中心議題：

• EMI產(chǎn)生的根源
• 抑制電抗電勢(shì)的方法

解決方案：

• 削弱換向過(guò)程產(chǎn)生的電抗電勢(shì)

電磁兼容性反映了電子設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾能力，它包含兩個(gè)方面的要求:一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值即EMI(ElectromagneticInterference);另一方面是指設(shè)備對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性EMS(ElectromagneticSusceptibility),商用電氣產(chǎn)品為取得某一市場(chǎng)的銷售資格，其EMI水平必須通過(guò)強(qiáng)制性認(rèn)證，即達(dá)到某一標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)的IECCISPRI4-1，歐洲的 EN55014-1，或中國(guó)的GB4343.1等等。各類標(biāo)準(zhǔn)事實(shí)上是等效的川。

1EMI產(chǎn)生的根源

對(duì)于由小型永磁直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各類產(chǎn)品，通常只有EMI的問(wèn)題。EMI可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾:傳導(dǎo)干擾是指干擾能量沿著電纜以干擾電壓的形式傳播;輻射干擾是指干擾能量以電磁波的形式通過(guò)空間將其信號(hào)藕合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。

為限制永磁電機(jī)的EMI，必須搞清干擾源才能有效對(duì)電磁干擾加以抑制。在由永磁直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各種工業(yè)產(chǎn)品中，EMI的來(lái)源主要包括:

L1電機(jī)的火花
火花使換向區(qū)域附近的空氣介質(zhì)電離，在空氣中形成帶電粒子，形成電磁干擾;

L2非線性器件
可控硅、整流二極管以及晶體管開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和截止的工作特性會(huì)產(chǎn)生高頻諧波干擾;

1.3電機(jī)的磁路
過(guò)于飽和的磁路也會(huì)產(chǎn)生較大的電磁干擾。

在產(chǎn)品中加裝濾波器以及采用各種屏蔽手段可以有效地抑制EMI，但從根源上消除干擾源的干擾同樣重要。在上述各干擾源中，直流電機(jī)在換向過(guò)程中產(chǎn)生的火花，由于其成因復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中常常難以控制。

表面上，電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的各種不良工藝都會(huì)加劇運(yùn)行中的火花，必須加以控制，如換向器表面的精車水平包括圓度、跳動(dòng)、光潔度，轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡水平，此外，彈簧的壓力以及碳刷的材質(zhì)都會(huì)對(duì)火花的大小產(chǎn)生極大的影響。

理論上，火花產(chǎn)生的根源是換向中產(chǎn)生的各種電動(dòng)勢(shì)，包括電抗電勢(shì)及變壓器電勢(shì)，換向片上的片間電壓以及轉(zhuǎn)子上的電樞反應(yīng)等。這其中，電抗電勢(shì)是最主要的。

換向時(shí)，電樞電流在極短的時(shí)間內(nèi)變換方向，線圈電流的換向過(guò)程由圖1簡(jiǎn)示。

2抑制電抗電勢(shì)的方法

由上述分析可知，抑制永磁直流電機(jī)EMI的根本在于有效地削弱換向過(guò)程產(chǎn)生的電抗電勢(shì)。當(dāng)然，前提是必須保證電機(jī)生產(chǎn)工藝及電機(jī)在產(chǎn)品中裝配的穩(wěn)定性。這里僅限從理論上探究抑制電抗電勢(shì)的方法。

根據(jù)(1)，削弱電抗電勢(shì)的手段包括調(diào)整定轉(zhuǎn)子線圈匝數(shù)比或依靠增加換向片數(shù)來(lái)減少每線圈匝數(shù)以減小電感，或適當(dāng)加大碳刷寬度以增加換向周期，另外，增大碳刷的電阻率亦可減小電抗電勢(shì)對(duì)換向的阻礙。

但是，在工程實(shí)際中，上述條件只能非常有限的被滿足。比如，匝數(shù)比太大會(huì)造成磁路過(guò)度飽和，反而會(huì)惡化EM1;同時(shí)過(guò)高的定子槽滿率不僅會(huì)降低電機(jī)的過(guò)載能力，也會(huì)影響生產(chǎn)效率;又如，受限于生產(chǎn)工藝水平，換向片數(shù)也無(wú)法太大。至于碳刷電阻率，受發(fā)熱限制，亦無(wú)法無(wú)限度提高。所以，設(shè)法在換向過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)與電抗電勢(shì)反向的電動(dòng)勢(shì)將其抵消將是抑制火花和EMI的最有效的方法。

眾所周知，直流電機(jī)在磁極間加裝換向極可以產(chǎn)生與電抗電勢(shì)相反的電勢(shì)，但小型直流電機(jī)受空間所限，不便加裝換向極，所以，絕大多數(shù)設(shè)計(jì)都采用逆電機(jī)轉(zhuǎn)向偏移碳刷位置的方法來(lái)達(dá)到與加裝換向極相同的效果[zJ。與偏移碳刷位置效果相同、精度更高、被現(xiàn)代生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用更廣泛的手段是，在轉(zhuǎn)子繞

線的過(guò)程中直接產(chǎn)生磁場(chǎng)借偏。雖然國(guó)際國(guó)內(nèi)各大電機(jī)制造公司及研究機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子借偏角的定義不盡相同，但事實(shí)上卻有同樣的理論基礎(chǔ)，這里不加贅述。

圖3及圖4分別表示了轉(zhuǎn)子在借偏前后的電流分布:


借偏有其特定的方向性，即對(duì)于已經(jīng)制造完畢的有借偏的轉(zhuǎn)子，其借偏的作用只對(duì)電機(jī)在某單方向有效，換言之，若轉(zhuǎn)向相反，則該借偏會(huì)惡化換向及EMI。其原理在于借偏角的方向必須與電機(jī)的轉(zhuǎn)向一致，才可保證換向過(guò)程由借偏產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與電抗電動(dòng)勢(shì)向反。

借偏角度亦不可過(guò)大。由于借偏相當(dāng)于減小了轉(zhuǎn)子的有效匝數(shù)，過(guò)大的借偏角度需要更多的線圈匝數(shù)來(lái)彌補(bǔ)，過(guò)多的用銅(鋁)勢(shì)必增加損耗，降低效率;同時(shí)，過(guò)大的借偏有時(shí)反而不利于電抗電動(dòng)勢(shì)的抵消。在工程實(shí)際中，必須在火花抑制和電機(jī)性能中尋找最佳的平衡點(diǎn)，不可偏廢。

必須指出，電機(jī)同其它工業(yè)產(chǎn)品一樣，其最終的性能絕不僅僅決定于電磁設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。事實(shí)上，制造水平及工藝穩(wěn)定性是保證好的電機(jī)設(shè)計(jì)的根本。

以下舉兩例說(shuō)明工藝對(duì)EMI的影響。

例1換向器的精車水平。
若生產(chǎn)廠家的換向器精車水平不足，造成成品電機(jī)轉(zhuǎn)子換向器表面的圓度及跳動(dòng)不良，則電機(jī)在高速運(yùn)行中，碳刷與換向器表面不能保持良好的接觸，時(shí)斷時(shí)合，在斷開(kāi)的瞬間，電流被試圖強(qiáng)制歸零，這會(huì)造成很大的電抗電勢(shì)，產(chǎn)生火花進(jìn)而惡化EMI。

例2永磁體的充磁。
理想狀態(tài)下，充磁后的兩極應(yīng)具有相同的磁場(chǎng)分布川，且以磁極中心線為界，兩側(cè)的磁場(chǎng)應(yīng)具有單一的磁性。若充磁過(guò)程中，由于充磁工裝的原因造成磁場(chǎng)分布混亂，如圖5所示。


則會(huì)嚴(yán)重影響EMi，且不易被發(fā)現(xiàn)。以圖5為例.兩磁極在靠近中性線的位置處均有與該磁極極性相反的一段反波.仔細(xì)分析借偏的原理可知，該反波事實(shí)上相當(dāng)于一個(gè)與正常換向極作用相反的附加磁極，當(dāng)其被轉(zhuǎn)子換向線圈切割時(shí)，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與電抗電動(dòng)勢(shì)同向，也就是會(huì)惡化換向;當(dāng)其分布角度超過(guò)借偏角度時(shí)，會(huì)完全抹殺借偏的作用。

抑制換向時(shí)產(chǎn)生的電抗電勢(shì)對(duì)于小型直流電機(jī)EMI的抑制十分關(guān)鍵。在影響小型直流電機(jī)EMI的各項(xiàng)因素中，火花的控制歷來(lái)是難度較大的工作。具體到工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)上必須完美平衡電機(jī)的換向和性能，工藝上必須保證應(yīng)有的水平與穩(wěn)定，才可以做出滿足各個(gè)強(qiáng)制性認(rèn)證的合格的工業(yè)產(chǎn)品。
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