本發(fā)明屬于電磁屏蔽技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種快速解析電磁場強度分布的開孔電磁屏蔽體設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，電網(wǎng)輸電電壓等級不斷提高，智能輸變電技術(shù)不斷推廣，電磁騷擾問題日益凸顯。另一方面，在工業(yè)化、信息化發(fā)展迅速的當(dāng)今時代，各類電子產(chǎn)品和電力設(shè)備為生活提供了巨大的便利，也帶來了各種電磁輻射，不僅影響著人們的正常生活，也可能威脅到身體健康。因此，如何抑制電磁騷擾，是現(xiàn)今備受關(guān)注的一個問題。

依靠金屬腔體對電磁騷擾進行屏蔽，是常用的技術(shù)手段之一。在實際應(yīng)用中，小到各種電力電子設(shè)備，大到各類試驗場所等，都常以金屬腔體作為屏蔽，隔絕外界的電磁騷擾。一般地，除了對低頻磁場的屏蔽效果不太明顯，金屬腔體可以屏蔽多數(shù)電磁騷擾。但事實上，大多數(shù)屏蔽體都會出于通訊、通風(fēng)、散熱等需求而帶有若干開孔。開孔的存在為屏蔽體內(nèi)外的電磁場提供了耦合的途徑，從而大大削弱了屏蔽體的屏蔽性能。所以，對于開孔屏蔽體的研究具有重要的工程和社會意義。

目前，對于開孔屏蔽體的研究中，電磁波的屏蔽研究較多，但在實際中也會碰到低頻電場屏蔽的問題，如變電站、高壓設(shè)備附近的屏蔽問題。根據(jù)電磁環(huán)境控制限值標(biāo)準(zhǔn)gb8702-2014，為控制電場所致的公眾暴露，環(huán)境中電場強度應(yīng)小于一定的限值，當(dāng)頻率在1hz25hz時，電場強度應(yīng)不大于8000v/m，在常用工頻50hz時，電場強度應(yīng)不大于4000v/m。因此以靜電場(低頻電場)為研究對象做出研究，可以為屏蔽體的設(shè)計提供指導(dǎo)。

屏蔽效能(se)，是衡量屏蔽體有效性的重要參數(shù)。是如何設(shè)計開孔屏蔽體的依據(jù)；對于開孔屏蔽體屏蔽效能的研究，目前多采用有限元法等數(shù)值方法進行仿真計算，但數(shù)值方法需要借助專門的計算軟件，并建模后進行，不但對工具的要求較高，而且往往計算時間較長。因此，提出一種快速解析開孔屏蔽體的電磁場強度分布的方法，具有重要的實際意義。本發(fā)明的目的在于，提供一種用于開孔矩形屏蔽體電場屏蔽效能研究的計算速度較快又不需借助電磁場數(shù)值計算軟件的解析方法。并且可以作為如何設(shè)計開孔屏蔽體的依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種快速解析電磁場強度分布的開孔電磁屏蔽體設(shè)計方法，其特征在于，利用屏蔽體開孔與無限大開孔平板開孔上的電位分布的近似等效，通過分離變量法得到開孔矩形屏蔽體中的電位與電場強度分布，進而得到開孔電磁屏蔽體的屏蔽效能，并基于此結(jié)果指導(dǎo)屏蔽體開孔的大小、形狀及位置；具體包括如下步驟：

步驟1：用無限大平板上開孔的電位分布近似等效屏蔽體上開孔的電位分布；

步驟2：通過分離變量法計算得到屏蔽體內(nèi)開孔的電位分布；

步驟3：對步驟2得到的電位分布求梯度，得到屏蔽體內(nèi)各個位置的電場強度沿各坐標(biāo)軸的分量，將屏蔽體內(nèi)的電位分布轉(zhuǎn)換為電場強度分布；

步驟4：利用屏蔽體內(nèi)電場強度分布求得屏蔽體內(nèi)不同位置的電場屏蔽的效能。

步驟5：利用步驟4求得屏蔽體內(nèi)不同位置的電場屏蔽的效能，并基于此結(jié)果指導(dǎo)屏蔽體開孔的大小、形狀及位置。

所述步驟1中，利用無限大開孔平板對開孔屏蔽體進行等效時還包括以下步驟：

步驟101：帶孔平板所帶小孔為圓形或橢圓形時，根據(jù)小孔上的電位分布的解析公式，直接通過等效替代得到帶圓形及橢圓形孔的屏蔽體開孔上的電位分布；

步驟102：對于帶矩形孔的無限大平板，采用橢圓孔進行等效替代；要求等效的橢圓孔與原矩形孔面積相同，且長短軸之比與原矩形孔長寬之比相同；在無限大開孔平板中，橢圓等效替代后得到的結(jié)果與矩形孔結(jié)果相近。因此，步驟102中屏蔽體帶矩形孔時，孔上的電位可以等效為帶對應(yīng)橢圓開孔的無限大平板開孔上的電位分布；因此，所述等效屏蔽體上待計算的小孔僅限圓孔、橢圓孔及矩形孔三種。

所述步驟1，首先將帶孔矩形屏蔽體的開孔上的電位分布等效為無限大帶孔平板的開孔上的電位分布；因此，當(dāng)屏蔽體處于一個外加的垂直于孔面的電場e0中時，對于圓形開孔，孔上的電位分布為式(1)，

其中，xp和yp是圓孔圓心的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，r為圓孔半徑；

對于橢圓孔，孔上的電位分布為式(2)，

其中，ta和tb是橢圓孔的半長軸和半短軸，e為橢圓離心率，e(e)為第二類完全橢圓積分。

所述步驟2，屏蔽體內(nèi)的電位表示為式(3)，

其中αn＝nπ/a,βm＝mπ/b,系數(shù)anm的表達式為

小孔的電位為：

其中φ(x,y)即為公式1和2中小孔上的電位分布；

所述步驟3，將公式(3)對坐標(biāo)x、y、z分別求導(dǎo)，得到三個方向上的電場強度分量大小，分別為

則屏蔽體內(nèi)電場強度大小的分布

所述步驟4，對于電場，屏蔽效能定義

其中，e0為沒有屏蔽時空間某個位置的電場強度或外部的垂直電場強度；

e為有屏蔽時該位置的電場強度；利用式(10)即可得到屏蔽體內(nèi)的屏蔽效能。

本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用的計算方法是具有計算速度較快又不需借助電磁場數(shù)值計算軟件的解析方法。并且可以作為如何設(shè)計屏蔽體開孔大小、形狀及位置的依據(jù)。具有重要的實際意義。

附圖說明

圖1是帶孔矩形屏蔽體示意圖。

圖28為實施例1中，開孔為圓形時本發(fā)明方法的電場強度及屏蔽效能計算結(jié)果。

圖915為實施例2中，開孔為矩形時本發(fā)明方法的電場強度及屏蔽效能計算結(jié)果。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種快速解析電磁場強度分布的開孔電磁屏蔽體設(shè)計方法，利用屏蔽體開孔與無限大開孔平板開孔上的電位分布的近似等效，通過分離變量法得到開孔矩形屏蔽體中的電位與電場強度分布，進而得到開孔電磁屏蔽體的屏蔽效能，并基于此結(jié)果指導(dǎo)屏蔽體開孔的大小、形狀及位置。下面結(jié)合附圖1和具體實施例對本發(fā)明作詳細說明。

如圖1所示的一面帶孔的矩形屏蔽體(以圓孔為例，可替換為橢圓孔和矩形孔)，采用本發(fā)明所述方法進行計算。具體執(zhí)行步驟如下：

步驟1，首先將帶孔矩形屏蔽體的開孔上的電位分布等效為無限大帶孔平板的開孔上的電位分布。因此，當(dāng)屏蔽體處于一個外加的垂直于孔面的電場e0中時，對于圓形開孔，孔上的電位分布為式(1)，

其中，xp和yp是圓孔圓心的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，r為圓孔半徑。

對于橢圓孔，孔上的電位分布為式(2)

其中，ta和tb是橢圓孔的半長軸和半短軸，e為橢圓離心率，e(e)為第二類完全橢圓積分。

對于長和寬分別為l和w的矩形孔，可以等效為半長軸和半短軸分別為和的橢圓孔，用公式2來計算其開孔上的電位分布。

步驟2，屏蔽體內(nèi)的電位可表示為式(3)

其中αn＝nπ/a,βm＝mπ/b,系數(shù)anm的表達式為式(4)，

小孔的電位

其中φ(x,y)即為式(1)和式(2)中小孔上的電位分布。

步驟3，將式(3)對坐標(biāo)x、y、z分別求導(dǎo)，得到三個方向上的電場強度分量大小，分別為

則屏蔽體內(nèi)電場強度大小的分布

步驟4，對于電場，屏蔽效能定義為：

其中，e0為沒有屏蔽時空間某個位置的電場強度，e為有屏蔽時該位置的電場強度。本發(fā)明中，e0為附圖1中外部的垂直電場強度，是一固定值，且大小已知；e為式(9)中得到的屏蔽體內(nèi)不同位置的電場強度大小。利用式(10)即可得到屏蔽體內(nèi)的屏蔽效能。

實施例1

如圖1所示，一個一面開圓孔的矩形屏蔽體的屏蔽效能的計算。

令屏蔽體每邊長為1m(圖1中a＝b＝c＝1m)，在上表面的中心(0.5,0.5,1)處開一圓孔，孔半徑為0.01m，小孔外部垂直于小孔的均勻電場場強e0大小為2v/m。

按步驟13進行運算，得到屏蔽體內(nèi)部的電場強度大小。特別地，在步驟2中，利用公式3求解電位分布時，m和n的取值上限無法也無需取至∞，但合理的m、n取值可以使開孔附近的電場強度計算結(jié)果更為準(zhǔn)確。在實施例1中，令m＝n＝80。

為驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用ansys軟件對同樣模型進行數(shù)值仿真，對比結(jié)果如下。

首先，以屏蔽體內(nèi)開孔中軸線上的電場強度為觀察對象，將采用本發(fā)明中計算方法得到的電場強度的結(jié)果以及ansys仿真得到的結(jié)果按距孔中心的距離分段對比于圖24中。

然后，為考察屏蔽體內(nèi)除開孔中軸線上以外的位置的計算結(jié)果，設(shè)置了三條水平的觀測線，分別距小孔0.2m、0.5m、0.8m，對應(yīng)附圖1中的三條線段。提取這三條觀測線上場強的計算結(jié)果，與ansys仿真結(jié)果對比于附圖5～7中。

通過圖27可以看出，本發(fā)明計算結(jié)果與ansys數(shù)值計算軟件結(jié)果較為一致，說明本發(fā)明計算方法具有較高的準(zhǔn)確性。

最后，進行步驟4，通過計算得到的電場強度以及外部場強e0，可以得到屏蔽體內(nèi)不同位置的電場屏蔽效能。以開孔中軸線上的屏蔽效能為例，曲線如附圖8所示。

實施例2

本發(fā)明所述步驟中，對矩形孔的計算采用了橢圓孔近似等效，為驗證該近似的準(zhǔn)確性，實施例2將實施例1中的圓孔改為矩形孔進行計算。屏蔽體尺寸和位置不變，開孔中心仍為(0.5,0.5,1)，矩形孔長0.04m，寬0.02m。外部場強e0不變。

與實施例1相同，先通過步驟1～3得到屏蔽體內(nèi)的電場強度分布。特別地，在步驟2中，取m＝n＝55。

雖然采用本發(fā)明的方法進行計算時，需要用橢圓形孔近似替代矩形孔，但ansys軟件進行數(shù)值計算時不受該限制，因此，用ansys對實施例2中給出的帶矩形孔屏蔽體模型進行計算，與本發(fā)明中方法做出對比。

開孔中軸線上的電場強度分段對比于圖911中，距孔不同距離的三條觀測線(觀測線同實施例1)上的電場強度對比于圖1214中。然后通過步驟4，得到屏蔽體的屏蔽效能。同樣地，以開孔中軸線上的屏蔽效能為例，曲線如圖15所示。

附圖915可以看出，與實施例1中的圓形開孔情況的計算結(jié)果相比，矩形孔的計算結(jié)果準(zhǔn)確度稍差，但屏蔽效能計算的誤差在5％以內(nèi)，結(jié)果仍較為可信。