关于改善直流电机EMC方案

..一.单相串激电机的换向种类分为:直线换向<电阻换向>.延时换向.超前换向,由于有电抗电势的存在和影响,直线换向根本不存在,因此单相串激电机的换向只有两种,不是延时换向,就是超前换向;1.当电抗电势所形成的环流大于换向电势所形成的环流时,直线换向就变成延时换向,此时后刷边的电流密度大于前刷边的电流密度,造成后刷边的火花较大;2.当电抗电势所形成的环流小于换向电势所形成的环流时,直线换向就变成超前换向,此时前刷边的电流密度大于后刷边的电流密度,造成前刷边的火花较大;二.单相串激电机的换向好坏直接影响EMC的测试,要想改善EMC就必须改善电机的换向,改善电机的换向有以下措施:1.选用与换向器接触电阻较大的碳刷,而增加碳刷与换向器的接触电阻最有效的办法是选用硬质碳刷,碳刷越硬,接触电阻越大,接触压降也越大,相对的削弱了电感的影响,使换向过程近似于直线换向,有利于消除火花.碳刷根据接触电阻大小分为:碳石墨碳刷.石墨碳刷.电化石墨碳刷和铜石墨碳刷.需要注意的是,每种电机都有适合其性能的碳刷,有的电机可能这种碳刷火花大,而换上另一种碳刷可能就满足换向要求,因此,一个电机尽量多试几种碳刷,以找到最适合该电机的碳刷.2.控制碳刷弹簧压力在250～500g/cm²之间;3.控制碳刷电流密度≤12A/cm²4.控制换向器片间电压＜25V;5.控制碳刷在刷握里的单边尺寸在之间;6.控制换向器与刷握的端面间距在1.5±0.5MM之间;7.控制换向器的表面粗糙度Ra<0.48.减少电抗电势E=2×I×L/T,其中I为电枢电流,L为线圈电感,T为换向周期,要减少电抗电势,可采用减少换向线圈的匝数,即减少转子的线圈数;采用较短的铁芯长度等;9.利用换向电势或速度电势来抵消电抗电势;10.逆转子旋转方向移动碳刷10度-26度;11.在绕线时,将接线顺着转子的旋转方向偏前1-2片;12.在绕线时,采用短距绕组,而不能采用全距绕组;13.加强定子磁场以相对削弱转子磁场的办法,即加大定子的激磁安匝数;14.定子采用不均匀气隙,其益处:可降低由于电枢反应所引起的气隙磁场的畸变程度,使换向器的片间电压最大值减小,从而可减少换向火花<见下图>15.限制变压器电势E=4.44×f×W2×￠,其中f为电源的频率,W2为转子的每元件匝数,W2=N/2K,N为转子的总导体数,K为换向片数,￠为定子单边磁通量,要减少变压器电势可采用增加换向器片数的办法,或者减少转子的每元件匝数,一般将变压器电势控制在≤7V.三.改善EMC的措施一台高速运转的带换向器的串激电机就相当于一台无线电发射装置,由于换向时产生火花和电弧,它将产生低频和高频的无线电干涉影响电视广播和无线电通讯,因此需要对其产生的干扰进行抑制;1.电磁干扰形成的原因A.电机换向时导致参与换向的电枢线圈短路,回路流过短时大电流,当换向片与碳刷断开位置时,碳刷与换向片之间产生换向火花,使换向区域附近的空气介质电离,在空气中形成带电粒子,从而形成电磁干扰,这种火花电离产生的干扰频谱较宽且连续分布,对广播电视产品.通讯类产品及其他电子类产品有较大的干扰作用;B.由于可控硅.整流二极管.开关等在导通和截止的工作特性和导通的稳定性较差,也会产生高频次谐波干扰分量;C.由于电机的定子铁芯和转子的开槽设计和线圈上磁路设计比较饱和,也会产生较大的高频次谐波干扰分量引起电磁干扰.2.EMC:ElectroMagneticCompatibility<电磁兼容性>:根据电磁兼容指令89/336/EEC,其定义为:装置.设备单元或系统在电磁环境中能够正常工作<抗扰度>,并且不对该环境中的任何装置.设备构成不能承受的干扰<发射>能力.3.串激电机运转产生的低频波段在0.15MHz-30MHz,该波段的频率一般通过传导干扰由电源线反馈回电网;4.串激电机运转产生的高频波段在30MHz-300MHz,该波段的频率通过辐射干扰以电磁波的形式辐射到空间,通过电视广播和无线电通讯的天线接收而影响接收器的正常工作;5.电磁干扰的途径见下图.6.GB4343.1-2003对频率在0.15MHz-30MHz连续干扰电压的允许值和频率在30MHz-300MHz的干扰功率值有严格的规定,这里不详述,有兴趣的同事可查此标准.7.下面从结构设计和制造工艺方面就降低无线电干扰采取的一些措施:A.重视对电机换向的改善,只要电机的换向改善了,电机对无线电干扰的程度就会得到很大的改善,改善换向的方法如前面所述;B.重视刷握在机壳中的定位方法,刷握固定的形式必须牢固可靠,以防止由于刷握的微量跳动而使高频分量过大,造成干扰功率的过大;C.内部连接线与导电部位的联接要可靠,并稳妥地安置在合适位置,比如稳妥地安放在卡线槽内,接触点不牢固将会对30MHz以上的高频分量带来较大的干扰电平;D.碳刷与换向器的材质要相宜,尤其是硬度搭配要合适,不能一个软一个硬,要防止换向器表面的过早磨损而出现表面不平,引起干扰电平的增大;6.安装附加抑制器,为改善高频时滤波器的抑制效果,提高对高频干扰功率的抑制能力,可以采用附加抑制器,常见的形式有:A.在碳刷两端并接一只电容器;B.在碳刷和定子绕组间串接电感;C.A和B的组合;D.在手柄电源线中串接两只电感;E.采用三角形电容.F.采用三角形电容和电感的配合使用.采用附加抑制器主要就是利用电感和电容的"通高频阻低频"或"通低频阻高频"的特点,减弱因电动工具高速旋转所产生的低频干扰和高频辐射,从而减少对电视广播和无线电通讯的干扰.随着科学技术的发展,电视广播和无线电通讯的频率范围已从甚高频<VHF>300MHz以下发展到超高频<UHF>,频率范围300MHz-3000MHz,因此有的国家特别是欧洲国家已要求抑制干扰的频率扩大到10KHz-1000MHz,这给电动工具的EMC测试提出了新的要求.同时,高速运转的串激电机不仅对电视广播和无线电通讯带来干扰,同时对附近工作的微型化和电子化的电子仪器也产生干扰,影响其准确度和精确度.电磁兼容性反映了电子设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境的任何设备产生无法忍受的电磁干扰能力,它包含两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值即EMI<ElectromagneticInterference>;另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性EMS<ElectromagneticSusceptibility>,商用电气产品为取得某一市场的销售资格,其EMI水平必须通过强制性认证,即达到某一标准,如国际无线电干扰特别委员会的IECCISPRI4-1,欧洲的EN55014-1,或中国的GB4343.1等等。各类标准事实上是等效的川。1EMI产生的根源对于由小型永磁直流电机驱动的各类产品,通常只有EMI的问题。EMI可分为传导干扰和辐射干扰:传导干扰是指干扰能量沿着电缆以干扰电压的形式传播;辐射干扰是指干扰能量以电磁波的形式通过空间将其信号藕合<干扰>到另一个电网络。为限制永磁电机的EMI,必须搞清干扰源才能有效对电磁干扰加以抑制。在由永磁直流电机驱动的各种工业产品中,EMI的来源主要包括:L1电机的火花火花使换向区域附近的空气介质电离,在空气中形成带电粒子,形成电磁干扰;L2非线性器件可控硅、整流二极管以及晶体管开关的导通和截止的工作特性会产生高频谐波干扰;1.3电机的磁路过于饱和的磁路也会产生较大的电磁干扰。在产品中加装滤波器以及采用各种屏蔽手段可以有效地抑制EMI,但从根源上消除干扰源的干扰同样重要。在上述各干扰源中,直流电机在换向过程中产生的火花,由于其成因复杂,在实际应用中常常难以控制。表面上,电机生产过程中的各种不良工艺都会加剧运行中的火花,必须加以控制,如换向器表面的精车水平包括圆度、跳动、光洁度,转子的动平XX平,此外,弹簧的压力以及碳刷的材质都会对火花的大小产生极大的影响。理论上,火花产生的根源是换向中产生的各种电动势,包括电抗电势及变压器电势,换向片上的片间电压以及转子上的电枢反应等。这其中,电抗电势是最主要的。换向时,电枢电流在极短的时间内变换方向,线圈电流的换向过程由图1简示。2抑制电抗电势的方法由上述分析可知,抑制永磁直流电机EMI的根本在于有效地削弱换向过程产生的电抗电势。当然,前提是必须保证电机生产工艺及电机在产品中装配的稳定性。这里仅限从理论上探究抑制电抗电势的方法。根据<1>,削弱电抗电势的手段包括调整定转子线圈匝数比或依靠增加换向片数来减少每线圈匝数以减小电感,或适当加大碳刷宽度以增加换向周期,另外,增大碳刷的电阻率亦可减小电抗电势对换向的阻碍。但是,在工程实际中,上述条件只能非常有限的被满足。比如,匝数比太大会造成磁路过度饱和,反而会恶化EM1;同时过高的定子槽满率不仅会降低电机的过载能力,也会影响生产效率;又如,受限于生产工艺水平,换向片数也无法太大。至于碳刷电阻率,受发热限制,亦无法无限度提高。所以,设法在换向过程中产生一个与电抗电势反向的电动势将其抵消将是抑制火花和EMI的最有效的方法。众所周知,直流电机在磁极间加装换向极可以产生与电抗电势相反的电势,但小型直流电机受空间所限,不便加装换向极,所以,绝大多数设计都采用逆电机转向偏移碳刷位置的方法来达到与加装换向极相同的效果[zJ。与偏移碳刷位置效果相同、精度更高、被现代生产实践应用更广泛的手段是,在转子绕线的过程中直接产生磁场借偏。虽然国际国内各大电机制造公司及研究机构对电机的转子借偏角的定义不尽相同,但事实上却有同样的理论基础,这里不加赘述。图3及图4分别表示了转子在借偏前后的电流分布:借偏有其特定的方向性,即对于已经制造完毕的有借偏的转子,其借偏的作用只对电机在某单方向有效,换言之,若转向相反,则该借偏会恶化换向及EMI。其原理在于借偏角的方向必须与电机的转向一致,才可保证换向过程由借偏产生的电动势与电抗电动势向反。借偏角度亦不可过大。由于借偏相当于减小了转子的有效匝数,过大的借偏角度需要更多的线圈匝数来弥补,过多的用铜<铝>势必增加损耗,降低效率;同时,过大的借偏有时反而不利于电抗电动势的抵消。在工程实际中,必须在火花抑制和电机性能中寻找最佳的平衡点,不可偏废。必须指出,电机同其它工业产品一样,其最终的性能绝不仅仅决定于电磁设计和机械结构设计水平。事实上,制造水平及工艺稳定性是保证好的电机设计的根本。以下举两例说明工艺对EMI的影响：例1换向器的精车水平。若生产厂家的换向器精车水平不足,造成成品电机转子换向器表面的圆度及跳动不良,则电机在高速运行中,碳刷与换向器表面不能保持良好的接触,时断时合,在断开的瞬间,电流被试图强制归零,这会造成很大的电抗电势,产生火花进而恶化EMI。例2永磁体的充磁。理想状态下,充磁后的两极应具有相同的磁场分布川,且以磁极中心线为界,两侧的磁场应具有单一的磁性。若充磁过程中,由于充磁工装的原因造成磁场分布混乱,如图5所示。则会严重影响EMI,且不易被发现。以图5为例.两磁极在靠近中性线的位置处均有与该磁极极性相反的一段反波.仔细分析借偏的原理可知,该反波事实上相当于一个与正常换向极作用相反的附加磁极,当其被转子换向线圈切割时,产生的电动势与电抗电动势同向,也就是会恶化换向;当其分布角度超过借偏角度时,会完全抹杀借偏的作用。抑制换向时产生的电抗电势对于小型直流电机EMI的抑制十分关键。在影响小型直流电机EMI的各项因素中,火花的控制历来是难度较大的工作。具体到工程实践,设计上必须完美平衡电机的换向和性能,工艺上必须保证应有的水平与稳定,才可以做出满足各个强制性认证的合格的工业产品。马达EMC的解决方法解决电磁兼容的手段无非是电容、电感、电源滤波器和接地。

电容通过向噪声源的公共端提供一条阻抗很低的通路来将电压尖峰旁路掉。尖峰电压主要是由马达电刷产生的。电容可以接在马达的每根引线与地之间,也可以接在两根引线之间。如果尖峰噪声是共模的,则跨接在引线之间的电容几乎没有什么效果。但是这种由电刷产生的随机噪声通常是差模的。尽管这样,在电刷与地之间接入电容会有很大效果。电容安装什么位置或怎样连接主要取决于所面临的噪声的种类。电压尖峰是由电刷与换向片触点的断开产生的。

电源线滤波器：在许多产品中,电源线滤波器都必要的。电源线滤波器安装正确时,是一种简捷的解决干扰的方法。电源线滤波器保证了电网免受产品内部噪声的污染。但是,与其它滤波器件一样,使用电源线滤波器的关键点也是保证连接到噪声源公共端的导线尽量短。电源线滤波器中有可以滤除差模和共模噪声的电感和电容。这种滤波器是滤除电源线干扰的简单而又经济的方法。电源线滤波器要安装在电源线入口处。