直流电机电刷的主要失效机理。

      随着智能家居的兴起与发展，以自动感知、智能控制、自动执行为特征的智能家电成为行业发展的趋势，而直流电机作为最重要的自动控制执行器之一，开始在智能家电和智能厨电中被广泛使用。

图1 智能厨电与未来厨房

      然而，厨电中使用的直流电机，长期工作在高温、潮湿、多盐等腐蚀性物质的环境中，再加上其频繁启停，直流电机故障频发，成为困扰智能家电生产厂商和用户的一大难题。

一、直流电机失效模式

      直流电机结构相对简单，主要由磁瓦、换向器、电刷、绕组、刷架、轴承等零部件组成，各零部件常见失效模式如图2所示。

图2 直流电机常见失效模式鱼骨图

二、电刷失效机理分析

      直流电机运转过程中，电刷在电流通过下不断摩擦磨损，是典型的载流摩擦磨损过程。由于电场、电流及电弧等电因素介入到摩擦系统中，再加上湿热、盐雾对润滑、腐蚀等因素的耦合，电刷的腐蚀磨损存在粘着磨损、磨粒磨损、氧化磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、电弧烧蚀等多种不同机理。

      随着电刷与换向器运动摩擦，摩擦副表面材料温度升高，材料微观区域表面发生塑性变形，摩擦阻力增大，进而产生粘着磨损，并伴有磨粒磨损。电刷与换向器之间有电流通过，其接触表面除机械摩擦之外，还由接触电阻产生大量热量，进一步加剧了电刷的粘着磨损。再加上电刷在脱离换向器瞬间会产生电弧，电弧侵蚀造成电刷材料的融化、气化和喷溅，既造成材料的直接消耗，又使得电刷换向器之间接触电阻增大，生成更多热量。

      而在盐雾和湿热环境条件下，盐溶液粘附在电刷表面、形成电解质液膜，电刷材料为金属铜合金，非常活泼，生成电化学反应，腐蚀效果明显。再加上换向器和电刷之间的电场作用，电化学反应速度更快，对电刷的腐蚀磨损作用更大。

      由于载流摩擦磨损和电化学腐蚀的耦合作用，盐雾+潮热环境条件下的直流电机电刷腐蚀磨损速度远超单一机理下的磨损，并且该腐蚀磨损过程是一个恶性循环过程，电刷磨损速率越来越快，其耦合失效机理见图3。

图3 直流电机电刷失效机理示意图

      有刷直流电机具有成本低、调速性能好、控制简单等几乎一切优点，唯一的缺点就是不耐用，寿命相较其他类型电机较短。主要原因是由于有刷直流电机的电刷与换向器在换向过程中不可避免发生剧烈腐蚀磨损，从而限制直流电机寿命与使用次数。

      为应对上述情况，无刷直流电机得到快速发展，通过电路控制取代电刷换向，可有效地将直流电机寿命提高十几倍以上，与有刷直流电机一起，广泛应用于自动控制、仪器仪表、医疗器械、家电、武器装备等各领域。

三、小结

      载流摩擦磨损是直流电机电刷腐蚀的主要失效机理，也是决定有刷直流电机使用寿命的最主要因素。而工作在盐雾等恶劣环境下的有刷直流电机，载流摩擦磨损和电化学腐蚀耦合作用，其使用寿命更是大大缩减。

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