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碳刷含銅量高直流電機EMC（30MHz~300MHz超標(biāo)問題）案例分析
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在現(xiàn)代電機應(yīng)用領(lǐng)域，有刷直流電機因其獨特優(yōu)勢被廣泛使用，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、電機內(nèi)部電磁特性改變及電刷磨損等方面，并結(jié)合實際案例詳細(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，提升電機性能與應(yīng)用可靠性。 1、碳刷含銅量高的直流電機是一種常見的電機類型，具有以下特點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單：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，使用簡單的直流電源進(jìn)行供電可以方便地控制電機的轉(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。起動力矩大：在啟動時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)用場景，如小型電動車、電動工具等，能夠在啟動時迅速帶動負(fù)載運轉(zhuǎn)。效率較高：在正常工作狀態(tài)下，有刷直流電機的效率相對較高，可以將電能有效地轉(zhuǎn)化為機械能。成本較低：由于其結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝成熟，有刷直流電機的生產(chǎn)成本相對較低。散熱能力強：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)電機運行過程中產(chǎn)生的熱量，碳刷質(zhì)地相對較硬，且具有較好的耐磨性，延長它們的使用壽命降低維護(hù)成本。缺點：成本較高：銅是一種相對昂貴的金屬，碳刷中含銅量高會增加材料成本，進(jìn)而導(dǎo)致碳刷的價格上升。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，可能會對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，過高的導(dǎo)電性能可能會導(dǎo)致電機啟動或停止的瞬間，可能會產(chǎn)生較大的電流沖擊產(chǎn)生很強的電磁干擾。 2、有刷直流電機因其結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、起動力矩大等特點，被廣泛應(yīng)用于以下場合：有刷直流電機被應(yīng)用于電動汽車和電動摩托車中，它能夠提供較大的起動力矩，可以通過簡單的控制器實現(xiàn)調(diào)速，并且成本相對較低，在一些小型加工機床、自動化生產(chǎn)線中都有應(yīng)用。有刷直流電機可用于驅(qū)動工作臺的進(jìn)給運動或主軸的旋轉(zhuǎn)運動，通過精確的控制實現(xiàn)物料的輸送和定位。另外，由于有刷直流電機便攜、易于控制的特點，使其在家用電器、電動工具和玩具中被廣泛應(yīng)用，例如吸塵器、洗衣機、電風(fēng)扇、電鉆、遙控車、機器人玩具等，有刷直流電機可以通過簡單的電路控制來滿足不同的程序需求。 3、有刷直流電機碳刷含銅量高可能導(dǎo)致EMC不合格，原因主要有以下幾點：電刷與換向器間電弧加?。汉~量高使碳刷硬度增加，與換向器表面的接觸電阻會有所變化。在電機運行時，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，會使電弧產(chǎn)生的電流變化率更大，進(jìn)而產(chǎn)生更強的高頻噪聲，通過電機引線和電機縫隙向外輻射，導(dǎo)致EMC不合格。改變電機內(nèi)部電磁特性：含銅量的變化會影響電機內(nèi)部磁場的分布和強度。這可能導(dǎo)致電機在運行過程中產(chǎn)生額外的電磁擾動，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，但在長期使用過程中，與換向器的摩擦仍會產(chǎn)生一定的磨損。磨損產(chǎn)生的銅顆粒如果進(jìn)入電機內(nèi)部的其他部位，這些導(dǎo)電顆?？赡軙陔姍C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：加強電磁屏蔽：把電機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內(nèi)部電磁干擾的向外輻射，減少對周圍環(huán)境的影響。對碳刷架進(jìn)行屏蔽處理并與電機外殼接地相連，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外部。使用濾波器件：在電機的電源輸入端安裝合適的濾波器件如共模電感，電容等，截止高頻干擾信號通過電源線傳播。在碳刷與電機繞組之間并聯(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)動產(chǎn)生的高頻輻射，但針對不同品質(zhì)的電機單單使用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)合電機結(jié)構(gòu)和實際測試情況綜合考量，必須去掉電機原有的塑膠件，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)計出原理圖，為下一步PCB Layout提供依據(jù)。我們先畫出一個較為復(fù)雜的拓?fù)浯郎y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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