滑環電刷是用于繞線異步機，運動和靜止的電器連接裝置，最大的問題在于懸臂梁結構造成故障率高維護量大。此為傳統200年電機學遺留下來的疑難問題。傳統繞線型異步機的滑環為“機載”滑環 , 即滑環裝置安裝在電機轉子軸的尾端 , 滑環實際是單端支撐的懸臂梁結構，故電機在運行過程中，由于離心力和徑向不平衡力矩的作用，滑環將不可避免地產生徑向抖動 , 尤其是在啟動和調速運行時，現象更為明顯。
       滑環的抖動振幅、頻率很高，電刷的壓力彈簧根本無法響應，因此造成電刷和滑環的接觸不良，于是造成嚴重的打火，致使滑環表面燒蝕，電刷也隨之損壞。
       假設排除抖動因素，但是滑環的線速度高亦是造成電刷磨損大，壽命短的元兇。
       “機載”滑環結構的滑環必然要安裝在電機轉子的軸上，由于轉子繞組的電纜要通過軸心引出，因此須要采用 大直徑、空心型的軸結構，滑環的直徑受轉子軸的限制必然增大。電刷的磨損和滑環相對運動的線速度密切相關，具有關資料介紹，電刷的壽命和滑環的線速度的平方成反比，故機載滑環的傳統結構電刷的壽命較低，標準規定只有 3500 —— 4500 小時，實際的壽命還遠低于標準值。
       傳統機載結構的滑環、電刷結構在散熱方面也存在困難，通常，滑環表面的溫升多超過 8 0 C C ，加劇了 磨損，使滑環電刷可靠性進一步降低。同時，電刷磨損產生很多的碳粉 , 散落在絕緣的各相滑環之間，極容易產生滑環相間短路和造成接地，滑環系統將徹底損壞。

        傳統繞線型異步機的集電裝置分為外置型和內置型兩種，其中前者應用較多，故作典型分析。
   

1  集電裝置的癥結詳細闡述

       從根本上解決集電裝置可靠性問題的思路是無刷化，但是技術復雜，代價高昂，而且很難制成大功率的設備。
       有刷集電裝置是否能夠有效解決相對運動及摩擦的弊端，這是有刷方案首先必須回答的問題，實踐證明，只要準確把握滑環、電刷的關鍵要點，采取有效的技術措施，有刷集電裝置的壽命和可靠性是完全可以提高和改善的。為此，我們作了大量的實驗，結果表明，只要解決好滑環、電刷的摩擦力、線速度以及潤滑等關鍵問題，即使普通的電刷的壽命也能達到 27000 小時（約合 3 年）以上，而處理好滑環的光潔度、硬度、導電性，其使用壽命可以長達 15 年。顯然，這樣的性能指標是可以滿足設備運行要求的。然而，現實的有刷集電裝置與實驗效果差距甚遠，電刷的使用壽命平均大約只有 2000 小時左右，滑環的壽命很短，而且故障率較高。我們曾查閱大量的有關資料，試圖查找出問題的癥結，但收效甚微，于是我們針對大量的滑環、電刷損壞現象獨立研究實驗，發現兩項新的規律，取得了突破性進展 。

1.1 抖動與火花

       火花是滑環、電刷可靠性的頭號大敵，一旦產生，其高溫、高能將使滑環表面燒蝕，光潔度遭到破壞變得粗糙，于是電刷磨損加劇。同時，滑環燒蝕使得和電刷接觸面積減小，電流密度增大，火花強度進一步增大，由此惡性循環，直至滑環損壞。
       火花是 電刷和滑環之間因 接觸不良導致電流密度過大而產生的放電現象 ，火花的產生緣于電流密度過大（即電場強度過高），那么是什么原因造成滑環和電刷的電流密度過大呢？按電流密度 ，由于轉子電流 I 是負載決定的，即使在起動狀態下，也不可能增大到放電的水平，因此，電流密度巨增顯然是導電面積 S 銳減所致。又，靜止狀態時滑環、電刷接觸通常是良好的，接觸不良多發生在旋轉狀態，即電動機運行時產生的瞬間徑向抖動，使滑環、電刷產生脫離（電刷雖然有彈簧作用，卻不能瞬時響應），造成電刷和滑環的接觸面積銳減甚至為零，于是產生極大的電流密度引起火花。大量的實踐證明了這一結論。
       那么造成滑環抖動的原因又是什么？主要有三：

1)  附加轉矩

       附加轉矩引起的抖動和火花多發生于起動階段，其間，電動機的起動電流較大，轉速較低（轉子頻率較高）。根據電機學，附加轉矩是電動機轉子諧波和定子基波作用所產生的不平衡轉矩，它將使電機產生強烈的噪聲和震動，嚴重影響電動機的正常運行。附加轉矩引發的抖動通常只發生在電動機起動過程的某個特定轉速區間，當起動完成后，附加轉矩變得很小，可以忽略不計，但是，瞬時抖動造成的火花危害已經形成。需要指出，從電動機的設計和制造的源頭克服附加轉矩是極其困難的，現實的方法是約束滑環，使其擺脫附加轉矩的作用，或者盡量減小運動幅度，但這一要求在傳統繞線機上難以實現。

2)  滑環偏心誤差

       如果滑環和轉子同軸，要求滑環和軸必須保證嚴格的同軸度，偏心誤差不得超過 0.01_ 0.05mm ，否則，當電動機高速運轉時，滑環和軸的偏心誤差將產生很大的不平衡離心力，動平衡遭到破壞，電刷和滑環的壓力不均衡，嚴重時將產生火花，燒蝕滑環，即使輕微，也將導致滑環磨損不均勻，形成橢圓，同時滑環表面平整性破壞加劇，使用壽命明顯降低。
       問題是傳統繞線異步機受生產工藝的限制，只能是將滑環加工完畢后再安裝在轉子軸上，而且為了轉子繞組的電纜通過，，滑環端的軸必須是空心的，很難在滑環安裝后再整體加工，因此滑環偏心誤差大的結果是無法避免的。
       大量的實踐表明，只要沒有火花的侵蝕，單純的機械摩擦對滑環表面平滑性損害很小，滑環壽命平均可達 10 年以上，即使因電刷雜質有局部損傷，也不會對導電性產生明顯影響，更不會產生火花。

3)  滑環的懸臂梁結構與缺陷

        外置型集電裝置的典型特點是滑環和尾軸呈懸臂梁結構，在這種結構中，約束滑環抖動的只有電動機的尾端軸承，滑環另外一端是開放的，沒有約束。因此，一旦電動機產生附加轉矩，或者滑環和軸不同心產生偏心力，滑環必然產生相應的抖動，抖動的幅度隨滑環和尾端軸承的距離正比增大。因此，懸臂梁結構的外置型集電裝置對抑制抖動的能力極差，因此而產生滑環打火的現象十分普遍，而且一旦問題發生，沒有簡單有效的處理方法。
        筆者曾多次在工程實踐中遇到此類棘手問題，例如哈爾濱某供熱公司的 250KW 風機，電動機的容量不大，限制的起動電流也只有 2 倍左右，但電動機起動到臨近額定轉速時，突然急劇抖動，幅度可達 2mm 以上，電刷和滑環之間產生強烈的火花，嚴重燒蝕滑環表面，電動機不能正常運行。為此制造商將電動機返廠，對軸承、滑環進行反復處理，但結果依舊。
        由于異步機的附加轉矩是無法徹底消除的，而且很難準確量化，于是，解決由此引起的抖動問題只能歸結到如何抑制抖動幅度，而不能設想消除抖動的根源。
        內置型集電裝置將滑環安裝在電動機兩端軸承之間，理論上有效抑制了抖動，但是卻產生了新的問題。一是轉子軸的長度增大，撓度降低，如果加粗軸的直徑，不僅增大電動機的體積和成本，而且影響轉子的電磁性能；二是結構復雜，滑環電刷必須和繞組隔離，以防止石墨粉塵破壞繞組的絕緣，而且要考慮更換電刷的方便，給結構設計造成很多困難。

1.2 線速度與磨損 ：

        如果解決了火花問題，電刷、滑環的壽命就取決于磨擦系數和線速度了。由于決定磨擦系數的因素——平滑度（含潤滑）、彈簧壓力容易在加工中得到滿足，因此壽命問題重點在于相對運動的線速度。
據有關文獻介紹，相對運動物體的磨損率和線速度的平方成正比，因此，要降低電刷、滑環的磨損率提高壽命，關鍵是減小兩者相對運動的線速度。
       滑環相對電刷的線速度
                                                                                       
       其中轉速 n 取決于電動機的極數和生產的需求，不宜改變，因此要降低線速度只有減小滑環的直徑 D 。
       傳統繞線機的滑環套裝在轉子軸上，不可能設想滑環的直徑小于轉子軸的直徑，而后者是按轉子荷載的強度要求設計，對于高壓功率較大的電動機，轉子軸的直徑至少在 100mm 以上，加上滑環和軸的絕緣厚度，滑環直徑不可能減小到理想的水平。 
滑環直徑是嚴重影響電刷和滑環工作壽命的參數，理由是滑環直徑和線速度成正比。要延長電刷和滑環的磨損壽命，最直觀而簡單的方法就是減小滑環的直徑，但是這對于傳統異步機結構幾乎是不可能的。
       無論是內置型還是外置型集電裝置，滑環都是通過絕緣層剛性地安裝在轉子軸上，滑環的直徑不可能小于轉子軸的直徑，而后者是按電動機載荷強度設計，無法顧及滑環速度的要求。
       綜觀國內外高壓繞線型異步機，滑環的直徑大約是軸徑的 2.5 — 3.5 倍，比合理的滑環直徑至少大出一倍以上，而由此引起的線速度增大一倍，電刷的磨損增大，壽命明顯降低。