配电控制盒一体化箱体的结构设计
配电控制盒一体化箱体的结构设计
王登文 郭 亮 潘明和
摘要：介绍了一种比拼板式箱体装配效率高、装配质量可靠、重量轻且满足设备使用环境的配电控制盒一体化箱体设计思想，从三维方案设计、热设计、抗振动冲击设计、电磁兼容设计等方面详细阐述了该一体化箱体的设计方法。
Abstract: This paper introduces the design concept of an integrated box for power distribution control boxes, which boasts higher assembly efficiency, reliable assembly quality, lighter weight, and adaptability to the equipment's operating environment compared to traditional panel-type boxes. The design methodology of this integrated box is elaborated in detail from aspects such as three-dimensional scheme design, thermal design, anti-vibration and shock design, and electromagnetic compatibility (EMC) design.
关键词：一体化箱体、装配效率、装配质量、热设计、抗振动冲击设计、电磁兼容设计
Keywords: integrated box, assembly efficiency, assembly quality, thermal design, anti-vibration and shock design, electromagnetic compatibility design
中图分类号： 文献标识码： 文章编号：
1.绪论
控制盒类设备因其模块化、标准化、轻量化以及定制化的特点，在机载、车载以及民用配电控制中具有极其重要且独特的作用，特别是初次配电装置、一次配电装置、二次配电装置。配电控制盒作为供电设备，其装配效率、装配质量、维护性、重量大小以及可靠性等性能直接影响到装备的作战能力和快反能力。所以本文设计一款具有装配效率高、装配质量稳定、维护性好、重量轻、具有较强抗振动冲击能力和抗电磁干扰能力的一体化箱体结构。在研制周期固定的情况下，缩短设备装配和维护周期，给予设备软件、硬件足够调试时间，提高装备可靠性以应对环境越加复杂和武装冲突越加频繁的国际环境。
2.结构设计
配电控制盒具有根据开关信号、上位机指令和电源状态，实现28V低压直流电源和汇流条管理的功能。根据原理框图（图1），对箱体结构进行总体设计。
图1 配电控制盒原理框图
2.1三维方案设计
三维方案设计时，首先对原理、外形安装尺寸、重量、元器件型号及安装方式、功耗等相应技术参数熟悉，其次与软件工程师、硬件工程师，确定各功能模块组成及分类。综合考虑箱体环境适应性和工艺性，箱体设计采用一体化设计思想，由底板、盖板以及围框经铣加工而成；拼板式设计由前板、后板、左侧板、右侧板、盖板、底板、隔板等10余件零件组成箱体。
2.1.1 模块设计
结合图1进行剖析，从结构上将设备分为功率部分和控制部分。功率部分由接触器、二极管模块、传感器、温度传感器、汇流条等组成；将接触器驱动、信息采集、余度管理、通信、处理器、电源等功能单元共同集合成控制部分。
2.1.2 电气安全设计
根据GB 4793.1-2007和GB/T 16935.1-2008的安全要求，按污染等级和材料组别对设备电气间隙和爬电距离进行安全性设计和验证。零部件间最小距离为6mm，满足标准规定的28V额定工作电压下设备的电气安全要求。
2.1.3 内部布局设计
对设备原理图、元器件型号特征和功能单元综合进行分析将重量大的接触器、发热量高的二极管、汇流条等功率部分安装于围框底部，将需要调试时需要不时拆卸电子元器件的控制部分安装于围框顶部，见图2。拼板式为自下而上分层布局方式，第一层为接触器、二极管模块、汇流条；第二层为传感器与部分汇流条；第三层为隔板和六角支撑柱；第四层为控制部分，见图3。
图2 一体化方案内部布局
图3 拼板式方案内部布局
2.1.4 装配工艺设计
设备要具有良好的可靠性、测试性、维修性，箱体设计应做到具有良好装配效率和装配质量，给予软件、硬件调试充足时间，减少测试过程中对零部件的拆卸。
a）装配设计：根据设备接线图在箱体内部设置元器件位号标识，设计图纸对元器件装配顺序及标准件使用进行详细标注；
b）走线设计：大功率线路使用汇流条和接线柱进行电气连接，将功率线、控制线、信号线分路走线；
c）缺件设计：一体化箱体中功率部分与围框底部作为一层，控制部分与围框顶部作为一层，该设计在缺件下可继续其他装配工作；拼板式结构只具备部分缺件设计；
d）安全性设计：汇流条除接线点外其余部分做绝缘处理，导线连接点装配热缩套管，PCB板使用矩形连接器进行电气连接；
e）测试性设计：导线连接处套标识管，在调试或维护过程中可根据故障现象将盖板或底板拆下，用测试工具测量测试点即可完成测试操作；拼板式结构则需要一定的特殊工装才能完成；
f）维修性设计：将盖板和底板拆卸即可完成一体化箱体内部所有元器件维修更换；拼板式结构需要根据元器件安装位置及走线确定需要拆卸的零部件；
g）防差错设计。选择型号不同或键位不同的连接器；接线柱采用不同的螺纹规格。
2.2 热设计
热设计是为了通过对热量传播方式的分析，研究控制热量的有效措施，达到降低箱体内部温升，保证设备可靠工作的目的。本设计主要热量来源于内部二极管模块和接触器。根据箱体的结构形式以及元器件功耗，设备主要散热方式为热传导和热对流。内部热源来自接触器工作时线圈阻抗以及二极管模块压降功耗。采用截面积较大的汇流条，将接触器和二极管产生的热量通过热传导方式通过箱体快速传递，汇流条与周围空气存在热辐射，大大增加对流散热面积。并在设计过程中采取以下措施用于降低箱体内部温升：
a）选择工作温度满足使用环境要求的元器件并进行降额设计，其中电源模块选用Ⅰ级 降额；
b）汇流条材料选择导热性和导电率高的紫铜，根据其截面积和载流量变化系数在设计时进行降额处理并同时适当增加汇流条面积；箱体选择导热性良好的铝合金板作为材料，并增加散热槽；
c）接触器、二极管模块在安装于箱体主散热面并合理均匀紧凑靠近箱体边缘，使元器件散热面完全与箱体散热面完全贴合；
d）为降低传导热阻，二极管模块与箱体之间均涂有导热硅脂或安装导热垫。
2.3 抗振动冲击设计
机箱要具有良好的抗振动冲击性能，机箱应做到体积小、重量轻，同时各零部件都应具有足够的刚强度[1]。
2.3.1 电子设备设计
电子元器件选型时依照设备工作环境要求，优先选择振动指标高于设备工作环境的元器件，针对极少数无环境参数的器件，选择已经通过试验验证且使用多年无质量问题的元器件；其次，对于接触器等大型器件，选型从尺寸、重量、安装方式、故障率、等因素进行选择。
将接触器等大型器件相对均匀、整齐、紧凑的置于箱体主承重面上，同时尽量减少和缩短各元器件间的线路连接；禁止直接从PCB板上焊接导线，PCB模块电气连接通过矩形连接器和焊接端子；导线绑扎成束后使用卡箍固定。
PCB模块在整体布局时尽量将元器件均匀、紧凑、整齐的布置，保证功能性能及工艺性的同时减少和缩短各元器件间走线的连接，均匀设置PCB模块的安装固定位置，并将电源模块等重量大的器件安全紧靠模块安装固定位置。
2.3.2 箱体材料选择
根据设备工作环境、重量及外形要求选择抗拉强度为425MPa，屈服强度不小于275MPa的铝合金板为箱体材料。接线柱和汇流条材料选择导电率为57.0MS/m、抗拉强度大于245MPa的紫铜，因其具有较强的抗拉强度和高于黄铜（导电率为28.47MS/m）约一倍的导电率。
箱体螺纹孔采用安装钢丝螺套（不锈钢）的方式增强各零部件间拧紧需求，避免螺纹孔因反复拆卸造成螺纹孔滑丝或是拧出铝屑等多余物，并按GB3098.13和Q/STB12.521.5-2000的要求规定不同规格标准件的拧紧力矩。标准件材料为不锈钢,固定螺钉采取防松措施，装配时配备平、弹垫（其中弹垫采用防松特性更好的锰钢作为材料），沉头螺钉均装配锁紧垫圈或添加一定的螺纹胶进行防松脱处理。
2.3.3 抗振措施
主承重面和围框增加加强筋，安装耳作圆角处理，PCB板相应元器件涂硅橡胶固定，降低PCB模块与箱体承重面安装距离并在安装支架和PCB模块间增加具有阻尼作用的绝缘垫片。
2.4 电磁兼容设计
为了使电子设备和系统具有良好的电磁兼容性能，需要采取合理有效的方法抑制干扰源的电磁发射，控制电磁干扰在耦合路径的传播，增加敏感设备的抗干扰能力。这就要利用各种抑制干扰技术，包括合理的屏蔽、良好的接地与搭接、优化信号设计、完善电路设计、合适的滤波等技术。屏蔽技术是实现设备电磁兼容性的重要环节。屏蔽技术是指用屏蔽体（机箱等）将干扰源或者感受器包封起来，以起到防止电磁干扰向外传播或屏蔽外界电磁干扰的技术[2]。
2.4.1 设计思想及材料选择
为了提高整机的电磁兼容性能，在设计时应考虑整机的结构布局，全盘设计接地、屏蔽、搭接等措施。为了实现布局的合理有效，应从电路板级考虑静态区域的分布。静态区域包括数字电路、模拟电路、电源电路、高频电路、IO接口电路、接地层等部分的隔离。这种隔离避免了PCB板其他区域的噪声干扰及其他敏感电路[3]。设备整体采用模块化设计思想，将接触器等具有一定电磁干扰的器件放于围框底面，将PCB模块放于围框顶面，在实现设备模块化设计的同时从布局上避免了干扰器件与PCB板上敏感电路的物理隔离，并增加滤波电路进一步处理干扰；其次，箱体采用一体化设计思想，由盖板、围框、底板经铣加工而成，增加箱体密闭性同时减少零件间接触间隙。
在电磁能量发射和接受之间，箱体通过反射和吸收电磁辐射达到抑制或消除电磁干扰的效果。因不同材料产生的电磁屏蔽效果不一致，所以本设计选择具有高导电、高导磁的铝合金板（铝的电阻率为0.03、相对导磁率为1）为箱体材料。
2.4.2 缝隙的屏蔽
在箱体结构设计时，为减小箱体缝隙的泄露，将电磁能量限制在一定空间范围内，箱体在设计时采取以下措施：
a）缩短安装螺钉间距、减小零件间缝隙的长度，不允许箱体表面存在开放性孔、洞存在；
b）零件进行导电氧化处理，图纸明确零件粗糙度并做检验，所有金属面连接处和安装孔不能喷漆；
c）装配前使用酒精将金属面擦拭，确保表面无金属屑、污垢、油污；
d）盖板和底板与围框连接处增加导电橡胶条，确保箱体良好的密闭性和电连接；
e）连接器（接线柱）与箱体间增加导电橡胶条或是导电涂料，确保电连接器与箱体具有可靠电连接。
2.4.3 接地设计
接地设计是为了抑制或消除各支路电流流经公共地线时所产生的噪声电压，避免受磁场和电位差的影响，不使其产生地环路。其中数字地和模拟地分别作为数字信号、模拟信号的零电位参考，电源地作为开关电源或线性电源直流输出的零电位参考。设备设计时将PCB模块的数字地、模拟地、电源地相互独立分开并引到相应独立接口，使其系统各部分电位基准都保持零电位。为保证设备良好连续的导电导磁率，箱体表面处设有专用接地柱。
2.4.4 电缆设计
选用具有屏蔽层的金属编织电缆，所有电缆通过卡箍绑扎成束，电缆屏蔽层多点通过紧固螺钉与箱体内表面接地。将控制信号线、大功率线束分束走线，并对通讯信号线进行双绞处理，以此减少或抑制各信号线间相互干扰，使得干扰噪声电流只在屏蔽层外表面通过。
3.结构类比
使用三维软件对箱体零部件重量进行评估，拼板式箱体重量为2.686kg，装配完成后实际重量为8.24kg；一体化箱体重量为2.239kg，装配完成后实际重量为7.63kg。选择各5台一体化箱体和拼板式箱体进行装配验证，一体化结构装配时间至少比拼板式结构少2个工作日。其次，一体化内部线路规整性和美观性胜于拼板式箱体结构。
4.结论
该箱体结构从三维方案设计、热设计、抗振动冲击设计、电磁兼容设计等方面介绍了一体化箱体的结构设计及其应用，较拼板式箱体其具重量轻、装配效率高、装配质量可靠、维护维修快速、测试简便等优点。目前，该设备已完成环境试验且交付用户使用并得到用户一致好评。
参考文献
[1]刘又超.某无人机机载加固电子设备机箱结构设计[J].机械与电子，2017,35（3）：55-57
[2]杨永志，杨浩.电子设备机箱连接缝隙屏蔽效能的研究[J].光电技术应用，2019,34（2）：69-72
[3]陈旸，许鸣，张孙虎，彭飞，包健，茹坤.复杂电磁环境下机载飞行控制器结构设计[J].电气与自动化，2015,5（50）：186-188
