，设备中的各类电连接器的安装空间位置都应该被考虑到。根据电连接器的形态来判定线束的长度，估算线束的直径和弯曲半径等，线束所需的安装空间位置。一般情况下，电连接器中会有2种不同的安装办法，即架子后部的安装支撑板配合安装的方法、托架安装的导轨和方法。设备中冷却空气的装置系统为层架，冷却系统中管路数的设置位置也应在设计时被考虑进去。在各个层架中将孔打开，可以调节各个架层上设备的气流。一般情况下，各个托架上的设备都有相似的开孔。对于所有的开孔，一般情况下，都需用盖子将其盖住，在需要使用时将盖子去掉，调节设备的气流即可。2.2设备架的电搭接设计空调管路的电搭接要求与安装位置、设备架的设计有关。设备、设备架的结构之间都可在电搭接的基础上采取必要的导电性措施，保证飞机系统结构的电气湿度，避免发生电击、静电释放、雷击等危害。同时，采取相应的措施能够在一定程度上抑制电磁干扰，并提供适当的回路给电源系统。另外，在设计电搭架的过程中，为了保证飞行安全，通常会采用静电安装方式来设计。而且其电压也会采用安全电压，从而有效保障乘客的安全。在设计过程中，应当明确规划电路的走向和集成方式，从而实现相应的搭接设计效果。2.3设备的线束安装在安装飞机的机载电子设备系统时，线束的连接是比较重要的一项工作。在安装设备时，可从设备前部安装线束，也可从设备背部安装。这两种方法各有利弊，而从设备前部安装线束时，可能会出现以下3种情况：①正面安装时，插头会承载设备在震动过程中产生的所有负载，可能会出现不可预料的后果；②虽然机场人员可以很方便地维护插头和电缆，但是，插头和电缆很容易被损坏，给同轴电缆的维护工作增加了难度，在一定程度上增加了工作人员的工作量；③电缆安装在设备的前部，不利于电缆的固定和绑扎。

3结束语

设备安装设计在民用航空电子电气设备架中的分析十分关键，它能够使航机的运行更加可靠。在设计过程中，要结合实际情况，分析其设备的特性，让设备的安装技术更加成熟。同时，还要不断完善架层设计和电搭接设计。最后，要科学、合理地安装线束，让航空电子电气设备架中设备安装设计达到理想的设计效果。

参考文献

［1］陈春晖，张群，罗迎.一种步进频信号认知雷达波形优化设计方法［J］.航空学报，2016，37（7）：55-58.