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1、永磁直流电动机换向偏转角对电机EMC的影响微电机永磁直流电动机换向偏转角对电机EMC的影响万鹏(大陆汽车电子有限公司,芜湖241009)摘要:在永磁直流电动机的设计中,换向角的选择对电机的性能有着非常重要的影响,其中根据需要选择合适的换向角是有效改善电动机EMC的重要手段之一.试验结果表明,采用文中提出的改善措施后,对该类电动机的电磁干扰有显着的改善.关键字:永磁直流电动机;电机性能;换向偏转角;EMC中图分类号:TM351;TM33文献标志码:A文章编号:1001.6848(2010)11-0018.03InfectionofMotorEMConCommutationAngleofPerma
2、nentMagnetBrushDCMotorWANPeng(ContinentalAutomotiveWuhuCo.,Ltd,Wuhu241009,China)Abstract:WhendesigningpermanentmagnetDCmotor,chosenangleofcommutationhaveanimportanteffectonperformanceofelectromotor,andchoosecomfortableangleofcommutationisallimportantmethodonimprovingEMCperformanceofelectromotor.Also
3、theanalysisisverifiedbythetestresult.Useoftheimprovementmeasuresproposedinthispaper,thereisasignificantimprovementforthattypeofmotorelec-tromagneticinterferenceeffects.KeyWords:PMDCmotor;Motorperformance;Angleofcommutation;EMC0引言进行比较分析,为优化电机设计提供改善的措施.永磁直流电动机以其结构简单,运行可靠,大转矩,低成本等优点广泛应用于家用电器,办公设备,电动工具,
4、汽车和IT产品.随着生活品质的日益提高,更多电气产品的发展,各行业中对传统意义上的永磁直流电动机的要求也水涨船高,其中在对产品的电磁兼容性(EMC)的要求上以及所产生的矛盾显得尤为突出.电刷与换向器直接接触的固有结构,不可避免的决定了该种电动机在换向过程中所要产生换向火花,而换向的不良将会延伸出各种对电机不利的影响,电磁干扰就是其中由换向不良而延伸出的不利影响之一也是目前解决的难点之一.改变换向偏转角对于改善永磁直流电动机综合性能有着重要的影响.为了提高电机综合性能,改善换向,文中主要针对不同的换向偏转角对电机EMC的影响并对此收稿日期:2010?叭一18?J8?1电磁干扰的产生机理及分析小功
5、率永磁直流电动机实际的换向过程一般属于延迟换向,换向所产生的火花为后边缘火花.一方面,换向元件在换向过程中,电流发生剧烈变化,在元件内产生反电动势j,这是产生电火花的主要因素之一;另一方面,换向器自身的换向结构即换向器片间的边缘效应也是产生电火花的因素之一,如图1所示:换向器换向片可以看作是由接地电容C和每相邻换向片之间片间电容C等效而成.片间电容关系式为:C=C+C(1)在换向过程中电容C会同时进行着充电放电的过程,在电刷断开的瞬间电容未充分放电完毕,继,续放电将会以电火花的形式表现出来.总而言之,换向结束换向元件被断开的瞬间,换向元件储存的永磁直流电动机换向偏转角对电机EMC的影响万鹏电磁
6、能量将以火花的形式释放出来,使换向附近的空气介质电离,在空气中形成带电粒子,从而形成电磁干扰,这是永磁电动机产生电磁干扰的最主要原因之一.图1换向元件电流与时间的关系针对永磁直流电动机,在实际的设计中为了改善换向,电刷常常要偏转几何中心一个角度(移刷),偏转方向是随机的,这样可以在换向过程得到相对充分的能量释放,减小换向时产生的火花,从而改善电机的EMC.2换向偏转角对电机性能的影响2.1换向偏转角的类型及角度的选取永磁直流电动机换向偏转角可分为换向提前角和换向滞后角两种类型,所表现出的换向方式为超前换向与延迟换向,式(2)为元件在换向时的回路方程:Ri+(k+Rb1)i一(k+Rb2)i=e
7、(2)其中Ri为元件自身电阻,为元件与换向片的连接电阻,R与分别为相连换向片与电刷的连接电阻.如图2所示:且线抉f叫i2换向元件电流与时间的关系当e=0时换向元件电流随时间线性变化,当Ze>0换向元件电流随时间不再是线性变化,出现电流延迟的现象为延迟换向,当e<0换向元件电流随时间不再是线性变化,出现电流超前的现象为超前换向.在样本选取中,电机换向偏转角度的选择以在0.时作为参考,即电枢磁动势轴线与几何中心线重合.换向偏转提前角度分别选取:8.5.,16.5.,22.5.,换向偏转滞后角度选取16.5.同换向提前角作验证对比.2.2换向偏转角对电机基本性能的影响所用于标样的永磁直流
8、电动机(换向偏转角度为0.)的额定功率为35w,额定电压为12V,额定电流为6A,极数为2极,内转子结构,转子铁心槽数为8,转子每槽导体数为40,转子导线并绕根数为1,单叠绕组.同时为了更加准确的还原换向偏转角对电机EMC的影响,电机做了特殊处理,去除了电机内部所用于优化电机EMC的滤波电路,如:由电容器与电感组成的Lc滤波网络,接地旁路等.下面通过换向偏转角的变化综合分析换向偏转角对电机的基本性能,EMC的影响.表1是不同换向偏转角对电机力矩特性的影响.选择了相同的负载转矩点66.7mN?m作为定值,以方便模拟相同电机工作点下的力矩特性,进行有针对性的比较.表1不同换向偏转角对电机基本性能的
9、影响0.8.5.16.5.22.5.0.,16.5.49.435.79492149.185.84493846.946.2l50l140.666.91482744.916.51502566.766.766.766.766.7通过表1数据的对比分析,可以明显的发现电动机基本性能的变化趋势:随着换向角度的增大,在相同负载转矩点即在相同的工作负载下电机的效率呈衰减趋势,负载电流呈递增趋势,负载转速呈递增趋势,综合而言电机实际的负载能力在衰减.同时对比换向提前角16.5.与换向滞后角16.5.的结果可见,超前换向的电机效率要比延迟换向的电机效率要高很多.2.3换向偏转角对电机EMC的影响按照CISPR2
10、5:2002(Radiodisturbancecharactreristicsfortheprotectionofreceiversusedonboardvehicles,boats,andondevicesLimitsandmethodsofmeasurement)的规定,通过接收器ESU8接收测试信号,测试电机的骚扰电压,并按照该标准对车载电器规定的频率测试范围在0.15kHz一108MHz.图37为所选5种不同换向偏转角的骚扰电压测试图形:A是骚扰电压峰值(peak)的预扫波形,B是骚扰电压?,9?微电机(AV)平均值的预扫波形.?2D?Frequen(yilHz图3换向偏转角0.时骚扰
11、电压波形图图4换向提前角8.5.时骚扰电压波形图图5换向提前角16.5.时骚扰电压波形图图6换向提前角22.5.时骚扰电压波形图150k4008002M4M610M80M508OFrequencyinHz图7换向滞后角16.5.时骚扰电压波形图3结论通过以上数据,图形的比较分析,可见永磁直流电动机采用不同的换向偏转角对电机的综合性能产生了重要的影响.首先,换向滞后角与提前角的比较:无论是电机的基本性能还是电机的EMC结果,提前角都要比滞后角所表现出来的性能优越;其次,在不同的换向提前角度的比较中可见:在换向方式为超前换向时,换向偏转角度在8.5.(设计时选取偏转角度6.一15.为合适的经验值)
12、时取得的电机性能以及EMC结果是最符合设计优化要求的(另外两组换向提前角的对EMC的影响虽然也有较大的改善,但对电机的力矩特性衰减的较为严重)通过改变换向偏转角度来改善电机换向,以达到有效的抑制电磁干扰的结果是显着的.但是在设计换向偏转角中,由于电刷偏离了几何中心线,对磁路实际的拟合结果是减小了电机的磁通量,电机不可避免的要以损失掉一部的分电磁能作为代价,其实际结果通过表1可以明显地得出这样的结论.所以在实际设计电机时按照产品的需要进行有针对性的取舍以及寻找电机性能与电机EMC二者之间的平衡点就显得尤为重要了.参考文献1唐任远.现代永磁电机理论与设计M.北京:机械工业出版社,1997:126128.2赵清.小型电动机M.北京:电子工业出版社,2003:171.3Benecke,J.AutomaticHFModelGenerationandImpedanceOpti-mizationforLowVoltageDCMotorsJ.IEEE,2008(9):16.4黄惠珍.电吹风骚扰电压和骚扰功率的抑制措施J.安全与电磁兼容,2007(2):6971.5林瑞光.电机与拖动基础M.杭州:浙江大学出版社,2002.2930.作者简介:万鹏(1981一),男,工程师,主要从事永磁直流电动机的设计与研发.如舳印如如加m=2>i_!一>o一
