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直流电机EMI的分析与设计

发布时间:2019-04-26 09:13阅读次数:分类:公司新闻

在我们碰到的直流电机的电磁兼容问题上,通常是具有换向气的直流电机(转子励磁调速电机等类同)在电机运行的过程中会产生一定的电磁骚扰。

由于在直流电动机或直流发电机在运行时,电枢绕组器件由某一支路进入另一支路时,电路中的电流及电动势都会改变方向,而绕组中电流方向的改变,都是由换向器和电刷所组成的机械装置来完成。不良的换向条件将使电刷产生电火花,由电火花放电引起的电磁骚扰,其频谱很宽;其强度也会随着火花放电的等级大小变化而变化。注意:直流电机在换向时换向器与电刷间产生的火花是电磁骚扰产生的最直接原因!

A.先对如下换向电机的内部简单的结构分析:直流驱动电机 &直流驱动风机

如图中:换向器与绕组碳刷接触面是电流突变的交变点。由此产生传导反射和辐射发射!

直流电机在换向过程中,电枢绕组器件中的电流在改变方向时,其中存在电抗电动势和电枢反应电动势,它们的方向和电枢电流的方向一致,始终阻碍换向元器件中的电流变化,使换向过程延迟,从而产生电磁性的火花!

如图中:直流风机的内部结构也存在换向器与绕组碳刷接触面产生电流火花点。由此产生传导反射和辐射发射!

如图中:一般电刷和换向器运行时的情况

电刷的底面做成斜面,电刷开始运行时斜面的一条边与换向器的面接触,运行一段时间后这个边成了弧形底面变成圆柱面;这个圆柱面和换向器的圆柱面磨合得非常好,电刷的火花和噪声都会很小!

B.直流电机换向器其电磁场的分布有对称性

换向器电磁火花可以分为以下几个等级

1.1级没有火花

2.1级在电刷下有一小部分地方有微弱点状火花;

3.1级在大部分电刷下有微弱火花;

4.2级在全部电刷边缘上有很大的火花,仅在短时过载或短时冲击负载时,才允许出现这级火花;

5.3级在全部电刷边缘上有很大的火花,且火星向外飞溅。仅在无变阻器起动与电机反转时才允许出现这级火花,但是应保证换向器与电刷能正常工作!

C.直流电机的骚扰源的抑制

一般来讲,电刷下的火花是换向不良的表现,火花超过一定的限度是会影响电机正常工作的,但也不必去要求没有火花,如果是只有微弱的火花,电机仍可照常工作。对正常工作的电机,它的火花等级不能达到2级。从电机的电磁骚扰抑制角度来说,当电机电刷下的火花大于或等于2级时,我们应该先从改善电机换向角度来抑制电磁骚扰!

在电机电刷下的火花小于1.5级时,我们才考虑使用骚扰抑制器来抑制电机的电磁骚扰。这才是我下面要从电路机理来设计优化电机的电磁骚扰的设计!

D.直流电机的EMI的设计

通过如上的设计机理:在紧靠电机的电源输入端采用骚扰抑制器,吸收式低通滤波器;为电机的骚扰源提供一个低阻抗通路同时在电源线上吸收和限制骚扰源通过电源线电缆对外的辐射,由此达到 EMI的设计优化目的!因此在电源输入线上串接滤波器是最直接的方法!

直流电机的噪声源(骚扰源):电机的换向电流的变化

噪声特性:内部机构-换向器-碳刷机构-电源引线-电磁场-定子-外壳(金属)-接地端!

发射路径:电机的连接线电缆,地连接线等等!

如下推荐设计的抑制原理图如下:

图中1,2为滤波器的输入端;3,4端为换向电机连接端

直流电机的典型EMI的设计优化电路结构如下:

上述为通用的直流电机的EMI设计电路,图中两线差模间的电容使用X电容,推荐参数104-474;当偏重于抑制骚扰功率时可选用104;偏重于抑制骚扰电压时可选用474;对于图中的穿芯电容器(三端电容)推荐1nF-10nF 主要是骚扰功率的抑制;有些系统考虑成本及兼容设计可以使用Y电容的设计推荐设计值471-472;电路中的稳定电阻R可调整滤波器的Q值同时还是X电容的放电电阻;跟直流电机最近的电感L3,L4 能有效抑制电机换向器的电磁火花!

注意L3,L4应尽可能接近碳刷端连接;在小容量的电机中一般设计此电感L3=L4=60uH—200uH ;L3,L4 主要起补偿延迟换向作用,提高电机换向器件的电平衡性能,抑制换向器的电磁火花;

1.在无接地线的可移动或手持式产品中,可将骚扰抑制滤波器的接地端与直流电机的金属外壳连接;

2.在一些有接地线的电机使用场合,接地线过长时高频接地效果可能变得比较差!需要注意电机的接地连接线问题;

3.如果使用穿芯电容接地外壳高频阻抗应尽可能小,芯引出线尽可能短以减小电磁耦合;

4.电路中的共模电感对EMI的作用也很明显,在使用时对于不同用途的电机其电感量与电机的容量有关其共模电感的漏感对骚扰功率都有帮助;实际应用中如果串激电机容量为500W左右时,共模电感可推荐1.8mH-5mH(1KHZ)同时其漏感Lr为其电感Lm的2%左右时有最佳的抑制效果!

E.实际的直流风机的EMI的设计优化参考设计如下;

如下的产品无法通过EMI测试

通过我的基本的理论和设计优化方法通过测试

杜佐兵 电磁兼容(EMC)线上&线下高级讲师

杜佐兵老师在电子行业从业近20年,是国家电工委员会高级注册EMC工程师,武汉大学光电工程学院、光电子半导体激光技术专家。目前专注于电子产品的电磁兼容设计、开关电源及LED背光驱动设计。


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最后修改时间:(2019-04-26 09:13)

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