Neuartige EMV-Schirmung auf Basis eines Multilayer-CFK-Materials

Die ständige Zunahme von Frequenzen und Bandbreiten der Störsender macht es vor allem in sensiblen technischen Bereichen erforderlich, neue und effektivere Schirmungen zu entwickeln.

Bei den Schirmeffekten durch Reflektion, bei welchen der elektrischen Leitfähigkeit eine herausragende Rolle zukommt, spielt die Absorption elektromagnetischer Wellen eine untergeordnete Rolle. Die multiple Reflektionsdämpfung wirkt unter bestimmten Bedingungen ebenso.

Diese Schirmeffekte haben jedoch bei rein metallischen Schirmen auch große Nachteile, es sinkt mit steigender Frequenz die Schirmdämpfung und es gibt die Schirmdämpfungsresonanzeinbrüche.

EMV von EVs und Hybridfahrzeugen

Im ersten Drittel dieses Beitrags geht all-electronics.de zunächst auf die Richtlinien rund um dieEMV(-Prüfung) ein, bevor es dann um die konkrete Umsetzung der EMV-Richtlinien geht.

In vielen Anwendungsbereichen, Kfz-Technik, E-Mobilität, PC-Technik, Gbit-Switch-Technik, Bahnelektronik, Funkanwendungen WLAN, Multimediageräte, Medizintechnik, Industrie PC, 5G / 6G Kommunikation und Luftfahrt, spielen diese Nachteile der heutigen ausschließlich leitfähigen Schirmaufbauten eine große Rolle.

Nachteile heutiger Metallschirme

Am Beispiel eines metallischen Steckers werden die Nachteile der heutigen Metallschirme und die Lösungsmöglichkeit der Schirmprobleme dargestellt.

In Bild 2 ist die Schirmdämpfung eines Metallsteckers zu sehen. Die Messung wurde im Absorberraum der IMG realisiert.

Eindeutig sind die Resonanzen in der blauen Kurve bei 1300 MHz, 1480 MHz, 1570 MHz u.v.m. in der Bild 2 zu sehen.

Bei diesen realen „Resonanzkatastrophen“ bricht die Schirmdämpfung von 43 dB bei 1050 MHz auf 22 dB bei 1300 MHz ein. Viele metallische Schirmungen von kommerziell erhältlichen Produkten besitzen diesen Nachteil der sinkenden Schirmdämpfung und der Resonanzminima, wobei Hohlraumresonanzen hierfür verantwortlich sind.

Bisher werden hauptsächlich metallische Schirme verwendet. Im Leichtbaubereich finden häufig Carbonfasern als leitfähige Füllstoffe Verwendung und werden bereits zur EMV-Schirmung eingesetzt. Um die erläuterten Probleme zu vermeiden, ist ein neuartiger Ansatz zum Materialdesign notwendig, bei dem die leitfähigen Schichten mit magnetischen Schichten kombiniert werden. Diese Herangehensweise geht aus den theoretischen Überlegungen in Tabelle 1 hervor, bei der ein Zylindergehäuse mit einem magnetischen Absorbermaterial betrachtet wird. Somit lassen sich die Nachteile der Schirmdämpfungseinbrüche durch die Nutzung eines neuartigen CFK-Multilayermaterials mit Absorberwirkung nach Gleichung 3 minimieren.

Durch Einarbeitung geeigneter Füllstoffe in die Kunststoffmatrix sollte es gelingen, die Raumresonanzen zu glätten und somit die Dämpfungseinbrüche entscheidend zu minimieren. Dadurch ist dem Anwender ein neuartiges Material der Schirmung zur Verfügung gestellt, dass die Nachteile der vorhandenen EMV-Kunststoffe minimiert und die Gesamtanordnung EMV-CE-kompatibel gestaltet, auch bei höheren Frequenzen.

Wie ist die CFK-Multilayerabsorberschirmung aufgebaut?

Um leitfähige Carbonfaserschichten herzustellen, wurden CF/Polypropylen-Hybridvliese mit 45 Prozent CF-Gehalt zu Plattenhalbzeugen verpresst. Magnetische Füllstoffe wurden mit dem gleichen Füllgrad in eine Polypropylenmatrix compoundiert und das erhaltene Granulat ebenfalls zu Plattenhalbzeugen verpresst. Durch Kombination dieser leitfähigen und magnetischen Schichten wurden Multilayerhalbzeuge erhalten, die anschließend zu Gehäusen umgeformt werden konnten (Bild 3). Anwendungen im E-Mobilitätsbereich waren hierbei im Fokus. 

Ergebnisse der Schirmdämpfung

Die in Bild 4 dargestellten Messergebnisse stellen eindrucksvoll das Potential des neuen Materialsysteme dar.

Die „EMV-Schirmdämpfungskatastrophen“ nach Schwab/Kürner, oder Schirmdämpfungsresonanzen, in denen die Schirmung extrem stark abnimmt, sind dem Referenzmaterial aus reinen CFK-Schichten (graue Kurve) bei den Frequenzen 620 MHz, 680 MHz, 720 MHz, 790 MHz, und 830 MHz zu finden. Das Multilayermaterial (orange Kurve, innen Absorberschicht/ außen leitfähige CFK-Schicht) dämpft diese schädlichen Schirmeinbrüche signifikant und erhöht die Gesamtschirmdämpfung.

In einem breiten Frequenzbereich können teilweise breitbandig sehr gute Verbesserungen der Schirmdämpfung um + 10 bis +15 dB mit dieser neuen Schirmphilosophie erreicht werden. Durch die im Inneren angeordneten Absorberlayer erhöht sich die Schirmdämpfung stark und eine hohe Minimierung der Resonanzeinbrüche findet statt. Nachteilig sind ein notwendiger Materialmehreinsatz und eine gewisse geringe Erhöhung des Gewichtes der Schirmanordnungen.

Mit der Gleichung 3 als theoretisches Fundament und dem Nachweis der Messkurven (Bild 2) konnte die These bewiesen werden, dass der Einsatz von neuartigen CFK-Multilayern einen sehr positiven Effekt auf die Schirmung bewirkt.

Dadurch können EMV-Störungen, welche sich vom kHz – MHz Bereich und vom MHz- bis GHZ-Bereich ausbreiten, minimiert werden.

So lässt sich die Schirmung für eine gute EMV sicherstellen

Elektromagnetische Störungen am Entstehungsort zu reduzieren, ist die beste Methode – jedoch nicht immer möglich. Faktoren wie das Gehäuse, die richtige Auswahl des Steckverbinders und des Peripheriekabels stellen eine EMV-Tauglichkeit sicher.

Weiterhin wird mittels einer Messung der Schirmdämpfung von 550 MHz bis 900 MHz am neuen Multilayer-CFK-Aufbau nach VG-Norm 95373/T15 der Nachweis der neuen EMV-Schirmkonzepte weiter validiert.

Messergebnis bei E-Mobilitätsanwendungen

Laut Veröffentlichung der deutschen Strahlenschutzkommission wird das induktive Laden in einem Frequenzbereich von rund 20 bis 200 kHz definiert. Bei den Automotiveeinsatz werden Feldleistungsübertragungen bei Bussen von 200 kW realisiert. Aber außer den induktiven Ladefrequenzen sind auf den Stromleitungen in den Leitungsnetzen des E-Fahrzeuges viele Störfrequenzen und Funkstörungen vorhanden. Somit sind CFK-Multilayermaterialien einerseits für die Abschirmung im kHz Bereich notwendig, aber andererseits auch im Frequenzbereich von MHz – 1 GHz. Im Folgenden soll der praktische Messaufbau der Versuchsanordnungen erläutert werden.

Schirmung einer E-Mobilitätsnachbildung im Frequenzbereich 9 kHz – 30 MHz:

Der Messaufbau einer E-Fahrzeugnachbildung mit einer elektromotorischen Prüfstandslösung wurde in der IMG mit und ohne CFK-Multilayer getestet.

E-Mobilitäts-Know-how trifft auf SiC-Wechselrichter

Siliziumkarbid-Wechselrichter ermöglichen kompakte, effiziente Antriebssysteme für die E-Mobilität. Sie senken den Kühlbedarf, steigern die Reichweite und verkürzen Entwicklungszeiten – ideal für flexible, modulare Fahrzeugarchitekturen.

Mike Sandyck

Es wurde mittels magnetischer Rahmenantennen und mit EMV-Messempfängern die magnetische Funkstörfeldstärke mit und ohne Schirmung an der E-Mobilitätsnachbildung ausgemessen. Die Frage sollte beantwortet werden, inwiefern ein CFK-Multilayerschirm bessere Ergebnisse liefert, als ein Schirm aus reinen CFK-Materialien.

In Bild 5 wurde die magnetische Schirmwirkung eines CFK-Multilayerwürfelgehäuses im Absorberraum nach VG-Norm ausgemessen. Die bessere Wirksamkeit der Multilayermaterialien gegenüber dem Monolayermaterial in der magnetischen Schirmwirkung ist eindeutig zu erkennen.

In Bild 1 ist die E-Mobilitätsnachbildung abgebildet.

In den Messkurven in Bild 6 ist die Störfeldverteilung vor und nach dem Einsatz der Teilschirmungen zu sehen. Es ist eindeutig die positive Schirmwirkung von rund 15 dB zu erkennen. Somit ist diese Geometrie, neben der eigentlichen Schirmwirkung, auch ein Beitrag zur EMVU in der Elektromobilität.

Ohne Multilayerschirm sind eindeutige Störfeldstärken bei 0,4 MHz mit 62 dB µA / m und bei anderen Frequenzen zu sehen. Mit Schirm sind die Amplituden der Störer stark gedämpft, dies im Vergleich zwischen blauer und grauer Kurve zu sehen. Beim Einsatz der Multilayerschirmmaterialien gegenüber der Störfeldstärke ohne Schirm ist eine Dämpfung von 10 – 15 dB erkennbar. Beim Einsatz des CFK-Monolayermaterials nur rund 8 dB. Somit wirkt der CFK-Multilayerschirmaufbau besser als der CFK-Monolayerschirmaufbau.

Fazit

Mit dem neuen CFK-Multilayerabsorberschirmaufbau von EMV-Störquellen besitzen diese Teilschirm- und Schirmaufbauten den Vorteil größerer Schirmdämpfungen in einem Frequenzbereich > 100 kHz bis 1000 MHz und den Vorteil der Minimierung der Schirmresonanzen. „Schirm-dämpfungskatastrophen“ (Einbruch der Schirmdämpfung auf Grund der Geometrieresonanzen leitfähiger technischer Anordnungen wie Gehäuse) werden somit weitgehend vermieden. Der Nachteil der größeren Anzahl an Materialarten und der gewissen Gewichtserhöhung wird gerechtfertigt durch die sehr guten elektromagnetischen Schirmeigenschaften.

Ein eindeutiger Vorteil der Anwendung eines neuartigen CFK-Multilayergehäuseaufbaus ist die Dämpfung der Schirmdämpfungsresonanzen (Einbrüche) um 15 dB (Bild 4) und die Erhöhung der Gesamtschirmdämpfung. Dies ist mit Metallschirmen schwer möglich.

Mit den CFK Multilayern war ebenso eine Dämpfung der magnetischen Funkstörfeldstärke von rund 15 dB gegenüber der Dämpfung der magnetischen Funkstörfeldstärke von rund 8 dB, in der E-Mobilitätsnachbildung (elektromotorischer Prüfstand) möglich.

Das neue Schirmdämpfungsverfahren und das neue Zusatzprodukt (CFK-Multilayer) werden in Zukunft bei noch höheren Frequenzen > 1000 MHz die Schirmcharakteristik von realen E-Mobilitätsaufbauten noch weiter verbessert. Gerade in den Höchstfrequenzbereichen wie WLAN, 5G, 6G werden die Probleme der Schirmdämpfungsresonanzen noch weiter zunehmen Auch bei den heute meist wirksamen Frequenzen im Bereich von 100 MHz – 1000 MHz wirken die neuen Schirmkonzepte herausragend. Diese Schirmdämpfungsabsenkung ist mit dem neuen CFK-Multilayersystem größtenteils verhinderbar. Es können Teilschirmungen in der Elektromobilität in der Nähe der Sendespulen / Empfangsspulen, im E-Fahrzeug innerhalb der Sensor- oder Elektronikaufbauten, bei Teilauskleidungen der Gehäuse hilfreich sein, ebenso wie die Auskleidung von Kabeln, Steckverbindern und Steckern, bzw. Leitungen.

Der beschriebene praktische Aufbau der neuartigen CFK-Multilayersysteme kann die EMV-Sicherheit außerhalb und innerhalb des E-Mobils erhöhen. Dies stellt dem Anwender eine stark erhöhte Schirmdämpfungsstufe zur Verfügung.

Vorteile von neuartigen CFK-Multilayerabsorberschirmungmaterialaufbauten sind:

• Hohe Aufbaufreiheit
• Minimierung von Schirmdämpfungseinbrüchen
• Einfache Bearbeitung
• Eindeutige Schirmeigenschaften unabhängig von Schwankungen

Ausblick

Somit wurde eine intelligente Schirmung der Zukunft für die E-Mobilität geschaffen. Ein erweitertes Potential besitzt das neue Schirmmaterial, neben den dargestellten Frequenzbereichen von 100 kHz – 30 MHz und 500 MHz - 1000 MHz, auch für die neuen Anwendungsbereiche der KI, VR, AR, der Radarsteuerung der Sensorik in der Industrie, Industriefunk, in den Frequenzbereichen 5 – 8 GHz, 26 GHz und in höheren Frequenzbereichen der 5G/6G Kommunikation. Hier wird der Aufbau der Materialien aber anders zu realisieren sein.