陳婷，余華通，宋盟春

電機(jī)對(duì)電動(dòng)病床輻射騷擾測(cè)試的影響與解決對(duì)策

陳婷，余華通，宋盟春

（廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，廣東 廣州 510663）

闡述了直流有刷電機(jī)產(chǎn)生輻射騷擾的機(jī)理，研究負(fù)載對(duì)電機(jī)輻射騷擾的影響，提出電機(jī)輻射騷擾的整改措施，并給出電機(jī)選型的建議。

有刷直流電機(jī)；無刷直流電機(jī)；輻射發(fā)射；電動(dòng)病床

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，醫(yī)療保健行業(yè)越來越多的使用自動(dòng)化設(shè)備，自動(dòng)化醫(yī)療設(shè)備的使用在提高醫(yī)療水平、增強(qiáng)治療效果、提高病人舒適度方面具有重要的作用。電動(dòng)病床作為一種常見的自動(dòng)化醫(yī)療設(shè)備，己廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)。驅(qū)動(dòng)部件是電動(dòng)病床的核心部件，驅(qū)動(dòng)部件有旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種類型，電動(dòng)病床的驅(qū)動(dòng)部件絕大多數(shù)采用直線式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要部件，按照工作電源種類可劃分為交流電機(jī)和直流電機(jī)，交流電機(jī)采用交流電供電，可靠性、安全性都差，且體積大、質(zhì)量大，當(dāng)前電動(dòng)病床的電機(jī)主要使用直流電機(jī)，具有安全性好、可靠性高、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

直流電機(jī)可分為無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)，目前，電動(dòng)病床的國(guó)內(nèi)廠家所用的電機(jī)絕大多數(shù)為有刷直流電機(jī)。有刷電機(jī)工作時(shí)，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁極和碳刷不轉(zhuǎn)，采用機(jī)械換向，通過電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉(zhuǎn)動(dòng)中起到導(dǎo)電和換相作用。電刷與換向器之間接觸摩擦所產(chǎn)生的電火花會(huì)產(chǎn)生很高的輻射騷擾。在電動(dòng)病床的電磁兼容測(cè)試中，輻射騷擾是最容易不合格且難整改的項(xiàng)目，電機(jī)是電動(dòng)病床輻射超標(biāo)的主要源頭，解決了電機(jī)的輻射騷擾問題，電動(dòng)病床的輻射超標(biāo)問題就會(huì)迎刃而解。

1 有刷直流電機(jī)輻射騷擾的產(chǎn)生

有刷直流電機(jī)的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉(zhuǎn)子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。這些高速轉(zhuǎn)動(dòng)的有刷直流電機(jī)在電刷切換時(shí)，電機(jī)線圈中的電流不能突變，當(dāng)一路線圈電流斷開時(shí)，會(huì)在該線圈的兩端產(chǎn)生較高的反電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)會(huì)在附近的回路中產(chǎn)生放電現(xiàn)象，放電現(xiàn)象產(chǎn)生的瞬態(tài)電流具有較陡的上升沿伴隨著高頻噪聲，并且這種噪聲在幅度和頻率上有很大的隨機(jī)性[3]。當(dāng)這些高頻噪聲耦合到電源線或其他較長(zhǎng)的未接地導(dǎo)線時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生輻射騷擾。另外，有刷電機(jī)在利用換向器和碳刷實(shí)現(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)向過程中，電刷從換向器的一片向另一片過渡時(shí)，碳刷與線圈接線頭之間通斷交替，由于接觸電阻的急劇變化，導(dǎo)致電流產(chǎn)生突變，極容易產(chǎn)生電火花，形成陡峭的騷擾脈沖。有刷直流電機(jī)輻射騷擾在頻域內(nèi)表現(xiàn)為隨機(jī)的毛刺，隨著掃描時(shí)間的增加，在掃描頻段內(nèi)出現(xiàn)一大片密密麻麻的無規(guī)律毛刺，毛刺的高度與騷擾脈沖的能量有關(guān)。

2 負(fù)載對(duì)電機(jī)輻射騷擾的影響

在電機(jī)啟動(dòng)的瞬間，電樞繞組中的電流瞬間增大，電流變化率很大，形成較高的瞬態(tài)輻射騷擾。電動(dòng)病床在實(shí)際使用時(shí)需要承載病人，那么電機(jī)在啟動(dòng)的瞬間需要承受負(fù)載。由于電動(dòng)機(jī)的功率效能是一定的，負(fù)載后耗能增加，啟動(dòng)電流也就更大，電機(jī)啟動(dòng)瞬間的電流變化率更大。同時(shí)，更大的啟動(dòng)電流會(huì)使電刷下產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花，可能產(chǎn)生更高的輻射騷擾。

以某廠家的電動(dòng)病床為例，圖1為電動(dòng)病床在空載時(shí)的輻射騷擾，圖2為施加95 kg負(fù)載后的輻射騷擾。

對(duì)比圖1、圖2可以看出，施加95 kg負(fù)載后的電動(dòng)病床的輻射騷擾更高。因此，對(duì)于這類醫(yī)療設(shè)備的輻射騷擾測(cè)試，應(yīng)按照產(chǎn)品技術(shù)文件中聲稱的最大負(fù)載來施加，以確保產(chǎn)品通過測(cè)試。

圖1 空載時(shí)的輻射騷擾

圖2 施加95 kg負(fù)載后的輻射騷擾

3 電機(jī)整改

騷擾源和天線是形成輻射騷擾的兩個(gè)因素，因此，解決輻射騷擾可采取的整改措施自然要圍繞這兩個(gè)因素著手。一是通過濾波或屏蔽的方式改變?cè)搭^的電特性，二是破壞和減少天線效應(yīng)，實(shí)際使用中往往要兩者并重。

有刷直流電機(jī)的電磁騷擾主要來自電樞繞組中突變的磁場(chǎng)和電刷與換向器之間的電弧。在騷擾電壓的驅(qū)動(dòng)下，騷擾電流通過電機(jī)供電線和空間對(duì)外發(fā)射騷擾。為解決電機(jī)輻射噪聲，可使用去耦和旁路濾波的方式改變?cè)搭^的電特性。

圖3為常用的抑制方法，圖中C1用來抑制電機(jī)在電源中產(chǎn)生的差模噪聲，電容值一般為零點(diǎn)幾到十幾微法，C2、C3用來抑制共模噪聲，電容值一般為零點(diǎn)幾到十幾納法。C1、C2、C3均采用陶瓷電容，要求電容的引腳短并緊貼電機(jī)安裝。C2、C3的公共端接電機(jī)金屬機(jī)殼必須可靠，保持低接地阻抗，該電容為高頻電流提供一條更低阻抗的回流路徑，騷擾不再通過電機(jī)的供電線對(duì)外發(fā)射。

另一方面，為了調(diào)節(jié)病人不同部位的體式和整體床板的高度，電動(dòng)病床往往含有多個(gè)不同的電機(jī)，且每個(gè)電機(jī)與控制盒的連接線較長(zhǎng)。直流電機(jī)外殼為金屬，具有一定的屏蔽作用，但是連接線可能是電磁輻射泄露的關(guān)鍵部件，連接線可充當(dāng)發(fā)射天線形成有效發(fā)射，因此，處理好電機(jī)連接線對(duì)于抑制輻射騷擾尤其關(guān)鍵。通過增加連接線上共模電流回路的阻抗來減小共模電流，圖4中進(jìn)一步加入了共模扼流圈。最簡(jiǎn)單有效的方法是在連接線上串聯(lián)共模扼流圈，并且共 模扼流圈不需要接地，將連接線穿過一個(gè)鐵氧體磁環(huán)就構(gòu) 成了一個(gè)共模扼流圈，根據(jù)需要也可以將連接線在磁環(huán)上繞幾匝。

圖3 常用措施

圖4 同時(shí)加共模扼流圈

圖5為某電動(dòng)病床廠家在電機(jī)兩根供電線與電機(jī)金屬殼之間并聯(lián)103電容，圖6為在電機(jī)與控制盒連接線上繞磁環(huán)，通過這兩個(gè)措施，該廠家的電動(dòng)病床順利通過輻射騷擾測(cè)試。

圖5 在電機(jī)兩根供電線與電機(jī)金屬殼之間并聯(lián)103電容

圖6 在電機(jī)與控制盒連接線上繞磁環(huán)

4 結(jié)語(yǔ)

如上所述，有刷直流電機(jī)的輻射騷擾是電動(dòng)病床輻射測(cè)試不合格的主要原因。無刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)相比，無刷電機(jī)采取電子換向，線圈不動(dòng)，磁極旋轉(zhuǎn)，由控制器中的控制電路來完成換相，省去了電刷及換向器，消除了電刷與換向器之間摩擦所帶來的電磁噪聲[4]。另外，由于沒有碳刷的磨損，無刷直流電機(jī)的壽命更長(zhǎng)，幾乎無需維護(hù)，穩(wěn)定性更好。對(duì)于電動(dòng)病床來說，電機(jī)是短時(shí)運(yùn)行，很可能遇到突然正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和過載的情況，稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)更適合突然反轉(zhuǎn)、堵轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)等特殊運(yùn)行場(chǎng)合的性能要求。稀土永磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度大，磁能積高，使得電機(jī)可以明顯減輕質(zhì)量，減小體積，提高效率[1]。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，稀土永磁材料的性能不斷提高，價(jià)格逐步降低，可以作為電動(dòng)病床電機(jī)的選擇。

［1］曹愛萍.醫(yī)療電動(dòng)床用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005.

［2］何颋，鄭懷華，李靈兵.直流永磁有刷電機(jī)軸承壽命智能預(yù)測(cè)方法研究［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2019（11）：72-75.

［3］李占優(yōu)，廖彤，張潔弦.電動(dòng)翻身床的電磁輻射騷擾問題及整改措施［J］.安全與電磁兼容，2017（3）：73-76.

［4］馬寧，呂晶薇，高小松，等.直流無刷電機(jī)霍爾位置傳感器電磁干機(jī)理與試驗(yàn)研究［J］. 新技術(shù)新工藝，2019（7）：51-55.

2095－6835（2021）06－0140－02

TM33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.057

陳婷（1989—），女，碩士研究生，工程師，醫(yī)療器械工程師，研究方向?yàn)獒t(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)化、電磁兼容檢驗(yàn)及設(shè)計(jì)。

〔編輯：王霞〕