電刷在換向器上運行時，在其接觸面上形成一層均勻、適度、穩(wěn)定的氧化膜，這是電機運行良好的主要標志之一。因為這層氧化膜的存在，改變了電刷與集電環(huán)的接觸特性、減少了摩擦、降低磨損、延長使用壽命。氧化膜是一種復合薄膜，其組成成分與電刷型號及集電環(huán)的材料成分有關。氧化膜的正常厚度在8－100nm的范圍內(nèi)，一般為25nm.用電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，電刷與集電環(huán)接觸面是由無數(shù)個點相接觸，一般接觸面只有電刷總面積的千分之幾左右。接觸面積的大小，由電機的轉(zhuǎn)速、集電環(huán)材質(zhì)的硬度、加工精度、偏擺度、電刷的材質(zhì)、電刷上的壓力大小等因素來決定。
有研究發(fā)現(xiàn)，外加電壓小時，氧化膜絕緣，當電壓升高到一定值時，氧化膜被擊穿。當擊穿后，不管電流如何增加，由于導電點的增加、導電面積的擴大，則接觸電壓保持恒定。
氧化膜具有非常好的潤滑性能，電刷與集電環(huán)接觸表面起潤滑作用的潤滑層主要是石墨膜，這層石墨膜，將電刷與集電環(huán)分開，使摩擦在石墨潤滑層間進行，降低了摩擦系數(shù)，減少了摩擦熱的產(chǎn)生，減少了電刷的磨損。電刷的過熱故障，很多情況是由于氧化膜被破壞且無法重新建立導致的。
一、電刷及集電環(huán)常見故障的原因及解決辦法
電刷在運行中z*常見的故障為發(fā)熱、產(chǎn)生火花、嚴重的燒損電刷刷握及集電環(huán)。從產(chǎn)生過熱故障的原因看，主要有以下幾個方面：
1、由于通風不良導致的發(fā)熱：通風不良主要是因為冷卻風道堵塞，換向器表面通風溝、通風孔堵塞、循環(huán)風扇風量下降等原因，尤其是當運行中集電環(huán)表面溫度過高時，導致電刷磨損加劇，碳粉積聚增加，有可能會堵塞上述集電環(huán)表面的散熱通道。因此在大小修時，應對集電環(huán)表面通風溝、孔以及冷卻風道濾網(wǎng)進行清理，保持通暢。對于經(jīng)過多次車削的集電環(huán)，如果集電環(huán)表面的通風溝高度不到5mm，已經(jīng)車削到徑向限制孔時，就應當按照說明書根據(jù)z*小使用外徑進行更換，以保證集電環(huán)的機械及散熱可靠性。
2、由于接觸電阻過大或分布不均勻而產(chǎn)生的發(fā)熱：集電環(huán)和電刷是通過相互滑動接觸導通勵磁電流的，根據(jù)容量及型號的不同，每個集電環(huán)上大約分布著數(shù)十只電刷，由于接觸電阻的不同，電流分配的差異，會導致發(fā)熱不均勻，有以下幾個原因：（1）電刷與滑環(huán)表面接觸電阻、電刷與刷辮接觸電阻、刷辮與刷架引線接觸電阻過大。可通過測量單個電刷總壓降、電刷接觸壓降、刷體壓降、聯(lián)結壓降、刷辮壓降進行相互間對比來檢查。同時檢查回路中各螺絲是否緊固。檢查電刷接觸面的清潔程度，是否存在油污污染。（2）電刷壓力不均勻或不符合要求，可能有電刷過短、彈簧由于過熱變軟老化失去彈性等原因。應使用彈簧秤檢查電刷壓力。恒壓彈簧應完整無機械損傷，壓力應符合其產(chǎn)品的規(guī)定，同一極上的彈簧壓力偏差不宜超過5％；非恒壓的電刷彈簧，有規(guī)定時壓力應符合其產(chǎn)品的規(guī)定，當無規(guī)定時，應調(diào)整到不使電刷冒火的壓力，一般為140－250g/cm2，同一刷架上每個電刷的壓力應均勻。（3）集電環(huán)與轉(zhuǎn)子引線接觸電阻過大，這種情況應對集電環(huán)與轉(zhuǎn)子引線間的緊固螺絲進行加固。（4）電刷材質(zhì)不良、導電性能差、使用的型號不符合要求或者使用了不同型號的電刷。同一電機上應使用同一型號、同一制造廠的電刷，對于外觀檢查有明顯差異的電刷應更換。
3、由于機械及摩擦等原因造成的過熱：集電環(huán)與電刷過熱故障中，很大一部分是由于機械及摩擦等原因?qū)е碌倪^熱，如果在開機時還未加勵磁，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)集電環(huán)與電刷溫度高，或者在運行中溫度過高，拔出幾只電刷后，溫度反而降低，那就基本可以肯定是由于機械及摩擦原因?qū)е碌?。機械及摩擦導致發(fā)熱的情況很復雜，主要有以下幾個方面：（1）電刷接觸面研磨不良或運行中一次更換過多的電刷。運行中更換電刷，在同一時間內(nèi)，每個刷架上只允許更換1－2個電刷。換上的新電刷應事先在與集電環(huán)直徑相同的模型上研磨好，且新舊牌號須一致。如果在大修時一次更換的電刷很多，應當在投運前沖轉(zhuǎn)時，為電刷表面形成氧化膜留夠充足的時間。（2）電刷與集電環(huán)接觸面過小，接觸面積一般不應小于單個電刷截面的75％。（3）電刷在刷盒中搖擺或動作卡澀。電刷在刷握內(nèi)應能上下自由移動，其間隙應符合產(chǎn)品的規(guī)定，當無規(guī)定時，其間隙可為0.10－0.20mm.電刷外形要方正，上下端尺寸誤差不得大于0.05mm.（4）刷握與集電環(huán)表面間隙過大。由于電刷材質(zhì)較脆，當刷握與集電環(huán)表面間隙過大時，運行中電刷不能整體接觸集電環(huán)，與集電環(huán)呈斜面接觸，容易造成電刷崩裂的情況。刷握與集電環(huán)表面的間隙應符合產(chǎn)品技術要求，當產(chǎn)品無規(guī)定時，其間隙可調(diào)整為2－3mm.調(diào)整間隙時，可使用一層2－3mm厚的橡膠墊附在集電環(huán)表面，將刷握抵到橡膠墊上，然后上緊定位螺絲，取出橡膠墊。
二、集電環(huán)、電刷故障的分析及建議
1、加強對電刷表面氧化膜的認識，創(chuàng)建其形成和正常工作的條件：近期發(fā)生的幾起故障，主要原因是因為電刷表面的氧化膜潤滑層無法形成，氧化膜的形成需要一些條件，當條件不滿足時，氧化膜無法形成或形成不良，主要有以下幾個原因：（1）溫度過高：電刷的氧化膜一般在70℃左右較易形成，當集電環(huán)、電刷出現(xiàn)過熱故障時，通常溫度都在150℃以上，此時即便換上新的電刷，氧化膜也不易形成，無法起到潤滑作用，電刷磨損將加劇，導致溫度繼續(xù)升高，成為惡性循環(huán)。此時可采取外部強迫降溫的方法，譬如涂抹凡士林、大功率風扇通風等手段，使集電環(huán)溫度降到正常范圍內(nèi)，持續(xù)一段時間，讓電刷表面氧化膜逐漸形成，使之進入良性循環(huán)狀態(tài)。（2）冷卻空氣中有污染性雜質(zhì)：空氣中的雜質(zhì)對電刷表面氧化膜的形成將帶來不利影響，這些雜質(zhì)包括：硫化物或鹵族元素的腐蝕性氣體、空氣中油氣混合物、粉塵、鐵屑、鐵銹粉塵、碳粉等其他雜質(zhì)。電刷磨損時，本身會產(chǎn)生碳粉的粉塵雜質(zhì)，可采用在刷架罩冷卻通風循環(huán)通道上安裝過濾裝置來改善刷架罩內(nèi)的空氣質(zhì)量。（3）空氣濕度太低或含氧量太低：電刷表面氧化膜的形成需要空氣中有一定的水分含量，即空氣濕度不能太低，但也不能太高。另外，氧化膜的形成主要與空氣中的氧氣發(fā)生氧化作用而產(chǎn)生，當含氧量過低時也不利于氧化膜的形成。
氧化膜無法形成或形成不良除與上述因素有關外，還有電刷過度研磨、使用溶劑進行擦拭、集電環(huán)表面光潔度不良以及碳刷材質(zhì)不合格等原因。
2、電刷及刷架產(chǎn)品在選購過程中應嚴格控制質(zhì)量：目前同一品牌的電刷，都是在各個不同的地方、不同的工廠加工的。這就要求我們在進貨過程中對產(chǎn)品質(zhì)量嚴格把關，對生產(chǎn)廠家的工藝和質(zhì)量檢測手段及程序進行了解。
3、生產(chǎn)運行中加強對集電環(huán)及電刷的維護管理：加強電刷、集電環(huán)系統(tǒng)的專職維護制度，提高專責人的技術水平，嚴格按照《汽輪發(fā)電機運行規(guī)程》的要求對集電環(huán)、電刷進行檢查和運行維護，一次更換電刷的數(shù)量要嚴格控制。另外要積極運用紅外熱成像技術進行集電環(huán)、電刷日常的巡檢檢查以及對故障部位有懷疑時作為輔助分析的工具。