關(guān)于改善直流電機(jī)EMC方案

..一.單相串激電機(jī)的換向種類分為:直線換向<電阻換向>.延時(shí)換向.超前換向,由于有電抗電勢(shì)的存在和影響,直線換向根本不存在,因此單相串激電機(jī)的換向只有兩種,不是延時(shí)換向,就是超前換向;1.當(dāng)電抗電勢(shì)所形成的環(huán)流大于換向電勢(shì)所形成的環(huán)流時(shí),直線換向就變成延時(shí)換向,此時(shí)后刷邊的電流密度大于前刷邊的電流密度,造成后刷邊的火花較大;2.當(dāng)電抗電勢(shì)所形成的環(huán)流小于換向電勢(shì)所形成的環(huán)流時(shí),直線換向就變成超前換向,此時(shí)前刷邊的電流密度大于后刷邊的電流密度,造成前刷邊的火花較大;二.單相串激電機(jī)的換向好壞直接影響EMC的測(cè)試,要想改善EMC就必須改善電機(jī)的換向,改善電機(jī)的換向有以下措施:1.選用與換向器接觸電阻較大的碳刷,而增加碳刷與換向器的接觸電阻最有效的辦法是選用硬質(zhì)碳刷,碳刷越硬,接觸電阻越大,接觸壓降也越大,相對(duì)的削弱了電感的影響,使換向過程近似于直線換向,有利于消除火花.碳刷根據(jù)接觸電阻大小分為:碳石墨碳刷.石墨碳刷.電化石墨碳刷和銅石墨碳刷.需要注意的是,每種電機(jī)都有適合其性能的碳刷,有的電機(jī)可能這種碳刷火花大,而換上另一種碳刷可能就滿足換向要求,因此,一個(gè)電機(jī)盡量多試幾種碳刷,以找到最適合該電機(jī)的碳刷.2.控制碳刷彈簧壓力在250～500g/cm²之間;3.控制碳刷電流密度≤12A/cm²4.控制換向器片間電壓＜25V;5.控制碳刷在刷握里的單邊尺寸在之間;6.控制換向器與刷握的端面間距在1.5±0.5MM之間;7.控制換向器的表面粗糙度Ra<0.48.減少電抗電勢(shì)E=2×I×L/T,其中I為電樞電流,L為線圈電感,T為換向周期,要減少電抗電勢(shì),可采用減少換向線圈的匝數(shù),即減少轉(zhuǎn)子的線圈數(shù);采用較短的鐵芯長(zhǎng)度等;9.利用換向電勢(shì)或速度電勢(shì)來抵消電抗電勢(shì);10.逆轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)碳刷10度-26度;11.在繞線時(shí),將接線順著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向偏前1-2片;12.在繞線時(shí),采用短距繞組,而不能采用全距繞組;13.加強(qiáng)定子磁場(chǎng)以相對(duì)削弱轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的辦法,即加大定子的激磁安匝數(shù);14.定子采用不均勻氣隙,其益處:可降低由于電樞反應(yīng)所引起的氣隙磁場(chǎng)的畸變程度,使換向器的片間電壓最大值減小,從而可減少換向火花<見下圖>15.限制變壓器電勢(shì)E=4.44×f×W2×￠,其中f為電源的頻率,W2為轉(zhuǎn)子的每元件匝數(shù),W2=N/2K,N為轉(zhuǎn)子的總導(dǎo)體數(shù),K為換向片數(shù),￠為定子單邊磁通量,要減少變壓器電勢(shì)可采用增加換向器片數(shù)的辦法,或者減少轉(zhuǎn)子的每元件匝數(shù),一般將變壓器電勢(shì)控制在≤7V.三.改善EMC的措施一臺(tái)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的帶換向器的串激電機(jī)就相當(dāng)于一臺(tái)無線電發(fā)射裝置,由于換向時(shí)產(chǎn)生火花和電弧,它將產(chǎn)生低頻和高頻的無線電干涉影響電視廣播和無線電通訊,因此需要對(duì)其產(chǎn)生的干擾進(jìn)行抑制;1.電磁干擾形成的原因A.電機(jī)換向時(shí)導(dǎo)致參與換向的電樞線圈短路,回路流過短時(shí)大電流,當(dāng)換向片與碳刷斷開位置時(shí),碳刷與換向片之間產(chǎn)生換向火花,使換向區(qū)域附近的空氣介質(zhì)電離,在空氣中形成帶電粒子,從而形成電磁干擾,這種火花電離產(chǎn)生的干擾頻譜較寬且連續(xù)分布,對(duì)廣播電視產(chǎn)品.通訊類產(chǎn)品及其他電子類產(chǎn)品有較大的干擾作用;B.由于可控硅.整流二極管.開關(guān)等在導(dǎo)通和截止的工作特性和導(dǎo)通的穩(wěn)定性較差,也會(huì)產(chǎn)生高頻次諧波干擾分量;C.由于電機(jī)的定子鐵芯和轉(zhuǎn)子的開槽設(shè)計(jì)和線圈上磁路設(shè)計(jì)比較飽和,也會(huì)產(chǎn)生較大的高頻次諧波干擾分量引起電磁干擾.2.EMC:ElectroMagneticCompatibility<電磁兼容性>:根據(jù)電磁兼容指令89/336/EEC,其定義為:裝置.設(shè)備單元或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能夠正常工作<抗擾度>,并且不對(duì)該環(huán)境中的任何裝置.設(shè)備構(gòu)成不能承受的干擾<發(fā)射>能力.3.串激電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的低頻波段在0.15MHz-30MHz,該波段的頻率一般通過傳導(dǎo)干擾由電源線反饋回電網(wǎng);4.串激電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高頻波段在30MHz-300MHz,該波段的頻率通過輻射干擾以電磁波的形式輻射到空間,通過電視廣播和無線電通訊的天線接收而影響接收器的正常工作;5.電磁干擾的途徑見下圖.6.GB4343.1-2003對(duì)頻率在0.15MHz-30MHz連續(xù)干擾電壓的允許值和頻率在30MHz-300MHz的干擾功率值有嚴(yán)格的規(guī)定,這里不詳述,有興趣的同事可查此標(biāo)準(zhǔn).7.下面從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝方面就降低無線電干擾采取的一些措施:A.重視對(duì)電機(jī)換向的改善,只要電機(jī)的換向改善了,電機(jī)對(duì)無線電干擾的程度就會(huì)得到很大的改善,改善換向的方法如前面所述;B.重視刷握在機(jī)殼中的定位方法,刷握固定的形式必須牢固可靠,以防止由于刷握的微量跳動(dòng)而使高頻分量過大,造成干擾功率的過大;C.內(nèi)部連接線與導(dǎo)電部位的聯(lián)接要可靠,并穩(wěn)妥地安置在合適位置,比如穩(wěn)妥地安放在卡線槽內(nèi),接觸點(diǎn)不牢固將會(huì)對(duì)30MHz以上的高頻分量帶來較大的干擾電平;D.碳刷與換向器的材質(zhì)要相宜,尤其是硬度搭配要合適,不能一個(gè)軟一個(gè)硬,要防止換向器表面的過早磨損而出現(xiàn)表面不平,引起干擾電平的增大;6.安裝附加抑制器,為改善高頻時(shí)濾波器的抑制效果,提高對(duì)高頻干擾功率的抑制能力,可以采用附加抑制器,常見的形式有:A.在碳刷兩端并接一只電容器;B.在碳刷和定子繞組間串接電感;C.A和B的組合;D.在手柄電源線中串接兩只電感;E.采用三角形電容.F.采用三角形電容和電感的配合使用.采用附加抑制器主要就是利用電感和電容的"通高頻阻低頻"或"通低頻阻高頻"的特點(diǎn),減弱因電動(dòng)工具高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的低頻干擾和高頻輻射,從而減少對(duì)電視廣播和無線電通訊的干擾.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電視廣播和無線電通訊的頻率范圍已從甚高頻<VHF>300MHz以下發(fā)展到超高頻<UHF>,頻率范圍300MHz-3000MHz,因此有的國(guó)家特別是歐洲國(guó)家已要求抑制干擾的頻率擴(kuò)大到10KHz-1000MHz,這給電動(dòng)工具的EMC測(cè)試提出了新的要求.同時(shí),高速運(yùn)轉(zhuǎn)的串激電機(jī)不僅對(duì)電視廣播和無線電通訊帶來干擾,同時(shí)對(duì)附近工作的微型化和電子化的電子儀器也產(chǎn)生干擾,影響其準(zhǔn)確度和精確度.電磁兼容性反映了電子設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾能力,它包含兩個(gè)方面的要求:一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值即EMI<ElectromagneticInterference>;另一方面是指設(shè)備對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度,即電磁敏感性EMS<ElectromagneticSusceptibility>,商用電氣產(chǎn)品為取得某一市場(chǎng)的銷售資格,其EMI水平必須通過強(qiáng)制性認(rèn)證,即達(dá)到某一標(biāo)準(zhǔn),如國(guó)際無線電干擾特別委員會(huì)的IECCISPRI4-1,歐洲的EN55014-1,或中國(guó)的GB4343.1等等。各類標(biāo)準(zhǔn)事實(shí)上是等效的川。1EMI產(chǎn)生的根源對(duì)于由小型永磁直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各類產(chǎn)品,通常只有EMI的問題。EMI可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾:傳導(dǎo)干擾是指干擾能量沿著電纜以干擾電壓的形式傳播;輻射干擾是指干擾能量以電磁波的形式通過空間將其信號(hào)藕合<干擾>到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。為限制永磁電機(jī)的EMI,必須搞清干擾源才能有效對(duì)電磁干擾加以抑制。在由永磁直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各種工業(yè)產(chǎn)品中,EMI的來源主要包括:L1電機(jī)的火花火花使換向區(qū)域附近的空氣介質(zhì)電離,在空氣中形成帶電粒子,形成電磁干擾;L2非線性器件可控硅、整流二極管以及晶體管開關(guān)的導(dǎo)通和截止的工作特性會(huì)產(chǎn)生高頻諧波干擾;1.3電機(jī)的磁路過于飽和的磁路也會(huì)產(chǎn)生較大的電磁干擾。在產(chǎn)品中加裝濾波器以及采用各種屏蔽手段可以有效地抑制EMI,但從根源上消除干擾源的干擾同樣重要。在上述各干擾源中,直流電機(jī)在換向過程中產(chǎn)生的火花,由于其成因復(fù)雜,在實(shí)際應(yīng)用中常常難以控制。表面上,電機(jī)生產(chǎn)過程中的各種不良工藝都會(huì)加劇運(yùn)行中的火花,必須加以控制,如換向器表面的精車水平包括圓度、跳動(dòng)、光潔度,轉(zhuǎn)子的動(dòng)平XX平,此外,彈簧的壓力以及碳刷的材質(zhì)都會(huì)對(duì)火花的大小產(chǎn)生極大的影響。理論上,火花產(chǎn)生的根源是換向中產(chǎn)生的各種電動(dòng)勢(shì),包括電抗電勢(shì)及變壓器電勢(shì),換向片上的片間電壓以及轉(zhuǎn)子上的電樞反應(yīng)等。這其中,電抗電勢(shì)是最主要的。換向時(shí),電樞電流在極短的時(shí)間內(nèi)變換方向,線圈電流的換向過程由圖1簡(jiǎn)示。2抑制電抗電勢(shì)的方法由上述分析可知,抑制永磁直流電機(jī)EMI的根本在于有效地削弱換向過程產(chǎn)生的電抗電勢(shì)。當(dāng)然,前提是必須保證電機(jī)生產(chǎn)工藝及電機(jī)在產(chǎn)品中裝配的穩(wěn)定性。這里僅限從理論上探究抑制電抗電勢(shì)的方法。根據(jù)<1>,削弱電抗電勢(shì)的手段包括調(diào)整定轉(zhuǎn)子線圈匝數(shù)比或依靠增加換向片數(shù)來減少每線圈匝數(shù)以減小電感,或適當(dāng)加大碳刷寬度以增加換向周期,另外,增大碳刷的電阻率亦可減小電抗電勢(shì)對(duì)換向的阻礙。但是,在工程實(shí)際中,上述條件只能非常有限的被滿足。比如,匝數(shù)比太大會(huì)造成磁路過度飽和,反而會(huì)惡化EM1;同時(shí)過高的定子槽滿率不僅會(huì)降低電機(jī)的過載能力,也會(huì)影響生產(chǎn)效率;又如,受限于生產(chǎn)工藝水平,換向片數(shù)也無法太大。至于碳刷電阻率,受發(fā)熱限制,亦無法無限度提高。所以,設(shè)法在換向過程中產(chǎn)生一個(gè)與電抗電勢(shì)反向的電動(dòng)勢(shì)將其抵消將是抑制火花和EMI的最有效的方法。眾所周知,直流電機(jī)在磁極間加裝換向極可以產(chǎn)生與電抗電勢(shì)相反的電勢(shì),但小型直流電機(jī)受空間所限,不便加裝換向極,所以,絕大多數(shù)設(shè)計(jì)都采用逆電機(jī)轉(zhuǎn)向偏移碳刷位置的方法來達(dá)到與加裝換向極相同的效果[zJ。與偏移碳刷位置效果相同、精度更高、被現(xiàn)代生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用更廣泛的手段是,在轉(zhuǎn)子繞線的過程中直接產(chǎn)生磁場(chǎng)借偏。雖然國(guó)際國(guó)內(nèi)各大電機(jī)制造公司及研究機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子借偏角的定義不盡相同,但事實(shí)上卻有同樣的理論基礎(chǔ),這里不加贅述。圖3及圖4分別表示了轉(zhuǎn)子在借偏前后的電流分布:借偏有其特定的方向性,即對(duì)于已經(jīng)制造完畢的有借偏的轉(zhuǎn)子,其借偏的作用只對(duì)電機(jī)在某單方向有效,換言之,若轉(zhuǎn)向相反,則該借偏會(huì)惡化換向及EMI。其原理在于借偏角的方向必須與電機(jī)的轉(zhuǎn)向一致,才可保證換向過程由借偏產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與電抗電動(dòng)勢(shì)向反。借偏角度亦不可過大。由于借偏相當(dāng)于減小了轉(zhuǎn)子的有效匝數(shù),過大的借偏角度需要更多的線圈匝數(shù)來彌補(bǔ),過多的用銅<鋁>勢(shì)必增加損耗,降低效率;同時(shí),過大的借偏有時(shí)反而不利于電抗電動(dòng)勢(shì)的抵消。在工程實(shí)際中,必須在火花抑制和電機(jī)性能中尋找最佳的平衡點(diǎn),不可偏廢。必須指出,電機(jī)同其它工業(yè)產(chǎn)品一樣,其最終的性能絕不僅僅決定于電磁設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。事實(shí)上,制造水平及工藝穩(wěn)定性是保證好的電機(jī)設(shè)計(jì)的根本。以下舉兩例說明工藝對(duì)EMI的影響：例1換向器的精車水平。若生產(chǎn)廠家的換向器精車水平不足,造成成品電機(jī)轉(zhuǎn)子換向器表面的圓度及跳動(dòng)不良,則電機(jī)在高速運(yùn)行中,碳刷與換向器表面不能保持良好的接觸,時(shí)斷時(shí)合,在斷開的瞬間,電流被試圖強(qiáng)制歸零,這會(huì)造成很大的電抗電勢(shì),產(chǎn)生火花進(jìn)而惡化EMI。例2永磁體的充磁。理想狀態(tài)下,充磁后的兩極應(yīng)具有相同的磁場(chǎng)分布川,且以磁極中心線為界,兩側(cè)的磁場(chǎng)應(yīng)具有單一的磁性。若充磁過程中,由于充磁工裝的原因造成磁場(chǎng)分布混亂,如圖5所示。則會(huì)嚴(yán)重影響EMI,且不易被發(fā)現(xiàn)。以圖5為例.兩磁極在靠近中性線的位置處均有與該磁極極性相反的一段反波.仔細(xì)分析借偏的原理可知,該反波事實(shí)上相當(dāng)于一個(gè)與正常換向極作用相反的附加磁極,當(dāng)其被轉(zhuǎn)子換向線圈切割時(shí),產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與電抗電動(dòng)勢(shì)同向,也就是會(huì)惡化換向;當(dāng)其分布角度超過借偏角度時(shí),會(huì)完全抹殺借偏的作用。抑制換向時(shí)產(chǎn)生的電抗電勢(shì)對(duì)于小型直流電機(jī)EMI的抑制十分關(guān)鍵。在影響小型直流電機(jī)EMI的各項(xiàng)因素中,火花的控制歷來是難度較大的工作。具體到工程實(shí)踐,設(shè)計(jì)上必須完美平衡電機(jī)的換向和性能,工藝上必須保證應(yīng)有的水平與穩(wěn)定,才可以做出滿足各個(gè)強(qiáng)制性認(rèn)證的合格的工業(yè)產(chǎn)品。馬達(dá)EMC的解決方法解決電磁兼容的手段無非是電容、電感、電源濾波器和接地。

電容通過向噪聲源的公共端提供一條阻抗很低的通路來將電壓尖峰旁路掉。尖峰電壓主要是由馬達(dá)電刷產(chǎn)生的。電容可以接在馬達(dá)的每根引線與地之間,也可以接在兩根引線之間。如果尖峰噪聲是共模的,則跨接在引線之間的電容幾乎沒有什么效果。但是這種由電刷產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲通常是差模的。盡管這樣,在電刷與地之間接入電容會(huì)有很大效果。電容安裝什么位置或怎樣連接主要取決于所面臨的噪聲的種類。電壓尖峰是由電刷與換向片觸點(diǎn)的斷開產(chǎn)生的。

電源線濾波器：在許多產(chǎn)品中,電源線濾波器都必要的。電源線濾波器安裝正確時(shí),是一種簡(jiǎn)捷的解決干擾的方法。電源線濾波器保證了電網(wǎng)免受產(chǎn)品內(nèi)部噪聲的污染。但是,與其它濾波器件一樣,使用電源線濾波器的關(guān)鍵點(diǎn)也是保證連接到噪聲源公共端的導(dǎo)線盡量短。電源線濾波器中有可以濾除差模和共模噪聲的電感和電容。這種濾波器是濾除電源線干擾的簡(jiǎn)單而又經(jīng)濟(jì)的方法。電源線濾波器要安裝在電源線入口處。