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前言

 

由于電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)品的電磁輻射要求越來(lái)越高，越來(lái)越多的產(chǎn)品不得不考慮電磁兼容問(wèn)題。電機(jī)作為許多產(chǎn)品的重要組成部分，例如掃地機(jī)，吸塵器，電子門鎖，汽車上的雨刮、空調(diào)壓縮機(jī)以及其他各種電動(dòng)類產(chǎn)品等，電機(jī)電磁輻射問(wèn)題也關(guān)乎產(chǎn)品的電磁輻射能否達(dá)標(biāo)，常見(jiàn)的電機(jī)可分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)，本文將主要圍繞直流有刷電機(jī)的噪聲來(lái)源進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的解決對(duì)策，最后進(jìn)行實(shí)際案例分享。

 

二有機(jī)電刷介紹

 

有刷電機(jī)的原理：

 

根據(jù)左手定則，伸開(kāi)左手，讓磁感線穿入手心（手心對(duì)準(zhǔn)N極，手背對(duì)準(zhǔn)S極），四指指向電流方向，那么大拇指的方向就是導(dǎo)體受力方向。如下圖：

 

 

S和N為永磁體，此時(shí)線圈在磁場(chǎng)中受力的作用沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器的存在，在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)180°后線圈的電流依舊是左邊流入右邊流出，線圈保持沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)線圈和換向器變?yōu)閮山M，三組甚至更多之后，就是我們常見(jiàn)的有刷電機(jī)。所以，有刷電機(jī)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)主要為：永磁體（定子）+線圈繞組（轉(zhuǎn)子）+換向器+碳刷，如下圖所示：

 

 

電流流向?yàn)椋弘娫凑龢O--碳刷--線圈繞組--碳刷--電源負(fù)極。

 

三電機(jī)輻射分析

 

電機(jī)在工作過(guò)程中，換向器不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中換向片與碳刷之間會(huì)不停地快速地摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生拉電弧現(xiàn)象，電弧產(chǎn)生高頻噪聲，高頻噪聲通過(guò)電機(jī)引線和電機(jī)縫隙向外輻射。

一般電機(jī)都有金屬外殼，可以對(duì)電機(jī)內(nèi)部通過(guò)空間輻射的噪聲進(jìn)行屏蔽和吸收，但是還有通過(guò)電機(jī)引線輻射出來(lái)的噪聲，需要考慮對(duì)電機(jī)引線進(jìn)行處理，例如在電機(jī)的結(jié)構(gòu)中增加一塊濾波小板，通過(guò)濾波小板將電機(jī)引線與外部引線隔離，減少電機(jī)輻射。

目前在很多電機(jī)上都可以看到已經(jīng)有做了一些濾波處理，之前改過(guò)的一款客戶電機(jī)，其內(nèi)部的小板及其等效電路如下：

 

 

采用上圖這種電感+電容的濾波方式，輻射測(cè)試超標(biāo)嚴(yán)重，無(wú)法通過(guò)測(cè)試，這種濾波方式只考慮了差模噪聲干擾，而忽視了電機(jī)引線存在的共模噪聲干擾。

對(duì)于電機(jī)輻射干擾，一般需要同時(shí)考慮共模噪聲和差模噪聲，以下是電機(jī)共模和差模輻射模型簡(jiǎn)圖：

 

 

在圖中，回路1和回路2為共模噪聲回路，其中C1，C2，C3為電路中的寄生電容，回路3為差模噪聲回路。一般而言，回路面積越大，輻射越強(qiáng)，由圖可知，共模噪聲的回路面積遠(yuǎn)大于差模噪聲回路。綜上，電機(jī)輻射包含共模噪聲和差模噪聲，其中共模噪聲輻射能量更強(qiáng)。

 

四對(duì)策

 

常見(jiàn)濾波電路：

 

方案一：共模電感+電感+電容

 

 

優(yōu)點(diǎn)：共模電感可以針對(duì)共模噪聲有效濾波，電容針對(duì)差模噪聲，跟直流電機(jī)最近的電感L1和L2能有效抑制電機(jī)換向器的電磁火花；

 

缺點(diǎn)：共模濾波器和電感需要考慮器件的電流大小，而且封裝一般都比較大，需要考慮空間成本。

 

方案二：BDL+磁珠

 

BDL：BDL器件是一個(gè)多功能集成器件，具有良好的EMI濾波效果。

 

 

優(yōu)點(diǎn)：可以同時(shí)濾除共模噪聲和差模噪聲，由于BDL的特點(diǎn)，濾波性能優(yōu)于電容以及共模電感，濾波頻段可以達(dá)到GHz，且具有較高的耐壓值。

 

缺點(diǎn)：上圖中的PE一般為電機(jī)金屬外殼，濾波小板上除了電機(jī)引線外，需要有額外的地并與金屬外殼連接，而且這兩者的導(dǎo)通性的優(yōu)劣對(duì)濾波效果有較大影響。

 

五實(shí)例

 

以下是幫客戶整改的一款用于氣泵的電機(jī)，應(yīng)用的方案是：BDL+磁珠+電容，加電容的主要目的是為了讓數(shù)據(jù)整體的余量更多。

 

 

整改前數(shù)據(jù)

 

垂直方向：

 

 

水平方向：

 

 

整改后數(shù)據(jù)

 

水平方向：

 

 

垂直方向：

 

 

六總結(jié)

 

有刷電機(jī)EMC問(wèn)題與電機(jī)轉(zhuǎn)速、碳刷的拉弧程度以及電機(jī)的結(jié)構(gòu)等都有關(guān)系，不存在固定的解決方案，需要根據(jù)不同的電機(jī)特性進(jìn)行方案調(diào)整。