電動(dòng)拖拉機(jī)車內(nèi)電磁輻射環(huán)境仿真

賈世奇， 劉孟楠， 徐立友

(1. 河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院， 河南 洛陽(yáng) 471003; 2. 西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，拖拉機(jī)上的電子電器與控制器也越來(lái)越多，電子設(shè)備在拖拉機(jī)上的廣泛應(yīng)用有效提高了拖拉機(jī)舒適性和安全性[1]，但這些電子器件的互相影響造成了電動(dòng)拖拉機(jī)的電磁兼容性問(wèn)題.

電動(dòng)拖拉機(jī)作為一個(gè)系統(tǒng)，裝有大量的附屬電器設(shè)備，機(jī)體結(jié)構(gòu)和安裝環(huán)境會(huì)影響設(shè)備的工作特性，電子設(shè)備之間良好的電磁兼容性是整機(jī)運(yùn)行安全的重要保障[2].國(guó)外的電磁兼容性研究起步早，部件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)研究已經(jīng)比較成熟，目前整車級(jí)電磁兼容性研究是重點(diǎn)，歐盟的GEMCAR團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了用于電磁仿真的車身模型，建立了車身線束的傳輸線模型[3-5]；日本微波技術(shù)研究中心提出一套利用場(chǎng)強(qiáng)探頭測(cè)量簡(jiǎn)化汽車模型的電場(chǎng)分布，得到了精確的測(cè)量結(jié)果[6]；文獻(xiàn)[7]在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上放置多個(gè)電流探頭來(lái)獲取電磁干擾因素并建立了電磁預(yù)測(cè)模型，該模型考慮了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路元件和測(cè)量環(huán)境.目前，電磁輻射的仿真分析是將三維物理模型導(dǎo)入電磁學(xué)軟件中進(jìn)行電磁仿真，這樣的仿真可以較為準(zhǔn)確表達(dá)研究對(duì)象的幾何特征，由于物理模型的復(fù)雜性，這樣的仿真不僅對(duì)于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存有著很高的要求，而且會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格畸形，影響仿真的準(zhǔn)確性[8-10].

針對(duì)以上問(wèn)題，文中提出一種多軟件聯(lián)合仿真的方法，使得電磁輻射仿真研究更高效.利用CAD軟件進(jìn)行三維物理建模，使用Hypermesh對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格處理，根據(jù)電磁干擾原理建立主要干擾源的等效電磁模型，使用FEKO和HFSS這兩款電磁輻射軟件進(jìn)行電磁輻射干擾特性仿真分析.

1 電磁干擾原理分析

1.1 等效模型理論依據(jù)

麥克斯韋方程組描述了任意實(shí)際情況下電磁場(chǎng)及電磁波的特性，是電磁問(wèn)題求解的基礎(chǔ)[11]，麥克斯韋方程組的微分形式如下:

(1)

(2)

?×D=ρ，

(3)

?×B=0,

(4)

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A·m-1；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V·m-1；D為電位矢量，C·m-2；B為磁通量密度，T；J為電流密度，A·m-2；ρ為電荷密度，C·m-2.

根據(jù)電磁輻射產(chǎn)生的原理不同可以分為差模電磁輻射和共模電磁輻射，分別如圖1-2所示.

圖1 差模干擾電路及輻射原理

圖2 共模干擾電路及輻射原理

差模輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式為

(5)

共模輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式為

(6)

式中：f為頻率，Hz；A為面積，m2；Id和Ic分別為差模電流和共模電流，A；r表示距離，m；l表示長(zhǎng)度，m；θ表示電流幅角，(°).

令差模輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度與共模輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度相等，則

(7)

對(duì)于文中的研究對(duì)象而言，l的數(shù)量級(jí)取101，f的數(shù)量級(jí)最高取108，A的數(shù)量級(jí)取10-4，式(7)可化簡(jiǎn)為

(8)

由式(8)可知，差模電流比共模電流大3個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，才能產(chǎn)生相同量級(jí)的電場(chǎng)輻射量，因此，在進(jìn)行電磁輻射仿真時(shí)為了仿真的高效性，可以只分析共模輻射，將電磁模型等效為電偶極子天線模型,這也成為電動(dòng)拖拉機(jī)電子器件模型建立的主要參考基礎(chǔ).

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

矩量法(MOM)是一種全波技術(shù)求解頻域麥克斯韋方程組積分形式的經(jīng)典算法.矩量法只需要離散幾何模型而無(wú)須離散空間，無(wú)須設(shè)置邊界條件，其計(jì)算量只取決于計(jì)算頻率及模型的幾何尺寸.矩量法適合計(jì)算各類電磁輻射和電磁散射問(wèn)題.

FEM/MOM混合方法可高效應(yīng)用于非均勻的介質(zhì)或涂敷介質(zhì)目標(biāo)、微帶結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜材料周期性結(jié)構(gòu)的電磁散射與輻射分析[12].FEM/MOM混合方法不用設(shè)置吸收的邊界條件，并且可以有效避免網(wǎng)格截?cái)?，同時(shí)保留了有限元方法產(chǎn)生稀疏帶狀矩陣，具有高效儲(chǔ)存和求解的優(yōu)點(diǎn).

2 等效電磁模型建立

2.1 整車多軟件聯(lián)合電磁輻射仿真流程

按干擾源實(shí)際模型進(jìn)行仿真，在有限計(jì)算機(jī)性能的情況下會(huì)增加仿真時(shí)間，電磁仿真結(jié)果準(zhǔn)確性也會(huì)受到復(fù)雜結(jié)構(gòu)影響.為了進(jìn)行高效的仿真，需要進(jìn)行一些簡(jiǎn)化，車身的三維模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和網(wǎng)格劃分，汽車的主要干擾源建模由HFSS和FEKO完成，最后在FEKO中進(jìn)行電動(dòng)拖拉機(jī)車內(nèi)電磁輻射仿真分析.多軟件聯(lián)合電磁仿真的流程如圖3所示.

圖3 仿真流程圖

2.2 電動(dòng)拖拉機(jī)機(jī)體簡(jiǎn)化模型建立

對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)車身進(jìn)行電磁輻射仿真時(shí)，需要將三維物理模型轉(zhuǎn)化為電磁輻射仿真模型.

1) 車身尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中有許多對(duì)車內(nèi)電磁輻射沒(méi)有影響的部件，例如拖拉機(jī)輪胎、座椅、后視鏡、車燈、排氣管以及隙、孔、焊接螺栓等[13]，這些部件不僅影響仿真效率，還會(huì)降低仿真的準(zhǔn)確性，在模型的處理中可以直接去掉.

2) 設(shè)置車身等機(jī)體材料為良導(dǎo)體材料.

3) 修復(fù)機(jī)體，將機(jī)體上的空隙和縫隙填滿，確保電磁輻射仿真的準(zhǔn)確性.

模型清理完成后，需要對(duì)模型網(wǎng)格劃分才能進(jìn)行電磁輻射的仿真分析，電磁學(xué)網(wǎng)格劃分的質(zhì)量要求低于力學(xué)分析時(shí)網(wǎng)格質(zhì)量，F(xiàn)EKO矩量法中基本的單元尺寸小于最小波長(zhǎng)的1/8，即

(9)

式中：lmax為網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)；λmin為最小的電磁波波長(zhǎng)；c為光速；fmax為最大的電磁波頻率.

為了盡量保證車身模型的完整性，同時(shí)防止由于網(wǎng)格數(shù)量過(guò)多造成的仿真時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)多次的網(wǎng)格大小繪制，最終以200 mm的三角形網(wǎng)格尺寸對(duì)車身進(jìn)行網(wǎng)格劃分.車身的幾何模型尺寸為3 320 mm×1 280 mm×1 418 mm，網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格，離散誤差小，更容易收斂，網(wǎng)格數(shù)量為16 119個(gè)，車身模型網(wǎng)格劃分如圖4所示.

圖4 車身模型網(wǎng)格劃分

2.3 干擾源建模

電動(dòng)拖拉機(jī)相較于傳統(tǒng)拖拉機(jī)有著更復(fù)雜的電氣系統(tǒng)，其既有高壓電氣系統(tǒng)又有低壓電氣系統(tǒng).車內(nèi)環(huán)境較為封閉，電子器件在使用及開關(guān)過(guò)程中，構(gòu)成電動(dòng)拖拉機(jī)內(nèi)部多變復(fù)雜的電磁環(huán)境.

電動(dòng)拖拉機(jī)主要的干擾源包括：驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、PTO電動(dòng)機(jī)、DC/DC變換器、通訊天線和高壓線束，在HFSS中建立等效天線模型.

1) 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī).驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)拖拉機(jī)的核心，模型的創(chuàng)建極為復(fù)雜，嚴(yán)格按照電動(dòng)機(jī)原理與數(shù)學(xué)模型建立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)模型，會(huì)使得仿真實(shí)現(xiàn)困難，造成試驗(yàn)結(jié)果不理想[14].文中根據(jù)電磁輻射原理把驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輻射等效為天線的輻射問(wèn)題，等效模型是偶極子天線模型，天線長(zhǎng)度500 mm，激勵(lì)源為電壓源，大小0.3 V，阻抗為50 Ω，中心頻率下相位角90°遠(yuǎn)場(chǎng)增益如圖5所示.

圖5 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和PTO電動(dòng)機(jī)相位角90°遠(yuǎn)場(chǎng)增益

2) PTO電動(dòng)機(jī).PTO電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)拖拉機(jī)特有的工作電動(dòng)機(jī)，PTO電動(dòng)機(jī)通過(guò)動(dòng)力輸出裝置向拖拉機(jī)行駛系以外的設(shè)備輸出動(dòng)力，滿足工作需要[15].其電磁仿真模型是偶極子天線模型，天線參數(shù)與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)一致.

3) DC/DC變換器.DC/DC變換器主要作用是將高壓電轉(zhuǎn)換為低壓電，為電動(dòng)拖拉機(jī)上的電氣系統(tǒng)供電.工作時(shí)，高頻次的通斷產(chǎn)生很大的dv/dt與di/dt，是電動(dòng)拖拉機(jī)中的一個(gè)主要的電磁干擾源.電磁仿真模型是電偶極子天線模型，天線長(zhǎng)度1 000 mm，激勵(lì)源為電壓源，大小0.14 V，阻抗50 Ω，中心頻率下相位角90°遠(yuǎn)場(chǎng)增益如圖6所示.

圖6 DC/DC相位角90°遠(yuǎn)場(chǎng)增益

4) 通信天線.通信天線是電動(dòng)拖拉機(jī)通訊信號(hào)發(fā)射和接收工具，天線模型為單極子天線，設(shè)置天線長(zhǎng)度50 mm，電壓源為激勵(lì)源，大小1 V，阻抗50 Ω，中心頻率下相位角90°遠(yuǎn)場(chǎng)增益如圖7所示.

圖7 通信天線相位角90°遠(yuǎn)場(chǎng)增益

5) 高壓線束.高壓線束是一個(gè)通電導(dǎo)體，用于傳輸電動(dòng)拖拉機(jī)的電流，即使有屏蔽層的屏蔽，高壓線束依然是主要的電磁干擾源[16].線纜由一根線組成，是單芯電纜，高壓線束截面如圖8所示，內(nèi)部導(dǎo)電材料是鍍錫銅，芯的半徑為0.45 mm，絕緣體是聚乙烯(PE)，屏蔽層是鍍錫銅編織層，護(hù)套材料是PVC，介電常數(shù)為2.3，長(zhǎng)度為1 500 mm，線束內(nèi)部線路布置如圖9所示.

圖8 高壓線束截面(單位: m)

圖9 線束內(nèi)部線路布置

2.4 電動(dòng)拖拉機(jī)整車等效模型建立

在完成車身網(wǎng)格劃分和主要干擾源部件等效電磁模型建立后，建立整車等效電磁模型，電動(dòng)拖拉機(jī)的主要干擾源包括驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、PTO電動(dòng)機(jī)、通信天線、DC/DC變換器和高壓線束.干擾源在拖拉機(jī)內(nèi)布置如圖10所示.

圖10 整車等效模型

3 仿真分析

3.1 拖拉機(jī)車身表面電流

在CADFEKO中設(shè)置求解精度為Doubleprecision，在高頻率求解選項(xiàng)中選擇PO和MOM/MLFMM求解選項(xiàng)，選取具有代表性表面電流的頻率為100～550 MHz，以50 MHz為間隔在POSTFEKO中得到電動(dòng)拖拉機(jī)車身表面電流仿真結(jié)果如圖11-15所示.

圖11 100和150 MHz時(shí)拖拉機(jī)車身電流

圖12 200和250 MHz時(shí)拖拉機(jī)車身電流

圖13 300和350 MHz時(shí)拖拉機(jī)車身電流

圖14 400和450 MHz時(shí)拖拉機(jī)車身電流

圖15 500和550 MHz時(shí)拖拉機(jī)車身電流

由圖可知，100到150 MHz的范圍內(nèi)，車身表面電流較??；200到250 MHz的范圍內(nèi)，車身前半部分的電流較大，在250 MHz左右車身前部表面電流最大達(dá)到0.50 A·m-1，此時(shí)的主要干擾源是電動(dòng)拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、PTO電動(dòng)機(jī)；300到350 MHz的范圍內(nèi)，車身表面電流出現(xiàn)在駕駛艙后部并且隨著頻率升高逐漸增大；400到450 MHz的范圍內(nèi)，車身的表面電流開始呈現(xiàn)渦流狀且集中在駕駛艙后部，在450 MHz左右駕駛艙后部表面電流最大達(dá)到0.42 A·m-1，此時(shí)主要干擾源為DC/DC變換器和通訊天線；500到550 MHz左右時(shí)車身表面電流分布較為均勻，但隨著頻率的增加車身前部的表面電流逐漸增大，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、PTO電動(dòng)機(jī)和高壓線束的輻射強(qiáng)度逐漸大于DC/DC變換器和通訊天線的輻射強(qiáng)度.

由仿真結(jié)果可以看出：① 不同的干擾源主要輻射頻率不同，車身表面電流分布也不同，越靠近干擾源，表面電流越大；② 通訊天線的輻射主要集中在激勵(lì)源處；③ 隨著頻率的增大，表面電流的渦旋狀越明顯；④ 由于電動(dòng)拖拉機(jī)車身結(jié)構(gòu)不同于電動(dòng)汽車，前后車身有著明確的界限，在一些頻率下的表面電流大小呈現(xiàn)出局部突出的特性.

3.2 近場(chǎng)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度

根據(jù)被測(cè)的實(shí)際情況，設(shè)置電場(chǎng)強(qiáng)度頻域范圍是0～600 MHz，F(xiàn)EKO軟件中在Requests中選擇Nearfields選項(xiàng)在電動(dòng)拖拉機(jī)駕駛艙內(nèi)設(shè)置3個(gè)近場(chǎng)點(diǎn)[17],分別模擬駕駛員的頭部(近場(chǎng)點(diǎn)A)、胸部(近場(chǎng)點(diǎn)B)和腳部(近場(chǎng)點(diǎn)C)，仿真結(jié)果如圖16-18所示.

圖16 近場(chǎng)點(diǎn)A仿真結(jié)果

圖17 近場(chǎng)點(diǎn)B仿真結(jié)果

圖18 近場(chǎng)點(diǎn)C仿真結(jié)果

各個(gè)位置對(duì)應(yīng)的最大電場(chǎng)輻射值如下：頭部為1.52 V·m-1；胸部為1.32 V·m-1；腳部位1.79 V·m-1.由仿真結(jié)果可以得出: ① 電動(dòng)拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)腳部電場(chǎng)強(qiáng)度最大，與駕駛室的安裝位置有關(guān)，電動(dòng)拖拉機(jī)駕駛艙安裝在PTO軸的上部，腳部距離主要干擾源距離近，電場(chǎng)強(qiáng)度最大，頭部靠近通訊天線，電場(chǎng)強(qiáng)度次之；② 電動(dòng)拖拉機(jī)駕駛室電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值1.79 V·m-1，最大輻射產(chǎn)生在122 MHz附近，比電動(dòng)汽車的駕駛室的最大值高了0.20 V·m-1左右，出現(xiàn)這個(gè)情況的主要原因是電動(dòng)拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和PTO電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，比電動(dòng)汽車多了一個(gè)干擾源PTO電動(dòng)機(jī).

對(duì)所選電動(dòng)拖拉機(jī)進(jìn)行屏蔽時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注122 MHz附近頻段，駕駛?cè)藛T作業(yè)時(shí)，要注重腳部和頭部的電磁防護(hù).

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)電磁輻射原理，以某款電動(dòng)拖拉機(jī)為研究對(duì)象，建立車內(nèi)主要干擾源的等效電磁模型，對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)車身三維模型進(jìn)行幾何處理，建立車身的有限元模型，把主要干擾源等效電磁模型導(dǎo)入FEKO中進(jìn)行電磁輻射仿真分析，該方法提高了電磁輻射仿真分析效率.

2) 電動(dòng)拖拉機(jī)車身結(jié)構(gòu)的前后部分有明顯的界限，車身的表面電流具有局部突出的特性，在250 MHz左右車身前部表面電流最大，其值為0.50 A·m-1；在450 MHz左右駕駛艙后部表面電流最大，其值為0.42 A·m-1，在進(jìn)行車身線路及電子設(shè)備布置時(shí)，電子設(shè)備的工作頻率在250 MHz左右時(shí)，布置位置盡量在車身后部；工作頻率在450 MHz左右時(shí)，布置位置盡量在車身前部.

3) 駕駛艙設(shè)置3個(gè)近場(chǎng)點(diǎn)，模擬駕駛員的頭部、胸部和腳部，腳部附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，其值為1.79 V·m-1，對(duì)應(yīng)頻率122 MHz，對(duì)所選目標(biāo)車進(jìn)行屏蔽時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注此頻段，駕駛?cè)藛T在作業(yè)時(shí)，要注重腳部和頭部的電磁防護(hù).

4) 目前整車級(jí)電磁輻射干擾的研究主要集中于電動(dòng)汽車行業(yè)，關(guān)于電動(dòng)拖拉機(jī)車內(nèi)電磁輻射干擾研究較少，本研究可為電動(dòng)拖拉機(jī)多設(shè)備共同作用下復(fù)雜電磁場(chǎng)仿真研究提供參考.