直流電機電刷的主要失效機理。

      隨著智能家居的興起與發(fā)展，以自動感知、智能控制、自動執(zhí)行為特征的智能家電成為行業(yè)發(fā)展的趨勢，而直流電機作為最重要的自動控制執(zhí)行器之一，開始在智能家電和智能廚電中被廣泛使用。

圖1 智能廚電與未來廚房

      然而，廚電中使用的直流電機，長期工作在高溫、潮濕、多鹽等腐蝕性物質(zhì)的環(huán)境中，再加上其頻繁啟停，直流電機故障頻發(fā)，成為困擾智能家電生產(chǎn)廠商和用戶的一大難題。

一、直流電機失效模式

      直流電機結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由磁瓦、換向器、電刷、繞組、刷架、軸承等零部件組成，各零部件常見失效模式如圖2所示。

圖2 直流電機常見失效模式魚骨圖

二、電刷失效機理分析

      直流電機運轉(zhuǎn)過程中，電刷在電流通過下不斷摩擦磨損，是典型的載流摩擦磨損過程。由于電場、電流及電弧等電因素介入到摩擦系統(tǒng)中，再加上濕熱、鹽霧對潤滑、腐蝕等因素的耦合，電刷的腐蝕磨損存在粘著磨損、磨粒磨損、氧化磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、電弧燒蝕等多種不同機理。

      隨著電刷與換向器運動摩擦，摩擦副表面材料溫度升高，材料微觀區(qū)域表面發(fā)生塑性變形，摩擦阻力增大，進而產(chǎn)生粘著磨損，并伴有磨粒磨損。電刷與換向器之間有電流通過，其接觸表面除機械摩擦之外，還由接觸電阻產(chǎn)生大量熱量，進一步加劇了電刷的粘著磨損。再加上電刷在脫離換向器瞬間會產(chǎn)生電弧，電弧侵蝕造成電刷材料的融化、氣化和噴濺，既造成材料的直接消耗，又使得電刷換向器之間接觸電阻增大，生成更多熱量。

      而在鹽霧和濕熱環(huán)境條件下，鹽溶液粘附在電刷表面、形成電解質(zhì)液膜，電刷材料為金屬銅合金，非?；顫?，生成電化學(xué)反應(yīng)，腐蝕效果明顯。再加上換向器和電刷之間的電場作用，電化學(xué)反應(yīng)速度更快，對電刷的腐蝕磨損作用更大。

      由于載流摩擦磨損和電化學(xué)腐蝕的耦合作用，鹽霧+潮熱環(huán)境條件下的直流電機電刷腐蝕磨損速度遠(yuǎn)超單一機理下的磨損，并且該腐蝕磨損過程是一個惡性循環(huán)過程，電刷磨損速率越來越快，其耦合失效機理見圖3。

圖3 直流電機電刷失效機理示意圖

      有刷直流電機具有成本低、調(diào)速性能好、控制簡單等幾乎一切優(yōu)點，唯一的缺點就是不耐用，壽命相較其他類型電機較短。主要原因是由于有刷直流電機的電刷與換向器在換向過程中不可避免發(fā)生劇烈腐蝕磨損，從而限制直流電機壽命與使用次數(shù)。

      為應(yīng)對上述情況，無刷直流電機得到快速發(fā)展，通過電路控制取代電刷換向，可有效地將直流電機壽命提高十幾倍以上，與有刷直流電機一起，廣泛應(yīng)用于自動控制、儀器儀表、醫(yī)療器械、家電、武器裝備等各領(lǐng)域。

三、小結(jié)

      載流摩擦磨損是直流電機電刷腐蝕的主要失效機理，也是決定有刷直流電機使用壽命的最主要因素。而工作在鹽霧等惡劣環(huán)境下的有刷直流電機，載流摩擦磨損和電化學(xué)腐蝕耦合作用，其使用壽命更是大大縮減。

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