汽车用洗涤电机EMC设计

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10～15kHz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3000～5000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4～5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U 2=0时，有I 1=U 1/（Z 11+Z eq ）

其中

反之，U 2在回路1中产生的骚扰电流为

则通过Z 12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，()[]()

222122214312222122214312//Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z eq ++++++++=()()[]

12112211432221221222212/Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z U I +++++=()()12111112222122214312222122214312//Z Z Z I Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z I +-+++++++=

这样骚扰电压U 2在Z 11、Z 12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。

()()

121111121212121112121111//Z Z Z I Z Us Z Z Z I Z Us +=+=

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(5μH电感和3.3μF电容)低通滤波器和电源的输入端并接滤波电容(6.8μF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1μF -10μF)从小到大依次选取电容，从而获得最佳电容值。

四、结论

对于直流永磁电机来说，它所产生的电磁干扰主要频率在10~15kHz范围内，它们是通过电源线向外部传导的，因此必须设计有效的电感-电容滤波电路来减弱或消除传导耦合。由于系统中电磁干扰的产生机理和传递途径较为复杂，各种抑制干扰措施的有效性亦随之而异，指望一种即简单又万能的方法是不现实的。对任何一种功率和结构的电机，都应采取预测和试验相结合的方法来选定元件的数值。