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碳刷含铜量高直流电机EMC（30MHz~300MHz超标问题）案例分析
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- 在现代电机应用领域，有刷直流电机因其独特优势被广泛使用，但其碳刷含铜量过高容易引发EMC不合格的问题。 本文深入剖析此问题的成因，涵盖碳刷与换向器间电弧、电机内部电磁特性改变及电刷磨损等方面，并结合实际案例详细阐述整改方向与措施，旨在为相关技术人员提供参考，助力解决类似EMC问题，提升电机性能与应用可靠性。 1、碳刷含铜量高的直流电机是一种常见的电机类型，具有以下特点： 优点： 结构简单：由定子、转子、换向器和电刷等主要部件组成。通过改变输入电压的大小和方向，使用简单的直流电源进行供电可以方便地控制电机的转速和转向。碳刷含铜量高可使碳刷的导电性能显著提升。 起动力矩大：在启动时能够提供较大的力矩，快速达到稳定转速。这使得它适用于一些需要较大初始力矩的应用场景，如小型电动车、电动工具等，能够在启动时迅速带动负载运转。 效率较高：在正常工作状态下，有刷直流电机的效率相对较高，可以将电能有效地转化为机械能。 成本较低：由于其结构简单、制造工艺成熟，有刷直流电机的生产成本相对较低。 散热能力强：铜的导热性能优异，含铜量高的碳刷能够更好地散发电机运行过程中产生的热量，碳刷质地相对较硬，且具有较好的耐磨性，延长它们的使用寿命降低维护成本。 缺点： 成本较高：铜是一种相对昂贵的金属，碳刷中含铜量高会增加材料成本，进而导致碳刷的价格上升。 硬度较大：虽然一定的硬度有助于耐磨性，但含铜量高导致碳刷过硬，可能会对换向器表面造成较大的磨损。 EMI干扰：含铜量高导致碳刷导电性能强，过高的导电性能可能会导致电机启动或停止的瞬间，可能会产生较大的电流冲击产生很强的电磁干扰。 2、有刷直流电机因其结构简单、控制方便、起动力矩大等特点，被广泛应用于以下场合： 有刷直流电机被应用于电动汽车和电动摩托车中，它能够提供较大的起动力矩，可以通过简单的控制器实现调速，并且成本相对较低，在一些小型加工机床、自动化生产线中都有应用。有刷直流电机可用于驱动工作台的进给运动或主轴的旋转运动，通过精确的控制实现物料的输送和定位。 另外，由于有刷直流电机便携、易于控制的特点，使其在家用电器、电动工具和玩具中被广泛应用，例如吸尘器、洗衣机、电风扇、电钻、遥控车、机器人玩具等，有刷直流电机可以通过简单的电路控制来满足不同的程序需求。 3、有刷直流电机碳刷含铜量高可能导致EMC不合格，原因主要有以下几点： 电刷与换向器间电弧加剧：含铜量高使碳刷硬度增加，与换向器表面的接触电阻会有所变化。在电机运行时，可能导致电刷与换向器之间的接触不够紧密和平滑，从而更容易产生电弧形成电磁干扰高频脉冲噪声可达500MHz，而且含铜量高的碳刷导电性能好，会使电弧产生的电流变化率更大，进而产生更强的高频噪声，通过电机引线和电机缝隙向外辐射，导致EMC不合格。 改变电机内部电磁特性：含铜量的变化会影响电机内部磁场的分布和强度。这可能导致电机在运行过程中产生额外的电磁扰动，使电磁兼容性变差影响EMC性能。 加剧电刷磨损产生导电颗粒：虽然含铜量高的碳刷本身耐磨性较好，但在长期使用过程中，与换向器的摩擦仍会产生一定的磨损。磨损产生的铜颗粒如果进入电机内部的其他部位，这些导电颗粒可能会在电机内部形成微小的电流通路，导致额外的电磁辐射。 4、整改方向： 加强电磁屏蔽：把电机的金属外壳充分接地确保外壳接地良好。这样可以有效阻挡电机内部电磁干扰的向外辐射，减少对周围环境的影响。对碳刷架进行屏蔽处理并与电机外壳接地相连，这样可以防止碳刷与换向器之间产生的电磁干扰通过碳刷架传播到电机外部。 使用滤波器件：在电机的电源输入端安装合适的滤波器件如共模电感，电容等，截止高频干扰信号通过电源线传播。在碳刷与电机绕组之间并联合适容量的电容用于旁路高频干扰电流。使用BDL滤波器，来抑制碳刷转动产生的高频辐射，但针对不同品质的电机单单使用BDL滤波器可能达不到想要的效果，因此我们引入了压敏（MOV）。 5、整改措施： 根据客户需求要在电机中增加霍尔电路，两极之间耐压要达到500V以上，结合电机结构和实际测试情况综合考量，必须去掉电机原有的塑胶件，电容耐压要选择不低于1000V，耐压达1000V的贴片电容，容值相对较低，这就需要在电路中尽可能多的使用0.1UF/1KV的贴片电容增加滤波效果，只能通过重新设计电路板来增加霍尔电路并解决EMC问题，就此我们先画出滤波电路的拓扑并帮客户设计出原理图，为下一步PCB Layout提供依据。我们先画出一个较为复杂的拓扑待测试合格后再进行二次优化。 拓扑结构： [电源输入] → [高频电容] → [共模扼流圈] → [电容] → [DBL] → [高频电容]→ [差模电感]→ [压敏电阻]
