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展，直流微電機在智能終端、儀器儀表、家用電器、汽車等領域的用量持續增長。據統計，至2012年，全球的微電機年產量已超過1.6億臺，中國的年產量約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了主導地位，所以其相關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重要的影響。近年來，有關科技人員在高性能材料的研發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，電機早期失效現象仍然時有發生，并且通常表現為電刷和換向器的接觸失效，其原因極易被簡單歸結為材質不良，但材料及其性能的控制在電機設計和試制環節就已經確定下來，機型量產后出現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無關。為此，本文根據大量的失效案例，總結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象是發生在設計壽命以前的死機或者掉速，因為這種現象會直接造成其驅動設備失去應有的功能，如剃須刀、理發剪無法正常使用等。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計歸納，仍然可以發現其內在的規律。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、機械磨損和環境污染，其中第一種情況大致占80%，后面兩者發生比例基本相同。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，電刷工作區均有顯著的電弧損傷特征；其中一爪已經斷裂，另有一爪的工作區出現了裂紋，并且邊緣產生缺口。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果。

(a) 電刷極片中有一爪斷裂，四爪工作區均有電弧侵蝕特征

(b) 未斷爪工作區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象

電刷斷裂后，與換向器的接觸由工作區面接觸轉變為端部線接觸，穩定性顯著下降，往往引起非換向期也產生電弧，以至于換向器工作區的整個圓周表面均出現電弧侵蝕特征，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選擇不當，就無法產生應有的效果。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節進行嚴格控制，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

電刷和換向器構成一對摩擦副，二者相對滑動，必然產生機械磨損，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，先接觸的區域承受較大的壓力和電流而快速磨損，在后接觸區域尚未充分發揮作用的情況下，電機就可能失效。

圖4顯示了這樣一種現象，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(圖4(b)最右側磨痕)磨損也最為嚴重；最下部爪參與接觸摩擦的時間最短，工作區磨損較少，相應的換向器工作區(圖4(b)最左側磨痕)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，其余三爪就已經斷裂而導致電機早期失效。

(a) 換向器上不同工作區的磨損程度差異很大

(b) 電刷上先接觸的爪發生斷裂

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、裝配、儲存和使用等過程中，可能接觸到不同的環境介質，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，轉移嵌入電刷的工作區。

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也有Al2O3顆粒嵌入。

圖7顯示了另一失效電機電刷的工作區表面出現了大量黑色顆粒，成分分析顯示，其中含有C，O，Si等雜質元素，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嵌入顆粒成分分析

圖7失效電機的電刷工作區嵌入質點及成分

以上兩臺電機使用的換向器材料均為AgCuNiRE/TU1，電刷為AgPd30/C7701。在材料的生產過程中是不可能引入這些硬質化合物顆粒的，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移嵌入到電刷工作區，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]分析發現，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

環境介質在電接觸材料沉積污染是一個常見現象，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，也時常發現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；電刷和換向器材質不同，電極電位存在差異，二者相互接觸就構成了一對陰極和陽極，其間的油則成為電解質，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，使得腐蝕反應產物(大量O的存在表明很可能出現了某種氧化物)在接觸區聚集，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。硫對銀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污染的現象。該電機的使用環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在基帶區域，貴金屬表面很少。結合成分分析結果可知，P主要是與廉金屬基帶發生反應，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，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現，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物質的反應產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 語

直流微電機性能不良和壽命降低通常集中體現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。電機生產廠家必須在這些方面予以足夠的重視，并進行有效的質量管控，才能保證電機的性能和壽命。