基于电磁屏蔽的专用车辆屏蔽箱体结构优化及仿真验证

陈一哲，于成杰，杨郁森，霍嘉宸，王 辉

（1.武汉理工大学汽车工程学院，武汉 430000，中国）

在智能化与数字化的浪潮下，精密电子设备在专用汽车中的应用越来越多，随之而来的是对电磁的干扰越来越敏感，这些干扰已成为一种新的社会危害。任何电子、电器设备运行时都在向周围传递电磁信号，这些信号可能会对周围其他电子设备造成干扰，同时，电子设备也可能受环境中的电磁的影响。电磁干扰(electromagnetic interference， EMI)虽然可能是暂时的，但也可能是致命的，例如，安全气囊、辅助驾驶系统和防抱死系统收到干扰被误触发和失效等。此外，电磁干扰可能会对特定人群造成干扰，如身体内有金属支架的人等，严重危害了驾驶员和乘客的安全。

在电磁屏蔽的传输线理论中，通常把屏蔽体看成传输线的一段,当电磁波辐射场靠近屏蔽体时，一部分电磁波被反射，剩余部分透射进入屏蔽体进行传输。而屏蔽体的主要作用就是在传输过程中，使电磁波在自由界面和屏蔽体界面发生多次反射、投射以达到减弱电磁的目的[1]。根据屏蔽类型，电磁材料可以分为：金属和合金电磁屏蔽材料、表面导电屏蔽材料和本征导电聚合物电磁屏蔽材料等。电子设备往往需要考虑散热、外部电源供电、数据传输等因素，导致屏蔽腔体存在复杂的不可避免的开孔结构，如散热孔、导线孔等等，大幅度降低了屏蔽效能的同时也大大增加了屏蔽效能分析的难度[2-3]。因此，如何减小专用车辆屏蔽箱体因自身结构而受到的电磁干扰就成了设计时应重点考虑的问题。

为了实现专用供电车优良的电磁屏蔽性能，常常会选取具有电磁屏蔽性能的材料作为屏蔽箱体的基体，以实现结构—电磁屏蔽一体化。金属拥有卓越的屏蔽性能，然而，由于重量大、易腐蚀等缺点，不适合在专用汽车电磁屏蔽箱体中使用。因此，专用汽车对轻量化、耐腐蚀的新型电磁屏蔽材料的需求越来越高[4]。

高分子复合材料具有重量轻、耐腐蚀、易加工等诸多优点，是理想的电磁屏蔽材料，随着对碳系材料电磁屏蔽性能的不断研究， 碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)逐渐在电磁屏蔽材料中崭露头角[5]。与传统金属材料相比，碳纤维复合材料具有密度低、强度高、耐腐蚀的优点，同时具有导电性，可以充分发挥电磁屏蔽的特性。近几年来，炭黑、碳纳米管、碳纤维、柔性石墨等碳材料作为填充材料的新型复合型屏蔽材料得到了较快发展。国内外等学者[6-9]对CFRP 进行了电磁屏蔽效能测试，表明它具有良好的屏蔽效能。陈旭[10]对碳纤维复合材料机箱进行电磁屏蔽效能测试以及减重设计，在核电磁脉冲下屏蔽效能达到40 dB。相关研究[11-12]表明，一般认为达到20 dB 可满足商用屏蔽要求，在特定频段内其电磁屏蔽参数可达70 dB。因此，本设计选取碳纤维复合材料为专用车辆屏蔽箱体的材料，在提高专用车辆屏蔽箱体屏蔽效能的同时也达到了轻量化设计与降低能耗的目的。

本文以合理简化后的一个专用供电车电磁屏蔽箱体为对象，采用完全密封并接地的导电屏蔽材料通过Ansys Electronics Desktop 软件进行建模仿真，经分析比较后为其赋予合适的复合材料，并根据GB/T 12190-2021[13]电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法的规定，按照单一变量的原则对电磁波的频率、箱体的厚度、开口的形状进行研究，得到了相应的电场/磁场分布云图，经整理分析后得出不同因素对箱体电磁屏蔽效能的影响。在此研究基础上，考虑屏蔽材料厚度对其尺寸和轻量化的影响[14]，贴近实际情况对专用车辆屏蔽箱体做结构优化设计，并进行仿真分析验证，提升专用车辆屏蔽箱体电磁屏蔽性能。

1 屏蔽效能评价

1.1 电磁屏蔽效能评价标准

电磁屏蔽的评判标准是屏蔽效能SE，定义为

其中：Sinc为入射功率密度，是指加屏蔽前测量点的功率密度；Stran为透入功率密度，是指加屏蔽后同一测量点的功率密度。

上述方程中的功率密度，在具有同一波阻抗的同一介质中，可由电场强度、磁场强度来替代，则上述方程即可用场强定义。

其中：Ea为安装屏蔽前测量点的电场强度；Eb为安装屏蔽体后同一测量点的电场强度；Ha为安装屏蔽体前测量点的磁场强度，Hb为安装屏蔽体后同一测量点的磁场强度[15]。屏蔽效能SE 越大，表明材料的电磁屏蔽效果越好。

2 专用车辆屏蔽箱体屏蔽效能的影响因素

2.1 箱体厚度对电磁屏蔽效能的影响

由于实际中供电车系统复杂、设备繁杂，并且频段覆盖广泛，因此进行电磁屏蔽效能的试验成本高，且定位困难，调试依靠猜测，抗风险能力差，产品周期长。因此，通过简化某公司的产品，并利用计算机软件进行仿真试验研究是更加可行的方法[16]。高频结构仿真器(high frequency structure simulator，HFSS)是Ansys 旗下的基于电磁有限元法分析各种复杂微波工程问题的三维电磁仿真软件，它采用自适应网格生成技术来提高计算精度和速度，可直接提供特性电磁场、辐射场等仿真结果[17]。故选择HFSS 软件为工具进行仿真分析研究。

为了达到最佳的屏蔽效能，理论上可以采用完全密封并接地的碳纤维复合材料作为专用供电车电磁屏蔽箱体，为了减少运算量，将箱体尺寸简化为460 mm×600 mm×720 mm，本文预选取电磁屏蔽箱体本身的厚度为14 mm，在其他条件不变的情况下，改变箱体厚度为6、10、14 mm，并在低频率、谐振频率、高频率范围内分别选取1 个频率点，分析3 种不同厚度下的电磁屏蔽效能。根据国标GB/T 12190-2021电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法，不同频率范围内屏蔽效能的数学表达式各有不同，因此测试的电磁屏蔽效能所用的电磁参数各有不同，具体参数如表 1所示。

表1 屏蔽效能的数学表达式

根据表 1，分别选择15 kHz、100 MHz、1 GHz 作为低频率范围、谐振频率范围和高频率范围的测试频率。通过Ansys Electronics Desktop 软件给壁厚(d)为6、10、14 mm 的箱体施加除频率以外其他条件都相同的激励，进行仿真分析，得到相应的电场和磁场分布仿真云图，见图1—图3。

图1 d = 6 mm 屏蔽箱体电场和磁场云图

图2 d = 10 mm 屏蔽箱体磁场和电场云图

图3 d = 14 mm 屏蔽箱体磁场和电场云图

图 4 不同壁厚的箱体磁场和电场分布

规定箱体右侧壁面向箱体外侧法线方向为x轴正向，前侧壁面向箱体外侧法线方向为y轴正向，上侧壁面向箱体外侧法线方向为z轴正向，以箱体左壁面中心点外左侧300 mm 处为零点，记录图1—图3 中由零点沿x轴正向至右侧壁面中心点的电场强度值和磁场强度值，得到图4 所示不同频率电磁波下该段距离(S)上的电场、磁场分布曲线。

通过以上电场和磁场的分布云图及变化曲线可知，在频率为15 kHz 和1 GHz 的电磁波下，箱体的综合屏蔽效能随着壁厚的增加得到加强；而在频率为100 MHz 的电磁波下，箱体的屏蔽效能则几乎没有变化。可见在低频率和高频率范围内，箱体的厚度与屏蔽效能呈正相关，在谐振频率范围内，箱体厚度不是影响其屏蔽效能的主要因素。

2.2 开孔形状对屏蔽效能的影响

考虑实际情况，专用供电车内部的屏蔽箱体结构不可能做到完全封闭，箱体表面或多或少都会有一定数量的孔状结构用以散热或使电线等线缆得以进出，因此，对屏蔽箱体的电磁仿真也需要考虑不同的开孔形状。为探究不同形状的开孔对电磁屏蔽效能的影响，本文选取方形和圆形2 种典型形状进行探讨[18]。对于方形开口，在面积保持不变的情况下，选取长宽比作为主要目标；圆形开口则与方形开口屏蔽效能最好的形状进行比较。图5 是矩形孔开口长宽比为3:1、2:1、1:1和圆孔的建模模型。

图5 矩形开口和圆形开口模型

图 6 不同长宽比矩形开口模型在不同频率磁场下的磁场和电场

首先对矩形开口进行研究。在模型表面开孔后，其余条件均不变，分别加15 kHz、100 MHz、1 GHz的电磁波激励，经仿真分析后得到专用车辆屏蔽箱体磁场、电场的分布云图，并按上述处理壁厚云图的方法作图，在15 kHz、100 MHz、1 GHz 的电磁波下矩形孔长宽比分别为3:1、2:1、1:1 时电、磁场分布如图6 所示。

通过电场、磁场云图和电场、磁场分布图可以直观地看出，随着长宽比的减小，综合屏蔽效能逐渐增加。

圆形孔的专用车辆屏蔽箱体的电、磁场在15 kHz、100 MHz 和1 GHz 的电磁波下场分布如图7 所示。

图7 圆形开口模型在不同频率磁场下的磁场和电场分布云图

规定箱体左侧壁面向箱体外侧法线方向为x轴正向，以箱体左壁面中心点外左侧300 mm 处为零点，记录由零点沿x轴正向至右侧壁面中心点的电场强度值和磁场强度值，将这些数值显化成如图8 所示的电场分布和磁场分布曲线图。

图8 圆形和矩形开口模型在不同频率下的磁场和电场

图中300～900 mm 范围内的测量点位于箱体内腔。由图8 可以看出，开孔面积基本一样时，在频率为15 kHz 和1 GHz 的电磁波下，箱体的屏蔽效能在箱体左侧开孔为圆形时都要更强一些，而在频率为100 MHz 时，箱体的屏蔽效能与其左侧开孔形状无关。可见，相同开孔面积下，在低频率和高频率阶段，箱体的开孔形状为圆形时屏蔽效能更好；而在谐振频率阶段，箱体的开口形状对屏蔽效能几乎无影响。

3 车用箱体结构优化设计及仿真验证

3.1 车用箱体结构优化

从上文的研究结果可知，箱体的厚度、开孔的形状对专用车辆屏蔽箱体的电磁屏蔽效能都有着重要的影响。在低频率和高频率的电磁波作用下，专用车辆屏蔽箱体的电磁屏蔽效能与其厚度呈正相关，所以要想从厚度方面加强专用车辆屏蔽箱体的电磁屏蔽效能，必须适当增加专用车辆屏蔽箱体的厚度，但这会不可避免地使专用车辆屏蔽箱体增重。可见只增加厚度的方法并不是加强专用车辆屏蔽箱体电磁屏蔽效能的最佳选择。因此，要在满足轻量化的条件下提高专用车辆屏蔽箱体的电磁屏蔽效能，应从适当增加专用车辆屏蔽箱体的厚度和改变开孔形状2 个方面进行改进。

由前文的研究结论可知总开孔面积相同情况下，在低频率和高频率的电磁波干扰下，箱体的开孔形状为圆形时屏蔽效能更好，因此选择将箱体模型厚度增加为22 mm，其余与上文方案相同，使开口面积近乎一致，保证了实验的准确性，改进后箱体外形如图9 所示。

图9 改进后的专用车辆屏蔽箱体模型图

图 10 优化开口模型在不同频率下的磁场和电场分布图

3.2 专用车辆屏蔽箱体电磁屏蔽效能优化仿真验证

为研究其优化后的电磁屏蔽效能大小，分别对改进前、后的专用车辆屏蔽箱体进行仿真分析。以箱体右侧壁面为研究面，在距离其几何中心外部法线方向300 mm 处添加一个偶极天线，电流元大小为1 AM，电流方向指向箱体中心点，分别设置激励源频率为15 kHz、100 MHz、1 GHz。屏蔽箱体在这些频率的电磁波下周围及其内部的电场和磁场分布云图如图10 所示。

根据国标GB/T 12190-2021 电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法，箱体的电磁屏蔽效能参数根据在距离天线0.6 m 处的电磁场强决定。取激励源至箱体左壁面几何中心的线上距激励源60 cm 处的改进前后的电磁场强度值，由式(2)、(3)计算出15 kHz、100 MHz 和1 GHz电磁屏蔽箱体的效能分别为46.3、9.4、32.2 dB。

由分析数据可以看出：经结构优化后的专用车辆屏蔽箱体电磁屏蔽效能得到了明显的提高，其抗电磁干扰能力得到了改善，在低频和高频段符合电磁屏蔽的标准，具有极强的实际应用价值。

4 结 论

本文以专用供电汽车碳纤维复合材料屏蔽箱体为研究对象，研究了箱体厚度、开孔形状对电磁屏蔽效能影响。通过Ansys Electronics Desktop 仿真得到以下结论：

1) 在低频率和高频率范围内的电磁干扰下，专用车辆屏蔽箱体的厚度与箱体屏蔽效能呈正相关；相同开孔面积下，开圆形孔时箱体屏蔽效能优于开方形孔；而在谐振频率阶段上述要素对屏蔽效能无明显影响。

2) 对专用车辆屏蔽箱体进行结构优化及仿真分析，得到在15 kHz、100 MHz、1 GHz 等3 种频率下，专用车辆屏蔽箱体的电磁屏蔽效能分别为46.3、9.4 和32.2 dB。

本研究表明使用碳纤维复合材料作为专用车辆箱体屏蔽材料可以在满足轻量化设计的同时有效地提高其抗电磁干扰的能力，为基于电磁屏蔽而进行的交通设备结构优化提供了一种新的可行性；通过开发新型碳纤维复合材料，如在碳纤维板之间夹金属合金，可以降低局部磁场，增强其综合性能，是未来碳纤维复合材料的电磁屏蔽性能的研究方向之一。