Ein Umschalter ist ein elektrischer Drehschalter in bestimmten Typen von elektrischen Motoren oder elektrischen Generatoren, der regelmäßig die aktuelle Richtung zwischen dem Rotor und dem Außenstromkreis umkehrt. In einem Motor wendet es Macht zur besten Position auf dem Rotor, und in einem Generator an, nimmt Macht ähnlich weg. Als ein Schalter hat es außergewöhnlich langes Leben, denkend, dass die Zahl des Stromkreises macht und Brechungen, die in der normalen Operation vorkommen.

Ein Umschalter ist ein gemeinsames Merkmal von direkten aktuellen rotierenden Maschinen. Durch das Umkehren der aktuellen Richtung in der bewegenden Rolle einer Armatur eines Motors wird eine unveränderliche rotierende Kraft (Drehmoment) erzeugt. Ähnlich in einem Generator stellt das Umkehren der Verbindung der Rolle zum Außenstromkreis Einrichtungs-(d. h. direkt) Strom zum Außenstromkreis zur Verfügung. Der erste Umschalter-Typ direkte aktuelle Maschine wurde von Hippolyte Pixii 1832 gebaut, auf einem Vorschlag von André-Marie Ampère gestützt.

Grundsatz der Operation

Da sich der Rotor, der Strom in den krummen Rückseiten jedes Mal dreht, wenn der Umschalter eine halbe Umdrehung macht. Diese Umkehrung des krummen Stroms ersetzt die Folge des Windens einer halben Umdrehung hinsichtlich des festen magnetischen Feldes (nicht gezeigt). Der Strom in den krummen Ursachen das feste magnetische Feld, um eine Rotationskraft (ein Drehmoment) auf dem Winden auszuüben, es lassend, sich drehen. Als das Feld des Rotors in der Nähe vom Übereinstimmen von sich mit diesem des Statoren kommt, schaltet der Umschalter die Widersprüchlichkeit des Rotors, so versucht der Motor fortwährend sich niederzulassen.

Einfachster praktischer Umschalter

Alle praktischen Umschalter enthalten mindestens drei Rotor-Segmente, um einen toten Punkt in der Folge des Umschalters, wie gezeigt, in diesen Images eines kleinen aktuellen direkten Drei-Pole-Motors zu verhindern.

Für Zwei-Segmente-Umschalter gibt es zwei Situationen, wo es eine tote Position gibt. Diese Situationen kommen vor, weil sich die Bürsten vom Ende eines Segmentes treffen und sich zum anderen bewegen.

1. Wenn die Breite der Bürsten schmaler ist als die Isolieren-Lücke zwischen Segmenten, wenn die Bürsten die Lücke übertragen, hören sie auf, irgendeinen commutating Segment und Macht-Fluss-Halt zu berühren. In dieser Position kann ein Generator nicht Macht erzeugen, und ein 2-Pole-Motor kann nicht anfangen.
2. Wenn die Breite der Bürsten breiter ist, als die Isolieren-Lücke zwischen Segmenten, ein Kurzschließen vorkommt, weil die Bürsten mit beiden Segmenten zur gleichen Zeit Kontakt herstellen. In dieser Position, Macht, die durch einen Generator Shorts über die Bürsten und Strom erzeugt ist, der Motorshorts über die Segmente geliefert ist. Jede Bedingung läuft auf bedeutende vergeudete Energie und Heizung des Umschalters und der Bürsten hinaus.

Für Umschalter mit mindestens drei Segmenten, obwohl der Rotor in einer Position potenziell anhalten kann, wo zwei Umschalter-Segmente eine Bürste, das nur de-energizes einer der Rotor-Arme berühren, während andere noch richtig fungieren werden. Mit den restlichen Rotor-Armen kann ein Motor genügend Drehmoment erzeugen, um zu beginnen, den Rotor zu spinnen, und ein Generator kann nützliche Macht zu einem Außenstromkreis zur Verfügung stellen.

Aufbau des Rings/Segmentes

Ein Umschalter besteht normalerweise aus einer Reihe von Kupfersegmenten, die um einen Teil des Kreisumfangs des rotierenden Teils der Maschine (der Rotor), und eine Reihe frühlingsgeladener zum stationären Rahmen der Maschine befestigter Bürsten befestigt ist. Die Außenquelle des Stroms (für einen Motor) oder elektrische Last (für einen Generator) wird mit den Bürsten verbunden. Für die kleine Ausrüstung kann auf die Umschalter-Segmente von Metallblech gestampft werden.

Jedes Leiten-Segment auf der Armatur des Umschalters wird von angrenzenden Segmenten isoliert. Am Anfang, als die Technologie zuerst entwickelt wurde, wurde Glimmerschiefer als ein Isolator zwischen Umwandlungssegmenten verwendet. Die spätere Material-Forschung in Polymer hat die Entwicklung von Plastikdistanzscheiben gebracht, die haltbarer und für das Knacken weniger anfällig sind, und eine höhere und gleichförmigere Durchbruchsstromspannung haben als Glimmerschiefer.

Die Segmente werden auf die Welle mit einer Schwalbenschwanz-Gestalt an den Rändern oder der Unterseite jedes Segmentes mit isolierenden Keilen um den Umfang jedes Umwandlungssegmentes gehalten. Wegen der hohen Kosten von Reparaturen für das kleine Gerät und die Werkzeug-Motoren werden die Segmente normalerweise dauerhaft im Platz gequetscht und können nicht entfernt werden; wenn der Motor scheitert, wird er einfach verworfen und ersetzt. Auf sehr großen Industriemotoren ist es wirtschaftlich, um im Stande zu sein, beschädigte Segmente der Person zu ersetzen, und so kann der Endkeil losgeschraubt werden und individuelle Segmente entfernt und ersetzt haben.

Umschalter-Segmente werden mit den Rollen der Armatur, mit der Zahl von Rollen (und Umschalter-Segmente) abhängig von der Geschwindigkeit und Stromspannung der Maschine verbunden. Große Motoren können Hunderte von Segmenten haben.

Die Reibung zwischen den Segmenten und den Bürsten verursacht schließlich Tragen zu beiden Oberflächen. Kohlenstoff-Bürsten, aus einem weicheren Material gemacht werden, halten schneller und können entworfen werden, um leicht ersetzt zu werden, ohne die Maschine zu demontieren. Ältere Kupferbürsten haben mehr Tragen zum Umschalter verursacht, tief das Auskehlen und Einkerben der Oberfläche mit der Zeit verursachend. Der Umschalter auf kleinen Motoren (sagen weniger als eine Kilowatt-Schätzung), wird nicht entworfen, um durch das Leben des Geräts repariert zu werden. Auf der großen Industrieausrüstung kann der Umschalter mit Poliermitteln wiedergeglättet werden, oder der Rotor kann vom Rahmen entfernt werden, der in einer großen Metalldrehbank und dem wiedergeglätteten Umschalter durch das Kürzen davon zu einem kleineren Diameter bestiegen ist. Die größte von der Ausrüstung kann eine Drehbank-Drehen-Verhaftung direkt über den Umschalter einschließen.

Pinselaufbau

Früh in der Entwicklung von Dynamos und Motoren wurden Kupferbürsten verwendet, um sich mit der Oberfläche des Umschalters in Verbindung zu setzen. Jedoch haben diese harten Metallbürsten dazu geneigt, die glatten Umschalter-Segmente zu kratzen und auszukehlen, schließlich Wiederauftauchen des Umschalters verlangend. Da das Kupfer Tragen abwischt, konnten der Staub und die Stücke der Bürste zwischen Umschalter-Segmenten, shorting sie und das Reduzieren der Leistungsfähigkeit des Geräts verkeilen. Feines Kupferleitungsineinandergreifen oder Gaze haben besseren Oberflächenkontakt mit weniger Segment-Tragen versorgt, aber Gaze-Bürsten waren teurer als Streifen oder Leitungskupferbürsten. Die Kupferbürste wurde schließlich durch die Kohlenstoff-Bürste ersetzt.

Kohlenstoff-Bürsten neigen dazu, gleichmäßiger zu halten, als Kupferbürsten, und der weiche Kohlenstoff verursacht viel weniger Schaden an den Umschalter-Segmenten. Dort sprüht mit Kohlenstoff verglichen mit Kupfer weniger Funken, und weil sich der Kohlenstoff abnutzt, läuft der höhere Widerstand von Kohlenstoff auf weniger Probleme vom Staub hinaus, der sich auf den Umschalter-Segmenten versammelt.

Kupfer und Kohlenstoff wird jeder zu einem besonderen Zweck besser angepasst. Kupferbürsten leisten besser mit sehr niedrigen Stromspannungen und hohem Strom, während Kohlenstoff-Bürsten für die Hochspannung und den niedrigen Strom besser sind. Kupferbürsten tragen normalerweise Zoll von 150 bis 200 Ampere pro Quadrat der Kontakt-Oberfläche, während Kohlenstoff nur Zoll von 40 bis 70 Ampere pro Quadrat trägt. Der höhere Widerstand von Kohlenstoff läuft auch auf einen größeren Spannungsabfall 0.8 zu 1.0 Volt pro Kontakt, oder 1.6 zu 2.0 Volt über den Umschalter hinaus.

Moderne rotierende Maschinen mit Umschaltern verwenden jetzt Kohlenstoff-Bürsten, die Kupferpuder mischen lassen können in, Leitvermögen zu verbessern. Metallische Kupferbürsten würden nur in sehr kleinen oder Spielzeugmotoren wie derjenige gefunden, der oben illustriert ist.

Pinselhalter

Ein Frühling wird normalerweise mit der Bürste verwendet, um unveränderlichen Kontakt mit dem Umschalter aufrechtzuerhalten. Da sich die Bürste und der Umschalter abnutzen, stößt der Frühling fest die Bürste abwärts zum Umschalter. Schließlich hält die Bürste klein und dünn genug, die fest werden, ist Kontakt nicht mehr möglich, oder es wird im Pinselhalter nicht mehr sicher gehalten, und so muss die Bürste ersetzt werden.

Es ist für ein flexibles Stromkabel üblich, der Bürste direkt beigefügt zu werden, weil Strom, der durch die Unterstützungsfrühlingsursache-Heizung fließt, die zu einem Verlust des Metallcharakters und einem Verlust der Frühlingsspannung führen kann.

Wenn ein commutated Motor oder Generator mehr Macht verwenden, als eine einzelne Bürste zum Leiten fähig ist, wird ein Zusammenbau von mehreren Pinselhaltern in der Parallele über die Oberfläche des sehr großen Umschalters bestiegen.

Dieser parallele Halter verteilt Strom gleichmäßig über alle Bürsten, und erlaubt einem sorgfältigen Maschinenbediener, eine schlechte Bürste zu entfernen und ihn durch einen neuen zu ersetzen, gerade als die Maschine fortsetzt, völlig angetrieben und unter der Last zu spinnen.

Hohe Macht, hoher Strom commutated Ausrüstung ist jetzt, wegen des weniger komplizierten Designs von Wechselstrom-Generatoren ungewöhnlich, das einem niedrigen Strom, Hochspannung erlaubt, die Feldrolle spinnt, hohe aktuelle Stator-Rollen der festen Position zu kräftigen. Das erlaubt den Gebrauch von sehr kleinen einzigartigen Bürsten im Wechselstromgenerator-Design. In diesem Beispiel sind die rotierenden Kontakte dauernde Ringe, genannt Gleitringe, und keine Schaltung geschieht.

Moderne Geräte mit Kohlenstoff-Bürsten haben gewöhnlich ein Design ohne Wartungen, das verlangt, dass keine Anpassung überall im Leben des Geräts, mit einer festen Position Halter-Ablagefach und einen vereinigten Pinselfrühlingskabelzusammenbau bürstet, der das Ablagefach einbaut. Ersatz schließt einfach ein, die alte Bürste herausziehend und eine neue einfügend.

Ältere Umschalter-Motoren hatten manchmal alle auf beweglichen Rahmen bestiegenen Bürsten, so dass die Position der Bürsten in Bezug auf die magnetischen Felder der Stator-Pole manuell angepasst werden konnte.

Pinselkontakt-Winkel

Die verschiedenen Pinseltypen stellen mit dem Umschalter unterschiedlich Kontakt her. Weil Kupferbürsten dieselbe Härte wie die Umschalter-Segmente haben, kann der Rotor nicht umgekehrt gegen die Enden von Kupferbürsten ohne das Kupfer gesponnen werden, das in die Segmente gräbt und strengen Schaden verursacht. Ziehen Sie sich folglich aus/laminieren Sie Kupferbürsten stellen nur tangentialen Kontakt mit dem Umschalter her, während Kupferineinandergreifen und Leitungsbürsten einen aufgelegten Kontakt-Winkel verwenden, der ihren Rand über die Segmente eines Umschalters berührt, der in nur einer Richtung spinnen kann.

Die Weichheit von Kohlenstoff-Bürsten erlaubt direkten radialen Endkontakt mit dem Umschalter ohne Schaden an den Segmenten, leichte Umkehrung der Rotor-Richtung ohne das Bedürfnis erlaubend, die Pinselhalter für die Operation in der entgegengesetzten Richtung neu einzustellen. Obwohl nie nicht umgekehrt, haben allgemeine Gerät-Motoren, die Wunde-Rotoren, Umschalter und Bürsten verwenden, Bürsten des radialen Kontakts. Im Fall von einem Reaktionstyp bürstet Kohlenstoff Halter, Kohlenstoff-Bürsten können Rück-mit dem Umschalter dazu neigen, so dass der Umschalter dazu neigt, gegen den Kohlenstoff für den festen Kontakt zu stoßen.

Das commutating Flugzeug

Der Kontakt-Punkt, wo eine Bürste den Umschalter berührt, wird das commutating Flugzeug genannt. Um genügend Strom zu oder vom Umschalter zu führen, ist das Pinselkontakt-Gebiet nicht eine dünne Linie, aber stattdessen ein rechteckiger Fleck über die Segmente. Normalerweise ist die Bürste breit genug, um 2.5 Umschalter-Segmente abzumessen. Das bedeutet, dass zwei angrenzende Segmente durch die Bürste elektrisch verbunden werden, wenn sie sich mit beiden in Verbindung setzt.

Entschädigung für die Stator-Feldverzerrung

Die meisten Einführungen ins Motor- und Generator-Design fangen mit einem einfachen Zwei-Pole-Gerät mit den Bürsten an, die in einem vollkommenen 90-Grade-Winkel vom Feld eingeordnet sind. Dieses Ideal ist als ein Startpunkt nützlich, um zu verstehen, wie die Felder aufeinander wirken, aber es ist nicht, wie ein Motor oder Generator in der wirklichen Praxis fungieren.

In einem echten Motor oder Generator ist das Feld um den Rotor nie vollkommen gleichförmig. Statt dessen veranlasst die Folge des Rotors Feldeffekten, die schleppen und die magnetischen Linien des nichtrotierenden Außenstatoren verdrehen.

Je schneller die Rotor-Drehungen, desto weiter dieser Grad der Feldverzerrung. Weil ein Motor oder Generator am effizientesten mit dem Rotor-Feld rechtwinklig zum Stator-Feld funktionieren, ist es notwendig, die Pinselposition entweder zu verzögern oder vorzubringen, das Feld des Rotors in die richtige Position zu stellen, im rechten Winkel zum verdrehten Feld zu sein.

Diese Feldeffekten werden umgekehrt, wenn die Richtung der Drehung umgekehrt wird. Es ist deshalb schwierig, einen effizienten umkehrbaren commutated Dynamo zu bauen, seitdem für die höchste Feldkraft ist es notwendig, die Bürsten zur Gegenseite des normalen neutralen Flugzeugs zu bewegen.

Wie man

betrachten kann, ist die Wirkung dem Timing des Fortschritts in einem inneren Verbrennungsmotor analog. Allgemein wird ein Dynamo, der entworfen worden ist, um mit einer bestimmten festen Geschwindigkeit zu laufen, seine Bürsten dauerhaft befestigen lassen, um das Feld für die höchste Leistungsfähigkeit mit dieser Geschwindigkeit auszurichten.

Weitere Entschädigung für die Selbstinduktion

In einer Rolle der Leitung vergleicht sich das magnetische Feld jeder Leitung zusammen, um ein magnetisches Feld zu bilden, das dazu neigt, Änderungen im Strom zu widerstehen, als ob der Strom Trägheit hatte. Das ist als Selbstinduktion bekannt.

In den Rollen des Rotors gibt es eine Tendenz für den Strom, um fortzusetzen, für einen Schriftsatz Moment zu überfluten, nachdem die Bürste erreicht worden ist. Diese Energie wird als Hitze wegen des Pinselüberspannens über mehrere Umschalter-Segmente und das aktuelle Kurzschließen über die Segmente vergeudet.

Unechter Widerstand ist eine offenbare Zunahme im Widerstand im Armatur-Winden, das zur Geschwindigkeit der Armatur proportional ist, und wegen der Verkleidung des Stroms ist.

Um das Befeuern an den Bürsten wegen dieses Kurzschließens zu minimieren, werden die Bürsten einige Grade weiter noch außer dem Fortschritt für Feldverzerrungen vorgebracht. Das bewegt die sich windende Rotor-Erleben-Umwandlung ein bisschen vorwärts ins Stator-Feld, das magnetische Linien in der entgegengesetzten Richtung hat, und das dem Feld im Statoren entgegensetzt. Dieses gegenüberliegende Feld hilft, den langsam vergehenden Selbsteinsetzen-Strom im Statoren umzukehren.

So, sogar für einen Rotor, der beruhigt ist und am Anfang keine Entschädigung verlangt, um Feldverzerrungen zu spinnen, sollten die Bürsten noch außer dem vollkommenen 90-Grade-Winkel, wie unterrichtet, in so vielen Anfänger-Lehrbüchern vorgebracht werden, um die Selbstinduktion zu ersetzen.

Beschränkungen und Alternativen

Während Umschalter in direkten aktuellen Maschinen, bis zu mehrere tausend Kilowatt in der Schätzung weit angewandt werden, haben sie Beschränkungen.

Bürsten und Kupfersegment-Tragen. Auf kleinen Maschinen können die Bürsten so lange das Produkt dauern (kleine Macht-Werkzeuge, Geräte, usw.), aber größere Maschinen werden regelmäßigen Ersatz von Bürsten und gelegentliches Wiederauftauchen des Umschalters verlangen. Pinseltyp-Motoren können für den langen Dienst auf der Raumfahrtausrüstung nicht passend sein, wo Wartung nicht möglich ist.

Die Leistungsfähigkeit von direkten aktuellen Maschinen wird durch den "Pinselfall" wegen des Widerstands des gleitenden Kontakts beschränkt. Das kann mehrere Volt sein, Maschinen des direkten Stroms der niedrigen Stromspannung sehr ineffizient machend. Die Reibung der Bürste auf dem Umschalter absorbiert auch etwas von der Energie der Maschine. Im Vergleich, um aktuelle Motoren zu leiten, sind Induktionsmotoren, die Umschalter oder Bürsten nicht verwenden, viel mehr effiziente Energie. (Für die weitere Information, sieh: Kupfer in der Energie effiziente Motoren).

Letzt wird die aktuelle Dichte in der Bürste beschränkt, und die maximale Stromspannung auf jedem Segment des Umschalters wird auch beschränkt. Sehr große direkte aktuelle Maschinen, sagen wir, Schätzung von mehr als mehreren Megawatt, kann mit Umschaltern nicht gebaut werden. Die größten Motoren und Generatoren, Hunderte von Megawatt-Einschaltquoten, sind alle Wechselstrom-Maschinen.

Mit der weit verbreiteten Verfügbarkeit von Macht-Halbleitern ist es jetzt wirtschaftlich, um elektronische Schaltung des Stroms im Motor windings zur Verfügung zu stellen. Diese "bürstenlosen direkten aktuellen" Motoren beseitigen den Umschalter; diese können mit AC Maschinen mit einem eingebauten Gleichstrom zu AC inverter verglichen werden. In diesen Motoren bestimmt Rotor-Position, wenn der Stator windings Widersprüchlichkeit schaltet. Betriebsleben wird nur durch das Lager des Tragens beschränkt, wenn andere Faktoren nicht nachteilig sind.

Repulsionsinduktionsmotoren

Das sind einzeln-phasige AC-only Motoren mit dem höheren Startdrehmoment, das mit dem mit dem Spalt phasigen Starten windings, und vor der hohen Kapazität erhalten werden kann (nichtpolar, relativ Hochstrom-elektrolytisch), sind Startkondensatoren praktisch geworden. Sie haben einen herkömmlichen Wunde-Statoren als mit jedem Induktionsmotor, aber der drahtgewickelte Rotor ist viel dem mit einem herkömmlichen Umschalter ähnlich. Bürsten gegenüber einander werden mit einander (nicht zu einem Außenstromkreis) verbunden, und Transformator-Handlung veranlasst Ströme in den Rotor, die Drehmoment durch die Repulsion entwickeln.

Eine Vielfalt, die bemerkenswert ist, für eine regulierbare Geschwindigkeit zu haben, läuft unaufhörlich mit Bürsten im Kontakt, während eine andere Gebrauch-Repulsion nur für das hohe Startdrehmoment und in einigen Fällen die Bürsten hebt, sobald der Motor schnell genug läuft. Im letzten Fall werden alle Umschalter-Segmente zusammen ebenso verbunden, bevor der Motor laufende Geschwindigkeit erreicht.

Einmal mit der Geschwindigkeit wird der Rotor windings funktionell gleichwertig zur Struktur des Eichhörnchen-Käfigs eines herkömmlichen Induktionsmotors und den Motorläufen als solcher.

Web bezüglich. http://www.vias.org/feee/c13_motors_13.html gibt eine nette, kurze Beschreibung

Laborumschalter

Umschalter wurden als einfache von der Rückseite fortgeschrittene Schalter für elektrische Experimente in Physik-Laboratorien verwendet. Es gibt zwei wohl bekannte historische Typen:

Umschalter von Ruhmkorff

Das ist im Design den Umschaltern ähnlich, die in Motoren und Dynamos verwendet sind. Es wurde gewöhnlich des Messings und Elfenbeins (später Hartgummi) gebaut.

Umschalter von Pohl

Das hat aus einem Block von Holz oder Hartgummi mit vier Bohrlöchern bestanden, Quecksilber enthaltend, die durch Kupferleitungen quer-verbunden wurden. Die Produktion wurde von einem Paar von gekrümmten Kupferleitungen genommen, die bewegt wurden, um in einen oder anderes Paar von Quecksilberbohrlöchern einzutauchen.

Statt Quecksilbers konnten ionische Flüssigkeiten oder andere flüssige Metalle verwendet werden.

Siehe auch

• Gleitring
• Drehtransformator
• Quecksilberdrehzapfen-Umschalter

Patente

• Nikola Tesla - - Umschalter für den Dynamo Elektrische Maschinen - 1886 am 26. Januar.
• Nikola Tesla - - Umschalter für den Dynamo Elektrische Maschinen - 1888 am 15. Mai -

Links

• "Umschalter und Bürsten auf dem Gleichstrommotor". HyperPhysics, Physik und Astronomie, staatliche Universität von Georgia.
• "PREMIERMINISTER Bürstenlose Servomotorfeed-Back-Umwandlungsreihe - Umwandlungsanordnung des Teils 1 - Warum Es Wichtig ist." Mitchell Electronics.
• "PREMIERMINISTER Bürstenlose Servomotorfeed-Back-Umwandlungsreihe - Umwandlungsanordnung des Teils 2 - Wie Es Vollbracht Wird." Mitchell Electronics.