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碳刷含銅量高直流電機EMC（30MHz~300MHz超標問題）案例分析
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在現代電機應用領域，有刷直流電機因其獨特優勢被廣泛使用，但其碳刷含銅量過高容易引發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、電機內部電磁特性改變及電刷磨損等方面，并結合實際案例詳細闡述整改方向與措施，旨在為相關技術人員提供參考，助力解決類似EMC問題，提升電機性能與應用可靠性。 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：優點：結構簡單：由定子、轉子、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行供電可以方便地控制電機的轉速和轉向。碳刷含銅量高可使碳刷的導電性能顯著提升。起動力矩大：在啟動時能夠提供較大的力矩，快速達到穩定轉速。這使得它適用于一些需要較大初始力矩的應用場景，如小型電動車、電動工具等，能夠在啟動時迅速帶動負載運轉。效率較高：在正常工作狀態下，有刷直流電機的效率相對較高，可以將電能有效地轉化為機械能。成本較低：由于其結構簡單、制造工藝成熟，有刷直流電機的生產成本相對較低。散熱能力強：銅的導熱性能優異，含銅量高的碳刷能夠更好地散發電機運行過程中產生的熱量，碳刷質地相對較硬，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，進而導致碳刷的價格上升。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：含銅量高導致碳刷導電性能強，過高的導電性能可能會導致電機啟動或停止的瞬間，可能會產生較大的電流沖擊產生很強的電磁干擾。 2、有刷直流電機因其結構簡單、控制方便、起動力矩大等特點，被廣泛應用于以下場合：有刷直流電機被應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調速，并且成本相對較低，在一些小型加工機床、自動化生產線中都有應用。有刷直流電機可用于驅動工作臺的進給運動或主軸的旋轉運動，通過精確的控制實現物料的輸送和定位。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用，例如吸塵器、洗衣機、電風扇、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致EMC不合格，原因主要有以下幾點：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有所變化。在電機運行時，可能導致電刷與換向器之間的接觸不夠緊密和平滑，從而更容易產生電弧形成電磁干擾高頻脈沖噪聲可達500MHz，而且含銅量高的碳刷導電性能好，會使電弧產生的電流變化率更大，進而產生更強的高頻噪聲，通過電機引線和電機縫隙向外輻射，導致EMC不合格。改變電機內部電磁特性：含銅量的變化會影響電機內部磁場的分布和強度。這可能導致電機在運行過程中產生額外的電磁擾動，使電磁兼容性變差影響EMC性能。加劇電刷磨損產生導電顆粒：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生一定的磨損。磨損產生的銅顆粒如果進入電機內部的其他部位，這些導電顆粒可能會在電機內部形成微小的電流通路，導致額外的電磁輻射。 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部電磁干擾的向外輻射，減少對周圍環境的影響。對碳刷架進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，來抑制碳刷轉動產生的高頻輻射，但針對不同品質的電機單單使用BDL濾波器可能達不到想要的效果，因此我們引入了壓敏（MOV）。 5、整改措施：根據客戶需求要在電機中增加霍爾電路，兩極之間耐壓要達到500V以上，結合電機結構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撲并幫客戶設計出原理圖，為下一步PCB Layout提供依據。我們先畫出一個較為復雜的拓撲待測試合格后再進行二次優化。拓撲結構： [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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