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碳刷含銅量高直流電機(jī)EMC（30MHz~300MHz超標(biāo)問題）案例分析
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在現(xiàn)代電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，有刷直流電機(jī)因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被廣泛使用，但其碳刷含銅量過高容易引發(fā)EMC不合格的問題。本文深入剖析此問題的成因，涵蓋碳刷與換向器間電弧、電機(jī)內(nèi)部電磁特性改變及電刷磨損等方面，并結(jié)合實(shí)際案例詳細(xì)闡述整改方向與措施，旨在為相關(guān)技術(shù)人員提供參考，助力解決類似EMC問題，提升電機(jī)性能與應(yīng)用可靠性。 1、碳刷含銅量高的直流電機(jī)是一種常見的電機(jī)類型，具有以下特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：由定子、轉(zhuǎn)子、換向器和電刷等主要部件組成。通過改變輸入電壓的大小和方向，使用簡(jiǎn)單的直流電源進(jìn)行供電可以方便地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。碳刷含銅量高可使碳刷的導(dǎo)電性能顯著提升。起動(dòng)力矩大：在啟動(dòng)時(shí)能夠提供較大的力矩，快速達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。這使得它適用于一些需要較大初始力矩的應(yīng)用場(chǎng)景，如小型電動(dòng)車、電動(dòng)工具等，能夠在啟動(dòng)時(shí)迅速帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。效率較高：在正常工作狀態(tài)下，有刷直流電機(jī)的效率相對(duì)較高，可以將電能有效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。成本較低：由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造工藝成熟，有刷直流電機(jī)的生產(chǎn)成本相對(duì)較低。散熱能力強(qiáng)：銅的導(dǎo)熱性能優(yōu)異，含銅量高的碳刷能夠更好地散發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量，碳刷質(zhì)地相對(duì)較硬，且具有較好的耐磨性，延長(zhǎng)它們的使用壽命降低維護(hù)成本。缺點(diǎn)：成本較高：銅是一種相對(duì)昂貴的金屬，碳刷中含銅量高會(huì)增加材料成本，進(jìn)而導(dǎo)致碳刷的價(jià)格上升。硬度較大：雖然一定的硬度有助于耐磨性，但含銅量高導(dǎo)致碳刷過硬，可能會(huì)對(duì)換向器表面造成較大的磨損。 EMI干擾：含銅量高導(dǎo)致碳刷導(dǎo)電性能強(qiáng)，過高的導(dǎo)電性能可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)或停止的瞬間，可能會(huì)產(chǎn)生較大的電流沖擊產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。 2、有刷直流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、起動(dòng)力矩大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于以下場(chǎng)合：有刷直流電機(jī)被應(yīng)用于電動(dòng)汽車和電動(dòng)摩托車中，它能夠提供較大的起動(dòng)力矩，可以通過簡(jiǎn)單的控制器實(shí)現(xiàn)調(diào)速，并且成本相對(duì)較低，在一些小型加工機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線中都有應(yīng)用。有刷直流電機(jī)可用于驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)或主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過精確的控制實(shí)現(xiàn)物料的輸送和定位。另外，由于有刷直流電機(jī)便攜、易于控制的特點(diǎn)，使其在家用電器、電動(dòng)工具和玩具中被廣泛應(yīng)用，例如吸塵器、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、電鉆、遙控車、機(jī)器人玩具等，有刷直流電機(jī)可以通過簡(jiǎn)單的電路控制來滿足不同的程序需求。 3、有刷直流電機(jī)碳刷含銅量高可能導(dǎo)致EMC不合格，原因主要有以下幾點(diǎn)：電刷與換向器間電弧加劇：含銅量高使碳刷硬度增加，與換向器表面的接觸電阻會(huì)有所變化。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，可能導(dǎo)致電刷與換向器之間的接觸不夠緊密和平滑，從而更容易產(chǎn)生電弧形成電磁干擾高頻脈沖噪聲可達(dá)500MHz，而且含銅量高的碳刷導(dǎo)電性能好，會(huì)使電弧產(chǎn)生的電流變化率更大，進(jìn)而產(chǎn)生更強(qiáng)的高頻噪聲，通過電機(jī)引線和電機(jī)縫隙向外輻射，導(dǎo)致EMC不合格。改變電機(jī)內(nèi)部電磁特性：含銅量的變化會(huì)影響電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布和強(qiáng)度。這可能導(dǎo)致電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生額外的電磁擾動(dòng)，使電磁兼容性變差影響EMC性能。加劇電刷磨損產(chǎn)生導(dǎo)電顆粒：雖然含銅量高的碳刷本身耐磨性較好，但在長(zhǎng)期使用過程中，與換向器的摩擦仍會(huì)產(chǎn)生一定的磨損。磨損產(chǎn)生的銅顆粒如果進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部的其他部位，這些導(dǎo)電顆粒可能會(huì)在電機(jī)內(nèi)部形成微小的電流通路，導(dǎo)致額外的電磁輻射。 4、整改方向：加強(qiáng)電磁屏蔽：把電機(jī)的金屬外殼充分接地確保外殼接地良好。這樣可以有效阻擋電機(jī)內(nèi)部電磁干擾的向外輻射，減少對(duì)周圍環(huán)境的影響。對(duì)碳刷架進(jìn)行屏蔽處理并與電機(jī)外殼接地相連，這樣可以防止碳刷與換向器之間產(chǎn)生的電磁干擾通過碳刷架傳播到電機(jī)外部。使用濾波器件：在電機(jī)的電源輸入端安裝合適的濾波器件如共模電感，電容等，截止高頻干擾信號(hào)通過電源線傳播。在碳刷與電機(jī)繞組之間并聯(lián)合適容量的電容用于旁路高頻干擾電流。使用BDL濾波器，來抑制碳刷轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的高頻輻射，但針對(duì)不同品質(zhì)的電機(jī)單單使用BDL濾波器可能達(dá)不到想要的效果，因此我們引入了壓敏（MOV）。 5、整改措施：根據(jù)客戶需求要在電機(jī)中增加霍爾電路，兩極之間耐壓要達(dá)到500V以上，結(jié)合電機(jī)結(jié)構(gòu)和實(shí)際測(cè)試情況綜合考量，必須去掉電機(jī)原有的塑膠件，電容耐壓要選擇不低于1000V，耐壓達(dá)1000V的貼片電容，容值相對(duì)較低，這就需要在電路中盡可能多的使用0.1UF/1KV的貼片電容增加濾波效果，只能通過重新設(shè)計(jì)電路板來增加霍爾電路并解決EMC問題，就此我們先畫出濾波電路的拓?fù)洳涂蛻粼O(shè)計(jì)出原理圖，為下一步PCB Layout提供依據(jù)。我們先畫出一個(gè)較為復(fù)雜的拓?fù)浯郎y(cè)試合格后再進(jìn)行二次優(yōu)化。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： [電源輸入] → [高頻電容] → [共模扼流圈] → [電容] → [DBL] → [高頻電容]→ [差模電感]→ [壓敏電阻]

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錢莉

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