Komutátor (elektrotechnika)

Princip činnosti jednoduchého komutátoru. Ukázka přepínání polarity během otáčení rotoru.

Komutátor je mechanický rotační usměrňovač (respektive mechanický rotační přepínač), který je používán zejména u elektrických stejnosměrných strojů. Zajišťuje přepínání směru proudu vedeného do rotorových cívek tak, aby byla napájena vždy cívka pod aktivním pólem a byla dosažena co největší účinnost stroje.

Komutátor bývá částí jak u stejnosměrných rotačních elektrických strojů (stejnosměrný motor, dynamo), tak i u univerzálních motorků fungujících na stejnosměrný i střídavý proud (ve vrtačkách, mixérech atd.). Je umístěn vždy na rotoru stroje, skládá se z řady vzájemně izolovaných vodivých lamel, na něž doléhají kartáče (obvykle grafitové, nazývané proto uhlíky).

Konstrukce a bezkontaktní mezistav

Ačkoli se z pohledu napětí jeví toto mechanické usměrňování elektřiny dvoustavové, kartáč musí nabývat tří stavů:

• V kontaktu s předešlou lamelou komutátoru,
• v kontaktu s následující lamelou,
• bez kontaktu na izolačním rozhraní mezi dvěma lamelami.

V praxi je žádoucí mít izolační přechody mezi lamelami co nejužší, a zároveň mít lamely i kartáče co nejširší. I proto mívají kartáče obdélníkový průžez. Rozměr lamel je dán kompromisem mezi proudovou hustotou na lamelách a rozměry stroje: Průměr válcové plochy komutátoru má i svá omezení shora: Nejen konstrukční rozměrové, ale fyzikální, protože při vyšších otáčkách a větším poloměru už jsou odstředivé síly značné. Například v nebezpečném stavu odbuzeného ss. motoru naprázdno sice klesá výkon, zato však rostou otáčky teoreticky do nekonečna. Takto již došlo k tragickým nehodám ve strojovnách a k úmrtím.

Kartáč potřebuje ještě třetí stav, kdy přeskakuje z jedné lamely na druhou. A aby při tom nezkratoval dílčí vinutí mezi daným párem sousedních lamel, jsou komutátory například konstruované pro jednosměrné otáčení, nereverzibilně, tedy se šikmými ploškami. Kartáče pak po nich klouzají a seskakují jako po schodech, za charakteristického cvakavého zvuku. Tím je odstraněna souvislost mezi například milimetrovou izolační vrstvou (např. slídy) mezi lamelami a několika milimetrovou délkou kartáče. Stále však platí, že nemá smysl, aby byl kartáč delší, než je délka lamely: To by dokonce mohl zkratovat i dvě dílčí mezilamelová vinutí.

Zpětný běh takového stroje by ho ale poškodil: Hrany kartáčů a (zešikmených) lamel. Takové stroje je nevhodné protáčet na druhou stranu byť i jen ručně, ačkoli pro demonstraci silně odlišného zvuku nováčkům by ještě k poškození dojít nemělo.

Jiskření

Komutátor jako poměrně složitá mechanická součást přenášející velké proudy bývá zdrojem nežádoucích mechanických poruch či elektromagnetického rušení, jež vzniká vlivem nežádoucího jiskření. To nastává především vlivem vzniku vzduchových mezírek mezi sběračem proudu a povrchem komutátoru. Vzhledem k tomuto jiskření mezi kartáči a komutátorem nejsou stroje vybavené komutátory vhodné do prostředí s možností výskytu hořlavých či výbušných plynů (např. hlubinné doly, kde se často vyskytuje výbušný plyn metan).

Kartáče i komutátor se vlivem tření a jiskření obrušují a proto mají komutátorové motory krátkou životnost (nebo servisní periodu). To nevadí u motorů používaných občasně, jak je tomu např. u fénů, ručního elektrického nářadí a pohonu stěračů automobilu. Vadí to ale u zařízení s trvalým provozem, např. větráků. U takových konstrukcí se používají bezkomutátorové motory, např. asynchronní motor na střídavý proud. Pro použití stejnosměrného proudu je ale komutace nezbytná. Mechanický komutátor lze nahradit bezkontaktním elektronickým. Například k chlazení polovodičů v počítačích se používají miniaturní větráčky se stejnosměrným napájením. Je v nich vestavěn elektronický komutátor, napájející stator. Rotor motorku je tvořen trvalým magnetem. Směr proudu vinutí dvou fází přepíná elektronika na základě Hallova senzoru, měřícího orientaci magnetického pole rotoru. V angličtině je pro takový motor výraz BLDC (Brushless DC) nebo též ECM (Electronically Commutated Motor).

Neutrální osa

Kartáče mají být umístěné v neutální ose, tedy v takovém geometrickém místě, kde se vinutí pohybuje rovnoběžně s polem, neprotíná jeho siločáry, a tedy vyniká jen slabé nebo žádné indukované (Teslovo) napětí. Právě v tomto místě bz teoreticky zratování dvou lamel kartáčem nemuselo vadit. (při nekonečně malém rozměru kartáče, izolačních mezivrstev a nepokečném množství nekoneně malých lamel) Bohužel však při provozu zatáženého ss. stroje vzniká i zpětné reaktivní pole, které je úhlově posunuté (s rostoucí zátěží a otáčkách tento úhel narůstá) a tím se i posouvá neutrální osa pole. A to bohužel i při konstrukčně pevné poloze kartáčů. Ačkoli tedy kartáče mají i iyolační mezistav a lamely nezkratují, indukované napětí na dílčích mezilamelových vinutích a také neustálý proud kotvou, z ostatních vnutí, jsou tak velké, že z kartáčů vytahují oblouky. Jde pak o podobné jevy a problémy jako při zhášení oblouků na stykačích.

Pootočenou neutrální (příčnou) osu pole a následné zkraty na dilčích vinutích lze řešit:

• Konstrukčně, možností pootášení celého uchzcení kartáčů (tyv. "brejle");
• Zavedením tzv. zátěžově kompenzačního vinutí, tedy několik závitů tlustého vodiče v sérii s kotvou, u kartáčů, celé délce statoru, vedle budících pólů, s osou šikmo, ne přímo na střed otáčení. K těm však jsou potřeba další výstupkz na plechách, nelye je dodělat dodatečně. Jejich výhodou je přiroyený efekt zpětné vazby: Čím více yátěž pole feormuje, tím více tyto kompenzují.

Ovšem jiskření a oblouky způsobené samotným proudem kotvy, sériovým přes všechna dílčí mezilamelová vinutí, to omezit není jak. Leda by snad stroj měžel ve vakuu.

Historie použití

Stejnosměrné stroje s mechanickým komutátorem byly díky snadné regulaci prakticky nezbytnou součástí elektrických pohonů až téměř do konce 20. století. Pak ale umožnil vývoj levných polovodičů nahradit jeho funkci silnoproudou elektronikou. Dynamo pak bylo možno nahradit spolehlivějším a levnějším alternátorem a stejnosměrný motor asynchronním motorem s elektronickým řízením.

Související články

• Stejnosměrný motor
• Dynamo
• Ward Leonardovo soustrojí
• Encyklopedické heslo Kommutator v Ottově slovníku naučném ve Wikizdrojích