【汽車電機(jī)失效分析】什么！汽車電機(jī)冒煙了，我只想吹個空調(diào)

隨我國汽車普及與保有量的增加，以及汽車向電器化、自動化、智能化的發(fā)展，汽車非交通引發(fā)的事故發(fā)生量呈持續(xù)上升趨勢。汽車火災(zāi)除外來火源導(dǎo)致外，其中最主要是汽車電氣系統(tǒng)原因所導(dǎo)致，占事故相當(dāng)大的比例。

背景介紹

某重汽卡車行駛4000公里，開啟空調(diào)散熱器風(fēng)扇一段時間后，電機(jī)部位出現(xiàn)濃煙，拆解后發(fā)現(xiàn)電機(jī)燒毀。本文主要通過金相法以及宏微觀形貌分析法等多種手段與方法，確認(rèn)電機(jī)銅線燒毀模式，并找到引起燒毀主要原因，最后利用模擬手段對燒毀現(xiàn)象進(jìn)行復(fù)現(xiàn)以找到電機(jī)失效的根本原因，為消防火災(zāi)鑒定以及保險理賠提供科學(xué)依據(jù)分析。

（圖源于網(wǎng)絡(luò)）

檢驗與結(jié)果

1 檢驗與結(jié)果

將電機(jī)轉(zhuǎn)子從殼體拆解下發(fā)現(xiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子與板上導(dǎo)線均發(fā)生燒損，燒損發(fā)黑面積幾乎覆蓋殼體內(nèi)部全部表面以及零件。定子底部電刷所在板接入線外部包裹的絕緣塑料已呈硬脆多孔的碳化狀態(tài)。轉(zhuǎn)子鐵芯外包裹的原黑色塑料卡箍已完全被燒毀，銅繞線的外漆已呈脆化發(fā)黑狀態(tài)，易脫落。在轉(zhuǎn)子最外層繞線上發(fā)現(xiàn)一根外露斷裂的銅導(dǎo)線（下文簡稱銅線A），其端部尖銳，疑似損傷。

2 低倍形貌

轉(zhuǎn)子銅繞線內(nèi)部發(fā)現(xiàn)兩處不同匝線圈斷裂現(xiàn)象，斷裂處線匝附近未見其它線匝異常,記其中一斷裂銅導(dǎo)線為B。

圖1 為銅線燒毀低倍圖，斷裂銅線A一端斷口尖銳且被硬脆的碳化物質(zhì)包裹，不易脫落，與鐵芯處的燒熔的黑色塑料卡箍形貌基本一致。清洗后發(fā)現(xiàn)銅線尖銳端在呈扁平狀，疑似被擠壓。另一端位于銅繞線組內(nèi)，其端部呈熔球狀，且附近可見一較大孔洞以及大量氣孔。斷裂銅線B一端存在熔珠，熔珠表面可見數(shù)量較少的細(xì)小孔洞。燒損未斷銅線C超聲清洗后可見局部存在燒熔點坑，光澤度較強(qiáng)。

圖1 銅線燒毀低倍圖

3 銅線微觀形貌

圖2為熔痕SEM形貌，斷裂銅線A尖銳端斷口附近可見明顯劃傷痕跡，在遠(yuǎn)離斷口位置局部可見裂紋分布。另一端可見呈拋物線型卵型花樣，附近存在較大的內(nèi)壁光滑氣孔，以及不均勻孔洞。斷裂銅線B端部可見短路熔珠，熔珠表面可見較小氣孔。燒損未斷銅線C局部可見裂紋分布。

圖2 熔痕SEM形貌

4 金相組織

圖3為銅導(dǎo)線金相組織圖，斷裂銅線A斷口尖端位置可見胞狀晶，氣孔較少，晶界粗大，熔痕與導(dǎo)線的過渡區(qū)界限明顯。斷裂銅線B端部氣孔小且較少，熔痕與導(dǎo)線的過渡區(qū)界限不明顯。附近熔珠內(nèi)可見多處較大的規(guī)則氣孔，熔痕與導(dǎo)線的過渡區(qū)界限明顯。燒損未斷銅線C可見粗大的再結(jié)晶組織，無明顯氣孔，具有明顯的過負(fù)荷特征。未使用電機(jī)銅線D金相組織為退火完全的細(xì)小等軸晶。

圖3 銅導(dǎo)線金相組織圖形貌

5 模擬驗證

失效電機(jī)整體燒黑嚴(yán)重，燒損面積幾乎覆蓋殼體內(nèi)部全部零件，表明線圈表現(xiàn)為整體發(fā)熱，具有過負(fù)荷特征。銅線A斷口一端呈明顯壓扁損傷的尖銳狀且被燒熔碳化的黑色塑料卡箍包裹，而其它斷裂未見此現(xiàn)象，表明該銅線的壓扁損傷在熔斷之前，推斷此匝銅線圈斷裂后，銅線的一端由于在線匝的最外沿而無約束，隨電機(jī)轉(zhuǎn)動引起端頭損傷，而壓扁損傷與電機(jī)卡死應(yīng)存在較高的相關(guān)性。

為復(fù)現(xiàn)過負(fù)荷，首先模擬風(fēng)扇葉片無法轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的電機(jī)燒毀。將葉片固定，加載額定電壓，過程中發(fā)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)部溫度上升，并散發(fā)刺激性氣味的煙霧。拆解后，電機(jī)內(nèi)部整體燒黑嚴(yán)重，與失效電機(jī)基本一致。

為驗證壓扁銅線與電機(jī)卡死的相關(guān)性，首先將電機(jī)某最外沿線匝剪斷一根，加載額定電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)動3分鐘停機(jī)，觀察發(fā)現(xiàn)斷裂銅線可見劃傷。重新開機(jī)后發(fā)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，并進(jìn)行多次關(guān)、開機(jī)操作，最后一次開機(jī)時發(fā)現(xiàn)電機(jī)無法轉(zhuǎn)動，若干分鐘后可見煙霧從電機(jī)冒出。關(guān)機(jī)后拆解外殼發(fā)現(xiàn)，人為剪斷的銅線一端嵌入鐵芯與磁鐵縫隙將電機(jī)卡死，銅線端部出現(xiàn)壓扁損傷，也從側(cè)面說明電機(jī)卡死后由于啟動扭矩較小而無法轉(zhuǎn)動。

結(jié)論

結(jié)合熔痕金相以及宏觀、微觀SEM觀察分析，并利用模擬試驗復(fù)現(xiàn)燒毀過程，得出以下結(jié)論：

（1）銅線斷裂模式為瞬時一次熔斷。

（2）引起電機(jī)銅線瞬時一次熔斷的根本原因為銅線表面存在裂紋，裂紋不平直，具有應(yīng)力擴(kuò)展特征。電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時裂紋疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致銅線截面積減小，啟動時瞬間電流過大引起銅線熔斷。

（3）銅線瞬時一次熔斷后，熔斷一端在停機(jī)后卡在電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間，再次啟動時，由于啟動扭矩過低使電機(jī)無法轉(zhuǎn)動而過負(fù)荷，最終燒毀。

（4）銅線兼具一次與二次短路熔痕特征可能是由于瞬時一次熔斷后，后續(xù)電機(jī)無法轉(zhuǎn)動而過負(fù)荷產(chǎn)生高溫，銅線包漆被高溫碳化后，導(dǎo)致斷裂位置后續(xù)可能發(fā)生二次燒熔。

文章來源

《重型汽車空調(diào)散熱器燒毀原因分析與驗證》

作者：吳冰冰，鄧番林，曾志衛(wèi)，王君兆

作者單位：深圳市美信檢測技術(shù)股份有限公司、深圳市美信咨詢有限公司

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