Войти
Коммутатор в универсальном двигателе от пылесоса. Детали: (A) коммутатор, (B) щетка, (C) обмотки ротора (якорь ), (D) статор (F) (полевые) обмотки, (E) направляющие щетки A коммутатор представляет собой поворотный электрический переключатель в некоторых типах электродвигателей и электрических генераторов, который периодически меняет ток направление между ротором и внешней цепью. Он состоит из цилиндра, состоящего из множества металлических контактных сегментов на вращающемся якоре машины. Два или более электрических контакта, называемых «щетками », сделанные из мягкого проводящего материала, такого как углерод, прижимаются к коммутатору, создавая скользящий контакт с последовательными сегментами коммутатора, как он вращается. Обмотки (витки проволоки) на якоре подключены к сегментам коммутатора.
Коммутаторы используются в машинах постоянного тока (DC): динамо (генераторы постоянного тока) и многих двигателях постоянного тока, а также универсальные двигатели. В двигателе коммутатор подает на обмотки электрический ток. Путем изменения направления тока во вращающихся обмотках каждые пол-оборота создается постоянная вращающая сила (крутящий момент ). В генераторе коммутатор снимает ток, генерируемый в обмотках, меняя направление тока на противоположное с каждой половиной оборота, служа механическим выпрямителем для преобразования переменного тока с обмоток. на однонаправленный постоянный ток во внешней цепи нагрузки. Первая машина типа коммутатора постоянного тока, динамо, была построена Ипполитом Пикси в 1832 году на основе предложения Андре-Мари Ампера.
Коммутаторы относительно неэффективны, а также требуют периодического обслуживания, например замены щеток. Следовательно, коммутируемые машины все меньше используются, их заменяют машины переменного тока (AC), а в последние годы бесщеточные двигатели постоянного тока, в которых используются полупроводниковые переключатели.
Коммутатор состоит из набора контактных планок, прикрепленных к вращающемуся валу машины, и подключены к обмоткам якоря. По мере вращения вала коммутатор меняет направление тока в обмотке. Для одиночной обмотки якоря, когда вал сделал половину полного оборота, обмотка теперь подключается так, что ток течет через нее в противоположном начальном направлении. В двигателе ток якоря заставляет фиксированное магнитное поле оказывать вращающую силу или крутящий момент на обмотку, заставляя ее вращаться. В генераторе механический крутящий момент, приложенный к валу, поддерживает движение обмотки якоря через постоянное магнитное поле, индуцируя ток в обмотке. И в двигателе, и в генераторе коммутатор периодически меняет направление тока через обмотку на противоположное, так что ток в цепи, внешней по отношению к машине, продолжается только в одном направлении.
 |  |  |
Практические коммутаторы имеют как минимум три контактных сегмента, чтобы предотвратить «мертвую» зону, когда две щетки одновременно соединяют только два сегмента коммутатора. Щетки делаются шире изолированного зазора, чтобы щетки всегда контактировали с катушкой якоря. Для коммутаторов, по крайней мере, с тремя сегментами, хотя ротор потенциально может остановиться в положении, когда два сегмента коммутатора касаются одной щетки, это только обесточивает одну из лопастей ротора, в то время как другие по-прежнему будут работать правильно. С оставшимися лопастями ротора двигатель может производить достаточный крутящий момент, чтобы начать вращение ротора, а генератор может обеспечивать полезную мощность для внешней цепи.
Поперечное сечение коммутатора, который можно разобрать для ремонта. Коммутатор состоит из набора медных сегментов, закрепленных по части окружности вращающуюся машину, или ротор, и набор подпружиненных щеток, закрепленных на неподвижной раме машины. Две или более неподвижных щеток подключаются к внешней цепи либо к источнику тока для двигателя, либо к нагрузке для генератора.
Сегменты коммутатора подключаются к катушкам якоря, причем количество катушек (и сегментов коммутатора) зависит от скорости и напряжения машины. Большие двигатели могут иметь сотни сегментов. Каждый проводящий сегмент коммутатора изолирован от соседних сегментов. Слюда использовалась на ранних машинах и до сих пор используется на больших машинах. Многие другие изоляционные материалы используются для изоляции небольших машин; пластмассы позволяют, например, быстро изготавливать изолятор. Сегменты удерживаются на валу с помощью формы ласточкин хвост на краях или на нижней стороне каждого сегмента. Изолирующие клинья по периметру каждого сегмента прижимаются так, чтобы коммутатор сохранял механическую стабильность во всем нормальном рабочем диапазоне.
В небольших электроприборах и двигателях инструментов сегменты обычно постоянно обжимаются и не могут быть удалены. Если двигатель выходит из строя, его выбрасывают и заменяют. На больших промышленных машинах (скажем, мощностью от нескольких киловатт до тысяч киловатт) экономично заменять отдельные поврежденные сегменты, поэтому концевой клин можно откручивать, а отдельные сегменты снимать и заменять. Замена медных и слюдяных сегментов обычно называется «заправкой». Перезаправляемые коллекторы с ласточкиным хвостом являются наиболее распространенной конструкцией более крупных коммутаторов промышленного типа, но многоразовые коммутаторы также могут быть сконструированы с использованием внешних лент из стекловолокна (конструкция со стеклянными полосами) или кованых стальных колец (конструкция с внешним стальным термоусадочным кольцом и конструкция с внутренним стальным термоусадочным кольцом.). Одноразовые коллекторы литого типа, которые обычно используются в небольших двигателях постоянного тока, становятся все более распространенными в более крупных электродвигателях. Коммутаторы литого типа не подлежат ремонту и в случае повреждения подлежат замене. В дополнение к обычно используемым методам нагрева, крутящего момента и тоннажа для коммутаторов приправы, для некоторых высокопроизводительных коммутаторов требуется более дорогой, специфический процесс «приправы отжимом» или испытание при отжиме с превышением скорости, чтобы гарантировать стабильность отдельных сегментов и предотвратить преждевременное износ угольных щеток. Такие требования являются общими для тяговых, военных, аэрокосмических, ядерных, горнодобывающих и высокоскоростных приложений, где преждевременный отказ может привести к серьезным негативным последствиям.
Трение между сегментами и щетками в конечном итоге приводит к износу обеих поверхностей. Угольные щетки, сделанные из более мягкого материала, изнашиваются быстрее и могут быть легко заменены без разборки машины. Старые медные щетки вызывали больший износ коллектора, вызывая со временем глубокие канавки и зазубрины на поверхности. Коммутатор на небольших двигателях (скажем, мощностью менее киловатта) не предназначен для ремонта в течение всего срока службы устройства. На крупном промышленном оборудовании коллектор может быть повторно покрыт абразивом, или ротор может быть снят с рамы, установлен на большом металлическом токарном станке, а поверхность коллектора может быть восстановлена путем обрезки его до меньшего диаметра.. Самое крупное оборудование может включать в себя токарно-токарную приставку прямо над коммутатором.
Крошечный 5-сегментный коммутатор диаметром менее 2 мм на двигателе постоянного тока в игрушечной радиоуправлении ZipZaps автомобиль. 
Различные типы медных и угольных щеток. Ранние машины использовали щетки, сделанные из жилы медной проволоки для контакта с поверхностью коммутатора. Однако эти твердосплавные щетки имели тенденцию царапать и протирать гладкие сегменты коммутатора, что в конечном итоге требовало повторной обработки поверхности коммутатора. По мере того как медные щетки изнашиваются, пыль и кусочки щетки могут заклинивать между сегментами коммутатора, закорачивая их и снижая эффективность устройства. Тонкая медная проволочная сетка или сетка обеспечивала лучший контакт с поверхностью при меньшем износе сегментов, но сетчатые щетки были дороже, чем ленточные или проволочные медные щетки.
В современных вращающихся машинах с коммутаторами почти исключительно используются угольные щетки, в которые может быть добавлен медный порошок для улучшения проводимости. Металлические медные щетки можно найти в игрушечных или очень маленьких двигателях, таких как показанный выше, и в некоторых двигателях, которые работают только с перебоями, например, в автомобильных стартерах.
Двигатели и генераторы страдают от явления, известного как «реакция якоря», одним из эффектов которого является изменение положения, в котором в идеале должно происходить реверсирование тока через обмотки при изменении нагрузки. В ранних машинах щетки устанавливались на кольце с ручкой. Во время работы необходимо было отрегулировать положение щеточного кольца, чтобы отрегулировать коммутацию, чтобы свести к минимуму искрение на щетках. Этот процесс был известен как «раскачивание кистей».
Были разработаны различные разработки для автоматизации процесса настройки коммутации и минимизации искрения на щетках. Одним из них была разработка «щеток с высоким сопротивлением», или щеток, сделанных из смеси медного порошка и углерода. Несмотря на то, что такая щетка описывалась как щетки с высоким сопротивлением, сопротивление было порядка миллиомов, а точное значение зависело от размера и функции машины. Кроме того, щетка с высоким сопротивлением была сконструирована не как щетка, а в форме угольного блока с изогнутой поверхностью, соответствующей форме коллектора.
Угольная щетка с высоким сопротивлением сделана достаточно большой, чтобы она была значительно шире, чем изолирующий сегмент, который она охватывает (а на больших машинах часто может охватывать два изолирующих сегмента). Результатом этого является то, что по мере того, как сегмент коммутатора выходит из-под щетки, ток, проходящий к нему, спадает более плавно, чем в случае со щетками из чистой меди, где контакт внезапно разрывается. Точно так же сегмент, входящий в контакт с щеткой, имеет аналогичное нарастание тока. Таким образом, хотя ток, проходящий через щетку, был более или менее постоянным, мгновенный ток, проходящий через два сегмента коммутатора, был пропорционален относительной площади контакта с щеткой.
Введение угольной щетки имело удобные побочные эффекты. Угольные щетки изнашиваются более равномерно, чем медные, а мягкий уголь вызывает гораздо меньшее повреждение сегментов коллектора. У углерода меньше искр по сравнению с медью, и по мере того, как углерод изнашивается, более высокое сопротивление углерода приводит к меньшему количеству проблем, связанных с скоплением пыли на сегментах коллектора.
Отношение меди к углероду может быть изменено для определенной цели. Щетки с более высоким содержанием меди лучше работают с очень низким напряжением и большим током, тогда как щетки с более высоким содержанием углерода лучше подходят для высокого напряжения и низкого тока. Щетки с высоким содержанием меди обычно выдерживают от 150 до 200 ампер на квадратный дюйм контактной поверхности, в то время как щетки с более высоким содержанием углерода выдерживают только от 40 до 70 ампер на квадратный дюйм. Более высокое сопротивление угля также приводит к большему падению напряжения от 0,8 до 1,0 вольт на контакт или от 1,6 до 2,0 вольт на коммутаторе.
Составные угольные щетки с индивидуальными зажимами и регулировкой натяжения для каждого блок из угля. Пружина обычно используется со щеткой, чтобы поддерживать постоянный контакт с коммутатором. По мере того как щетка и коммутатор изнашиваются, пружина постепенно толкает щетку вниз по направлению к коммутатору. В конце концов щетка изнашивается и становится достаточно тонкой, поэтому устойчивый контакт становится невозможным, или она перестает надежно удерживаться в держателе щетки, и поэтому щетку необходимо заменить.
Гибкий силовой кабель обычно присоединяют непосредственно к щетке, поскольку ток, протекающий через опорную пружину, вызывает нагрев, что может привести к потере прочности металла и потере натяжения пружины.
Когда коммутируемый двигатель или генератор потребляет больше энергии, чем способна провести одна щетка, узел из нескольких щеткодержателей устанавливается параллельно на поверхности очень большого коммутатора. Этот параллельный держатель распределяет ток равномерно по всем щеткам и позволяет осторожному оператору удалить неисправную щетку и заменить ее новой, даже когда машина продолжает вращаться с полным питанием и под нагрузкой.
Высокомощное, сильноточное коммутируемое оборудование сейчас редко встречается из-за менее сложной конструкции генераторов переменного тока, которые позволяют слаботочной высоковольтной катушке вращающегося поля возбуждать сильноточные катушки статора с фиксированным положением. Это позволяет использовать очень маленькие одиночные щетки в конструкции генератора. В этом случае вращающиеся контакты представляют собой сплошные кольца, называемые контактными кольцами, и переключения не происходит.
Современные устройства, в которых используются угольные щетки, обычно имеют конструкцию, не требующую обслуживания, которая не требует регулировки в течение всего срока службы устройства, с использованием фиксированного гнезда держателя щеток и комбинированного узла щетка-пружина-трос, который входит в слот. Изношенную щетку вынимают и вставляют новую.
Различные типы щеток имеют разные углы контакта щеток 
Коммутатор и щеточный узел тягового двигателя ; можно увидеть медные шины с более легкими изоляционными полосами между ними. К каждой темно-серой угольной щетке прикреплена короткая гибкая медная перемычка. Части обмотки возбуждения двигателя, выделенные красным цветом, можно увидеть справа от коммутатора. Различные типы щеток контактируют с коммутатором по-разному. Поскольку медные щетки имеют ту же твердость, что и сегменты коммутатора, ротор не может вращаться назад относительно концов медных щеток, если медь не вонзится в сегменты и не вызовет серьезных повреждений. Следовательно, медные щетки из ленты / ламината имеют только касательный контакт с коммутатором, в то время как медные сетчатые и проволочные щетки используют наклонный угол контакта, касающийся их краем через сегменты коммутатора, которые могут вращаться только в одном направлении.
Мягкость угольных щеток обеспечивает прямой радиальный концевой контакт с коммутатором без повреждения сегментов, что позволяет легко менять направление вращения ротора без необходимости переориентировать щеткодержатели для работы в противоположном направлении. Обычные двигатели бытовых приборов, в которых используются роторы, коммутаторы и щетки, имеют радиально-контактные щетки, хотя никогда не реверсируются. В случае держателя угольных щеток реактивного типа угольные щетки могут быть наклонены в обратном направлении относительно коллектора, так что коммутатор имеет тенденцию давить на уголь для прочного контакта.
Определения коммутирующей плоскости. Точка контакта, где щетка касается коммутатора, называется коммутирующей плоскостью. Чтобы провести достаточный ток к коммутатору или от него, область контакта щетки представляет собой не тонкую линию, а прямоугольный участок поперек сегментов. Обычно щетка достаточно широкая, чтобы охватить 2,5 сегмента коммутатора. Это означает, что два соседних сегмента электрически соединяются щеткой, когда она касается обоих.
Центрированное положение коммутирующей плоскости, если не было эффектов искажения поля. Большинство вводных в конструкцию двигателя и генератора начинаются с простого двухполюсного устройства с идеально расположенными щетками. Угол 90 градусов от поля. Этот идеал полезен в качестве отправной точки для понимания того, как взаимодействуют поля, но это не то, как двигатель или генератор работает на практике.
 |  |
| Слева - преувеличенный пример того, как поле искажается ротором. Справа железные опилки показывают искаженное поле поперек ротора. | |
В реальном двигателе или генераторе поле вокруг ротора никогда не бывает идеально однородным. Вместо этого вращение ротора вызывает эффекты поля, которые перетаскивают и искажают магнитные линии внешнего невращающегося статора.
Фактическое положение коммутирующей плоскости для компенсации искажения поля. Чем быстрее вращается ротор, тем больше степень искажения поля. Поскольку двигатель или генератор работает наиболее эффективно с полем ротора, перпендикулярным полю статора, необходимо либо замедлить, либо продвинуть положение щетки, чтобы установить поле ротора в правильное положение, чтобы оно находилось под прямым углом к искаженному полю..
Эти эффекты поля меняются местами, когда направление вращения меняется на противоположное. Поэтому сложно построить эффективную реверсивную коммутируемую динамо-машину, поскольку для максимальной напряженности поля необходимо переместить щетки на противоположную сторону от нормальной нейтральной плоскости. Эти эффекты могут быть смягчены с помощью компенсационной обмотки на лицевой стороне полюса возбуждения, по которому проходит ток якоря.
Эффект можно рассматривать как аналог опережения синхронизации в двигателе внутреннего сгорания. Обычно динамо-машина, которая была разработана для работы с определенной фиксированной скоростью, будет иметь свои щетки постоянно фиксированными для выравнивания поля для максимальной эффективности на этой скорости.
Продвижение щетки для самоиндукции. Самоиндукция - Магнитные поля в каждой катушке с проволокой соединяются и соединяются вместе, чтобы создать магнитное поле, которое сопротивляется изменениям тока, которое можно сравнить с током, имеющим инерцию.
В катушках ротора, даже после того, как щетка была достигнута, токи, как правило, продолжают течь в течение короткого момента, что приводит к потере энергии в виде тепла из-за того, что щетка охватывает несколько сегментов коммутатора и ток короткого замыкания в сегментах.
Паразитное сопротивление - это очевидное увеличение сопротивления в обмотке якоря, которое пропорционально скорости якоря, и происходит из-за запаздывания тока.
Чтобы свести к минимуму искрение на щетках из-за этого короткого замыкания, щетки выдвинуты еще на несколько градусов дальше, чем опережение для искажений поля. Это перемещает коммутируемую обмотку ротора немного вперед в поле статора, которое имеет магнитные линии в противоположном направлении и которое противодействует полю в статоре. Это противоположное поле помогает реверсировать запаздывающий ток самоиндукции в статоре.
Таким образом, даже для ротора, который находится в состоянии покоя и изначально не требует компенсации искажений вращающегося поля, щетки все равно должны быть выдвинуты за пределы идеального угла 90 градусов, как учат во многих учебниках для начинающих, чтобы компенсировать себя. -индукция.
Низковольтная динамо-машина конца 1800-х годов для гальваники. Сопротивление контактов коммутатора вызывает неэффективность в низковольтных и сильноточных машинах, подобных этой, что требует огромного сложного коммутатора. Эта машина генерировала 7 вольт при 310 А. Хотя двигатели постоянного тока и динамо-машины когда-то доминировали в промышленности, недостатки коммутатора привели к сокращению использования коммутируемых машин в прошлом веке. К этим недостаткам относятся:
В связи с широкой доступностью переменного тока двигатели постоянного тока были заменены более эффективными синхронными или асинхронными двигателями переменного тока. В последние годы, когда повсеместно стали доступны силовые полупроводники, во многих оставшихся применениях коммутируемые двигатели постоянного тока были заменены на «бесщеточные двигатели постоянного тока ». У них нет коммутатора; вместо этого направление тока переключается электронным способом. Датчик отслеживает положение ротора, а полупроводниковые переключатели, такие как транзисторы, меняют направление тока. Срок службы этих машин намного больше, что ограничивается в основном износом подшипников.
Это однофазные двигатели переменного тока с более высоким пусковым моментом, чем можно было бы получить с помощью пусковых обмоток с расщепленной фазой, до высокой емкости (неполярной, относительно высокой -токовые электролитические) пусковые конденсаторы стали практичными. У них обычный статор с обмоткой, как и у любого асинхронного двигателя, но ротор с проволочной обмоткой очень похож на ротор с обычным коммутатором. Щетки напротив друг друга соединены друг с другом (не с внешней цепью), и действие трансформатора индуцирует токи в роторе, которые развивают крутящий момент за счет отталкивания.
Одна разновидность, отличающаяся регулируемой скоростью, работает непрерывно с контактирующими щетками, в то время как другая использует отталкивание только для высокого пускового момента и в некоторых случаях поднимает щетки после того, как двигатель работает достаточно быстро. В последнем случае все сегменты коммутатора также соединяются вместе до того, как двигатель наберет скорость.
После достижения скорости обмотки ротора становятся функционально эквивалентными конструкции с короткозамкнутым ротором обычного асинхронного двигателя, и двигатель работает как таковой.
Коммутаторы использовались в качестве простых переключателей прямого-выключенного-обратного направления для электрических экспериментов в физических лабораториях. Существует два хорошо известных исторических типа:
Он похож по конструкции на коммутаторы, используемые в двигателях и динамо-машинах. Обычно он строился из латуни и слоновой кости (позже эбонита ).
Он состоял из деревянного или эбонитового блока с четырьмя колодцами, содержащие ртуть, которые были перекрестно соединены медными проводами. Выходной сигнал был взят из пары изогнутых медных проводов, которые были погружены в ту или иную пару ртутных колодцев. ртути, ионных жидкостей или других жидких металлов.
