序言

線纜線束及其組件是航空、航天、汽車、船舶等軍工及車輛領域系統工程重要的配套和接口元件，散布在各個系統和部位，負責著信號和能量的傳輸。其布線性能的好壞，直接關系到整個系統的可靠性問題。

線纜線束按照功率分，有功率電纜和信號傳輸線，隨著現代技術的發展，線纜線束也在向著高可靠性、高性能的方向發展，對于電磁兼容性的要求也越來越高。

ANSYS線纜線束設計解決方案，使用ANSYS Maxwell?、Q3D?、Simplorer?等電磁仿真軟件，從線纜線束設計、寄生參數RLCG提取、到系統電磁兼容全面仿真分析。

創建模型

線纜線束規格多，工程設計經驗及教訓表明，采用AutoCAD進行電氣設計，不僅人工工作量大、設計效率低、重復勞動多，而且容易出錯，無法保證各設計階段之間設計數據的一致性。于是ANSYS在Maxwell?軟件基礎上提出針對用戶定制化的“線纜線束設計工具包”，幫助客戶參數化建立特定幾何模型，通過算法技術處理，使用二維幾何計算模型，反應真實三維線纜線束實體結構，能動態、高效建立模型并求解，大大提高工作效率。

圖1展示了典型功率電纜幾何定義，功率電纜規格多，主題有功率線芯、護套、鎧裝、冷卻管道等。

圖1典型功率電纜剖面視圖

ANSYS提供的基于Maxwell?軟件的參數化輸入“線纜線束設計工具包”，功率電纜參數化定義界面如圖2所示，分別輸入功率線、護套、鎧裝、冷卻管等尺寸參數和材料，即可以自動生成如圖1所示之幾何模型，修改模型參數十分方便，自動實時更新幾何尺寸。

圖2 線纜設計工具主界面

為了提高電纜線芯利用率，消除電流趨膚效應等影響，工程上需要對線芯換位處理，即絞線。“線纜線束設計工具包”充分考慮了各種換位絞線策略，通過設計工具定義，能直觀地用二維模型精確地處理三維結構，圖3展示了設計工具包的計算策略，通過L_p和r_t分別定義絞線半徑和節距，軟件在計算時則考慮了絞線后的參數變化與相互影響。

圖3定義絞線尺寸

基于ANSYS Maxwell?的“線纜線束設計工具包”創建的幾何模型可以直接傳遞到ANSYS 的準靜態邊界元Q3D?中求解，當然用戶也能直接將第三方布線/繪圖工具得到的復雜三維結構幾何模型導入Q3D?，通過電磁計算能夠直接得到結構的場分布，包括電壓分布，電流分布，電場和磁場等，以及結構的寄生參數矩陣如電容、電阻和電感矩陣，導納和阻抗值及特性阻抗、差分阻抗等RLCG參數，還可以進行設計和優化。

參數仿真分析

Maxwell?有6大求解器，可以分別求解靜磁場、渦流場、瞬態磁場，靜電場、直流傳導場和瞬態電場，能精確計算模型的電阻、電容、電感等RLCG寄生參數和S參數。更可以直觀地查看線纜線束截面上的電場、磁場分布云圖，精確讀取任意坐標位置下的場數據。

圖4查看線纜線束截面上的電場、磁場分布云圖

圖5展示了使用Maxwell?瞬態求解器仿真在雷擊瞬間大電流涌入下電纜磁場動態變化過程，動態地再現能量的衰減現象。此強有力的仿真案例：外加激勵電壓源或者電流源為任意雷擊波形（或者使用Maxwell?自帶的circuit editor外電路編輯器工具），同時考慮鎧裝材料的非線性，考慮電渦流和磁擴散等。

圖5瞬態雷擊電流下電纜的磁場分布

系統仿真

ANSYS Simplorer?是功能強大的多域機電系統設計與仿真分析軟件，用于電氣、電磁、電力電子、控制等機電一體化系統的建模、設計、仿真分析和優化。其提供了多種建模語言，包括電路、方框圖、狀態機、方程、VHDL-AMS、SML以及C/C++等標準建模語言。這些語言可混合使用，輕松建立模擬、數字和混合信號的多域設計模型。

電路系統中，用于連接設備與負載的線纜線束，在仿真中不能用理想的電氣連接線替代，需要高精度建模體現RLCG寄生參數對系統性能的影響。Simplorer?能夠直接和業界領先的ANSYS電磁場仿真工具動態鏈接，包括：Maxwell?，Q3DExtractor?等。這種協同仿真技術和模型降階技術讓Simplorer?具有強大的基于物理原型的系統仿真能力。

圖6、7展示的案例中，負載為大功率變頻電機，電網提供的電能每相由6條并行電纜傳輸，鋪設于金屬線槽中，按照工廠電氣安規要求，金屬線槽外殼與大地良好連接。當由6條并行線纜組成的三相線任意排布時，在金屬線槽接地線上感應的最大電流值可達負載額定電流值的4.8%，絕對值高達42A。利用Maxwell?和Simplorer?場路耦合仿真，優化線纜換位排布后，可以顯著減小零序電流值。優化后的比例為額定值的1.1%，電流絕對值明顯減小，大大改善機電系統性能。^{【參考文獻1】}

圖6 電機電纜線槽安全接地點零序電流分析和優化

圖7 并行排布線纜中電流波形和線間磁鏈分布

圖8展示了考慮電機逆變器連接電纜上寄生參數對系統電磁兼容的影響和分析：“線纜線束設計工具包”參數化建模并求解得到分布參數，Maxwell?輸出ROM（包含全部參數的降階模型）模型到Simplorer?系統平臺中，輸入輸出端子連接逆變器和負載電機之間的電路。仿真結果表明，線纜分布參數對電機控制系統傳導干擾EMC影響明顯。

圖8 電機逆變器中間連接電纜建模后耦合仿真

【參考文獻】

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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本文作者為ANSYS公司張宗兵工程師。