?有刷電機(jī)的RE整改

有刷電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時因電刷與換向器的之間的摩擦、疊加電流的通斷，會產(chǎn)生電火花，伴隨著較寬頻帶范圍內(nèi)均有許多高頻窄帶干擾噪聲（毛刺），在我司以往的整改案例中可以明顯看到電火花對應(yīng)的干擾噪聲在頻譜上的清晰顯示，詳情如下：

1. 比創(chuàng)達(dá)整改實(shí)例

如圖1為某手持式吸塵器產(chǎn)品（24V電池供電）的RE初始超標(biāo)1dB，圖2為某窗簾電機(jī)（AC 220V供電）的RE初始超標(biāo)7dB：

圖1 某吸塵器產(chǎn)品RE測試超標(biāo)數(shù)據(jù)

圖2 某窗簾電機(jī)RE測試超標(biāo)數(shù)據(jù)

從兩張頻譜圖中也可以看出在100MHz~1Ghz范圍內(nèi)，均有許多毛刺（無刷電機(jī)的頻譜就比較順滑，參見上一篇推文），這個主要就是因?yàn)橛兴㈦姍C(jī)的電刷與換向器之間高速摩擦及電流快速通斷產(chǎn)生的電火花導(dǎo)致（詳見第2節(jié)原理描述）。

兩個產(chǎn)品的RE頻譜還是有些微差別的，圖1的頻譜中毛刺雖然多但幅度不是很高，幅值超標(biāo)主要還是因?yàn)橐恍┐蟮陌j(luò)幅值較大（一般是電源模塊的噪聲）；圖2的包絡(luò)幅值較大，毛刺的幅值也較圖1更大；推測是窗簾電機(jī)產(chǎn)品相對吸塵器產(chǎn)品負(fù)載更大、功率也更大、相對的電流也會更大，在換向器切換時其di/dt也更大；所以對窗簾電機(jī)產(chǎn)品除了電源供電模塊、電機(jī)端也作了處理。最終二者整改后的結(jié)果如圖3、4所示：

圖3 吸塵器產(chǎn)品RE整改后的RE測試PASS數(shù)據(jù)

圖4 整改后的RE測試PASS數(shù)據(jù)

2. 有刷電機(jī)原理及其EMI噪聲源

有刷電機(jī)（顧名思義，它是有兩把刷子的），是通過電刷來與換向器的相對轉(zhuǎn)動、實(shí)現(xiàn)電流方向的自動切換、改變轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生的感生磁場方向、相對永磁體定子產(chǎn)生連續(xù)的推拉作用、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動：

如圖5，是一個簡易的單線圈+一對換向器瓣+電刷的相互作用示意圖，電刷相對換向器運(yùn)動，在某一瞬間，電刷在換向器的縫隙處“白駒過隙”；換向器A瓣原本接電源正極（a電刷），經(jīng)過縫隙后，A瓣與電源負(fù)極（b電刷）接觸，即實(shí)現(xiàn)了線圈中的電流方向切換，不管是基于左手定則還是右手螺旋定則、線圈中電流方向變化都會對應(yīng)著線圈的感應(yīng)磁場方向發(fā)生變化，所以若設(shè)置好線圈在換向器上的固定位置，就可以保證在電流換向的瞬間，線圈磁場方向剛好與定子磁場方向垂直，那就會實(shí)現(xiàn)定子磁極對線圈感生磁極的連續(xù)推拉。

圖5 有刷電機(jī)電流切換示意

因此，有刷電機(jī)的控制電壓/電流在切換瞬間理論上是不發(fā)生改變的，只是因?yàn)闄C(jī)械作用而實(shí)現(xiàn)了電氣換向。所以對有刷電機(jī)來說，除了供電模塊自身的AC-DC及DC-DC模塊產(chǎn)生的共模噪聲，有刷電機(jī)的噪聲主要來源就是電刷與換向器高速摩擦及電流快速切換產(chǎn)生的電火花/高頻噪聲。相應(yīng)的有刷電機(jī)EMI設(shè)計(jì)整改措施也是針對這兩大類噪聲源進(jìn)行處理：

圖6 電刷處產(chǎn)生的電火花示意

上面也從頻譜中分析了兩個產(chǎn)品頻譜的細(xì)微差別，最終也反應(yīng)到了二者的整改措施上：

針對吸塵器產(chǎn)品，主要針對其DC-DC供電模塊做處理（如圖7）：

① 電機(jī)供電線纜套一個磁環(huán)（BTRC02TT057）

② 電機(jī)供電模塊輸出串LRC濾波器（BTREF3216A6R121）

③ 電感由普通非屏蔽電感換成一體式屏蔽電感

④電機(jī)供電模塊電感與SW腳之間對地加RC（10R/103）

圖7 吸塵器電機(jī)整改

針對窗簾電機(jī)，如圖8，除了對供電模塊做處理，還針對電機(jī)做了屏蔽處理（PCB板GND接電機(jī)外殼）：

① 在馬達(dá)供電線上串一個共模電感（BWMF702P102P3A）

② 在馬達(dá)供電線正負(fù)極上各串一個LRC濾波器 (BTREF3216A3R221）

③ 用銅箔把馬達(dá)驅(qū)動板的地與金屬外殼連接起來

圖8 窗簾電機(jī)整改

3.小結(jié)

• 有刷電機(jī)除了供電模塊產(chǎn)生的噪聲，另一主要噪聲源為電刷處產(chǎn)生的電火花帶來的高頻窄帶噪聲。

• 因電火花的高頻特性，針對其濾波措施要就近處理，即濾波器件需直接加在電機(jī)的電極處（量產(chǎn)可專門做插件小板），許多情況下電極端的有效措施加在PCB端就失去了作用。
  

• 若電機(jī)的驅(qū)動板直接貼在電極處，可以利用PCB的地平面作為一個屏蔽面與電極外殼構(gòu)成一個較完整的屏蔽殼。