新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容測試研究
——以波導管尺寸與傳動軸材料對屏蔽效能影響為例

文/滕添益 楊 東

【機動車專欄】

新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容測試研究
——以波導管尺寸與傳動軸材料對屏蔽效能影響為例

文/滕添益1楊 東2

新能源汽車的驅(qū)動系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機形式。文章闡述了電機傳動系統(tǒng)在電磁兼容測試中的重要性與特殊性，分析了波導管尺寸與屏蔽效能的關系，通過測試分析比較了不同尺寸波導管與不同材料傳動軸對電波暗室屏蔽效能的影響。

波導管 屏蔽效能 傳動軸 材料

在全球石油能源緊張的背景下，新能源汽車已成為了未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向。新能源汽車的驅(qū)動系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機形式，它們通常采用電驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動車輛行駛。這樣就導致了電驅(qū)動系統(tǒng)必須通過嚴格的電磁兼容性測試，才能保證其與整車其他電子電氣部件的兼容性。

利用半電波暗室對新能源汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)進行電磁兼容零部件級別的開發(fā)測試，是國內(nèi)外電磁兼容實驗室普遍使用的方法之一。搭建這樣的測試系統(tǒng)需要對電波暗室的墻面進行開孔，以保證被測電機與外部電機測功機之間的動力連接。

一般的解決方案是采用波導管與傳動軸的方式解決該問題，但會產(chǎn)生其他問題。開孔后，原先用鋼板搭建的電波暗室的屏蔽效能就會遭到破壞，其表現(xiàn)在于使得電波暗室的本底噪聲升高，影響被測電機的電磁輻射測試效果。因此，研究不同尺寸波導管與不同材料傳動軸對于電波暗室屏蔽效能的影響顯得十分重要。

一、波導管類型與尺寸對于屏蔽效能的影響

1. 波導管類型

波導管是一種空心的、內(nèi)壁十分光潔的金屬導管或內(nèi)敷金屬的管子。波導管是用來傳送超高頻電磁波的裝置，通過其產(chǎn)生的脈沖信號可以以極小的損耗被傳送到目的地，波導管內(nèi)徑的大小因所傳輸信號的波長而異。波導管在電路中呈現(xiàn)高通濾波器的特性，它允許截止頻率以上的信號通過，而截止頻率以下的信號則被阻止或衰減，所以可以利用波導管的低頻截止特性來阻斷低于截止頻率的電磁信號穿過波導管。

常見的波導管類型有圓形波導管、矩形波導管以及六角形（蜂窩狀）波導管，它們的應用各有不同。對于不同形狀的波導管，通過電磁場理論可知它們所對應的截止頻率fc的計算公式：

① 圓形波導管的截止頻率，單位為Hz：

公式（1）中：D為圓形波導管的內(nèi)孔直徑，單位為cm。

② 矩形波導管的截止頻率，單位為Hz：

公式（2）中：a為矩形波導管較長一邊的長度，單位為cm。

③ 六角形（蜂窩狀）波導管的截止頻率，單位為Hz：

公式（3）中：b為六角形（蜂窩狀）波導管內(nèi)壁的最大寬度，單位為cm。

由以上（1）、（2）、（3）公式可知，在獲得相同截止頻率的情況下，圓形波導管的內(nèi)徑可以比矩形波導管和六角形波導管設計得更大。也就是說，如果需要滿足相同的傳動軸通過波導管，圓形波導管的截止頻率可以更低，高通濾波特性更好，同時圓形波導管也更加便于加工。所以，圓形波導管更加適合被用來作為傳動軸穿過暗室屏蔽墻體的裝置。

2. 波導管的尺寸

波導管的特性因素除了截止頻率外還有吸收損耗。吸收損耗可以用來計算某一頻率的電磁波在某個已知尺寸的波導管中的信號衰減量，單位為dB。

依據(jù)電磁場理論中對于空氣作為介質(zhì)的圓形波導管的吸收損耗（A）的計算公式：

公式（4）中：L為波導管的長度，單位為cm；fc為波導管的截止頻率，單位為Hz；f為穿過波導管的頻率，單位為Hz。

由于汽車零部件測試標準GB/T 18655-2010《車輛、船和內(nèi)燃機 無線電騷擾特性 用于保護車載接收機的限值和測量方法》中所定義的測量頻率范圍150 kHz～2.5 GHz，圓形波導管所設計的最大截止頻率必須大于2.5 GHz。依據(jù)公式（1）可以計算出所需要的圓波導管內(nèi)壁直徑。

依據(jù)GB/T 12190-2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法》標準，如果把屏蔽效能指標定在滿足80 dB衰減及以上，通過公式（4）則可以計算出對應頻率所需要的圓形波導管長度D。例如，想要波導管的截止頻率達到2.93 GHz的情況時，依據(jù)以上2個標準對于截止頻率與吸收損耗的要求，可以通過公式（1）計算得到波導管的內(nèi)直徑大約為6 cm。同時，如果要保證2.5 GHz頻率信號的吸收損耗不小于80 dB，則通過公式（4）可以計算得到波導管的長度必須大于28.7 cm。

通過公式（1）和公式（4）就可以很方便地對圓形波導管進行尺寸的確定，以確保波導管滿足阻斷低于截止頻率的電磁信號穿過波導管的要求。

二、不同材料傳動軸對于屏蔽效能的影響

1. 傳動軸材料種類

最常見的傳動軸材料是金屬，包括鐵、銅與鋁等。金屬材料傳動軸的特點是強度高、抗高扭矩特性好，也很容易購買到需要的尺寸。但是，金屬傳動軸的缺點在電波暗室中也非常明顯，那就是當波導管中穿過金屬材料時，暗室外部的電磁波因為趨膚效應而耦合到金屬材料的表面，導致暗室內(nèi)部金屬材料的另一端充當了天線，把金屬材料上耦合的電磁能量輻射到暗室內(nèi)。這就造成了暗室電磁本底噪聲的提高，金屬材料的趨膚效應與輻射效應對電波暗室測量環(huán)境的破壞是不能接受的，而解決方案就是使用非金屬傳動軸。

用于制造傳動軸的非金屬材料主要有碳纖維、玻璃纖維、聚氯乙烯（PVC）以及膠木等。這些材料的電磁特性到底如何，放入波導管中是否能夠滿足暗室對于屏蔽性能的要求需要我們通過試驗進行驗證。

2. 試驗布置與方法

參考GB/T 12190-2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法》標準，在0.61 m（包括0.01 m的屏蔽墻體的厚度）距離的情況下放置發(fā)射與接收天線，測量一個參考場強，然后隔著屏蔽墻體的內(nèi)外側進行相同的測試布置，天線對準波導管再次進行測試，得到的測量值減去參考值就可以得到屏蔽效能的數(shù)值。具體布置如圖1所示。

圖1 屏蔽效能測試布置圖

測試選擇屏蔽室進行測量。測試前在屏蔽室墻體上開孔并安裝波導管，然后穿入傳動軸。通過支架使得傳動軸的中心軸與波導管中心軸重合，以免傳動軸碰到波導管內(nèi)壁。波導管與傳動軸的布置照片如圖2所示。

圖2 波導管與傳動軸的布置實圖

在保持外部發(fā)射信號強度不變的情況下，測量不同材料的傳動軸通過波導管后屏蔽室內(nèi)能接收到的信號強度。接收天線接收到的信號越小，屏蔽效能也就越好。通過比較就可以知道哪種材料的傳動軸能夠更好地滿足屏蔽效能的要求。

用于測試的材料共有7種，分別是銅、鐵、鋁、玻璃纖維、碳纖維、聚氯乙烯（PVC)、膠木。測試前，先封閉波導管，關閉頻率源進行本底噪聲的測量。然后打開頻率源，波導管中沒有傳動軸，僅有空氣作為介質(zhì)時再測量一組數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)。最后進行7種材料的測試。喇叭天線測量時的實圖見圖3。

圖3 喇叭天線測量時的實圖

對于1 GHz以下的信號，截止頻率為3 GHz的波導管能很有效地進行隔離，故測量結果圖表只針對頻率為1 GHz以上的部分進行比較。在1 GHz以上，選取步進為500 MHz的頻率點進行測量。測量點分別是1 GHz、1.5 GHz、2 GHz、2.5 GHz和3 GHz。參與測試的波導管內(nèi)直徑為6 cm，長度為50 cm。測量結果越接近本底噪聲越好，說明屏蔽效能測量的影響較小。結果見表1與圖4。

表1 測量結果表

圖4 測量結果圖

依據(jù)測試數(shù)據(jù)可知，非金屬材料的屏蔽效能明顯要優(yōu)于金屬材料，非金屬材料中膠木材料的性能最好，幾乎接近本底噪聲，而聚氯乙烯材料次之。出于傳動軸需要承受較大扭矩的角度，膠木和聚氯乙烯材料做成的傳動軸強度并不能滿足傳動系統(tǒng)的要求。比較玻璃纖維和碳纖維材料，在2 GHz與2.5 GHz頻率段附近，碳纖維材料的屏蔽效能要明顯優(yōu)于玻璃纖維材料。

所以，在電波暗室中使用的穿過屏蔽體傳動軸材料，碳纖維材料的綜合性能要優(yōu)于玻璃纖維、膠木和聚氯乙烯，但碳纖維材料依然會把外部的部分電磁干擾信號帶到暗室內(nèi)，抬高暗室的本底噪聲。但是，本底噪聲到底會升高多少，則需要在電波暗室中進行實地測量，依據(jù)GB/T 18655-2010標準，通過對各個頻率段暗室本底噪聲的掃描以確保抬高后的暗室本底噪聲仍然滿足此電磁兼容測試標準的要求。

三、結 論

本文針對電驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容測試系統(tǒng)中的波導管尺寸與傳動軸材料開展了研究。依據(jù)汽車零部件電磁兼容測量標準，對波導管進行了形狀選擇方面的研究，并依據(jù)頻率需求對波導管的尺寸進行了計算，同時針對不同材料的傳動軸進行了電磁屏蔽性能方面的測試，分析了7種常用材料的傳動軸對暗室屏蔽效能的影響，為電驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容測試平臺中的傳動軸材料選擇提出了建議。

通過對圓形波導管尺寸的計算與傳動軸材料的測試與分析，得到的圓形波導管加碳纖維材料傳動軸是較為理想的電波暗室傳動系統(tǒng)屏蔽效能的解決方案。希望此研究結果能為電驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容測試平臺中傳動系統(tǒng)的設計提供一些參考和借鑒。

[1] 張厚,唐宏,丁爾啟.電磁兼容技術及其應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2013:5～20.

The drive system of new energy vehicles differs from the internal combustion engine of traditional vehicles. The article describes the importance and particularity of electrical transmission system in electromagnetic compatibility test, analyzes the relationship between dimensions of waveguide tube and shielding effectiveness. Based on testing, the article analyzes and compares the inf l uence of different sizes of the waveguide tube and different materials of transmission shaft on the shielding effectiveness of anechoic chamber.

Waveguide; Shielding effectiveness; Transmission shaft; Material

（作者單位：1同濟大學2上海機動車檢測中心）