基于電磁屏蔽的專用車輛屏蔽箱體結構優化及仿真驗證

陳一哲，于成杰，楊郁森，霍嘉宸，王 輝

（1.武漢理工大學汽車工程學院，武漢 430000，中國）

在智能化與數字化的浪潮下，精密電子設備在專用汽車中的應用越來越多，隨之而來的是對電磁的干擾越來越敏感，這些干擾已成為一種新的社會危害。任何電子、電器設備運行時都在向周圍傳遞電磁信號，這些信號可能會對周圍其他電子設備造成干擾，同時，電子設備也可能受環境中的電磁的影響。電磁干擾(electromagnetic interference， EMI)雖然可能是暫時的，但也可能是致命的，例如，安全氣囊、輔助駕駛系統和防抱死系統收到干擾被誤觸發和失效等。此外，電磁干擾可能會對特定人群造成干擾，如身體內有金屬支架的人等，嚴重危害了駕駛員和乘客的安全。

在電磁屏蔽的傳輸線理論中，通常把屏蔽體看成傳輸線的一段,當電磁波輻射場靠近屏蔽體時，一部分電磁波被反射，剩余部分透射進入屏蔽體進行傳輸。而屏蔽體的主要作用就是在傳輸過程中，使電磁波在自由界面和屏蔽體界面發生多次反射、投射以達到減弱電磁的目的[1]。根據屏蔽類型，電磁材料可以分為：金屬和合金電磁屏蔽材料、表面導電屏蔽材料和本征導電聚合物電磁屏蔽材料等。電子設備往往需要考慮散熱、外部電源供電、數據傳輸等因素，導致屏蔽腔體存在復雜的不可避免的開孔結構，如散熱孔、導線孔等等，大幅度降低了屏蔽效能的同時也大大增加了屏蔽效能分析的難度[2-3]。因此，如何減小專用車輛屏蔽箱體因自身結構而受到的電磁干擾就成了設計時應重點考慮的問題。

為了實現專用供電車優良的電磁屏蔽性能，常常會選取具有電磁屏蔽性能的材料作為屏蔽箱體的基體，以實現結構—電磁屏蔽一體化。金屬擁有卓越的屏蔽性能，然而，由于重量大、易腐蝕等缺點，不適合在專用汽車電磁屏蔽箱體中使用。因此，專用汽車對輕量化、耐腐蝕的新型電磁屏蔽材料的需求越來越高[4]。

高分子復合材料具有重量輕、耐腐蝕、易加工等諸多優點，是理想的電磁屏蔽材料，隨著對碳系材料電磁屏蔽性能的不斷研究， 碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)逐漸在電磁屏蔽材料中嶄露頭角[5]。與傳統金屬材料相比，碳纖維復合材料具有密度低、強度高、耐腐蝕的優點，同時具有導電性，可以充分發揮電磁屏蔽的特性。近幾年來，炭黑、碳納米管、碳纖維、柔性石墨等碳材料作為填充材料的新型復合型屏蔽材料得到了較快發展。國內外等學者[6-9]對CFRP 進行了電磁屏蔽效能測試，表明它具有良好的屏蔽效能。陳旭[10]對碳纖維復合材料機箱進行電磁屏蔽效能測試以及減重設計，在核電磁脈沖下屏蔽效能達到40 dB。相關研究[11-12]表明，一般認為達到20 dB 可滿足商用屏蔽要求，在特定頻段內其電磁屏蔽參數可達70 dB。因此，本設計選取碳纖維復合材料為專用車輛屏蔽箱體的材料，在提高專用車輛屏蔽箱體屏蔽效能的同時也達到了輕量化設計與降低能耗的目的。

本文以合理簡化后的一個專用供電車電磁屏蔽箱體為對象，采用完全密封并接地的導電屏蔽材料通過Ansys Electronics Desktop 軟件進行建模仿真，經分析比較后為其賦予合適的復合材料，并根據GB/T 12190-2021[13]電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法的規定，按照單一變量的原則對電磁波的頻率、箱體的厚度、開口的形狀進行研究，得到了相應的電場/磁場分布云圖，經整理分析后得出不同因素對箱體電磁屏蔽效能的影響。在此研究基礎上，考慮屏蔽材料厚度對其尺寸和輕量化的影響[14]，貼近實際情況對專用車輛屏蔽箱體做結構優化設計，并進行仿真分析驗證，提升專用車輛屏蔽箱體電磁屏蔽性能。

1 屏蔽效能評價

1.1 電磁屏蔽效能評價標準

電磁屏蔽的評判標準是屏蔽效能SE，定義為

其中：Sinc為入射功率密度，是指加屏蔽前測量點的功率密度；Stran為透入功率密度，是指加屏蔽后同一測量點的功率密度。

上述方程中的功率密度，在具有同一波阻抗的同一介質中，可由電場強度、磁場強度來替代，則上述方程即可用場強定義。

其中：Ea為安裝屏蔽前測量點的電場強度；Eb為安裝屏蔽體后同一測量點的電場強度；Ha為安裝屏蔽體前測量點的磁場強度，Hb為安裝屏蔽體后同一測量點的磁場強度[15]。屏蔽效能SE 越大，表明材料的電磁屏蔽效果越好。

2 專用車輛屏蔽箱體屏蔽效能的影響因素

2.1 箱體厚度對電磁屏蔽效能的影響

由于實際中供電車系統復雜、設備繁雜，并且頻段覆蓋廣泛，因此進行電磁屏蔽效能的試驗成本高，且定位困難，調試依靠猜測，抗風險能力差，產品周期長。因此，通過簡化某公司的產品，并利用計算機軟件進行仿真試驗研究是更加可行的方法[16]。高頻結構仿真器(high frequency structure simulator，HFSS)是Ansys 旗下的基于電磁有限元法分析各種復雜微波工程問題的三維電磁仿真軟件，它采用自適應網格生成技術來提高計算精度和速度，可直接提供特性電磁場、輻射場等仿真結果[17]。故選擇HFSS 軟件為工具進行仿真分析研究。

為了達到最佳的屏蔽效能，理論上可以采用完全密封并接地的碳纖維復合材料作為專用供電車電磁屏蔽箱體，為了減少運算量，將箱體尺寸簡化為460 mm×600 mm×720 mm，本文預選取電磁屏蔽箱體本身的厚度為14 mm，在其他條件不變的情況下，改變箱體厚度為6、10、14 mm，并在低頻率、諧振頻率、高頻率范圍內分別選取1 個頻率點，分析3 種不同厚度下的電磁屏蔽效能。根據國標GB/T 12190-2021電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法，不同頻率范圍內屏蔽效能的數學表達式各有不同，因此測試的電磁屏蔽效能所用的電磁參數各有不同，具體參數如表 1所示。

表1 屏蔽效能的數學表達式

根據表 1，分別選擇15 kHz、100 MHz、1 GHz 作為低頻率范圍、諧振頻率范圍和高頻率范圍的測試頻率。通過Ansys Electronics Desktop 軟件給壁厚(d)為6、10、14 mm 的箱體施加除頻率以外其他條件都相同的激勵，進行仿真分析，得到相應的電場和磁場分布仿真云圖，見圖1—圖3。

圖1 d = 6 mm 屏蔽箱體電場和磁場云圖

圖2 d = 10 mm 屏蔽箱體磁場和電場云圖

圖3 d = 14 mm 屏蔽箱體磁場和電場云圖

圖 4 不同壁厚的箱體磁場和電場分布

規定箱體右側壁面向箱體外側法線方向為x軸正向，前側壁面向箱體外側法線方向為y軸正向，上側壁面向箱體外側法線方向為z軸正向，以箱體左壁面中心點外左側300 mm 處為零點，記錄圖1—圖3 中由零點沿x軸正向至右側壁面中心點的電場強度值和磁場強度值，得到圖4 所示不同頻率電磁波下該段距離(S)上的電場、磁場分布曲線。

通過以上電場和磁場的分布云圖及變化曲線可知，在頻率為15 kHz 和1 GHz 的電磁波下，箱體的綜合屏蔽效能隨著壁厚的增加得到加強；而在頻率為100 MHz 的電磁波下，箱體的屏蔽效能則幾乎沒有變化。可見在低頻率和高頻率范圍內，箱體的厚度與屏蔽效能呈正相關，在諧振頻率范圍內，箱體厚度不是影響其屏蔽效能的主要因素。

2.2 開孔形狀對屏蔽效能的影響

考慮實際情況，專用供電車內部的屏蔽箱體結構不可能做到完全封閉，箱體表面或多或少都會有一定數量的孔狀結構用以散熱或使電線等線纜得以進出，因此，對屏蔽箱體的電磁仿真也需要考慮不同的開孔形狀。為探究不同形狀的開孔對電磁屏蔽效能的影響，本文選取方形和圓形2 種典型形狀進行探討[18]。對于方形開口，在面積保持不變的情況下，選取長寬比作為主要目標；圓形開口則與方形開口屏蔽效能最好的形狀進行比較。圖5 是矩形孔開口長寬比為3:1、2:1、1:1和圓孔的建模模型。

圖5 矩形開口和圓形開口模型

圖 6 不同長寬比矩形開口模型在不同頻率磁場下的磁場和電場

首先對矩形開口進行研究。在模型表面開孔后，其余條件均不變，分別加15 kHz、100 MHz、1 GHz的電磁波激勵，經仿真分析后得到專用車輛屏蔽箱體磁場、電場的分布云圖，并按上述處理壁厚云圖的方法作圖，在15 kHz、100 MHz、1 GHz 的電磁波下矩形孔長寬比分別為3:1、2:1、1:1 時電、磁場分布如圖6 所示。

通過電場、磁場云圖和電場、磁場分布圖可以直觀地看出，隨著長寬比的減小，綜合屏蔽效能逐漸增加。

圓形孔的專用車輛屏蔽箱體的電、磁場在15 kHz、100 MHz 和1 GHz 的電磁波下場分布如圖7 所示。

圖7 圓形開口模型在不同頻率磁場下的磁場和電場分布云圖

規定箱體左側壁面向箱體外側法線方向為x軸正向，以箱體左壁面中心點外左側300 mm 處為零點，記錄由零點沿x軸正向至右側壁面中心點的電場強度值和磁場強度值，將這些數值顯化成如圖8 所示的電場分布和磁場分布曲線圖。

圖8 圓形和矩形開口模型在不同頻率下的磁場和電場

圖中300～900 mm 范圍內的測量點位于箱體內腔。由圖8 可以看出，開孔面積基本一樣時，在頻率為15 kHz 和1 GHz 的電磁波下，箱體的屏蔽效能在箱體左側開孔為圓形時都要更強一些，而在頻率為100 MHz 時，箱體的屏蔽效能與其左側開孔形狀無關。可見，相同開孔面積下，在低頻率和高頻率階段，箱體的開孔形狀為圓形時屏蔽效能更好；而在諧振頻率階段，箱體的開口形狀對屏蔽效能幾乎無影響。

3 車用箱體結構優化設計及仿真驗證

3.1 車用箱體結構優化

從上文的研究結果可知，箱體的厚度、開孔的形狀對專用車輛屏蔽箱體的電磁屏蔽效能都有著重要的影響。在低頻率和高頻率的電磁波作用下，專用車輛屏蔽箱體的電磁屏蔽效能與其厚度呈正相關，所以要想從厚度方面加強專用車輛屏蔽箱體的電磁屏蔽效能，必須適當增加專用車輛屏蔽箱體的厚度，但這會不可避免地使專用車輛屏蔽箱體增重。可見只增加厚度的方法并不是加強專用車輛屏蔽箱體電磁屏蔽效能的最佳選擇。因此，要在滿足輕量化的條件下提高專用車輛屏蔽箱體的電磁屏蔽效能，應從適當增加專用車輛屏蔽箱體的厚度和改變開孔形狀2 個方面進行改進。

由前文的研究結論可知總開孔面積相同情況下，在低頻率和高頻率的電磁波干擾下，箱體的開孔形狀為圓形時屏蔽效能更好，因此選擇將箱體模型厚度增加為22 mm，其余與上文方案相同，使開口面積近乎一致，保證了實驗的準確性，改進后箱體外形如圖9 所示。

圖9 改進后的專用車輛屏蔽箱體模型圖

圖 10 優化開口模型在不同頻率下的磁場和電場分布圖

3.2 專用車輛屏蔽箱體電磁屏蔽效能優化仿真驗證

為研究其優化后的電磁屏蔽效能大小，分別對改進前、后的專用車輛屏蔽箱體進行仿真分析。以箱體右側壁面為研究面，在距離其幾何中心外部法線方向300 mm 處添加一個偶極天線，電流元大小為1 AM，電流方向指向箱體中心點，分別設置激勵源頻率為15 kHz、100 MHz、1 GHz。屏蔽箱體在這些頻率的電磁波下周圍及其內部的電場和磁場分布云圖如圖10 所示。

根據國標GB/T 12190-2021 電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法，箱體的電磁屏蔽效能參數根據在距離天線0.6 m 處的電磁場強決定。取激勵源至箱體左壁面幾何中心的線上距激勵源60 cm 處的改進前后的電磁場強度值，由式(2)、(3)計算出15 kHz、100 MHz 和1 GHz電磁屏蔽箱體的效能分別為46.3、9.4、32.2 dB。

由分析數據可以看出：經結構優化后的專用車輛屏蔽箱體電磁屏蔽效能得到了明顯的提高，其抗電磁干擾能力得到了改善，在低頻和高頻段符合電磁屏蔽的標準，具有極強的實際應用價值。

4 結 論

本文以專用供電汽車碳纖維復合材料屏蔽箱體為研究對象，研究了箱體厚度、開孔形狀對電磁屏蔽效能影響。通過Ansys Electronics Desktop 仿真得到以下結論：

1) 在低頻率和高頻率范圍內的電磁干擾下，專用車輛屏蔽箱體的厚度與箱體屏蔽效能呈正相關；相同開孔面積下，開圓形孔時箱體屏蔽效能優于開方形孔；而在諧振頻率階段上述要素對屏蔽效能無明顯影響。

2) 對專用車輛屏蔽箱體進行結構優化及仿真分析，得到在15 kHz、100 MHz、1 GHz 等3 種頻率下，專用車輛屏蔽箱體的電磁屏蔽效能分別為46.3、9.4 和32.2 dB。

本研究表明使用碳纖維復合材料作為專用車輛箱體屏蔽材料可以在滿足輕量化設計的同時有效地提高其抗電磁干擾的能力，為基于電磁屏蔽而進行的交通設備結構優化提供了一種新的可行性；通過開發新型碳纖維復合材料，如在碳纖維板之間夾金屬合金，可以降低局部磁場，增強其綜合性能，是未來碳纖維復合材料的電磁屏蔽性能的研究方向之一。