直流電機電刷的主要失效機理。

      隨著(zhù)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(dòng)控制執行器之一，開(kāi)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(lái)廚房

      然而，廚電中使用的直流電機，長(cháng)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(chǎng)商和用戶(hù)的一大難題。

一、直流電機失效模式

      直流電機結構相對簡(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(jiàn)失效模式如圖2所示。

圖2 直流電機常見(jiàn)失效模式魚(yú)骨圖

二、電刷失效機理分析

      直流電機運轉過(guò)程中，電刷在電流通過(guò)下不斷摩擦磨損，是典型的載流摩擦磨損過(guò)程。由于電場(chǎng)、電流及電弧等電因素介入到摩擦系統中，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(zhù)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(zhù)電刷與換向器運動(dòng)摩擦，摩擦副表面材料溫度升高，材料微觀(guān)區域表面發(fā)生塑性變形，摩擦阻力增大，進(jìn)而產(chǎn)生粘著(zhù)磨損，并伴有磨粒磨損。電刷與換向器之間有電流通過(guò)，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(jìn)一步加劇了電刷的粘著(zhù)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，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超單一機理下的磨損，并且該腐蝕磨損過(guò)程是一個(gè)惡性循環(huán)過(guò)程，電刷磨損速率越來(lái)越快，其耦合失效機理見(jiàn)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(lèi)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(guò)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。

      為應對上述情況，無(wú)刷直流電機得到快速發(fā)展，通過(guò)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，廣泛應用于自動(dòng)控制、儀器儀表、醫療器械、家電、武器裝備等各領(lǐng)域。

三、小結

      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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