电机对电动病床辐射骚扰测试的影响与解决对策

陈婷，余华通，宋盟春

电机对电动病床辐射骚扰测试的影响与解决对策

陈婷，余华通，宋盟春

（广东省医疗器械质量监督检验所，广东 广州 510663）

阐述了直流有刷电机产生辐射骚扰的机理，研究负载对电机辐射骚扰的影响，提出电机辐射骚扰的整改措施，并给出电机选型的建议。

有刷直流电机；无刷直流电机；辐射发射；电动病床

随着科学技术的日益发展，医疗保健行业越来越多的使用自动化设备，自动化医疗设备的使用在提高医疗水平、增强治疗效果、提高病人舒适度方面具有重要的作用。电动病床作为一种常见的自动化医疗设备，己广泛应用于医疗行业。驱动部件是电动病床的核心部件，驱动部件有旋转式和直线式两种类型，电动病床的驱动部件绝大多数采用直线式驱动机构。电机作为驱动机构的主要部件，按照工作电源种类可划分为交流电机和直流电机，交流电机采用交流电供电，可靠性、安全性都差，且体积大、质量大，当前电动病床的电机主要使用直流电机，具有安全性好、可靠性高、体积小、质量轻、结构紧凑的优点[1-2]。

直流电机可分为无刷直流电机和有刷直流电机，目前，电动病床的国内厂家所用的电机绝大多数为有刷直流电机。有刷电机工作时，线圈和换向器旋转，磁极和碳刷不转，采用机械换向，通过电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用。电刷与换向器之间接触摩擦所产生的电火花会产生很高的辐射骚扰。在电动病床的电磁兼容测试中，辐射骚扰是最容易不合格且难整改的项目，电机是电动病床辐射超标的主要源头，解决了电机的辐射骚扰问题，电动病床的辐射超标问题就会迎刃而解。

1 有刷直流电机辐射骚扰的产生

有刷直流电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。这些高速转动的有刷直流电机在电刷切换时，电机线圈中的电流不能突变，当一路线圈电流断开时，会在该线圈的两端产生较高的反电动势，这个电动势会在附近的回路中产生放电现象，放电现象产生的瞬态电流具有较陡的上升沿伴随着高频噪声，并且这种噪声在幅度和频率上有很大的随机性[3]。当这些高频噪声耦合到电源线或其他较长的未接地导线时，就会产生辐射骚扰。另外，有刷电机在利用换向器和碳刷实现机械转向过程中，电刷从换向器的一片向另一片过渡时，碳刷与线圈接线头之间通断交替，由于接触电阻的急剧变化，导致电流产生突变，极容易产生电火花，形成陡峭的骚扰脉冲。有刷直流电机辐射骚扰在频域内表现为随机的毛刺，随着扫描时间的增加，在扫描频段内出现一大片密密麻麻的无规律毛刺，毛刺的高度与骚扰脉冲的能量有关。

2 负载对电机辐射骚扰的影响

在电机启动的瞬间，电枢绕组中的电流瞬间增大，电流变化率很大，形成较高的瞬态辐射骚扰。电动病床在实际使用时需要承载病人，那么电机在启动的瞬间需要承受负载。由于电动机的功率效能是一定的，负载后耗能增加，启动电流也就更大，电机启动瞬间的电流变化率更大。同时，更大的启动电流会使电刷下产生强烈的火花，可能产生更高的辐射骚扰。

以某厂家的电动病床为例，图1为电动病床在空载时的辐射骚扰，图2为施加95 kg负载后的辐射骚扰。

对比图1、图2可以看出，施加95 kg负载后的电动病床的辐射骚扰更高。因此，对于这类医疗设备的辐射骚扰测试，应按照产品技术文件中声称的最大负载来施加，以确保产品通过测试。

图1 空载时的辐射骚扰

图2 施加95 kg负载后的辐射骚扰

3 电机整改

骚扰源和天线是形成辐射骚扰的两个因素，因此，解决辐射骚扰可采取的整改措施自然要围绕这两个因素着手。一是通过滤波或屏蔽的方式改变源头的电特性，二是破坏和减少天线效应，实际使用中往往要两者并重。

有刷直流电机的电磁骚扰主要来自电枢绕组中突变的磁场和电刷与换向器之间的电弧。在骚扰电压的驱动下，骚扰电流通过电机供电线和空间对外发射骚扰。为解决电机辐射噪声，可使用去耦和旁路滤波的方式改变源头的电特性。

图3为常用的抑制方法，图中C1用来抑制电机在电源中产生的差模噪声，电容值一般为零点几到十几微法，C2、C3用来抑制共模噪声，电容值一般为零点几到十几纳法。C1、C2、C3均采用陶瓷电容，要求电容的引脚短并紧贴电机安装。C2、C3的公共端接电机金属机壳必须可靠，保持低接地阻抗，该电容为高频电流提供一条更低阻抗的回流路径，骚扰不再通过电机的供电线对外发射。

另一方面，为了调节病人不同部位的体式和整体床板的高度，电动病床往往含有多个不同的电机，且每个电机与控制盒的连接线较长。直流电机外壳为金属，具有一定的屏蔽作用，但是连接线可能是电磁辐射泄露的关键部件，连接线可充当发射天线形成有效发射，因此，处理好电机连接线对于抑制辐射骚扰尤其关键。通过增加连接线上共模电流回路的阻抗来减小共模电流，图4中进一步加入了共模扼流圈。最简单有效的方法是在连接线上串联共模扼流圈，并且共 模扼流圈不需要接地，将连接线穿过一个铁氧体磁环就构 成了一个共模扼流圈，根据需要也可以将连接线在磁环上绕几匝。

图3 常用措施

图4 同时加共模扼流圈

图5为某电动病床厂家在电机两根供电线与电机金属壳之间并联103电容，图6为在电机与控制盒连接线上绕磁环，通过这两个措施，该厂家的电动病床顺利通过辐射骚扰测试。

图5 在电机两根供电线与电机金属壳之间并联103电容

图6 在电机与控制盒连接线上绕磁环

4 结语

如上所述，有刷直流电机的辐射骚扰是电动病床辐射测试不合格的主要原因。无刷直流电机与有刷直流电机相比，无刷电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转，由控制器中的控制电路来完成换相，省去了电刷及换向器，消除了电刷与换向器之间摩擦所带来的电磁噪声[4]。另外，由于没有碳刷的磨损，无刷直流电机的寿命更长，几乎无需维护，稳定性更好。对于电动病床来说，电机是短时运行，很可能遇到突然正转、反转和过载的情况，稀土永磁无刷直流电动机更适合突然反转、堵转驱动等特殊运行场合的性能要求。稀土永磁材料的剩余磁感应强度大，磁能积高，使得电机可以明显减轻质量，减小体积，提高效率[1]。随着材料科学的发展，稀土永磁材料的性能不断提高，价格逐步降低，可以作为电动病床电机的选择。

［1］曹爱萍.医疗电动床用无刷直流电机控制系统［D］.西安：西北工业大学，2005.

［2］何颋，郑怀华，李灵兵.直流永磁有刷电机轴承寿命智能预测方法研究［J］.自动化与仪器仪表，2019（11）：72-75.

［3］李占优，廖彤，张洁弦.电动翻身床的电磁辐射骚扰问题及整改措施［J］.安全与电磁兼容，2017（3）：73-76.

［4］马宁，吕晶薇，高小松，等.直流无刷电机霍尔位置传感器电磁干机理与试验研究［J］. 新技术新工艺，2019（7）：51-55.

2095－6835（2021）06－0140－02

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.057

陈婷（1989—），女，硕士研究生，工程师，医疗器械工程师，研究方向为医疗器械标准化、电磁兼容检验及设计。

〔编辑：王霞〕