CN113348608A

CN113348608A - 用于直流电机的emi滤波器

Info

Publication number: CN113348608A
Application number: CN201980088862.5A
Authority: CN
Inventors: 胡渤
Original assignee: Johnson Electric International AG
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2021-09-03
Also published as: KR20210106008A; JP7130880B2; KR102408913B1; EP3895284A4; EP3895284A1; US20210344257A1; WO2020147073A1; US11606008B2; JP2022515921A

Abstract

提供了一种用于直流电机10的电磁干扰(EMI)滤波器32。EMI滤波器32包括具有第一和第二直流电机端子输入36a、36b的EMI抑制电路34，以及耦合到第一和第二直流电机端子输入36a、36b之一的MW频带功率扼流圈44，以增加MW频段的电机电感。

Description

用于直流电机的EMI滤波器

【技术领域】

本发明涉及一种用于直流电机的EMI滤波器，特别是用于限制MW频带中的电机发射。本发明还涉及具有这种EMI滤波器的直流电机、利用所述直流电机的阀致动器以及抑制直流电机的MW频带发射的方法。

【背景技术】

由于复杂的端盖结构会产生寄生噪声路径，因此直流电机滤波器传统上是通过电磁干扰(EMI)扼流圈、接地电容器和线路电容器实现的。此类解决方案的性能不足以满足国际无线电干扰特别委员会(CISPR)25第5类要求。该标准是越来越流行的车身电子基准和要求，尤其是在汽车电子市场。

一些现有产品通过使用压敏电阻在源位置抑制噪声来满足CISPR 25第5类标准。然而，此类解决方案需要大电容，通常超过2μF，并且这些器件不适用于瞬态电流控制。瞬态电流控制应用通常具有有限的输入电容要求，通常限制在几百nF。

【发明内容】

本发明旨在提供一种在MW(0.52-1.8MHz)、FM(76-108MHz)、RKE(300-330MHz、420-450MHz)、DAB(174-241MHz)和TV IV/V(420-450MHz)频段中满足CISPR 25第5类标准、同时仍适用于瞬态电流控制的直流电机。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于直流电机的电磁干扰(EMI)滤波器，该EMI滤波器包括：具有第一和第二直流电机端子输入的EMI抑制电路；MW频带功率扼流圈与第一和第二直流电机端子输入之一耦合，以增加MW波段中的电机电感。

为了满足CISPR 25第5类标准，直流电机的EMI必须低于某些预定阈值。迄今为止，高频EMI已相对容易解决；然而，为了抑制MW波段EMI，需要高输入电容。本发明通过提供至少一个MW频带功率扼流圈解决了这个问题，允许使用低得多的输入电容，并因此允许将滤波后的直流电机应用于瞬态电流控制。

优选地，可以设有两个所述MW频带功率扼流圈，分别耦合到第一和第二直流电机端子输入。

在优选实施例中，设有两个MW频带功率扼流圈，与单个MW频带功率扼流圈相比，这可以提高可调谐性和/或EMI降低的容易性。

可选地，MW频带功率扼流圈可以是可调电感功率扼流圈。

可调电感功率扼流圈的优点是允许用户调整电感，从而将MW频带EMI抑制在预定频带内。通过仅根据需要调整电感，使用过大的电感对电机性能产生负面影响的风险较小。

在一个优选实施例中，MW频带功率扼流圈可以包括铁氧体磁芯线圈。铁氧体芯线圈可以包括围绕锰锌铁氧体棒缠绕的线圈。

铁氧体磁芯线圈是一种简单的电感器，可以集成到EMI滤波器中，而锰锌棒可在给定电感器尺寸的MW频段内提供高性能的EMI抑制。这允许生产更紧凑的过滤器。

可选地，MW频带功率扼流圈可以包括表面安装器件(SMD)功率扼流圈。

SMD更容易安装到相关的电路基板，因此可以相应地简化EMI滤波器的制造。

在一个实施例中，MW频带功率扼流圈可以具有至少25μH的电感，更优选地至少50μH，并且另外或替代地在25至125μH的范围内，更优选地在50至100μH的范围内微米。提供了一个具有53μH电感的指示性实施例。

这种规模的电感，最好是在这个范围内可调，是MW频带抑制的理想选择。然而，可以理解的是，不同特性的电机可能会导致不同的优化。

优选地，EMI抑制电路可以包括多个Y电容器和多个分流电阻器。

具有这种结构的EMI抑制电路是以成本有效的方式抑制高频EMI的简单而有效的手段。

根据本发明的第二方面，提供了一种直流电机，包括第一和第二电机端子，以及根据本发明第一方面的EMI滤波器，第一和第二直流电机端子输入连接到第一和第二电机端子。

具有这种EMI滤波器的直流电机可以满足必要的CISPR标准，同时也适用于瞬态电流控制，因为输入电容要求比传统MW波段EMI滤波器低得多。

直流电机可选地包括耦合在第一直流电机端子输入和第一电机端子之间的电机功率扼流圈，以及耦合在第二直流电机端子和第二电机端子之间的电机功率扼流圈。

这种配置为电机提供了改进的EMI抑制，这可以减少对大型EMI滤波器或具有复杂电路的需求。

此外，可以设有连接到直流电机的换向器的变阻器，第一和第二电机端子中的每一个都与换向器通信。

压敏电阻可以进一步提供浪涌保护，因此可以对直流电机的EMI抑制产生相应的改进效果。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括根据本发明第二方面的直流电机的阀致动器。

使用这种直流电机的阀执行器很可能满足必要的CISPR标准，该标准正日益成为汽车行业标准。

根据本发明的第四方面，提供了一种抑制直流电机的MW频带发射的方法，该方法包括以下步骤：a]将具有第一和第二直流电机端子输入的EMI抑制电路连接到直流电机的第一和第二电机端子；b]将MW频带功率扼流圈耦合到EMI抑制电路的第一和第二直流电机端子输入之一；和c]调整MW频带功率扼流圈的电感，直到满足直流电机的预定MW频带发射标准。

可调谐EMI滤波器允许仅在需要时抑制MW频段中的EMI。这可以允许直流电机用于指定符合预定标准的特定应用中，而不会显着阻碍电机性能。

优选地，预定的MW频带发射标准可以是MW频带中的CISPR 25、5类标准。

通过调整滤波器以满足这些标准，创建适合包含在汽车应用中的设备变得更加简单。

【附图说明】

现在将参考附图仅通过示例更具体地描述本发明，其中：

图1示出了根据先进技术的适用于本发明的直流电机的一个实施例的透视图；

图2显示了图1直流电机的横截面；

图3示出了具有根据本发明第一方面的EMI滤波器的第一实施例的图1的直流电机的透视图；

图4为图3所示直流电机和EMI滤波器的示意性电路图；

图5示出了根据本发明的第三方面的具有图3的直流电机和EMI滤波器的阀致动器的透视图；

图6示出了具有根据本发明第一方面的EMI滤波器的第二实施例的图1的直流电机的透视图；

图7示出了根据本发明的第一方面的耦合到EMI滤波器的第三实施例的图1的直流电机的指示性电路图；和

图8示出了根据本发明第一方面的耦合到EMI滤波器的第四实施例的图1的直流电机的指示性电路图。

【具体实施方式】

参考图1，根据先进技术，表示了一个直流电机，整体标记为10。直流电机10包括电机外壳12，电机外壳12包围定子和转子，输出轴14从电机外壳12伸出以与转子连通，从而允许从直流电机10提供驱动。

设有端盖16，其密封电机外壳12的一端，并且其中可具有轴接收孔18以允许输出轴14延伸穿过其中，或者实际上用作输出轴14的轴承。

直流电机10具有第一和第二电机端子20a、20b，其允许对其内部部件进行电连接，并且这些第一和第二电机端子20a、20b在此被设为一对穿过端盖16延伸的插销以显示暴露的导电表面。接地销20c也设置在端盖16上，其与第一和第二电机端子20a、20b电绝缘。

图2示出了电机外壳12内部的电连接。转子连接到换向器22，该换向器优选地也连接到变阻器，更优选地连接到环形变阻器24。当换向器22相对于直流电机10的电刷26a、26b旋转时，这种变阻器可以降低由浪涌电压产生的噪声。

然后还可以设置第一和第二电刷26a、26b，其分别将第一和第二电机端子20a、20b连接到换向器22。作为EMI抑制的初始手段，优选地将电机功率扼流圈28和接地电容器30定位在第一电机端子20a和电刷26a与第二电机端子20b和电刷26b之间。优选地，电机功率扼流圈28为铁氧体磁芯线圈，而接地电容器30优选地为Y电容器。

图3示出了本发明的EMI滤波器32。存在EMI抑制电路34，其具有分别可与第一和第二直流电机端子20a、20b接合的第一和第二直流电机端子输入36a、36b。此处，第一和第二直流电机端子输入36a、36b形成为导电元件中的弹性爪，该导电元件延伸穿过EMI抑制电路34的电路基板38，优选地为印刷电路板。还设有相应的接地引脚输入36c，其可用于提高EMI抑制电路34安装到直流电机10的端盖16上的便利性或稳定性。

电路基板38优选地包括接收孔，如果需要，直流电机10的输出轴14可以通过该接收孔延伸。

设置EMI抑制电路34以抑制高频EMI。这优选地通过设置多个电容器40，优选地Y电容器，以及电连接到第一和第二直流电机端子20a、20b的多个分流电阻器42来实现。这可以在图4的电路图中看到。

然而，除了高频EMI抑制之外，还设有一对MW频带功率扼流圈44，分别连接到第一和第二电机端子20a、20b，优选地在EMI抑制电路34的远端。这些MW频带功率扼流圈44被设计成抑制MW频带中的EMI。

MW频带功率扼流圈44被设为铁氧体磁芯线圈，具有缠绕在铁氧体棒48周围的线圈绕组46。铁氧体棒48可以由镍锌铁氧体棒形成，但是对于给定尺寸的铁氧体棒，锰锌铁氧体棒可以具有优良的特性，从而针对给定电感可以减小MW频带功率扼流圈44的尺寸。每个MW频带功率扼流圈44在线圈绕组46的第一端电连接到对应的第一和第二电机端子20a、20b，线圈绕组46的第二端具有用于向前电连接的自由电触点50到其他组件，并且这可以作为可***的导电销来设置，以方便使用。

为了提供合适的MW波段EMI抑制，MW频带功率扼流圈44优选使用53μH电感器；然而，应当理解，使用具有电感的电感器可以实现合适的MW波段EMI抑制，如在500Hz下测量，在大约25到125μH范围内的任何地方，但更优选地在50到100μH，测量值为1kHz 1V。这假设线圈绕组46由直径在0.3至0.55mm范围内的铜线形成。应当理解，最小电感可能比最大电感更重要，因为更大的电感功率扼流圈44也可能是合适的。因此，优选电感至少为25μH，更优选至少为50μH。

应注意，绝对电感将取决于测量频率和线圈中使用的导线的直径，因此技术人员将理解可基于所需抑制的情况来调整电感。

仅作为示例，如本实施例中使用的直径为0.55mm的铜线圈可以具有98mΩ的直流电阻、80匝以及一旦盘绕后的外径为7.6mm。这将导致500Hz时的可测量电感为53μH，1kHz时的可测量电感为69μH。

相比之下，直径为0.45mm的铜线圈在盘绕后可能具有117mΩ、80匝的直流电阻和5.9mm的外径。这将导致500Hz时的可测量电感为53μH，但1kHz时的可测量电感为63μH。

直径为0.30mm的铜线圈在盘绕后可能具有217mΩ、85匝的直流电阻和4.4mm的外径。这将导致500Hz时的可测量电感为53μH，但1kHz时的可测量电感为57μH。

在这些示例的每一个中，使用15.6mm长、3mm直径的铁氧体棒48，其由70％氧化铁、15％氧化锌、10％氧化镍和5％氧化铜形成。

这些电感器中的每一个都适用于提供MW波段EMI抑制，并指示技术人员如何考虑调整其电感器以满足他们的特定需求。所需的电感将取决于直流电机10的规格。

为了抑制MW频带EMI以满足预定MW频带发射标准，特别是MW频带中的CISPR 25第5类标准，优选地，MW频带功率扼流圈44是可调谐的。

这将允许用户通过将具有第一和第二直流电机端子输入36a、36b的EMI抑制电路34连接到直流电机10的第一和第二电机端子20a、20b来将MW波段EMI抑制在可接受的范围内，将一个或多个MW频带功率扼流圈44耦合到EMI抑制电路34的第一和第二直流电机端子输入36a、36b之一，然后调节MW频带功率扼流圈44的电感，直到满足直流电机10的预定MW频带发射标准。

本发明的一种合适用途示于图5中，其形式为阀致动器52，特别用于汽车环境中。在此类布置中需要瞬态电流控制，同时仍满足MW频段中的CISPR 25第5类标准，因此必须限制输入电容，理想情况下不超过几百nF。这可以使用本发明的直流电机10和EMI滤波器32来实现。

图6示出了本发明的第二实施例。与第一实施例中相同或相似的部件将使用相同或相似的附图标记表示，并且为了简洁将省略进一步的详细描述。

直流电机10和EMI滤波器132的EMI抑制电路34与第一实施例保持不变。然而，代替第一实施例的铁氧体磁芯线圈，MW频带功率扼流圈144可以作为表面安装器件(SMDs)154设置，其可以具有外壳或封装，可以直接或间接安装到电路基板38。

这种表面安装器件154包括合适的电感器，同样优选地具有1至100μH范围内的电感，其被封装在可安装PCB的外壳中。在功能方面，预期SMD154以与铁氧体磁芯线圈相同的方式操作，因此用于降低MW频带中的EMI。

本发明的第三和第四实施例在图7和8的电路图中示出。同样，与第一和第二实施例中相同或相似的部件将使用相同或相似的附图标记表示，并且将省略进一步的详细描述，为简洁起见。

在每种情况下，只设置一个MW频带功率扼流圈244；344。图7的布置示出了MW频带功率扼流圈244，其电耦合到第一电机端子20a，并因此与EMI滤波器232和EMI抑制电路34的第一直流电机端子输入36a电耦合。图8示出了MW频带功率扼流圈344，其电耦合到第二电机端子20b，因此电耦合到EMI滤波器332和EMI抑制电路34的第二直流电机端子输入36b。

在任一实施例中，MW频带功率扼流圈244；344可以形成为铁氧体磁芯线圈、表面安装器件或本领域技术人员显而易见的替代的适当电感器。

这种布置可以降低EMI滤波器232；332的总制造成本，尽管因此可能更难调谐EMI滤波器232；332以符合预定的MW频段发射标准，优选是CISPR 25，第5类标准。

很明显，为了达到本发明的当前优点，可以仅使用单个MW频带功率扼流圈。还显而易见的是，可以使用多个不同类型的MW频带功率扼流圈，例如，使用一个铁氧体磁芯线圈和一个表面安装器件。

虽然已经为本发明概述了指示性EMI抑制电路，但很明显，适用于降低高频EMI的替代电路配置也是可能的，因此可以改变EMI抑制电路的特定结构，同时仍在本发明的范围内。

因此，可以提供一种用于直流电机的增强型EMI滤波器，其降低MW频带中的EMI，从而满足一个或多个预定的发射标准。这可以在不需要提供大输入电容的情况下实现，这对于需要瞬态电流控制的应用很重要。

词语“包含/包含”和词语“具有/包括”在本文中参考本发明使用时用于指定所述特征、整体、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、组件或它们的组。

应当理解，为了清楚起见，在单独实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。

上述实施例仅作为示例提供，并且在不脱离本文所定义的本发明的范围的情况下的各种其他修改，对于本领域技术人员是显而易见的。

Claims

1.一种用于直流电机的电磁干扰(EMI)滤波器，所述EMI滤波器包括：

具有第一和第二直流电机端子输入的EMI抑制电路；和

MW频带功率扼流圈耦合到第一和第二直流电机端子输入中的一个，以增加MW频段中的电机电感。

2.根据权利要求1所述的EMI滤波器，其中设有两个所述MW频带功率扼流圈，分别耦合到第一和第二直流电机端子输入。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的EMI滤波器，其中所述MW频带功率扼流圈是可调电感功率扼流圈。

4.根据前述权利要求中任一项所述的EMI滤波器，其中所述MW频带功率扼流圈包括铁氧体磁芯线圈。

5.根据权利要求4所述的EMI滤波器，其中所述铁氧体磁芯线圈包括围绕锰锌铁氧体棒缠绕的线圈。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的EMI滤波器，其中所述MW频带功率扼流圈包括表面安装器件(SMD)功率扼流圈。

7.根据前述权利要求中任一项所述的EMI滤波器，其中所述MW频带功率扼流圈具有至少25μH的电感。

8.根据权利要求7所述的EMI滤波器，其中所述MW频带功率扼流圈具有至少50μH的电感。

9.根据权利要求7所述的EMI滤波器，其中所述MW频带功率扼流圈具有在25至125μH范围内的电感。

10.根据前述权利要求中任一项所述的EMI滤波器，其中所述EMI抑制电路包括多个Y电容器和多个分流电阻器。

11.一种直流电机，包括第一和第二电机端子，以及根据前述权利要求中任一项所述的EMI滤波器，第一和第二直流电机端子输入连接到第一和第二电机端子。

12.根据权利要求11所述的直流电机，还包括耦合在第一直流电机端子输入和第一电机端子之间的电机功率扼流圈，以及耦合在第二直流电机端子输入和第二电机端子之间的电机功率扼流圈。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的直流电机，还包括连接到直流电机的换向器的变阻器，第一和第二电机端子中的每一个都与换向器通信。

14.一种阀致动器，包括根据权利要求11至13中任一项所述的直流电机。

15.一种抑制直流电机MW频段发射的方法，该方法包括以下步骤：

a]将具有第一和第二直流电机端子输入的EMI抑制电路连接到直流电机的第一和第二电机端子；

b]将MW频带功率扼流圈耦合到EMI抑制电路的第一和第二直流电机端子输入之一；和

c]调整MW频带功率扼流圈的电感，直到满足直流电机的预定MW频带发射标准。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述预定MW频带发射标准是MW频带中的CISPR25、5级标准。