1、 编号 南京航空航天大学毕 业 论 文题 目 航空电缆电磁参数的提取及测试学生姓名 *学 号 *学 院 自动化学院专 业 电气工程与自动化班 级 *指导教师 * 副教授二一七年六月南京航空航天大学本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论 文）（题目： ）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名： 年 月 日 （学号）：毕业设计（论文）报告纸航空电缆电磁参数的提取及测试摘 要航空电缆是以导体、绝缘、屏蔽、护套等共同组成的电力电缆，是
2、一种高度系统化的电力线路集成。航空电缆是航空器中的重要连接部件，其重要职能是将航空器中的电能、控制信号传送至各设备。随着我国航空工业不断发展，信号传输速度不断提升，串扰已经成为实现这一目标的重要障碍。由于其工作原理、材料、工作环境等方面与普通电力电缆有着显著的差别，所以在设计研发标准上也有很大不同。对航空电缆的设计标准的修正对于其相关设计研发标准具有很现实的意义。本课题以航空器舱内线束为研究对象，首先就必须要做到航空电缆参数的提取及相关测试。本文首先简单的介绍下航空电缆相关基本参数与和现在通用的国际航空电缆标准，航空电缆的材料和相关特性。通过对其材料和具体形状的研究才能生产出更加符合要求的电缆
3、。再利用 ANSYS 模拟仿真航空电缆，对其电磁参数进行具体的合理的仿真，得出结果后使用频谱分析仪实际测量其电磁参数，经过对比，从而认清航空电缆的电磁参数的重要性。本文中我选用的是三根线芯的航空电缆来模拟实际电缆，这样做不仅可以简化相关测试步骤，还能得到更直观，分析更加方便，又不失实验的正确性。得到合理结果，以此为基准，强调了航空电缆电磁参数的重要作用。关键词：航空电缆，ANSYS ，有限元，电磁参数，频谱分析仪毕业设计（论文）报告纸iThe extraction and measurement of electromagnetic parameters of aviation cableAb
4、stractAviation cables is power cables that is made up of conductor, insulation, shielding, jacket, and so on, is a highly systematic integration of power lines. Aviation cable is an important connecting parts in the aircraft, which make a significant role in sending power, control signals to each de
5、vice.With the continuous development of Chinas aviation industry, signal transmission of the aviation cables is unceasing upgrade, cross-talk has become an important obstacle to achieving this goal. Because of its works, materials, work environment has a significant difference with general power cab
6、le. The design and development of standard is also very different, improve the standard of the design is very important. As the research object of this subject, first, it must be done to extract the aviation cable parameters and related tests. I use ANASYS to simulate the aviation cable, and then, u
7、se network analyzer to measure the electromagnetic parameters. Then I compere the difference. we can recognize the importance of aviation cable electromagnetic parameters.Key Words: Aviation cable; ANSYS; Finite Element; Network Analyzer毕业设计（论文）报告纸ii目 录摘 要.Abstract.第一章 引 言.11.1 航空电缆基本概念.11.2 电磁特性研究方
8、法.51.3 航空电缆研究意义.10第二章 有限元基本理论及相关软件.202.1 静电场的有限元理论.222.2 恒定磁场的有限元理论.252.3 有限元软件.28第三章 航空电缆电容参数的提取.263.1 静电场有限元模型.303.2 电缆电容特性.353.3 小结.40第四章 航空电缆电感参数的提取.394.1 恒定磁场有限元模型.424.2 电缆电感特性.424.3 小结.46第五章 航空电缆电磁参数测试.505.1 频谱分析仪介绍及使用 .515.2 串扰比测量.555.3 仪器测试电磁参数.565.4 小结.55第六章 总结与展望.606.1 总结.616.2 展望.61毕业设计（论
9、文）报告纸iii参考文献.62致谢.63附录.64毕业设计（论文）报告纸- 0 -第 1 章 引 言航空电缆是航空器中重要的链接部件，随着航空事业的大力发展，航空器内部机载电子设备复杂程度和数量的急剧增加，各类传输线数量剧增，内部信号类型繁杂，且组装时往往捆绑在一起，极易产生串扰问题，而航空电缆制造质量的好坏直接影响到飞机的飞行安全。这就要求线缆束具有更高的电磁兼容性。对航空电缆的设计标准的研究对于其相关设计研发标准具有很现实的意义。1.1 航空电缆基本概念航空电缆由于其工作条件的不同，要求电缆在体积上要细，在质量上要轻，在材料上要经受的住多次的摩擦和相对较高的温度环境，此外，由于其相对特殊的
10、工作环境，会有较多的润滑油和燃料油之类的化学用品，都必须要适应。现在，在我国，航空电缆由于没有特定的规范和对应的标准，还是通用国家的军标航空航天用含氟聚合物绝缘电线电缆通用规范作为其实际的标准在运行。含氟聚合物绝缘电线电缆产品，也就是我们常说的航空电缆适用该规范。当然一般的航空电缆都是由含氟聚合物做成的不导电的电线电缆产品，主要包括很多含有氟的聚合物。这些材料可以只使用一种，也可以与其他材料组合在一起使用，以达到更好的效果。航空电缆和普通电缆在组成上大体相同，只不过可能在其使用材料上与普通的电力电缆有较大的差别。它们通常都是几根导线相互缠绕在一起，如果根数比较多，通常会先选取一根电缆作为中心并
11、以此围绕，这样可以节省很大的体积，更适用于更多空间条件。就跟普通的电缆一样。当然，每个电缆线芯都必须是绝缘的，都有其各自的绝缘层。在最外面，需要更为结实耐用的可以更好绝缘的保护层。不仅减少相应的干扰，还起保护作用。电缆具有外绝缘，内通电的特征。是一个线芯，包裹层，保护层的集合体。图 1.1 电缆导体和绝缘层毕业设计（论文）报告纸- 1 -航空电缆的线芯导体有镀银铜线、镀锡铜合金线、镀锡铜线、镀镍铜线、镀银铜合金线、镀镍铜合金线和铝线。当然，每种材料作为外镀层都会有相应的使用最大温度，一般情况下银层的最高温度不能超过 200，锡层的温度不能超过 150，镍层的最高温度为 250。根据航空航天电线
12、电缆用导体品种级截面系列里的标准可以知道，不一样的材料在不同的温度下它们在直流下所产生的电阻会有不同。当然，材料不同，形状大小，线缆复杂度不同的电缆，在其使用材料的的硬度和其柔和度也有相应的使用标准。根据不同的截面表面面积，其柔和度和抗拉强度会有相应的最大限度，我们在制造使用的过程中，要根据每种线缆材料的不同在布局上要有相应的变化，来满足空间和材料的要求。在使用的过程中，要根据不同的材料做周期不同的检查，确保万无一失。表 1.1 导体绞合节距节径比倍数缠绕方式 3 根单线缠绕 成股缠绕 里层 表层同心缠绕 16 - 30 16复合缠绕 - - 20 14束线缠绕 20 30 - -航空电缆也有
13、很多屏蔽材料和结构。屏蔽材料有很多，例如有锡层的扁的铜线、银层的圆形铜线等。每一种镀层的使用环境会有所不同，其使用年限也有较大区分，更要满足内部线缆的伸长率和相应的温度和化学环境的要求。屏蔽结构也有很多，最常见的为圆形或扁平状的结构，每种结构都有其相应的使用环境，无论是圆形或是扁平状每种结构都要求绞合紧密。扁平状的导体最主要的是注意其宽度要按实际使用标准环境制定。屏蔽编织密度应不小于 90。编织铜线接头处应修剪整齐，屏蔽层应具有连续性。图 1.2 各种规格的电缆毕业设计（论文）报告纸- 2 -在线缆的最外层有保护外套，最外层的护套和线芯绝缘层护套规格是不尽相同的。线缆芯的护套的制作流程是根据线
14、芯规格制定的，外套和线芯的中心应该不小于 70%。最外层的保护套相应的中心也应和线芯相契合。在包裹后要经高温使其成型，使包裹跟家到位。缆芯外径 6mm 以下的浸涂 PTFE 乳液，6mm 及以上的绕包 12 层 PTFE 生料带或挤包 PFA。护套的厚度应符合详细规范的规定。1.2 电磁特性研究方法在电磁特性研究中，由于航空电缆电磁特性为无损求解，其内容可分为电容和电感两大类别。电容器一般情况下都是由两个部分组成的一个独立器件，比如很平常的两个一个电容就是由两个金属板制成。当然，还会有很多比较复杂的器件会有多个导体组成相应的独立系统。多导体系统的研究要和两导体电容的研究有很大的不同。在多导体电
15、容器件研究中，我们通常会引入部分电容的概念。具体可以表示成，在有很多导体的电容器中，这些导体会相互作用，这时候的电容只能表示为部分电容。研究这些部分电容对确定多导体系统的特性有重要的意义。本文所研究的航空电缆电磁参数中的电容就是部分电容。根据定义，两个导体所带电荷大小相同，但是带电特性为一正一负，这样组成一个电容器普遍，所带电量和电压的比值即：(1-1)QCU电容 C 是一个重要的电路参数，其单位是 F（法）。当然这个参数的数值只由导体的形状、大小、位置、和两导体间的材料决定，并不是与导体的带电量有关。在计算单个导体的电容时，通常是指此导体和无限远处导体之间的电容。电容的计算，也就是静电场的计
16、算问题。以无限长同轴导体圆柱面为例，其内导体每单位长度带有电荷 ，外导体带有同样多的负电荷。两导体柱面间的电压是：(1-2)ln2bUa所以每单位长度的电容是：(1-3)ln/Cba在上式中的 a 和 b 为圆柱里外的半径。两圆球导体间的电容为：毕业设计（论文）报告纸- 3 -(1-4)04abC必须注意，若 b 趋于无限大，此电容仍为有限值，这就是孤立导体球的电容。对于多导体组成的电容系统，各个导体间都是相互影响的，不仅两导体之间会产生电容，各自带电导体的电荷还会相互影响，产生的电压受到各个带电导体的影响。这中情况下，如果继续使用传统定义的电容误差显然很大，我们就对多导体系统标注多个电容，引
17、入部分电容。这里引入一个静电独立系统的概念。静电独立系统是一个封闭的系统，其产生的电场只和系统内的导体有关，和系统外的导体统统无关。并且其内所有的电通密度都是由系统内的导体发出并终止于系统内的另外的带电体。我们假设一个静电独立系统，其内部是由(n+1)对导体构成，把这些带电体按顺序编号，系统内的电荷关系为：=0 (1-5)nqk10这里假定系统内为线性电介质，根据叠加原理，得各带电体的点位与各导体的电荷之间有下列关系：= 1nkqq1121. = (1-6)k nkkk.21.= nnknn qq.21电位参考点为 0 号导体，即 。再之，由于受(1-5)式的约束,(1-6)式中没有 出现。0 0q式（1-6）也可写为矩阵形式：(1-7)q上述公式，电位系数式是 ，自有电位系数为 ，互有电位系数是 。这些系数的涵义，i ij不难从下列式子得到理解：(1-8)0.1k32|nkqq
