杜明磊，徐中明，丁良旭，劉青松

(1.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030; 2.重慶通信學(xué)院，重慶 400035; 3.重慶市電磁兼容工程技術(shù)研究中心，重慶 401122)

前言

整車(chē)電磁兼容(EMC)測(cè)試是檢測(cè)汽車(chē)電磁兼容性是否合格的最終手段。即使通過(guò)EMC測(cè)試的零部件，裝車(chē)后仍有可能發(fā)生EMC超標(biāo)的情形。如何有效快速地定位、分析電磁兼容問(wèn)題，提出解決方案，是EMC研究人員面臨的巨大挑戰(zhàn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，EMC仿真技術(shù)對(duì)解決汽車(chē)EMC問(wèn)題起到了日益重要的作用。EMC仿真技術(shù)能夠高效、快速地對(duì)電磁兼容方案進(jìn)行模擬測(cè)試、檢驗(yàn)對(duì)比，可明顯縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)成本，是解決汽車(chē)EMC問(wèn)題的重要手段。

由于電機(jī)的高頻電磁特性非常復(fù)雜，難以建立較為精確的模型，因此針對(duì)電機(jī)輻射干擾的研究并不多。文獻(xiàn)［1］中提出了0.01～100MHz的永磁交流電機(jī)的寄生參數(shù)模型。文獻(xiàn)［2］中將直流電機(jī)簡(jiǎn)化成諧振腔，研究了直流電機(jī)在250MHz～1GHz的輻射特性;文獻(xiàn)［3］中采用傳遞函數(shù)的辦法提出了電機(jī)線束在30MHz～1GHz的電磁輻射預(yù)測(cè)模型。

本文中利用CST等電磁仿真軟件，分別建立整車(chē)與電機(jī)線束的三維模型和電機(jī)線束的電路模型。通過(guò)電路模型計(jì)算出線束上的電壓/電流分布，作為線束的輻射源，進(jìn)而研究其電磁輻射特性和相應(yīng)的EMC抑制措施。

1 雨刮電機(jī)電磁輻射干擾分析

1.1 有刷直流電機(jī)的電磁干擾原理

汽車(chē)雨刮電機(jī)采用有刷直流電機(jī)，其工作時(shí)的電磁輻射干擾主要來(lái)自?xún)煞矫?一是電樞與電刷之間換相導(dǎo)致的電壓/電流瞬變，產(chǎn)生的高頻干擾沿著電機(jī)的連接線束向外傳播;二是電刷與電樞之間容易積聚大量的電荷，當(dāng)積累到一定程度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電火花，直接向外輻射電磁干擾。這些電磁輻射干擾的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響了汽車(chē)的EMC特性。

1.2 基于GB 18655的雨刮電機(jī)電磁輻射干擾耦合路徑分析

雨刮電機(jī)對(duì)整車(chē)電磁輻射干擾的測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn)GB 18655《用于保護(hù)車(chē)載接收機(jī)的無(wú)線電騷擾特性的限值和測(cè)量方法》［4］。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在進(jìn)行雨刮電機(jī)測(cè)試時(shí)，將連接車(chē)載收音機(jī)的天線接頭與測(cè)試同軸線纜相連，測(cè)試線纜的屏蔽層連接收音機(jī)殼體金屬部分，車(chē)輛保持通電狀態(tài)(ON)，開(kāi)啟雨刮電機(jī)使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

不難發(fā)現(xiàn)，雨刮電機(jī)電磁輻射的干擾耦合主要途徑如圖1所示:一是直接輻射耦合，即電機(jī)輻射干擾從車(chē)前部縫隙處泄漏，被車(chē)頂后方的天線所接收，然后通過(guò)天線饋線傳導(dǎo)至測(cè)試同軸線纜，被測(cè)試接收機(jī)測(cè)得;二是通過(guò)地線耦合，即電機(jī)輻射通過(guò)接地線耦合到車(chē)載收音機(jī)。

2 汽車(chē)雨刮電機(jī)電磁輻射模型的建立

2.1 雨刮電機(jī)電磁輻射干擾特性分析

圖2為某型轎車(chē)配備的雨刮電機(jī)，電機(jī)的金屬外殼包裹嚴(yán)密，殼體上僅有兩個(gè)用于安裝固定螺釘?shù)目住ｋ姍C(jī)的兩根供電線束分別是高、低速擋的正極，負(fù)極接車(chē)身地。

由babinet原則［5］可知，當(dāng)孔縫的尺寸相當(dāng)于電磁波的半波長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的諧振最大，即電磁泄漏最強(qiáng)。而GB 18655測(cè)試所考察的頻率范圍為0～1GHz，對(duì)應(yīng)的最小波長(zhǎng)約為300mm，遠(yuǎn)大于電機(jī)外殼孔的尺寸，因此可以認(rèn)為，在0～1GHz范圍內(nèi)，經(jīng)由雨刮電機(jī)安裝孔泄漏的電磁輻射很少，雨刮電機(jī)產(chǎn)生的干擾主要是通過(guò)其供電線束向外輻射傳播［6］。所以研究雨刮電機(jī)的輻射干擾特性就簡(jiǎn)化為研究電機(jī)供電線束的電磁輻射特性。

2.2 車(chē)身三維模型的建立

由于實(shí)際車(chē)身是大跨度曲面，表面接縫很多，且車(chē)內(nèi)線束分布繁雜，若按照詳細(xì)實(shí)車(chē)模型來(lái)仿真，計(jì)算量將很大，難以實(shí)現(xiàn)。因此，為同時(shí)保證仿真可行性和計(jì)算精度，須對(duì)車(chē)身進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

以某型轎車(chē)為原型，車(chē)身全尺寸為5034mm×1973mm×1115mm(不含輪胎)，利用Solidworks三維建模軟件建立車(chē)身的三維模型，如圖3所示。

模型主要做了以下簡(jiǎn)化:

(1)將車(chē)身的大跨度曲面盡可能簡(jiǎn)化成易于進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理的平面結(jié)構(gòu)，例如車(chē)頂和車(chē)底等均簡(jiǎn)化成平面;

(2)省去對(duì)電磁輻射傳播影響很小的輪胎、座椅、車(chē)窗和車(chē)燈等非金屬部件;

(3)省去車(chē)身上諸多縫隙和孔洞等結(jié)構(gòu)，以及后視鏡和雨刮器等尺寸較小的部件，僅保留整車(chē)的主體金屬結(jié)構(gòu);

(4)車(chē)門(mén)和后備箱等都簡(jiǎn)化成金屬實(shí)體;

(5)車(chē)前艙內(nèi)用兩個(gè)長(zhǎng)方體分別代替發(fā)動(dòng)機(jī)系和散熱器，車(chē)前蓋縫隙統(tǒng)一設(shè)置為2cm。

2.3 雨刮電機(jī)及整車(chē)的電磁仿真模型設(shè)置

將建立的整車(chē)模型導(dǎo)入CST軟件，根據(jù)實(shí)際雨刮電機(jī)安放位置，在車(chē)身模型前窗下發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)建立雨刮電機(jī)的供電線纜模型，電機(jī)供電線束為普通雙排銅線，如圖4所示。

仿真模型的主要參數(shù)設(shè)置如下:(1)線束參數(shù):長(zhǎng)800mm，截面積1mm2，線間距0.1mm;(2)線束的激勵(lì)源為12VDC電壓源，線束上電阻初始設(shè)置為50Ω，計(jì)算中考慮線束的歐姆損耗和介質(zhì)損耗;(3)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試點(diǎn):車(chē)頂后部天線處和收音機(jī)處(圖1);(4)邊界設(shè)置:將車(chē)底下面設(shè)置成電壁，模擬大地，其余5個(gè)方向設(shè)置成開(kāi)放邊界;(5)將車(chē)身設(shè)置成地，作為共模電流的回流通路。

3 雨刮電機(jī)電磁輻射模型的計(jì)算

采用“場(chǎng)、路耦合”的方法計(jì)算電機(jī)線束的電磁輻射特性。首先，電機(jī)線束的傳導(dǎo)干擾是典型的傳輸線問(wèn)題，可等效為雙導(dǎo)體傳輸線模型［7］，見(jiàn)圖5。

傳輸線基本方程:

式中:u(t，z)和i(t，z)分別表示t時(shí)刻在坐標(biāo)z處的電壓和電流;L0和C0分別表示傳輸線單位長(zhǎng)度的電感和電容。

方程通解:

為便于計(jì)算，將傳輸線模型離散化成一系列電路單元組成的集總參數(shù)模型，每個(gè)等效電路單元由電阻、電感和電容等器件組成，其長(zhǎng)度要小于所考察傳輸信號(hào)的最小波長(zhǎng)。通過(guò)計(jì)算相應(yīng)電路單元，即可得到傳輸線上的電流、電壓分布。

然后，將計(jì)算得到的線束電流分布特性(主要是共模電流分布)作為線束輻射的電流元場(chǎng)源，再利用有限積分法(FIT)，計(jì)算線束輻射在三維空間的傳播特性［8］。

計(jì)算線束的輻射特性可利用共模/差模電流的輻射模型。當(dāng)電路劃分足夠小，即單元電路導(dǎo)線足夠短，而測(cè)試點(diǎn)距離導(dǎo)線足夠遠(yuǎn)且符合遠(yuǎn)場(chǎng)特性時(shí)，可用簡(jiǎn)化的共模/差模電流輻射模型［9］，即

式中:ECM、EDM為某點(diǎn)的共模和差模輻射電場(chǎng)強(qiáng)度;IC、ID為電偶極子電流和電流環(huán)電流;l為電偶極子長(zhǎng)度;S為電流環(huán)面積;r為測(cè)試點(diǎn)到線束的距離。

FIT法是從積分形式的Maxwell方程組演化而來(lái)，利用Yee氏網(wǎng)格將空間電磁場(chǎng)離散化，各個(gè)網(wǎng)格單元上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量均用一系列方程組表示。在求解過(guò)程中采用“蛙跳”算法，在時(shí)域內(nèi)對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)間隔半個(gè)步長(zhǎng)交替抽樣，通過(guò)求解方程組即可得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量［10］。

4 汽車(chē)雨刮電機(jī)EMC輻射干擾仿真

4.1 雨刮電機(jī)線束輻射對(duì)車(chē)載天線和收音機(jī)的影響

根據(jù)傳輸線理論，建立雨刮電機(jī)供電線束的電路模型，如圖6所示。其中，激勵(lì)源為內(nèi)阻50Ω的12VDC電壓源，電路地為車(chē)身外殼，線束電阻值初始設(shè)置為50Ω。

仿真出的線束電壓/電流分布是隨線束長(zhǎng)度、頻率而變化的數(shù)值矩陣。在仿真結(jié)果中選取線束初始端和終端的電壓/電流隨頻率變化特性如圖7所示。

圖7中，U0、I0為初始端(激勵(lì)源)電壓、電流，U1、I1為線束終端電壓、電流?？梢?jiàn)，隨著頻率的提高，線束上的電壓、電流變化加劇，變化趨勢(shì)復(fù)雜。

分別在汽車(chē)天線位置(車(chē)頂后方中線處)和車(chē)載收音機(jī)位置(車(chē)廂內(nèi)前側(cè)中部)放置電場(chǎng)探頭。仿真測(cè)得汽車(chē)天線和收音機(jī)處的電場(chǎng)輻射強(qiáng)度如圖8所示。

從仿真結(jié)果可知，汽車(chē)天線和收音機(jī)都受到明顯的雨刮電機(jī)線束的電磁輻射干擾。其中，距離電機(jī)更近的收音機(jī)所受到的電場(chǎng)輻射強(qiáng)度更高，說(shuō)明收音機(jī)自身外殼必須做到良好的屏蔽和接地。而對(duì)于汽車(chē)天線而言，只有通過(guò)減少雨刮電機(jī)自身電磁干擾的產(chǎn)生來(lái)提高其EMC特性。

4.2 雨刮電機(jī)EMC抑制措施仿真

常用的直流電機(jī)EMC抑制措施有降低電機(jī)的接觸電阻、共模/差模濾波和串聯(lián)電感等［11-13］。

(1)電機(jī)線束電阻值對(duì)電機(jī)輻射強(qiáng)度的影響

為減小有刷直流電機(jī)的電磁輻射，降低電刷與電樞之間的接觸電阻是方法之一，可以通過(guò)提高電刷的含銅量和進(jìn)一步減小電刷與電樞的間隙等措施實(shí)現(xiàn)。仿真中，改變圖6電路模型中線束終端電阻阻值的大小，分別設(shè)置為5、50和500Ω，考察汽車(chē)天線處的電場(chǎng)輻射強(qiáng)度的變化情況，得到的仿真結(jié)果如圖9所示。

不難看出，減小線束上的電阻值，線束輻射會(huì)有所減小，但降幅不大，只有幾個(gè)dB，而針對(duì)定型的電機(jī)產(chǎn)品，改變碳刷含銅量，或減小電刷與電樞間隙等措施的實(shí)施成本較高，可行性較低，因此在EMC抑制中很少采用。

(2)濾波電容對(duì)電機(jī)輻射強(qiáng)度的影響

選取合適的濾波電容可有效濾除線束的差模/共模干擾。需要注意的是，選型時(shí)要考慮電容的頻率特性，不能超過(guò)其自諧振頻率點(diǎn)。分別在供電線束與地之間并聯(lián)1pF電容(共模濾波)和在線束之間并聯(lián)電容1μF(差模濾波)，可降低汽車(chē)天線處的電場(chǎng)輻射強(qiáng)度，如圖10所示。

仿真結(jié)果表明，采用共模/差模電容濾波后，線束傳導(dǎo)干擾會(huì)大幅度降低，因此線束的電磁輻射干擾也明顯下降，最大下降幅度約40dB，該EMC抑制措施有效。其中，采用共模電容濾波的抑制效果最好，也驗(yàn)證了電路中共模電流才是導(dǎo)致電磁輻射干擾的主要原因［14］，因此針對(duì)線束EMC抑制，應(yīng)須重點(diǎn)考慮濾除共模干擾。

(3)串聯(lián)電感對(duì)電機(jī)輻射強(qiáng)度的影響

在線束上串聯(lián)電感可改善電機(jī)電樞換向時(shí)產(chǎn)生的電壓瞬變，同時(shí)與并聯(lián)的電容組成低通濾波器，進(jìn)一步提高濾波效果。選型時(shí)同樣應(yīng)注意不能超過(guò)電感的自諧振頻率點(diǎn)。

在采取共模濾波的電路模型中再串聯(lián)進(jìn)1μH電感，計(jì)算得到的仿真結(jié)果如圖11所示。

仿真結(jié)果表明，電機(jī)線束在并聯(lián)共模濾波電容的基礎(chǔ)上再串聯(lián)電感后，汽車(chē)天線處的電場(chǎng)輻射強(qiáng)度又可下降近20dB。顯然，在電機(jī)線束上串聯(lián)進(jìn)合適的電感，能更進(jìn)一步提高濾波效果，降低電機(jī)的電磁輻射，說(shuō)明該抑制措施有效。

4.3 雨刮電機(jī)EMC改進(jìn)的試驗(yàn)研究

某型轎車(chē)在進(jìn)行GB 18655整車(chē)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)雨刮電機(jī)在30MHz～1GHz頻率范圍內(nèi)以高速擋運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輻射超標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

測(cè)試結(jié)果中的曲線為電場(chǎng)強(qiáng)度峰值，黑點(diǎn)為電場(chǎng)強(qiáng)度準(zhǔn)峰值，點(diǎn)劃線為準(zhǔn)峰值國(guó)標(biāo)線?？梢?jiàn)，在70MHz以上雨刮電機(jī)的電磁干擾值嚴(yán)重超標(biāo)，最大超過(guò)20dB，顯然該雨刮電機(jī)須進(jìn)行EMC改進(jìn)。

參照仿真計(jì)算結(jié)果，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，按照?qǐng)D11的方案，選用0.47μF瓷片電容和0.68μH電感構(gòu)成低通濾波器，電容連接在電機(jī)接線端和車(chē)身之間，電感串聯(lián)在線束上，之后測(cè)得的結(jié)果如圖13所示。

測(cè)試結(jié)果表明，選取合適參數(shù)的元器件，對(duì)電機(jī)供電線束進(jìn)行低通濾波，可大大降低其電磁輻射干擾，抑制后的雨刮電機(jī)的電磁干擾準(zhǔn)峰值低于4dB，滿(mǎn)足GB 18655標(biāo)準(zhǔn)的要求，測(cè)試通過(guò)。

5 結(jié)論

(1)從仿真和試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，簡(jiǎn)化的整車(chē)和電機(jī)線束模型能夠反應(yīng)實(shí)際的電磁輻射干擾問(wèn)題，其仿真結(jié)果是可信的，說(shuō)明本文中的建模、仿真方法對(duì)于整車(chē)的EMC抑制具有較高的指導(dǎo)或參考價(jià)值。

(2)仿真結(jié)果表明，汽車(chē)天線和收音機(jī)對(duì)雨刮電機(jī)的電磁輻射干擾影響顯著。因此，車(chē)載收音機(jī)的屏蔽和接地必須良好，天線安置位置應(yīng)距離車(chē)前部盡可能遠(yuǎn)。

(3)降低電機(jī)上的接觸電阻能降低其電磁輻射強(qiáng)度，但降幅不大，且可行性較低，因此很少采用。

(4)選取適當(dāng)?shù)臑V波電容對(duì)線束進(jìn)行共模/差模濾波，是降低雨刮電機(jī)電磁輻射的主要手段。

(5)選取合適的電感，與共模濾波電容組成低通濾波器，可進(jìn)一步降低雨刮電機(jī)線束的電磁輻射，提高其EMC性能。

［1］Huang X D，Pepa E，Lai J S，et al.EMI Characterization with Parasitic Modeling for a Permanent Magnet Motor Drive［C］.Conference Record-IAS Annual Meeting(IEEE Industry Applications Society)，2003，v1:416-423.

［2］Geng J P，Jin R H，Yu F，et al.The Study on Electromagnetic Compatibility of DC Electric Motor in HAPS［J］.Aero Space Science and Technology，2005，9(7):617-625.

［3］汪泉弟，李飛，周尚華，汽車(chē)雨刮器電機(jī)電磁輻射干擾預(yù)測(cè)模型［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(4):26-30.

［4］GB 18655—2002.用于保護(hù)車(chē)載接收機(jī)的無(wú)線電騷擾特性的限值和測(cè)量方法［S］.2002.

［5］電磁屏蔽原理與應(yīng)用［M］.郎為民，等譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:132.

［6］Liu G P，Chen C C，Tu Y H，et al.Anticipating Full Vehicle Radiated EMI from Module-level Testing in Automobiles［C］.2002 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility，September 9-13，2002，Sorrento，Italy:IEEE，2002:982-986.

［7］EMC分析方法與計(jì)算模型［M］.呂英華，等譯.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2009:145-153.

［8］吳琛，張敏，吳睿.整車(chē)線纜線束信號(hào)完整性及電磁干擾仿真分析［J］.機(jī)電一體化，2009，15(11):70-73.

［9］Hall S H，Hall G W，Mccall J A.High-Speed Digital System Design:A Handbook of Interconnect Theory and Design Practices［M］.New York(NY，USA):John Wiley＆ Sons，2000:74-90.

［10］Tonti E.Finite Formulation of the Electromagnetic field［J］.Progress in Electromagn.Res，2001，32:1-144.

［11］黃大明.永磁直流電機(jī)的EMI抑制［J］.安全與電磁兼容，2007(5):48-52.

［12］許響林，劉青松，李彬.汽車(chē)刮水電動(dòng)機(jī)電磁輻射的抑制方法［J］.汽車(chē)電器，2010(3):45-47.

［13］Mabuchi Y，Nakamu Ra A，et al.A Feasibility Study for Reducing Common-mode Current on the Wire Harness Connected to E-lectronic Control Units［J］.Electronics and Communications in Japan(Part II:Electronics)，2007，90(9):19-31.

［14］Paul C R.電兼容導(dǎo)論［M］.聞?dòng)臣t，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:269-272.