電機對電動病床輻射騷擾測試的影響與解決對策

陳婷，余華通，宋盟春

電機對電動病床輻射騷擾測試的影響與解決對策

陳婷，余華通，宋盟春

（廣東省醫療器械質量監督檢驗所，廣東 廣州 510663）

闡述了直流有刷電機產生輻射騷擾的機理，研究負載對電機輻射騷擾的影響，提出電機輻射騷擾的整改措施，并給出電機選型的建議。

有刷直流電機；無刷直流電機；輻射發射；電動病床

隨著科學技術的日益發展，醫療保健行業越來越多的使用自動化設備，自動化醫療設備的使用在提高醫療水平、增強治療效果、提高病人舒適度方面具有重要的作用。電動病床作為一種常見的自動化醫療設備，己廣泛應用于醫療行業。驅動部件是電動病床的核心部件，驅動部件有旋轉式和直線式兩種類型，電動病床的驅動部件絕大多數采用直線式驅動機構。電機作為驅動機構的主要部件，按照工作電源種類可劃分為交流電機和直流電機，交流電機采用交流電供電，可靠性、安全性都差，且體積大、質量大，當前電動病床的電機主要使用直流電機，具有安全性好、可靠性高、體積小、質量輕、結構緊湊的優點[1-2]。

直流電機可分為無刷直流電機和有刷直流電機，目前，電動病床的國內廠家所用的電機絕大多數為有刷直流電機。有刷電機工作時，線圈和換向器旋轉，磁極和碳刷不轉，采用機械換向，通過電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉動中起到導電和換相作用。電刷與換向器之間接觸摩擦所產生的電火花會產生很高的輻射騷擾。在電動病床的電磁兼容測試中，輻射騷擾是最容易不合格且難整改的項目，電機是電動病床輻射超標的主要源頭，解決了電機的輻射騷擾問題，電動病床的輻射超標問題就會迎刃而解。

1 有刷直流電機輻射騷擾的產生

有刷直流電機的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過電刷和換向器進入電樞繞組，產生電樞電流，電樞電流產生的磁場與主磁場相互作用產生電磁轉矩，使電機旋轉帶動負載。這些高速轉動的有刷直流電機在電刷切換時，電機線圈中的電流不能突變，當一路線圈電流斷開時，會在該線圈的兩端產生較高的反電動勢，這個電動勢會在附近的回路中產生放電現象，放電現象產生的瞬態電流具有較陡的上升沿伴隨著高頻噪聲，并且這種噪聲在幅度和頻率上有很大的隨機性[3]。當這些高頻噪聲耦合到電源線或其他較長的未接地導線時，就會產生輻射騷擾。另外，有刷電機在利用換向器和碳刷實現機械轉向過程中，電刷從換向器的一片向另一片過渡時，碳刷與線圈接線頭之間通斷交替，由于接觸電阻的急劇變化，導致電流產生突變，極容易產生電火花，形成陡峭的騷擾脈沖。有刷直流電機輻射騷擾在頻域內表現為隨機的毛刺，隨著掃描時間的增加，在掃描頻段內出現一大片密密麻麻的無規律毛刺，毛刺的高度與騷擾脈沖的能量有關。

2 負載對電機輻射騷擾的影響

在電機啟動的瞬間，電樞繞組中的電流瞬間增大，電流變化率很大，形成較高的瞬態輻射騷擾。電動病床在實際使用時需要承載病人，那么電機在啟動的瞬間需要承受負載。由于電動機的功率效能是一定的，負載后耗能增加，啟動電流也就更大，電機啟動瞬間的電流變化率更大。同時，更大的啟動電流會使電刷下產生強烈的火花，可能產生更高的輻射騷擾。

以某廠家的電動病床為例，圖1為電動病床在空載時的輻射騷擾，圖2為施加95 kg負載后的輻射騷擾。

對比圖1、圖2可以看出，施加95 kg負載后的電動病床的輻射騷擾更高。因此，對于這類醫療設備的輻射騷擾測試，應按照產品技術文件中聲稱的最大負載來施加，以確保產品通過測試。

圖1 空載時的輻射騷擾

圖2 施加95 kg負載后的輻射騷擾

3 電機整改

騷擾源和天線是形成輻射騷擾的兩個因素，因此，解決輻射騷擾可采取的整改措施自然要圍繞這兩個因素著手。一是通過濾波或屏蔽的方式改變源頭的電特性，二是破壞和減少天線效應，實際使用中往往要兩者并重。

有刷直流電機的電磁騷擾主要來自電樞繞組中突變的磁場和電刷與換向器之間的電弧。在騷擾電壓的驅動下，騷擾電流通過電機供電線和空間對外發射騷擾。為解決電機輻射噪聲，可使用去耦和旁路濾波的方式改變源頭的電特性。

圖3為常用的抑制方法，圖中C1用來抑制電機在電源中產生的差模噪聲，電容值一般為零點幾到十幾微法，C2、C3用來抑制共模噪聲，電容值一般為零點幾到十幾納法。C1、C2、C3均采用陶瓷電容，要求電容的引腳短并緊貼電機安裝。C2、C3的公共端接電機金屬機殼必須可靠，保持低接地阻抗，該電容為高頻電流提供一條更低阻抗的回流路徑，騷擾不再通過電機的供電線對外發射。

另一方面，為了調節病人不同部位的體式和整體床板的高度，電動病床往往含有多個不同的電機，且每個電機與控制盒的連接線較長。直流電機外殼為金屬，具有一定的屏蔽作用，但是連接線可能是電磁輻射泄露的關鍵部件，連接線可充當發射天線形成有效發射，因此，處理好電機連接線對于抑制輻射騷擾尤其關鍵。通過增加連接線上共模電流回路的阻抗來減小共模電流，圖4中進一步加入了共模扼流圈。最簡單有效的方法是在連接線上串聯共模扼流圈，并且共 模扼流圈不需要接地，將連接線穿過一個鐵氧體磁環就構 成了一個共模扼流圈，根據需要也可以將連接線在磁環上繞幾匝。

圖3 常用措施

圖4 同時加共模扼流圈

圖5為某電動病床廠家在電機兩根供電線與電機金屬殼之間并聯103電容，圖6為在電機與控制盒連接線上繞磁環，通過這兩個措施，該廠家的電動病床順利通過輻射騷擾測試。

圖5 在電機兩根供電線與電機金屬殼之間并聯103電容

圖6 在電機與控制盒連接線上繞磁環

4 結語

如上所述，有刷直流電機的輻射騷擾是電動病床輻射測試不合格的主要原因。無刷直流電機與有刷直流電機相比，無刷電機采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉，由控制器中的控制電路來完成換相，省去了電刷及換向器，消除了電刷與換向器之間摩擦所帶來的電磁噪聲[4]。另外，由于沒有碳刷的磨損，無刷直流電機的壽命更長，幾乎無需維護，穩定性更好。對于電動病床來說，電機是短時運行，很可能遇到突然正轉、反轉和過載的情況，稀土永磁無刷直流電動機更適合突然反轉、堵轉驅動等特殊運行場合的性能要求。稀土永磁材料的剩余磁感應強度大，磁能積高，使得電機可以明顯減輕質量，減小體積，提高效率[1]。隨著材料科學的發展，稀土永磁材料的性能不斷提高，價格逐步降低，可以作為電動病床電機的選擇。

［1］曹愛萍.醫療電動床用無刷直流電機控制系統［D］.西安：西北工業大學，2005.

［2］何颋，鄭懷華，李靈兵.直流永磁有刷電機軸承壽命智能預測方法研究［J］.自動化與儀器儀表，2019（11）：72-75.

［3］李占優，廖彤，張潔弦.電動翻身床的電磁輻射騷擾問題及整改措施［J］.安全與電磁兼容，2017（3）：73-76.

［4］馬寧，呂晶薇，高小松，等.直流無刷電機霍爾位置傳感器電磁干機理與試驗研究［J］. 新技術新工藝，2019（7）：51-55.

2095－6835（2021）06－0140－02

TM33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.057

陳婷（1989—），女，碩士研究生，工程師，醫療器械工程師，研究方向為醫療器械標準化、電磁兼容檢驗及設計。

〔編輯：王霞〕