直流微電機電刷與換向器早期接觸失效的常見原因

楊賢軍,王 勇,徐永紅,章 應,劉安利,何 毅,王昌全

(1.重慶川儀自動化股份有限公司金屬功能材料分公司，重慶 400702 2.重慶大學，重慶 400045)

0 引 言

隨著信息化和自動化的不斷發(fā)展，直流微電機在智能終端、儀器儀表、家用電器、汽車等領(lǐng)域的用量持續(xù)增長。據(jù)統(tǒng)計，至2012年，全球的微電機年產(chǎn)量已超過1.6億臺，中國的年產(chǎn)量約1.1億臺，占全球市場份額的70%[1]。由于微電機的市場需求巨大，而我國在世界上占據(jù)了主導地位，所以其相關(guān)研究也得到了廣泛的重視。

電刷和換向器是直流有刷微電機的核心元件，起著導流和換向、保證電機正常運行的作用，對電機的性能和使用壽命具有至關(guān)重要的影響。近年來，有關(guān)科技人員在高性能材料的研發(fā)方面開展了大量工作，取得了顯著進展[2-8]。尤其是含稀土的銀合金成功應用于換向器的制作以后，改變了換向器的磨損機制，提高了耐磨性，使得電機使用壽命顯著提高[9-10]。而在實際使用過程中，電機早期失效現(xiàn)象仍然時有發(fā)生，并且通常表現(xiàn)為電刷和換向器的接觸失效，其原因極易被簡單歸結(jié)為材質(zhì)不良，但材料及其性能的控制在電機設計和試制環(huán)節(jié)就已經(jīng)確定下來，機型量產(chǎn)后出現(xiàn)的異常失效往往是分散的個案，實際分析表明這類失效通常與材質(zhì)無關(guān)。為此，本文根據(jù)大量的失效案例，總結(jié)了幾種典型的電刷和換向器早期接觸失效原因，期望對改善電機質(zhì)量、降低不良率有所幫助。

1 直流微電機的早期失效

直流微電機最受重視的早期失效現(xiàn)象是發(fā)生在設計壽命以前的死機或者掉速，因為這種現(xiàn)象會直接造成其驅(qū)動設備失去應有的功能，如剃須刀、理發(fā)剪無法正常使用等。微電機的運行動力來自電流，而電流的傳遞需要通過電刷與換向器的良好接觸來完成，所以早期死機往往由電刷和換向器的接觸失效所引起。

目前，直流微電機的電刷和換向器大多使用貴廉金屬層狀復合材料制成，正常情況下，工作過程中是貴金屬之間或者貴金屬與銅合金之間接觸導電，從而保證電流的有效傳遞。但是，如果材料受到外界因素的損失，則會顯著增大接觸電阻，進而造成電刷和換向器的接觸失效。盡管這類失效并非材料自身特性所致，但損傷卻必然在材料上留下痕跡，所以對電刷和換向器的分析乃是揭示失效原因的關(guān)鍵方法。

雖然早期失效事件是分散而孤立的，但通過對大量個案的統(tǒng)計歸納，仍然可以發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在的規(guī)律。大量失效案例分析表明，電刷和換向器早期接觸失效的主要原因有三種：電弧侵蝕、機械磨損和環(huán)境污染，其中第一種情況大致占80%，后面兩者發(fā)生比例基本相同。以下分別對這幾種失效原因詳加討論。

2 嚴重的電弧侵蝕

電弧是電接觸過程中的常見現(xiàn)象，其溫度很高，會導致材料熔化，是載流摩擦中電接觸材料損傷的主要原因之一[11]。對于直流微電機而言，在電流換向的瞬間，必然發(fā)生電刷與換向器的分離，此時的離線電弧難以避免，如果不能有效地控制燃弧時間，就會導致電刷和換向器發(fā)生高溫熔化、飛濺而流失，即使沒有熔化，材料也會因軟化而加速磨損，縮短使用壽命，嚴重時還會引起電刷早期斷裂、與換向器失去有效接觸，最終導致電機死機。

圖1顯示了一個電弧侵蝕造成電刷斷裂的實例。該電機使用的是四爪電刷，由圖1(a)可見，電刷工作區(qū)均有顯著的電弧損傷特征；其中一爪已經(jīng)斷裂，另有一爪的工作區(qū)出現(xiàn)了裂紋，并且邊緣產(chǎn)生缺口。圖1(b)是缺口的放大形貌，可以觀察到缺口附近表面出現(xiàn)金屬熔滴、凹坑、流動、飛濺等形貌，這是電弧侵蝕的典型特征[12]，缺口旁還有孔洞，這是電弧高溫下材料熔化流失的結(jié)果。

(a) 電刷極片中有一爪斷裂，四爪工作區(qū)均有電弧侵蝕特征

(b) 未斷爪工作區(qū)邊緣的缺口周圍顯示嚴重電弧侵蝕特征

圖1電弧對電刷的侵蝕現(xiàn)象

電刷斷裂后，與換向器的接觸由工作區(qū)面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槎瞬烤€接觸，穩(wěn)定性顯著下降，往往引起非換向期也產(chǎn)生電弧，以至于換向器工作區(qū)的整個圓周表面均出現(xiàn)電弧侵蝕特征，如圖2所示。另外，盡管使用了稀土銀合金來制作換向器，但電弧過大時，還是會將磨屑熔焊在換向溝槽中造成短路，如圖3所示。

圖2換向器工作區(qū)遠離換向溝槽的表面

受非換向期電弧侵蝕形貌

圖3磨屑被電弧熔焊在換向溝槽中造成短路

電弧是電接觸過程中的常見現(xiàn)象，也是造成電接觸材料損傷的最重要因素[13]，其成因和控制一直得到廣泛重視。在直流微電機工作過程中，換向期電弧是難以避免的，設計時采用壓敏電阻來控制電弧強度和燃弧時間，但如果壓敏電阻參數(shù)選擇不當，就無法產(chǎn)生應有的效果。另外，換向器的真圓度不良、段差過大，以及電刷的安裝尺寸、阻尼條性能等也對電弧有明顯影響。因此，必須從設計、加工和裝配等各個環(huán)節(jié)進行嚴格控制，才能把電弧降低到最小程度，保證電機的使用壽命。

3 嚴重的機械磨損

電刷和換向器構(gòu)成一對摩擦副，二者相對滑動，必然產(chǎn)生機械磨損，這對材料的損傷也是不容忽視的。在電流作用下，焦耳熱會促進材料升溫和軟化，從而加速機械磨損。在某些情況下，機械磨損甚至可能成為電機早期失效的主要原因。

實際應用中，為了保證電刷和換向器的良好接觸，通常將電刷設計成多爪，這樣即使在接觸面不完全平行的情況下，仍然能得到較大的接觸面積。但是如果裝配質(zhì)量不良，電刷和換向器的平行度太低，則會導致電刷各爪與換向器的接觸時間差異過大，接觸壓力和電流密度分配極不均勻，先接觸的區(qū)域承受較大的壓力和電流而快速磨損，在后接觸區(qū)域尚未充分發(fā)揮作用的情況下，電機就可能失效。

圖4顯示了這樣一種現(xiàn)象，該電機的電刷為四爪，磨損情況顯示這四爪與換向器的接觸先后差異很大。圖4(a)最上部爪最早與換向器接觸，工作時間最長，斷裂后剩余長度最短，與之對應的換向器工作區(qū)(圖4(b)最右側(cè)磨痕)磨損也最為嚴重；最下部爪參與接觸摩擦的時間最短，工作區(qū)磨損較少，相應的換向器工作區(qū)(圖4(b)最左側(cè)磨痕)磨損也很少。該電機雖然采用了四爪電刷，但并沒有充分發(fā)揮多爪的作用，最后一爪參與接觸導電不久，其余三爪就已經(jīng)斷裂而導致電機早期失效。

(a) 換向器上不同工作區(qū)的磨損程度差異很大

(b) 電刷上先接觸的爪發(fā)生斷裂

圖4電刷與換向器平行度過低引起的早期失效

4 外界污染的影響

電機的生產(chǎn)、裝配、儲存和使用等過程中，可能接觸到不同的環(huán)境介質(zhì)，其中一些會對電刷和換向器造成污染并影響二者的接觸性能，從而成為電機早期失效的原因。根據(jù)污染物的存在位置，可以將其分為兩大類：嵌入型污染，即嵌入到材料皮下的污染物；粘附型污染，即粘附在材料表面的污染物。

4.1 嵌入型污染

嵌入型污染物通常是在換向器的拋光過程中，從拋光帶上脫落的磨粒，在壓力作用下嵌入到換向器表面，并且在電機運行過程中，轉(zhuǎn)移嵌入電刷的工作區(qū)。

圖5和圖6分別為某早期失效電機的換向器和與之配對的電刷。由圖5可見，在換向器表面有大量嵌入的黑色顆粒，成分分析顯示，其為Al2O3；圖6則顯示在電刷工作區(qū)也有Al2O3顆粒嵌入。

圖7顯示了另一失效電機電刷的工作區(qū)表面出現(xiàn)了大量黑色顆粒，成分分析顯示，其中含有C，O，Si等雜質(zhì)元素，考慮到電機潤滑油中含有C，而且在無Si的部位也有C元素，因此判斷這些質(zhì)點為SiO2而非SiC。

圖5失效換向器表面的嵌入顆粒及成分

圖6與圖5換向器配對的電刷工作區(qū)嵌入顆粒成分分析

圖7失效電機的電刷工作區(qū)嵌入質(zhì)點及成分

以上兩臺電機使用的換向器材料均為AgCuNiRE/TU1，電刷為AgPd30/C7701。在材料的生產(chǎn)過程中是不可能引入這些硬質(zhì)化合物顆粒的，它們通常來自換向器拋光等過程中接觸的磨料。這些顆粒的硬度很高，嵌入換向器表面后對電刷會產(chǎn)生嚴重的切削，造成其快速磨損乃至斷裂；運行過程中一部分顆粒轉(zhuǎn)移嵌入到電刷工作區(qū)，又反過來加劇換向器的磨損；同時，這些顆粒的導電性很低，因而還增加了接觸電阻。萬永華等[14]分析發(fā)現(xiàn)，隨著接觸壓力的減小，對電接觸造成危害的硬顆粒臨界尺寸下降。微電機的電刷與換向器接觸壓力通常在數(shù)克范圍，因此，即使尺寸在微米級的拋光磨粒也會對二者的滑動接觸造成較大危害，應盡量避免。

4.2 粘附型污染

環(huán)境介質(zhì)在電接觸材料沉積污染是一個常見現(xiàn)象，而且污染物的電阻通常較金屬基體高，會增加接觸電阻[15]。在微電機的使用中，也時常發(fā)現(xiàn)粘附型污染造成電刷和換向器接觸不良而引起電機失效的情況。

電機裝配時，為了減少換向器和電刷的磨損，通常要對換向器進行表面涂油處理，而且電機中還有含油軸承。如果換向器表面涂油過量，或者運行過程中含油軸承的油漏到換向器表面，則會惡化電刷和換向器的接觸性能，增大接觸電阻，嚴重時造成電機早期失效。

圖8、圖9為配對的換向器和電刷，該電機存放一定時間后無法起動。由圖8、圖9可見，在換向器和電刷表面有明顯的粘附污染，而且污染物的形狀基本匹配，因此判斷由于這些污染物一方面增大了接觸電阻，另一方面其相互粘接，增大了運轉(zhuǎn)阻力，致使電機不能起動。成分分析顯示，其中含有大量C和O元素，說明其主要由油污組成；電刷和換向器材質(zhì)不同，電極電位存在差異，二者相互接觸就構(gòu)成了一對陰極和陽極，其間的油則成為電解質(zhì)，造成了電化學腐蝕的條件，又因為在存放過程中接觸位置長期不變，使得腐蝕反應產(chǎn)物(大量O的存在表明很可能出現(xiàn)了某種氧化物)在接觸區(qū)聚集，最終造成電刷和換向器粘連。

圖8換向器表面粘附污染物及成分

圖9與圖8換向器配對的電刷表面粘附污染物及成分

除了電機內(nèi)部使用的油，還有一些外部污染源也會對接觸材料造成不良影響。硫?qū)︺y合金的腐蝕是眾所周知的，在使用貴金屬材料時，通常都會注意避免含硫的環(huán)境。但其它如P，Cl等污染的危害也不容忽視。

圖10、圖11是某電機的換向器和電刷受P污染的現(xiàn)象。該電機的使用環(huán)境中使用了磷系阻燃劑，從而對材料造成了污染。在換向器上，污染物主要存在于端部和溝槽邊緣，這些位置都有Cu，基帶暴露出來；在電刷表面，則可以更清楚地看到污染物主要出現(xiàn)在基帶區(qū)域，貴金屬表面很少。結(jié)合成分分析結(jié)果可知，P主要是與廉金屬基帶發(fā)生反應，生成磷酸鹽，對電接觸性能造成不良影響。

圖10換向器表面含P污染及成分

圖11與圖10換向器配對的電刷表面含P污染及成分

鹵族元素Cl是一種腐蝕性很強的物質(zhì)，其對材料的腐蝕和污染也是造成電接觸可靠性下降的原因之一[16]。

圖12是某含金換向器的表面污染特征。宏觀可見，該換向器鐵心外圓表面粘附著大量松散易落的暗紅色粉末。在電鏡下進行微觀成分分析發(fā)現(xiàn)，換向器表面受到了Cl元素污染；而粘附的顆粒中還含有大量Fe元素，它們是鐵心與含Cl物質(zhì)的反應產(chǎn)物脫落粘附到換向器表面的。這些污染造成了電刷和換向器的早期接觸失效。

圖12含金換向器表面污染物形貌及成分

5 結(jié) 語

直流微電機性能不良和壽命降低通常集中體現(xiàn)為電刷和換向器的接觸性能下降，所以對電刷和換向器工作區(qū)域的觀察和分析是揭示電機失效原因的有效方法。

影響電刷和換向器接觸性能的原因是多方面的。在選材合理和材質(zhì)合格的前提下，還有很多因素也會對接觸性能造成影響，其大致可以分為兩類：一是電機設計和裝配因素，如電弧控制不當、機械磨損不均勻等；二是加工和環(huán)境因素，如換向器真圓度不良、電刷與換向器平行度低、外界污染等。電機生產(chǎn)廠家必須在這些方面予以足夠的重視，并進行有效的質(zhì)量管控，才能保證電機的性能和壽命。