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1、电刷的基本知识电刷的基本知识1 1、电刷的发展史、电刷的发展史 1836年，Pixii发明了带整流子（换向器）的直流电机，使用铜作为电刷，电刷由此诞生。铜电刷缺乏弹性，接触很不稳定。到1883年，Forbs首次使用炭素材料制成了电刷。当时的电刷是用粘结剂把无定型炭固定住。它的研磨性较大，电流容量较小，缺乏均一性。直到1896年，E.G.Acheson成功地生产出了人造石墨，具备了电刷要求的特性，用炭做的电刷 “炭刷”随之诞生。2 2、电刷的作用、电刷的作用 电刷的作用是在电机的固定部件与旋转部件整流子（换向器）或集电环之间传导电流。在直流电机和交流电机中，被电刷短路的线圈的电流方向在接触过程中
2、改变180。电刷的基本知识电刷的基本知识3 3、炭的性质、炭的性质 a）、轻； b）、良好的电传导性； c）、良好的热传导性； d）、自润滑性。4 4、电刷的主要物理参数对性能的影响、电刷的主要物理参数对性能的影响 电阻率电阻率电阻率越高，对火花压制越有利；电压降会增加，电机的效率会下降；同时，电刷的温升会增加，有可能会导致电刷胀死在刷架中。 抗折强度抗折强度抗折强度越高，电刷越耐磨。 硬度硬度硬度越高，电刷越耐磨，噪音会增大；同时对换向器的磨损也会增加。电刷的基本知识电刷的基本知识n 密度密度密度对电刷性能的影响最小。定性地讲，密度越高，电刷n越耐磨。n 综合来讲，电阻率和抗折强度对电刷的性
3、能起着决定性作用。这四n个参数是相互作用的。它们的影响作用如下：n 密度密度硬度硬度电阻率电阻率抗折强度抗折强度n 密度密度硬度硬度电阻率电阻率抗折强度抗折强度n5、电刷与弹簧和换向器的关系、电刷与弹簧和换向器的关系n 电刷、弹簧和换向器是电机整流（换向）系统的三大核心部件。它n们三者的配合对电机的性能起着至关重要的作用。n5.1、电刷对弹簧的要求、电刷对弹簧的要求n 电刷与换向器的接触是靠弹簧的压力决定的。炭刷的磨损简单地分n为：机械磨损和电气磨损两种。电刷的基本知识电刷的基本知识弹簧弹力与电刷的机械磨损和电气磨损关系如下：弹簧弹力弹簧弹力机械磨损机械磨损电气磨损电气磨损弹簧弹力弹簧弹力机械
4、磨损机械磨损电气磨损电气磨损关系图如右图所示。关系图如右图所示。5.25.2、电刷对换向器的要求、电刷对换向器的要求 在电机的整个运行过程中，炭刷始终和换向器接触着，不停地对电流进行换向。 在电机的高速运行过程中，对换向器的硬度、片间高度差、真圆度和稳定性有很高的要求。0 01 12 23 34 45 50 02020404060608080SpringPressureSpringPressureKPaKPaBrushWearratemm/100hourBrushWearratemm/100hourMecanicalMecanicalElectricalElectricalTotalTotal
5、电刷的基本知识电刷的基本知识n 根据根据STI的经验，除了片间绝缘性能，换向器的性能还要包括以下的经验，除了片间绝缘性能，换向器的性能还要包括以下n几个方面：几个方面：n 材材 料：料：CuAg合金中，银的含量应合金中，银的含量应0.1%n 结结 构：具有环状耐高温加固条结构。构：具有环状耐高温加固条结构。 n 真圆度：真圆度： 在高温（在高温（200 ）、高速（）、高速（50m/s ）、连续运行一段时）、连续运行一段时n 间（间（ 100小时）后的条件下检测小时）后的条件下检测n 试验前：试验前： Max-Min 5m；试验后：；试验后：Max-Min 20m；n 相邻巴片间的高度差：相邻巴
6、片间的高度差：0.5mn 表面粗糙度：表面粗糙度：Ra为为0.81.2mn 硬硬 度：维氏度：维氏105115（HV）；布氏）；布氏100110（HB）电刷的基本知识电刷的基本知识5.3、弹簧压强的配合、弹簧压强的配合种种 类类材质名材质名起始压强起始压强终了压强终了压强用用 途途KPaKPa电气石墨质电气石墨质351A40502030直流工业电机直流工业电机炭素石墨质炭素石墨质105S50703040电动工具、厨房用小家电电动工具、厨房用小家电树脂系树脂系X系列系列50602535吸尘器、小家电吸尘器、小家电金属石墨金属石墨MF-40150602535直流电机直流电机 弹簧压力的设计，及所需
7、要的炭刷材料需要经过试验验证，方可实施。弹簧压力的设计，及所需要的炭刷材料需要经过试验验证，方可实施。上表中所列数值仅作参考。上表中所列数值仅作参考。 由于炭刷材料的特殊性由于炭刷材料的特殊性相对弹簧、刷架和换向器而言比较脆弱，弹相对弹簧、刷架和换向器而言比较脆弱，弹簧对炭刷的压力最好应为面接触（涡簧），次之为线接触（压簧），尽量避簧对炭刷的压力最好应为面接触（涡簧），次之为线接触（压簧），尽量避免点接触（扭簧），否则炭刷易发生开裂。若电机结构的局限性必须为扭簧，免点接触（扭簧），否则炭刷易发生开裂。若电机结构的局限性必须为扭簧，应在与炭刷接触部位增加直线段，如下页所示。应在与炭刷接触部位增加
8、直线段，如下页所示。上述内容仅作参考上述内容仅作参考铜套炭刷间隙种种 类类材质名材质名厚度公差厚度公差宽度公差宽度公差铜铜 套套黄黄 铜铜0+0.20+0.20+0.10+0.1电气石墨质电气石墨质351A351A-0.05-0.15-0.05-0.15-0.02-0.07-0.02-0.07炭素石墨质炭素石墨质105SBX-388-0.05-0.15-0.05-0.15-0.02-0.07-0.02-0.07树脂系树脂系X X系列系列-0.10-0.20-0.10-0.20-0.07-0.12-0.07-0.12金属石墨金属石墨MF-401MF-401-0.10-0.20-0.10-0.20
9、-0.05-0.15-0.05-0.15n5.4、炭刷和刷架的配合间隙、炭刷和刷架的配合间隙电刷的基本知识电刷的基本知识换向器换向器皮膜皮膜换向器换向器皮膜皮膜必须保持适当的厚度必须保持适当的厚度。= =导电性导电性润滑润滑性皮膜性皮膜皮膜皮膜太太薄薄增加增加换向器向器和炭刷的机械磨和炭刷的机械磨损磨削作用磨削作用过剩材剩材质，或低，或低温温、低湿度、低湿度的状的状态态下使用下使用 适当适当皮膜皮膜换向器向器皮膜皮膜的厚度控制的厚度控制较较好。磨好。磨削作用削作用和皮膜形成和皮膜形成作用作用的平衡。并且火花小的平衡。并且火花小。 。炭刷的磨炭刷的磨损小，效率高小，效率高皮膜皮膜过剩过剩炭刷材炭
10、刷材质的皮膜形成的皮膜形成作用作用强，缺乏研磨性，缺乏研磨性。 。或者温度高，火花大。或者温度高，火花大。温升过高，磨损过大温升过高，磨损过大. .换向皮膜换向皮膜火花较小，皮膜的厚度适当。在换向器表面形成均匀的很薄的皮膜。皮膜过厚。由于火花过大，炭刷的炭粉黏附在换向器表面。炭刷缺乏磨削性。火花为中到大时，换向器表面发黑。炭刷具有一定的磨削性，但不充分。换向皮膜换向皮膜当炭刷过度磨损时，炭刷的弹簧压力下降，当炭刷过度磨损时，炭刷的弹簧压力下降，产生大火花。产生大火花。由于火花过大，造成换向器的表面受损。由于火花过大，造成换向器的表面受损。严重时，炭刷中的导线将换向器的表面破严重时，炭刷中的导线
11、将换向器的表面破坏，第二副炭刷的寿命变短。坏，第二副炭刷的寿命变短。无止动装置无止动装置有止动有止动装置装置当炭刷磨损至设定长度时，安全子会被当炭刷磨损至设定长度时，安全子会被弹出，快速地将电流切断弹出，快速地将电流切断。不会伤及换不会伤及换向器的表面。向器的表面。由于换向器的表面未被磨损，可以确由于换向器的表面未被磨损，可以确保第二副炭刷及以后更换的炭刷也能保第二副炭刷及以后更换的炭刷也能达到第一副炭刷同样的使用寿命达到第一副炭刷同样的使用寿命。安全炭刷的工作机理安全炭刷的工作机理 一轴式压簧时使用压簧时使用涡簧时使用涡簧时使用导导 线线埋线铜粉埋线铜粉绝缘片绝缘片止动弹簧止动弹簧止动安全子
12、止动安全子 二轴式由于安全炭刷的结构复杂，加工难度高，价格由于安全炭刷的结构复杂，加工难度高，价格由于安全炭刷的结构复杂，加工难度高，价格由于安全炭刷的结构复杂，加工难度高，价格较高，故一般与普通炭刷成对使用，且同时更较高，故一般与普通炭刷成对使用，且同时更较高，故一般与普通炭刷成对使用，且同时更较高，故一般与普通炭刷成对使用，且同时更换。换。换。换。安全炭刷的两种结构安全炭刷的两种结构电刷的主要制造过程电刷的主要制造过程电刷在电机中的工作原理电刷在电机中的工作原理n一、串激电机的换向一、串激电机的换向 n （一）、换向（定义）：电机运行时，旋转着的电枢绕组元件从一 条支路经过换向器和炭刷进入
13、另一条支路，元件中电流方向改变一次，此过程称为换向。n （即：转子绕组中电流的大小和方向随时间变化的过程叫换向）n （二）、换向过程：n 在电机换向过程中，换向元件中有感应电势产生，受其影响，换向元件中的电流改变方向的时间将比理想状态下（换向元件中无感应电势）换向时延迟一段时间，是延迟换向。n 1、换向元件在换向过程中产生的感应电势有： 1）、电抗电势（自感电势+互感电势）er： 电抗电势大小：(电抗电势与元件匝数平方、转速成正比） er=2WsLA2 2)、换向电势（又称旋转电势） ea 换向电势大小： (电抗电势与元件匝数平方、转速成正比） ea=2.5WsLA 3)、变压器电势ekt 交
14、变主磁通同换向元件相作用产生。 eKt=4.44fd (1-)2电刷在电机中的工作原理电刷在电机中的工作原理电刷在电机中的工作原理电刷在电机中的工作原理2、换向过程中的电流变化： 图示为1/2周期时的换向情况（此时换向元件中的电流为iK） i1和i2：表示通过换向片1和换向片2的 电流 r1和r2：表示换向片1和换向片2与炭 刷之间的接触电阻 s1和s2：表示换向片1和换向片2与炭 刷的接触面积 i： 换向元件中的电流 iL： 直线换向电流 ia： 电枢绕组中的电流 Tk： 换向周期 电刷在电机中的工作原理电刷在电机中的工作原理n 由于电抗电势、换向电势和变压器电势的存在，在换向元件K被炭刷短
15、路的回路中 ，产生一个附加电流iK ： n 附加换向电流:n iK= （er+ ea +ekt）/（r2+r1）n 因此：换向元件K中的电流为：n i=ia（1-2t/T）+ （ er+ ea +ekt ）/ （r2+r1） =iL+ iKn n 附加电流iK阻碍换向元件中的电流变化，使换向延迟，同时使炭刷下的电流密度分布不均：n i1 与与iK方向相反，使前刷边电流密度减小，方向相反，使前刷边电流密度减小，n i2 与与iK方向相同，使后刷边电流密度增大。方向相同，使后刷边电流密度增大。电刷在电机中的工作原理电刷在电机中的工作原理n二、换向过程中火花产生的原因：二、换向过程中火花产生的原因：
16、n1、电磁原因：、电磁原因：n 在换向过程中，后刷边的电流密度过大而产生过热，使炭刷与换向器片在换向过程中，后刷边的电流密度过大而产生过热，使炭刷与换向器片间的空气发生电离，因此使后刷边与换向的接触电阻不随着接触面积的减间的空气发生电离，因此使后刷边与换向的接触电阻不随着接触面积的减小而增大，而是由于换向器上氧化膜的破坏而显著地减小。于是换向元件小而增大，而是由于换向器上氧化膜的破坏而显著地减小。于是换向元件在换向末期仍保持着很大的附加电流，在后刷边离开换向片瞬间，换向元在换向末期仍保持着很大的附加电流，在后刷边离开换向片瞬间，换向元件的短路回路由于脱离炭刷而断开，元件所贮存的电磁能量以电弧火
17、花的件的短路回路由于脱离炭刷而断开，元件所贮存的电磁能量以电弧火花的的形式在后刷边释放出来。的形式在后刷边释放出来。n2、机械原因：、机械原因：n 换向器跳动大、转子动平衡不良、电刷压力过小（或过大破坏氧化膜）、换向器跳动大、转子动平衡不良、电刷压力过小（或过大破坏氧化膜）、电刷与刷握间隙过大（或太小而卡死）、换向器表面不净等因素使电刷发电刷与刷握间隙过大（或太小而卡死）、换向器表面不净等因素使电刷发生振动而产生火花生振动而产生火花n3、化学原因：、化学原因： 换向器表面有一层氧化膜，氧化膜增大接触电阻，使换向接近电阻换向换向器表面有一层氧化膜，氧化膜增大接触电阻，使换向接近电阻换向EMC性能
18、相关性能相关nEMC-Electromagnetic Compatibility(电磁兼容）n 是一门新兴的综合性学科，主要研究电磁干扰（EMI）和电磁敏感（EMS）n的问题：即怎样使在同一电磁环境下工作的各种电子电气设备、器件或系统，n都能够正常工作。n 随着社会的日益进步，人们使用各种电器的机会也越来越多，这些电子设n备在给我们带来生活便利的同时，也给我们带来了电磁污染。而这些电磁污染n则又反过来影响我们使用的电子设备，对我们的电子讯号产生影响，影响我们n对电子设备的使用。n 总之，有电流通过就会存在EMC问题。n 对于常规的电机来说仅存在EMI问题，如果有自动化控制系统的电机，则n可能还
19、存在EMS问题。炭刷在电机中的炭刷在电机中的EMI机理机理整流子片炭炭刷刷火火 花花图示：炭刷同换向图示：炭刷同换向器巴片的放电火花器巴片的放电火花转子转动方向 如图所示：电机转动时，炭刷在换向器巴片上滑动。炭刷的作如图所示：电机转动时，炭刷在换向器巴片上滑动。炭刷的作用是：相邻的两个巴片被炭刷短路，与之相连的电动机绕组上流过用是：相邻的两个巴片被炭刷短路，与之相连的电动机绕组上流过很大的短路电流。当炭刷脱离前一个巴片向后一个巴片滑动时，电很大的短路电流。当炭刷脱离前一个巴片向后一个巴片滑动时，电机绕组瞬时开路，产生很大的反电动势，从而触发炭刷与前一个巴机绕组瞬时开路，产生很大的反电动势，从而
20、触发炭刷与前一个巴片之间的放电火花，这是同利用开关断开电感负载的情况是一样的片之间的放电火花，这是同利用开关断开电感负载的情况是一样的（日常经验：拔出插头时产生放电火花）。只是在电机中由于炭刷（日常经验：拔出插头时产生放电火花）。只是在电机中由于炭刷不停地在换向器的巴片组上滑动，放电火花将连续地周期性发生。不停地在换向器的巴片组上滑动，放电火花将连续地周期性发生。 在这个过程中产生的放电火花在电磁波中为尖峰瞬变噪声，这在这个过程中产生的放电火花在电磁波中为尖峰瞬变噪声，这些噪声会延着电机机壳，导线向周围空间进行辐射。些噪声会延着电机机壳，导线向周围空间进行辐射。 从电磁兼容的角度来看脉冲的频谱
21、带太宽是我们不希望的，因从电磁兼容的角度来看脉冲的频谱带太宽是我们不希望的，因为高频成分比低频成分是更容易通过辐射或偶合途径传播的，这样为高频成分比低频成分是更容易通过辐射或偶合途径传播的，这样的话非常容易对其他设备产生影响（注：随着目前电动工具的智能的话非常容易对其他设备产生影响（注：随着目前电动工具的智能化，放电火花会对电动工具里的电子线路产生影响，从而影响工具化，放电火花会对电动工具里的电子线路产生影响，从而影响工具使用）。使用）。整流子片EMI和炭刷的关系和炭刷的关系n 炭刷的材质炭刷的材质炭刷的材质应该与电机的类型相匹配。一般而言，电阻率大的炭刷的材质应该与电机的类型相匹配。一般而言
22、，电阻率大的n 炭刷的换向性能好，火花小，炭刷的换向性能好，火花小，EMI性能好；性能好；n 炭刷的压制方式炭刷的压制方式相对而言，平压制品的片间阻抗大，对压制换向火花有相对而言，平压制品的片间阻抗大，对压制换向火花有n 益，益，EMI性能好；性能好；n 炭刷同换向器的接触面的粗糙程度炭刷同换向器的接触面的粗糙程度如果过于粗糙，炭刷与换向器的接触会如果过于粗糙，炭刷与换向器的接触会n 不稳定，增大机械磨损；相反，如果过于细腻的话，换向器的表面也不容不稳定，增大机械磨损；相反，如果过于细腻的话，换向器的表面也不容n 易形成皮膜，易形成皮膜，EMI也会不好；也会不好；n 炭刷同换向器巴片的覆盖程度
23、炭刷同换向器巴片的覆盖程度炭刷同巴片的宽度比例也会对炭刷同巴片的宽度比例也会对EMI性能产生性能产生n 影响。经验上讲，电动工具用炭刷的覆盖范围在影响。经验上讲，电动工具用炭刷的覆盖范围在1.31.7巴片之间；巴片之间；n 炭刷的硬度炭刷的硬度相对而言，炭刷的硬度越小，炭刷同整流子的接触性能越好，相对而言，炭刷的硬度越小，炭刷同整流子的接触性能越好，n 炭刷的跟随性越好，炭刷的跟随性越好，EMI性能越好；性能越好；n 炭刷的弹性模量炭刷的弹性模量一般认为，弹性模量小的炭刷换向性能好，整个换向系统一般认为，弹性模量小的炭刷换向性能好，整个换向系统n 的运行也比较平稳，炭刷在运行过程中的弹跳能力也
24、小，换向性能好。的运行也比较平稳，炭刷在运行过程中的弹跳能力也小，换向性能好。n浸渍处理浸渍处理:n 通常情况下我们可以通过对炭刷进行浸渍的方式来改善通常情况下我们可以通过对炭刷进行浸渍的方式来改善EMI性能；性能；但是，含浸受到基础材料的开口方式的影响会产生很大的偏差，同时，但是，含浸受到基础材料的开口方式的影响会产生很大的偏差，同时，浸渍油在实际使用过程中会有挥发的情况，会对实际使用过程产生影响。浸渍油在实际使用过程中会有挥发的情况，会对实际使用过程产生影响。n双层炭刷：双层炭刷：n .炭刷中间加入绝缘的粘结胶带，可以提高炭刷的换向性能（如炭刷中间加入绝缘的粘结胶带，可以提高炭刷的换向性能
25、（如三明治式炭刷）；三明治式炭刷）；n .炭刷是由两部分组成，其中初期的接触部分使用天然石墨等光滑炭刷是由两部分组成，其中初期的接触部分使用天然石墨等光滑的材料，剩余部分使用其他材质。现实意义不大。的材料，剩余部分使用其他材质。现实意义不大。n EMI和炭刷后处理的关系和炭刷后处理的关系n弹簧压力弹簧压力提高炭刷弹簧的压力，会改善炭刷同换向器的接触状况，提高炭刷弹簧的压力，会改善炭刷同换向器的接触状况，EMI性能得到一定改善，但是同时机械磨损会增加，会影响炭刷的使用寿性能得到一定改善，但是同时机械磨损会增加，会影响炭刷的使用寿命。命。n炭刷刷架炭刷刷架刷架的头部与换向器的安装距离要适当。太近的
26、话会从刷架刷架的头部与换向器的安装距离要适当。太近的话会从刷架那里通过电流；同时，刷架的材质方面：虽然金属材质的材料尺寸方面比那里通过电流；同时，刷架的材质方面：虽然金属材质的材料尺寸方面比较准确但是比较容易吸收电机在运行时产生的热量，温度容易提高。较准确但是比较容易吸收电机在运行时产生的热量，温度容易提高。n 转子的轴承转子的轴承转子的轴承的滑动性必须很好才行，否则会影响整个系统转子的轴承的滑动性必须很好才行，否则会影响整个系统的换向及炭刷的寿命。的换向及炭刷的寿命。EMI和其他零部件的关系和其他零部件的关系n磁场线圈：磁场线圈：n 在定子上，如果磁场线圈的绕线从定子的槽角处露出来的话，磁在
27、定子上，如果磁场线圈的绕线从定子的槽角处露出来的话，磁力线就会混乱，会对力线就会混乱，会对EMI产生非常恶劣的影响。产生非常恶劣的影响。n 定子的分割中心：定子的分割中心：n 有的电机在制造定子时为了提高工作效率，将定子分成两半，每有的电机在制造定子时为了提高工作效率，将定子分成两半，每半边绕好线圈后再焊接到一起。在这种情况下，如果压板无法绝缘的话，半边绕好线圈后再焊接到一起。在这种情况下，如果压板无法绝缘的话，共同焊接部分的磁力线就会混乱，也会对整流和共同焊接部分的磁力线就会混乱，也会对整流和EMI特性产生恶劣的影特性产生恶劣的影响。响。n n EMI和电机结构的关系和电机结构的关系n 由于
28、换向产生的放电火花属于高频电磁波，所以炭由于换向产生的放电火花属于高频电磁波，所以炭n刷主要影响刷主要影响EMI性能中的功率项目，对电压项目的影响相性能中的功率项目，对电压项目的影响相n对较小。对较小。n 炭刷作为整个电机中很小的一个零件，其对炭刷作为整个电机中很小的一个零件，其对EMI性能性能n的影响是相当小的。电机的设计理念及制造工艺才对的影响是相当小的。电机的设计理念及制造工艺才对EMIn性能起决定性的作用。当存在性能起决定性的作用。当存在EMI要求时，我们不能也不要求时，我们不能也不n可能完全寄希望于炭刷来解决所有的可能完全寄希望于炭刷来解决所有的EMI问题。问题。结结 论论材 料密
29、度肖氏硬度电阻率抗折强度(g/cm3)(m)(MPa)105S1.553639024BX-3881.623590020RB-791.643439023T-1031.603440019T-2011.594065025T-2021.553785023T-3011.5439120022电动工具电机用主要炭刷材料物理参数一览表电动工具电机用主要炭刷材料物理参数一览表n石材切割机石材切割机：n电机参数：AC220v 1200w 12000rpm n试验方式：NL(5s) - 960w(20s) - NL(5s) - 1200w(10s) - OFF(15s)n碳刷尺寸：5*11*15 mm 电动工具试验
30、结果电动工具试验结果炭刷寿命实验炭刷寿命实验n电圆锯电圆锯：n电机参数：AC120v 1800w 4500rpm(输出) n试验方式：NL(20s) 16A(8s) - NL(20s) - OFF(112s)n碳刷尺寸：6.35*9.5*13 mm 电动工具试验结果电动工具试验结果炭刷寿命实验炭刷寿命实验n角向磨光机角向磨光机：n电机参数：AC230v 710w 9000rpm n试验方式：NL(5s) - 4A(20s) - OFF(5s)n碳刷尺寸：6*9*12 mm 电动工具试验结果电动工具试验结果炭刷寿命实验炭刷寿命实验n冲击钻冲击钻：n电机参数：AC240v 750w n0=600r
31、pm n试验方式：NL(8s) - 3.8A(4s) - OFF(5s)n碳刷尺寸：6*9*11.5 mm 电动工具试验结果电动工具试验结果炭刷寿命实验炭刷寿命实验n角向磨光机角向磨光机：n n n 电动工具试验结果电动工具试验结果EMI（材料对比）（材料对比）n角向磨光机角向磨光机：n n n 电动工具试验结果电动工具试验结果EMI（材料对比）（材料对比）n冲击钻冲击钻：正转：正转n n n 电动工具试验结果电动工具试验结果EMI（材料对比）（材料对比）n冲击钻冲击钻：正转：正转n n n 电动工具试验结果电动工具试验结果EMI（材料对比）（材料对比）n冲击钻冲击钻：反转：反转n n n 电动工具试验结果电动工具试验结果EMI（材料对比）（材料对比）n冲击钻冲击钻：反转：反转n n n 电动工具试验结果电动工具试验结果EMI（材料对比）（材料对比）
