Обзор коммутатора электродвигателя
Английский термин: commutator, также известен как выпрямитель.
Коммутатор, состоящий из щеток и контактных колец, является компонентом на постоянном магнитном последовательном двигателе постоянного тока, который обеспечивает непрерывное вращение двигателя. В некоторых двигателях мы можем увидеть, что в роторе установлен проводящий кольцевой элемент, состоящий из множества медных пластин, который соединяется с внешним источником питания через пару щеток. В случае электродвигателя мы называем этот элемент коммутатором, а в случае генератора — выпрямителем.
Коммутаторы бывают: механические, полимерные и полностью полимерные. В стартерах автомобилей в основном используются механические дуговые коммутаторы и полимерные коммутаторы.
По структуре коммутатор представляет собой несколько контактных пластин, образующих круг, которые соединены с каждой клеммой ротора, а два внешних электрода, называемые щетками, одновременно касаются только двух из них.
Принцип работы заключается в следующем: когда через катушку проходит ток, она начинает вращаться под действием сил притяжения и отталкивания постоянного магнита. Когда катушка достигает положения равновесия с магнитом, контактная пластина коммутатора, соответствующая токопроводящей линии, отделяется от щеток, и щетки соединяются с контактной пластиной катушки, соответствующей создающей движущую силу. Этот процесс повторяется, что позволяет двигателю постоянного тока продолжать вращение.
Без коммутатора двигатель смог бы повернуться только на пол-оборота и затем остановился бы, превращаясь в электромагнитный тормоз. Коммутатор использует центробежную силу, возникающую при вращении двигателя, для управления величиной пускового сопротивления, что позволяет уменьшить пусковой ток двигателя, увеличить пусковой момент и обеспечить работу асинхронного двигателя без щеток и автоматическое управление.
Коммутатор, будучи высокоскоростным вращающимся устройством, подвергает обмотки ротора воздействию электродинамических и центробежных сил. Хотя он работает при номинальных параметрах, соединение обмоток ротора с контактными пластинами коммутатора является слабым звеном из-за использования традиционной технологии пайки оловом. В результате измерения постоянного сопротивления между пластинами и анализа состояния обмоток ротора можно сделать вывод, что соединение обмоток с контактными пластинами ослаблено, что вызывает усталость проводов на концах обмоток, увеличивает контактное сопротивление, вызывает нагрев и ускоряет окисление контактных поверхностей. Это приводит к еще большему увеличению контактного сопротивления и нагрева, создавая порочный круг, который в конечном итоге приводит к повреждению изоляции ротора коммутатора и разрушению устройства из-за дугового разряда.
Результаты разборки коммутатора подтверждают правильность анализа и выводов о состоянии обмоток ротора. В процессе работы коммутатор не только передает продольный ток, но и выполняет задачу коммутации тока в короткозамкнутой обмотке якоря.
Эти токи возникают в результате обратного тока и реактивного напряжения, возникающих при главном токе в электродвигателе, что приводит к искрению и дуге на поверхности коммутатора при скольжении щеток. Влияние коммутатора на работу двигателя зависит от процесса замыкания цепи при высокоскоростном скольжении щеток по его поверхности. Хотя этот процесс описывается сложно, а теоретические исследования еще продолжаются, из анализа работы микродвигателей можно сделать вывод, что износ является основным фактором изменения контактного сопротивления.
Коммутаторы бывают различных типов: крюковый, канавочный и плоский. Они изготавливаются из импортных материалов и достигают международных стандартов производительности, широко применяются в электроинструментах, бытовой технике, автомобилях и мотоциклах. Коллекторные кольца, щеткодержатели и клеммные платы различных моделей применяются в автомобильных генераторах и бензиновых генераторах. Коммутатор выполняет выпрямительную функцию, изменяя направление тока в обмотке якоря, чтобы обеспечить постоянство направления электромагнитного момента. В генераторе коммутатор преобразует переменное напряжение элемента в постоянное напряжение между щетками; в двигателе он преобразует подаваемый постоянный ток в переменный, создавая постоянный крутящий момент.
