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、牙鉆手機(jī)、口腔燈、治療臺升降臂、工作燈升降臂、腳踏開關(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)定的電磁兼容檢測要求，在電磁兼容試驗過程中，輻射發(fā)射試驗是牙科綜合治療機(jī)極易失敗的試驗項目，其中升降臂中的有刷電機(jī)是引起輻射試驗失敗的騷擾源，該文將通過詳細(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，最后通過使用LC濾波電路抑制電機(jī)中雜亂無序的輻射騷擾，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)射試驗的限值要求。

1 牙科綜合治療機(jī)簡介

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，患者在治療過程中躺臥姿勢的變換都是通過病人椅中無刷電機(jī)的運動來實現(xiàn)的[2]；牙科治療機(jī)一般包含了治療臺升降臂、工作燈升降臂、腳踏開關(guān)等運動部件，醫(yī)生在給病人治療過程中，需要根據(jù)治療需求，調(diào)節(jié)治療臺的高度、俯仰角度和工作燈的升降[3]，來實現(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)和病人位置的整個過程中，都是通過牙科綜合治療機(jī)中電機(jī)的運動來實現(xiàn)的。

牙科綜合治療機(jī)大部分器件都屬于無源器件，這些無源器件并不會產(chǎn)生輻射騷擾，因此對于牙科綜合治療機(jī)的輻射騷擾問題，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單，除了個別的晶振問題，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)在輻射試驗中最主要的騷擾源，且在實際的輻射試驗過程中也證實了這一點。

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)，它的特點是啟動快和控制電路相對簡單，主要由碳刷、換向器、線圈和磁極組成，它主要是通過機(jī)械換向來實現(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)過換向器，流經(jīng)線圈，在線圈內(nèi)按照ab→cd移動，到負(fù)電刷B流出，導(dǎo)線在磁場中受到力的作用，根據(jù)弗萊明的左手定則，伸開左手，使大拇指與其余四指垂直且在同一個平面內(nèi)，磁感線穿過手心，四指方向為電流移動方向，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，線圈逆時針轉(zhuǎn)動。由于換向器與線圈轉(zhuǎn)軸同時轉(zhuǎn)動，碳刷固定不動，線圈轉(zhuǎn)動一圈以后，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)運轉(zhuǎn)。

通過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)在換相的過程中，碳刷與換向器之間相互滑動，摩擦過程會發(fā)生電火花，產(chǎn)生電磁破；由于碳刷與換向器滑動頻率高，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，將會在電感線圈兩端產(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中過濾出特定頻率成分射頻信號的電路，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，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濾有刷電機(jī)帶來的輻射騷擾。

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高頻噪聲信號[8,9]，下面通過整改實例來說明LC濾波電路對牙科綜合治療機(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)備具有運動模式和待機(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)的運動模式過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)射水平都超過了限值，其主要原因是因為牙科綜合治療中的有刷電機(jī)在正常工作過程中帶來的騷擾，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，摩擦過程中產(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)射試驗的失敗。

針對這一試驗結(jié)果，拆下牙科綜合治療機(jī)中的有刷電機(jī)，打開電機(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）即是影響輻射試驗結(jié)果的關(guān)鍵器件，要解決這一輻射騷擾問題，必須要在這個結(jié)構(gòu)中增加LC濾波電路，過濾電機(jī)在工作中帶來的高頻干擾。

圖3 牙科綜合治療機(jī)在運動模式下輻射發(fā)射測試情況

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)兩個電容到金屬外殼上，給騷擾源提供一個低阻抗通路，串聯(lián)的電感與并聯(lián)的電容合在一起可以構(gòu)成一個低通濾波器，就可以增強(qiáng)單個電感和電容的濾波效果，對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的實物圖所示，L1和L2實際選擇為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，結(jié)果如圖7所示，從測試結(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物圖

圖7 牙科綜合治療機(jī)在運動模式下整改后的輻射發(fā)射測試情況

5 結(jié)論

牙科綜合治療機(jī)的電磁兼容問題主要是輻射發(fā)射試驗，且其輻射發(fā)射主要輻射騷擾源來自于它內(nèi)部的有刷電機(jī)，有刷電機(jī)線圈通過電刷與外部電源相連，在高速旋轉(zhuǎn)過程中，電刷不斷接通和斷開，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)電路中脈動成分，從而解決牙科綜合治療機(jī)中輻射發(fā)射試驗超標(biāo)問題，該文實例分析對牙科綜合治療機(jī)輻射發(fā)射試驗具有實際指導(dǎo)意義。