侯 群，張 龍，彭 馨，周一帆（江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

汽車(chē)用直流電機(jī)的電磁干擾測(cè)試及抑制技術(shù)研究

侯 群，張 龍，彭 馨，周一帆
（江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

汽車(chē)電機(jī)是汽車(chē)內(nèi)主要電磁干擾源之一，屬于寬帶干擾源。以汽車(chē)空調(diào)電動(dòng)機(jī)為例，對(duì)車(chē)用直流電機(jī)的電磁干擾形成機(jī)制、測(cè)試方法和抑制措施進(jìn)行了研究，提供了一種用于微電機(jī)多點(diǎn)接地寬頻帶EMC的濾波電路，并對(duì)其干擾特性進(jìn)行了測(cè)試與分析。結(jié)果顯示：此濾波電路能有效抑制汽車(chē)空調(diào)電動(dòng)機(jī)的差模和共模干擾信號(hào)，提高濾波性能，使其傳導(dǎo)干擾電壓和輻射干擾電壓均滿(mǎn)足歐盟EN 55014-1∶2006+A1∶2009+A2∶2011標(biāo)準(zhǔn)要求。

電磁兼容；傳導(dǎo)干擾；輻射干擾；差模干擾；共模干擾；直流電機(jī)

0 引言

汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展和汽車(chē)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)極大地促進(jìn)了各類(lèi)電氣、電子和信息設(shè)備在汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用，應(yīng)用電子技術(shù)的程度已成為提升汽車(chē)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)變速系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及行駛系統(tǒng)中，對(duì)汽車(chē)的安全性、可靠性、舒適性起著決定性作用。

隨著越來(lái)越多的高科技汽車(chē)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，人們對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品的電磁兼容性［1］越來(lái)越重視。汽車(chē)電子電器設(shè)備所產(chǎn)生的電磁波會(huì)對(duì)周?chē)沫h(huán)境產(chǎn)生電磁污染，同時(shí)，外界的電磁干擾也會(huì)對(duì)汽車(chē)上的電子產(chǎn)品正常工作帶來(lái)不利影響。因此，解決汽車(chē)電子設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題，提高汽車(chē)的可靠性和安全性已經(jīng)成為一個(gè)非常重要和迫切的問(wèn)題。我國(guó)已將汽車(chē)的電磁兼容性要求納入汽車(chē)公告和國(guó)家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證范圍。但由于我國(guó)在汽車(chē)電器零部件電磁干擾抑制方面的工作剛剛起步，許多廠家還未在汽車(chē)電器零部件的設(shè)計(jì)階段考慮電磁干擾的抑制措施。如何采取一些干擾抑制措施使汽車(chē)電器零部件的電磁干擾達(dá)到國(guó)際水平，是擺在汽車(chē)電器零部件生產(chǎn)廠家面前的一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

直流電機(jī)［2］不僅廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品和工礦企業(yè)，在汽車(chē)上也有很多應(yīng)用，如汽車(chē)雨刮器電機(jī)和噴水泵電機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)電機(jī)、電動(dòng)窗驅(qū)動(dòng)電機(jī)、座椅調(diào)整電機(jī)、倒車(chē)鏡調(diào)整電機(jī)等。由于直流電機(jī)特殊的工作原理和結(jié)構(gòu)特性，決定了它是系統(tǒng)中電磁干擾產(chǎn)生的一個(gè)重要來(lái)源。其產(chǎn)生電磁干擾的原因主要有兩點(diǎn):一是換向片火化問(wèn)題，二是對(duì)前置整流電路產(chǎn)生的反電勢(shì)暫態(tài)現(xiàn)象，如不進(jìn)行EMC防護(hù)處理，絕大部分直流電機(jī)無(wú)法通過(guò)各國(guó)關(guān)于EMC強(qiáng)制認(rèn)證的限值標(biāo)準(zhǔn)，其中以出口歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的產(chǎn)品尤其得到重點(diǎn)關(guān)注。

1 汽車(chē)空調(diào)電機(jī)電磁干擾形成機(jī)制

汽車(chē)空調(diào)用永磁直流電動(dòng)機(jī)中有兩個(gè)最基本的電磁現(xiàn)象［3-4］，一是開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)在工作時(shí)反復(fù)的開(kāi)閉造成電流，頻譜約為10 kHz～1 GHz，并且在電源網(wǎng)絡(luò)中傳播，向周?chē)臻g輻射，且由于逆變器體積越來(lái)越小，其高頻寄生參數(shù)的影響較大，會(huì)在輸出電壓電流中產(chǎn)生高頻振蕩，很容易產(chǎn)生電磁干擾，易影響到電子設(shè)備甚至是整個(gè)設(shè)備的正常工作。圖1為永磁直流電機(jī)正常工作時(shí)的電路圖，其中Ea為電樞電勢(shì)，Ia為電樞電流，U為電源電壓，Ra為電樞繞組電阻。在不考慮電刷壓降的情況下，電機(jī)的電勢(shì)平衡方程為U=Ea+IaRa。當(dāng)電機(jī)突然斷開(kāi)時(shí)電源電壓U=0，由于電機(jī)斷開(kāi)時(shí)間一般在微秒級(jí)，在如此短暫的時(shí)間內(nèi)電樞電流突然變?yōu)榱悖斐善渥兓史浅４?，由于繞組自感L通常為十幾毫亨，電機(jī)兩端將出現(xiàn)很高的瞬態(tài)電壓，即V（t）=-L（dia/dt）。其最高峰值可達(dá)-300 V，持續(xù)時(shí)間達(dá)到300 ms，它不但具有浪涌性質(zhì)，而且具有豐富的諧波，可能引起電子控制系統(tǒng)的邏輯錯(cuò)誤，甚至導(dǎo)致部分敏感器件或固體組件的損壞。

第二個(gè)電磁現(xiàn)象是換向器在磁場(chǎng)中換向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)引起電磁干擾，如圖2所示。電機(jī)內(nèi)部主要由以下幾部分組成:主磁極、電刷、換向片、電樞鐵心和線圈、金屬外殼，由換向片構(gòu)成的整體稱(chēng)為換向器。在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于換向的原因，轉(zhuǎn)子切割磁力線以及電刷與換向片接觸摩擦產(chǎn)生了電磁干擾，產(chǎn)生的高頻瞬變電壓都具有頻譜寬、諧波豐富的特點(diǎn)，電機(jī)向外傳播的電磁干擾有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指電機(jī)內(nèi)部電路發(fā)出并沿外部電源線向外傳播的電磁干擾；輻射干擾是指由電機(jī)內(nèi)部磁路發(fā)出并經(jīng)外部空間以電磁波的形式向外傳播的干擾。傳導(dǎo)發(fā)射是直流電機(jī)電磁干擾中的重要特性，許多寬頻帶干擾噪聲信號(hào)都通過(guò)電源線向外發(fā)射，這些干擾電磁波頻率約為0.15～1 000 MHz，干擾的頻帶是很寬的。另外各種線圈中的寄生電容、耦合電容、接地阻抗不能絕對(duì)為零，線圈對(duì)地分布電容、電樞反應(yīng)引起磁場(chǎng)波形畸變、換向不良等在幾十兆赫到上千兆赫的頻率范圍中都有很強(qiáng)的輻射干擾。這些頻率范圍基本上覆蓋了廣播、通訊、導(dǎo)航等電子設(shè)備和系統(tǒng)的工作頻率，因此系統(tǒng)中的設(shè)備、裝置或系統(tǒng)本身很可能就會(huì)受到干擾影響，嚴(yán)重時(shí)設(shè)備和系統(tǒng)將無(wú)法正常工作，同時(shí)也影響了人們的正常生活。

圖1 電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的電路圖Fig.1 Circuit with nomal operating of motor

圖2 永磁直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of permanent magnet DC motor

2 汽車(chē)空調(diào)電機(jī)電磁干擾測(cè)試方法

筆者對(duì)車(chē)用空調(diào)直流電機(jī)（12V/15A）自帶的濾波電路進(jìn)行了測(cè)試。自帶的濾波器是一種X2Y型濾波電路，能抑制串音，不受電流限制，對(duì)共模和差模噪聲有一定的抑制作用。測(cè)試參考?xì)W盟的EN 55014-1∶2006+A1∶2009+A2∶2011電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，即《GB 4343.1-2009家用電器、電動(dòng)工具及類(lèi)似設(shè)備的要求 第1部分:發(fā)射》［5］。試驗(yàn)分為傳導(dǎo)干擾電壓測(cè)試和輻射干擾電壓測(cè)試。

2.1 傳導(dǎo)干擾電壓發(fā)射測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是檢測(cè)電機(jī)是否會(huì)通過(guò)同一供電回路對(duì)其他車(chē)載零部件產(chǎn)生超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值的干擾。試驗(yàn)的測(cè)量頻率范圍是150 kHz～30 MHz，測(cè)試點(diǎn)頻寬設(shè)置為120 kHz。采用德國(guó)羅德與施瓦茨公司的EMI信號(hào)接收器和ESH3-Z5人工電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電機(jī)傳導(dǎo)干擾電壓測(cè)試。傳導(dǎo)干擾電壓測(cè)試原理框圖如圖3所示。被測(cè)設(shè)備空調(diào)直流電機(jī)（EUT）與交流電源間通過(guò)人工電源網(wǎng)絡(luò)相連，在電源線兩端檢測(cè)傳導(dǎo)干擾電壓。表1是歐盟EN 55014-1∶2006+A1∶2009+A2∶2011電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)中要求的傳導(dǎo)干擾電壓限值。

圖3 傳導(dǎo)干擾電壓試驗(yàn)布置Fig.3 Experimental setting of conducted interference voltage

表1 傳導(dǎo)干擾電壓限值Tab.1 Limit value of conducted interference voltage

圖4與圖5所示為12 V直流電機(jī)在開(kāi)啟狀態(tài)下傳導(dǎo)干擾電壓的準(zhǔn)峰值與平均值測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果分析可知，自帶EMI濾波器的車(chē)用空調(diào)電機(jī)的傳導(dǎo)電磁干擾準(zhǔn)峰值最大可達(dá)73 dBμV左右，相線L線與零線N線在250 kHz左右的低頻段都有部分頻點(diǎn)的干擾超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖4 L線傳導(dǎo)輻射頻率特性曲線Fig.4 Characteristic curve of transmission and radiation frequency of L line

圖5 N線傳導(dǎo)輻射頻率特性曲線Fig.5 Characteristic curve of transmission and radiation frequency of N line

2.2 輻射干擾電壓發(fā)射測(cè)試試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是確定電機(jī)是否會(huì)對(duì)車(chē)載無(wú)線電通信和其他車(chē)載電子儀器產(chǎn)生超過(guò)限值的輻射電壓干擾，輻射干擾電壓限值測(cè)量頻率范圍為30～1 000 MHz，測(cè)試點(diǎn)頻寬設(shè)置為120 kHz。根據(jù)EN 55014-1的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)天線與被測(cè)設(shè)備相距3 m時(shí)，要求30～240 MHz輻射干擾電壓準(zhǔn)峰值低于40 dBμV/m，240～1 000 MHz低于47 dBμV/m。圖6是測(cè)試汽車(chē)空調(diào)電機(jī)電源線輻射干擾的試驗(yàn)布置，試驗(yàn)在電波暗室（ALSE）中進(jìn)行，被測(cè)設(shè)備及其連接線纜、模擬負(fù)載等被放置在一張0.8 m高的可360°旋轉(zhuǎn)木制試驗(yàn)桌上。被測(cè)設(shè)備EUT與放置在天線塔上的接收天線距離為3 m，天線高度在1～4 m間可調(diào)，采用雙錐和對(duì)數(shù)周期寬帶天線進(jìn)行水平與垂直方向的檢測(cè)，為了檢測(cè)到最大的輻射電壓，接口線纜要根據(jù)EN 55014-1的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接。圖7是12 V直流電機(jī)在開(kāi)啟狀態(tài)下輻射干擾電壓的準(zhǔn)峰值測(cè)試結(jié)果，從測(cè)試結(jié)果分析可知，自帶EMI濾波器的車(chē)用空調(diào)電機(jī)水平方向的輻射電磁干擾準(zhǔn)峰值最大可達(dá)70 dBμV/m左右，在30～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)輻射干擾電壓均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值，不能滿(mǎn)足客戶(hù)要求。

圖6 電源線輻射電壓的實(shí)驗(yàn)布置圖Fig.6 Experimental setting of radiated voltage of power cord

圖7 水平方向的輻射干擾電壓幅頻特性曲線Fig.7 Amplitude-frequency characteristic curve of radiated interference voltage along horizontal line

3 汽車(chē)空調(diào)電機(jī)電磁干擾抑制措施

電磁干擾抑制的方法有多種，目前常采用的有屏蔽、濾波、接地、阻尼。其中濾波法已成為抑制電磁干擾的重要方法。在電磁兼容設(shè)計(jì)中，濾波是十分關(guān)鍵而又較為復(fù)雜的技術(shù)，濾波器是防護(hù)傳導(dǎo)干擾和輻射干擾的主要措施［6-7］。為了減小有刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁干擾，目前廣泛采用在電樞線圈上加陶瓷壓敏電阻、在電動(dòng)機(jī)正負(fù)極間加濾波電容，以及在電動(dòng)機(jī)電源端加濾波器等。目前行業(yè)內(nèi)大多采用在電機(jī)內(nèi)外加裝分離的電容、電感等濾波器件，這種方法大多只能滿(mǎn)足較低要求的EMC標(biāo)準(zhǔn)，而且隨著安裝器件數(shù)量增多，安裝難度加大，浪費(fèi)大量的人力物力，生產(chǎn)效率受到很大影響。另外一種方法是采用設(shè)計(jì)在PCB板上的濾波電路，能提高一些濾波性能，但是PCB板上的濾波電路多為L(zhǎng)C濾波電路，遇到更高EMC標(biāo)準(zhǔn)要求的電機(jī)也很難滿(mǎn)足，多數(shù)情況是客戶(hù)讓步接受。

筆者提供了一種用于微電機(jī)多點(diǎn)接地寬頻帶EMC的濾波電路，如圖8所示。在原有X2Y型濾波器的基礎(chǔ)上增加了壓敏電阻和兩級(jí)濾波器，可以有效地抑制差模和共模干擾信號(hào)，提高濾波性能。該濾波電路包括與供電電源連接的正負(fù)輸入端以及與微電機(jī)連接的正負(fù)輸出端，壓敏電阻R并聯(lián)連接在正負(fù)輸入端，并與第一濾波電容C1并聯(lián)。該濾波電路還包括抑制差模電磁干擾信號(hào)的第一濾波電容C1和抑制共模電磁干擾信號(hào)的濾波單元，第一級(jí)濾波電容C1和濾波單元依次并聯(lián)于正負(fù)輸入端與正負(fù)輸出端之間。第一級(jí)π型濾波電路包括電感L1和并聯(lián)在該電感L1兩端的電容C11和C12，C11和C12的公共端為接地端。L1和C11與正輸入端相連，L1與C12的連接端與正輸出端相連。第二級(jí)π型濾波電路包括電感L2和并聯(lián)在該電感L2兩端的電容C21和C22，C21和C22的公共端為接地端。L2和C21與負(fù)輸入端相連，L2與C22的連接端與負(fù)輸出端相連。經(jīng)過(guò)測(cè)試，抑制效果較為理想。

圖8 抑制電磁干擾濾波器電路圖Fig.8 Filter circuit of electromagnetic suppressed filter

圖9和圖10是12V電動(dòng)機(jī)在安裝了筆者設(shè)計(jì)的濾波電路后進(jìn)行的L線與N線傳導(dǎo)干擾電壓測(cè)試數(shù)據(jù)。與圖4和圖5原傳導(dǎo)輻射頻譜特性曲線比較結(jié)果顯示:加裝設(shè)計(jì)的濾波電路后L線傳導(dǎo)干擾電壓準(zhǔn)峰值在0.206 MHz處比標(biāo)準(zhǔn)值低8 dBμV，在1.398 MHz處比標(biāo)準(zhǔn)值低20 dBμV，在26.166 MHz處比標(biāo)準(zhǔn)值低30 dBμV；N線傳導(dǎo)干擾電壓準(zhǔn)峰值在0.277 MHz處比標(biāo)準(zhǔn)值低9.9 dBμV，在2.262 MHz處比標(biāo)準(zhǔn)值低29 dBμV，在24.762 MHz處比標(biāo)準(zhǔn)值低31 dBμV，L線與N線所有其他準(zhǔn)峰值與平均值均完全低于EN 55014-1要求的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖9 L線傳導(dǎo)輻射頻率特性曲線（加裝濾波電路）Fig.9 Characteristic curve of transmission and radiation frequency of L line（with designed filter circuit）

圖10 N線傳導(dǎo)輻射頻率特性曲線（加裝濾波電路）Fig.10 Characteristic curve of transmission and radiation frequency of N line（with designed filter circuit）

圖11和圖12是12V直流電機(jī)在開(kāi)啟狀態(tài)下水平與垂直方向輻射干擾電壓的準(zhǔn)峰值測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明水平和垂直方向的電壓都低于標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖11 水平方向的輻射干擾電壓準(zhǔn)峰值測(cè)試結(jié)果（加裝濾波電路）Fig.11 Results of radiation interference voltage quasi-peak test along horizontal direction（with designed filter circuit）

圖12 垂直方向的輻射干擾電壓準(zhǔn)峰值測(cè)試結(jié)果（加裝濾波電路）Fig.12 Results of radiated interference voltage quasi-peak test along vertical direction（with designed filter circuit）

4 結(jié)語(yǔ)

EMC濾波器設(shè)計(jì)雖有理論基礎(chǔ)，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中因具體情況復(fù)雜，很難簡(jiǎn)單套用。不同規(guī)格的直流電機(jī)由于產(chǎn)品參數(shù)不同、結(jié)構(gòu)工藝差異等因素，其產(chǎn)生電磁干擾的頻段、強(qiáng)度以及電磁干擾信號(hào)的成分（共模干擾、差模干擾）各不相同，再加上內(nèi)阻抗頻率特性也各不相同，這就要求對(duì)于直流電機(jī)的EMC濾波器設(shè)計(jì)必須綜合考慮加個(gè)性化的設(shè)計(jì)，這樣才能真正找到最佳解決方案。

筆者設(shè)計(jì)的濾波器電路在原有X2Y型濾波器的基礎(chǔ)上增加了壓敏電阻和兩級(jí)濾波器，提供了一種用于微電機(jī)多點(diǎn)接地寬頻帶EMC的濾波電路，可以有效地抑制差模和共模干擾信號(hào)，提高濾波性能。同時(shí)通過(guò)并聯(lián)壓敏電阻，可以過(guò)濾掉較高的濾波電壓，減少換向片火花問(wèn)題的發(fā)生。

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（責(zé)任編輯:曾 婷）

Electromagnetic Interference Testing and Suppressing Methods for Automotive Air Conditioner Motor

HOU Qun，ZHANG Long，PENG Xin，ZHOU Yifan
（School of Physics and Information Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Automotive motor is one of the electromagnetic interference（EMI）sources in automobile，it belongs to broadband interference source.Taking automotive air conditioner motor as example，the author studied the mechanism，testing method and suppressing measure of electromagnetic interference of automotive DC motor，also provided a electromagnetic compatibility（EMC）filter circuit，and the interference character of the circuit was tested and analyzed.The results showed the filter circuit can effectively suppress the differential mode interference and common mode interference of the automotive air conditioner motor，improve the filtering performance，make the conducted interference voltage and the radiated interference voltage satisfy the EN 55014-1∶2006+A1∶2009+A2∶2011 standard.

electromagnetic compatibility（EMC）；conducted interference；radiated interference；differential mode interference；common mode interference；DC motor

O441；TM33

A

1673-0143（2015）05-0431-06

10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.05.010

2015-05-14

侯 群（1967—），女，教授，碩士，研究方向：交換技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)、電磁兼容。