有刷電機EMC問題整改案例
發布時間:2021-12-22
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一、前言

由于電磁環境越來越復雜,對產品的電磁輻射要求越來越高,越來越多的產品不得不考慮電磁兼容問題。電機作為許多產品的重要組成部分,例如掃地機,吸塵器,電子門鎖,汽車上的雨刮、空調壓縮機以及其他各種電動類產品等,電機電磁輻射問題也關乎產品的電磁輻射能否達標,常見的電機可分為有刷電機和無刷電機,本文將主要圍繞直流有刷電機的噪聲來源進行分析并提出相應的解決對策,最后進行實際案例分享。


二、有機電刷介紹

有刷電機的原理:

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

S和N為永磁體,此時線圈在磁場中受力的作用沿順時針方向轉動,由于換向器的存在,在線圈轉動180°后線圈的電流依舊是左邊流入右邊流出,線圈保持沿順時針方向轉動。當線圈和換向器變為兩組,三組甚至更多之后,就是我們常見的有刷電機。所以,有刷電機的常見結構主要為:永磁體(定子)+線圈繞組(轉子)+換向器+碳刷,如下圖所示:

電流流向為:電源正極--碳刷--線圈繞組--碳刷--電源負極。


三、電機輻射分析

電機在工作過程中,換向器不停地轉動,在這個過程中換向片與碳刷之間會不停地快速地摩擦,進而產生拉電弧現象,電弧產生高頻噪聲,高頻噪聲通過電機引線和電機縫隙向外輻射。

一般電機都有金屬外殼,可以對電機內部通過空間輻射的噪聲進行屏蔽和吸收,但是還有通過電機引線輻射出來的噪聲,需要考慮對電機引線進行處理,例如在電機的結構中增加一塊濾波小板,通過濾波小板將電機引線與外部引線隔離,減少電機輻射。

目前在很多電機上都可以看到已經有做了一些濾波處理,之前改過的一款客戶電機,其內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,輻射測試超標嚴重,無法通過測試,這種濾波方式只考慮了差模噪聲干擾,而忽視了電機引線存在的共模噪聲干擾。

對于電機輻射干擾,一般需要同時考慮共模噪聲和差模噪聲,以下是電機共模和差模輻射模型簡圖:

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,由圖可知,共模噪聲的回路面積遠大于差模噪聲回路。綜上,電機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。


四、對策

常見濾波電路:

方案一:共模電感+電感+電容

優點:共模電感可以針對共模噪聲有效濾波,電容針對差模噪聲,跟直流電機最近的電感L1和L2能有效抑制電機換向器的電磁火花;

缺點: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器件是一個多功能集成器件,具有良好的EMI濾波效果。

優點:可以同時濾除共模噪聲和差模噪聲,由于BDL的特點,濾波性能優于電容以及共模電感,濾波頻段可以達到GHz,且具有較高的耐壓值。

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


五、實例

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

整改前數據

垂直方向:

水平方向:


整改后數據

水平方向:

垂直方向:

六、總結

有刷電機EMC問題與電機轉速、碳刷的拉弧程度以及電機的結構等都有關系,不存在固定的解決方案,需要根據不同的電機特性進行方案調整,韜略科技在電機EMC整改方面已經積累了豐富的經驗,期待能為您服務。


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