杜明磊,徐中明,丁良旭,刘青松
(1.重庆大学机械工程学院,重庆 400030; 2.重庆通信学院,重庆 400035; 3.重庆市电磁兼容工程技术研究中心,重庆 401122)
整车电磁兼容(EMC)测试是检测汽车电磁兼容性是否合格的最终手段。即使通过EMC测试的零部件,装车后仍有可能发生EMC超标的情形。如何有效快速地定位、分析电磁兼容问题,提出解决方案,是EMC研究人员面临的巨大挑战。
随着技术的发展,EMC仿真技术对解决汽车EMC问题起到了日益重要的作用。EMC仿真技术能够高效、快速地对电磁兼容方案进行模拟测试、检验对比,可明显缩短产品的研发周期,节省研发成本,是解决汽车EMC问题的重要手段。
由于电机的高频电磁特性非常复杂,难以建立较为精确的模型,因此针对电机辐射干扰的研究并不多。文献[1]中提出了0.01~100MHz的永磁交流电机的寄生参数模型。文献[2]中将直流电机简化成谐振腔,研究了直流电机在250MHz~1GHz的辐射特性;文献[3]中采用传递函数的办法提出了电机线束在30MHz~1GHz的电磁辐射预测模型。
本文中利用CST等电磁仿真软件,分别建立整车与电机线束的三维模型和电机线束的电路模型。通过电路模型计算出线束上的电压/电流分布,作为线束的辐射源,进而研究其电磁辐射特性和相应的EMC抑制措施。
汽车雨刮电机采用有刷直流电机,其工作时的电磁辐射干扰主要来自两方面:一是电枢与电刷之间换相导致的电压/电流瞬变,产生的高频干扰沿着电机的连接线束向外传播;二是电刷与电枢之间容易积聚大量的电荷,当积累到一定程度时就会产生电火花,直接向外辐射电磁干扰。这些电磁辐射干扰的产生,严重影响了汽车的EMC特性。
雨刮电机对整车电磁辐射干扰的测试参照标准GB 18655《用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法》[4]。该标准规定,在进行雨刮电机测试时,将连接车载收音机的天线接头与测试同轴线缆相连,测试线缆的屏蔽层连接收音机壳体金属部分,车辆保持通电状态(ON),开启雨刮电机使其正常运转。
不难发现,雨刮电机电磁辐射的干扰耦合主要途径如图1所示:一是直接辐射耦合,即电机辐射干扰从车前部缝隙处泄漏,被车顶后方的天线所接收,然后通过天线馈线传导至测试同轴线缆,被测试接收机测得;二是通过地线耦合,即电机辐射通过接地线耦合到车载收音机。
图2为某型轿车配备的雨刮电机,电机的金属外壳包裹严密,壳体上仅有两个用于安装固定螺钉的孔。电机的两根供电线束分别是高、低速挡的正极,负极接车身地。
由babinet原则[5]可知,当孔缝的尺寸相当于电磁波的半波长时产生的谐振最大,即电磁泄漏最强。而GB 18655测试所考察的频率范围为0~1GHz,对应的最小波长约为300mm,远大于电机外壳孔的尺寸,因此可以认为,在0~1GHz范围内,经由雨刮电机安装孔泄漏的电磁辐射很少,雨刮电机产生的干扰主要是通过其供电线束向外辐射传播[6]。所以研究雨刮电机的辐射干扰特性就简化为研究电机供电线束的电磁辐射特性。
由于实际车身是大跨度曲面,表面接缝很多,且车内线束分布繁杂,若按照详细实车模型来仿真,计算量将很大,难以实现。因此,为同时保证仿真可行性和计算精度,须对车身进行适当的结构简化。
以某型轿车为原型,车身全尺寸为5034mm×1973mm×1115mm(不含轮胎),利用Solidworks三维建模软件建立车身的三维模型,如图3所示。
模型主要做了以下简化:
(1)将车身的大跨度曲面尽可能简化成易于进行网格划分处理的平面结构,例如车顶和车底等均简化成平面;
(2)省去对电磁辐射传播影响很小的轮胎、座椅、车窗和车灯等非金属部件;
(3)省去车身上诸多缝隙和孔洞等结构,以及后视镜和雨刮器等尺寸较小的部件,仅保留整车的主体金属结构;
(4)车门和后备箱等都简化成金属实体;
(5)车前舱内用两个长方体分别代替发动机系和散热器,车前盖缝隙统一设置为2cm。
将建立的整车模型导入CST软件,根据实际雨刮电机安放位置,在车身模型前窗下发动机舱内建立雨刮电机的供电线缆模型,电机供电线束为普通双排铜线,如图4所示。
仿真模型的主要参数设置如下:(1)线束参数:长800mm,截面积1mm2,线间距0.1mm;(2)线束的激励源为12VDC电压源,线束上电阻初始设置为50Ω,计算中考虑线束的欧姆损耗和介质损耗;(3)场强测试点:车顶后部天线处和收音机处(图1);(4)边界设置:将车底下面设置成电壁,模拟大地,其余5个方向设置成开放边界;(5)将车身设置成地,作为共模电流的回流通路。
采用“场、路耦合”的方法计算电机线束的电磁辐射特性。首先,电机线束的传导干扰是典型的传输线问题,可等效为双导体传输线模型[7],见图5。
传输线基本方程:
式中:u(t,z)和i(t,z)分别表示t时刻在坐标z处的电压和电流;L0和C0分别表示传输线单位长度的电感和电容。
方程通解:
为便于计算,将传输线模型离散化成一系列电路单元组成的集总参数模型,每个等效电路单元由电阻、电感和电容等器件组成,其长度要小于所考察传输信号的最小波长。通过计算相应电路单元,即可得到传输线上的电流、电压分布。
然后,将计算得到的线束电流分布特性(主要是共模电流分布)作为线束辐射的电流元场源,再利用有限积分法(FIT),计算线束辐射在三维空间的传播特性[8]。
计算线束的辐射特性可利用共模/差模电流的辐射模型。当电路划分足够小,即单元电路导线足够短,而测试点距离导线足够远且符合远场特性时,可用简化的共模/差模电流辐射模型[9],即
式中:ECM、EDM为某点的共模和差模辐射电场强度;IC、ID为电偶极子电流和电流环电流;l为电偶极子长度;S为电流环面积;r为测试点到线束的距离。
FIT法是从积分形式的Maxwell方程组演化而来,利用Yee氏网格将空间电磁场离散化,各个网格单元上的电场和磁场矢量均用一系列方程组表示。在求解过程中采用“蛙跳”算法,在时域内对电场和磁场间隔半个步长交替抽样,通过求解方程组即可得到网格节点上的电场和磁场矢量[10]。
根据传输线理论,建立雨刮电机供电线束的电路模型,如图6所示。其中,激励源为内阻50Ω的12VDC电压源,电路地为车身外壳,线束电阻值初始设置为50Ω。
仿真出的线束电压/电流分布是随线束长度、频率而变化的数值矩阵。在仿真结果中选取线束初始端和终端的电压/电流随频率变化特性如图7所示。
图7中,U0、I0为初始端(激励源)电压、电流,U1、I1为线束终端电压、电流。可见,随着频率的提高,线束上的电压、电流变化加剧,变化趋势复杂。
分别在汽车天线位置(车顶后方中线处)和车载收音机位置(车厢内前侧中部)放置电场探头。仿真测得汽车天线和收音机处的电场辐射强度如图8所示。
从仿真结果可知,汽车天线和收音机都受到明显的雨刮电机线束的电磁辐射干扰。其中,距离电机更近的收音机所受到的电场辐射强度更高,说明收音机自身外壳必须做到良好的屏蔽和接地。而对于汽车天线而言,只有通过减少雨刮电机自身电磁干扰的产生来提高其EMC特性。
常用的直流电机EMC抑制措施有降低电机的接触电阻、共模/差模滤波和串联电感等[11-13]。
(1)电机线束电阻值对电机辐射强度的影响
为减小有刷直流电机的电磁辐射,降低电刷与电枢之间的接触电阻是方法之一,可以通过提高电刷的含铜量和进一步减小电刷与电枢的间隙等措施实现。仿真中,改变图6电路模型中线束终端电阻阻值的大小,分别设置为5、50和500Ω,考察汽车天线处的电场辐射强度的变化情况,得到的仿真结果如图9所示。
不难看出,减小线束上的电阻值,线束辐射会有所减小,但降幅不大,只有几个dB,而针对定型的电机产品,改变碳刷含铜量,或减小电刷与电枢间隙等措施的实施成本较高,可行性较低,因此在EMC抑制中很少采用。
(2)滤波电容对电机辐射强度的影响
选取合适的滤波电容可有效滤除线束的差模/共模干扰。需要注意的是,选型时要考虑电容的频率特性,不能超过其自谐振频率点。分别在供电线束与地之间并联1pF电容(共模滤波)和在线束之间并联电容1μF(差模滤波),可降低汽车天线处的电场辐射强度,如图10所示。
仿真结果表明,采用共模/差模电容滤波后,线束传导干扰会大幅度降低,因此线束的电磁辐射干扰也明显下降,最大下降幅度约40dB,该EMC抑制措施有效。其中,采用共模电容滤波的抑制效果最好,也验证了电路中共模电流才是导致电磁辐射干扰的主要原因[14],因此针对线束EMC抑制,应须重点考虑滤除共模干扰。
(3)串联电感对电机辐射强度的影响
在线束上串联电感可改善电机电枢换向时产生的电压瞬变,同时与并联的电容组成低通滤波器,进一步提高滤波效果。选型时同样应注意不能超过电感的自谐振频率点。
在采取共模滤波的电路模型中再串联进1μH电感,计算得到的仿真结果如图11所示。
仿真结果表明,电机线束在并联共模滤波电容的基础上再串联电感后,汽车天线处的电场辐射强度又可下降近20dB。显然,在电机线束上串联进合适的电感,能更进一步提高滤波效果,降低电机的电磁辐射,说明该抑制措施有效。
某型轿车在进行GB 18655整车测试时发现雨刮电机在30MHz~1GHz频率范围内以高速挡运转时辐射超标,测试结果如图12所示。
测试结果中的曲线为电场强度峰值,黑点为电场强度准峰值,点划线为准峰值国标线。可见,在70MHz以上雨刮电机的电磁干扰值严重超标,最大超过20dB,显然该雨刮电机须进行EMC改进。
参照仿真计算结果,根据工程经验,按照图11的方案,选用0.47μF瓷片电容和0.68μH电感构成低通滤波器,电容连接在电机接线端和车身之间,电感串联在线束上,之后测得的结果如图13所示。
测试结果表明,选取合适参数的元器件,对电机供电线束进行低通滤波,可大大降低其电磁辐射干扰,抑制后的雨刮电机的电磁干扰准峰值低于4dB,满足GB 18655标准的要求,测试通过。
(1)从仿真和试验结果来看,简化的整车和电机线束模型能够反应实际的电磁辐射干扰问题,其仿真结果是可信的,说明本文中的建模、仿真方法对于整车的EMC抑制具有较高的指导或参考价值。
(2)仿真结果表明,汽车天线和收音机对雨刮电机的电磁辐射干扰影响显著。因此,车载收音机的屏蔽和接地必须良好,天线安置位置应距离车前部尽可能远。
(3)降低电机上的接触电阻能降低其电磁辐射强度,但降幅不大,且可行性较低,因此很少采用。
(4)选取适当的滤波电容对线束进行共模/差模滤波,是降低雨刮电机电磁辐射的主要手段。
(5)选取合适的电感,与共模滤波电容组成低通滤波器,可进一步降低雨刮电机线束的电磁辐射,提高其EMC性能。
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