捕电磁,拟电流,塑电机｜如何让电机的EMC仿真分析“大放异彩”？

一个典型的电机或发电机包含了多个设计元素，都可能引发电磁兼容性（EMC）问题。

除了电机本身的主要电感外，还存在电机线圈与机壳、线圈与转轴、以及不同传感器之间的寄生电容。这些寄生电容会导致共模耦合和容性耦合问题。本文展示了如何通过3D电磁场仿真的方法来提取电机的EMC特性。

电机的共模噪声对地（底盘）之间存在两条耦合途径：一条是通过线圈和机壳之间的分布电容，另一条则是通过转轴/转子连接到齿轮箱/底盘之间的耦合路径。这两条耦合路径均依赖于设备与接地电位的连接情况。共模电流的产生受到多个参数的影响，包括：

• 结构件的搭接阻抗（Z）

• 接地阻抗（Z）

• 电机的几何设计（线圈和机壳的距离、间隙等）

• 导电材料和非导电材料的材料属性（εr）

• 电机制造变量影响（公差和杂散参数等）

电机内部的容性耦合会导致噪声耦合到低压（LV）区域，例如传感器，进而降低了高压/低压（HV/LV）之间的隔离度。

为了分析电机的EMC行为，不仅需要考虑上述的寄生耦合，还需考虑不同的电机外壳、接地带来的影响。此外，还需考虑从线圈到低压区域的耦合路径，以评估HV/LV的隔离衰减。

使用CST STUDIO SUITE®开展3D电磁仿真，有助于在多种情况下计算电机的EMC特性，并研究不同设计选择对EMC性能的影响。

图1：电机的完整模型（左）和简化模型（右）示意图。

Part.01仿真设置

进行仿真分析的第一步是生成模型。通常，由结构工程师提供的CAD数据并不适用于EMC分析，因为其中缺少电气相关的细节。CST STUDIO SUITE提供了广泛的建模工具和CAD导入格式，可用于简化和清理导入的文件，确保仿真效率。此外，导入的CAD数据可以设置参数化变量，利用仿真研究 不同参数变化对EMC性能的影响。由于电机和发电机通常是对称结构，可以利用这一特点来仿真模型的某些部分，从而 进一步提高仿真性能。此次仿真使用了频域求解器及四面体网格，能够有效解析电机气隙周围的微小细节（图2）。S参数端口用于计算电机的阻抗。

图2：电机内的寄生电容展示了电机的网格表征。

在CST STUDIO SUITE界面中，可以对模型的几何尺寸及材料属性进行参数化，内置的参数扫描工具会对这些参数的不 同值进行一系列仿真。以线圈与定子之间的绝缘材料为例，可以把绝缘材料的介电常数定义为可变参数，以分析其对耦合路径的影响。参数扫描工具，在用户定义范围内模拟不同 材料的寄生电容的影响。

Part.02分析

CST STUDIO SUITE的一大优势在于其3D仿真工具能够导入和修改外部的CAD数据。这有助于用户开展一些在真实电机中无法实现的分析。例如，在实体电机中，通常无法拆解电机来准确测量所有寄生电容，而这些电容是导致接地电位共模噪声的主要路径。但在仿真虚拟环境中，工程师可以通过定义端口和电路中的探针来测量气隙处的寄生电容，如图2所示。

图3：计算得出电机内的电容和阻抗

图3中给出了典型的电容与阻抗曲线。此类电容对电机的EMC特性具有重大影响。一方面，它们影响电机线圈与机壳之间的阻抗；另一方面，它们也影响电机相与转子之间的阻抗。

HV/LV隔离衰减是衡量电机EMC性能的另一个重要参数，它用于评估高压和低压系统之间的耦合情况。OEM厂商对所有高压组件都有HV/LV衰减指标，不满足这些指标的组件可能会对低压系统的信号完整性构成威胁。HV/LV隔离衰减可以通过CST STUDIO SUITE中的后处理模板来计算（图4），仿真结果基于模型中HV和LV部分的探针结果。

图4：线圈（HV）与低压传感器（LV）间的 HV/LV衰减曲线。

Part.03参数化分析

参数扫描尤其适用于在不同领域相互冲突的设计需求之间找到一个平衡，还可以计算材料变化和制造过程中几何公差的影响。例如，使用较低介电常数的绝缘材料可以减少寄生电容，从而减弱线圈与外壳之间，以及线圈与转子之间的耦合。介电常数对阻抗的影响可以通过对不同介电常数值进行参数扫描来计算（图5）。

图5：参数扫描的结果展示了随绝缘材料的介电常数变化，阻抗曲线的相应变化情况。

阻抗的结果展示了耦合路径的效果（图6）。这些阻抗取决于机壳接地与框架的连接。接地连接的阻抗越低，效果越好——这有助于通过将大部分共模噪声传导到机壳来降低耦合路径引起的EMC风险。

图6：参数扫描的结果展示了随着机壳与框架接地阻抗变化，阻抗曲线的相应变化情况。

Part.04结论

本文展示了电机EMC分析的两个例子：线圈与定子之间绝缘材料的影响，以及电机的机壳和底盘之间的接地影响。这两条耦合路径分别代表：线圈和机壳之间的分布电容，以及转轴/转子连接到齿轮箱/底盘之间的耦合路径。这些分析对于电机的共模噪声路径分析是非常重要的。此外，它们还取决于接地连接的质量，接地连接阻抗应尽可能低，可以降低共模噪声带来的影响。

另外，本文还分析了线圈与电机传感器之间的高压/低压（HV/LV）衰减情况。为了满足EMC标准，需采取若干对策来满足相应的需求。这些措施可能包括结构和材料的改变，或者增加额外的连接和组件，如铁氧体等。电磁仿真是分析潜在EMC解决方案的强大工具。