Коммутатор — это поворотный электрический переключатель в некоторых типах электродвигателей и электрических генераторов , который периодически меняет направление тока между ротором и внешней цепью. Он состоит из цилиндра, состоящего из нескольких металлических контактных сегментов на вращающемся якоре машины. Два или более электрических контакта , называемые « щетками », изготовленные из мягкого проводящего материала, например углерода , прижимаются к коммутатору, создавая скользящий контакт с последовательными сегментами коммутатора при его вращении. Обмотки (мотки провода) якоря соединены с сегментами коллектора.
Коллекторы используются в машинах постоянного тока (DC): динамо-машинах (генераторах постоянного тока) и многих двигателях постоянного тока , а также универсальных двигателях . В двигателе коммутатор подает электрический ток на обмотки. Путем изменения направления тока во вращающихся обмотках каждые пол-оборота создается постоянная вращающая сила ( крутящий момент ). В генераторе коммутатор отбирает ток, генерируемый в обмотках, меняя направление тока с каждым полуоборотом, служа механическим выпрямителем для преобразования переменного тока из обмоток в однонаправленный постоянный ток во внешней цепи нагрузки. Первая машина постоянного тока коллекторного типа, динамо-машина , была построена Ипполитом Пикси в 1832 году по предложению Андре-Мари Ампера .
Коммутаторы относительно неэффективны и требуют периодического обслуживания, например замены щеток. Поэтому использование коммутируемых машин сокращается, их заменяют машины переменного тока (AC), а в последние годы - бесщеточные двигатели постоянного тока , в которых используются полупроводниковые переключатели.
Коллектор состоит из набора контактных стержней, прикрепленных к вращающемуся валу машины и соединенных с обмотками якоря. Когда вал вращается, коммутатор меняет направление тока в обмотке. Для одиночной обмотки якоря, когда вал сделал половину оборота, обмотка теперь подключается так, что ток течет через нее в направлении, противоположном начальному. В двигателе ток якоря заставляет постоянное 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 стационарное магнитное поле, вызывая ток в обмотке. Как в случае двигателя, так и в случае генератора коммутатор периодически меняет направление тока через обмотку, так что ток во внешней цепи 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 замыкают только два сегмента коммутатора. Щетки сделаны шире изолированного зазора, чтобы обеспечить постоянный контакт щеток с катушкой якоря. Для коллекторов как минимум с тремя сегментами, хотя ротор потенциально может остановиться в положении, когда два сегмента коллектора касаются одной щетки, это обесточивает только одно из плеч ротора, в то время как другие будут по-прежнему работать правильно. С оставшимися плечами ротора двигатель может создавать достаточный крутящий момент, чтобы начать вращать ротор, а генератор может обеспечивать полезную мощность для внешней цепи.
Коллектор состоит из набора медных сегментов, закрепленных по части окружности вращающейся машины или ротора, и набора подпружиненных щеток, закрепленных на неподвижной раме машины. Две или более фиксированных щеток подключаются к внешней цепи либо к источнику тока для двигателя, либо к нагрузке для генератора.
Сегменты коллектора соединены с катушками 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 первых машинах и до сих пор используется на больших машинах. Для изоляции небольших машин используются многие другие изоляционные материалы; Например, пластмассы позволяют быстро изготовить изолятор. Сегменты удерживаются на валу с помощью формы «ласточкин хвост » по краям или нижней стороне каждого сегмента. Изоляционные клинья по периметру каждого сегмента прижаты так, что коммутатор сохраняет механическую устойчивость во всем нормальном рабочем диапазоне.
В двигателях для небольших приборов и инструментов сегменты обычно постоянно зажаты на месте и не могут быть удалены. При выходе двигателя из строя его выбрасывают и заменяют. На крупных промышленных машинах (скажем, мощностью от нескольких киловатт до тысяч киловатт) экономически целесообразно заменять отдельные поврежденные сегменты, поэтому концевой клин можно открутить, а отдельные сегменты снять и заменить.
Замена медных и слюдяных сегментов обычно называется «заправкой». Коммутаторы многоразового использования с ласточкиным хвостом являются наиболее распространенной конструкцией более крупных коммутаторов промышленного типа, но коммутаторы многоразового использования также могут быть изготовлены с использованием внешних лент из стекловолокна (конструкция со стеклянными полосами) или кованых стальных колец (конструкция типа внешнего стального стяжного кольца и конструкция типа внутреннего стального сжимающего кольца). ).
Одноразовые коллекторы литого типа, обычно встречающиеся 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 широко используемым методам выдержки коммутаторов с помощью нагрева, крутящего момента и тоннажа, некоторые высокопроизводительные коммутаторы требуют более дорогого, специального процесса «выдержки вращения» или испытаний на вращение на превышении скорости, чтобы гарантировать стабильность отдельных сегментов и предотвратить преждевременное вращение. износ угольных щеток. Такие требования характерны для тяговых, военных, аэрокосмических, ядерных, горнодобывающих и высокоскоростных применений, где отказ зажима и выступание сегмента или изоляции могут привести к серьезным негативным последствиям.
Трение между сегментами и щетками со временем приводит к износу обеих поверхностей. Угольные щетки, изготовленные из более мягкого материала, изнашиваются быстрее и их можно легко заменить, не разбирая машину. Старые медные щетки вызывали больший износ коллектора, вызывая со временем глубокие канавки и насечки на поверхности.
Коллектор на двигателях малой мощности (скажем, мощностью менее киловатта) не рассчитан на ремонт в течение всего срока службы устройства. На крупном промышленном оборудовании поверхность коллектора можно обработать абразивами, либо ротор можно снять с рамы, установить на большой токарный станок по металлу , а поверхность коллектора можно обработать путем обрезания до меньшего диаметра. Самое крупное оборудование может включать приспособление для токарной обработки непосредственно над коллектором.
В ранних машинах для контакта с поверхностью коммутатора использовались щетки из жил медной проволоки. Однако эти щетки из твердого металла имели тенденцию царапать и бороздить гладкие сегменты коллектора, что в конечном итоге требовало повторной обработки поверхности коллектора. По мере изнашивания медных щеток пыль и кусочки щеток могут заклинивать между сегментами коллектора, замыкая их и снижая эффективность устройства. Мелкая медная проволочная сетка или сетка обеспечивали лучший контакт с поверхностью при меньшем износе сегментов, но сетчатые щетки были дороже, чем полосовые или проволочные медные щетки.
В современных вращающихся машинах с коллекторами почти исключительно используются угольные щетки, в которые для улучшения проводимости может быть добавлен медный порошок. Металлические медные щетки можно найти в игрушечных или очень маленьких двигателях, таких как показанный выше, а также в некоторых двигателях, которые работают очень прерывисто, например, в автомобильных стартерах.
Двигатели и генераторы страдают от явления, известного как «реакция якоря», одним из последствий которого является изменение положения, в котором в идеале должно происходить изменение тока через обмотки при изменении нагрузки. В ранних машинах щетки были закреплены на кольце с ручкой. В процессе эксплуатации приходилось регулировать положение щёточного кольца для регулировки коммутации, чтобы минимизировать искрение на щётках. Этот процесс был известен как «раскачивание кистей».
Были проведены различные разработки по автоматизации процесса регулировки коммутации и минимизации искрения на щетках. Одним из них была разработка «щеток с высоким сопротивлением» или щеток, изготовленных из смеси медного порошка и углерода. [3] Несмотря на то, что щетки описаны как щетки с высоким сопротивлением, сопротивление такой щетки 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 виде угольного блока с изогнутой поверхностью, соответствующей форме коллектора.
Щетка с высоким сопротивлением или угольная щетка делается достаточно большой, чтобы она была значительно шире, чем изолирующий сегмент, который она охватывает (а на больших машинах часто может охватывать два изолирующих сегмента). В результате, когда сегмент коммутатора проходит из-под щетки, ток, проходящий к нему, снижается более плавно, чем в случае со щетками из чистой меди, где контакт внезапно разрывается. Точно так же сегмент, вступающий в контакт с щеткой, имеет такое же увеличение тока. Таким образом, хотя ток, проходящий через щетку, был более или менее постоянным, мгновенный ток, проходящий к двум сегментам коллектора, был пропорционален относительной площади, соприкасающейся со щеткой.
Использование угольной щетки имело побочные эффекты. Угольные щетки изнашиваются более равномерно, чем медные, а мягкий уголь наносит гораздо меньше повреждений сегментам коллектора. При использовании углерода искрообразование меньше по сравнению с медью, и по мере изнашивания углерода более высокое сопротивление углерода приводит к меньшему количеству проблем, связанных с скоплением пыли на сегментах коллектора.
Соотношение меди и углерода можно изменить для конкретной цели. Щетки с более высоким содержанием меди лучше работают при очень низком напряжении и большом токе, а щетки с более высоким содержанием углерода лучше работают при высоком напряжении и малом токе. Щетки с высоким содержанием меди обычно выдерживают ток от 150 до 200 ампер на квадратный дюйм контактной поверхности, тогда как щетки с высоким содержанием углерода выдерживают только от 40 до 70 ампер на квадратный дюйм. Более высокое сопротивление углерода также приводит к большему падению напряжения от 0,8 до 1,0 В на контакт или от 1,6 до 2,0 В на коммутаторе. [4]
.png/1280px-Commutator_-_Crocker-Wheeler_Carbon_Brush_Gear_(600dpi).png)
Со щеткой обычно используется пружина для поддержания постоянного контакта с коллектором. По мере изнашивания щетки и коллектора пружина постепенно толкает щетку вниз к коллектору. Со временем щетка изнашивается и становится настолько тонкой, что устойчивый контакт становится невозможным или она больше не надежно удерживается в держателе щетки, поэтому щетку необходимо заменить.
Обычно гибкий силовой кабель прикрепляется непосредственно к щетке, поскольку ток, протекающий через опорную пружину, может вызвать нагрев, что может привести к потере твердости металла и потере натяжения пружины.
Когда коммутируемый двигатель или генератор потребляет больше энергии, чем способна провести одна щетка, узел из нескольких щеткодержателей монтируется параллельно по поверхности очень большого коммутатора. Этот параллельный держатель равномерно распределяет ток по всем щеткам и позволяет осторожному оператору снять неисправную щетку и заменить ее новой, даже если машина продолжает вращаться на полной мощности и под нагрузкой.
Высокомощное коммутируемое оборудование с высоким током в настоящее время встречается редко из-за менее сложной конструкции генераторов переменного тока, которая позволяет низкоточной и высоковольтной вращающейся катушке поля подавать питание на сильноточные катушки статора с фиксированным положением. Это позволяет использовать в конструкции генератора очень маленькие отдельные щетки . В этом случае вращающиеся контакты представляют собой сплошные кольца, называемые контактными кольцами , и переключения не происходит.
Современные устройства, использующие угольные щетки, обычно имеют необслуживаемую конструкцию, которая не требует регулировки на протяжении всего срока службы устройства, с использованием слота держателя щетки с фиксированным положением и комбинированного узла щетки, пружины и троса, который вставляется в слот. Изношенную щетку вынимают и вставляют новую.
Различные типы щеток по-разному контактируют с коллектором. Поскольку медные щетки имеют ту же твердость, что и сегменты коллектора, ротор не может вращаться назад, прижимаясь к концам медных щеток, без того, чтобы медь не врезалась в сегменты и не вызвала серьезные повреждения. Следовательно, ленточные/ламинированные медные щетки имеют только тангенциальный контакт с коммутатором, в то время как медные сетчатые и проволочные щетки используют наклонный угол контакта, касаясь своими краями сегментов коммутатора, которые могут вращаться только в одном направлении.
Мягкость угольных щеток обеспечивает прямой радиальный контакт с коллектором без повреждения сегментов, позволяя легко менять направление вращения ротора без необходимости переориентации щеткодержателей для работы в противоположном направлении. Обычные электродвигатели, в которых используются фазные роторы, коллекторы и щетки, хотя и не переворачиваются, имеют щетки с радиальным контактом. В случае держателя угольных щеток реактивного типа угольные щетки могут быть наклонены в обратном направлении относительно коллектора, так что коллектор имеет тенденцию прижиматься к углероду для обеспечения прочного контакта.
Точка контакта, где щетка касается коллектора, называется коммутирующей плоскостью . Чтобы проводить достаточный ток к коммутатору или от него, область контакта щетки представляет собой не тонкую линию, а прямоугольное пятно между сегментами. Обычно щетка достаточно широка, чтобы охватить 2,5 сегмента коллектора. Это означает, что два соседних сегмента электрически соединяются щеткой, когда она касается обоих.
Большинство представлений о конструкции двигателей и генераторов начинаются с простого двухполюсного устройства со щетками, расположенными под идеальным углом 90 градусов от поля. Этот идеал полезен в качестве отправной точки для понимания того, как взаимодействуют поля, но он не описывает то, как двигатель или генератор работают на реальной практике.
В реальном двигателе или генераторе поле вокруг ротора никогда не бывает идеально однородным. Вместо этого вращение ротора вызывает эффекты поля, которые тянут и искажают магнитные линии внешнего невращающегося статора.
Чем быстрее вращается ротор, тем больше степень искажения поля. Поскольку двигатель или генератор работают наиболее эффективно, когда поле ротора расположено под прямым углом к полю статора, необходимо либо замедлить, либо продвинуть положение щетки, чтобы поле ротора заняло правильное положение, находящееся под прямым углом к искаженному полю. .
Эти эффекты поля меняются на противоположные, когда направление вращения меняется на противоположное. Поэтому сложно построить эффективное реверсивное коммутируемое динамо, поскольку для наибольшей напряженности поля необходимо переместить щетки на противоположную сторону от нормальной нейтральной плоскости. Эти эффекты можно смягчить с помощью компенсационной обмотки на лицевой стороне полюса возбуждения, по которому течет ток якоря.
Эффект можно считать аналогом опережения синхронизации в двигателе внутреннего сгорания. Обычно динамо-машина, спроектированная для работы с определенной фиксированной скоростью, имеет постоянно закрепленные щетки, чтобы выровнять поле для достижения максимальной эффективности на этой скорости. [12]
Самоиндукция. Магнитные поля в каждой катушке провода соединяются и объединяются, создавая магнитное поле, которое сопротивляется изменениям тока, что можно сравнить с током, имеющим инерцию.
В катушках ротора, даже после того, как щетка была достигнута, токи имеют тенденцию продолжать протекать в течение короткого момента, что приводит к потере энергии в виде тепла из-за того, что щетка охватывает несколько сегментов коллектора и ток короткого замыкания через сегменты.
Ложное сопротивление — это кажущееся увеличение сопротивления в обмотке якоря, пропорциональное скорости движения якоря и обусловленное запаздыванием тока.
Чтобы свести к минимуму искрение на щетках из-за этого короткого замыкания, щетки выдвигаются еще на несколько градусов дальше, за пределы смещения для искажений поля. Это перемещает обмотку ротора, подвергающуюся коммутации, немного вперед, в поле статора, магнитные линии которого направлены в противоположном направлении и противостоят полю в статоре. Это противоположное поле помогает обратить вспять 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 выдвигаться за пределы идеального угла в 90 градусов, как указано во многих учебниках для начинающих, чтобы компенсировать самоиндукцию.
Современные устройства двигателей и генераторов с коммутаторами способны противодействовать реакции якоря за счет использования промежуточных полюсов , которые представляют собой небольшие катушки возбуждения и полюсные наконечники, расположенные примерно на полпути между первичными полюсами статора.
Применяя динамическое изменяющееся поле к промежуточным полюсам при изменении нагрузки, частоты вращения или направления вращения устройства, можно сбалансировать искажения поля из-за реакции якоря, так что положение щетки может оставаться фиксированным, а искрение между сегментами сводится к минимуму. . [14]
Хотя двигатели постоянного тока и динамо-машины когда-то доминировали в промышленности, недостатки коммутаторов привели к снижению использования коммутируемых машин в прошлом веке. Этими недостатками являются:
Благодаря широкой доступности переменного тока двигатели постоянного тока были заменены более эффективными синхронными или асинхронными двигателями переменного тока . В последние годы, с широкой доступностью силовых полупроводников , во многих оставшихся приложениях коммутируемые двигатели постоянного тока были заменены « бесщеточными двигателями постоянного тока ». У них нет коммутатора; вместо этого направление тока переключается электронным способом. Датчик отслеживает положение ротора, а полупроводниковые переключатели, такие как транзисторы, меняют ток. Срок эксплуатации этих машин значительно больше и ограничивается, главным образом, износом подшипников.
Это однофазные двигатели переменного тока с более высоким пусковым моментом, чем можно было получить с расщепленной пусковой обмоткой до того, как стали практичными пусковые конденсаторы с высокой емкостью (неполярные, относительно сильноточные электролитические). У них есть статор с обычной обмоткой, как и у любого асинхронного двигателя, но ротор с проволочной обмоткой во многом похож на ротор с обычным коллектором. Щетки, расположенные напротив друг друга, соединены друг с другом (а не с внешней цепью), и под действием трансформатора в ротор наводятся токи, которые развивают крутящий момент за счет отталкивания.
Одна разновидность, отличающаяся регулируемой скоростью, работает непрерывно с контактирующими щетками, тогда как другая использует отталкивание только для высокого пускового момента и в некоторых случаях поднимает щетки, когда двигатель работает достаточно быстро. В последнем случае все сегменты коммутатора также соединяются вместе до того, как двигатель достигнет рабочей скорости.
При достижении скорости обмотки ротора функционально эквивалентны конструкции с короткозамкнутым ротором обычного асинхронного двигателя, и двигатель работает как таковой. [15]
Коммутаторы использовались как простые переключатели прямого и обратного хода для электрических экспериментов в физических лабораториях. Есть два известных исторических типа: [16]
По конструкции они похожи на коммутаторы, используемые в двигателях и динамо-машинах. Обычно его изготавливали из латуни и слоновой кости (позже эбонита ). [17]
Он представлял собой блок из дерева или эбонита с четырьмя лунками, содержащими ртуть , которые были соединены между собой медными проводами. Выходной сигнал снимался с пары изогнутых медных проводов, которые погружались в ту или иную пару ртутных колодцев. [18] Вместо ртути можно использовать ионные жидкости или другие жидкие металлы .