磁、磁路、磁兼容(EMC)基本知识(经典)

磁、磁路、磁兼容（EMC）基本知识（经典）

一、磁的基本知识

磁的范围比较广，讨论起来太泛！而磁场是电机实现能量交换的媒介（磁场和电流是电机工作两个基本条件），所以在下面我们以讨论磁场开始，首先介绍必要的一些概念。为了易懂，我们采用了较为狭义的表述方法（所谓狭义是指在大多数情况下是对的或者说有条件的正确），请大家注意！

1、磁通及磁感应强度

一条通电导体或一块永久磁铁，它的周围是充满磁场的,在每一点它既有大小也有方向，通常形象地用磁力线表磁场的分布（如图1），借助磁力线，我们介绍两个物理量。

a.磁通：用磁力线的数量来表示。如通电导体周围磁力线的总和，我们就叫总磁通，其单位不是我们想象用“根数、条数”表示，而是用麦克斯韦尔Mx或韦伯(Wb)作为其单位，且有1Wb＝108 Mx

b.磁感应强度B：也称磁通密度即单位面积的磁力线数量。如图1中通过阴影面积S′的磁力线（磁通）为Φ，则B＝Φ/S 单位是高斯(GS)或特斯拉(T)，且有T ＝104 GS

2、 磁场及磁场强度

图2是一个类似于我们常用的充磁实验装

置。环形均质永磁体的上端被切下一段，

形成一个长为Lδ的气隙，下端装匝数为W

的一个线圈，当线圈通以电流时，便会在

圆环磁体内部以及空气隙Lδ中产生磁通。

我们定义“I?W”为磁动势F，简称磁势，

单位是吉伯(Gb)或安(A)，且有

1A＝0.4π Gb

我们知道安培环频定律可表示为：

F=∮H?dL＝∑(Hi?△Li)＝H1△L1＋ H2△L2

＋???＋Hn △Ln＋???

H即为磁场强度，其物理意义可在以下分析中体现。如在图2磁路中将切割的小截磁体放回，则

可视为一个特制磁路并设总长为L1，在均质磁路中可认为H处处相等，

则 F＝∑(Hi?△Li)＝H?L 即H＝F/L（安/ 米）

因此，可以狭义地理解为：磁场强度H是磁路中单位长度上的磁动势。

3、 剩磁、矫顽力、磁化曲线及磁导率

如图2，我们将切割下来的小截磁体放回即变成一个均匀的磁路，然后将电流从“0”开始，不断加大，

这时候磁路的磁通中不断上升见图3”og”段。在达到膝点g之前，磁通Φ随着磁势F(W?I)的增长而线性同步增长，“o-g”基本是一条直线；过g点后磁路渐饱和，Φ的增加速度减缓至a点几乎不再增加；此时若减少流即减小F，Φ不沿“a-g-o”返回，而是沿“a-b”下降；当F=0时，磁通中不为0 （如b点），

对应b点的磁通，我们记为Φr并称为“剩磁通”；当线圈改变电流方向即F为负值时，Φ值逐步下降，达到C点，此时磁通Φ为“零”值，对应此时的F值记为Fc我们称为“矫顽力”，余类推，曲线由“c→d→e→f→a”返回。

图3曲线，我们称为磁化曲线，用函数Φ＝f(x)表示；由于Φ，F与几何尺寸有关，不便于工程学中对磁性材料的认识和比较，为此将图3中的纵坐标磁通Φ除以磁路的截面积S即变为磁通密度B，将横座标磁势F除以磁路的长度L即变为磁场强度H，经过这种方式的坐标变换后图3磁化曲线Φ＝f(x)即变换为图4所示的B＝f(H)磁化曲线。它的物理意义在于对于均质磁路，它反映了单位磁势产生单位磁通的能力，也就是这种材料的磁化能力，与尺寸无关。故磁化曲线B＝f(H)在工程学上获得了广泛的应用。通常在手册中见到剩磁Br及矫顽力Hc就出自B＝f(H)曲线。这里还要引入一个参数μ我们称为磁导率，

即 μ＝B/H ， B=μ?H

这是一个很重要的公式，在铁磁物质中，由于存在饱和现象，μ是一个变化值；在真空（空气可近似）中，μ是个常数，记为μ0，真空磁导率它的值为：μ0 ＝4π?10-7（享/米）

4、 磁滞现象，硬磁材料和软磁材料

上面所述的磁化曲线中，当H＝0时，B＝Br≠0，也就是说磁通密度B落后于磁

场强度H的变化，这种“B滞后H”的现象我们称为“磁滞现象”，在图3、图4中，a→b→c→d→e→f这条磁化曲线也称为磁滞曲线。

当一种材料的磁滞曲线很宽很肥时，即Br、Hc值较大时，对应的这种材料我们称为硬磁材料。通常我们使用的永磁材料属于这一类。

当一种材料的磁滞曲线很窄很瘦时，即Br、Hc值较小时，对应这种材料我们称为软磁材料。通常我们使用的导磁材料如硅钢片，电解板，冷扎板都归这一类。

二、最简单的磁路

电机工作离不开两个基本条件即电流和磁场，也意味着在电机的结构中必须分别有引导电流和磁场的“路”，我们也分别称之为“电路”和“磁路”。电路大家比较熟悉，但磁路也要了解。在图2中，环形磁铁充磁后将充磁线圈拆开，仅形成一个最简单的磁路（如图5）

由于存在剩磁，环形磁铁的N极发出磁通经过空气隙→S极→经过磁铁内部回到N极而闭合，如不考虑漏磁现象及认为气隙截面与磁铁截面相等则有：

BFe＝Bδ 即 μFe? HFe＝μ0?H δ

另外，根据安培环路定律有

∮H?dL＝F＝I?W＝0 （环形磁铁中没有电流流过I＝0）

于是∮H?dL ＝H Fe?LFe+ Hδ?Lδ＝0 (1)

HFe→磁铁内部磁场强度

HFe?LFe→磁铁内部磁势（内部磁势）

Hδ→空气隙中的磁场强度

Hδ?Lδ→空气隙中的磁势（外部磁压降）

由(1)式可知 HFe 与Hδ方向相反，变换(1)式得：

HFe＝－Hδ?Lδ /LFe＝－(Bδ/μ0)? Lδ /LFe ＝ －[Lδ/(μ0?LFe)] ?BFe

变换得： BFe＝－[μ0?LFe/Lδ] ?HFe (2)

式(2)是根据磁路的的规律得出的关系式，但HFe、BFe之间还必须同时满足环形磁铁材料本身的磁化特性；由于永磁材料作为磁源时，其内部的磁势为负值，故其工作于第二象限的磁化曲线（见图6）。以铁氧体为例，即求得该简单路工作点的HFeN 和 HFeN值

从而得出BδN和HδN 值。

直线(2)BFe＝－[μ0?LFe/L δ] ?H Fe

磁化曲线BFe＝(Br/Hc)?HFe＋Br

为了便于理解，比拟电路我们引入磁阻Rm

的概念：

Rm＝L/(μ?S) 式中

L 是磁路的长度，S 是磁路的截面积， μ 是磁路介质的磁导率。

那么图5的气隙磁势

Fδ＝HδLδ＝(B/μδ）?Lδ＝[Bδ S/(μδ?S)]?Lδ＝Φδ?[Lδ/(μδ?S)]

即 Fδ＝Φδ?Rmδ (3) 式中Φδ 称为气隙磁通，Rmδ＝Lδ/(μδ?S) 称为气隙磁阻

上式称为“磁路欧姆定律”，对比电路：磁通中相

当于电路中的电流I；磁势F相当于电路中的电势E

（或电压U）；磁阻RM相当于电路中的电阻R。

在电机学中我们总希望提高电机的气隙磁通，从而

达到提高电机单位体积的出力水平，由(3)式变换成

Φδ＝Fδ／Rmδ知，要达到这一目的，有以下措施提

高Fδ→采用高性能的磁铁减少磁路的磁阻

a. 缩短磁路长度；

b. 增加磁路截面积；（如加芯片等）

c. 增加磁场的磁导率；（用导磁性能好的硅钢片等）

图5所示的磁路可以对应电路表示如右：

三、永磁直流电机磁路

永磁电机的磁路由永久磁铁（充当磁源），软磁材料（充当磁路），气隙（充当能量交换媒介）三大部组成。图8是典型的3P直流电机的磁路分布示意图。介绍之前先讲一下磁力线流向的基本特征：

● 取向路程短的路径；

● 取向阻力小的路径

● 自行闭合（从N极回到S极）

在忽略漏磁的情况下可以看出，从N极发出的磁通（磁力线）Φ经过气隙后达到转子齿部，然后分两路进入转子轭部，再分别进入转子另两个齿部，合成一路后达到另一边气隙及S极，出S极后又分成两路经定子轭部返回到N极。

以上3P直流电机的等效磁路见图9、图10

由图10不难求得磁通中 Φ=FFe/(2Rmδ＋1?Rmt＋?Rmy1＋?

Rmy2) (5)

上式仅对3P电机磁路而言，对于5P、7P以及偶数槽电机磁路结构稍有差异，磁通的流向也略有不同。此外磁通的流向还与转子的位置有关。

在电机的磁路中大量使用了非线性的软磁材料，如硅钢片、电解板等，其磁阻不是一个固定值，是随“通过它的磁通大小”而变，故在工程实践中，很难用式(5)来计算磁通。

在电机设计中，通常的做法是先假设一系列Φ1、Φ2…… Φn值，再根据每段磁路的面积标出对应的磁通密度B1B2……Bn，由H＝B/μ得出每一段磁路所需的磁场强度H1、H2……Hn，最后拟合成曲线Φ＝f(H)；再与磁铁的去磁曲线ΦFe ＝f(HFe)组成方程求解或几何相交即可计较出磁路的真值磁通Φ，进而由公式E ＝KE?Φ?n (KE =2W/60) 得出线圈匝数W以及根据槽满率和线负荷等求出线圈的线径，这些本讲义就不多探讨了。

最后跟大家交流一下，任何产品的设计工作，都可归纳为我们在中小学读书做题时的模式即“已知/求”的二元问题。

下面用问答的方式就我们经常观察到的现象

运用以上介绍的知识作一简单分析。希望能

抛砖引玉！

1、 在生产实践中，经常遇到转速高出规格

值，用重新调整充磁电压的方法，使其达

标？为什么？

充磁机的原理同图2，不同的充磁电压其充磁电流不同，而充磁磁势也不同，也

对应不同的剩磁Br（见图11），进而影响电机的主磁通Φ，根据公式n＝(V﹣I?

r)/(KE?Φ)，在(V﹣I?r)及KE

不变的情况下，不同的Φ值就有不同的转速n，达到调节转速的目的。

2、 带磁圈的电机（马达），当卸下磁圈时，转速会上升，为什么？

因为带磁圈的电机（马达），当拆下磁圈时，相当于减小了电机定子轭部的截面

积，使其轭部磁阻Rmy1增加，根据式(5)，在磁势不变的情况下，磁通Φ即减

小，从而转速n＝(V﹣I?r)/(KE?Φ)上升。

3、 为什么有的电机（马达）存在所谓的轴向“引压”？

前面曾提到磁力线有“取向路径短”的特性，当图12中的定子磁场中心与转子

磁场中心不对中时，磁力线被拉长，故会产生一个轴向力FX（即所谓的轴向引

压）使其产生对齐的趋向。

五、电磁干扰基本概念

1、电磁兼容 电磁干扰 电磁抗扰

电磁兼容（英文Electro-Magnetic Compatibility 简称EMC）是指在同一电磁环境下（电场和磁场），

产品之间相互能够兼容共存。它有两个方面的含义：其一是指某一产品产生电磁干扰(Electro-Magnetic Interference简称EMI)的水平小于某个限值，而不至于对同一环境下的其他产品产生其不能承受的干扰；其二是指某一产品可以承受在同一电磁环境下来自另一产品所发出的且小于某一限值的电磁干扰，这种抗干扰的能力我们称之为电磁抗扰(Electro-Magnetic Susceptibility 简称EMS)。 电磁兼容学科是围绕以下三个要素展开的：

——干扰源

——受扰对象

——传播或耦合路径

2、发射 辐射 传导

发射(Emission)是产品（源）以电磁波的方式向外发出能量的现象；根据传播路径的不同，发射可分为辐射和传导。

辐射(Radiated Emission 简称RE):由产品（源）向外发出电磁波且沿着空间传播的现象。辐射大小是以电场强度来计量的，单位是μV/m（微伏/米）。

传导(Conducted Emission 简称CE):由产品（源）向外发出电磁波且沿着导体（如电源线、信号线等）传播的现象。其大小按频率分段分别用电压及功率来计量，单位分别是μV（微伏）及pW（皮瓦）。

当产品和导线的长度比波长短时（相对低频段），主要是传导干扰；当它们的尺寸比波长长时（相对高频段），主要是辐射干扰。

3、峰值 准峰值 平均值

峰值(Peak):在规定的时间范围内，时域变量的最大值，简称P值。

准峰值(Quasi-Peak):与峰值以及峰值出现的频次正相关的一个时域变量，简称QP值。

平均值(Mean):时域变量在给定时间间隔内的算术平均值，简称AV值。

4、 射频 工频

射频(Radio Frequency 简称RF):交流电流通过导体，周围就会形成交变的电磁场或称电磁波。如电磁波的频率小于100KHz时，通常会被地面吸收；而高于100KHz时，电磁波可以在空间传播并经大气层中的电离层反射，形成远距离的传输能力。电磁学中将具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频，通常其频率界定在100KHz---30GHz 。

工频(Power Frequency或Industry Frequency):指工业用途的交流电源的频率。一般国家是50Hz或60Hz。

六、永磁直流电动机的电磁干扰

本讲义只探讨有刷直流电动机（以下简称电机）的电磁干扰。

直流电动机电磁干扰的主要来源有：

1、电机通过碳刷和换向器（整流子）实现电枢电流换向时会产生电弧（火花），电弧本质上是在强电场下形成的带电粒子流，并伴随电磁发射，对外是一种电磁连续干扰，其频率大致分布在150KHz----1000MHz(1GHz)，恰好落在射频的区间，故又称为射频干扰；

2、起动、堵转及负载波动的瞬间产生的短时电磁脉冲干扰，它是一种断续干扰。在我们的实践活动中，很少有客户关心它，故本讲义不作讨论。

理论上讲，电磁干扰(EMI)的频率从0----30G Hz都有，但不可能都去研究，只能关心那些对日常生活有主要影响的部分；对于一般用途的直流电机（如家用电器、电动工具、汽车电装、办公设备等），无论是IEC、EN、GB还是FCC一般只考虑在150KHz----1000MHz区间的干扰。

当然随着社会进步和发展，上述标准也在不断修订。如IEC/CISPR25（国际无线电干扰特别委员会 简称CISPR）第三版修订中将汽车类电子电器产品考核的干扰频率范围扩展到150KHz----2500MHz(2.5GHz) 。

七、EMI测试及其适用标准

电磁干扰的(EMI)测试对象一般是成品，也就是说直流电机一般是配装到成品后，再将成品送检；检测项目及适用标准一般是由客户指定。

就我们的认知，直流电机配套产品按使用电源的不同可大致分为三类：

1、通过AC/DC适配器、电源线与市电连接（中国220VAC、美国120VAC） 这类产品其尺寸与电源线的长度相比很小，一般认为从产品表面向外辐射的电磁波远不及通过电源线向外发射的电磁波多；基于这一事实，这类产品只测传导干扰，即只测电源线上向外发射的干扰能量。衡量这个干扰能量大小的指标有两个即：干扰电压和干扰功率，只是对应的频率范围不同。

150KHz----30MHz区间，测干扰电压的准峰值(QP)及平均值(AV)，单位是μV(10-6V)；

30MHz----300MHz区间，测干扰功率的准峰值(QP)及平均值(AV)，单位是pW(10-12W)。

测试传导干扰的适用标准有：IEC/CISPR14-1、EN55014-1、EN61000-6-3、IEC61000-6-3、GB4343 这几个标准规定的测试方法和限值基本相同。

下图是RS-365SHV电机配热风枪（外加电感和X电容）传导干扰电压测试结果（在150K---30M）；在“点１”峰值是66.96dBμV，出现的频次不高，其准峰值只有57.01dBμV，小于限值65.74dBμV，余量有8.72dB 。

下图是我司豆浆机电机单机空载时做的传导干扰功率(30M—300M)测试，点

1(30.81M处)、点2(32.7M处)的峰值分别只有34.28dBpW、34.35dBpW；都远小于准峰值的限值，故没有实测点1、2处的准峰值。

2、内置各类电池自供电产品

这类产品没有对外的物理连接如电源线、信号线等，只能直接测量产品本身的辐射干扰了；在一些实验室里，这个测试项目被称为空间辐射测试，在规定的空间位置测量电磁干扰的电场强度以表征其大小，并要求接收天线分别处在水平和垂直两种极化状态下测量，记录每个测量频率点辐射干扰电磁场的电场强度最大值，单位是μV/m 。

测试辐射干扰的适用标准有：IEC/CISPR22、EN55022、IEC61000-6-3、

EN61000-6-3、GB9254等；频率范围30MHz----1000MHz，实例如下图。

3、电池和市电两用产品

这类产品既可以不采用任何连接单独使用，也可以通过适配器连接市电或汽车电源使用；客户一般要求做以上三个项目的EMI测试。

八、直流电机EMI的抑制

两个思路即控制EMI的产生和阻止EMI的传播。

1、控制EMI的产生

直流电机的EMI主要是换向火花产生的，减少换向火花就能达到控制EMI产生的目的。常用的措施有：

在换向片间加压敏电阻，它是一种非常有效的方法；

改变碳刷位置或改变绕组与换向器片的连接，使电机提前换向，不过它是以牺牲绕组的利用率为代价的；

增加换向片数，降低片间电压，减少换向电势；

匹配碳刷的成分，增加换向回路的阻抗；

2、阻止EMI的传播

上述措施只能减少EMI的产生，不能完全抑制到无，况且有些措施受其他的条件约束还不能全用；也就是说直流电机的EMI是不可避免的，只是量的大小问题。如果说我们能阻止电机的EMI向外传播，也能达到抑制电磁干扰的目的。常用的方法有：

两个端子间跨接电容，用来过滤150K—30M区间的传导(电压)干扰；如高压直流电机跨接X安规电容(0.47μF—2.2μF)；低压直流电机单向运转时跨接电解电容(10μF—100μF)；低压直流电机双向运转时跨接无极性金属膜电容、独石电容等，容量在0.47μF以上；

每个接电端子串联一个电感，一般容量从几μH—100μH不等，对于30M—300M的传导（功率）及30M—1000M的辐射有较好的阻止通过能力；

每个接电端子与外壳间接一个小容量电容（常称Y接地电容）。如高压直流电机接Y222安规电容；低压电机则接103、104之类陶瓷电容；它们对300MHz 以下的传导（功率）及辐射均有一定的阻止能力；

下图是一款使用低压直流电机配套的产品（可电池、市电两用）的EMI抑制方案。

总结语

EMC涉及的产品及范围很广，无法在一篇入门讲义中详尽！不过在结束本讲义之前，还是想将以下两类产品的EMI要求做个简介。

1、车用直流电机

ISO 11452、IEC/CISPR 25及GB 18655规定了汽车零部件的EMI、EMS的测试规范及限值范围；车用直流电机的EMI要求受这些标准约束，对于辐射测试，也是通过接收天线和测试接收机来进行的，频率为150kHz －2.5GHz，并且这一测试频率的上限要进一步扩展，2.5GHz－18GHz频段的测量方法正在考虑中；传导测试则根据被测产品供电的电源线及其回线的长度的不同，也作了规定。

2、电吹风 热风枪类产品

这类产品直接使用市电，通过其内置的加热电阻丝抽头分压，整流后接入电机；由于二极管结压降作用以及电机感性负载的滞后效应，会使电压波形畸变，产生大量的谐波。因此，使用这类产品的客户会要求该类产品除要做(三、1)中传导干扰测试外，还要做谐波电流测试，适用的标准有：IEC61000-3-2、

EN61000-3-2、GB17625等。