Введение
Коммутатор – это роторный электрический переключатель в определенных типах электродвигателей и электрогенераторов, который периодически меняет направление тока между ротором и внешней цепью. Он состоит из цилиндра, образованного множеством металлических контактных сегментов на вращающейся арматуре машины. Два или более электрических контакта, называемых "щетками", изготовленных из мягкого проводящего материала, такого как углерод, прижимаются к коммутатору, обеспечивая скользящий контакт с последовательными сегментами коммутатора при его вращении. Обмотки (катушки из проволоки) на арматуре соединены с сегментами коммутатора. Коммутаторы используются в машинах постоянного тока: динамо (генераторах постоянного тока) и многих двигателях постоянного тока, а также в универсальных двигателях. В двигателе коммутатор подает электрический ток в обмотки. Меняя направление тока во вращающихся обмотках при каждом полуобороте, создается устойчивая вращающая сила (крутящий момент). В генераторе коммутатор снимает ток, генерируемый в обмотках, меняя направление тока при каждом полуобороте, выполняя функцию механического выпрямителя для преобразования переменного тока из обмоток в однонаправленный постоянный ток во внешней нагрузочной цепи. Первая машина постоянного тока с коммутатором, динамо, была построена Ипполитом Пикси в 1832 году на основе предложения Андре-Мари Ампера. Коммутаторы относительно неэффективны и также требуют периодического обслуживания, такого как замена щеток. Поэтому коммутируемые машины постепенно выводятся из эксплуатации, заменяясь машинами переменного тока и, в последние годы, бесщеточными двигателями постоянного тока, использующими полупроводниковые переключатели.
A commutator is a rotary electrical switch in certain types of electric motors and electrical generators that periodically reverses the current direction between the rotor and the external circuit. It consists of a cylinder composed of multiple metal contact segments on the rotating armature of the machine. Two or more electrical contacts called "brushes" made of a soft conductive material like carbon press against the commutator, making sliding contact with successive segments of the commutator as it rotates. The windings (coils of wire) on the armature are connected to the commutator segments. Commutators are used in direct current (DC) machines: dynamos (DC generators) and many DC motors as well as universal motors. In a motor the commutator applies electric current to the windings. By reversing the current direction in the rotating windings each half turn, a steady rotating force (torque) is produced. In a generator the commutator picks off the current generated in the windings, reversing the direction of the current with each half turn, serving as a mechanical rectifier to convert the alternating current from the windings to unidirectional direct current in the external load circuit. The first direct current commutator type machine, the dynamo, was built by Hippolyte Pixii in 1832, based on a suggestion by André Marie Ampère. Commutators are relatively inefficient, and also require periodic maintenance such as brush replacement. Therefore, commutated machines are declining in use, being replaced by alternating current (AC) machines, and in recent years by brushless DC motors which use semiconductor switches. TOC
Принцип действия
Коммутатор состоит из набора контактных стержней, закрепленных на вращающемся валу машины и соединенных с обмотками якоря. По мере вращения вала коммутатор меняет направление тока в обмотке. Для одной обмотки якоря, когда вал совершает полуоборот, обмотка подключается таким образом, что ток течет через нее в направлении, противоположном исходному. В двигателе ток якоря создает вращающую силу, или крутящий момент, со стороны неподвижного магнитного поля на обмотку, заставляя ее вращаться. В генераторе механический крутящий момент, приложенный к валу, поддерживает движение обмотки якоря в неподвижном магнитном поле, индуцируя в обмотке ток. В обоих случаях – в двигателе и в генераторе – коммутатор периодически меняет направление тока в обмотке, обеспечивая однонаправленный ток во внешней цепи машины.
Простейший практический коммутатор
Практические коммутаторы имеют как минимум три контактных сегмента, чтобы избежать "мёртвой зоны", где две щетки одновременно замыкают только два сегмента коммутатора. Щетки делают шире изолированного зазора, чтобы гарантировать постоянный контакт с обмоткой якоря. Для коммутаторов с тремя и более сегментами, хотя ротор потенциально может остановиться в положении, когда два сегмента коммутатора касаются одной щетки, это лишь обесточивает одну из обмоток ротора, в то время как остальные продолжают работать нормально. Благодаря оставшимся обмоткам ротора, двигатель может создать достаточный крутящий момент для начала вращения ротора, а генератор – обеспечить полезную мощность во внешней цепи.
Конструкция кольца/сегмента
Коммутатор состоит из набора медных сегментов, закрепленных по окружности вращающейся машины, или ротора, и набора пружинных щеток, закрепленных на неподвижном корпусе машины. Две или более неподвижных щеток подключаются к внешней цепи – источнику тока для двигателя или нагрузке для генератора. Сегменты коммутатора соединены с обмотками якоря, при этом количество обмоток (и сегментов коммутатора) зависит от скорости и напряжения машины. В больших двигателях может быть несколько сотен сегментов. Каждый токопроводящий сегмент коммутатора изолирован от соседних сегментов. Мика использовалась в ранних машинах и до сих пор применяется в крупных машинах. Для изоляции небольших машин используются различные другие изоляционные материалы; например, пластик позволяет быстро изготавливать изоляторы. Сегменты удерживаются на валу с помощью хвостовикового соединения на краях или нижней стороне каждого сегмента. Изоляционные клинья по периметру каждого сегмента прижимаются таким образом, чтобы коммутатор сохранял свою механическую стабильность во всем нормальном диапазоне рабочих условий. В небольших двигателях для бытовой техники и инструментов сегменты обычно запрессовываются намертво и не подлежат снятию. При выходе двигателя из строя его утилизируют и заменяют. В больших промышленных машинах (например, 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 "восстановлением". Коммутаторы с возможностью восстановления и хвостовиковым соединением являются наиболее распространенной конструкцией крупных промышленных коммутаторов, но коммутаторы с возможностью восстановления также могут быть изготовлены с использованием внешних полос из стекловолокна (конструкция с стекловолоконной обмоткой) или кованых стальных колец (конструкция с внешним стальным обжимным кольцом и конструкция с внутренним стальным обжимным кольцом). Формованные одноразовые коммутаторы, обычно используемые в небольших двигателях постоянного тока, становятся все более распространенными и в больших электродвигателях. Формованные коммутаторы не подлежат ремонту и должны быть заменены в случае повреждения. Помимо общепринятых методов обкатки коммутаторов, основанных на нагреве, крутящем моменте и давлении, некоторые высокопроизводительные применения коммутаторов требуют более дорогостоящего специализированного процесса "динамической обкатки" или испытаний на превышение скорости для обеспечения стабильности отдельных сегментов и предотвращения преждевременного износа угольных щеток. Такие требования типичны для тяговых, военных, аэрокосмических, ядерных, горнодобывающих и высокоскоростных применений, где отказ крепления и выдавливание 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 могут быть спроектированы для легкой замены без разборки машины. Старые медные щетки вызывали больший износ коммутатора, приводя к глубоким канавкам и надрезам на поверхности со временем. Коммутатор в небольших двигателях (например, мощностью менее киловатта) не предназначен для ремонта в течение всего срока службы устройства. В большом промышленном оборудовании коммутатор можно восстановить с помощью абразивов, или ротор можно снять с корпуса, установить в большой токарный станок и восстановить коммутатор, уменьшив его диаметр. Крупнейшее оборудование может включать в себя токарный узел непосредственно над коммутатором.
Конструкция кисти
Ранние машины использовали щетки, изготовленные из медных проволок, для контакта с поверхностью коммутатора. Однако эти твердые металлические щетки имели тенденцию царапать и образовывать канавки на гладких сегментах коммутатора, что в конечном итоге требовало восстановления поверхности коммутатора. По мере износа медных щеток пыль и частицы щетки могли заклиниваться между сегментами коммутатора, вызывая короткое замыкание и снижая эффективность устройства. Медная сетка или марля обеспечивали лучший контакт с поверхностью и меньший износ сегментов, но марлевые щетки были дороже полосковых или проволочных медных щеток. Современные вращающиеся машины с коммутаторами почти исключительно используют угольные щетки, в которые может добавляться медный порошок для повышения электропроводности. Медные щетки можно встретить в игрушечных или очень маленьких двигателях, таких как показанный выше, а также в некоторых двигателях, работающих лишь кратковременно, например, в автомобильных стартерах. Двигатели и генераторы подвержены явлению, известному как «реакция якоря», одним из эффектов которого является изменение оптимальной точки переключения тока в обмотках в зависимости от нагрузки. В ранних машинах щетки крепились к кольцу с ручкой. Во время работы необходимо было регулировать положение кольца с щетками для настройки коммутации и минимизации искрения. Этот процесс назывался «подстраиванием щеток». Было разработано несколько решений для автоматизации процесса регулировки коммутации и уменьшения искрения. Одним из них было создание «высокоомных щеток», или щеток, изготовленных из смеси медного порошка и угля. Несмотря на название «высокоомные», сопротивление такой щетки составляло порядка миллиом, точное значение зависело от размера и назначения машины. Кроме того, высокоомная щетка не имела конструкции обычной щетки, а представляла собой угольный блок с изогнутой поверхностью, соответствующей форме коммутатора. Высокоомная или угольная щетка изготавливается достаточно широкой, чтобы значительно перекрывать изолирующий сегмент, на который она опирается (а на больших машинах может перекрывать даже два изолирующих сегмента). В результате, когда сегмент коммутатора проходит под щеткой, ток, поступающий на него, уменьшается более плавно, чем в случае с чисто медными щетками, где контакт разрывался внезапно. Аналогично, сегмент, входящий в контакт со щеткой, испытывает плавное увеличение тока. Таким образом, хотя ток, протекающий через щетку, оставался более или менее постоянным, мгновенный ток, поступающий к двум сегментам коммутатора, был пропорционален относительной площади контакта с щеткой. Введение угольной щетки имело полезные побочные эффекты. Угольные щетки изнашиваются более равномерно, чем медные, а мягкий уголь наносит гораздо меньше повреждений сегментам коммутатора. Искрение при использовании угля меньше, чем при использовании меди, и по мере износа угля его более высокое сопротивление приводит к меньшему количеству проблем, связанных с накоплением пыли на сегментах коммутатора. Соотношение меди к углю можно изменять в зависимости от конкретной задачи. Щетки с более высоким содержанием меди лучше работают при очень низком напряжении и высоком токе, а щетки с более высоким содержанием угля – при высоком напряжении и низком токе. Щетки с высоким содержанием меди обычно выдерживают 150–200 ампер на квадратный дюйм контактной поверхности, в то время как щетки с более высоким содержанием угля – всего 40–70 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 весь коммутатор.
Удерживающие кисти
Пружина обычно используется с щеткой для поддержания постоянного контакта с коллектором. По мере износа щетки и коллектора пружина постоянно подталкивает щетку вниз к коллектору. В конечном итоге щетка изнашивается настолько, что постоянный контакт становится невозможным или она больше не надежно фиксируется в держателе щетки, и, следовательно, щетку необходимо заменить. Часто гибкий силовой кабель подключается непосредственно к щетке, поскольку прохождение тока через опорную пружину может вызвать нагрев, что может привести к потере закалки металла и ослаблению пружины. Когда коммутаторный двигатель или генератор потребляет больше мощности, чем может проводить одна щетка, на поверхности очень большого коллектора параллельно устанавливается несколько держателей щеток. Этот параллельный держатель равномерно распределяет ток между всеми щетками и позволяет квалифицированному оператору извлечь неисправную щетку и заменить ее новой, даже когда машина продолжает вращаться под полной нагрузкой. Высокомощное коммутаторное оборудование с высоким током в настоящее время встречается редко из-за более простой конструкции генераторов переменного тока, позволяющей низкотоковой, высоковольтной вращающейся обмотке возбуждения питать высокотоковые обмотки статора фиксированного положения. Это позволяет использовать очень маленькие отдельные щетки в конструкции генератора. В этом случае вращающиеся контакты представляют собой непрерывные кольца, называемые контактными кольцами, и переключения не происходит. Современные устройства, использующие угольные щетки, обычно имеют конструкцию, не требующую обслуживания, которая не нуждается в регулировке в течение всего срока службы устройства, используя фиксированный паз для держателя щетки и комбинированный узел пружинного кабеля щетки, который вставляется в этот паз. Изношенную щетку извлекают и вставляют новую.
Угол контакта кисти
Различные типы щеток контактируют с коммутатором по-разному. Поскольку медные щетки имеют ту же твердость, что и сегменты коммутатора, ротор нельзя раскрутить в обратную сторону, прижимая медные щетки к концам сегментов, так как медь может вдавливаться в сегменты, вызывая серьезные повреждения. Следовательно, полосковые/ламинатные медные щетки обеспечивают только тангенциальный контакт с коммутатором, в то время как медные сетчатые и проволочные щетки используют наклонный угол контакта, касаясь ребром сегментов коммутатора, который может вращаться только в одном направлении. Мягкость угольных щеток позволяет прямой радиальный контакт с торцами коммутатора без повреждения сегментов, обеспечивая легкое изменение направления вращения ротора без необходимости переориентировать щеточный узел для работы в противоположном направлении. Хотя на практике это и не делается, обычные двигатели бытовой техники с обмотками на роторе, коммутаторами и щетками используют щетки с радиальным контактом. В случае с реактивным держателем угольной щетки, угольные щетки могут быть наклонены в обратную сторону относительно коммутатора, так что коммутатор прижимается к углю для обеспечения надежного контакта.
Переходящий самолет
Точка контакта, где щетка касается коллектора, называется коммутационной плоскостью. Для обеспечения достаточной силы тока к коллектору или от него, площадь контакта щетки не представляет собой тонкую линию, а является прямоугольной площадкой, охватывающей сегменты. Обычно щетка достаточно широка, чтобы перекрывать 2,5 сегмента коллектора. Это означает, что два соседних сегмента электрически соединены щеткой при контакте с обоими.
Переключение кистей для искажения поля статора
Большинство учебных пособий по проектированию двигателей и генераторов начинаются с рассмотрения простого двухполюсного устройства, у которого щетки расположены под идеальным углом 90 градусов к полю. Эта идеальная модель полезна в качестве отправной точки для понимания взаимодействия полей, но она не отражает реальную работу двигателя или генератора. Слева представлен преувеличенный пример искажения поля ротором. Справа железные опилки демонстрируют искажение поля в области ротора. В реальном двигателе или генераторе поле вокруг ротора никогда не бывает идеально однородным. Вместо этого вращение ротора индуцирует эффекты поля, которые притягивают и искажают магнитные линии внешнего, неподвижного статора. Чем быстрее вращается ротор, тем сильнее это искажение поля. Поскольку двигатель или генератор работает наиболее эффективно, когда поле ротора находится под прямым углом к полю статора, необходимо либо запаздывать, либо опережать положение щеток, чтобы расположить поле ротора под прямым углом к искаженному полю. Эти эффекты поля меняются на противоположные при изменении направления вращения. Поэтому сложно создать эффективное реверсивное коммутаторное динамо, поскольку для достижения максимальной силы поля необходимо перемещать щетки на противоположную сторону от нормальной нейтральной плоскости. Эти эффекты можно уменьшить с помощью компенсационной обмотки, расположенной на полюсной поверхности, по которой протекает ток якоря. Этот эффект можно сравнить с углом опережения зажигания во двигателе внутреннего сгорания. Как правило, динамо, разработанное для работы на определенной фиксированной скорости, имеет щетки, постоянно зафиксированные для выравнивания поля и достижения максимальной эффективности на этой скорости.
Дополнительная компенсация за самоиндукцию
Самоиндукция – Магнитные поля в каждой катушке провода складываются, усиливая друг друга и создавая магнитное поле, которое противодействует изменениям тока, что можно сравнить с инерцией тока. В катушках ротора даже после того, как щетка достигла коммутатора, токи стремятся продолжать течь в течение короткого времени, что приводит к потерям энергии в виде тепла из-за того, что щетка перекрывает несколько сегментов коммутатора и вызывает короткое замыкание между ними. Кажущееся сопротивление – это кажущееся увеличение сопротивления в обмотке якоря, которое пропорционально скорости вращения якоря и вызвано отставанием тока по фазе. Чтобы минимизировать искрение на щетках из-за этого короткого замыкания, щетки смещают на несколько градусов вперед, сверх смещения, необходимого для компенсации искажений поля. Это незначительно перемещает обмотку ротора, находящуюся в процессе коммутации, вперед в поле статора, которое имеет магнитные линии противоположного направления и противодействует полю статора. Это встречное поле помогает обратить отстающий самоиндуцированный ток в статоре. Таким образом, даже для ротора, находящегося в состоянии покоя и изначально не требующего компенсации искажений вращающегося поля, щетки все равно следует смещать за пределы идеального угла в 90 градусов, как это часто преподают в учебниках для начинающих, чтобы компенсировать самоиндукцию.
Использование интерполов для коррекции искажений поля
Современные двигатели и генераторы с коммутаторами способны компенсировать реакцию якоря за счет использования интерполов – небольших обмоток возбуждения и полюсных наконечников, расположенных приблизительно посередине между основными полюсами статора. Путем создания динамически изменяющегося поля в интерполах при изменении нагрузки, скорости вращения или направления вращения устройства, можно сбалансировать искажения магнитного поля, вызванные реакцией якоря, что позволяет зафиксировать положение щеток и минимизировать искрение на коллекторных пластинах.
Ограничения и альтернативы
Хотя двигатели постоянного тока и динамо когда-то доминировали в промышленности, недостатки коммутатора привели к снижению использования коммутируемых машин в прошлом веке. Эти недостатки заключаются в следующем: скользящее трение между щетками и коммутатором потребляет энергию, что может быть существенно для машин малой мощности. Из-за трения щетки и медные коммутаторные сегменты изнашиваются, образуя пыль. В небольших потребительских товарах, таких как электроинструменты и бытовая техника, щетки могут служить столько же, сколько и сам продукт, но в более крупных машинах требуется регулярная замена щеток и периодическая переточка коммутатора. Поэтому коммутируемые машины не применяются в средах с низким содержанием частиц или в герметичных устройствах, а также в оборудовании, которое должно работать длительное время без обслуживания. Сопротивление скользящего контакта между щеткой и коммутатором вызывает падение напряжения, называемое "падением на щетках". Это падение может составлять несколько вольт, что приводит к значительным потерям мощности в машинах с низким напряжением и высоким током. Двигатели переменного тока, не использующие коммутаторы, гораздо эффективнее. Существует предел максимальной плотности тока и напряжения, которые можно коммутировать с помощью коммутатора. Очень большие машины постоянного тока, например, мощностью более нескольких мегаватт, не могут быть построены с коммутаторами. Крупнейшие двигатели и генераторы – это машины переменного тока. Коммутация вызывает искрение в контактах, создавая пожароопасность во взрывоопасных средах и генерируя электромагнитные помехи. С широкой доступностью переменного тока двигатели постоянного тока были заменены более эффективными синхронными или асинхронными двигателями переменного тока. В последние годы, с широким распространением силовых полупроводников, во многих оставшихся областях применения коммутируемые двигатели постоянного тока были заменены "бесколлекторными двигателями постоянного тока". В них отсутствует коммутатор; вместо этого направление тока переключается электронным способом. Датчик отслеживает положение ротора, а полупроводниковые ключи, такие как транзисторы, меняют направление тока. Срок службы этих машин значительно больше и ограничивается в основном износом подшипников.
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.
Репульсивные индукционные двигатели
Это однофазные двигатели переменного тока с более высоким пусковым моментом, чем можно было получить с помощью обмоток фазового сдвига, до того как стали практическими высокоемкостные (неполярные, с относительно высоким пусковым током) пусковые конденсаторы. Они имеют обычный обмотанный статор, как и любой асинхронный двигатель, но проволочная обмотка ротора очень похожа на обмотку с обычным коллектором. Коллекторные щетки, расположенные друг напротив друга, соединены между собой (а не с внешней цепью), а действие трансформатора индуцирует токи в роторе, которые создают крутящий момент за счет отталкивания. Одна разновидность, примечательная регулируемой скоростью, работает непрерывно со щетками в контакте, в то время как другая использует отталкивание только для высокого пускового момента и в некоторых случаях поднимает щетки, когда двигатель набирает достаточную скорость. В последнем случае все сегменты коллектора также соединены вместе, до достижения двигателем рабочей скорости. После достижения скорости обмотки ротора становятся функционально эквивалентны короткозамкнутой обмотке обычного асинхронного двигателя, и двигатель работает как таковой.
Лабораторные коммутаторы
Коммутаторы использовались как простые переключатели для изменения направления тока в электрических экспериментах в физических лабораториях. Существует два известных исторических типа:
Коммутатор Рюмкорффа
Это по конструкции аналогично коммутаторам, используемым в двигателях и динамо-машинах. Обычно он изготавливался из латуни и слоновой кости (позже – эбонита).
Коммутатор Поля
Она состоит из блока дерева или эбонита с четырьмя ячейками, содержащими ртуть, которые соединены между собой перекрестными медными проводниками. Сигнал снимается с пары изогнутых медных проводов, которые перемещаются для погружения в одну или другую пару ртутных ячеек. Вместо ртути можно использовать ионные жидкости или другие жидкие металлы, такие как галинстан.
Патенты
Элиу Томсон Коммутаторы для динамо-электрических машин 7 июня 1881 г. Генри Джейкобс Коммутатор для магнитоэлектрических машин 6 сентября 1881 г. Фрэнк Б. Рей и Кларенс Л. Хили Коммутатор для динамо- или магнитоэлектрических машин 26 февраля 1884 г. Никола Тесла Коммутатор для динамо-электрических машин 26 января 1886 г. Томас Э. Адамс Коммутатор для динамо-электрических машин 27 апреля 1886 г. Никола Тесла Коммутатор для динамо-электрических машин 15 мая 1888 г.