Commutator
De commutator of collector is een onderdeel van een elektromotor en opgebouwd uit lamellen van hard elektrolytisch koper met daartussen isolatiemateriaal (vroeger micaniet, tegenwoordig kunststof). Het geheel is geïsoleerd bevestigd op de rotoras en de koperen lamellen zijn verbonden met de ankerwikkelingen. Vast opgestelde koolborstels maken contact met de commutator en voorzien zo de ankerwikkelingen van stroom.
Historie
De commutator werd in 1833 voor het eerst toegepast door Hippolyte Pixii, gebaseerd op een idee van André-Marie Ampère. Antonio Pacinotti construeerde in 1859 in Pisa een prototype van een gelijkstroommachine op inductie met een radiale ring en een radiale collector of commutator. Hij verbeterde de commutator, door deze op te bouwen uit meerdere segmenten in plaats van de twee bij Pixii. Dit ontwerp is bekend geworden onder de naam "Ring van Pacinotti".
Rond 1869 bracht Zénobe Gramme een aantal belangrijke verbeteringen aan. Hij slaagde erin om een model te produceren dat een voldoende grote en constantere gelijkstroom kan leveren bij een relatief belangrijk vermogen, voor gebruik in laboratoria.
Doel
De commutator is een belangrijk onderdeel in de werking van een gelijkstroommachine. Hij voorziet in twee dingen:
- Hij zorgt - net als bij een sleepring - voor een elektrische verbinding tussen de stilstaande koolborstels en de roterende as met de rotorwikkelingen.
- De wisselspanning die opgewekt wordt door het draaien van de rotorspoelen voorbij de vaste veldmagneten omzetten in een gelijkspanning (dynamo) of het omkeren van de stroomrichting in de rotorwikkelingen zodat het anker blijft draaien (motor).
Een commutator is eigenlijk een mechanische gelijkrichter en roterende schakelaar in één. Het omkeren van de stroomrichting in de wikkeling wordt commutatie genoemd.
Werkingsprincipe[1]
Deze tekening is een vereenvoudigde enkelpolige, één spoel met de Gramme-ring en een grafische voorstelling van de geproduceerde pulserende gelijkstroom naarmate de ring één toer draait. Hoewel geen enkel toestel dit ontwerp gebruikt is het een aanzet om de volgende tekeningen beter te begrijpen.
Een eenpolige, twee spoelen met Gramme-ring. De tweede spoel staat aan de tegenovergestelde kant van de ring. Beide bevinden zich in hetzelfde magnetisch veld. De onderste spoel bevindt zich voor een zuidpool en de bovenste voor een noordpool. Beide spoelen zijn in oppositie geschakeld. De stroom wordt afgetapt door de koolborstels en er vormt zich een stroomkringloop buiten de machine.
Een eenpolige, vier spoelen met Gramme-ring. De spoelen A en A' tellen zich met elkaar op, evenals de spoelen B en B', deze produceren twee stroompulsen die 90° ten opzichte van elkaar verschoven zijn. Wanneer de spoelen A en A' een maximale stroom leveren, leveren de spoelen B en B' geen stroom.
Een eenpolige, zes spoelen met Gramme-ring en een grafische voorstelling van de geproduceerde stroom, iedere stroompuls 120° in fase verschoven ten opzichte van de andere en samengevoegd.
Beperkingen
Hoewel commutators op grote schaal toegepast worden in gelijkstroommachines, soms tot duizenden kilowatts in vermogen, hebben ze hun beperkingen:
Slijtage
Door wrijving slijten zowel de koolborstels als de koperen lamellen. Omdat de koolborstels van zachter materiaal zijn gemaakt, zullen deze sneller slijten. Koolborstels worden daarom zó aangebracht dat ze gemakkelijk te vervangen zijn.
Bij kleine motoren (< 1 kW) is het onmogelijk de commutator te repareren of te vervangen. Hij wordt dan ook zo gemaakt dat de levensduur – onder normale bedrijfsomstandigheden – overeenkomt met die van de motor.
Bij grote machines kan de commutator vaak bijgeschuurd worden, of – als de slijtage ernstiger is – afgedraaid worden op een draaibank. Bij dit laatste moet de rotor wel uit het frame verwijderd worden. Na het afdraaien van de commutator moet het isolatiemateriaal zorgvuldig tussen de lamellen aan het loopvlak verwijderd worden om - later tijdens het gebruik - snelle slijtage van de koolborstels te voorkomen.
Spanningsverlies
Door de overgangsweerstand tussen de koolborstels en de commutator treedt een spanningsverlies op, dat tot enkele volts groot kan worden. Dit is vooral nadelig voor het rendement bij kleine motoren omdat deze veelal op lagere spanningen werken.
Stroomdichtheid
Door optreden van ankerreactie zal het ideale commutatie moment verschuiven, met als gevolg dat de stroomdichtheid in de koolborstels toeneemt. Wordt deze te groot dan kunnen onder de borstels vonken ontstaan. Deze vonken veroorzaken extra slijtage, EMC-storingen en hogere verliezen in de commutator. Bij grote motoren (> 1 kW) worden hulppolen en/of compensatiewikkelingen toegepast om de invloed van ankerreactie te beperken.
Elektronische commutators
In de Borstelloze elektromotor wordt een elektronische commutator gebruikt, die meestal berust op de werking van elektronische schakelaars welke bestuurd worden door sensors, die ieder een bepaalde positie van de rotor kunnen bepalen.
Elektronische commutators worden ook gebruikt om verschillende elektronische analoge signalen te combineren, waarbij een aantal signaal-ingangen beurtelings met 1 signaal-uitgang worden verbonden. De signaal-uitgang kan met een analoog-digitaalomzetter worden verbonden die voor iedere signaal-ingang op het juiste moment de digitale waarde van dit signaal bepaalt.
Bronnen, noten en/of referenties
|