應用電磁模擬軟體於車用直流電刷馬達之 EMC特性改良

論文

IA-06-0003

執行單位：財團法人車輛研究測試中心

計畫主持人：鍾欣翰

撰寫人：陳璟宜

執行部門：零組件品質部/電子檢驗課

執行期間：106.01.01~106.12.31

中華民國 一○六 年 九 月 十二 日

表單生效日期：97/08/05 PM.AC-90-0001.03

106 年度 工服 計畫技術文件成果摘要表

計畫名稱 電子檢驗課工服計畫

計畫編號 P061-CQ3 委託單位

執行計畫單位 財團法人車輛研究測試中心 執行期間 106.01.01~106.12.31

計畫主持人 鍾欣翰 協同主持人 無

分項計畫主持人

技術文件名稱 中文 應用電磁模擬軟體於車用直流電刷馬達之EMC特性改良

英文

技術文件編號 IA-06-0003

撰寫人 陳璟宜 撰寫語言 中文 英文 其他

撰寫日期 106.09.13 頁 數 8頁

報告性質 ■論文 技術報告 調查報告 訓練報告 其他

論文發表說明

論文性質 期刊 ■研討會 其他

發表刊物名稱 2017能源科技產品暨檢測技術論文研討會

發表國家 台灣

發表日期 106.11.03

關鍵詞

(中英文)

電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)

直流電刷馬達(DC Brush Motor)

濾波器(Filter)

機

密

等

級

一般級

限閱級

機密級(五年自動解密為限閱級 不解密)

內容摘要

現今車輛朝向智慧化、電動化方向發展，應用在引擎、底盤與車身等中小型馬達數量

將大幅增加，其中以直流有刷馬達(DC Brush Motor，以下簡稱：DCBM)為數最多。當馬

達運轉時，換向片與電刷之間隙產生瞬間火花(電弧現象)及突波電流，成為電磁干擾主要

因素。本文將提出利用實驗室量測設備分析 DCBM 電磁干擾之方法，與使用模擬軟體設

計抑制DCBM電磁雜訊之濾波器，應用於 DCBM實務改良並通過國際標準 CISPR 25 Class

3 之研究。

應用電磁模擬軟體於車用直流電刷馬達之 EMC 特性改良 陳璟宜 1*、江政育 1

財團法人車輛研究測試中心 電子檢驗課 1 地址：50544 彰化縣鹿港鎮鹿工南七路 6 號

電話：04-7811222 ext.3355 傳真：04-7811050

Email：kdlsnme@artc.org.tw

摘 要

現今車輛朝向智慧化、電動化方向發展，應用在引擎、底盤與車身等中小型馬達數

量將大幅增加，其中以直流有刷馬達(DC Brush Motor，以下簡稱：DCBM)為數最多。

當馬達運轉時，換向片與電刷之間隙產生瞬間火花(電弧現象)及突波電流，成為電磁干

擾主要因素。本文將提出利用實驗室量測設備分析 DCBM 電磁干擾之方法，與使用模

擬軟體設計抑制 DCBM 電磁雜訊之濾波器，應用於 DCBM 實務改良並通過國際標準

CISPR 25 Class 3 之研究。

關鍵詞：電磁干擾、直流電刷馬達、濾波器。

1. 前言

汽車馬達可分為小型馬達及結合驅動器的動力馬達兩大類，其中小型馬達占了絕大

多數，舉凡電動窗、電動座椅與電動尾門等均屬於其應用範圍。目前每輛轎車約使用 20顆小馬達，當汽車朝向智慧化、電動化方向發展，應用在引擎、底盤與車身等小型馬達

數量將大幅增加，未來馬達的使用數量有可能超過上百顆，其中以 DCBM 為數最多，

但其換向片火花問題卻會衍生嚴重的電磁干擾問題，藉由功能系統整合(如電動座椅)透過電源線/訊號線向外傳導，間接影響車輛內部其它電子設備，因此 DCBM 產品之 EMC特性逐漸被探討。

本研究將以車輛上電動座椅部品中，其中一顆 DCBM 為實務改良產品，設計一組

濾波電路抑制產品干擾源，並利用實務量測結合電磁模擬方法進行分析改良，並依據

CISPR 25(08 年版)測試方法，使產品通過限制值 class 3 目標。

2. 直流電刷馬達與電磁干擾

2.1.DCBM 結構與電磁磁干擾分析

本文所研究之 DCBM 依據 CISPR25(2008 年版)標準[1]所規範驗證方法，進行傳導

干擾測試與輻射干擾測試檢測，其換向片火花問題卻容易衍生嚴重的電磁干擾問題[2]，藉由功能系統整合(如電動座椅)透過電源線/訊號線向外傳導，間接影響車輛內部其它電

子設備，因此有刷馬達產品之 EMC 特性逐漸被探討。

在一般車輛系統上所使用的 DCBM 之馬達結構如圖 1，依直流馬達的運轉情形可

分為轉子和定子兩部份，轉子部份由電樞、電樞鐵心、換向片、電樞繞組所組成，定子

部份由軛鐵、磁極所組成，其它重要的機械元件有碳刷與碳刷座。馬達運轉時在每一次

迴圈中的電壓交換方向，其換向片及電刷間的機械接觸點也同時交換接線，這種交換接

線過程稱之為換向，而換向過程就會產生類似火花的電弧物理現象，也成為 DCBM 主

要 EMI 干擾源之一[3]。

圖 1. 直流有刷馬達結構

2.2.直流電刷馬達改良前量測狀況

本研究實務利用一組車用 DCBM 進行 EMC 特性改良，如圖 2，在原始的 DCBM設計中，僅有由電感所組成之電路。並將此 DCBM 進行實際測試，圖 3 為 CISPR 25 實

際測試配置，圖 3(a)為馬達於傳導干擾實際測試配置，圖 3(b)為馬達於輻射干擾量測實

際配置，其改良前測量結果如圖 4，可見，圖 4(a)為馬達於傳導干擾中，利用人工網路

(Line impedance stabilization network；LISN)正端接收正轉電磁擾動測量結果，會於頻段

500 kHz- 2 MHz 之間超出限制值；圖 4(b)為使用天線接收正轉時電磁干擾結果，可見於

頻段 220 MHz- 250 MHz 與 300 MHz- 330 MHz 皆超出限制值，改良前 DCBM 無法通過

CISPR 25 (2008)。

圖 2. 原始 DCBM 之電感濾波器

(a) 傳導干擾實際測試圖 (b) 輻射干擾實際測試圖

圖 3. 馬達改良前實際測試圖

(a)馬達於改良前傳導干擾量測圖 (b) 馬達於改良前輻射干擾量測圖

圖 4. 直流電刷馬達改良前之傳導電磁干擾量測圖

3. 直流電刷馬達濾波設計

3.1.直流電刷馬達濾波電路架構

由量測結果可以得知尚未改良的 DCBM 有多個頻帶無法通過國際車輛法規 CISPR 25(2008)，並且可見頻段在 1~350MHz 電磁干擾較為嚴重，為此本研究於馬達電源與電

刷之間設計一組濾波器，並且增加濾波電路接地面積[4]-[5]，用以抑制電刷馬達電磁干

擾，圖 5 為本文設計直流電刷馬達濾波器流程圖，首先本研究於原況電路將之修改為成

由電感與電容所組成的濾波電路，並且使用電磁模擬軟體模擬濾波器特性以驗證所抑制

干擾頻段，最後實作並實測之，圖 6 為本文設計之電刷馬達濾波器電路架構圖，馬達 P端若連結正電並 N 端接於負電，其馬達作動為正轉；反之，馬達則為反轉，其中濾波

器使用電感 L1 與 L2 為 2 uH，P 端由 C1~C4 與 L1 構成濾波電路，N 端由 C5~C8 與 L2組成濾波電路。

量測直流電刷馬達特性

實際檢測通過CISPR 25

設計濾波電路應用電磁模擬軟體模

擬濾波特性

模擬馬達結合濾波電路之特性

實際濾波電路結合馬達

圖 5. 設計直流電刷馬達濾波器流程圖

C9 TVS

F1馬達

P端

馬達

N端

馬達

電刷1

馬達

電刷2

C1 C2 C3 C4

C5 C6 C7 C8

L1

L2

圖 6. 設計直流電刷馬達濾波器電路架構圖

3.2. 直流電刷馬達濾波電路模擬

本研究先行量測馬達特性阻抗[6]，如圖 7 所示，將其原電路移除並利用網路分析

儀測量其輸入阻抗與反射係數，並利用 ANSYS Designer 與 HFSS 建立所設計 DCBM 之

濾波器電路模型，如圖 8 所示，分別匯入馬達特性參數及建置週邊電路，其電路基板為

FR4 板，因電磁干擾訊號內含許多高次諧波，這些高次諧波容易產生傳導干擾與輻射干

擾，所以最終採低通濾波器設計型式濾除雜訊。

圖 7. 利用網路分析儀量測馬達特性圖

圖 8. 電刷馬達濾波電路電磁模擬圖

本研究使用電容容抗公式(1)計算，得 0.1 uF 電容於 1 MHz 等效容抗為 1.6 Ω，此

電容較適合抑制電磁干擾 150 kHz~ 350 MHz 之問題，本文將對 Insertion Loss (S21)探討，

其參數若為零則可傳遞 100 ％能量，圖 9 為濾波電路加入電容 C2 與 C5 後之模擬

Insertion Loss 圖，可見加入 C2 與 C5 後即有不錯的電磁干擾抑制效果，其中黑色實線

為尚未加入任何電容前量測之 Insertion Loss，紅色實線為馬達 P 端加入電容 C2 後之

S21，藍色實線為馬達 N 端加入電容 C5 後的 Insertion Loss，可見正轉端加入 C2 電容和

反轉端加入電容 C5 後，不論正反轉其 S21皆大幅降低。

C21

ωC1=Xc

f

(1)

圖 9. 模擬馬達濾波電路加入 C2 與 C5 之 Insertion Loss 圖

為使濾波器有更好的效果，本文於馬達正轉 P 端再使用 C9 電容，如圖 10 所示，

紅色虛線為馬達濾波電路內 P 端僅使用電容 C2 的 S21，紅色實線為同時使用 C2 與 C9電容的 S21，可見同時使用電容 C2 與 C9，其 Insertion Loss 較僅使用電容 C2 降低 15 dB左右；馬達反轉 N 端則一同使用電容 C5 與 C6 抑制干擾，如圖 11 所示，馬達 N 端同時

加入 C5 與 C9 後，較只使用 C5 時之 Insertion Loss 降低約 10 dB。

圖 10. P 端濾波電路加入 C2 與 C9 之 Insertion Loss 圖

圖 11. N 端濾波電路加入 C5 與 C6 之 Insertion Loss 圖

最終得濾波電路最佳干擾抑制，圖 12 為濾波器電路加入電容 C2、C5、C6、C9 後

的 S21模擬圖，其中黑色實線為尚未加入電容前之 Insertion Loss，紅色實線為馬達 P 端

加入電容 C2、C9 後模擬之 Insertion Loss，藍色實線為馬達 N 端加入電容 C5 與 C6 之

Insertion Loss，可見不論正轉或反轉端的 Insertion Loss 皆大幅降低，馬達經由加上濾波

電路後，可大幅的抑制雜訊。

圖 12. 濾波電路加入 C2、C5、C6、C9 之 S21模擬圖

3.3. 直流電刷馬達改良後量測

本研究最後將直流電刷馬達結合所設計之濾波器，並於實驗室量測進行驗證，應用

模擬新設計之濾波器，馬達做動時，不論正轉或反轉，皆可通過國際法規 CISPR 25 (2008)，圖 13 為直流電刷馬達改良後之傳導電磁干擾量測結果圖，圖 13(a)為馬達於 LISN正端正轉時之測量結果；圖 13(b)為馬達於 LISN 正端反轉時之測量結果，其電磁傳導干

擾測試均通過 CISPR 25(2008)之要求。

(a) (b)

圖 13. 直流電刷馬達改良後之傳導電磁干擾量測結果圖

圖 14 為直流電刷馬達改良後之輻射電磁干擾量測結果圖，其馬達轉向為正轉，電

磁輻射測試結果量測結果均低於限制值，可通過國際法規 CISPR 25 (2008) 輻射電磁干

擾之標準。

圖 14. 直流電刷馬達改良後之輻射電磁干擾量測結果圖

4. 結論

本研究成功利用透過量測馬達特性阻抗，搭配電磁模擬軟體進行濾波器設計之方

法，並且成功驗證，最終模擬分析出最佳的 Insertion loss 參數，將其模擬出的濾波電路

應用到實務 DCBM 之 EMC 特性產品改良，可有效抑制 DCBM 電磁干擾，使其通過國

際法規 CISPR 25 (2008) ，利用電磁模擬軟體在未來改良 DCBM 的過程中有非常大的助

益，可縮短產品改良時間，並讓 EMC 改良過程更有系統化與有效通過國際 EMC 認證。

參考文獻

[1] Rodriguez and Vicente, (2012), “Automotive component EMC testing: CISPR 25, ISO 11452–2 and equivalent standards,” IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, pp. 83-90.

[2] W. G. Shin and S. H. Lee,(2010), “An analysis of the main factors on the wear of brushes for automotive small brush-type DC motor, ” Journal of Mechanical Science and Technology, vol.24, pp. 37-41.

[3] R. Andreux, J. Fontchastagner, N. Takorabet, N. Labbe, and J. Metral, (2014), “A general approach for brushed dc machines simulation using a dedicated field/circuit coupled method,” Progress In Electromagnetics Research, pp.213-227.

[4] S. Winder, (2002), Analog and digital filter design, Newnes. [5] 王一凡、賈寶富、羅正祥 (2007)，廣義切比雪夫濾波器等效電路參數的提取，真空電子技

術，第 8-10 頁。

[6] R. Kahoul, Y. Azzouz, P. Marchal, and B. Mazari, (2010), “New behavioral modeling for DC motor armatures applied to automotive EMC characterization.,” IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol.52 , no.4, pp.888-901.