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直流电机换向电磁干扰分析与EMI设计优化

点击次数:4    发布时间:2024-12-22

在面临直流电机电磁兼容挑战时,尤其是那些采用换向器的电机,如转子励磁调速电机等,其运行过程中往往伴随电磁干扰的产生。这是由于直流电机或发电机在运行中,电枢绕组器件在从一个支路切换到另一个支路时,电路中的电流和电动势都会发生方向改变。电流方向的转变由换向器和电刷组成的机械装置来实现。若换向条件不佳,会导致电刷产生电火花,这种由电火花引起的电磁干扰频谱宽广,强度随火花放电程度而变化。需特别注意的是,直流电机换向时换向器与电刷间产生的火花是电磁干扰的直接源头。

A.首先,让我们对换向电机的内部结构进行简要分析:直流驱动电机与直流驱动风机。

如图所示,换向器与绕组碳刷接触点是电流突变的交变点,由此引发传导反射和辐射发射。

在直流电机换向过程中,电枢绕组器件中的电流改变方向时,存在电抗电动势和电枢反应电动势,它们的方向与电枢电流一致,始终阻碍换向元器件中的电流变化,导致换向过程延迟,从而产生电磁火花。

如图所示,直流风机的内部结构也存在换向器与绕组碳刷接触点产生电流火花的情况,由此产生传导反射和辐射发射。

如图所示,一般电刷和换向器运行时的情况。

电刷的底面制成斜面,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,这个边成为弧形底面,*终变成圆柱面;这个圆柱面与换向器的圆柱面磨合得很好,电刷的火花和噪声都会很小。

B.直流电机换向器的电磁场分布具有对称性。

换向器电磁火花可分为以下等级:

1.1级:无火花。

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,但应保证换向器与电刷能正常工作。

C.直流电机骚扰源的抑制

通常,电刷下的火花是换向不良的表现。皖南电机价格表 火花超过一定限度会影响电机正常工作,但不必追求完全没有火花。若只有微弱火花,电机仍可正常工作。对于正常工作的电机,其火花等级不能达到2级。从电磁骚扰抑制的角度来看,当电机电刷下的火花大于或等于2级时,应首先从改善电机换向角度来抑制电磁骚扰。安徽皖南电机当电机电刷下的火花小于1.5级时,才考虑使用骚扰抑制器来抑制电机的电磁骚扰。以下将从电路机理来设计优化电机电磁骚扰的设计。

D.直流电机EMI的设计

通过上述设计机理,在电机电源输入端采用骚扰抑制器和吸收式低通滤波器,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辐射,从而实现EMI设计的优化。在电源输入线上串接滤波器是*直接的方法。

直流电机的噪声源(骚扰源):电机的换向电流变化。

噪声特性:内部机构-换向器-碳刷机构-电源引线-电磁场皖南电机-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。

直流电机换向电磁干扰分析与EMI设计优化

如下推荐设计的抑制原理图:

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设计优化电路结构如下:

上述为通用直流电机的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选用104;偏重于抑制骚扰电压时选用474。对于图中的穿芯电容器(三端电容)推荐1nF-10nF,主要用于骚扰功率的抑制。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,同时也是X电容的放电电阻。跟直流电机*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。皖南电机价格表在使用时,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。安徽皖南电机实际应用中,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*佳的抑制效果。

E.实际的直流风机EMI设计优化参考设计如下:

以下产品无法通过EMI测试。

通过我的基本理论和设计优化方法,以下产品成功通过测试。

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