永磁直流電動(dòng)機(jī)(PMDC)憑借高效、節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。電磁兼容性(EMC)作為電機(jī)可靠性的核心指標(biāo)，直接影響周邊電子設(shè)備的正常運(yùn)行。換向偏轉(zhuǎn)角是PMDC設(shè)計(jì)與調(diào)試中的關(guān)鍵參數(shù)，其取值直接決定換向過(guò)程的平穩(wěn)性，進(jìn)而對(duì)電機(jī)電磁干擾(EMI)輻射與傳導(dǎo)特性產(chǎn)生顯著影響。本文從PMDC換向原理出發(fā)，分析換向偏轉(zhuǎn)角對(duì)換向火花與電磁干擾的作用機(jī)制，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探討不同偏轉(zhuǎn)角下電機(jī)EMC性能的變化規(guī)律，提出基于EMC優(yōu)化的換向偏轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)策略，為PMDC的低干擾設(shè)計(jì)提供理論與實(shí)踐參考。

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各類電子設(shè)備對(duì)電磁環(huán)境的敏感性不斷提升，電機(jī)作為電磁干擾的主要發(fā)射源之一，其EMC性能成為制約設(shè)備整體可靠性的關(guān)鍵因素。永磁直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)永磁體提供勵(lì)磁磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)換向器與電刷的配合實(shí)現(xiàn)電流換向，進(jìn)而獲得持續(xù)的轉(zhuǎn)矩輸出。在換向過(guò)程中，電刷與換向片之間不可避免地會(huì)產(chǎn)生火花，該火花是電機(jī)電磁干擾的主要來(lái)源，其強(qiáng)度與換向偏轉(zhuǎn)角密切相關(guān)。

換向偏轉(zhuǎn)角指電機(jī)換向器相對(duì)于磁極中心線的偏移角度，合理的偏轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)可優(yōu)化換向過(guò)程，減少火花產(chǎn)生;反之，偏轉(zhuǎn)角過(guò)大或過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向惡化，加劇電磁干擾。目前，關(guān)于PMDC的研究多集中于效率提升、轉(zhuǎn)矩優(yōu)化等方面，對(duì)換向偏轉(zhuǎn)角與EMC性能關(guān)聯(lián)性的系統(tǒng)研究相對(duì)不足。因此，深入分析兩者之間的影響規(guī)律，對(duì)提升永磁直流電動(dòng)機(jī)的電磁兼容性具有重要的工程意義。

永磁直流電動(dòng)機(jī)的換向過(guò)程是通過(guò)電刷與換向片的滑動(dòng)接觸，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組中電流方向的周期性變化，確保電磁轉(zhuǎn)矩方向恒定。當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組線圈隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)線圈從一個(gè)磁極下進(jìn)入另一個(gè)磁極下時(shí)，線圈中的電流需要迅速反向，這一過(guò)程即為換向。理想換向狀態(tài)下，線圈電流在換向期間平穩(wěn)過(guò)渡，電刷與換向片之間無(wú)火花產(chǎn)生，此時(shí)電磁干擾最小。

換向偏轉(zhuǎn)角的設(shè)置直接影響換向瞬間線圈的電磁環(huán)境。當(dāng)設(shè)置正向偏轉(zhuǎn)角時(shí)，換向片在進(jìn)入電刷接觸區(qū)域前，線圈提前處于反向磁場(chǎng)中，可加速電流反向;反向偏轉(zhuǎn)角則會(huì)延遲電流反向。合理的偏轉(zhuǎn)角可使線圈在換向時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消，實(shí)現(xiàn)無(wú)火花換向;若偏轉(zhuǎn)角設(shè)置不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致線圈中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，引發(fā)電刷與換向片之間的電弧放電，即換向火花。

永磁直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾主要包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，其核心來(lái)源是換向火花。換向火花本質(zhì)上是一種高頻脈沖放電現(xiàn)象，放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生包含豐富高頻諧波的電流和電壓脈沖，這些脈沖通過(guò)電機(jī)電源線傳導(dǎo)至電網(wǎng)，形成傳導(dǎo)干擾;同時(shí)，火花放電會(huì)激發(fā)周圍電磁場(chǎng)的劇烈變化，向空間輻射高頻電磁波，形成輻射干擾。

此外，轉(zhuǎn)子繞組的電流變化、永磁體磁場(chǎng)的脈動(dòng)等也會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾，但相較于換向火花的影響可忽略不計(jì)。換向火花的強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間直接決定了EMI的嚴(yán)重程度，而換向偏轉(zhuǎn)角通過(guò)影響換向火花的產(chǎn)生條件，間接決定了電機(jī)的EMC性能。

當(dāng)換向偏轉(zhuǎn)角過(guò)小時(shí)，線圈進(jìn)入換向區(qū)域時(shí)，反向磁場(chǎng)的作用不足，無(wú)法及時(shí)加速電流反向。此時(shí)，線圈中的電流無(wú)法在電刷與換向片脫離接觸前完成反向，導(dǎo)致電刷與換向片之間出現(xiàn)“拉弧”現(xiàn)象，火花持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)、強(qiáng)度增大。持續(xù)的強(qiáng)火花會(huì)產(chǎn)生大量高頻諧波，不僅加劇傳導(dǎo)干擾，還會(huì)增強(qiáng)輻射干擾的強(qiáng)度，導(dǎo)致電機(jī)EMC測(cè)試中傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射指標(biāo)超標(biāo)。

同時(shí)，過(guò)小的偏轉(zhuǎn)角會(huì)導(dǎo)致電刷與換向片之間的接觸壓力不穩(wěn)定，進(jìn)一步惡化換向過(guò)程，形成惡性循環(huán)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角小于最優(yōu)值5°時(shí)，電機(jī)在10MHz-1GHz頻段的輻射發(fā)射強(qiáng)度可提升10-15dBμV/m，遠(yuǎn)超GB/T 18488-2015標(biāo)準(zhǔn)限值。

換向偏轉(zhuǎn)角過(guò)大時(shí)，線圈提前進(jìn)入反向磁場(chǎng)區(qū)域，電流反向速度過(guò)快，會(huì)在線圈中產(chǎn)生較大的自感電動(dòng)勢(shì)。該電動(dòng)勢(shì)會(huì)導(dǎo)致電刷與換向片之間出現(xiàn)瞬時(shí)高壓，引發(fā)擊穿放電，產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈沖火花。與偏轉(zhuǎn)角過(guò)小的情況相比，過(guò)大偏轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的火花強(qiáng)度更大、頻率更高，對(duì)高頻頻段的電磁干擾更為顯著。

此外，過(guò)大的偏轉(zhuǎn)角還會(huì)增加電刷與換向片之間的磨損，導(dǎo)致接觸電阻增大，進(jìn)一步加劇火花放電現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角超過(guò)最優(yōu)值8°時(shí)，電機(jī)在500MHz-2GHz頻段的輻射干擾強(qiáng)度顯著提升，同時(shí)電源線中的傳導(dǎo)干擾在1-10MHz頻段也出現(xiàn)明顯超標(biāo)。

通過(guò)合理設(shè)計(jì)換向偏轉(zhuǎn)角，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)火花換向或微火花換向，從而最大限度降低電磁干擾。最優(yōu)換向偏轉(zhuǎn)角的確定與電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載、繞組參數(shù)等因素相關(guān)，通常需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試獲得。在最優(yōu)偏轉(zhuǎn)角下，線圈換向時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消，電流平穩(wěn)過(guò)渡，電刷與換向片之間無(wú)明顯火花產(chǎn)生，電機(jī)的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射指標(biāo)均能滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，當(dāng)永磁直流電動(dòng)機(jī)的換向偏轉(zhuǎn)角調(diào)整至最優(yōu)值(某型號(hào)電機(jī)最優(yōu)偏轉(zhuǎn)角為3°)時(shí)，其在10MHz-1GHz頻段的輻射發(fā)射強(qiáng)度可降低20-30dBμV/m，電源線傳導(dǎo)發(fā)射強(qiáng)度降低15-25dBμV，完全符合GB/T 18488-2015《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)》的EMC要求。

永磁直流電動(dòng)機(jī)的換向偏轉(zhuǎn)角對(duì)其EMC性能具有顯著影響，偏轉(zhuǎn)角過(guò)小或過(guò)大都會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向火花加劇，進(jìn)而增強(qiáng)電磁干擾，使傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射指標(biāo)超標(biāo)。合理設(shè)置換向偏轉(zhuǎn)角，可實(shí)現(xiàn)無(wú)火花換向，有效降低電磁干擾，確保電機(jī)滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。

基于EMC優(yōu)化的換向偏轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)，需結(jié)合電機(jī)參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試精準(zhǔn)確定最優(yōu)值，并協(xié)同優(yōu)化電刷材料、換向片精度等其他影響因素。未來(lái)，隨著電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，自適應(yīng)偏轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)技術(shù)將成為提升永磁直流電動(dòng)機(jī)EMC性能的重要方向，為電機(jī)在高電磁敏感領(lǐng)域的應(yīng)用提供更可靠的保障。