電氣電子設備結構設計方法探究

洪竹偉

(中國船舶重工集團公司第726研究所，上海 200237)

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電氣電子設備結構設計方法探究

洪竹偉

(中國船舶重工集團公司第726研究所，上海 200237)

電氣電子設備的運用涵蓋了工業、國防、科研、民用、公用工程等領域，目前對電氣電子設備的功能、運轉可靠性、安全性、維護性等方面提出了更高的要求，而電氣電子結構設計的質量直接關系到設備對這些要求的可實現性。介紹了電氣電子設備結構設計的現狀，重點對電氣電子設備結構的設計內容及設計要點進行了闡述。

電氣電子設備；結構設計；設計要點；可靠性

電氣電子設備結構設計質量的高低，對設備的各種性能和功能的實現起著重要的作用。電氣電子設備結構設計方法探究的作用就是把設計的主要內容、要點以及需要掌握相關學科的知識點進行總結和歸納，其目的就是使設計人員能夠掌握行之有效的設計方法，在整個產品設計中，能夠符合產品的技術條件和要求，并且使產品具有較高的可靠性、實用性、可操作性、經濟性、可維護性、競爭性等。

目前，電氣電子設備的結構設計還跟不上技術的發展與需求，特別是新技術、新材料、新器件、新工藝的問世，給電氣電子設備結構設計注入了新的設計內容。目前僅以電性能評價電氣電子設備的技術指標，而忽視結構設計重要性的觀念將受到挑戰，結構設計方法也需要變革和創新。

1 電氣電子設備結構設計的內容、方法和要點

1.1 結構設計的總體規劃

為了使電氣電子設備符合技術條件和使用環境，需要對其進行總體規劃，重點是對零部件結構的設計和總體布局，主要有以下5個方面：

(1) 確定設備的外觀造型、結構材料，加工工藝，裝配工藝和安裝方式。

(2) 確定設備控制、調節、傳遞信號的方式及操作所需的執行裝置。

(3) 確定設備的環境保護措施，包括對整機、分機、模塊、元器件的溫升控制，設備的減震措施、防腐措施、使用安全性措施等。

(4) 確定設備的結構尺寸和內部分機、模塊、元器件之間的連接關系及形式。

(5) 在設計中必須盡量減少特殊零部件的數量，盡可能采用標準化、規格化的零部件和尺寸系列。

1.2 熱設計

把設備的元器件、組件、模塊、分機以及整機的溫升控制在允許的范圍之內是熱設計的主要目的。熱設計首先要正確地確定元器件的失效溫度，把最高允許溫度和最大功耗作為主要設計參數。熱設計是在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通道，保證熱量迅速傳遞出去，以滿足可靠性要求[1]。 熱設計的要點及原則具體如下：

(1) 保證熱控系統具有良好的冷卻功能，電子器件均能在更多的熱環境中正常工作。

(2) 保證熱控系統具有可靠性，在使用期限內，冷卻系統出現的故障率要比器件出現的故障率低。

(3) 保證熱控系統具有良好的適應性就必須留有余量，以滿足各種增加散熱能力和要求。

(4) 保證熱控系統具有良好的維修性，方便維護人員進行維護，測試更換器件。

確定冷卻方案要充分考慮設備的使用環境、使用條件以及其他特殊要求等多種因素。常用的冷卻方法有：自然冷卻、強迫空氣冷卻、液體冷卻、蒸發冷卻等。這些方法可以單獨使用，也可以組合起來使用。在冷卻方法確定后，要正確布置發熱元件與熱敏元件的位置及距離，必要時可以選擇使用一些導熱材料，保證氣流均勻流過發熱元器件，形成合理的氣流通路[2]。

1.3 振動和沖擊隔離

處于運載中使用或運輸過程中的設備，元器件承受機械環境能力較弱，振動導致元器件或材料疲勞損壞，而沖擊由于瞬時加速度很大造成元器件損壞。除了保證設備自身的強度和剛度外，采用減震器進行隔離成為弱振動和沖擊對設備干擾的主要措施[3]。選用減震器的主要原則：不僅要考慮總重量，還應考慮各支撐部位的重力大小，要確定每個減震器的實際承載量，使設備安裝減震器后，其安裝平面與基礎平行；減震器的總剛度應滿足隔振系數的要求；各支撐部位的減震器剛度應對稱于系統的慣性主軸；減震器的總阻尼既要滿足系統通過共振區時對振幅的要求，也要考慮隔振區隔振效率；無特殊要求盡量選用標準產品。

1.4 電磁屏蔽與接地

現代設備中信號傳輸及處理系統的自動化，要求電子線路、設備、系統相互不影響。

電屏蔽設計要點如下：

(1) 屏蔽體必須良好接地；

(2) 正確選擇接地點；

(3) 合理設計屏蔽體形狀；

(4) 合理選擇屏材料。

磁屏蔽設計要點如下：

(1) 磁屏蔽殼體應采用高磁導率的鐵磁材料；

(2) 屏蔽效能隨著材料厚度的增加而增加，隨著屏蔽體內空間的增大而減小；

(3) 多層屏蔽能顯著提高屏蔽效果；

(4) 要盡量減小屏蔽體上接縫與孔洞處的磁阻；

(5) 必須注意所用的鐵磁材料的特性。

電磁兼容設計要使設備殼體有良好的接地，既能起到電磁屏蔽作用又能起到靜電屏蔽作用，殼體盡量減小孔的面積，選用屏蔽效能好的孔形，合理布置孔的位置和分布，對于通風孔可采用屏蔽效能高的蜂窩狀通風窗等方法來進行屏蔽[4]。屏蔽體上的永久性接縫最好采用焊接工藝如熔焊、釬焊、點焊等。對非永久性接縫可采用增加縫隙深度、減小縫隙長度、縮短螺釘間距，以及在縫隙處涂上導電涂料和填隙料等方法來進行屏蔽。搭接可以使設備減小電磁干擾，搭接條最好采用導電性能好的扁平薄板制造，連接方法有：鉚接、熔接、釬焊、螺栓聯接等。接地是為了防止設備外殼帶電或遭雷擊，因此在結構設計時，必須在機殼上設置接地端子。

1.5 防腐蝕設計

根據設備所處環境條件，采取相應的保護措施，避免性能顯著下降和各種損壞。防腐蝕保護措施應在設計階段確定，要根據主要腐蝕因素的種類，作用強度的大小和影響因素，來選擇正確、有效、經濟的防腐蝕保護措施。

常用的防止腐蝕損壞方法有如以下5種：

(1) 根據使用條件和環境選擇合適的耐腐蝕材料；

(2) 削弱或減弱產生腐蝕的各種因素；

(3) 采用金屬鍍覆、化學覆蓋、表面涂層等方法進行耐腐蝕性處理；

(4) 采用能減弱腐蝕程度的結構形式；

(5) 采用陰極或陽極電化學保護措施；

這些方法可以單獨使用，也可以組合起來使用。

1.6 人機工程學應用

在滿足性能指標的同時，設計出操作方便、靈活、安全、外形美觀，符合人的生理和心理特點的結構與外形，提高人機系統的效能和可靠性。這需要充分了解人體特征，如視覺、聽覺、觸覺以及工作環境因素對人體的影響及安全要求，面板設計通常涉及到儀器、儀表、控制器、顯示器、鍵盤、按鈕開關等器件位置的確定和分組排列，要合理布局，做到整齊美觀，便于觀察和操作。面板的色彩及文字符號需要符合有關規定和標準。同時。必須考慮便于迅速尋找和確定故障部位，元件拆卸方便，考慮保護安裝維護人員的安全措施，設置必要的安裝維護出入孔和觀察窗口。

1.7 可靠性設計

可靠性是衡量產品質量極其重要的指標，設備必須滿足可靠性試驗指標及使用要求 ，以確認設計的正確性及可靠性。對于可維護的產品，在規定的時間內要求無故障工作時間長，而出現故障時，應能迅速排除，恢復正常。設備中存在著的固定的、半固定的、活動的電氣接點，這些接點的接觸可靠性對整體或系統的可靠性有很大的影響，必須正確地選擇連接工藝和方法，如釬焊、壓接、熔接等。

2 結語

電氣電子設備結構設計內容和方法隨著科學技術的發展而不斷地擴展和更新，要應用到多門基礎學科，知識點多而散，設計人員既要加深理論基礎、工程意識，又要反映科學發展動向，因此全面掌握各相關學科的有關理論知識，了解新技術的發展趨勢，對確定產品的設計方案，提高產品的設計質量有著很大的幫助。

[1] 王健石.電子機械工程設計手冊[M]. 北京:中國標準出版社, 2006.

[2] 邱成悌.電子設備結構設計原理[M].南京:東南大學出版社,2002.

[3] 高攸綱.屏蔽與接地[M].北京:北京郵電大學出版社,2004.

[4] 顏聲遠, 許彧青.人機工程與產品設計[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社, 2003.

(本文編輯：趙艷粉)

Structure Design Methods for Electrical and Electronic Equipment

HONG Zhu-wei

(No. 726 Research Institute，China Shipbuilding Corporation, Shanghai 200237, China)

Electrical and electronic equipments have been applied in various fields, such as industry, national defense, scientific research, civil engineering, utilities and so on. Presently, higher demand for electrical and electronic equipments has been posed in terms of the performance, operation reliability, safety, maintainability, etc, but the realizability of the above requirements is directly related to the structural design quality. This paper introduces the present situation of electrical and electronic equipment structure design, with a focus on the design content and highlights.

electrical and electronic equipment; structure design; design highlights; reliability

10.11973/dlyny201605030

洪竹偉(1958)，男，高級工程師，從事電子設備結構設計工作。

TM65

B

2095-1256(2016)05-0659-03

2016-05-20