1. 有刷直流电机为什么总在辐射发射测试中翻车有刷直流电机在EMC整改圈子里算是个老面孔了。但凡做过家电、电动工具、汽车电子或者消费类产品的工程师大概率都在它身上栽过跟头。我经手的整改案例里有刷电机的占比能到三成以上而且相当一部分是反复整改、反复不过的那种硬骨头。先说清楚问题出在哪。有刷直流电机的结构决定了它天生就是一个宽带噪声源。换向器和碳刷在高速旋转中不断断开和闭合每一次换向都伴随着电流的突变这个突变在毫秒甚至微秒级别完成产生的di/dt极其可观。电流环路的寄生电感在电流突变时会激发出高频振荡频率从几百kHz一直延伸到几百MHz覆盖了EN 55032标准里辐射发射测试的整个关注频段。更麻烦的是这个噪声源不是集中在一个点上而是分布在电机壳体、引线、碳刷架等多个位置。噪声通过两种途径往外跑一种是沿着电源线传导出去另一种是电机引线充当了天线直接把电磁能量辐射到空间。很多工程师一开始只盯着传导发射做滤波结果传导过了辐射还是超标原因就在这里。EN 55032对辐射发射的限值要求在30MHz到1GHz频段内Class B的准峰值限值在30米测量距离下是30dBμV/m3米测量距离下是40dBμV/m。有刷电机不加任何抑制措施的情况下超标10到20dB是家常便饭个别频点甚至能超30dB。这个量级不是靠一个电容或者一个磁环就能搞定的需要系统性地从源头、路径和受体三个维度同时下手。我见过太多案例工程师在电机端加了一堆电容电感测试结果纹丝不动然后就开始怀疑是不是测试设备有问题。其实问题往往出在噪声路径没找对或者抑制措施的位置不对。EMC整改不是堆料是精准打击。你得先搞清楚噪声从哪来、走哪条路、在哪个频点最强然后才能对症下药。接下来的内容我会围绕一个真实的有刷直流电机整改案例把整个排查思路、测试方法、器件选型和最终方案完整拆开讲。不管你是刚接触EMC的新手还是被某个频点卡了很久的老手应该都能从中找到可复用的思路。2. 拿到超标数据后我是怎么定位噪声源的2.1 先看频谱形态别急着拆机器拿到一份辐射发射超标报告第一件事不是拆电机而是仔细看频谱。频谱的形态能告诉你很多信息。窄带尖峰和宽带包络对应的问题根源完全不同。有刷电机的辐射发射频谱通常呈现两种特征一种是梳状谱在换向频率的倍频处出现一系列等间隔的尖峰间隔等于电机的换向频率。比如一个四极电机额定转速12000rpm换向频率就是12000/60乘以极对数假设两对极换向频率就是400Hz。这种梳状谱说明噪声主要来自换向过程本身的周期性电流突变。另一种是宽带包络在某些频段出现一片抬高的噪声基底没有明显的离散尖峰。这种通常来自碳刷与换向器接触不良产生的随机电弧或者结构谐振被激发后的宽带响应。我一般会先做一次近场探头扫描用磁场探头和电场探头分别沿着电机壳体、引线、电源线走一遍找出辐射最强的区域。这个步骤不需要在暗室里做在普通的屏蔽室或者甚至办公桌上都能做只要周围没有太强的背景噪声就行。近场扫描的目的是快速定位热点缩小后续排查的范围。2.2 分步断开法确定噪声是传导发射还是直接辐射定位噪声源的核心方法是分步断开法。具体操作是先让电机在正常工作状态下测试一次辐射发射记录基线数据。然后逐步改变电机的连接状态观察频谱变化。第一步把电机从产品外壳中取出单独放在测试台上只保留电源引线其他结构件全部移除。如果此时辐射发射仍然超标说明噪声主要来自电机本体和电源引线。如果辐射发射明显下降说明原来的产品结构中存在耦合路径比如电机噪声耦合到了附近的线缆或金属件上形成了二次辐射。第二步在电机电源引线上套一个共模扼流圈观察低频段30MHz到100MHz的变化。如果低频段噪声明显下降说明共模电流是主要传播路径。如果高频段100MHz以上变化不大说明高频噪声更多是通过空间辐射直接耦合出去的。第三步用铜箔把电机壳体完全包裹起来只留引线出口观察整体辐射水平的变化。如果包裹后辐射大幅下降说明电机本体的缝隙和开口是主要的辐射出口。如果变化不大说明噪声主要是沿着引线传导出去的。这三步做完基本就能确定噪声的主要传播路径。我经手的这个案例里第一步发现电机单独测试时辐射仍然超标第二步发现共模扼流圈对30MHz到200MHz有改善但不够第三步发现铜箔包裹后200MHz以上频段下降了约8dB。综合判断噪声既有共模传导的成分也有电机本体缝隙辐射的成分需要双管齐下。2.3 用电流探头确认共模电流的频段分布共模电流的测量是定位过程中的关键一环。用一台电流探头夹住电机的电源线束把探头输出接到频谱仪上可以直接看到共模电流的频谱分布。这个数据和辐射发射的频谱做对比如果两者的峰值频点能对应上就基本可以确认辐射是由共模电流驱动的。实际操作中要注意电流探头要夹住所有电源线包括正线和负线这样测到的才是共模电流。如果只夹一根线测到的是差模电流。有刷电机的辐射问题大部分情况下共模电流是主要贡献者因为电机的噪声源对地阻抗不平衡容易形成共模驱动。我在这个案例中测到的共模电流峰值出现在45MHz、78MHz和135MHz附近和辐射发射超标频点基本吻合。这就把排查方向锁定在了共模噪声的抑制上。3. 从源头到路径这个案例的四层抑制方案3.1 第一层换向器端的RC吸收电路从源头抑制噪声是最直接的手段。有刷电机换向时产生的电弧和振荡如果在换向器端就被吸收掉后面的路径上就不需要做太多文章。RC吸收电路是经典方案但参数选不对等于白装。我见过有人直接在电机端并一个0.1μF的电容结果低频段噪声没降多少高频段反而因为电容的等效串联电感产生了新的谐振峰。正确的做法是电阻和电容串联后跨接在电机的两个端子之间。电阻的作用是阻尼换向时产生的振荡电容的作用是提供高频旁路。参数选择上电容值一般在1nF到100nF之间电阻值在1Ω到100Ω之间。具体取值需要根据电机的换向频率和噪声主频来调整。这个案例中我最终选用的是10Ω电阻串联4.7nF电容。选这个组合的理由是电机的噪声主频在45MHz附近4.7nF电容在45MHz时的容抗大约是0.75Ω配合10Ω电阻可以形成有效的阻尼。如果电容选得太大比如100nF在45MHz时的容抗只有0.035Ω电阻的阻尼作用就被短路了反而可能因为电容的寄生电感在更高频段产生新的谐振。注意RC吸收电路的电阻功率要留足余量。换向瞬间的脉冲电流可能达到安培级别虽然占空比很低但平均功率不能忽略。我一般用0805或1206封装的电阻功率至少0.25W。3.2 第二层电机端子间的差模滤波RC吸收电路主要针对换向器端的振荡但电机引线上仍然会有差模噪声传播。在电机端子附近加一级LC滤波可以进一步压制差模噪声。LC滤波的电感选择要注意额定电流。有刷电机的启动电流可能是额定电流的3到5倍电感如果饱和了滤波效果就没了。我一般选用额定电流至少是电机额定电流2倍以上的电感饱和电流要大于启动电流峰值。电容方面差模滤波电容一般用X7R或X5R材质的陶瓷电容容值在100nF到1μF之间。如果空间允许可以并联不同容值的电容来覆盖更宽的频段。比如100nF并联1nF100nF负责低频段1nF负责高频段因为大容值电容的等效串联电感在高频段会降低滤波效果。这个案例中我在电机端子处加了一个10μH的共模电感两个绕组分别串在正线和负线上配合100nF的差模电容。实测下来30MHz到100MHz的差模噪声下降了约6dB。3.3 第三层引线上的共模扼流圈共模扼流圈是抑制共模噪声的核心器件。它的原理是两个绕组绕在同一个磁芯上差模电流产生的磁通相互抵消共模电流产生的磁通相互叠加因此对共模电流呈现高阻抗对差模电流阻抗很低。选共模扼流圈的时候阻抗特性曲线比电感值更重要。不同频率下的阻抗差异很大你要确保在噪声主频处有足够的阻抗。比如这个案例中噪声主频在45MHz和78MHz我就选了一个在50MHz到100MHz范围内阻抗在500Ω以上的共模扼流圈。安装位置也很关键。共模扼流圈要尽量靠近电机端这样在噪声还没耦合到其他线缆之前就把它抑制掉。如果放得离电机太远中间那段引线已经充当了天线辐射已经发生了再抑制就来不及了。提示共模扼流圈的磁芯材料选择要看频段。锰锌铁氧体适合低频段1MHz到30MHz镍锌铁氧体适合高频段30MHz到300MHz。如果噪声覆盖了宽频段可以考虑用两个不同材料的扼流圈串联。3.4 第四层电机本体的屏蔽与接地电机本体的缝隙和开口是高频辐射的主要出口。即使用了前面的措施把传导噪声压下去了如果本体屏蔽没做好辐射仍然可能超标。屏蔽的关键是完整性。电机的金属外壳如果有缝隙缝隙长度接近噪声波长的四分之一时就会形成有效的辐射天线。比如200MHz对应的波长是1.5米四分之一波长是37.5厘米。如果缝隙长度接近这个值屏蔽效果就会大打折扣。实际操作中我会用导电衬垫或者铜箔胶带把电机外壳的接缝处封住确保电气连续性。电机的转轴处如果必须留缝隙可以用导电泡棉或者指形簧片来填充。接地方面电机外壳要就近接到产品的金属底板上接地线要短而粗减少接地阻抗。这个案例中电机外壳原本有两处接缝没有做导电处理我用铜箔胶带贴覆后200MHz以上的辐射下降了约5dB。转轴处加了一个导电泡棉环又下降了约3dB。4. 整改过程中踩过的坑和验证方法4.1 电容选型不当引入新的谐振峰这个坑我踩过不止一次。第一次整改时我在电机端并了一个100nF的电容想着容值大一点滤波效果更好。结果测试发现45MHz的噪声确实降了但120MHz附近冒出一个新的尖峰比原来的噪声还高。原因很简单100nF的陶瓷电容在120MHz时的等效串联电感已经不可忽略了电容实际上变成了一个LC串联谐振电路在谐振频率附近呈现低阻抗反而给噪声提供了一条通路。后来换成4.7nF的电容谐振频率推到了更高的频段120MHz的尖峰就消失了。这个教训是滤波电容的容值不是越大越好要根据噪声频段和电容的等效串联电感来选。一般来说0402或0603封装的陶瓷电容等效串联电感在0.5nH到1nH之间谐振频率在几十MHz到几百MHz。选电容的时候要确保谐振频率高于你要抑制的噪声频段。4.2 共模扼流圈饱和导致低频段失效有刷电机的启动电流很大如果共模扼流圈的磁芯饱和了共模阻抗就会急剧下降低频段的噪声抑制效果就没了。我遇到过一批产品冷启动时辐射发射超标热启动时反而正常排查了半天才发现是共模扼流圈在冷启动大电流下饱和了。解决办法是选饱和电流更大的磁芯或者改用有气隙的磁芯。有气隙的磁芯饱和电流更高但初始磁导率会降低需要更大的圈数来达到同样的阻抗。另一个办法是在共模扼流圈前面串一个差模电感把启动电流的峰值削掉一部分减轻共模扼流圈的负担。4.3 接地位置不对导致屏蔽失效电机外壳的接地位置看起来是个小问题但影响很大。我见过一个案例工程师把电机外壳的接地线接在了产品的塑料外壳的金属镀层上以为镀层是导电的就没问题。结果测试发现辐射发射比不接地还差因为镀层的阻抗很高接地线实际上变成了一根天线。正确的做法是电机外壳要直接接到产品的金属底板上接地线的长度尽量短截面积尽量大。如果产品没有金属底板可以用一块铜箔或者铝箔作为接地参考面把电机外壳和电路板的接地端都接到这个参考面上。4.4 验证整改效果的正确方法整改做完之后验证方法也很重要。我一般会做三轮验证第一轮在暗室里做全频段扫描确认所有频点都满足限值要求并且留有余量。余量至少要有3dB因为批量生产时器件参数会有分散性测试环境也会有差异。第二轮做温度循环测试。在低温、常温和高温三种条件下分别测试辐射发射确认整改措施在温度变化时仍然有效。有些器件的参数随温度变化很大比如陶瓷电容的容值在温度变化时可能漂移20%以上。第三轮做振动测试。有刷电机在工作时振动很大如果整改器件固定不牢振动后位置偏移或者引脚断裂整改效果就没了。我一般会用硅胶或者热熔胶把电感和电容固定在电路板上引线也要用扎带固定好。5. 这个案例最终用了哪些器件和参数5.1 器件清单与关键参数这个案例最终的整改方案用了以下器件器件型号/参数数量安装位置RC吸收电路10Ω电阻串联4.7nF电容1组电机端子间差模电感10μH额定电流2A2个正线和负线各一个差模电容100nFX7R50V1个电机端子间共模扼流圈500Ω50MHz额定电流2A1个电机引线靠近电机端导电衬垫导电布衬垫厚度1mm若干电机外壳接缝处导电泡棉导电泡棉环内径匹配转轴1个电机转轴处5.2 实测数据对比整改前后的辐射发射数据对比频点整改前整改后限值余量45MHz52dBμV/m38dBμV/m40dBμV/m2dB78MHz48dBμV/m36dBμV/m40dBμV/m4dB135MHz45dBμV/m34dBμV/m40dBμV/m6dB200MHz42dBμV/m33dBμV/m40dBμV/m7dB45MHz频点的余量只有2dB偏紧。后来我把RC吸收电路的电容从4.7nF调整到3.3nF45MHz的噪声又降了1.5dB余量做到了3.5dB。这个调整的思路是减小电容值让谐振频率往高频移动避开45MHz这个主频。5.3 成本与可制造性评估整个整改方案的物料成本大约在3到5元人民币取决于采购批量。共模扼流圈和差模电感占了大头导电衬垫和导电泡棉的成本相对较低。可制造性方面RC吸收电路和差模滤波可以集成在电机引线的小PCB上共模扼流圈可以做成插件或者贴片形式。导电衬垫和导电泡棉的安装需要产线工人操作要确保位置准确、压紧到位。我建议在产线上加一个导通测试工位用万用表测量电机外壳到产品接地端的电阻确保小于0.1Ω。6. 从这一个案例里能复用到其他电机上的经验有刷直流电机的EMC整改核心逻辑是通用的先定位噪声源和传播路径再从源头、路径和受体三个维度设计抑制方案。但具体到每个项目细节会有差异。比如电机的转速不同换向频率就不同噪声主频也会变化。高速电机的噪声主频更高可能需要更关注高频段的抑制。低速电机的噪声主频较低共模扼流圈的电感值可能需要更大。再比如电机的功率不同启动电流差异很大。大功率电机的共模扼流圈饱和问题更突出可能需要选用更大尺寸的磁芯或者有气隙的磁芯。小功率电机的启动电流小常规的共模扼流圈就能应付。还有一个容易忽略的点是电机的负载特性。空载和带载状态下电机的电流波形不同噪声频谱也会有变化。我建议在整改测试时尽量模拟实际工作负载不要只测空载。有些产品空载测试通过了带载测试又超标就是因为负载变化改变了换向过程的电流波形。最后说一个我个人的习惯每次整改完成后我会把整改方案、测试数据、器件参数整理成一份文档归档保存。下次遇到类似的有刷电机项目可以先翻翻之前的案例看看有没有可以复用的方案。这样积累下来整改效率会越来越高不用每次都从零开始摸索。