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机柜、机箱设计参考

电子电气产品机械结构的设计是产品设计的重要组成部分,机柜、机箱、仪器仪表外壳等都属机械结构范畴。产品的结构为电气部分提供安装、支撑、联结、传动、连锁、定位、包容、防护、装饰、美化、指示等功能,为零部件、电气连接和元器件之间的兼容提供保证。它不但直接关系到电子电气产品性能的好坏,而且可以提高整机的性能,大大提高产品的附加值。
  
1尺寸要求
   根据电子电气元件、器件和各种装置所需的空间来确定基本尺寸和尺寸链的设计,尺寸系列按照通用标准和定型尺寸,并考虑模数化、标准化、系列化解决安装的互换性。在进行机柜、机箱、外壳、面板、构架、印刷电路板插件及母板等设计时,要符合 IEC297-3-1984,IEC297-1-1986,ANSI/EIA RS-310标准中所规定尺寸系列,或标准中推荐使用的尺寸系列。在使用英制标准时,注意和公制标准对照和互换。

2安装要求
   考虑到用户对产品的要求,改变安装方式(嵌入安装、板式插拔、箱式插拔等),以及安装所采取的固定和琐紧方式,使安装符合电气要求和标准,并考虑安装的互换性和继承性。总之,方便施工,便于配布线,便于调试和维护。

3强度和刚度要求
   根据产品的负荷大小、抗震、抗冲击要求来进行强度、刚度设计验算。在进行强度和刚度设计时要考虑结构件的连接方式,整体是拼装还是焊装等;还要考虑结构件的结构形式,通过增加折弯或压筋来增加结构件的强度和刚度等。

4外壳防护要求
    根据设备的使用环境以及设备对防雨、防尘、防异物进入的要求来确定其防护等级。户外设备、在恶劣 环境中使用的设备、以及对湿度和灰尘、盐雾敏感的设备的防护等级要求较高。IP等级的设计要根据实际需要而定。

5通风散热方面的要求
   根据设备负荷大小和发热量合理进行通风散热设计,如机壳内产生的热量较大,可考虑采用散热风机等冷却装置;如发热量较小,可采用散热板或在机壳上开孔。在机壳上开孔会和外壳防护及电磁兼容形成矛盾,所以要综合考虑。

6配线布线的要求
   配布线是实现产品的电气连接的重要方式之一,在部件、插件和各功能模块的空间布置方面,要考虑元气件的电气连接,接线走线的布局,母排、相序的位置,连接安装方式,电缆穿孔等,根据工作电流合理选择导线线径,根据电气要求,对A相、B相、C相、零线、地线、电源的正极、负极以及各控制导线配以相应的颜色,并根据要求进行“上、中、下”、“左、中、右”、或“前、中、后”等空间位置的安排。
  
为解决线间相互干扰,在布线前,先将线路进行分类,主要分类方法是按功率电平进行,以每差30dB功率电平为界限进行分组,将高功率的直流、交流和射频线分为一类,低功率的直流、交流和射频线分为一类,数字线和模拟线分开,高频线和低频线分开,分别捆扎,分开敷设。布线时,采用扎带、塑料夹、缠绕带、固定座、波纹管、自粘吸盘或护线齿条等将线束捆扎,捆扎力适宜,导线不受应力,转弯处有圆弧过度;也可以采用行线槽将导线布在线槽内。线束固定牢靠,防止因震动将线皮磨破。总体布线符合电气要求,而且布线均匀、合理、整齐美观。

7人机要求
   电气产品的结构除满足电气功能之外,还要运用人机工程学原理、色彩学、造型理论,并考虑到人与设备的关系,设计出符合操作者生理、心理的结构。造型方面引入工业设计思想,要求形体比例协调,符合工艺和审美要求,并遵循体量平衡原则,力求整体和局部相适应,外形美观大方;色彩方面要应用色彩学理论,从色相、明度、饱和度如手,色彩配置有利于设备功能的发挥,适应操作者对色彩的心理要求,并与周围的环境相适应。总之,使操作者感到方便、灵活、安全、舒适,便于操作、观察和监视。

8电磁兼容方面的要求
电磁兼容就是在有限的空间、时间和频谱资源下,各种设备或系统可以共存而不致性能失效或不允许的降级。电磁兼容(EMC)包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)两个方面,EMS主要研究产品自身抗干扰能力,EMI主要研究产品免受电磁干扰所采取的措施。电磁干扰必须具备三个要素:首先是要有电磁骚扰源;其次是有电磁敏感设备;再次要有电磁传播通道。所以,要解决EMI问题就要从以上三个因素入手,抑制干扰源,切断传播途径,提高敏感设备的抗干扰能力。抑制电磁干扰主要有三个方法:接地、屏蔽和滤波。三种方法各有各自的独特性,但相互间又是相互关联的。要减小电磁干扰,除从电路设计入手之外,还要重视结构的屏蔽设计。下面要讨论在进行设备结构设计时涉及接地和屏蔽方面所采取的措施。

8.1接地
   接地有信号接地和机壳接大地等情况,设备的信号接地的作用是提供设备部分或全部电路的电平参考平面,理想的接地平面是零电位、零阻抗的物理实体,任何电流通过它的时候都不会产生压降;机壳接大地是为实现设备安全接地,实现对操作人员的安全保护,另外的一个作用是泄放因静电感应在机壳上的积累电荷,以免电位升高造成放电,以此提高设备的安全性。
   接地有几种形式:浮地、单点接地、多点接地、混合接地等。低频时一般采取单点接地,高频时一般采取多点接地。

8.1.1接地线的线径
   接地导线的截面大小要根据导线上可能出现的电流大小而定。

8.1.2接地线的长度
   当系统工作波长(λ=c/f)小到可以与接地线相比时,也就是接地线长度接近λ/4时,或者是λ/4的奇数倍时,就会形成驻波,这时,接地线就变成了一根终端短路的传输线,而起不到地的作用。电厂、变电站上的电磁干扰主要源于高压的工频干扰,继电器接点吸合与释放,开关、段路器的分合时,冲击电流所产生的电磁干扰。断路器分断时所产生的谐波中幅度较大的分量的频率可达30 MHz ,它所对应的波长λ=c/f=10 m, λ/4=2.5 m,如果接地线的长度也接近2.5 m,这个接地效果就不理想,所以,机箱、机柜的接地线的长度要和干扰波长相匹配。单点接地在低频时性能较好,多点接地在高频时性能较好。

8.1.3接地电阻
   系统的接地电阻要小,一般要求小于0.01 Ω。搭接就是在两个金属面之间建立低阻抗通路,搭接后的两金属面变成为等电位面,这样便实现电路与机壳或电路与接地系统的连接。实现搭接的办法有压配连接、铆接、螺钉攻丝连接、焊接等,其中螺钉连接比较方便,但不可靠,因为螺钉在配合件中因震动使面接触变为线接触,另外,由于电蚀和高频电流的趋肤效应,使得辐射电流沿着螺钉的螺旋线流动,这样,它在很大程度上呈现电感性。所有的连接中焊接最为可靠。不管如何搭接,要求接触面无漆塑,无氧化膜,接触面接触良好,接触电阻要小。

8.2屏蔽
   屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁波的干扰,它能限制内部电磁辐射越出某一区域,也能防止外来辐射进入某一区域。

8.2.1电场屏蔽
   电场感应可看成分布电容的耦合。电场屏蔽的目的就是为了减小耦合电容。要获得好的效果,屏蔽板接地良好,屏蔽体的形状最好全封闭,材料是高导电率材料为好,厚度无要求,只要有足够的强度。

8.2.2磁场屏蔽
   磁场屏蔽主要依靠高导磁率材料具有低磁阻,对磁通起着分路作用,使得屏蔽体内部磁场大大减弱。结构设计上主要把握以下几点:
   ① 材料选择上要选高导磁率材料,如硅钢,坡莫合金等;
   ② 在允许的情况下尽可能增加屏蔽体的厚度;
   ③ 在空间布局上,使被屏蔽物不靠近屏蔽体;
    ④ 尽量减少接缝和开孔。

8.2.3电磁场屏蔽
   屏蔽体对电磁波的衰减主要基于对电磁波的反射和吸收。
   反射损耗R的计算公式: 
   ZW为入射场(干扰波)的阻抗,ZS为金属板的特性阻抗。
 

式中:|ZS|为金属板的阻抗模; μ为相对磁导率;G为相对电导率;f为干扰源频率。
   由公式(1)可知,反射损耗和干扰源频率、屏蔽材料的电导率、磁导率都有关系,在设计时要综合考虑。
   吸收损耗M的计算公式:t为金属板厚度(单位密耳,1密耳=0.0254 mm)。
   由上面的公式可知,屏蔽材料的磁导率越大,电导率越高,吸收损耗越大,并以热的形式耗散掉。
   根据以上理论,在结构设计上采取以下措施:
   ① 结构材料的选择
   根据干扰电磁波的频率合理选择材料。对低频电磁干扰的屏蔽效能主要取决于反射损耗,选材上要选反射损耗大的金属,如铜、铝、镍等低电阻、高导电率材料;对于高频电磁干扰主要取决于吸收损耗,屏蔽材料应选低磁阻、高导磁率、高导热材料;对于塑料壳体要在其壁上喷屏蔽层或镀金属膜,或者在塑料材料中加入金属纤维;对于要求较高的壳体要在其内壁喷涂氧化锆、氧化钴、铁氧体复合吸波材料,或者喷涂雷达吸波材料、军用战机隐形材料,象β-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2-Co复合相纳米材料等,当然,这要考虑成本问题。
  
② 搭接处理
   机柜、机箱、仪器仪表外壳等在制造上接缝是难以避免的,接缝要求金属与金属接触,接触处不能有漆塑,接触电阻要小。当有活动接触时,接触处要用导电衬垫,并有足够的压力保证接触可靠。如果选用不同材料搭接,这些材料应具有电化相容性。
 
  ③ 开孔处理
   机壳因通风散热,穿越导线,液晶、数码管显示器件以及观察窗口等都需要开孔,机壳开孔后,因屏蔽体的不连续使屏蔽效能下降。电磁泄漏取决于开口尺寸、波阻抗以及干扰源的频率。当开口尺寸等于1/2波长时,就形成天线效应,产生较大辐射。
   在电磁兼容要求苛刻的情况下,可对穿越壳体的导线采用穿心电容滤波。
   对于液晶、数码管、指示器等显示器件在壳体上的开孔,可用镀透明导电膜玻璃或夹金属丝的屏蔽玻璃罩在开孔处。
   对于必须的开孔,可采用波导衰减器来提高屏蔽效能,波导孔尺寸和干扰源的截止频率有一定关系,低于这个频率时,就会形成衰减。形成衰减的距形波导孔最大尺寸:

   f为截止频率,当工作频率远小于截止频率时,圆形波导的屏蔽效能为:
  t为法兰盘的总厚度。由公式(5)和(6)可以看出,波导孔越小,厚度越厚,衰减效果就越好,另外,对开孔进行适当的排布也有助于提高屏蔽效能。
 
  如图1所示,机壳上开孔的排布情况,其磁场屏蔽效能为:
由公式(7)可以看出,开孔孔径越小,壁厚越大,孔间距越大,其屏蔽效能就越好。
开孔形状上,在同面积情况下,采用圆孔和六角孔的效果要好于条形孔和其它异形孔。

9工艺性要求
   工艺就是把原材料、半成品变成产品的手段和过程,它是实践经验的理论化。任何产品都要考虑其工艺的可行性,市场效益和经济性。作为电子电气产品的结构部分,它也可作为一个独立的产品进行研发、生产和销售。目前,有很多厂家把机柜、机箱、仪器仪表外壳作为自己的产品研发、生产和销售。这样就要考虑其加工装配难易程度,外购、外协的可行性,还要考虑结构的标准化、通用化、系列化和结构的继承性,并根据厂里的设备状况和实际加工水平制订相应的工艺文件。

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