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直流電機EMI的分析與設計

http://www.b2b.hc360.com 中國金屬加工網 信息來源:Author發布時間:2019年06月27日瀏覽:993

在我們碰到的直流電機的電磁兼容問題上,通常是具有換向氣的直流電機(轉子勵磁調速電機等類同)在電機運行的過程中會產生一定的電磁騷擾。

由于在直流電動機或直流發電機在運行時,電樞繞組器件由某一支路進入另一支路時,電路中的電流及電動勢都會改變方向,而繞組中電流方向的改變,都是由換向器和電刷所組成的機械裝置來完成。不良的換向條件將使電刷產生電火花,由電火花放電引起的電磁騷擾,其頻譜很寬;其強度也會隨著火花放電的等級大小變化而變化。注意:直流電機在換向時換向器與電刷間產生的火花是電磁騷擾產生的最直接原因!

A.先對如下換向電機的內部簡單的結構分析:直流驅動電機 &直流驅動風機

如圖中:換向器與繞組碳刷接觸面是電流突變的交變點。由此產生傳導反射和輻射發射!

直流電機在換向過程中,電樞繞組器件中的電流在改變方向時,其中存在電抗電動勢和電樞反應電動勢,它們的方向和電樞電流的方向一致,始終阻礙換向元器件中的電流變化,使換向過程延遲,從而產生電磁性的火花!

如圖中:直流風機的內部結構也存在換向器與繞組碳刷接觸面產生電流火花點。由此產生傳導反射和輻射發射!

如圖中:一般電刷和換向器運行時的情況

電刷的底面做成斜面,電刷開始運行時斜面的一條邊與換向器的面接觸,運行一段時間后這個邊成了弧形底面變成圓柱面;這個圓柱面和換向器的圓柱面磨合得非常好,電刷的火花和噪聲都會很小!

B.直流電機換向器其電磁場的分布有對稱性

換向器電磁火花可以分為以下幾個等級

1.1級沒有火花

2.1級在電刷下有一小部分地方有微弱點狀火花;

3.1級在大部分電刷下有微弱火花;

4.2級在全部電刷邊緣上有很大的火花,僅在短時過載或短時沖擊負載時,才允許出現這級火花;

5.3級在全部電刷邊緣上有很大的火花,且火星向外飛濺。僅在無變阻器起動與電機反轉時才允許出現這級火花,但是應保證換向器與電刷能正常工作!

C.直流電機的騷擾源的抑制

一般來講,電刷下的火花是換向不良的表現,火花超過一定的限度是會影響電機正常工作的,但也不必去要求沒有火花,如果是只有微弱的火花,電機仍可照常工作。對正常工作的電機,它的火花等級不能達到2級。從電機的電磁騷擾抑制角度來說,當電機電刷下的火花大于或等于2級時,我們應該先從改善電機換向角度來抑制電磁騷擾!

在電機電刷下的火花小于1.5級時,我們才考慮使用騷擾抑制器來抑制電機的電磁騷擾。這才是我下面要從電路機理來設計優化電機的電磁騷擾的設計!

D.直流電機的EMI的設計

通過如上的設計機理:在緊靠電機的電源輸入端采用騷擾抑制器,吸收式低通濾波器;為電機的騷擾源提供一個低阻抗通路同時在電源線上吸收和限制騷擾源通過電源線電纜對外的輻射,由此達到 EMI的設計優化目的!因此在電源輸入線上串接濾波器是最直接的方法!

直流電機的噪聲源(騷擾源):電機的換向電流的變化

噪聲特性:內部機構-換向器-碳刷機構-電源引線-電磁場-定子-外殼(金屬)-接地端!

發射路徑:電機的連接線電纜,地連接線等等!

如下推薦設計的抑制原理圖如下:

圖中1,2為濾波器的輸入端;3,4端為換向電機連接端

直流電機的典型EMI的設計優化電路結構如下:

上述為通用的直流電機的EMI設計電路,圖中兩線差模間的電容使用X電容,推薦參數104-474;當偏重于抑制騷擾功率時可選用104;偏重于抑制騷擾電壓時可選用474;對于圖中的穿芯電容器(三端電容)推薦1nF-10nF 主要是騷擾功率的抑制;有些系統考慮成本及兼容設計可以使用Y電容的設計推薦設計值471-472;電路中的穩定電阻R可調整濾波器的Q值同時還是X電容的放電電阻;跟直流電機最近的電感L3,L4 能有效抑制電機換向器的電磁火花!

注意L3,L4應盡可能接近碳刷端連接;在小容量的電機中一般設計此電感L3=L4=60uH—200uH ;L3,L4 主要起補償延遲換向作用,提高電機換向器件的電平衡性能,抑制換向器的電磁火花;

1.在無接地線的可移動或手持式產品中,可將騷擾抑制濾波器的接地端與直流電機的金屬外殼連接;

2.在一些有接地線的電機使用場合,接地線過長時高頻接地效果可能變得比較差!需要注意電機的接地連接線問題;

3.如果使用穿芯電容接地外殼高頻阻抗應盡可能小,芯引出線盡可能短以減小電磁耦合;

4.電路中的共模電感對EMI的作用也很明顯,在使用時對于不同用途的電機其電感量與電機的容量有關其共模電感的漏感對騷擾功率都有幫助;實際應用中如果串激電機容量為500W左右時,共模電感可推薦1.8mH-5mH(1KHZ)同時其漏感Lr為其電感Lm的2%左右時有最佳的抑制效果!

E.實際的直流風機的EMI的設計優化參考設計如下;

如下的產品無法通過EMI測試

通過我的基本的理論和設計優化方法通過測試

杜佐兵 電磁兼容(EMC)線上&線下高級講師


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