碳纖維復合材料軌道車輛電磁兼容設計方法探討

宋旭鵬

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

1 引言

碳纖維復合材料具有高強度、低密度、耐疲勞和可設計性強等優良綜合性能，已成為輕量化車體設計制造的首選材料[1]。相對于傳統不銹鋼或鋁合金等金屬材料，碳纖維復合材料存在電導率低，結構搭接連續性差等弱點，導致車輛屏蔽接地功能降低，進而引起通信紊亂、控制失靈、設備故障等異常工作狀態，因此，需要針對碳纖維復合材料應用帶來的電磁兼容問題，構建一套適合于復合材料軌道車輛的電磁兼容設計方法。

目前，關于碳纖維復合材料軌道車輛電磁兼容的研究大多集中在材料級屏蔽性能提升方面[2]，沒有從車輛結構、電氣系統和運營工況等方面對車內磁通密度和對外電磁輻射等整車電磁兼容技術進行綜合研究，本文將從軌道車輛系統層面，圍繞碳纖維復合材料電氣特性、電磁仿真和電搭接接地技術等方面對整車電磁兼容設計展開論述。

2 碳纖維復合材料電氣特性

碳纖維復合材料的電磁兼容設計應立足于材料本身電氣特性參數的準確性，根據式（1）所示的麥克斯韋方程組材料本征關系對碳纖維復合材料的電導率σ、介電常數ε和磁導率μ進行分析。

式（1）中，J為電流密度；E為電場強度；D為電位移矢量；B為磁感應強度；H為磁場強度。

碳纖維復合材料通常由多層碳纖維預浸料鋪層后固化而成，如圖1所示。纖維體積含量約50%～60%，采用這種鋪層方式制造的結構件具有良好的可設計性，但隨之而來的是由于鋪層的各向異性導致材料電氣性能的各向異性，例如，碳纖維復合板材厚度方向電導率約1?～102S/m，比斷面方向電導率低2～3個數量級[3]，這是因為碳纖維復合材料在纖維方向電連續，符合歐姆定律，但從微觀來看，在厚度方向上，纖維層與層之間填充極薄的樹脂薄層，其電導率由電子躍遷的隧道效應決定。碳纖維復合材料不同維度上的電導率差異會影響屏蔽、靜電釋放和電搭接效果，因此，在進行電磁兼容設計時應予以重視。

圖1 多層碳纖維復合材料斷面

與電導率的各向異性類似，碳纖維復合材料的介電特性同樣具有明顯的各向異性，與各向同性的金屬導體材料表現出完全不同的介電特性。對于金屬導體材料而言，低頻下其相對介電常數不大于10，然而，相關文獻直接采用金屬介電常數作為碳纖維復合材料介電常數，嚴格來講，這是不準確的，雖然纖維方向特性可用金屬近似等效，但由于厚度方向上纖維表面樹脂薄層的存在，其介電性質與金屬完全不同，而且與纖維體積含量密切相關，其理論值通常在103左右。目前，尚沒有關于碳纖維復合材料介電常數精密測量的報道，筆者建議有條件的科研單位有必要對碳纖維復合材料介電特性以及測量方法進行深入研究。

對于純碳纖維復合材料，其相對磁導率為1，跟鋁合金或奧氏體不銹鋼基本一致，但復合材料電導率遠低于金屬材料，在低頻或較高頻率下，材料反射系數較小，屏蔽效能仍與金屬材料有較大差距，因此，提升磁導率對于碳纖維復合材料改善屏蔽效能具有重要意義。目前，提高碳纖維復合材料磁導率的主要措施有：纖維表面鍍鎳、功能涂層或鋪敷金屬絲網。需要注意的是，在提高磁導率的同時，應考慮制造成本經濟性和工藝可實施性，且提升幅度不宜過大，避免功能涂層或高磁導率金屬絲網在強磁場區域發生磁飽和。

3 復合材料車輛電磁仿真技術

當前，碳纖維復合材料電磁兼容研究熱點主要集中在材料屏蔽效能和仿真技術等領域，如材料表面功能改性、涂層配方[4]、快速建模技術[5-6]等。然而，在已知材料電氣特性參數的前提下，對于軌道車輛的電磁兼容工程設計而言，重點在于復合材料、連接結構和整車的電磁建模和仿真，主要包括2個方面：①碳纖維復合材料薄層材料及部件連接結構的電磁建模；②整車體電磁仿真及其耦合效應。

3.1 復合材料建模

3.1.1 薄層模型

碳纖維復合材料通常為鋪層結構，幾何上表示為由1個或多個層的材料組成的薄面，通過設置每個組成層的厚度、旋轉角度、材料特性來定義，薄層材料模型如圖2所示。該模型由二維的、無厚度的面組成，將面的實際厚度作為電參數（介電常數、磁導率和電導率等），由不對稱分層夾層構成的薄層材料只能附著在2?個不同面的實體上，必須通過在物體表面的任何一點上加一個局部坐標來區分物體的各個面。

圖2 薄層材料模型

3.1.2 接縫模型

整車體由各類部件通過連接結構裝配而成，連接結構導致接縫存在，接縫模型如圖3所示。對于對接縫，需設置厚度和寬度；對于搭接縫，需要設置縫隙分段以及搭接寬度。如果縫隙有填充物，還需要設置填充物的電導率和介電常數的電氣特性參數。

圖3 接縫模型

3.1.3 穿孔模型

為提高復合材料的屏蔽效能，通常需要在鋪層中添加金屬絲網，穿孔材料模型如圖4所示，絲網精簡模型有3種基本穿孔形狀：菱形、圓形和矩形。

圖4 穿孔材料模型

3.2 復合材料整車仿真技術

車體材料由金屬材料更換為復合材料后影響車體內部磁通密度、車體響應特性及線纜的耦合效應等指標。

雷擊效應工況能夠反映軌道車輛的屏蔽、線束耦合響應及車體脈沖響應等性能[7]，因此，本文選取典型雷擊工況來說明碳纖維復合材料軌道車輛的電磁仿真設計思路。雷電作為一種大電流的自然放電現象，瞬態電流幅值高達100～200?kA，脈沖頻譜寬度是0～10?MHz，頻率分量集中在100?kHz以下。復合材料車體遭受雷擊大電流時的表面電流分布如圖5所示，當雷電流直接作用于非金屬復合材料車體時，在電流注入點以及金屬-非金屬材料搭接面產生局部高熱，發生燒蝕破壞而導致直接破壞效應，同時，脈沖大電流激勵會引起碳纖維復合材料車體的暫態響應，從脈沖響應頻譜可以得到碳纖維復合材料車體某些特征頻率響應特性，有助于分析整車對外電磁發射規律；另一方面，雷電流在泄放過程中，脈沖大電流會沿著車體-接地系統-線束路徑傳導至各類電氣電子設備上引起浪涌電流，同時產生的強脈沖電磁場也會通過前門/后門耦合到電氣電子設備上引起浪涌過電壓，從而造成嚴重干擾車內通信系統的間接破壞效應。

圖5 復合材料車體200 kA雷擊效應仿真（單位：A/m）

4 復合材料車輛接地搭接設計

4.1 車體接地網設計

相對于金屬車體，碳纖維復合材料車體結構自身不能作為電氣等電位面，因此，需要額外設置1套接地網系統用于設備保護和電磁兼容（EMC）接地。目前，在交通領域，復合材料飛機回流網采用類似接地網技術，但飛機運營工況與軌道車輛差異明顯：飛機電氣系統工作均為靜態工況，功率容量較小，而地鐵牽引、制動和惰性動態運行條件下，功率容量比飛機電氣系統大1個量級。此外，飛機電氣系統與外界無電氣耦合，而軌道車輛存在車-地-軌耦合工況，車內和車外布置了各類強電弱電設備，特別是車下安裝大功率牽引逆變設備以及鋪設了電壓等級不同的各類線束，對外輻射干擾較大。因此，軌道車輛接地網設計既要考慮動態工況下的車-軌道-地的耦合規律，也要注重保護接地和EMC接地的功能需求。某車體接地網拓撲圖如圖6所示，在設計上首先根據車-軌道-地耦合關系，分析車輛動態運行工況下車體接地網雜散電流和電壓分布規律，明確接地網耦合特性，然后根據整車保護接地和EMC接地功能需求，開展針對性地接地設計。

圖6 車體接地網拓撲圖

復合材料軌道車輛接地網接地基本策略如下：

（1）與接地網連接的金屬件應盡量單點接地，減少多點接地，降低雜散電流或傳導干擾在金屬件上形成回流，降低差模輻射；

（2）所有接地點位應盡量設置在低雜散電流位置上，在保證接地設備基準電位基本一致的同時，可以降低短路工況或暫態過電壓脈沖干擾；

（3）碳纖維復合材料自身與各類金屬件存在電極電位差，應采取絕緣隔離措施，避免接地網雜散電流加劇異質材料界面電腐蝕。

4.2 復合材料電搭接設計

碳纖維復合材料車體電搭接的基本目的在于為軌道車輛構件之間以及構件、設備、附件與接地網之間提供穩定的低阻抗電氣通路，從而防止它們之間產生電磁干擾，如果搭接效果不良，即使采用屏蔽效能優異的復合材料，其效果也難以有效發揮。

按搭接材質，復合材料車體搭接可分為：金屬-復合材料搭接（圖7），復合材料-復合材料搭接（圖8）以及金屬-金屬搭接（圖9）3類。參考復合材料飛機電搭接要求[8]，碳纖維軌道車輛與飛機電搭接設計的差異性主要體現在2個方面：EMC搭接和等電位搭接。飛機高空飛行，不需要考慮對外電磁發射問題，而布置在軌道車輛車下的大功率牽引逆變設備和強電線束引起的對外電磁輻射會對周圍廣播通信設施產生干擾?？紤]到飛行安全，飛機上所有復合材料蒙皮都鋪設銅網或表面鍍鋁用來防雷擊，由于銅網或金屬涂層的存在，復合材料部件搭接電阻很小，等電位搭接相對容易實現。而軌道車輛在頂層設計時，考慮到制造成本和經濟性，復合材料車體表面并不會全部采取屏蔽增強措施，部分區域仍然是純碳纖維復合材料，因此，搭接設計要權衡屏蔽、接地、靜電和雷擊大電流泄放等具體工況要求，在滿足整車電磁兼容技術要求的前提下，有選擇地實施搭接路線，這在一定程度上增加了電搭接設計難度。

圖7 金屬-復合材料搭接

圖8 復合材料-復合材料搭接

圖9 接地網金屬-金屬搭接

5 結論

軌道車輛輕量化發展以及碳纖維復合材料大量應用必然給整車電磁兼容設計帶來新的問題。目前，全碳纖維復合材料軌道車輛的電磁兼容設計仍處于工程化初期階段，尚未進行過全壽命周期的運營考核驗證，本文提出的設計方法和建議，對于碳纖維復合材料軌道車輛電磁兼容工程設計和實踐具有指導作用。