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1、哈尔滨远东理工学院学士学位论文 题 目：他励直流电机共模电磁干扰的分析分院： 工学院 专业： 电子信息工程 二0 年 月 日毕业设计（论文）评语及成绩 一、指导教师评语：是否同意参加答辩：指导教师签字： 20 年 月 日 二、评阅人评语：是否同意参加答辩： 评阅教师签字： 20 年 月 日 三、答辩委员会评语：是否建议授予学士学位：答辩委员会成员签字：1、 2、 3、 4、 5、 6、7、 8、 9、 20 年 月 日 四、答辩委员会主任单位 答辩委员会主任职称 答辩委员会主任签字 20 年 月 日 五、毕业设计（论文）成绩： 学生所在分院盖章： 20 年 月 日哈尔滨远东理工学院毕业设计（论
2、文）任务书学生姓名孙永嘉学 号09030122分 院工学院专 业电子信息工程任务起止时间： 2012 年 12 月 10 日 至 2013 年 5 月 31 日毕业设计（论文）题目：他励直流电机共模电磁干扰的分析毕业设计（论文）工作内容：在电机设计过程中，经常仅评估绕组在低频或工频时的电感，但绕组的传导干扰模型必须考虑高频时绕组之间、绕组与机壳之间所存在的不可忽视的分布电容等参数的影响。对于直流电机绕组的电磁兼容（EMC）建模，先用实验测试绕组的阻抗，然后将其等效成集总参数电路。本文仿真及实验结果表明,所得参数在整个EMC频段内的仿真阻抗与实测阻抗具有较好的一致性。毕业设计（论文）进度安排：1
3、、查阅中外文文献资料，写出文献综述阶段：2012年12月10日2013年1月10日2、调查、设计、实验、研究阶段：2013年1月11日2013年3月31日3、设计（论文）撰写与整理阶段：2013年4月1日2013年5月31日指导教师意见与要求： 签字： 年 月 日主任意见： 签字： 年 月 日哈尔滨远东理工学院学士学位论文他励直流电机共模电磁干扰的分析摘 要 电机，尤其是直流电机，自发明以来，在各个领域的广泛应用，不仅不断推动人类文明的进步，也改变了人们日常生活与工作方式，而人们对于电机的研究也在不断的深入。在电机运行过程中，电机电磁场干扰主要来自于其绕组中突变的磁场，和换向器与电刷之间的电弧
4、。有刷电机在换向过程中，电刷从一片换向器向另一片过渡的时候，会产生急剧变化的接触电阻，这样形成陡峭的脉冲电场波，这些脉冲干扰会经常产生高频瞬变电压，再侵入到其它各种设备中，影响其它设备的正常运行，特别是当其频率足够高时，还会通过导线的天线效应产生辐射，恶化整个电机系统的电磁环境。在电机设计过程中，经常仅评估绕组在低频或工频时的电感，但绕组的传导干扰模型必须考虑高频时绕组之间、绕组与机壳之间所存在的不可忽视的分布电容等参数的影响。对于直流电机绕组的电磁兼容（EMC）建模，先用实验测试绕组的阻抗，然后将其等效成集总参数电路。本文仿真及实验结果表明,所得参数在整个EMC频段内的仿真阻抗与实测阻抗具有
5、较好的一致性。关键词：他励直流电机；共模电磁干扰；电磁兼容；仿真分析Excited DC motor common mode electromagnetic interference analysisAbstractMotor, DC motor, since it was invented and widely used in various fields, not only continuously promoted the progress of human civilization, it has changed peoples daily life and work, while t
6、he study of motor is also in constantly going further more. During motor is running, the electromagnetic interference of motor mainly comes from the mutagenic magnetic field in its winding and the arc between the commutator and the brushes. In the commutation process of brush motor, while the transi
7、tion of the brush from one commutator to another is happening, there will be dramatic changing contact resistance in the contact point. So that a steep pulsed electric field will be produced, the interference of these pulses will often generate high-frequency transient voltage and then to invade a v
8、ariety of other equipments affecting the normal operation of other equipments. Furthermore, when its frequency is high enough, it will produce radiation through the wire, as the Antenna Effect. And this will obviously deteriorate the electromagnetic environment of the entire motor system. In the mot
9、or design process, we usually only evaluate the inductance of the windings in the low-frequency or power frequency only. But in the conduction interference model we must consider the not ignorable impact in high frequency existed between two windings or between the chassis and winding. About the ele
10、ctromagnetic compatibility (EMC) modeling of DC motor windings, first we test winding impedance, and then equivalent into a lumped parameter circuit. Simulation and experimental results show that the simulation parameters of impedance obtained in the entire EMC band and the measured impedance has a
11、good consistency.Keywords：Separately Excited DC Motor; Common-mode EMI; EMC; Simulation Analysis目 录摘 要IIAbstractII第1章 绪 论21.1 课题背景21.2 目的和意义21.3 解决问题21.3.1 Bootloader的移植21.3.2 Linux内核移植2第2章 方法论证22.1 可行性分析22.2 温度传感器的选择2第3章 过程论述23.1 信号采集23.1.1 温度传感器23.1.2 湿度传感器2结 论2致 谢2参考文献2附录A2-V-第1章 绪 论1.1 课题背景电气机器（
12、electrical machines）中的电机、变压器等设备的原型在19世纪就已形成，至今已有一百多年的历史1。人类的生产劳动离不开各种能源，电能在生产、传输、分配、管理、使用、控制和能量转换等方面都极为方便，电机是电能的生产与转换的机电装置，在工业、农业、交通运输、国防及日常生活等方面得到广泛的应用2。电机的主要作用表现在三个方面：1、生产、传输和分配电能。在发电厂，通过汽轮机、燃气轮机、柴油机、水轮机、风轮机等的驱动，将煤、油等燃料燃烧、原子核裂变产生的能量或水的势能、风的动能等转化 为机械能，由发电机进行机电能量转换，生产电能，然后经变压器升高电压，通过输电线路把电能传送到各用电地区，
13、再经变压器降低电压供用户使用。2、驱动各种生产机械和装备。在工农业、交通运输、国防等部门和生活设施中，电动 机广泛用于驱动生产机械、设备和器具。如机床驱动、电力给排水、农副产品加工、矿石采掘和传送、电驱动车的牵引、鼓风设备、起重设备、轧钢机械、造纸设备、化工机械及家用 电器的驱动等一般都采用电动机来驱动。3、自动控制系统中的控制元件。控制电机在控制系统、自动化系统中作为执行、检测、放大和解算元件。这类电机的功率一般都比较小，但品种繁多、用途各异。电机的广泛应用，也使得电机的电磁兼容问题，变得更为复杂，电机的电磁兼容性（EMC）成为现代电机研究中，必须考虑的问题。随着电气与电子技术发展, 尤其是
14、上个世纪90年代开始, 欧盟规定所有投放欧盟市场的电器电子产品必须符合EMC的要求, 否则不能进入欧盟市场流通。99年我国国家质量监督局也发布了EMC认证管理办法，我国电子技术标准化研究所MEC测试实验室被美国联邦通信委员会通过了FCC认可。这一措施促进了EMC研究的发展和知识的普及, 同时促进广大科研工作者进行电磁干扰抑制技术的研究。1.2 共模电磁干扰的危害电磁兼容指设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，以电气和无线电技术的基本理论为基础，并涉及许多新的技术领域，如微波技术、微电子技术、计算机技术、通信和网络技术以及新材料等等。由此可知，它包含两层意思：即它工
15、作中产生的电磁发射要限制在一定水平内；另外，它本身要有一定的抗干扰能力。即电磁兼容EMC包括电磁干扰EMI(interference)和电磁抗干扰EMS(susceptibility)。这便是设备研制中所必须解决的兼容问题。该共模电压会产生一系列负面效应, 比如：1、通过电机绕组对地寄生电容产生高频共模电流。该共模电流往往构成变频调速系统传导电磁干扰的主要成分, 并且通过地回路的天线效应产生严重的辐射电磁干扰。2、共模电流还可能引起地电流保护装置的误动作。3、使定子绕组承受的对地电压比三相正弦供电时大为提高, 从而导致绝缘寿命的降低。4、通过定转子间的分布电容网络, 在转子体上产生对地轴电压,
16、 继而导致电机轴承内油膜的击穿和轴承的电蚀损伤。在电机运行过程中，电机电磁场干扰主要来自于其绕组中突变的磁场，和换向器与电刷之间的电弧。有刷电机在换向过程中，电刷从一片换向器向另一片过渡的时候，会产生急剧变化的接触电阻，这样导致电流突变，产生电弧，从而便形成陡峭的脉冲电场波，这些脉冲干扰会经常在供电线上，产生高频瞬变电压，再以传导干扰的形式侵入到其它各种设备中，影响其它敏感设备的正常运行，特别是当其传导干扰的频率足够高时，还会通过导线的天线效应产生辐射，恶化整个电机系统的电磁环境。1.3 本论文的目的及工作我国对电机的依赖，随着我国工业的发展，在逐渐地加强，而对直流电机的研究也在不断深入，本文
17、将针对他励直流电机以及其共模电磁干扰，建立出电路模型，并从理论上和仿真分析上，论述模型的正确与否。建立的电路模型，可以为以后的此类电机的研究、应用、分析等方面，提供理论基础和分析数据。目前，已知某些文献中，也建立了几种电机共模等效模型，但多数是为了分析和预测共模电压在电机端产生的过电压、轴电压或电流等负面效应而提出的，即使是用于分析漏电流的共模等效电路，适用的频段也只是低频段以下，很难满足整个传导干扰频段高频段电磁干扰问题研究的要求。本文所建立的他励直流电机的高频共模等效电路，与之前的研究中所提到的等效电路的主要不同之处，是该等效电路可用于分析和预测他励直流电机驱动系统整个传导干扰频段共模的发
18、射强度和电机侧共模电流。本文作者主要做了以下几个方面的工作：1、先根据他励直流电机的结构、原理等，作电机共模传导分析；2、根据分析，建立他励直流电机绕组模型；3、通过实验与仿真的结果，验证模型的正确性；4、详细分析他励直流电机的干扰源，并建立其干扰源模型；5、再通过实验与仿真，验证干扰源模型。第2章 他励直流电机和共模电磁干扰2.1 他励直流电机的概念及结构2.1.1 电机、直流电机的概念电机是一种进行能量转换或机电能量转换的电磁机械装置。直流电机是指发出直流电流的发电机或通以直流电流而转动的电动机，是电机的主要类型之一。2.1.2 直流电机的结构直流电机由定子和转子两个部分组成。直流电机运行
19、时，静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分，称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。下图是电机的结构图。图2-1 直流电机纵向剖视图1换向器2电刷装置3机座4主磁极5换向极6端盖7风扇8电枢绕组9电枢铁心对于图中一些主要部件进行说明：1、定子部分（1）主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁
20、绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上。图2-2 主磁极的结构1主磁极 2励磁绕组 3机座（2）换向极换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。（3）机座电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以
21、构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。图2-3 换向极1换向极铁心 2换向极绕组（4）电刷装置电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。图2-4 电刷装置1刷握 2电刷 3压紧弹簧 4刷辫2、转子（电枢）部分（1）电枢铁心电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢
22、铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。图2-5 转子结构图（2）电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。图2-6 电枢槽
23、的结构1槽楔 2线圈绝缘 3电枢导体 4层间绝缘5槽绝缘 6槽底绝缘（3）换向器在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向片的紧固，换向片的下部做成鸽尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用螺母锁紧。图2-7 换向器结构1换向片 2连接部分（4）转轴转轴对旋转的转子起支撑作用，需要有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。为了使电机能够运转自如，定子与转子之间要有间
24、隙，称为气隙，气隙是磁路的组成部分。图2-8 单叠绕组元1首端 2末端 3元件边 4端接部分 5换向片2.2 他励直流电机的特性直流电机按照励磁方式可分为他励和自励两大类。1、他励直流电机励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图2-9(a)所示。永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。2、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联，如图2-9(b)所示。励磁电压等于电枢绕组端电压。以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1%5%， 所以励磁绕组的导线细而匝数多。3、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联，如图2-9(c)所示。励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线
25、粗而匝数较少。4、复励直流电机每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图2-9(d)所示。两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。图2-9 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。2.2.1他励直流电机的机械特性他励直流电机的机械特性是指电机加上一定的电压U和一定的励磁电流If时，电磁转矩Te与转速n之间的关系，即n=f(Te)，为了推导机械特性的一般公式，在电枢回路中串入一个电阻R。可以推导得到(2-1)式中，称为理想空载转速，是机械特性的斜率，Ia为
26、电枢电流，CE是电机在额定磁通下的电动势系数，Ra是直流电机的电枢电阻，是磁通量的幅值，CT是电机在额定磁通下的转矩系数，Te是电磁转矩，式(2-1)为他励直流电机机械特性的一般表达式，由式(2-1)可知，他励直流电动机机械特性是一条斜直线，跨三个象限，特性较硬。机械特性只表征电动机电磁转矩和转速之间的函数关系，是电动机本身的能力。2.2.2 他励直流电机的运行特性1、他励直流电动机的启动：直流电动机接到电源后，转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。对电机起动的基本要求是：起动转矩要大；启动电流要小；起动设备要简单、经济、可靠。若对静止的他励直流电动机加额定电压UN、电枢回路不串电阻即直接起
27、动。此时n=0，Ea=0，起动电流，起动转矩。(1) 电枢回路串电阻起动在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻Rst，在起动过程中将起动电阻逐步切除。图2-10 电枢回路串电阻起动起动时在电枢回路内串入电阻，用来限制起动电流,等电动机转速升高，电枢电动势Ea升高，再逐步切除外串电阻，直到电动机达到要求的转速，如图2-10所示。电磁转矩， T与Ia成正比，所以在图2-2的横坐标上可以将T与Ia标注在一起，只是它们在横坐标上的比例系数不同而已；当然也可以将起动转矩Tst和起动电流Ist标注在一起;TL是负载转矩，T=TL时的电枢电流也称为负载电流IL，也把TL与IL标注在一起。(2) 降电压起
28、动起动时，将电源电压降低为U，使Ist = (22.5）IN，即(2-2)待电动机转速升高.电枢电动势Ea上升，电流降低，这时再逐步升高电源电压，始终保证在起动的全过程中Ist不超过允许值。有时为了保证起动过程中电磁转矩一直较大及电枢电流一直较小， 可以逐渐升高电压U，直至最后升到UN。2、他励直流电动机的调速：(1) 电枢串入电阻调速他励直流电机拖动负载运行时，保持电源电压及磁通为额定值不变，在电枢回路中串入不同的电阻时，电机运行于不同的转速。此方法有以下特点： 机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低； 在空载或轻载时，调速范围不大； 实现无级调速困难； 在调速电阻上消耗大量电能等。正
29、因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。(2) 降低电源电压调速保持他励直流电动机磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，降低电枢的电源电压为不同大小时，电动机拖动负载运行于不同的转速上。此方法有以下特点： 当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，一般只能在额定转速以下调节； 调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大； 调速时，因电枢电流与电压U 无关，若电枢电流不变，则电动机输出转矩 T不变，我们把调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调速。(3) 弱磁调速保持电枢电压为额定电压，电枢回路不串电阻
30、，在电动机轴上的负载不是很大的情况下，人为降低电动机的磁通，从而达到调速的目的。可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速nN以上调节；调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制，普通他励电动机的最高转速不得超过（1.22）nN倍，所以，调速范围不大，若使用特殊制造的“调速电动机”，调速范围可以增加到（34）nN倍的额定转速；调速时维持电枢电压U和电枢电流 Ia不变时，电动机的输出功率 P = UIa不变，我们把在调速过程中，输出功率不变的这种特性称为恒功率调速。基于弱磁调速范围不大，它往往是和调压调速配合使用，即在额定转速以下，用调压调速，而在额定转速以上，则用弱磁调速。2.3 电磁干扰基
31、本概念电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。电磁干扰(Electromagnetic Interference，简称EMI)是导致设备、传输信道和系统性能劣化的电磁骚扰，会干扰信号并降低信号完好性的电子噪音，EMI通常由电磁辐射发生源如电机和机器产生的。电磁干扰引起的设备、传
32、输通道或系统性能的下降。它的主要要素有自然和人为的干扰源、通过公共地线阻抗/内阻的耦合、沿电源线传导的电磁干扰和辐射干扰等。电子系统受干扰路经为经过电源，经过信号线或控制电缆，场渗透，经过天线直接进入：并且有电缆耦合，从其他设备来的传导干扰，电子系统内部场耦合，其它设备的辐射干扰，电子设备外部耦合到内部场，宽带发射机天线系统，外部环境场等等。电磁干扰源分类，有多种分类方法：自然界干扰源和人为干扰源；有意干扰和无意干扰；传导型干扰和辐射型干扰等。电磁干扰的形成必须同时具备三项因素：1、干扰源；2、干扰途径传导型干扰（路）、辐射型干扰（场）；3、对电磁干扰敏感性较高的接收电路。消除或减弱电磁干扰，
33、可针对这三项因素采取措施：1、消除或抑制干扰源；2、切断干扰途径；3、削弱接受回路对干扰的敏感性。电磁干扰的途径有：1、传导型（通过路的干扰）：(1)供电干扰（电源干扰）：来自电源本身或由于电源异常抖动引起的干扰；(2)强电干扰（信号通道干扰）：来自信号通道内部的各种干扰；(3)接地干扰：由于接地不当引起的干扰；2、辐射型（通过场的干扰）：辐射干扰：来自空间的电磁干扰。电磁干扰有共模和差模两种方式。共模干扰存在于电源任何一相对大地、或电线对大地间。共模干扰有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰，这是载流导体与大地之间的干扰。 差模干扰存在于电源相线与电线及相线与相线之间。差模干扰也称常说的常模
34、干扰、横模干扰或对称干扰。这是载流导体之间的干扰。第3章 他励直流电机绕组模型的建立和仿真3.1电机侧共模传导EMI分析他励直流电动机电磁场干扰，主要来自于其绕组中突变的磁场，和换向器与电刷之间的电弧。有刷电机在换向过程中，电刷从一片换向器向另一片过渡的时候，会产生急剧变化的接触电阻，这样导致电流突变，产生电弧，从而便形成陡峭的脉冲电场波，这些脉冲干扰会经常在供电线上，产生高频瞬变电压，再利用导线，以传导干扰的形式侵入到其它各种设备中，影响其它敏感设备的正常运行，特别是当其传导干扰的频率足够高时，还会通过导线的天线效应产生辐射，恶化整个电机系统的电磁环境。这些干扰的电磁波频率约为10Hz100
35、0MHz，因而其干扰的频带很宽。当电机的励磁绕组电流突然被切断时，线圈产生的励磁磁场，突然消失，于是在线圈中就会产生高达数百伏，甚至上千伏的瞬变过电压，这种高电压与一阶电路的指数衰减曲线形态非常相似，于是，该脉冲电压产生极大的能量泄放，窜入控制电路产生相当大的电能冲击。当电机处于额定负载下工作时，若突然切断电枢绕组供电电流，此时，电枢仍在高速转动，在电机定子励磁作用下，转子的电枢绕组产生的感应电动势与原电枢绕组电动势同向叠加，也会形成过电压，其瞬态的峰值可以达到额定电压的68倍，并按指数规律衰减到电枢停止转动7。图3-1 直流电机端电压波形电机的干扰脉冲峰值的大小，与电机的基本结构、正常工作时
36、的负载、绕组绝缘层的老化以及换向器与电刷之间的间隙等因素，都有直接关系。为了准确建立电机传导电磁干扰的仿真模型，需要深入分析电机传导干扰的产生的机理，然后进行电机绕组的高频建模，才能建立出电机传导电磁干扰的仿真模型。图3-2 电机端电压频谱图3-1所示，用示波器显示的直流电机低速运行时，电机端电压的波形，从图可以看出，电机的电压不仅出现周期性脉动，同时还出现了尖峰脉冲。图3-2所示是直流电机端电压频谱图，该频谱是利用示波器得到的电压数据作傅里叶变换后得到的频谱结果，由此图可以看出，直流电机端电压含有丰富的高频分量，而且在高频段仍有一定强度。3.2他励直流电机绕组模型的建立在该直流电机建模过程中
37、，除了需要根据电机特性建立物理模型外，还有重要的一步就是如何确定物理模型中各个元件的参数，本文采用仿真分析来选择模型中各个元件的参数。目前，已知文献4-6中所提到的几种电机共模等效电路，多数是为了分析和预测共模电压在电机端产生的过电压、轴电压或电流等负面效应而提出的，即使是用于分析漏电流的共模等效电路，适用的频段也只是1MHz以下，很难满足整个传导干扰频段（150K30MHz）EMI问题研究的要求。本文所建立的他励直流电机的高频共模等效电路，与文献中所提到的等效电路的主要不同之处，是该等效电路可用于分析和预测他励直流电机驱动系统整个传导干扰频段共模的发射强度和电机侧共模电流。3.2.1 他励直
38、流电机共模电流耦合路径他励直流电机内部，定子和转子槽内的励磁绕组和电枢绕组，沿圆周对称分布，同时电机内部还存在着磁场和电场，这就使得电机内部，存在着大量电磁耦合的关系，这就为高频电磁干扰噪声的传播提供了丰富的路径。尽管他励直流电机中寄生参数有很多，但考虑到电机中励磁和电枢绕组分开供电，电枢绕组通过PWM控制器实现电机调速，所以电枢绕组是系统产生高频共模电磁干扰的主要部件，所以研究其寄生电容参数，就重点分析电枢绕组，主要有三种寄生电容，励磁绕组对定子铁心的寄生电容（Csg），电枢绕组对转子铁心的寄生电容（Csa），电枢绕组对定子铁心的寄生电容（Csf）。根据他励直流电机内部寄生参数的分布情况，得
39、到电机的共模电流耦合路径如图3-3所示。Za和Zf分别表示电枢绕组和励磁绕组单位长度阻抗；Rb为轴承电阻；Pa和Na，Pf和Nf分别表示电枢绕组和励磁绕组供电电源的正负端，其中电枢绕组的供电电源是通过功率变换器提供的。icm为流入的大地的共模电流，iacmk，ifcmk，igcmk（其中k=1，2，n）分别为流过每个单位长度绕组所对应的寄生电容的共模电流。由图3-3所示的他励电机内部寄生参数分布情况和电机结构的分析可知，电枢绕组是受高频干扰影响最严重的部件，而励磁绕组在高性能供电电源下工作时所受到的高频干扰很小，所以在分析共模电流路径时，可以忽略励磁绕组本身对共模电流的影响，只需考虑寄生电容的
40、影响。图3-3 他励直流电机内部共模电流耦合路径3.2.2他励直流电机绕组模型建立研究电机绕组高频特性最有效的方法就是采用多导体、多单元的传输线模型。对给定直流电机而言，电枢铁心为各向同性的均匀介质，且各转子槽的结构相同，槽内的绕组匝数和线径均为定值，所以可认为电机电枢绕组是均匀传输线。在分析和预测直流电机侧高频共模电流时，可采用更为简化的集总参数模型8，根据经验，在分析他励直流电机的基础上建立了直流电机绕组的EMC模型，如图3-4所示。图3-4 他励直流电机高频共模等效电路La表示电枢绕组的共模电感；Lr表示电枢铁心电感； Ra表示铁心涡流效应和电枢绕组电阻的总和；Rr表示电枢铁心叠片电阻与
41、电机轴承电阻总和； Ca表示电枢绕组的寄生电容；Cr表示电枢绕组与槽之间的寄生电容和电枢铁心叠片之间的寄生电容总和； Cf为电枢绕组耦合到励磁绕组铁心的寄生电容。得到该等效电路模型后，就需要根据给定电机的特性确定模型中的参数，该参数的选取采用仿真分析进行。对于图3-4所示的等效电路，根据电路理论可以得到绕组阻抗ZXY和对地共模阻抗ZXG的表达式如下： （3-1） （3-2）3.3 实验与仿真3.3.1实验结果为了获得电机的高频EMI模型，首先需要通过实验获得电机的阻抗幅频特性。然后将其等效为一个集总参数电路，使得在整个频段内的等效电路阻抗与实测绕组阻抗相一致。电机阻抗测试采用安捷伦公司的Agi
42、lent 4249A型精密阻抗分析仪，它的扫描频率范围在40Hz到110MHz之间，覆盖了本文所要研究的传导干扰频段。利用该阻抗分析仪分别对某一型号的他励直流电机的短路阻抗和开路阻抗进行测试，测试原理图如图3-5所示。图3-6为直流电机在150KHz30MHz频段内直流电机绕组短路阻抗和开路阻抗的幅频特性测试结果，由图可知，在确立他励直流电机高频共模等效电路时，必须考虑电机内部与共模传输信号有关的寄生参数。 （a）短路阻抗测试 （b）开路阻抗测试图3-5 直流电机绕组阻抗测试图（a）短路阻抗（b）开路阻抗图3-6他励直流电机绕组阻抗和绕组对地阻抗特性图3.3.2仿真分析为了获得等效电路参数，采
43、用仿真分析进行参数集合的优选，输出等效电路参数如表3-1所示。图3-7 仿真分析产生的曲线图表3-1 等效电路参数参数电阻电容pF电感HRamRrKCaCrCfLaLr参数值21.39.82242413112116电机短路和开路阻抗的仿真与实验结果对比图如图3-8所示。仿真与实验结果误差曲线图如图3-9所示。由图可知，虽然在高频段（20MHz以上）仿真结果误差相对低频段要高，但是在整个频段内直流电机共模阻抗的仿真结果与实验结果仍具有良好的一致性。所以采用该模型及等效电路参数，能够准确的反映出他励直流电机在该频段的共模阻抗特性。 （a）短路阻抗 （b）开路阻抗图3-8 电机阻抗仿真结果与实验结果
44、对比图图3-9 仿真结果误差曲线图在20MHz以上频段时，仿真结果与实验结果对比误差主要原因是直流电机内部某些介质的介电常数、磁导率等参数在高频段时是一个与频率有关的函数而非常数，于是电机内部的寄生电容值和电感值在整个频段内（150KHz30MHz）非恒定值。所以在模型中采用恒定的寄生电容值和电感值必然会导致在高频段出现仿真误差。第4章 他励直流电机干扰源分析与仿真4.1干扰源分析他励直流电机在正常运行时，由于换向过程中，直流电机的端电压和电流产生周期性的脉动，这就使得电机的电压具有丰富的高频分量。图4-1所示为直流电机换向过程的等效电路，根据该等效电路建立电机换向电流和传导干扰源的求解方程，再利用Matlab的数值方法求解干扰源时域解。图4-1 电机换向过程等效电路图图中以一组电刷的换向过程为例，分析其换向过程，上下两个黑色矩形框就是电刷。图中