直流電機(jī)電刷的主要失效機(jī)理。

      隨著智能家居的興起與發(fā)展，以自動(dòng)感知、智能控制、自動(dòng)執(zhí)行為特征的智能家電成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，而直流電機(jī)作為最重要的自動(dòng)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(jī)，長(zhǎng)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(jī)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(jī)失效模式

      直流電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)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(jī)常見失效模式魚骨圖

二、電刷失效機(jī)理分析

      直流電機(jī)運(yùn)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(chǎng)、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(duì)潤(rùn)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(jī)理。

      隨著電刷與換向器運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(jī)械摩擦之外，還由接觸電阻產(chǎn)生大量熱量，進(jìn)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(huì)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(chǎng)作用，電化學(xué)反應(yīng)速度更快，對(duì)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(jī)電刷腐蝕磨損速度遠(yuǎn)超單一機(jī)理下的磨損，并且該腐蝕磨損過程是一個(gè)惡性循環(huán)過程，電刷磨損速率越來越快，其耦合失效機(jī)理見圖3。

圖3 直流電機(jī)電刷失效機(jī)理示意圖

      有刷直流電機(jī)具有成本低、調(diào)速性能好、控制簡(jiǎn)單等幾乎一切優(yōu)點(diǎn)，唯一的缺點(diǎn)就是不耐用，壽命相較其他類型電機(jī)較短。主要原因是由于有刷直流電機(jī)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(jī)壽命與使用次數(shù)。

      為應(yīng)對(duì)上述情況，無刷直流電機(jī)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(jī)壽命提高十幾倍以上，與有刷直流電機(jī)一起，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)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(jī)電刷腐蝕的主要失效機(jī)理，也是決定有刷直流電機(jī)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(jī)，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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