新能源汽车驱动系统电磁兼容测试研究——以波导管尺寸与传动轴材料对屏蔽效能影响为例

文/滕添益 杨 东

【机动车专栏】

新能源汽车驱动系统电磁兼容测试研究
——以波导管尺寸与传动轴材料对屏蔽效能影响为例

文/滕添益1杨 东2

新能源汽车的驱动系统不同于传统汽车的内燃机形式。文章阐述了电机传动系统在电磁兼容测试中的重要性与特殊性，分析了波导管尺寸与屏蔽效能的关系，通过测试分析比较了不同尺寸波导管与不同材料传动轴对电波暗室屏蔽效能的影响。

波导管 屏蔽效能 传动轴 材料

在全球石油能源紧张的背景下，新能源汽车已成为了未来汽车工业的发展方向。新能源汽车的驱动系统不同于传统汽车的内燃机形式，它们通常采用电驱动系统来驱动车辆行驶。这样就导致了电驱动系统必须通过严格的电磁兼容性测试，才能保证其与整车其他电子电气部件的兼容性。

利用半电波暗室对新能源汽车驱动电机系统进行电磁兼容零部件级别的开发测试，是国内外电磁兼容实验室普遍使用的方法之一。搭建这样的测试系统需要对电波暗室的墙面进行开孔，以保证被测电机与外部电机测功机之间的动力连接。

一般的解决方案是采用波导管与传动轴的方式解决该问题，但会产生其他问题。开孔后，原先用钢板搭建的电波暗室的屏蔽效能就会遭到破坏，其表现在于使得电波暗室的本底噪声升高，影响被测电机的电磁辐射测试效果。因此，研究不同尺寸波导管与不同材料传动轴对于电波暗室屏蔽效能的影响显得十分重要。

一、波导管类型与尺寸对于屏蔽效能的影响

1. 波导管类型

波导管是一种空心的、内壁十分光洁的金属导管或内敷金属的管子。波导管是用来传送超高频电磁波的装置，通过其产生的脉冲信号可以以极小的损耗被传送到目的地，波导管内径的大小因所传输信号的波长而异。波导管在电路中呈现高通滤波器的特性，它允许截止频率以上的信号通过，而截止频率以下的信号则被阻止或衰减，所以可以利用波导管的低频截止特性来阻断低于截止频率的电磁信号穿过波导管。

常见的波导管类型有圆形波导管、矩形波导管以及六角形（蜂窝状）波导管，它们的应用各有不同。对于不同形状的波导管，通过电磁场理论可知它们所对应的截止频率fc的计算公式：

① 圆形波导管的截止频率，单位为Hz：

公式（1）中：D为圆形波导管的内孔直径，单位为cm。

② 矩形波导管的截止频率，单位为Hz：

公式（2）中：a为矩形波导管较长一边的长度，单位为cm。

③ 六角形（蜂窝状）波导管的截止频率，单位为Hz：

公式（3）中：b为六角形（蜂窝状）波导管内壁的最大宽度，单位为cm。

由以上（1）、（2）、（3）公式可知，在获得相同截止频率的情况下，圆形波导管的内径可以比矩形波导管和六角形波导管设计得更大。也就是说，如果需要满足相同的传动轴通过波导管，圆形波导管的截止频率可以更低，高通滤波特性更好，同时圆形波导管也更加便于加工。所以，圆形波导管更加适合被用来作为传动轴穿过暗室屏蔽墙体的装置。

2. 波导管的尺寸

波导管的特性因素除了截止频率外还有吸收损耗。吸收损耗可以用来计算某一频率的电磁波在某个已知尺寸的波导管中的信号衰减量，单位为dB。

依据电磁场理论中对于空气作为介质的圆形波导管的吸收损耗（A）的计算公式：

公式（4）中：L为波导管的长度，单位为cm；fc为波导管的截止频率，单位为Hz；f为穿过波导管的频率，单位为Hz。

由于汽车零部件测试标准GB/T 18655-2010《车辆、船和内燃机 无线电骚扰特性 用于保护车载接收机的限值和测量方法》中所定义的测量频率范围150 kHz～2.5 GHz，圆形波导管所设计的最大截止频率必须大于2.5 GHz。依据公式（1）可以计算出所需要的圆波导管内壁直径。

依据GB/T 12190-2006《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法》标准，如果把屏蔽效能指标定在满足80 dB衰减及以上，通过公式（4）则可以计算出对应频率所需要的圆形波导管长度D。例如，想要波导管的截止频率达到2.93 GHz的情况时，依据以上2个标准对于截止频率与吸收损耗的要求，可以通过公式（1）计算得到波导管的内直径大约为6 cm。同时，如果要保证2.5 GHz频率信号的吸收损耗不小于80 dB，则通过公式（4）可以计算得到波导管的长度必须大于28.7 cm。

通过公式（1）和公式（4）就可以很方便地对圆形波导管进行尺寸的确定，以确保波导管满足阻断低于截止频率的电磁信号穿过波导管的要求。

二、不同材料传动轴对于屏蔽效能的影响

1. 传动轴材料种类

最常见的传动轴材料是金属，包括铁、铜与铝等。金属材料传动轴的特点是强度高、抗高扭矩特性好，也很容易购买到需要的尺寸。但是，金属传动轴的缺点在电波暗室中也非常明显，那就是当波导管中穿过金属材料时，暗室外部的电磁波因为趋肤效应而耦合到金属材料的表面，导致暗室内部金属材料的另一端充当了天线，把金属材料上耦合的电磁能量辐射到暗室内。这就造成了暗室电磁本底噪声的提高，金属材料的趋肤效应与辐射效应对电波暗室测量环境的破坏是不能接受的，而解决方案就是使用非金属传动轴。

用于制造传动轴的非金属材料主要有碳纤维、玻璃纤维、聚氯乙烯（PVC）以及胶木等。这些材料的电磁特性到底如何，放入波导管中是否能够满足暗室对于屏蔽性能的要求需要我们通过试验进行验证。

2. 试验布置与方法

参考GB/T 12190-2006《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法》标准，在0.61 m（包括0.01 m的屏蔽墙体的厚度）距离的情况下放置发射与接收天线，测量一个参考场强，然后隔着屏蔽墙体的内外侧进行相同的测试布置，天线对准波导管再次进行测试，得到的测量值减去参考值就可以得到屏蔽效能的数值。具体布置如图1所示。

图1 屏蔽效能测试布置图

测试选择屏蔽室进行测量。测试前在屏蔽室墙体上开孔并安装波导管，然后穿入传动轴。通过支架使得传动轴的中心轴与波导管中心轴重合，以免传动轴碰到波导管内壁。波导管与传动轴的布置照片如图2所示。

图2 波导管与传动轴的布置实图

在保持外部发射信号强度不变的情况下，测量不同材料的传动轴通过波导管后屏蔽室内能接收到的信号强度。接收天线接收到的信号越小，屏蔽效能也就越好。通过比较就可以知道哪种材料的传动轴能够更好地满足屏蔽效能的要求。

用于测试的材料共有7种，分别是铜、铁、铝、玻璃纤维、碳纤维、聚氯乙烯（PVC)、胶木。测试前，先封闭波导管，关闭频率源进行本底噪声的测量。然后打开频率源，波导管中没有传动轴，仅有空气作为介质时再测量一组数据作为参考数据。最后进行7种材料的测试。喇叭天线测量时的实图见图3。

图3 喇叭天线测量时的实图

对于1 GHz以下的信号，截止频率为3 GHz的波导管能很有效地进行隔离，故测量结果图表只针对频率为1 GHz以上的部分进行比较。在1 GHz以上，选取步进为500 MHz的频率点进行测量。测量点分别是1 GHz、1.5 GHz、2 GHz、2.5 GHz和3 GHz。参与测试的波导管内直径为6 cm，长度为50 cm。测量结果越接近本底噪声越好，说明屏蔽效能测量的影响较小。结果见表1与图4。

表1 测量结果表

图4 测量结果图

依据测试数据可知，非金属材料的屏蔽效能明显要优于金属材料，非金属材料中胶木材料的性能最好，几乎接近本底噪声，而聚氯乙烯材料次之。出于传动轴需要承受较大扭矩的角度，胶木和聚氯乙烯材料做成的传动轴强度并不能满足传动系统的要求。比较玻璃纤维和碳纤维材料，在2 GHz与2.5 GHz频率段附近，碳纤维材料的屏蔽效能要明显优于玻璃纤维材料。

所以，在电波暗室中使用的穿过屏蔽体传动轴材料，碳纤维材料的综合性能要优于玻璃纤维、胶木和聚氯乙烯，但碳纤维材料依然会把外部的部分电磁干扰信号带到暗室内，抬高暗室的本底噪声。但是，本底噪声到底会升高多少，则需要在电波暗室中进行实地测量，依据GB/T 18655-2010标准，通过对各个频率段暗室本底噪声的扫描以确保抬高后的暗室本底噪声仍然满足此电磁兼容测试标准的要求。

三、结 论

本文针对电驱动系统电磁兼容测试系统中的波导管尺寸与传动轴材料开展了研究。依据汽车零部件电磁兼容测量标准，对波导管进行了形状选择方面的研究，并依据频率需求对波导管的尺寸进行了计算，同时针对不同材料的传动轴进行了电磁屏蔽性能方面的测试，分析了7种常用材料的传动轴对暗室屏蔽效能的影响，为电驱动系统电磁兼容测试平台中的传动轴材料选择提出了建议。

通过对圆形波导管尺寸的计算与传动轴材料的测试与分析，得到的圆形波导管加碳纤维材料传动轴是较为理想的电波暗室传动系统屏蔽效能的解决方案。希望此研究结果能为电驱动系统电磁兼容测试平台中传动系统的设计提供一些参考和借鉴。

[1] 张厚,唐宏,丁尔启.电磁兼容技术及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,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

（作者单位：1同济大学2上海机动车检测中心）