牙科综合治疗机有刷电机辐射发射整改分析

黄勇，温宇标，伍倚明，刘海

（广东省医疗器械质量监督检验所，广州 510663）

引言

牙科综合治疗机主要用于医疗机构对口腔做检查、治疗和手术等，它的结构主要由侧箱、痰盂、治疗台、牙钻手机、口腔灯、治疗台升降臂、工作灯升降臂、脚踏开关等组成[1]。牙科综合治疗机在上市前必须满足医疗器械现行YY 0505-2012标准规定的电磁兼容检测要求，在电磁兼容试验过程中，辐射发射试验是牙科综合治疗机极易失败的试验项目，其中升降臂中的有刷电机是引起辐射试验失败的骚扰源，该文将通过详细分析牙科综合治疗机的组成及工作原理，进而分析有刷电机的工作原理，最后通过使用LC滤波电路抑制电机中杂乱无序的辐射骚扰，从而使牙科综合治疗机能够达到标准规定的电磁兼容辐射发射试验的限值要求。

1 牙科综合治疗机简介

牙科综合治疗机可划分为牙科病人椅和牙科治疗机两部分。牙科病人椅一般由传动系统、控制系统、座垫、靠背、头枕等组成，病人椅的承载范围大于等于135 kg，并且能够任意升降和停止，患者在治疗过程中躺卧姿势的变换都是通过病人椅中无刷电机的运动来实现的[2]；牙科治疗机一般包含了治疗台升降臂、工作灯升降臂、脚踏开关等运动部件，医生在给病人治疗过程中，需要根据治疗需求，调节治疗台的高度、俯仰角度和工作灯的升降[3]，来实现医生和病人间达到最佳的治疗位置。在医生调节治疗机和病人位置的整个过程中，都是通过牙科综合治疗机中电机的运动来实现的。

牙科综合治疗机大部分器件都属于无源器件，这些无源器件并不会产生辐射骚扰，因此对于牙科综合治疗机的辐射骚扰问题，需要从电气的角度分析其组成，主要有变压器，控制电路，以及有刷电机，在这些部件当中，变压器是线性器件，自身一般不是骚扰源，且控制电路也较为简单，除了个别的晶振问题，也很少具备很强的辐射骚扰能力，而往往其中的最重要部件有刷电机，成为牙科综合治疗机在辐射试验中最主要的骚扰源，且在实际的辐射试验过程中也证实了这一点。

2 牙科综合治疗机中有刷电机的工作原理

牙科综合治疗机中有刷电机是内含电刷装置的将电能转换成机械能（电动机）或是将机械能转换成电能（发电机）的旋转电机，它的特点是启动快和控制电路相对简单，主要由碳刷、换向器、线圈和磁极组成，它主要是通过机械换向来实现工作[4-6]，如图1所示为有刷电机模型，磁极是固定不动的，磁极N在上，磁极S在下，线圈分布在磁极N和S的中间，线圈的两端通过换向器分别与A、B碳刷连接，直流电源正极与A碳刷连接，负极与B碳刷连接，碳刷与换向器相互摩擦，电流经过换向器，流经线圈，在线圈内按照ab→cd移动，到负电刷B流出，导线在磁场中受到力的作用，根据弗莱明的左手定则，伸开左手，使大拇指与其余四指垂直且在同一个平面内，磁感线穿过手心，四指方向为电流移动方向，大拇指所指的方向就是线圈导体受力方向，线圈的ab和cd两边由于电流方向不同，线圈两边受到大小相同方向相反的电磁力，这两个电磁力就合成了电磁转矩，在该电磁转矩的作用下，线圈逆时针转动。由于换向器与线圈转轴同时转动，碳刷固定不动，线圈转动一圈以后，ab和cd位置进行了互换，但是由于换向器的存在，现在处在上边的cd线圈内的电流方向和原来处在上边的ab线圈的电流的方向一样，所以受到的电磁力方向不变，同理右边线圈也一样。所以从空间上看，在相同位置的线圈边受的电磁力方向是一直不变的，这就保证了有刷电机的循环运转。

通过上述牙科综合治疗机有刷电机工作原理分析，有刷电机在换相的过程中，碳刷与换向器之间相互滑动，摩擦过程会发生电火花，产生电磁破；由于碳刷与换向器滑动频率高，瞬间电流比较大，因而其产生较多的电磁波高频分量，且电机为感性负载，当切换负载的供电电源时，将会在电感线圈两端产生高于电源电压数倍甚至数十倍的反向电压。在牙科综合治疗机有刷电机实际工作中，可以看到电刷与换向器之间产生电弧，形成火花骚扰现象，这就是牙科综合治疗机有刷电机辐射骚扰的主要来源。

图1 有刷电机模型

3 LC滤波电路在牙科综合治疗机的应用

滤波电路的基本功能是从不同频率成分的射频信号中过滤出特定频率成分射频信号的电路，根据不同的频率响应特性曲线，滤波电路有低通滤波电路、高通滤波电路和带通滤波电路之分，图2的LC滤波电路由于其结构中的电容与阻抗并联分布，电感与阻抗串联分布，当频率越低时，串联支路阻抗很小，并联支路阻抗很大，所以位于滤波器输出端口的负载吸收的功率就很大，构成了低通的衰减特性[7]，这种LC滤波器就是低通滤波器，本文采用的整改措施就是增加这种滤波电路过滤有刷电机带来的辐射骚扰。

牙科综合治疗机中有刷电机电路中输出电压不仅包含的直流，而且包含了电感线圈两端产生高于电源电压数倍甚至数十倍的反向电压，但这一反向电压变化频率快，在电路中增加低通滤波电路可以很好的抑制这一瞬时高频噪声信号[8,9]，下面通过整改实例来说明LC滤波电路对牙科综合治疗机中有刷电机骚扰源的抑制作用。

图2 L-C滤波电路

4 牙科综合治疗机有刷电机辐射发射整改案例分析

某厂家生产的牙科综合治疗机设备具有运动模式和待机模式两种模式，由于该牙科综合治疗机预期用于大小诊所，故该牙科综合治疗机必须符合GB 4824标准规定的B类的限值要求，牙科综合治疗机的运动模式过程中主要是有刷电机在工作，在牙科综合治疗机加载135 kg负载工况下，得到了辐射发射试验水平极化和垂直极化频谱图，如图3所示。从图中可以看出水平极化和垂直极化的发射水平都超过了限值，其主要原因是因为牙科综合治疗中的有刷电机在正常工作过程中带来的骚扰，有刷电机中由于电刷与换向器的切换，导致碳刷与换向器之间相互滑动，摩擦过程中产生了大量火花，于是就导致了牙科综合治疗机辐射发射试验的失败。

针对这一试验结果，拆下牙科综合治疗机中的有刷电机，打开电机内部结构如图4（a）所示，电机的结构主要包括了轴承、定子和转子等组成，图4（b）即是影响辐射试验结果的关键器件，要解决这一辐射骚扰问题，必须要在这个结构中增加LC滤波电路，过滤电机在工作中带来的高频干扰。

图3 牙科综合治疗机在运动模式下辐射发射测试情况

在电刷上串联电感可以抑制骚扰，电感的作用主要是防止电刷在通过换向器的瞬间使流进电刷的电流产生突变，电感量大约在10～25（μH）之间。此外，还需要在电机的正负极线上各自并联两个电容到金属外壳上，给骚扰源提供一个低阻抗通路，串联的电感与并联的电容合在一起可以构成一个低通滤波器，就可以增强单个电感和电容的滤波效果，对抑制最终的辐射骚扰很有效果, 并使它具有更宽的滤波频带及更大的滤波效果。如图5的原理图和图6的实物图所示，L1和L2实际选择为10 μH的电感，C1和C2的电容量选择为1 nF的规格。

通过在牙科综合治疗机电机上增加LC滤波电路后，在相同环境下进行辐射发射试验，结果如图7所示，从测试结果可以看出，牙科综合治疗机有刷电机在接入LC滤波电路后，辐射发射取得了很好的抑制效果，牙科综合治疗机辐射发射试验符合了GB 4824标准规定的B类的限值要求。

图4 牙科椅有刷电机内部结构示意图

图5 有刷电机增加滤波电路原理图

图6 有刷电机接入电感电容后的实物图

图7 牙科综合治疗机在运动模式下整改后的辐射发射测试情况

5 结论

牙科综合治疗机的电磁兼容问题主要是辐射发射试验，且其辐射发射主要辐射骚扰源来自于它内部的有刷电机，有刷电机线圈通过电刷与外部电源相连，在高速旋转过程中，电刷不断接通和断开，就极易产生电刷电弧，形成火花骚扰。该文利用LC滤波电路中电抗性元件，滤除有刷电机电路中脉动成分，从而解决牙科综合治疗机中辐射发射试验超标问题，该文实例分析对牙科综合治疗机辐射发射试验具有实际指导意义。