一個(gè)典型的電機(jī)或發(fā)電機(jī)包含了多個(gè)設(shè)計(jì)元素，都可能引發(fā)電磁兼容性（EMC）問(wèn)題。

除了電機(jī)本身的主要電感外，還存在電機(jī)線圈與機(jī)殼、線圈與轉(zhuǎn)軸、以及不同傳感器之間的寄生電容。這些寄生電容會(huì)導(dǎo)致共模耦合和容性耦合問(wèn)題。本文展示了如何通過(guò)3D電磁場(chǎng)仿真的方法來(lái)提取電機(jī)的EMC特性。

電機(jī)的共模噪聲對(duì)地（底盤）之間存在兩條耦合途徑：一條是通過(guò)線圈和機(jī)殼之間的分布電容，另一條則是通過(guò)轉(zhuǎn)軸/轉(zhuǎn)子連接到齒輪箱/底盤之間的耦合路徑。這兩條耦合路徑均依賴于設(shè)備與接地電位的連接情況。共模電流的產(chǎn)生受到多個(gè)參數(shù)的影響，包括：

l結(jié)構(gòu)件的搭接阻抗（Z）

l接地阻抗（Z）

l電機(jī)的幾何設(shè)計(jì)（線圈和機(jī)殼的距離、間隙等）

l導(dǎo)電材料和非導(dǎo)電材料的材料屬性（εr）

l電機(jī)制造變量影響（公差和雜散參數(shù)等）

電機(jī)內(nèi)部的容性耦合會(huì)導(dǎo)致噪聲耦合到低壓（LV）區(qū)域，例如傳感器，進(jìn)而降低了高壓/低壓（HV/LV）之間的隔離度。

為了分析電機(jī)的EMC行為，不僅需要考慮上述的寄生耦合，還需考慮不同的電機(jī)外殼、接地帶來(lái)的影響。此外，還需考慮從線圈到低壓區(qū)域的耦合路徑，以評(píng)估HV/LV的隔離衰減。

使用CST STUDIO SUITE?開(kāi)展3D電磁仿真，有助于在多種情況下計(jì)算電機(jī)的EMC特性，并研究不同設(shè)計(jì)選擇對(duì)EMC性能的影響。

圖1：電機(jī)的完整模型（左）和簡(jiǎn)化模型（右）示意圖。

Part.01仿真設(shè)置

進(jìn)行仿真分析的第一步是生成模型。通常，由結(jié)構(gòu)工程師提供的CAD數(shù)據(jù)并不適用于EMC分析，因?yàn)槠渲腥鄙匐姎庀嚓P(guān)的細(xì)節(jié)。CST STUDIO SUITE提供了廣泛的建模工具和CAD導(dǎo)入格式，可用于簡(jiǎn)化和清理導(dǎo)入的文件，確保仿真效率。此外，導(dǎo)入的CAD數(shù)據(jù)可以設(shè)置參數(shù)化變量，利用仿真研究 不同參數(shù)變化對(duì)EMC性能的影響。由于電機(jī)和發(fā)電機(jī)通常是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以利用這一特點(diǎn)來(lái)仿真模型的某些部分，從而 進(jìn)一步提高仿真性能。此次仿真使用了頻域求解器及四面體網(wǎng)格，能夠有效解析電機(jī)氣隙周圍的微小細(xì)節(jié)（圖2）。S參數(shù)端口用于計(jì)算電機(jī)的阻抗。

圖2：電機(jī)內(nèi)的寄生電容展示了電機(jī)的網(wǎng)格表征。

在CST STUDIO SUITE界面中，可以對(duì)模型的幾何尺寸及材料屬性進(jìn)行參數(shù)化，內(nèi)置的參數(shù)掃描工具會(huì)對(duì)這些參數(shù)的不 同值進(jìn)行一系列仿真。以線圈與定子之間的絕緣材料為例，可以把絕緣材料的介電常數(shù)定義為可變參數(shù)，以分析其對(duì)耦合路徑的影響。參數(shù)掃描工具，在用戶定義范圍內(nèi)模擬不同 材料的寄生電容的影響。

Part.02分析

CST STUDIO SUITE的一大優(yōu)勢(shì)在于其3D仿真工具能夠?qū)牒托薷耐獠康腃AD數(shù)據(jù)。這有助于用戶開(kāi)展一些在真實(shí)電機(jī)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的分析。例如，在實(shí)體電機(jī)中，通常無(wú)法拆解電機(jī)來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量所有寄生電容，而這些電容是導(dǎo)致接地電位共模噪聲的主要路徑。但在仿真虛擬環(huán)境中，工程師可以通過(guò)定義端口和電路中的探針來(lái)測(cè)量氣隙處的寄生電容，如圖2所示。

圖3：計(jì)算得出電機(jī)內(nèi)的電容和阻抗

圖3中給出了典型的電容與阻抗曲線。此類電容對(duì)電機(jī)的EMC特性具有重大影響。一方面，它們影響電機(jī)線圈與機(jī)殼之間的阻抗；另一方面，它們也影響電機(jī)相與轉(zhuǎn)子之間的阻抗。

HV/LV隔離衰減是衡量電機(jī)EMC性能的另一個(gè)重要參數(shù)，它用于評(píng)估高壓和低壓系統(tǒng)之間的耦合情況。OEM廠商對(duì)所有高壓組件都有HV/LV衰減指標(biāo)，不滿足這些指標(biāo)的組件可能會(huì)對(duì)低壓系統(tǒng)的信號(hào)完整性構(gòu)成威脅。HV/LV隔離衰減可以通過(guò)CST STUDIO SUITE中的后處理模板來(lái)計(jì)算（圖4），仿真結(jié)果基于模型中HV和LV部分的探針結(jié)果。

圖4：線圈（HV）與低壓傳感器（LV）間的 HV/LV衰減曲線。

Part.03參數(shù)化分析

參數(shù)掃描尤其適用于在不同領(lǐng)域相互沖突的設(shè)計(jì)需求之間找到一個(gè)平衡，還可以計(jì)算材料變化和制造過(guò)程中幾何公差的影響。例如，使用較低介電常數(shù)的絕緣材料可以減少寄生電容，從而減弱線圈與外殼之間，以及線圈與轉(zhuǎn)子之間的耦合。介電常數(shù)對(duì)阻抗的影響可以通過(guò)對(duì)不同介電常數(shù)值進(jìn)行參數(shù)掃描來(lái)計(jì)算（圖5）。

圖5：參數(shù)掃描的結(jié)果展示了隨絕緣材料的介電常數(shù)變化，阻抗曲線的相應(yīng)變化情況。

阻抗的結(jié)果展示了耦合路徑的效果（圖6）。這些阻抗取決于機(jī)殼接地與框架的連接。接地連接的阻抗越低，效果越好——這有助于通過(guò)將大部分共模噪聲傳導(dǎo)到機(jī)殼來(lái)降低耦合路徑引起的EMC風(fēng)險(xiǎn)。

圖6：參數(shù)掃描的結(jié)果展示了隨著機(jī)殼與框架接地阻抗變化，阻抗曲線的相應(yīng)變化情況。

Part.04結(jié)論

本文展示了電機(jī)EMC分析的兩個(gè)例子：線圈與定子之間絕緣材料的影響，以及電機(jī)的機(jī)殼和底盤之間的接地影響。這兩條耦合路徑分別代表：線圈和機(jī)殼之間的分布電容，以及轉(zhuǎn)軸/轉(zhuǎn)子連接到齒輪箱/底盤之間的耦合路徑。這些分析對(duì)于電機(jī)的共模噪聲路徑分析是非常重要的。此外，它們還取決于接地連接的質(zhì)量，接地連接阻抗應(yīng)盡可能低，可以降低共模噪聲帶來(lái)的影響。

另外，本文還分析了線圈與電機(jī)傳感器之間的高壓/低壓（HV/LV）衰減情況。為了滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)，需采取若干對(duì)策來(lái)滿足相應(yīng)的需求。這些措施可能包括結(jié)構(gòu)和材料的改變，或者增加額外的連接和組件，如鐵氧體等。電磁仿真是分析潛在EMC解決方案的強(qiáng)大工具。