汽车用洗涤电机EMC设计.doc

汽车用风窗洗涤泵电机的电磁兼容（EMC）设计宁波恒帅微电机有限公司 技术部陆晓沁2011.10.25汽车用风窗洗涤泵电机的电磁兼容（EMC）设计电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能正常工作，同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。随着电气化，自动化程度的不断提高，电机在各个领域有着越来越广泛的应用。虽然电机本身的特性得到了很大的提高，但是电机与驱动系统的电磁兼容问题却日趋严重。以汽车为例，一辆汽车上装有大量的电子设备，电磁兼容问题也很复杂。其中最强的干扰源是点火系统，其在工作过程中，会对周围的空间形成强烈的辐射干扰，对车上其它电子设备的正常工作有很大的影响。除此之外，各种用途的电机也都是一个个大大小小的干扰源。如何解决汽车各电子模块间及系统间的电磁兼容问题，提高汽车的可靠性和安全性，保证在对正常行驶的汽车进行某操作时不干扰周围设备的正常工作，已成为一个非常重要和迫切的研究课题。在汽车使用过程中，以车载电机所产生的电磁干扰较强，而在这些电机中又以大功率，短时运行的电机所产生的电磁干扰最甚。汽车用风窗洗涤泵电机是汽车中较重要的电机之一。该电机为微型永磁直流电机，在使用过程中，以大功率，短时运行为其工作特点。因此，风窗洗涤泵电机在工作时所产生的电磁干扰是很大的。现以洗涤泵电机所产生的电磁干扰进行分析，并提出抑制的具体方案。一、电磁兼容预测由于洗涤泵电机是含有整流子和电刷的永磁直流电机，电机旋转时，当电刷将相邻的整流片短接时，在与整流片相连接的电机转子绕组中有短路电流流过，紧接着被电刷短接的相邻整流片很快地转入断开状态，在此瞬间产生的电火花形成强烈的电磁干扰辐射，当电机在高负载状态下工作时，工作电流越大，则产生的电火花越大。这个过程是一个重复转换过程，产生的电磁干扰具有很宽的频带，辐射能量最强的频率通常在1015kHz范围内，而其高频部分可达300MHz以上。这个频谱与无线电通讯、广播和电视以及汽车的中央控制器的CPU等使用频带相近，因此对他们产生干扰。同时，在电机的接线端子上，传导干扰电压可以达几十微伏至几百毫伏；对于非全金属壳体电机，在1m距离处引起的感应电压可达30005000微伏特。由此可见，洗涤泵电机是直流永磁电动机，额定功率大，既是感性负载，又有电刷换向火花的存在，是汽车中一个大的干扰源，它既产生很强的传导干扰，又产生一定的感应干扰和辐射干扰。二、控制洗涤泵电机电磁干扰的措施既然洗涤泵电机可通过各种耦合途径发生干扰，就应该采取相应的控制技术和措施。1、探讨电机产生的电磁干扰并控制为最小：1.1减小洗涤泵电机电刷换向器的电火花，是降低该电机所产生的电磁干扰的一项重要技术措施。电机电刷换向器火花产生是一个极其复杂的过程，主要存在电磁性、机械、化学三方面的原因，在设计及生产制造过程中，可通过如下方法消除和减轻：(1)改变换向位置：使换向线圈内产生旋转电势来与电抗电势相抵消，减小换向回路的合成电势。对于030型70W 5片换向器的直流电机来说，由于刷架固定在支架上并与定子相固定，所以采取转子绕组顺着电机旋转方向移动1片换向挂钩。(2)选用合适的电刷装置：增加碳刷与换向器的接触电阻可相对的削弱转子线圈电感的影响，有利于消除或减弱火花。选用硬质碳刷时，接触电阻较大。因此，电刷采用石墨和电化石墨较宜；刷架用黄铜材料较好，且刷架内腔尺寸与电刷尺寸应配合适宜，不可过松；弹性压力选择在45牛顿/平方厘米较合适，且在刷架中要活动自如。(3)保证加工工艺要求：转子动平衡；转子径向跳动；换向器表面光洁度；转轴与轴承的配合及硬度、油成份、含油量；刷架安装直线度等等，都应满足高标准。1.2压制传导干扰正是由于电机电流的非正规正弦波（它可分解成一系列不同频率的正弦波），导致其干扰通过电源线向外传导，因此可用滤波方法将干扰隔离或降低。最常用的是利用电感和电容等元件组成LC滤波器，使电容面对电源侧，电感面对电机侧。当然对于某些功率的直流电机，也可采用电阻和电容等元件组成RC滤波器进行滤波，其中的电阻为压敏电阻。当加在压敏电阻两端的电压值低于额定电压时，它的电阻几乎是无穷大，而稍微超过额定值后，电阻值便急剧下降。利用此原理，压敏电阻即可限制和吸收电机所产生的脉冲电压和浪涌电流。以上两种方式通常均可满足EMC的要求，当直流串激电机使用LC滤波器隔离或降低干扰时，由于串激电机的定子绕组本身就是一个电感，所以外加电感的值不会很大，有的甚至可以不加，所以附加成本就不会太高；但对于直流永磁电机来说，使用LC滤波器时要求电感元件具有较大的电感值，为了减小电感元件体积，可使用环形磁芯进行线圈绕制。而压敏电阻虽然价格较便宜，但其所吸收的能量转换成热能，使自身发热，其安装时要求与其它元件有一定的距离。所以在实际生产中，应以LC滤波器作为首选。虽然采用电感-电容电路或电阻-电容电路基本上可以达到滤波的作用，但由于在高频下电容引线有很大的电抗，往往削弱了滤波的效果。在某些电机的实验曲线中可以看到，在个别高频段，骚扰电压幅值超过标准的范围，这主要是某一频率下的火花骚扰造成的。因此，要将普通电容换成“穿心式电容”，但由于此类电容价格较贵，所以对于这类电机还需要在电刷与外壳间并联两个电容，以消除这些频率的干扰。1.3压制感应干扰及辐射干扰前面已提到，由于直流电机的换向器电火花产生某些高频的电磁波并在空间传播，对于周围的命干器件和设施产生干扰，通常可采用屏蔽方法进行压制。金属罩对电磁波有较强的屏蔽作用，但由于直流电机为满足散热要求，基本都为开启式结构，且顶部端盖为塑料制成，所以基本上无法采用全金属封闭，因此，采用铁和锌铝合金的电机支架，以及铜质电刷架，就可对电磁感应和辐射产生一定的屏蔽作用，压制部份干扰。2、减少干扰源和敏感电路之间的耦合；由于直流电机所产生的传导干扰最强，其它两种干扰通常采用前述的方法基本都可以达到EMC的标准，因此下面着重研究传导干扰的形式和给出具体滤波电路的参数。2.1公共阻抗干扰分析公共阻抗骚扰是指两个或两个以上存在电连接的电流回路，它们之间有公共阻抗，物理模型见图1所示。针对图一所示模型：当U2=0时，有I1=U1/（Z11+Zeq）其中反之，U2在回路1中产生的骚扰电流为则通过Z12的电流为式（4）中第一项是有效电流的一部分，第二项为骚扰电流的一部分，这样骚扰电压U2在Z11、Z12上产生的骚扰电压为：如果在给定的频率范围内骚扰电压或骚扰电流足够大，以致超过了铭感设备的阀值，则电路会产生不期望的响应。很明显，骚扰电压与公共阻抗的大小成正比，实际设计中，若使有效电流回路与骚扰电流回路只存在一点的电连接，即公共阻抗为零，则可以避免这类传导骚扰。2.2滤波电路实际上，电源的内阻不可能为零，所以传导骚扰通过电源内阻的耦合总是存在，因此在选取滤波电路中的元件参数时，可依据上列方程组，按标准给出骚扰电压范围，计算出相对应的电抗值范围。此外由于安装线路中的电感、电容元件都是固定值，所以还需通过试验来选择一个具有最合适数值的元件。通过计算和试验得到030型70W串激电机性价比较高的滤波电路，如下图所示。 3、把电磁敏感性降低到最小。电磁敏感性是指存在电磁骚扰的情况下，装置设备或系统对自身性能降低的无作为能力。当敏感性低时，抗扰性则强，足以防护电器电子产品免受其它系统有害辐射的影响。由于本文只对洗涤泵电机的电磁兼容进行分析，并按CE标准提出具体方案，所以未对敏感设备加以考虑。三、工厂中对电机的电磁干扰特性一般测试方法1.测试前分析根据上述计算结果，得到电机性价比较高的滤波电路，电路由二个L型(5H电感和3.3F电容)低通滤波器和电源的输入端并接滤波电容(6.8F电容)所组成。但电路的各个技术参数是否是最佳状态，还需进行和测试和验证。2. 测试方法根据GB18655-2002用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法国家标准的要求进行，通常情况下，测试设备由电源、测量接收机、接地平板、人工电源网络组成。由于测量的对象是微弱的连续信号，也是幅值比较大的脉冲信号，这就要求测量接收机本身的噪声小，灵敏度高，检波器的动态变化范围比较大，输入阻抗低，过载能力强。实验设备和被测设备应按下图所示布置与连接：实验时，首先，在没有滤波器的时候进行测试，以确定干扰比较大的频率段。在进行低通滤波器测试时，先以电容+电感的方式进行测试，以确定电容大小，再在最佳电容值的基础上，通过改变电感的大小，选定最佳的测试电感值。在进行电源输入端并接滤波电容测试时，在一定范围内(例如从1F -10F)从小到大依次选取电容，从而获得最佳