北京永光高特微電機有限公司
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濕熱鹽霧環境下直流電機的可靠性研究

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文章附圖

摘要:本文針對工作在高溫、高濕、多腐仙性物質環境下的智能家居廚電產品用直流電機,對其進行了鹽芽+湖熱加速試驗以評價其可靠件,并對試驗數據的統計分析,發現該直流電機的壽命分布服從指數分布模型。重點研究了直流電機電刷的載流摩擦磨損與電化學腐蝕揭合機理,電刷在鹽霧+潮熱環境下的竊蝕磨損成為電機失效的主要機理。

加速試驗方法
1.1加速試驗方 案制定
-般地,加速試驗方案的制定流程如圖1所示。


(1)確定加速應力類型。由于直流電機的應用范圍非常廣泛,因此其工況條件也多為較惡劣的環境。加速應力類型除與實際工況相符之外,還應當考慮電機的薄弱環節和常見失效機理。本文所討論的廚電用直流電機,其加速應力除常用的濕熱條件之外,還增加鹽霧環境條件。

(2)確定壽命分布模型。確定電機的壽命分布模型是進行加速試驗的基礎,由于電機的失效機理種類(包括絕緣失效、軸承磨損等)較多,因此其壽命分布模型也有多種,包括威布爾分布16.7]、指數分布1891和對數正態分布等。

(3)確定試驗類型。該試驗類型主要指加速應力施加方式,包括恒定應力、步進應力、序進應力等方式,本文采用恒定應力試驗方式。

(4)確定試驗應力水平。在確定試驗應力水平時應當遵守以下幾點原則:在保證加速效果的前提下,應力的選擇盡可能貼近實際工況條件;在不改變失效模式和失效機理情況下試驗應力應盡可能大。

(5)確定樣品數量和狀態。試驗樣品應是接收合格的產品,并且按照GB/T 2828. 1 - 2003標準從批次性產品中隨機抽取;樣品數量不應少于5臺。
(6)確定測試參數和失效判據。試驗過程中,應對能反應電機性能的參數進行測試監控,并設定相應的失效判據。
(7)確定試驗終止條件。一般的,加速試驗按樣品的失效可以分為完全壽命試驗、定時截尾試驗和定數截尾試驗,本文采用定時結尾試驗時間。

(8)試驗數據和分析。對試驗過程中的數據記錄并對數據處理分析。

1.2加速試驗實施
本文的主要目的是研究直流電機在濕熱鹽霧環境下的可靠性問題,因此加速試驗的應力類型為鹽霧+濕熱。但是鹽霧試驗箱的溫度只能升高至65C,該溫度對于長期工作在廚房環境中的直流電機來說偏低,本文采用的方法是先對直流電機進行48h的鹽霧試驗,然后再將經歷過鹽霧試驗的試驗樣品進行85C +85% RH的潮熱試驗。盡管樣品的潮熱試驗環境中沒有鹽霧,但是先前的鹽霧試驗已經將氯化鈉等鹽類沉積在樣品表面、部分已經滲透至樣品內部,在潮熱試驗中可再次生成鹽溶液,腐蝕樣品。此實驗方法的好處是既可以對樣品施加鹽霧應力、保證失效機理不變,又可以使試驗保持在較高環境溫度,加速效果明顯。-
在進行鹽霧+潮熱試驗的同時,本文還設計了一組潮熱試驗作為對比試驗,以驗證鹽霧+潮熱耦合作用的加速效果。
兩組加速試驗條件如表1和表2所示。其中,潮熱試驗采用85C +85% RH條件既基于本文工作組長期的工作經驗積累,又考慮了廚電用直流電機的工作環境。樣品在兩組潮熱試驗過程中均帶電工作,模擬真實工作環境,正轉5s+反轉5s+停轉50s為一一個周期。

本文采用的是定時截尾加速試驗方法,基于廚電整機產品和該直流電機的最低壽命要求設計了試驗時間??紤]到鹽霧+潮熱試驗的加速效果優于潮熱試驗,因此潮熱試驗時間設定較長

2試驗結果與討論

2.1加速試驗數據

兩組加速試驗結果如表3和表4所示。其中鹽霧+潮熱試驗在984h定時截尾試驗中出現2個失效樣品,潮熱試驗在1848h定時截尾試驗中出現1個失效樣品。

2.2直流電機壽 命指數分布檢驗  

對于指數分布類型的判斷,國際電工委員會制   鹽定的設備可能性試驗標準ECCS -6推薦使用制   度時間,因此其檢驗函數為家方法本文的兩組加速試驗均為確定總果積試裝Q =-2In(   T(ti)T*"2)~xX(2r)   (1)

(1)對于鹽霧+潮熱試驗,n=11,,=2, T:=9744,

      T(216) =30 x216 = 6480

      T(672) =216 +29 x672 = 19704那么按式(1)計算,

      Q1= -2x(In 6480 + ln 19704 -2 xIn 9744) =-0.5926。

      假定a=0.05,查表得X.9s(4)=5.99, 因此Q1≤xX0.9s(4), 因此可認為服從指數分布類型。

      (2)對于潮熱試驗,n2=5, r2=1, T2 =8952,則T( 1560) =5 x 1560 =7800,那么按式(1)計算,

      Q2= -2x(In 1560 - In 7800)=3.22。假定a=0.05,查表得X09(2)=3.84,因此Q2≤Xas(4),因此可認為服從指數分布類型。3電刷腐蝕磨 損機理研究

      直流電機運轉過程中,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、再加上濕電流及電弧等電因素介人到摩擦系統中,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10-1
隨著電刷與換向器運動摩擦,摩擦副表面材料溫度升高,材料微觀區域表面發生塑性變形,摩擦阻力增大,進而產生粘著磨損,并伴有磨粒磨損。電刷與換向器之間有電流通過,其接觸表面除機械摩擦之外,還由接觸電阻產生大量熱量,進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產生電弧,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。
而在鹽霧和濕熱環境條件下,鹽溶液粘附在電刷表面、形成電解質液膜,電刷材料為金屬銅合金非?;顫?,生成電化學反應,腐蝕效果明顯。再加上換向器和電刷之間的電場作用,電化學反應速度更快,對電刷的腐蝕磨損作用更大。
由于載流摩擦磨損和電化學腐蝕的耦合作用鹽霧+潮熱環境條件下的直流電機電刷腐蝕磨損度遠超單一機理下的磨損,并且該腐蝕磨損過程_個惡性循環過程,電刷磨損速率越來越快,其合失效機理如圖3所示。鹽霧+潮熱加速試驗后品和失效樣品電刷如圖4所示。






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