雨刮電機對整車電磁輻射干擾的仿真與試驗研究*

杜明磊，徐中明，丁良旭，劉青松

(1.重慶大學機械工程學院，重慶 400030; 2.重慶通信學院，重慶 400035; 3.重慶市電磁兼容工程技術研究中心，重慶 401122)

前言

整車電磁兼容(EMC)測試是檢測汽車電磁兼容性是否合格的最終手段。即使通過EMC測試的零部件，裝車后仍有可能發生EMC超標的情形。如何有效快速地定位、分析電磁兼容問題，提出解決方案，是EMC研究人員面臨的巨大挑戰。

隨著技術的發展，EMC仿真技術對解決汽車EMC問題起到了日益重要的作用。EMC仿真技術能夠高效、快速地對電磁兼容方案進行模擬測試、檢驗對比，可明顯縮短產品的研發周期，節省研發成本，是解決汽車EMC問題的重要手段。

由于電機的高頻電磁特性非常復雜，難以建立較為精確的模型，因此針對電機輻射干擾的研究并不多。文獻［1］中提出了0.01～100MHz的永磁交流電機的寄生參數模型。文獻［2］中將直流電機簡化成諧振腔，研究了直流電機在250MHz～1GHz的輻射特性;文獻［3］中采用傳遞函數的辦法提出了電機線束在30MHz～1GHz的電磁輻射預測模型。

本文中利用CST等電磁仿真軟件，分別建立整車與電機線束的三維模型和電機線束的電路模型。通過電路模型計算出線束上的電壓/電流分布，作為線束的輻射源，進而研究其電磁輻射特性和相應的EMC抑制措施。

1 雨刮電機電磁輻射干擾分析

1.1 有刷直流電機的電磁干擾原理

汽車雨刮電機采用有刷直流電機，其工作時的電磁輻射干擾主要來自兩方面:一是電樞與電刷之間換相導致的電壓/電流瞬變，產生的高頻干擾沿著電機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，當積累到一定程度時就會產生電火花，直接向外輻射電磁干擾。這些電磁輻射干擾的產生，嚴重影響了汽車的EMC特性。

1.2 基于GB 18655的雨刮電機電磁輻射干擾耦合路徑分析

雨刮電機對整車電磁輻射干擾的測試參照標準GB 18655《用于保護車載接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》［4］。該標準規定，在進行雨刮電機測試時，將連接車載收音機的天線接頭與測試同軸線纜相連，測試線纜的屏蔽層連接收音機殼體金屬部分，車輛保持通電狀態(ON)，開啟雨刮電機使其正常運轉。

不難發現，雨刮電機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，即電機輻射干擾從車前部縫隙處泄漏，被車頂后方的天線所接收，然后通過天線饋線傳導至測試同軸線纜，被測試接收機測得;二是通過地線耦合，即電機輻射通過接地線耦合到車載收音機。

2 汽車雨刮電機電磁輻射模型的建立

2.1 雨刮電機電磁輻射干擾特性分析

圖2為某型轎車配備的雨刮電機，電機的金屬外殼包裹嚴密，殼體上僅有兩個用于安裝固定螺釘的孔。電機的兩根供電線束分別是高、低速擋的正極，負極接車身地。

由babinet原則［5］可知，當孔縫的尺寸相當于電磁波的半波長時產生的諧振最大，即電磁泄漏最強。而GB 18655測試所考察的頻率范圍為0～1GHz，對應的最小波長約為300mm，遠大于電機外殼孔的尺寸，因此可以認為，在0～1GHz范圍內，經由雨刮電機安裝孔泄漏的電磁輻射很少，雨刮電機產生的干擾主要是通過其供電線束向外輻射傳播［6］。所以研究雨刮電機的輻射干擾特性就簡化為研究電機供電線束的電磁輻射特性。

2.2 車身三維模型的建立

由于實際車身是大跨度曲面，表面接縫很多，且車內線束分布繁雜，若按照詳細實車模型來仿真，計算量將很大，難以實現。因此，為同時保證仿真可行性和計算精度，須對車身進行適當的結構簡化。

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

模型主要做了以下簡化:

(1)將車身的大跨度曲面盡可能簡化成易于進行網格劃分處理的平面結構，例如車頂和車底等均簡化成平面;

(2)省去對電磁輻射傳播影響很小的輪胎、座椅、車窗和車燈等非金屬部件;

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

(4)車門和后備箱等都簡化成金屬實體;

(5)車前艙內用兩個長方體分別代替發動機系和散熱器，車前蓋縫隙統一設置為2cm。

2.3 雨刮電機及整車的電磁仿真模型設置

將建立的整車模型導入CST軟件，根據實際雨刮電機安放位置，在車身模型前窗下發動機艙內建立雨刮電機的供電線纜模型，電機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設置如下:(1)線束參數:長800mm，截面積1mm2，線間距0.1mm;(2)線束的激勵源為12VDC電壓源，線束上電阻初始設置為50Ω，計算中考慮線束的歐姆損耗和介質損耗;(3)場強測試點:車頂后部天線處和收音機處(圖1);(4)邊界設置:將車底下面設置成電壁，模擬大地，其余5個方向設置成開放邊界;(5)將車身設置成地，作為共模電流的回流通路。

3 雨刮電機電磁輻射模型的計算

采用“場、路耦合”的方法計算電機線束的電磁輻射特性。首先，電機線束的傳導干擾是典型的傳輸線問題，可等效為雙導體傳輸線模型［7］，見圖5。

傳輸線基本方程:

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

方程通解:

為便于計算，將傳輸線模型離散化成一系列電路單元組成的集總參數模型，每個等效電路單元由電阻、電感和電容等器件組成，其長度要小于所考察傳輸信號的最小波長。通過計算相應電路單元，即可得到傳輸線上的電流、電壓分布。

然后，將計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源，再利用有限積分法(FIT)，計算線束輻射在三維空間的傳播特性［8］。

計算線束的輻射特性可利用共模/差模電流的輻射模型。當電路劃分足夠小，即單元電路導線足夠短，而測試點距離導線足夠遠且符合遠場特性時，可用簡化的共模/差模電流輻射模型［9］，即

式中:ECM、EDM為某點的共模和差模輻射電場強度;IC、ID為電偶極子電流和電流環電流;l為電偶極子長度;S為電流環面積;r為測試點到線束的距離。

FIT法是從積分形式的Maxwell方程組演化而來，利用Yee氏網格將空間電磁場離散化，各個網格單元上的電場和磁場矢量均用一系列方程組表示。在求解過程中采用“蛙跳”算法，在時域內對電場和磁場間隔半個步長交替抽樣，通過求解方程組即可得到網格節點上的電場和磁場矢量［10］。

4 汽車雨刮電機EMC輻射干擾仿真

4.1 雨刮電機線束輻射對車載天線和收音機的影響

根據傳輸線理論，建立雨刮電機供電線束的電路模型，如圖6所示。其中，激勵源為內阻50Ω的12VDC電壓源，電路地為車身外殼，線束電阻值初始設置為50Ω。

仿真出的線束電壓/電流分布是隨線束長度、頻率而變化的數值矩陣。在仿真結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(激勵源)電壓、電流，U1、I1為線束終端電壓、電流。可見，隨著頻率的提高，線束上的電壓、電流變化加劇，變化趨勢復雜。

分別在汽車天線位置(車頂后方中線處)和車載收音機位置(車廂內前側中部)放置電場探頭。仿真測得汽車天線和收音機處的電場輻射強度如圖8所示。

從仿真結果可知，汽車天線和收音機都受到明顯的雨刮電機線束的電磁輻射干擾。其中，距離電機更近的收音機所受到的電場輻射強度更高，說明收音機自身外殼必須做到良好的屏蔽和接地。而對于汽車天線而言，只有通過減少雨刮電機自身電磁干擾的產生來提高其EMC特性。

4.2 雨刮電機EMC抑制措施仿真

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

(1)電機線束電阻值對電機輻射強度的影響

為減小有刷直流電機的電磁輻射，降低電刷與電樞之間的接觸電阻是方法之一，可以通過提高電刷的含銅量和進一步減小電刷與電樞的間隙等措施實現。仿真中，改變圖6電路模型中線束終端電阻阻值的大小，分別設置為5、50和500Ω，考察汽車天線處的電場輻射強度的變化情況，得到的仿真結果如圖9所示。

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

(2)濾波電容對電機輻射強度的影響

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，選型時要考慮電容的頻率特性，不能超過其自諧振頻率點。分別在供電線束與地之間并聯1pF電容(共模濾波)和在線束之間并聯電容1μF(差模濾波)，可降低汽車天線處的電場輻射強度，如圖10所示。

仿真結果表明，采用共模/差模電容濾波后，線束傳導干擾會大幅度降低，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，也驗證了電路中共模電流才是導致電磁輻射干擾的主要原因［14］，因此針對線束EMC抑制，應須重點考慮濾除共模干擾。

(3)串聯電感對電機輻射強度的影響

在線束上串聯電感可改善電機電樞換向時產生的電壓瞬變，同時與并聯的電容組成低通濾波器，進一步提高濾波效果。選型時同樣應注意不能超過電感的自諧振頻率點。

在采取共模濾波的電路模型中再串聯進1μH電感，計算得到的仿真結果如圖11所示。

仿真結果表明，電機線束在并聯共模濾波電容的基礎上再串聯電感后，汽車天線處的電場輻射強度又可下降近20dB。顯然，在電機線束上串聯進合適的電感，能更進一步提高濾波效果，降低電機的電磁輻射，說明該抑制措施有效。

4.3 雨刮電機EMC改進的試驗研究

某型轎車在進行GB 18655整車測試時發現雨刮電機在30MHz～1GHz頻率范圍內以高速擋運轉時輻射超標，測試結果如圖12所示。

測試結果中的曲線為電場強度峰值，黑點為電場強度準峰值，點劃線為準峰值國標線。可見，在70MHz以上雨刮電機的電磁干擾值嚴重超標，最大超過20dB，顯然該雨刮電機須進行EMC改進。

參照仿真計算結果，根據工程經驗，按照圖11的方案，選用0.47μF瓷片電容和0.68μH電感構成低通濾波器，電容連接在電機接線端和車身之間，電感串聯在線束上，之后測得的結果如圖13所示。

測試結果表明，選取合適參數的元器件，對電機供電線束進行低通濾波，可大大降低其電磁輻射干擾，抑制后的雨刮電機的電磁干擾準峰值低于4dB，滿足GB 18655標準的要求，測試通過。

5 結論

(1)從仿真和試驗結果來看，簡化的整車和電機線束模型能夠反應實際的電磁輻射干擾問題，其仿真結果是可信的，說明本文中的建模、仿真方法對于整車的EMC抑制具有較高的指導或參考價值。

(2)仿真結果表明，汽車天線和收音機對雨刮電機的電磁輻射干擾影響顯著。因此，車載收音機的屏蔽和接地必須良好，天線安置位置應距離車前部盡可能遠。

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

(4)選取適當的濾波電容對線束進行共模/差模濾波，是降低雨刮電機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，可進一步降低雨刮電機線束的電磁輻射，提高其EMC性能。

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