牙科綜合治療機(jī)有刷電機(jī)輻射發(fā)射整改分析

黃勇，溫宇標(biāo)，伍倚明，劉海

（廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，廣州 510663）

引言

牙科綜合治療機(jī)主要用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)口腔做檢查、治療和手術(shù)等，它的結(jié)構(gòu)主要由側(cè)箱、痰盂、治療臺(tái)、牙鉆手機(jī)、口腔燈、治療臺(tái)升降臂、工作燈升降臂、腳踏開(kāi)關(guān)等組成[1]。牙科綜合治療機(jī)在上市前必須滿足醫(yī)療器械現(xiàn)行YY 0505-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁兼容檢測(cè)要求，在電磁兼容試驗(yàn)過(guò)程中，輻射發(fā)射試驗(yàn)是牙科綜合治療機(jī)極易失敗的試驗(yàn)項(xiàng)目，其中升降臂中的有刷電機(jī)是引起輻射試驗(yàn)失敗的騷擾源，該文將通過(guò)詳細(xì)分析牙科綜合治療機(jī)的組成及工作原理，進(jìn)而分析有刷電機(jī)的工作原理，最后通過(guò)使用LC濾波電路抑制電機(jī)中雜亂無(wú)序的輻射騷擾，從而使牙科綜合治療機(jī)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁兼容輻射發(fā)射試驗(yàn)的限值要求。

1 牙科綜合治療機(jī)簡(jiǎn)介

牙科綜合治療機(jī)可劃分為牙科病人椅和牙科治療機(jī)兩部分。牙科病人椅一般由傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、座墊、靠背、頭枕等組成，病人椅的承載范圍大于等于135 kg，并且能夠任意升降和停止，患者在治療過(guò)程中躺臥姿勢(shì)的變換都是通過(guò)病人椅中無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[2]；牙科治療機(jī)一般包含了治療臺(tái)升降臂、工作燈升降臂、腳踏開(kāi)關(guān)等運(yùn)動(dòng)部件，醫(yī)生在給病人治療過(guò)程中，需要根據(jù)治療需求，調(diào)節(jié)治療臺(tái)的高度、俯仰角度和工作燈的升降[3]，來(lái)實(shí)現(xiàn)醫(yī)生和病人間達(dá)到最佳的治療位置。在醫(yī)生調(diào)節(jié)治療機(jī)和病人位置的整個(gè)過(guò)程中，都是通過(guò)牙科綜合治療機(jī)中電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

牙科綜合治療機(jī)大部分器件都屬于無(wú)源器件，這些無(wú)源器件并不會(huì)產(chǎn)生輻射騷擾，因此對(duì)于牙科綜合治療機(jī)的輻射騷擾問(wèn)題，需要從電氣的角度分析其組成，主要有變壓器，控制電路，以及有刷電機(jī)，在這些部件當(dāng)中，變壓器是線性器件，自身一般不是騷擾源，且控制電路也較為簡(jiǎn)單，除了個(gè)別的晶振問(wèn)題，也很少具備很強(qiáng)的輻射騷擾能力，而往往其中的最重要部件有刷電機(jī)，成為牙科綜合治療機(jī)在輻射試驗(yàn)中最主要的騷擾源，且在實(shí)際的輻射試驗(yàn)過(guò)程中也證實(shí)了這一點(diǎn)。

2 牙科綜合治療機(jī)中有刷電機(jī)的工作原理

牙科綜合治療機(jī)中有刷電機(jī)是內(nèi)含電刷裝置的將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（電動(dòng)機(jī)）或是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能（發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它的特點(diǎn)是啟動(dòng)快和控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由碳刷、換向器、線圈和磁極組成，它主要是通過(guò)機(jī)械換向來(lái)實(shí)現(xiàn)工作[4-6]，如圖1所示為有刷電機(jī)模型，磁極是固定不動(dòng)的，磁極N在上，磁極S在下，線圈分布在磁極N和S的中間，線圈的兩端通過(guò)換向器分別與A、B碳刷連接，直流電源正極與A碳刷連接，負(fù)極與B碳刷連接，碳刷與換向器相互摩擦，電流經(jīng)過(guò)換向器，流經(jīng)線圈，在線圈內(nèi)按照ab→cd移動(dòng)，到負(fù)電刷B流出，導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到力的作用，根據(jù)弗萊明的左手定則，伸開(kāi)左手，使大拇指與其余四指垂直且在同一個(gè)平面內(nèi)，磁感線穿過(guò)手心，四指方向?yàn)殡娏饕苿?dòng)方向，大拇指所指的方向就是線圈導(dǎo)體受力方向，線圈的ab和cd兩邊由于電流方向不同，線圈兩邊受到大小相同方向相反的電磁力，這兩個(gè)電磁力就合成了電磁轉(zhuǎn)矩，在該電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由于換向器與線圈轉(zhuǎn)軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，碳刷固定不動(dòng)，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一圈以后，ab和cd位置進(jìn)行了互換，但是由于換向器的存在，現(xiàn)在處在上邊的cd線圈內(nèi)的電流方向和原來(lái)處在上邊的ab線圈的電流的方向一樣，所以受到的電磁力方向不變，同理右邊線圈也一樣。所以從空間上看，在相同位置的線圈邊受的電磁力方向是一直不變的，這就保證了有刷電機(jī)的循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過(guò)上述牙科綜合治療機(jī)有刷電機(jī)工作原理分析，有刷電機(jī)在換相的過(guò)程中，碳刷與換向器之間相互滑動(dòng)，摩擦過(guò)程會(huì)發(fā)生電火花，產(chǎn)生電磁破；由于碳刷與換向器滑動(dòng)頻率高，瞬間電流比較大，因而其產(chǎn)生較多的電磁波高頻分量，且電機(jī)為感性負(fù)載，當(dāng)切換負(fù)載的供電電源時(shí)，將會(huì)在電感線圈兩端產(chǎn)生高于電源電壓數(shù)倍甚至數(shù)十倍的反向電壓。在牙科綜合治療機(jī)有刷電機(jī)實(shí)際工作中，可以看到電刷與換向器之間產(chǎn)生電弧，形成火花騷擾現(xiàn)象，這就是牙科綜合治療機(jī)有刷電機(jī)輻射騷擾的主要來(lái)源。

圖1 有刷電機(jī)模型

3 LC濾波電路在牙科綜合治療機(jī)的應(yīng)用

濾波電路的基本功能是從不同頻率成分的射頻信號(hào)中過(guò)濾出特定頻率成分射頻信號(hào)的電路，根據(jù)不同的頻率響應(yīng)特性曲線，濾波電路有低通濾波電路、高通濾波電路和帶通濾波電路之分，圖2的LC濾波電路由于其結(jié)構(gòu)中的電容與阻抗并聯(lián)分布，電感與阻抗串聯(lián)分布，當(dāng)頻率越低時(shí)，串聯(lián)支路阻抗很小，并聯(lián)支路阻抗很大，所以位于濾波器輸出端口的負(fù)載吸收的功率就很大，構(gòu)成了低通的衰減特性[7]，這種LC濾波器就是低通濾波器，本文采用的整改措施就是增加這種濾波電路過(guò)濾有刷電機(jī)帶來(lái)的輻射騷擾。

牙科綜合治療機(jī)中有刷電機(jī)電路中輸出電壓不僅包含的直流，而且包含了電感線圈兩端產(chǎn)生高于電源電壓數(shù)倍甚至數(shù)十倍的反向電壓，但這一反向電壓變化頻率快，在電路中增加低通濾波電路可以很好的抑制這一瞬時(shí)高頻噪聲信號(hào)[8,9]，下面通過(guò)整改實(shí)例來(lái)說(shuō)明LC濾波電路對(duì)牙科綜合治療機(jī)中有刷電機(jī)騷擾源的抑制作用。

圖2 L-C濾波電路

4 牙科綜合治療機(jī)有刷電機(jī)輻射發(fā)射整改案例分析

某廠家生產(chǎn)的牙科綜合治療機(jī)設(shè)備具有運(yùn)動(dòng)模式和待機(jī)模式兩種模式，由于該牙科綜合治療機(jī)預(yù)期用于大小診所，故該牙科綜合治療機(jī)必須符合GB 4824標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的B類的限值要求，牙科綜合治療機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式過(guò)程中主要是有刷電機(jī)在工作，在牙科綜合治療機(jī)加載135 kg負(fù)載工況下，得到了輻射發(fā)射試驗(yàn)水平極化和垂直極化頻譜圖，如圖3所示。從圖中可以看出水平極化和垂直極化的發(fā)射水平都超過(guò)了限值，其主要原因是因?yàn)檠揽凭C合治療中的有刷電機(jī)在正常工作過(guò)程中帶來(lái)的騷擾，有刷電機(jī)中由于電刷與換向器的切換，導(dǎo)致碳刷與換向器之間相互滑動(dòng)，摩擦過(guò)程中產(chǎn)生了大量火花，于是就導(dǎo)致了牙科綜合治療機(jī)輻射發(fā)射試驗(yàn)的失敗。

針對(duì)這一試驗(yàn)結(jié)果，拆下牙科綜合治療機(jī)中的有刷電機(jī)，打開(kāi)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括了軸承、定子和轉(zhuǎn)子等組成，圖4（b）即是影響輻射試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵器件，要解決這一輻射騷擾問(wèn)題，必須要在這個(gè)結(jié)構(gòu)中增加LC濾波電路，過(guò)濾電機(jī)在工作中帶來(lái)的高頻干擾。

圖3 牙科綜合治療機(jī)在運(yùn)動(dòng)模式下輻射發(fā)射測(cè)試情況

在電刷上串聯(lián)電感可以抑制騷擾，電感的作用主要是防止電刷在通過(guò)換向器的瞬間使流進(jìn)電刷的電流產(chǎn)生突變，電感量大約在10～25（μH）之間。此外，還需要在電機(jī)的正負(fù)極線上各自并聯(lián)兩個(gè)電容到金屬外殼上，給騷擾源提供一個(gè)低阻抗通路，串聯(lián)的電感與并聯(lián)的電容合在一起可以構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，就可以增強(qiáng)單個(gè)電感和電容的濾波效果，對(duì)抑制最終的輻射騷擾很有效果, 并使它具有更寬的濾波頻帶及更大的濾波效果。如圖5的原理圖和圖6的實(shí)物圖所示，L1和L2實(shí)際選擇為10 μH的電感，C1和C2的電容量選擇為1 nF的規(guī)格。

通過(guò)在牙科綜合治療機(jī)電機(jī)上增加LC濾波電路后，在相同環(huán)境下進(jìn)行輻射發(fā)射試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示，從測(cè)試結(jié)果可以看出，牙科綜合治療機(jī)有刷電機(jī)在接入LC濾波電路后，輻射發(fā)射取得了很好的抑制效果，牙科綜合治療機(jī)輻射發(fā)射試驗(yàn)符合了GB 4824標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的B類的限值要求。

圖4 牙科椅有刷電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 有刷電機(jī)增加濾波電路原理圖

圖6 有刷電機(jī)接入電感電容后的實(shí)物圖

圖7 牙科綜合治療機(jī)在運(yùn)動(dòng)模式下整改后的輻射發(fā)射測(cè)試情況

5 結(jié)論

牙科綜合治療機(jī)的電磁兼容問(wèn)題主要是輻射發(fā)射試驗(yàn)，且其輻射發(fā)射主要輻射騷擾源來(lái)自于它內(nèi)部的有刷電機(jī)，有刷電機(jī)線圈通過(guò)電刷與外部電源相連，在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，電刷不斷接通和斷開(kāi)，就極易產(chǎn)生電刷電弧，形成火花騷擾。該文利用LC濾波電路中電抗性元件，濾除有刷電機(jī)電路中脈動(dòng)成分，從而解決牙科綜合治療機(jī)中輻射發(fā)射試驗(yàn)超標(biāo)問(wèn)題，該文實(shí)例分析對(duì)牙科綜合治療機(jī)輻射發(fā)射試驗(yàn)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。