仿真軟件在電磁兼容課程教學中的應用

夏能弘　郭杰　田孟林

摘要：電磁兼容原理及技術是一門理論性和實踐性均較強的課程。對學生而言，單純的理論學習艱澀難懂且枯燥乏味，有必要通過實踐來獲得感性認識，從而加深對理論的理解。本文首先介紹了電磁兼容課程的特點，然后分析了開展實踐的難點，進而提出了將電磁仿真軟件應用到教學實踐中去，最后通過實例介紹了Ansys Maxwell在電磁兼容課程中的應用，此方法效果顯著。

關鍵詞：電磁兼容（EMC）；電磁仿真軟件；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）04-0187-02

隨著各種電子設備和電力電子技術在工業、交通、國防及日常生活中的廣泛應用，電磁干擾和電磁兼容（EMC）已成為現代電氣工程設計中必須考慮的問題。大量電氣、電子設備和線路的集中，形成了復雜的電磁環境，包含敏感電子器件的設備容易受到外部電磁干擾的影響，出現運行紊亂、計算差錯、檢測失誤等現象而無法正常工作，嚴重時還會損壞設備、危及人員安全。為了維持電子、電氣設備在電磁環境中的共存和工作上相互兼容，電磁兼容學科應運而生。

作為一門迅速發展的交叉學科，它涉及的基礎學科廣，又與實際工程聯系緊密，理論性和實踐性均較強，因此在高校電類專業中開設“電磁兼容”這門課程是十分必要的。傳統的教學方式，僅通過教師的講授和學生的理論學習，容易使學生喪失學習熱情，而開展電磁兼容實踐所需的硬件環境又很高。在學校實驗條件不足的情況下，針對以上問題，筆者結合自己多年的教學以及科研經驗，提出利用電磁仿真軟件進行輔助教學，加深學生對電磁兼容技術在實際工程中應用的理解，為學生將來從事電氣工程方面的工作打下堅實的基礎。

一、電磁兼容課程的特點

如前所述，電磁兼容是一門新型的交叉學科，學習電磁兼容所需的前修課程繁多，且學生并不具備工程經驗基礎，較難將所學的不同門類課程和理論知識進行銜接、過渡，更難以應用，這些都使得電磁兼容原理與技術具有與眾不同的特點。

1.電磁兼容課程的原理部分涉及較多的數學、物理概念。教學中，許多結論必須通過數學推導和物理分析才能得出，難度較大。

2.電磁兼容課程的實踐部分需要一定的工程實踐經驗和較好的實驗動手能力。

電磁兼容技術與實際應用有著非常密切的聯系，而且它本身就是一門在實踐中發展起來的學科，課程的理論學習需要在實踐中理解和掌握。

二、仿真實驗引入課堂

正是基于上述特點，根據教學進度適當引入一些與生活中常見的電磁現象密切相關的案例實驗，對學生學習興趣的提升和加深理論理解有顯著幫助。然而，諸多客觀因素使課程實驗很難在一般高校中開展。

1.實驗條件要求高。電磁兼容類實驗對實驗環境要求較高，普通實驗室里各種電氣電子設備在正常和異常運行狀態下都會產生或出現各種電磁干擾，往往會影響實驗結果的準確性。這就需要一個全屏蔽的空間，起到內外電磁場相互隔離的作用，即提供一個純粹的電磁環境，便于對設備開展各種電磁場分析和研究而不受到外界的影響。再者，實驗所需的儀器設備通常較為昂貴，由于經費有限，如此苛刻的硬件條件是目前大部分高校都較難滿足的。

2.專業經驗要求高。實驗方案的設計需要具備豐富的工程實踐經驗，這對學生而言顯然是不能完成的任務。即使教師設計好了實驗方案，儀器設備的操作也需要較高的專業技能。操作不當極易對設備造成損壞，甚至可能威脅到學生的人身安全。

理論教學缺乏實感，實驗教學又難以開展，面對此矛盾，虛擬仿真實驗為解決問題提供了可能。仿真軟件將電磁理論與數值方法結合起來，能夠方便、快捷地進行數值實驗，使問題形象化，可操作性較強。目前電磁仿真已經成功地應用于電磁性能預測、設計的多個方面。在理解待分析的問題、合理設置仿真模型和求解參數的前提下，仿真可以完全代替測試，在電磁兼容教學中引入仿真實驗，具有多方面的優勢：第一，可以方便靈活地調整幾何結構、材料屬性、放置位置等關鍵參數，并且可以針對某一環節進行單獨的分析；第二，可以根據教學的要求分析任意部件，得到系統的任意電磁特性，提供了比測試更豐富的信息；第三，在虛擬環境下，得到結果都是理想的，有助于排除干擾。

三、案例分析

電磁兼容技術中，屏蔽技術是抑制電磁干擾的三大途徑之一，因此也是電磁兼容教學中的重點內容，有必要在此處設置實驗。

1.實驗的理論分析。屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或削弱電磁能傳輸的一種技術，屏蔽材料一般選用金屬導體或其他對電磁波有抑制作用的材料。屏蔽體的性能可用其屏蔽效能來定量評估。屏蔽效能定義為空間某點上未加屏蔽時的電場強度（或磁場強度）與安裝屏蔽后該點的電場強度（或磁場強度）的比值，一般用分貝表示：

通常情況下，屏蔽效能的大小與屏蔽體的結構和材料關系緊密。在磁場屏蔽中，利用良導體在入射磁場作用下產生渦流電流，并由渦流電流的反磁抑制入射磁場。此外，對于鐵磁性物質，其產生的磁化電流也會對磁場起到抑制作用。

2.實驗的設計。為了研究不同屏蔽材料對磁場屏蔽效能的影響，采用當前主流的電磁場有限元分析軟件ANSOFT MAXWELL進行建模分析，模型如圖1所示。一根銅質導線載有100A、50Hz交流電流，傳輸線上方0.3m處置有一塊長2m、寬1m、厚0.002m的金屬薄板，對載流導線產生的磁場起到屏蔽作用。在金屬板上方取一條平行于x軸的觀測線，仿真時其他參數保持不變，金屬板先后采用鋁、鐵、銅三種材料來測試它們對磁場屏蔽效能的差異。

3.仿真結果。屏蔽效能仿真測試結果如圖2所示，可以看出鐵板的屏蔽效果明顯優于鋁板和銅板，與理論分析相符合，所以在進行磁屏蔽設計時要盡量選用鐵磁性材料，如鋼、工業純鐵或高磁導率鐵鎳合金等。

四、結語

針對電磁屏蔽的仿真實驗，書本上的理論知識得到了直觀、有效地驗證，學生可以深入理解屏蔽的效用和評估方法。在實驗過程中學習了常用電磁仿真軟件的簡單應用，并能初步運用數值方法分析電磁工程問題。教學中根據教學進度合理安排仿真實驗，大大降低了實驗成本，擴大了學生的參與規模。通過理論與實踐結合，避免了純理論灌輸的枯燥乏味，使電磁兼容課程的教學效果得到明顯提升。

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