汽车用直流电机的电磁干扰测试及抑制技术研究_侯群

汽车用直流电机的电磁干扰测试及抑制技术研究侯群，张龙，彭馨，周一帆（江汉大学物理与信息工程学院，湖北武汉430056）摘要：汽车电机是汽车内主要电磁干扰源之一，属于宽带干扰源。以汽车空调电动机为例，对车用直流电机的电磁干扰形成机制、测试方法和抑制措施进行了研究，提供了一种用于微电机多点接地宽频带EMC的滤波电路，并对其干扰特性进行了测试与分析。结果显示：此滤波电路能有效抑制汽车空调电动机的差模和共模干扰信号，提高滤波性能，使其传导干扰电压和辐射干扰电压均满足欧盟EN55014-1∶2006+A1∶2009+A2∶2011标准要求。关键词：电磁兼容；传导干扰；辐射干扰；差模干扰；共模干扰；直流电机中图分类号：O441；TM33文献标志码：A文章编号：1673-0143（2015）05-0431-06DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.05.010ElectromagneticInterferenceTestingandSuppressingMethodsforAutomotiveAirConditionerMotorHOUQun，ZHANGLong，PENGXin，ZHOUYifan（SchoolofPhysicsandInformationEngineering，JianghanUniversity，Wuhan430056，Hubei，China）Abstract：Automotivemotorisoneoftheelectromagneticinterference（EMI）sourcesinautomobile，itbelongstobroadbandinterferencesource.Takingautomotiveairconditionermotorasexample，theauthorstudiedthemechanism，testingmethodandsuppressingmeasureofelectromagneticinterferenceofautomotiveDCmotor，alsoprovidedaelectromagneticcompatibility（EMC）filtercircuit，andtheinterferencecharacterofthecircuitwastestedandanalyzed.Theresultsshowedthefiltercircuitcaneffectivelysuppressthedifferentialmodeinterferenceandcommonmodeinterferenceoftheautomotiveairconditionermotor，improvethefilteringperformance，maketheconductedinterferencevoltageandtheradiatedinterferencevoltagesatisfytheEN55014-1∶2006+A1∶2009+A2∶2011standard.Keywords：electromagneticcompatibility（EMC）；conductedinterference；radiatedinterference；differentialmodeinterference；commonmodeinterference；DCmotor0引言汽车工业的快速发展和汽车市场的激烈竞争极大地促进了各类电气、电子和信息设备在汽车上的广泛应用，应用电子技术的程度已成为提升汽车技术水平的重要标志之一。电子设备广泛应用于汽车发动机控制系统、自动变速系统、制动系统、调节系统以及行驶系统中，对汽车的安全性、可靠性、舒适性起着决定性作用。随着越来越多的高科技汽车电子产品的开发与应用，人们对汽车产品的电磁兼容性［1］越来越重视。汽车电子电器设备所产生的电磁波会对周围的环境产生电磁污染，同时，外界的电磁干扰也会对汽车上收稿日期：2015-05-14作者简介：侯群（1967—），女，教授，硕士，研究方向：交换技术、移动互联、电磁兼容。第43卷第5期2015年10月江汉大学学报（自然科学版）J.JianghanUniv.（Nat.Sci.Ed.）Vol.43No.5Oct.2015江汉大学学报（自然科学版）总第43卷的电子产品正常工作带来不利影响。因此，解决汽车电子设备的电磁兼容问题，提高汽车的可靠性和安全性已经成为一个非常重要和迫切的问题。我国已将汽车的电磁兼容性要求纳入汽车公告和国家强制性产品认证范围。但由于我国在汽车电器零部件电磁干扰抑制方面的工作刚刚起步，许多厂家还未在汽车电器零部件的设计阶段考虑电磁干扰的抑制措施。如何采取一些干扰抑制措施使汽车电器零部件的电磁干扰达到国际水平，是摆在汽车电器零部件生产厂家面前的一项紧迫的任务。直流电机［2］不仅广泛应用于家电产品和工矿企业，在汽车上也有很多应用，如汽车雨刮器电机和喷水泵电机、空调风机电机、电动窗驱动电机、座椅调整电机、倒车镜调整电机等。由于直流电机特殊的工作原理和结构特性，决定了它是系统中电磁干扰产生的一个重要来源。其产生电磁干扰的原因主要有两点：一是换向片火化问题，二是对前置整流电路产生的反电势暂态现象，如不进行EMC防护处理，绝大部分直流电机无法通过各国关于EMC强制认证的限值标准，其中以出口欧美日等发达国家和地区的产品尤其得到重点关注。1汽车空调电机电磁干扰形成机制汽车空调用永磁直流电动机中有两个最基本的电磁现象［3-4］，一是开关触点在工作时反复的开闭造成电流，频谱约为10kHz～1GHz，并且在电源网络中传播，向周围空间辐射，且由于逆变器体积越来越小，其高频寄生参数的影响较大，会在输出电压电流中产生高频振荡，很容易产生电磁干扰，易影响到电子设备甚至是整个设备的正常工作。图1为永磁直流电机正常工作时的电路图，其中Ea为电枢电势，Ia为电枢电流，U为电源电压，Ra为电枢绕组电阻。在不考虑电刷压降的情况下，电机的电势平衡方程为U=Ea+IaRa。当电机突然断开时电源电压U=0，由于电机断开时间一般在微秒级，在如此短暂的时间内电枢电流突然变为零，造成其变化率非常大，由于绕组自感L通常为十几毫亨，电机两端将出现很高的瞬态电压，即V(t)=-L（dia/dt）。其最高峰值可达-300V，持续时间达到300ms，它不但具有浪涌性质，而且具有丰富的谐波，可能引起电子控制系统的逻辑错误，甚至导致部分敏感器件或固体组件的损坏。第二个电磁现象是换向器在磁场中换向运动产生感应电动势引起电磁干扰，如图2所示。电机内部主要由以下几部分组成：主磁极、电刷、换向片、电枢铁心和线圈、金属外壳，由换向片构成的整体称为换向器。在高速旋转过程中，由于换向的原因，转子切割磁力线以及电刷与换向片接触摩擦产生了电磁干扰，产生的高频瞬变电压都具有频谱宽、谐波丰富的特点，电机向外传播的电磁干扰有传导干扰和辐射干扰。传导干扰是指电机内部电路发出并沿外部电源线向外传播的电磁干扰；辐射干扰是指由电机内部磁路发出并经外部空间以电磁波的形式向外传播的干扰。传导发射是直流电机电磁干扰中的重要特性，许多宽频带干扰噪声信号都通过电源线向外发射，这些干扰电磁波频率约为0.15～1000MHz，干扰的频带是很宽的。另外各种线圈中的寄生电容、耦合电容、接地阻抗不能绝对为零，线圈对地分布电容、电枢反应引起磁场波形畸变、换向不良等在几十兆赫到上千兆赫的频率范围中都有很强的辐射干扰。这些频率范围基本上覆盖了广播、通讯、导航等电子设备和系统的工作频率，因此系统中的设备、装置或系统本身很可能就会受到干扰影响，严重时设备和系统将无法正常工作，同时也影响了人们的正常生活。+-S主磁极（定子）电刷换向片电枢铁心和线圈（转子）电机金属外壳NUIaRaEa图1电机正常运行时的电路图Fig.1Circuitwithnomaloperatingofmotor图2永磁直流电机结构图Fig.2StructureofpermanentmagnetDCmotor2汽车空调电机电磁干扰测试方法笔者对车用空调直流电机（12V/15A）自带的滤波电路进行了测试。自带的滤波器是一种X2Y型滤波电路，能抑制串音，不受电流限制，对共模和差模噪声有一定的抑制作用。测试参考欧盟的EN55014-1∶2006+A1∶2009+A2∶2011电磁兼容性标准，即《GB4343.1-2009家用电器、电动工具及类似设备的要求第4322015年第5期侯群，等：汽车用直流电机的电磁干扰测试及抑制技术研究1部分：发射》［5］。试验分为传导干扰电压测试和辐射干扰电压测试。2.1传导干扰电压发射测试试验试验的目的是检测电机是否会通过同一供电回路对其他车载零部件产生超过标准限值的干扰。试验的测量频率范围是150kHz～30MHz，测试点频宽设置为120kHz。采用德国罗德与施瓦茨公司的EMI信号接收器和ESH3-Z5人工电源网络进行电机传导干扰电压测试。传导干扰电压测试原理框图如图3所示。被测设备空调直流电机（EUT）与交流电源间通过人工电源网络相连，在电源线两端检测传导干扰电压。表1是欧盟EN55014-1∶2006+A1∶2009+A2∶2011电磁兼容性标准中要求的传导干扰电压限值。人工电源网络空调直流电机交流电源信号接收器图3传导干扰电压试验布置Fig.3Experimentalsettingofconductedinterferencevoltage表1传导干扰电压限值Tab.1Limitvalueofconductedinterferencevoltage频率范围/MHz0.15～0.500.50～55～30平均值/dBμV56～464650准峰值/dBμV66～565660图4与图5所示为12V直流电机在开启状态下传导干扰电压的准峰值与平均值测试结果。从测试结果分析可知，自带EMI滤波器的车用空调电机的传导电磁干扰准峰值最大可达73dBμV左右，相线L线与零线N线在250kHz左右的低频段都有部分频点的干扰超过标准限值。2×100.040-200.1500.55频率/MHzpeakAVGLimit：AVG：30.000传导干扰电压/dBμV1×图4L线传导辐射频率特性曲线Fig.4CharacteristiccurveoftransmissionandradiationfrequencyofLline0.1500.55频率/MHz30.000peakAVGLimit：AVG：100.040-20传导干扰电压/dBμV1×2×图5N线传导辐射频率特性曲线Fig.5CharacteristiccurveoftransmissionandradiationfrequencyofNline433江汉大学学报（自然科学版）总第43卷2.2辐射干扰电压发射测试试验本试验的目的是确定电机是否会对车载无线电通信和其他车载电子仪器产生超过限值的辐射电压干扰，辐射干扰电压限值测量频率范围为30～1000MHz，测试点频宽设置为120kHz。根据EN55014-1的标准，当天线与被测设备相距3m时，要求30～240MHz辐射干扰电压准峰值低于40dBμV/m，240～1000MHz低于47dBμV/m。图6是测试汽车空调电机电源线辐射干扰的试验布置，试验在电波暗室（ALSE）中进行，被测设备及其连接线缆、模拟负载等被放置在一张0.8m高的可360°旋转木制试验桌上。被测设备EUT与放置在天线塔上的接收天线距离为3m，天线高度在1～4m间可调，采用双锥和对数周期宽带天线进行水平与垂直方向的检测，为了检测到最大的辐射电压，接口线缆要根据EN55014-1的标准进行连接。图7是12V直流电机在开启状态下辐射干扰电压的准峰值测试结果，从测试结果分析可知，自带EMI滤波器的车用空调电机水平方向的辐射电磁干扰准峰值最大可达70dBμV/m左右，在30～1000MHz频率范围内辐射干扰电压均超过标准限值，不能满足客户要求。天线天线