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

目前，關(guān)于碳纖維復(fù)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(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)和運營工況等方面對車內(nèi)磁通密度和對外電磁輻射等整車電磁兼容技術(shù)進行綜合研究，本文將從軌道車輛系統(tǒng)層面，圍繞碳纖維復(fù)合材料電氣特性、電磁仿真和電搭接接地技術(shù)等方面對整車電磁兼容設(shè)計展開論述。

2 碳纖維復(fù)合材料電氣特性

碳纖維復(fù)合材料的電磁兼容設(shè)計應(yīng)立足于材料本身電氣特性參數(shù)的準確性，根據(jù)式（1）所示的麥克斯韋方程組材料本征關(guān)系對碳纖維復(fù)合材料的電導(dǎo)率σ、介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)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(yīng)強度；H為磁場強度。

碳纖維復(fù)合材料通常由多層碳纖維預(yù)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(jié)構(gòu)件具有良好的可設(shè)計性，但隨之而來的是由于鋪層的各向異性導(dǎo)致材料電氣性能的各向異性，例如，碳纖維復(fù)合板材厚度方向電導(dǎo)率約1?～102S/m，比斷面方向電導(dǎo)率低2～3個數(shù)量級[3]，這是因為碳纖維復(fù)合材料在纖維方向電連續(xù)，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(dǎo)率由電子躍遷的隧道效應(yīng)決定。碳纖維復(fù)合材料不同維度上的電導(dǎo)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(shè)計時應(yīng)予以重視。

圖1 多層碳纖維復(fù)合材料斷面

與電導(dǎo)率的各向異性類似，碳纖維復(fù)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(dǎo)體材料表現(xiàn)出完全不同的介電特性。對于金屬導(dǎo)體材料而言，低頻下其相對介電常數(shù)不大于10，然而，相關(guān)文獻直接采用金屬介電常數(shù)作為碳纖維復(fù)合材料介電常數(shù)，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(zhì)與金屬完全不同，而且與纖維體積含量密切相關(guān)，其理論值通常在103左右。目前，尚沒有關(guān)于碳纖維復(fù)合材料介電常數(shù)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(fù)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(fù)合材料，其相對磁導(dǎo)率為1，跟鋁合金或奧氏體不銹鋼基本一致，但復(fù)合材料電導(dǎo)率遠低于金屬材料，在低頻或較高頻率下，材料反射系數(shù)較小，屏蔽效能仍與金屬材料有較大差距，因此，提升磁導(dǎo)率對于碳纖維復(fù)合材料改善屏蔽效能具有重要意義。目前，提高碳纖維復(fù)合材料磁導(dǎo)率的主要措施有：纖維表面鍍鎳、功能涂層或鋪敷金屬絲網(wǎng)。需要注意的是，在提高磁導(dǎo)率的同時，應(yīng)考慮制造成本經(jīng)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(dǎo)率金屬絲網(wǎng)在強磁場區(qū)域發(fā)生磁飽和。

3 復(fù)合材料車輛電磁仿真技術(shù)

當(dāng)前，碳纖維復(fù)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(shù)等領(lǐng)域，如材料表面功能改性、涂層配方[4]、快速建模技術(shù)[5-6]等。然而，在已知材料電氣特性參數(shù)的前提下，對于軌道車輛的電磁兼容工程設(shè)計而言，重點在于復(fù)合材料、連接結(jié)構(gòu)和整車的電磁建模和仿真，主要包括2個方面：①碳纖維復(fù)合材料薄層材料及部件連接結(jié)構(gòu)的電磁建模；②整車體電磁仿真及其耦合效應(yīng)。

3.1 復(fù)合材料建模

3.1.1 薄層模型

碳纖維復(fù)合材料通常為鋪層結(jié)構(gòu)，幾何上表示為由1個或多個層的材料組成的薄面，通過設(shè)置每個組成層的厚度、旋轉(zhuǎn)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(shù)（介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等），由不對稱分層夾層構(gòu)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(qū)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(jié)構(gòu)裝配而成，連接結(jié)構(gòu)導(dǎo)致接縫存在，接縫模型如圖3所示。對于對接縫，需設(shè)置厚度和寬度；對于搭接縫，需要設(shè)置縫隙分段以及搭接寬度。如果縫隙有填充物，還需要設(shè)置填充物的電導(dǎo)率和介電常數(shù)的電氣特性參數(shù)。

圖3 接縫模型

3.1.3 穿孔模型

為提高復(fù)合材料的屏蔽效能，通常需要在鋪層中添加金屬絲網(wǎng)，穿孔材料模型如圖4所示，絲網(wǎng)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(fù)合材料整車仿真技術(shù)

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

雷擊效應(yīng)工況能夠反映軌道車輛的屏蔽、線束耦合響應(yīng)及車體脈沖響應(yīng)等性能[7]，因此，本文選取典型雷擊工況來說明碳纖維復(fù)合材料軌道車輛的電磁仿真設(shè)計思路。雷電作為一種大電流的自然放電現(xiàn)象，瞬態(tài)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(fù)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(dāng)雷電流直接作用于非金屬復(fù)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(chǎn)生局部高熱，發(fā)生燒蝕破壞而導(dǎo)致直接破壞效應(yīng)，同時，脈沖大電流激勵會引起碳纖維復(fù)合材料車體的暫態(tài)響應(yīng)，從脈沖響應(yīng)頻譜可以得到碳纖維復(fù)合材料車體某些特征頻率響應(yīng)特性，有助于分析整車對外電磁發(fā)射規(guī)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(tǒng)-線束路徑傳導(dǎo)至各類電氣電子設(shè)備上引起浪涌電流，同時產(chǎn)生的強脈沖電磁場也會通過前門/后門耦合到電氣電子設(shè)備上引起浪涌過電壓，從而造成嚴重干擾車內(nèi)通信系統(tǒng)的間接破壞效應(yīng)。

圖5 復(fù)合材料車體200 kA雷擊效應(yīng)仿真（單位：A/m）

4 復(fù)合材料車輛接地搭接設(shè)計

4.1 車體接地網(wǎng)設(shè)計

相對于金屬車體，碳纖維復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)自身不能作為電氣等電位面，因此，需要額外設(shè)置1套接地網(wǎng)系統(tǒng)用于設(shè)備保護和電磁兼容（EMC）接地。目前，在交通領(lǐng)域，復(fù)合材料飛機回流網(wǎng)采用類似接地網(wǎng)技術(shù)，但飛機運營工況與軌道車輛差異明顯：飛機電氣系統(tǒng)工作均為靜態(tài)工況，功率容量較小，而地鐵牽引、制動和惰性動態(tài)運行條件下，功率容量比飛機電氣系統(tǒng)大1個量級。此外，飛機電氣系統(tǒng)與外界無電氣耦合，而軌道車輛存在車-地-軌耦合工況，車內(nèi)和車外布置了各類強電弱電設(shè)備，特別是車下安裝大功率牽引逆變設(shè)備以及鋪設(shè)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(wǎng)設(shè)計既要考慮動態(tài)工況下的車-軌道-地的耦合規(guī)律，也要注重保護接地和EMC接地的功能需求。某車體接地網(wǎng)拓撲圖如圖6所示，在設(shè)計上首先根據(jù)車-軌道-地耦合關(guān)系，分析車輛動態(tài)運行工況下車體接地網(wǎng)雜散電流和電壓分布規(guī)律，明確接地網(wǎng)耦合特性，然后根據(jù)整車保護接地和EMC接地功能需求，開展針對性地接地設(shè)計。

圖6 車體接地網(wǎng)拓撲圖

復(fù)合材料軌道車輛接地網(wǎng)接地基本策略如下：

（1）與接地網(wǎng)連接的金屬件應(yīng)盡量單點接地，減少多點接地，降低雜散電流或傳導(dǎo)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(yīng)盡量設(shè)置在低雜散電流位置上，在保證接地設(shè)備基準電位基本一致的同時，可以降低短路工況或暫態(tài)過電壓脈沖干擾；

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

4.2 復(fù)合材料電搭接設(shè)計

碳纖維復(fù)合材料車體電搭接的基本目的在于為軌道車輛構(gòu)件之間以及構(gòu)件、設(shè)備、附件與接地網(wǎng)之間提供穩(wěn)定的低阻抗電氣通路，從而防止它們之間產(chǎn)生電磁干擾，如果搭接效果不良，即使采用屏蔽效能優(yōu)異的復(fù)合材料，其效果也難以有效發(fā)揮。

按搭接材質(zhì)，復(fù)合材料車體搭接可分為：金屬-復(fù)合材料搭接（圖7），復(fù)合材料-復(fù)合材料搭接（圖8）以及金屬-金屬搭接（圖9）3類。參考復(fù)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(shè)計的差異性主要體現(xiàn)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(fā)射問題，而布置在軌道車輛車下的大功率牽引逆變設(shè)備和強電線束引起的對外電磁輻射會對周圍廣播通信設(shè)施產(chǎn)生干擾。考慮到飛行安全，飛機上所有復(fù)合材料蒙皮都鋪設(shè)銅網(wǎng)或表面鍍鋁用來防雷擊，由于銅網(wǎng)或金屬涂層的存在，復(fù)合材料部件搭接電阻很小，等電位搭接相對容易實現(xiàn)。而軌道車輛在頂層設(shè)計時，考慮到制造成本和經(jīng)濟性，復(fù)合材料車體表面并不會全部采取屏蔽增強措施，部分區(qū)域仍然是純碳纖維復(fù)合材料，因此，搭接設(shè)計要權(quán)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(shù)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(shè)計難度。

圖7 金屬-復(fù)合材料搭接

圖8 復(fù)合材料-復(fù)合材料搭接

圖9 接地網(wǎng)金屬-金屬搭接

5 結(jié)論

軌道車輛輕量化發(fā)展以及碳纖維復(fù)合材料大量應(yīng)用必然給整車電磁兼容設(shè)計帶來新的問題。目前，全碳纖維復(fù)合材料軌道車輛的電磁兼容設(shè)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(shè)計方法和建議，對于碳纖維復(fù)合材料軌道車輛電磁兼容工程設(shè)計和實踐具有指導(dǎo)作用。