微电机 永磁直流电动机换向偏转角 对电机ＥＭＣ的影响 万 鹏 （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 磁干扰有显著的改善。 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）１１－００１８．０３ Ｉｎｆｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｔｏｒ ＥＭＣ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ Ａｎｇｌｅ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｂｒｕｓｈ ＤＣ Ｍｏｔｏｒ ＷＡＮ Ｐｅｎｇ （Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｗｕｈｕ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｕｈｕ ２４１００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ＤＣ ｍｏｔｏｒ，ｃｈｏｓｅｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｈａｖｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ，ａｎｄ ｃｈｏｏｓｅ ｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｉｓ ａｌｌ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ＥＭＣ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ．Ａｌｓｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ．Ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈａｔ ｔｙｐｅ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｅｌｅｃ－ ｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＰＭＤＣ ｍｏｔｏｒ；Ｍｏｔｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；Ａｎｇｌｅ ｏｆ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ；ＥＭＣ ０ 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 １ 电磁干扰的产生机理及分析 转矩，低成本等优点广泛应用于家用电器、办公设 小功率永磁直流电动机实际的换向过程一般属 备、电动工具、汽车和ＩＴ产品。随着生活品质的日 于延迟换向，换向所产生的火花为后边缘火花。一 益提高，更多电气产品的发展，各行业中对传统意 方面，换向元件在换向过程中，电流发生剧烈变化， 义上的永磁直流电动机的要求也水涨船高，其中在 在元件内产生反电动势 ｊ，这是产生电火花的主要 对产品的电磁兼容性（ＥＭＣ）的要求上以及所产生的 因素之一；另一方面，换向器自身的换向结构即换 矛盾显得尤为突出。 向器片间的边缘效应也是产生电火花的因素之一， 电刷与换向器直接接触的固有结构，不可避免 如图１所示：换向器换向片可以看作是由接地电容 的决定了该种电动机在换向过程中所要产生换向火 Ｃ 和每相邻换向片之间片间电容Ｃ 等效而成 。 花，而换向的不良将会延伸出各种对电机不利的影 片间电容关系式为： 响，电磁干扰就是其中由换向不良而延伸出的不利 Ｃ ＝Ｃ ＋Ｃ （１） 影响之一也是目前解决的难点之一。改变换向偏转 在换向过程中电容Ｃ 会同时进行着充电放电的 角对于改善永磁直流电动机综合性能有着重要的影 过程，在电刷断开的瞬间电容未充分放电完毕，继， 响…。为了提高电机综合性能、改善换向，文中主 续放电将会以电火花的形式表现出来。总而言之， 要针对不同的换向偏转角对电机ＥＭＣ的影响并对此 换向结束换向元件被断开的瞬间，换向元件储存的 收稿日期：２０１０・叭一１８ ・Ｊ８・ 永磁直流电动机换向偏转角对电机ＥＭＣ的影响万鹏 电磁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 （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 ￡ ｉ ２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电动机（换向偏转角度为 ０。）的额定功率为３５ ｗ，额定电压为１２ Ｖ，额定电 流为６ Ａ，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６６．７ ｍＮ・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影响 ０。 ０。 ４９．４３ ５．７９ ４９２１ ６６．７ ８．５。 ４９．１８ ５．８４ ４９３８ ６６．７ １６．５。 ， ４６．９４ ６．２ｌ ５０ｌ１ ６６．７ １６．５。 ４０．６６ ６．９１ ４８２７ ６６．７ ２２．５。 ４４．９１ ６．５１ ５０２５ ６６．７ 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ＣＩＳＰＲ２５：２００２（Ｒａｄｉｏ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｒｅ— ｒｉｓｔｉｃｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ ｕｓｅｄ ｏｎ ｂｏａｒｄ ｖｅｈｉ— ｃｌｅｓ，ｂｏａｔｓ，ａｎｄ ｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ—Ｌｉｍｉｔｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）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０．１５ ｋＨｚ一１０８ ＭＨｚ。图３—７ 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。 ＞ｉ∞ ！＿一 ＞ｏ一 如舳 印如∞如加ｍ＝２ Ｆｒｅｑｕｅｎ（ｙ ｉ『ｌ Ｈｚ 图３换向偏转角０。时骚扰电压波形图 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 １５０ｋ ４００ ８００ ２Ｍ ４Ｍ ６ １０Ｍ ８０Ｍ５０ ８Ｏ Ｆｒｅｑｕｅ ｎｃｙ ｉｎ Ｈｚ 图７换向滞后角１６．５。时骚扰电压波形图 ・２Ｄ・ 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）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著的。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，１９９７：１２６—１２８． ［２］ 赵清．小型电动机［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３：１７１． ［３］ Ｂｅｎｅｃｋｅ，Ｊ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＨＦ Ｍｏｄｅｌ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｏｐｔｉ－ ｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ ＤＣ Ｍｏｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ，２００８（９）：１—６． ［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）：６９—７１． ［５］林瑞光．电机与拖动基础［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社， ２００２．２９—３０． 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。
