Коммутатор: электр тогының бағытын өзгерту құрылғысы

Коммутатор: электр ток бағытын өзгертетін құрылғы. DC моторлар мен генераторларда қолданылады, қозғалтқыш арматурасындағы сегменттермен байланысады.

14 мин оқу

100%

Дереккөз: Commutator (electric) — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Ток бағытын өзгертуге арналған құрылғы – электрлік компонент

Коммутатор – ротор мен сыртқы тізбек арасындағы ток бағытын мерзімді түрде өзгертетін, белгілі бір типтегі электр қозғалтқыштар мен электр генераторларындағы айналмалы электрлік қосқыш. Ол машинаның айналатын арматурасындағы көптеген металл тігістерден тұратын цилиндрден құралған. Көміртек сияқты жұмсақ өткізгіш материалдан жасалған "щеткалар" деп аталатын екі немесе одан көп электрлік контактілер коммутаторға басып, оның айналу барысында тізбектеп келетін тігістерімен сырғанау арқылы байланыс жасайды. Арматурадағы орамдар (сым орамдары) коммутатор тігістеріне қосылады. Коммутаторлар тұрақты ток (DC) машиналарында қолданылады: динамолар (DC генераторлары) және көптеген DC қозғалтқыштар, сондай-ақ әмбебап қозғалтқыштар. Қозғалтқышта коммутатор орамдарға электр тогын жеткізеді. Айналатын орамдардағы ток бағытын әр жарты айналымда кері бұру арқылы тұрақты айналу күші (торек) туындайды. Генераторда коммутатор орамдардағы токтан алынған токты жинап, әр жарты айналымда ток бағытын өзгертеді, ол орамалардан келетін айнымалы токты сыртқы жүктеме тізбегіндегі бір бағытты тұрақты токқа түрлендіретін механикалық түзетуші ретінде қызмет етеді. Тұрақты ток коммутаторы типті алғашқы машина, динамо, 1832 жылы Гипполит Пикси Андре Мари Ампердің ұсынысы бойынша құрастырылған. Коммутаторлар салыстырмалы түрде тиімсіз және щеткаларды ауыстыру сияқты мерзімді күтімді қажет етеді. Сондықтан коммутациялық машиналар қолданылудан шығып, олардың орнына айнымалы ток (AC) машиналары, ал соңғы жылдары жартылай өткізгіш қосқыштарды пайдаланатын щеткасыз DC қозғалтқыштар қолданылуда. TOC

Жұмыс істеу принципі

Коммутатор – машинаның айналатын білігіне бекітілген және арматура орамдарына қосылған тоқ өткізгіш тіректердің жиынтығы. Білік айналғанда коммутатор орамдағы ток ағысының бағытын өзгертеді. Бір арматура орамасы үшін, білік толық айналымның жартысын жасағанда, орам бастапқы бағытқа қарама-қарсы бағытта ток өтетіндей етіп қосылады. Моторда арматура тогы тұрақты магнит өрісінің орамаға айналу күшін, яғни моментін тудырады, соның нәтижесінде орам айналады. Генераторда білікке қолданылатын механикалық момент арматура орамасының қозғалысын тұрақты магнит өрісінде сақтап, орамда ток тудырады. Мотор мен генератордың екеуінің де жағдайында коммутатор орам арқылы ток ағысының бағытын мерзімді түрде өзгертеді, осылайша машинаның сыртқы тізбегіндегі ток ағыны тек бір бағытта жалғаса береді.

Ең қарапайым практикалық коммутатор

Практикалық коммутаторларда кем дегенде үш контактілік сегмент болады, бұл екі щетка бір уақытта екі коммутатор сегментін ғана жалғайтын "өлген" нүктеге жол бермеу үшін жасалады. Щеткалар оқшауланған кеңістіктен енірек етіп жасалады, осылайша щеткалар әрқашан якорь орамдарымен жанасып тұрады. Кем дегенде үш сегменті бар коммутаторларда ротор екі коммутатор сегментінің бір щеткаға тиетіндей күйде тоқтаса да, бұл тек ротордың бір бөлігін тоқтан айырады, ал қалғандары қалыпты жұмыс істей береді. Қалған ротор бөліктері арқылы мотор роторды айналдыру үшін жеткілікті күшті тудыра алады, ал генератор сыртқы тізбекке пайдалы қуатты жеткізе алады.

Сақина/сегмент құрылысы

Коммутатор – айналмалы машинаның немесе ротордың шеңберінің бір бөлігіне бекітілген мыс сегменттерінің жиынтығынан және машинаның тұрақты қаңқасына бекітілген серіппелі щеткалардың жиынтығынан тұрады. Екі немесе одан көп тұрақты щетка сыртқы тізбекке қосылады, ол қозғалтқыш үшін ток көзі немесе генератор үшін жүктеме болып табылады. Коммутатор сегменттері арматура орамдарына қосылады, орамдардың саны (және коммутатор сегменттері) машинаның жылдамдығы мен кернеуіне байланысты. Ірі қозғалтқыштарда жүздеген сегменттер болуы мүмкін. Коммутатордың әрбір өткізгіш сегменті жанындағы сегменттерден оқшауланған. Мика ерте машиналарда қолданылған және әлі де ірі машиналарда қолданылады. Кіші машиналарды оқшаулау үшін көптеген басқа оқшаулау материалдары қолданылады, мысалы, пластиктер оқшаулауды жылдам жасауға мүмкіндік береді. Сегменттер әр сегменттің жиегінде немесе төменгі жағында ласточкин құйрық тәрізді бекітіледі. Әр сегменттің периметріне оқшаулағыш клиндер орнатылады, осылайша коммутатор қалыпты жұмыс істеу кезінде механикалық тұрақтылығын сақтайды. Шағын құралдар мен қозғалтқыштарда сегменттер әдетте қатаң бекітіліп, алынып тасталмайды. Қозғалтқыш істен шықса, ол тасталып, жаңасымен ауыстырылады. Ірі өнеркәсіптік машиналарда (мысалы, бірнеше киловаттан мыңдаған киловатқа дейін) жеке зақымдалған сегменттерді ауыстыру тиімді, сондықтан соңғы клин бұралып алынып, жеке сегменттер алынып, жаңалары орнатылады. Мыс және мика сегменттерін ауыстыруды әдетте «толтыру» дейді. Толтырылатын ласточкин құйрықты коммутаторлар – ірі өнеркәсіптік типтегі коммутаторлардың ең көп таралған түрі, бірақ толтырылатын коммутаторлар шыны талшықтан жасалған сыртқы жолақтармен (шыны жолақты конструкция) немесе жасалған болат сақиналармен (сыртқы болаттан жасалған қысқыш сақина және ішкі болаттан жасалған қысқыш сақина) де құрастырылуы мүмкін. Кіші тұрақты ток қозғалтқыштарында қолданылатын бір реттік қалыпталған коммутаторлар үлкен электр қозғалтқыштарында жиірек кездеседі. Қалыпталған коммутаторларды жөндеуге болмайды және олар зақымдалған жағдайда ауыстырылуы керек. Коммутаторларды дайындаудың әдеттегі жылу, серпімді күш және тоннаж әдістерінен басқа, кейбір жоғары өнімділіктері бар қолданулар үшін жеке сегменттердің тұрақтылығын қамтамасыз ету және көміртекті щеткалардың ерте тозуын болдырмау үшін қымбат, арнайы «айналу дайындау» процесі немесе жоғары жылдамдықты сынақтан өткізу қажет. Мұндай талаптар тарту, әскери, ғарыш, ядролық, кен өндіру және жоғары жылдамдықты қолдануларда жиі кездеседі, онда қысқыш бұзылуы және сегмент немесе оқшаулаудың сыртқа шығуы ауыр жағымсыз салдарға әкелуі мүмкін. Сегменттер мен щеткалар арасындағы үйкеліс екі беттің де тозуына себеп болады. Көміртекті щеткалар жұмсақ материалдан жасалғандықтан, тез тозығып, машинаны бөлшектемей-ақ оңай ауыстыруға болатын етіп жасалуы мүмкін. Ескі мыс щеткалар коммутатордың тез тозуына себеп болып, бетінде терең ойыстар мен кескіштердің пайда болуына әкелді. Кіші қозғалтқыштардағы коммутатор (мысалы, киловаттан кем) құрылғының қызмет ету мерзімі ішінде жөндеуге арналмаған. Ірі өнеркәсіптік жабдықтарда коммутаторды абразивтермен қайта беттеп жаңартса болады немесе роторды рамадан алып, үлкен металл токарлық станогына орнатып, коммутаторды диаметрін кішірейте кесу арқылы қайта беттеп жаңартса болады. Ең ірі жабдықтарға коммутатордың үстінде тікелей токарлық станок орнатылуы мүмкін.

A commutator consists of a set of copper segments, fixed around the part of the circumference of the rotating machine, or the rotor, and a set of spring loaded brushes fixed to the stationary frame of the machine. Two or more fixed brushes connect to the external circuit, either a source of current for a motor or a load for a generator. Commutator segments are connected to the coils of the armature, with the number of coils (and commutator segments) depending on the speed and voltage of the machine. Large motors may have hundreds of segments. Each conducting segment of the commutator is insulated from adjacent segments. Mica was used on early machines and is still used on large machines. Many other insulating materials are used to insulate smaller machines; plastics allow quick manufacture of an insulator, for example. The segments are held onto the shaft using a dovetail shape on the edges or underside of each segment. Insulating wedges around the perimeter of each segment are pressed so that the commutator maintains its mechanical stability throughout its normal operating range. In small appliance and tool motors the segments are typically crimped permanently in place and cannot be removed. When the motor fails it is discarded and replaced. On large industrial machines (say, from several kilowatts to thousands of kilowatts in rating) it is economical to replace individual damaged segments, and so the end wedge can be unscrewed and individual segments removed and replaced. Replacing the copper and mica segments is commonly referred to as "refilling". Refillable dovetailed commutators are the most common construction of larger industrial type commutators, but refillable commutators may also be constructed using external bands made of fiberglass (glass banded construction) or forged steel rings (external steel shrink ring type construction and internal steel shrink ring type construction). Disposable, molded type commutators commonly found in smaller DC motors are becoming increasingly more common in larger electric motors. Molded type commutators are not repairable and must be replaced if damaged. In addition to the commonly used heat, torque, and tonnage methods of seasoning commutators, some high performance commutator applications require a more expensive, specific "spin seasoning" process or over speed spin testing to guarantee stability of the individual segments and prevent premature wear of the carbon brushes. Such requirements are common with traction, military, aerospace, nuclear, mining, and high speed applications where clamping failure and segment or insulation protrusion can lead to serious negative consequences. Friction between the segments and the brushes eventually causes wear to both surfaces. Carbon brushes, being made of a softer material, wear faster and may be designed to be replaced easily without dismantling the machine. Older copper brushes caused more wear to the commutator, causing deep grooving and notching of the surface over time. The commutator on small motors (say, less than a kilowatt rating) is not designed to be repaired through the life of the device. On large industrial equipment, the commutator may be re surfaced with abrasives, or the rotor may be removed from the frame, mounted in a large metal lathe, and the commutator resurfaced by cutting it down to a smaller diameter. The largest of equipment can include a lathe turning attachment directly over the commutator.

Қылқалам құрылымы

Алғашқы машиналар коммутатордың бетін тигізу үшін мыс сымдарынан жасалған щеткаларды пайдаланды. Бірақ, бұл қатты металл щеткалар тегіс коммутатор сегменттерін сызып, ойықтар жасады, нәтижесінде коммутатордың бетін қайта жаңарту қажет болды. Мыс щеткалар тозығынан кейін, щетканың ұнтағы мен бөліктері коммутатор сегменттерінің арасына кіріп, оларды қысқа тұйықтатып, құрылғының тиімділігін төмендетуі мүмкін. Жұқа мыс сым торы немесе марля жақсы беттік байланыс жасады және сегменттердің тозуын азайтты, бірақ марля щеткалары жолақты немесе сымды мыс щеткалардан қымбат болды. Қазіргі заманғы айналмалы машиналардың коммутаторларында көмір щеткалары дерлік толығымен қолданылады, олардың өткізгіштігін жақсарту үшін мыс ұнтағы қосылуы мүмкін. Металл мыс щеткаларын ойыншықтарда немесе жоғарыда көрсетілгендей өте кішкентай моторларда, сондай-ақ автомобильдің стартерлері сияқты сирек жұмыс істейтін моторларда кездестіруге болады. Моторлар мен генераторлар "арматура реакциясы" деп аталатын құбылыстан зардап шегеді, оның бірі – жүктеме өзгерер кезде орамдар арқылы ток кері айналуы керек жағдайдың өзгеруі. Алғашқы машиналарда щеткалар тұтқасы бар сақинаға бекітілген. Жұмыс істеу кезінде щеткалардағы ұшқынды азайту үшін коммутацияны реттеу үшін щетка сақинасының орнын өзгерту қажет болды. Бұл процеске "щетканы шайқау" деп аталды. Коммутацияны реттеу процесін автоматтандыру және щеткалардағы ұшқынды азайту үшін түрлі әзірлемелер жасалды. Олардың бірі – мыс ұнтағы мен көмірдің қоспасынан жасалған "жоғары кедергілі щеткалар" болды. Бұл щеткалар жоғары кедергілі деп сипатталғанмен, олардың кедергісі миллиомдар шамасында болды, нақты мәні машинаның өлшемі мен функциясына байланысты. Сонымен қатар, жоғары кедергілі щетка щетка сияқты емес, коммутатордың пішініне сәйкес келетін қисық беті бар көміртек блогы түрінде жасалған. Жоғары кедергілі немесе көміртек щетка оның астындағы сегменттен әлдеқайда кеңірек жасалған (ал үлкен машиналарда екі сегментті де қамти алады). Нәтижесінде, коммутатор сегменті щетканың астынан өткенде, оған өтетін ток таза мыс щеткаларда болғандай кенеттен үзілмей, бірте-бірте төмендейді. Сол сияқты, щеткамен жанасатын сегментке де ток бірте-бірте өседі. Осылайша, щетка арқылы өтетін ток көбінесе тұрақты болғанымен, екі коммутатор сегментіне өтетін мизгелдік ток щеткамен жанасатын беттік ауданына пропорционалды болды. Көміртек щетканың пайда болуының қолайлы жағы да болды. Көміртек щеткалар мыс щеткаларға қарағанда біркелкі тозынады, ал жұмсақ көміртек коммутатор сегменттеріне аз зақым келтіреді. Көміртекпен ұшқынды аз шығарады, және көміртек тозғанда, оның жоғары кедергісі коммутатор сегменттерінде жиналған шаңнан туындайтын проблемаларды азайтады. Мыс пен көміртек арақатынасын белгілі бір мақсатқа қарай өзгертуге болады. Мыс құрамы жоғары щеткалар өте төмен кернеуде және жоғары ток күшінде жақсы жұмыс істейді, ал көміртек құрамы жоғары щеткалар жоғары кернеуде және төмен ток күшінде жақсы жұмыс істейді. Мыс құрамы жоғары щеткалар әдетте контактілік бетінің шаршы дюймына 150-ден 200 амперге дейін ток өткізеді, ал көміртек құрамы жоғары щеткалар тек 40-тан 70 амперге дейін. Көміртек жоғары кедергілі болғандықтан, контактіде 0,8-ден 1,0 вольтке дейін немесе коммутатор арқылы 1,6-дан 2,0 вольтке дейін кернеудің төмендеуіне де себеп болады.

Early machines used brushes made from strands of copper wire to contact the surface of the commutator. However, these hard metal brushes tended to scratch and groove the smooth commutator segments, eventually requiring resurfacing of the commutator. As the copper brushes wore away, the dust and pieces of the brush could wedge between commutator segments, shorting them and reducing the efficiency of the device. Fine copper wire mesh or gauze provided better surface contact with less segment wear, but gauze brushes were more expensive than strip or wire copper brushes. Modern rotating machines with commutators almost exclusively use carbon brushes, which may have copper powder mixed in to improve conductivity. Metallic copper brushes can be found in toy or very small motors, such as the one illustrated above, and some motors which only operate very intermittently, such as automotive starter motors. Motors and generators suffer from a phenomenon known as 'armature reaction', one of the effects of which is to change the position at which the current reversal through the windings should ideally take place as the loading varies. Early machines had the brushes mounted on a ring that was provided with a handle. During operation, it was necessary to adjust the position of the brush ring to adjust the commutation to minimise the sparking at the brushes. This process was known as 'rocking the brushes'. Various developments took place to automate the process of adjusting the commutation and minimizing the sparking at the brushes. One of these was the development of 'high resistance brushes', or brushes made from a mixture of copper powder and carbon. Although described as high resistance brushes, the resistance of such a brush was of the order of milliohms, the exact value dependent on the size and function of the machine. Also, the high resistance brush was not constructed like a brush but in the form of a carbon block with a curved face to match the shape of the commutator. The high resistance or carbon brush is made large enough that it is significantly wider than the insulating segment that it spans (and on large machines may often span two insulating segments). The result of this is that as the commutator segment passes from under the brush, the current passing to it ramps down more smoothly than had been the case with pure copper brushes where the contact broke suddenly. Similarly the segment coming into contact with the brush has a similar ramping up of the current. Thus, although the current passing through the brush was more or less constant, the instantaneous current passing to the two commutator segments was proportional to the relative area in contact with the brush. The introduction of the carbon brush had convenient side effects. Carbon brushes tend to wear more evenly than copper brushes, and the soft carbon causes far less damage to the commutator segments. There is less sparking with carbon as compared to copper, and as the carbon wears away, the higher resistance of carbon results in fewer problems from the dust collecting on the commutator segments. The ratio of copper to carbon can be changed for a particular purpose. Brushes with higher copper content perform better with very low voltages and high current, while brushes with a higher carbon content are better for high voltage and low current. High copper content brushes typically carry 150 to 200 amperes per square inch of contact surface, while higher carbon content only carries 40 to 70 amperes per square inch. The higher resistance of carbon also results in a greater voltage drop of 0.8 to 1.0 volts per contact, or 1.6 to 2.0 volts across the commutator.

Қалқа ұстағыштары

Коммутатормен тұрақты байланыс орнату үшін көбінесе щеткамен бірге пружина қолданылады. Щетка мен коммутатор тозығында, пружина щетканы коммутаторға қарай бірте-бірте итеріп отырады. Әрі қарай щетка кішкентай да жұқа болып тозып, тұрақты байланыс мүмкін болмайды немесе ол щетка ұстағышында сенімді түрде бекітілмейді, сондықтан щетканы ауыстыру қажет. Ток өткізу кабелі әдетте тікелей щеткаға қосылады, себебі қолдау пружинасы арқылы өтетін ток қызуға себеп болады, бұл металлдың қасиеттерін жоғалтуға және пружинаның серпімін азайтуға әкелуі мүмкін. Коммутацияланатын мотор немесе генератор бір щетка өткізе алатын қуаттан артық қуатты пайдаланғанда, бірнеше щетка ұстағыштарынан тұратын жиынтық, өте үлкен коммутатордың бетіне параллель орнатылады. Бұл параллель ұстағыш токты барлық щеткаларға тең бөліп береді және тәжірибелі операторқа нашар щетканы алып тастап, оны жаңасына ауыстыруға мүмкіндік береді, тіпті машина толық қуатпен және жүктемемен айналып тұрғанда да. Жоғары қуатты, жоғары токты коммутацияланатын жабдықтар қазір сирек кездеседі, себебі айнымалы ток генераторларының қарапайым дизайны, төмен токты, жоғары кернеулі айналмалы өріс орамдарының жоғары токты тұрақты статор орамдарына қуат беруіне мүмкіндік береді. Бұл генератор конструкциясында өте кішкентай жеке щеткаларды пайдалануға болады. Мұндай жағдайда айналмалы контактілер үздіксіз сақиналар түрінде болады, олар сырғанақ сақиналар деп аталады, және ешқандай ауысу болмайды. Көміртекті щеткаларды қолданатын қазіргі заманғы құрылғылар көбінесе қызмет мерзімі бойына реттеуді қажет етпейтін, техникалық қызмет көрсетусіз дизайнға ие, олар тұрақты щетка ұстағыш ұясымен және ұяға орналасатын біріктірілген щетка-пружиналы кабель жиынтығымен жабдықталған. Тозығы жеткен щетканы алып тастап, жаңа щетка орнатылады.

Қалқаның түйісу бұрышы

Әр түрлі щеткалар коммутатормен әртүрлі тәсілмен жанасады. Мыс щеткалардың қатаңдығы коммутатор сегменттерінің қатаңдығымен бірдей болғандықтан, роторды мыс щеткалардың ұштарына қарсы айналдыруға болмайды, себебі мыс сегменттерге кіріп, ауыр зақымдануға себеп болуы мүмкін. Осылайша, жолақты/ламинатталған мыс щеткалар коммутатормен тек жанама түрде жанасады, ал мыс торлы және сымды щеткалар еңіс бұрышпен жанасады, олардың шеті коммутатор сегменттеріне тиеді, ол тек бір бағытта ғана айналуы мүмкін. Көміртекті щеткалардың жұмсақтығы сегменттерге зақым келтірмей, ротор бағытын оңай өзгертуге мүмкіндік беретін радиалды ұшымен коммутатормен тікелей жанасуға мүмкіндік береді, щеткаларды кері бағытта жұмыс істеу үшін қайта бағыттау қажеттілігін жояды. Бұрылуы ешқашан қажет болмаса да, оралған роторларды, коммутаторларды және щеткаларды пайдаланатын тұрмыстық электр моторында радиалды контактілі щеткалар қолданылады. Реакциялық типтегі көмір щетка ұстағышында көмір щеткалар коммутаторға кері бұрылуы мүмкін, сонда коммутатор көмірге тығыз жанасу үшін итеруге бейім болады.

Коммутациялық ұшақ

Коммутаторды щеткамен жанасатын нүкте коммутациялық жазықтық деп аталады. Коммутаторға жеткілікті ток өткізу үшін щетканың жанасу ауданы жұқа сызық емес, сегменттер бойындағы тікбұрышты бөлік болып келеді. Әдетте, щетка 2,5 коммутатор сегментін қамтиды. Яғни, щетка екі жанындағы сегменттерге бір мезгілде тиген кезде оларды электрлік тұрғыдан байланыстырады.

Статор өрісінің бұрмалануын қамтамасыз ететін щеткаларды айналдыру

Моторлар мен генераторларды жобалауға кіріспелердің көпшілігі екі полюсті қарапайым құрылғыдан басталады, онда щеткалар өріске қатысты 90 градусқа тура бұрышпен орналастырылған. Бұл идеал өрістердің өзара әрекеттесуін түсіну үшін пайдалы бастапқы нүкте болып табылады, бірақ мотордың немесе генератордың нақты практикада қалай жұмыс істейтінінен өзгеше. Сол жақтағы суретте ротордың өрісті қалай бұрмалайтынының шамадан тыс мысалы көрсетілген. Оң жақтағы темір ұнтақтары ротордың айналасындағы бұрмаланған өрісті көрсетеді. Нағыз моторда немесе генераторда ротордың айналасындағы өріс ешқашан толыққанды біркелкі болмайды. Керісінше, ротордың айналуы сыртқы, айналмауы керек статордың магниттік сызықтарын сүйреп, бұрмалайтын өріс әсерін тудырады. Ротордың айналу жылдамдығы жоғарылаған сайын, өрістің бұрмалану дәрежесі де артады. Мотор немесе генератор ротор өрісі статор өрісіне тік бұрышта болғанда ең тиімді жұмыс істейтіндіктен, ротор өрісін бұрмаланған өріске қатысты дұрыс бұрышта орналастыру үшін щетканың орнын кейінге қарай жылжыту немесе алға жылжыту қажет. Бұл өріс әсерлері айналу бағыты өзгергенде кері өзгереді. Сондықтан, ең жоғары өріс күші үшін щеткаларды қалыпты бейтарап жазықтықтың қарама-қарсы жағына жылжыту қажет болғандықтан, тиімді кері ауыстырылатын коммутациялық динамо құрастыру қиын. Бұл әсерлерді өріс полюсінің бетіндегі, арматура тогын өткізетін компенсациялық орам арқылы азайтуға болады. Бұл әсерді ішкі жану қозғалтқышындағы уақытты алдын ала баптауға (timing advance) ұқсас деп қарастыруға болады. Әдетте, белгілі бір тұрақты жылдамдықпен жұмыс істеуге арналған динамоның щеткалары осы жылдамдықта ең жоғары тиімділікке қол жеткізу үшін өрісті туралау үшін бекітіліп қойылады.

Өзін-өзі іске қосу үшін қосымша өтемақы

Өзін-өзі индукциялау – Сымның әрбір орамасындағы магниттік өрістер бірігіп, тоқтың өзгеруіне қарсы тұратын магниттік өріс құрайды, бұл тоқтың инерциясымен салыстырылуы мүмкін. Ротордың орамдарында, тіпті щеткаға жеткеннен кейін де, ток қысқа мерзімге ағып отыруға бейім, нәтижесінде щетка бірнеше коммутатор сегментінен өтетініне және сегменттерде ток қысқа тұйықталып, жылу түрінде энергия ысырап болатынына себеп болады. Кері кедергі – арматура орамасындағы кедергінің арматура жылдамдығына пропорционалды түрде көтерілуі және токтан қалыстың салдарынан туындайтын құбылыс. Бұл қысқа тұйықталудан туындайтын щеткалардың ұшқынын азайту үшін, щеткалар өріс бұрмалануына арналған алға жылжудан бірнеше градусқа одан әрі жылжытылады. Бұл коммутациядан өтетін ротор орамасын статор өрісіне сәл алға жылжытады, онда магниттік сызықтар қарама-қарсы бағытта болады және статордағы өріске қарсы тұрады. Бұл қарсы өріс статордағы өзін-өзі индукциялайтын токты теріске шығаруға көмектеседі. Сондықтан, тіпті тоқтаған ротор үшін де, бастапқыда айналу өрісінің бұрмалануын өтеу қажет болмаса да, щеткалар көптеген бастауыш оқулықтарында көрсетілгендей, 90 градус бұрыштан асып, өзін-өзі индукциялауды өтеуге тиіс.

Өрістің бұрмалануын түзету үшін интерполдарды пайдалану

Қазіргі заманғы коммутаторлы моторлар мен генераторлар интерполдарды пайдалану арқылы арматура реакциясына қарсы тұра алады. Интерполдар – статордың негізгі полюстерінің шамамен ортасында орналасқан кішкентай далалық орамдар мен полюстік бөліктер. Құрылғының жүктемесі, айналу жылдамдығы немесе айналу бағыты өзгерген кезде интерполдарға динамикалық түрде өзгеретін өріс қолданылады, бұл арматура реакциясынан туындаған өрістің бұрмалануын теңестіруге мүмкіндік береді. Осылайша, щетканың орны өзгермейді және сегменттердегі ұшқындар азайтылады.

Шектеулер мен баламалар

Бір уақытта тұрақты ток моторлары мен динамолар өнеркәсіпте басым болғанмен, коммутатордың кемшіліктері өткен ғасырда коммутацияланған машиналарды қолданудың төмендеуіне әкелді. Бұл кемшіліктер: щеткалар мен коммутатор арасындағы үйкеліс энергияны тұтынады, бұл қуаты төмен машинада маңызды болуы мүмкін. Үйкеліс салдарынан щеткалар мен мыс коммутатор сегменттері тозығып, шаң пайда болады. Электр құралдар мен тұрмыстық техника сияқты кішкентай тұтыну өнімдерінде щеткалар өнімнің қызмет ету мерзіміне дейін жұмыс істеуі мүмкін, бірақ үлкен машиналарға щеткаларды үнемі ауыстыру және кейде коммутаторды қайта жабу қажет. Сондықтан коммутацияланған машиналар аз бөлшекті немесе герметикалық жабынған ортада, немесе ұзақ уақыт бойы техникалық қызмет көрсетусіз жұмыс істеуі керек жабдықтарда қолданылмайды. Щетка мен коммутатор арасындағы жылжымалы контактінің кедергісі "щетка құлдырауы" деп аталатын кернеудің төмендеуіне себеп болады. Бұл бірнеше вольтқа жете алады, сондықтан төмен кернеулі, жоғары токты машиналарда үлкен қуат шығынына әкеледі. Коммутаторды пайдаланбайтын ауыспалы ток моторлары әлдеқайда тиімді. Коммутатормен коммутацияланатын ток тығыздығы мен кернеуінің шегі бар. Бірнеше мегаватттан асатын өте үлкен тұрақты ток машиналары коммутаторлармен жасалмайды. Ең үлкен моторлар мен генераторлар – ауыспалы ток машиналары. Коммутатордың коммутациялық әрекеті контактілерде ұшқын шығаруға себеп болады, бұл жарылғыш атмосферада өрт қаупін тудырады және электромагниттік кедергілерді жасайды. Ауыспалы ток кеңінен қолжетімді болғандықтан, тұрақты ток моторлары тиімді ауыспалы ток синхронды немесе индукциялық моторлармен ауыстырылды. Соңғы жылдары қуатты жартылай өткізгіштердің кеңінен қолданылуымен, көптеген қолданыстарда коммутацияланған тұрақты ток моторлары "щеткасыз тұрақты ток моторларымен" ауыстырылды. Бұлардың коммутаторы жоқ; керісінше, ток бағыты электрондық түрде өзгертіледі. Сенсор ротордың орнын қадағалайды және транзисторлар сияқты жартылай өткізгіштің түрлендіргіштері ток ағынын кері бұрады. Бұл машиналардың қызмет ету мерзімі әлдеқайда ұзақ, негізінен подшипниктердің тозуымен шектеледі.

Although direct current motors and dynamos once dominated industry, the disadvantages of the commutator have caused a decline in the use of commutated machines in the last century. These disadvantages are:
The sliding friction between the brushes and commutator consumes power, which can be significant in a low power machine. Due to friction, the brushes and copper commutator segments wear down, creating dust. In small consumer products such as power tools and appliances the brushes may last as long as the product, but larger machines require regular replacement of brushes and occasional resurfacing of the commutator. So commutated machines are not used in low particulate or sealed applications or in equipment that must operate for long periods without maintenance. The resistance of the sliding contact between brush and commutator causes a voltage drop called the "brush drop". This may be several volts, so it can cause large power losses in low voltage, high current machines. Alternating current motors, which do not use commutators, are much more efficient. There is a limit to the maximum current density and voltage which can be switched with a commutator. Very large direct current machines, say, more than several megawatts rating, cannot be built with commutators. The largest motors and generators are all alternating current machines. The switching action of the commutator causes sparking at the contacts, posing a fire hazard in explosive atmospheres, and generating electromagnetic interference. With the wide availability of alternating current, DC motors have been replaced by more efficient AC synchronous or induction motors. In recent years, with the widespread availability of power semiconductors, in many remaining applications commutated DC motors have been replaced with "brushless direct current motors". These don't have a commutator; instead the direction of the current is switched electronically. A sensor keeps track of the rotor position and semiconductor switches such as transistors reverse the current. Operating life of these machines is much longer, limited mainly by bearing wear.

Индукциялық тежегіш қозғалтқыштар

Бұл жоғары сыйымдылықты (поляр емес, салыстырмалы түрде жоғары токты электролиттік) бастау конденсаторлары қолданысқа енгенге дейін, бөлінген фазалық бастау орамдарымен қол жеткізілетіннен артық бастапқы айналу моментіне ие бір фазалы AC моторлары. Оларда кез келген индукциялық мотордағы сияқты дәстүрлі ораулы статор бар, бірақ сымды оралған ротор дәстүрлі коллекторға ұқсас. Бір-біріне қарама-қарсы орналасқан щеткалар бір-біріне қосылады (сыртқы тізбекке емес), ал трансформаторлық әрекет роторда ток тудырады, ол керітеу арқылы айналу моментін жасайды. Айналу жылдамдығын реттеуге мүмкіндігі бар бір түрі щеткалар тігізілген күйде үздіксіз жұмыс істейді, ал екіншісі тек жоғары бастапқы айналу моментін пайдаланып, кейбір жағдайларда мотор жеткілікті жылдамдыққа жеткен кезде щеткаларды көтереді. Соңғы жағдайда, мотор жұмыс жылдамдығына жеткенге дейін барлық коллектор сегменттері де біріктіріледі. Жылдамдыққа жеткеннен кейін ротор орамдары дәстүрлі индукциялық мотордың қысқа тұйықталған ротор құрылымымен функционалды түрде тең болады және мотор осылай жұмыс істейді.

Зертханалық коммутаторлар

Коммутаторлар физика зертханаларында электрлік тәжірибелер үшін қарапайым алға және кері бағытты қосқыштар ретінде қолданылды. Екі танымал тарихи түрі бар:

Румкорф коммутаторы

Бұл конструкциясы бойынша моторлар мен динамоларда қолданылатын коммутаторларға ұқсас. Ол көбінесе жезден және пил сүйегінен (кейінірек эбониттен) жасалған.

Pohl коммутаторы

Бұл төрт ұңғылы ағаш немесе эбониттен жасалған блок, ішінде сынап бар, және олар мыс сымдармен өзара байланыстырылған. Шығыс сигналды алу үшін иісті мыс сымдар жұбы қолданылады, олар кезекпен бір немесе екінші жұп сынап ұңғымасына енгізіледі. Сынаптың орнына иондық сұйықтықтар немесе галинстан сияқты басқа сұйық металдарды да пайдалануға болады.

Патенттер

Элиу Томсон Динамо электр машиналарына арналған коммутаторлар 1881 жылдың 7 маусымы. Генри Джейкобс Магнит электр машиналарына арналған коммутатор 1881 жылдың 6 қыркүйегі. Фрэнк Б. Рей және Кларенс Л. Хили Динамо немесе магниттік электр машиналарына арналған коммутатор 1884 жылдың 26 ақпаны. Никола Тесла Динамо электр машиналарына арналған коммутатор 1886 жылдың 26 қаңтары. Томас Э. Адамс Динамо электр машиналарына арналған коммутатор 1886 жылдың 27 сәуірі. Никола Тесла Динамо электр машиналарына арналған коммутатор 1888 жылдың 15 мамыры.