Komutator (listrik)Dari Wikipedia, ensiklopedia gratisArtikel ini adalah tentang komponen listrik. Untuk konsep matematika, lihat Komutator.Komutator di motor yang universal dari vacuum cleaner. Bagian: (A) komutator, (B) sikat, (C) rotor (angker) gulungan, (D) stator (lapangan) gulungan, (E) panduan sikat
Sebuah
komutator adalah bagian bergerak dari saklar listrik rotary dalam
beberapa jenis motor listrik dan generator listrik yang berkala
membalikkan arah arus antara rotor dan sirkuit eksternal. Ini terdiri dari sebuah silinder yang terdiri dari segmen kontak logam beberapa dari armature berputar dari mesin. Dua
atau lebih kontak listrik stasioner disebut "sikat" terbuat dari
konduktor lembut seperti pers karbon terhadap komutator, membuat geser
kontak dengan segmen berturut-turut dari komutator seperti berputar. Gulungan (gulungan kawat) pada armature yang terhubung ke segmen komutator.
Commutators digunakan dalam arus searah (DC) mesin: dinamo (DC generator) dan banyak motor DC serta motor universal. Dalam motor komutator berlaku arus listrik ke gulungan. Dengan membalik arah arus di lilitan berputar setiap setengah putaran, kekuatan berputar stabil (torsi) yang dihasilkan. Dalam
generator komutator mengambil dari arus yang dihasilkan dalam gulungan,
membalik arah arus dengan masing-masing setengah putaran, melayani
sebagai penyearah mekanik untuk mengubah arus bolak-balik dari gulungan
ke arus searah searah di sirkuit beban eksternal. Yang pertama saat mesin komutator tipe langsung, dinamo, dibangun oleh
Hippolyte Pixii pada tahun 1832, berdasarkan saran oleh André-Marie
Ampere.
Commutators relatif tidak efisien, dan juga membutuhkan perawatan berkala seperti penggantian sikat. Oleh karena itu, mesin commutated menurun digunakan, digantikan oleh
arus bolak-balik (AC) mesin, dan dalam beberapa tahun terakhir oleh
brushless motor DC yang menggunakan switch semikonduktor.
Isi
1 Prinsip operasi
1.1 komutator praktis sederhana
2 Cincin / konstruksi segmen
3 Brush konstruksi
3.1 pemegang Brush
3.2 Brush sudut kontak
4 commutating Pesawat
4.1 Kompensasi untuk distorsi medan stator
4.2 kompensasi lebih lanjut untuk diri induksi
5 Keterbatasan dan alternatif
6 Repulsion motor induksi
7 komutator Laboratorium
7.1 Ruhmkorff komutator
7.2 Pohl komutator
8 Lihat juga
9 Paten
10 Referensi
11 Pranala luar
Prinsip operasiCollecteur commutateur rotatif.png
Sebuah komutator terdiri dari satu set kontak bar tetap ke poros berputar dari mesin, dan terhubung ke gulungan armature. Sebagai poros berputar, komutator membalikkan aliran arus dalam lilitan. Untuk
angker tunggal berkelok-kelok, ketika poros telah membuat satu-setengah
lengkap gilirannya, berliku sekarang terhubung sehingga arus mengalir
melalui itu di kebalikan dari arah awal. Dalam
motor, arus armature menyebabkan medan magnet tetap mengerahkan
kekuatan rotasi, atau torsi, pada berliku untuk membuatnya berubah. Dalam
generator, torsi mekanik diterapkan poros mempertahankan gerakan angker
berliku melalui medan magnet stasioner, mendorong arus di berliku. Dalam kedua motor dan generator yang terjadi, komutator berkala
membalikkan arah aliran arus melalui berliku sehingga aliran arus dalam
sirkuit eksternal ke mesin terus hanya satu arah.Komutator praktis sederhanaSederhana Kemungkinan Commutator - Rotor View.JPG sederhana
Kemungkinan Komutator - Brushes.JPG sederhana Kemungkinan Komutator -
Motor Body.JPG
Komutator
praktis memiliki setidaknya tiga segmen kontak, untuk mencegah "mati"
tempat di mana dua sikat sekaligus menjembatani dua segmen komutator. Sikat yang dibuat lebih lebar dari celah terisolasi, untuk memastikan bahwa sikat selalu berhubungan dengan coil armature. Untuk
komutator dengan setidaknya tiga segmen, meskipun rotor berpotensi
dapat berhenti di posisi mana dua segmen komutator menyentuh satu sikat,
hanya ini de-memberi energi salah satu lengan rotor sementara yang lain
masih akan berfungsi dengan benar. Dengan lengan rotor tersisa, motor dapat menghasilkan torsi yang cukup
untuk memulai berputar rotor, dan generator dapat menyediakan tenaga
berguna untuk sirkuit eksternal.Cincin / konstruksi segmenPenampang dari komutator yang dapat dibongkar untuk diperbaiki. [1]
Sebuah
komutator terdiri dari satu set segmen tembaga, tetap sekitar bagian
dari lingkar mesin berputar, atau rotor, dan satu set kuas pegas tetap
ke frame stasioner mesin. Dua sikat atau lebih tetap terhubung ke sirkuit eksternal, baik sumber arus untuk motor atau beban untuk generator.
Segmen
komutator yang terhubung ke kumparan armatur, dengan jumlah kumparan
(dan segmen komutator) tergantung pada kecepatan dan tegangan dari
mesin. Motor besar mungkin memiliki ratusan segmen. Setiap segmen melakukan komutator terisolasi dari segmen yang berdekatan. Mica digunakan pada mesin awal dan masih digunakan pada mesin besar. Banyak bahan isolasi lain yang digunakan untuk melindungi mesin lebih kecil; plastik memungkinkan pembuatan cepat isolator, misalnya. Segmen diadakan pada poros menggunakan bentuk pas di tepi atau bawah setiap segmen. Isolasi
wedges di sekeliling setiap segmen ditekan sehingga komutator
mempertahankan stabilitas mekanik di seluruh rentang operasi normal. Komutator digunakan untuk mengumpulkan arus dari dinamo konduktor.
Dalam alat dan alat kecil motor segmen biasanya berkerut secara permanen di tempat dan tidak dapat dihapus. Ketika motor gagal itu dibuang dan diganti. Pada
mesin industri besar (katakanlah, dari beberapa kilowatt ribuan
kilowatt di rating) akan ekonomis untuk mengganti segmen rusak individu,
dan akhir-wedge dapat membuka tutup dan segmen individu dihapus dan
diganti. Mengganti segmen tembaga dan mika sering disebut sebagai "mengisi". Komutator
dovetailed isi ulang adalah konstruksi yang paling umum dari jenis
industri komutator yang lebih besar, namun komutator isi ulang juga
dapat dibangun dengan menggunakan band eksternal yang terbuat dari
fiberglass (kaca banded konstruksi) atau cincin baja ditempa (konstruksi
baja menyusut jenis dering eksternal dan menyusut baja jenis dering
konstruksi internal yang ). Pakai,
jenis dibentuk komutator umumnya ditemukan di DC motor yang lebih kecil
menjadi semakin lebih umum pada motor listrik yang lebih besar. Molded jenis komutator tidak diperbaiki dan harus diganti jika rusak. Selain
panas, torsi, dan metode tonase umum digunakan komutator bumbu,
beberapa aplikasi komutator kinerja tinggi memerlukan lebih mahal,
khusus "spin bumbu" proses atau lebih kecepatan spin-pengujian untuk
menjamin stabilitas segmen individu dan mencegah dini memakai kuas karbon. Persyaratan seperti yang umum dengan traksi, militer, ruang angkasa,
nuklir, pertambangan, dan aplikasi kecepatan tinggi di mana kegagalan
prematur dapat menyebabkan konsekuensi negatif yang serius.
Gesekan antara segmen dan sikat akhirnya menyebabkan pakai untuk kedua permukaan. Sikat karbon, yang terbuat dari bahan lembut, cepat aus dan dapat dirancang untuk diganti dengan mudah tanpa membongkar mesin. Sikat
tembaga tua menyebabkan lebih memakai ke komutator, menyebabkan
grooving dalam dan bentukan dari permukaan dari waktu ke waktu. Komutator
pada motor kecil (misalnya, kurang dari rating kilowatt) tidak
dirancang untuk diperbaiki melalui kehidupan perangkat. Pada
peralatan industri besar, komutator dapat kembali muncul dengan
abrasive, atau rotor dapat dihapus dari frame, dipasang di mesin bubut
logam besar, dan komutator muncul kembali dengan memotong ke bawah untuk
diameter yang lebih kecil. Yang terbesar dari peralatan dapat mencakup mesin bubut berputar lampiran langsung di atas komutator.Sebuah kecil 5-segmen komutator kurang dari 2 mm, pada motor arus searah dalam ZipZaps mobil kontrol radio mainan.Konstruksi BrushBerbagai jenis tembaga dan karbon sikat. [2]
Mesin awal menggunakan kuas yang terbuat dari helai kawat tembaga untuk menghubungi permukaan komutator. Namun,
sikat logam keras cenderung untuk menggaruk dan alur segmen komutator
halus, akhirnya membutuhkan resurfacing dari komutator. Sebagai
sikat tembaga mengenakan pergi, debu dan potongan sikat bisa baji
antara segmen komutator, korslet mereka dan mengurangi efisiensi
perangkat. Baik copper wire mesh atau kain kasa yang tersedia baik kontak
permukaan dengan lebih sedikit segmen pakai, tapi sikat kasa yang lebih
mahal daripada strip atau kawat sikat tembaga.
Mesin
berputar modern dengan komutator hampir secara eksklusif menggunakan
sikat karbon, yang mungkin memiliki tembaga bubuk dicampur untuk
meningkatkan konduktivitas. Sikat logam tembaga dapat ditemukan di mainan atau sangat kecil motor,
seperti yang digambarkan di atas, dan beberapa motor yang hanya
beroperasi sangat sebentar-sebentar, seperti motor pemula otomotif.
Motor
dan generator menderita fenomena yang dikenal sebagai 'angker reaksi',
salah satu efek yang adalah untuk mengubah posisi di mana pembalikan
arus melalui gulungan idealnya berlangsung sebagai beban bervariasi. Mesin awal memiliki sikat dipasang pada sebuah cincin yang diberikan dengan pegangan. Selama
operasi, itu perlu untuk menyesuaikan posisi cincin sikat untuk
menyesuaikan pergantian untuk meminimalkan memicu pada kuas. Proses ini dikenal sebagai 'goyang sikat'.
Berbagai perkembangan berlangsung untuk mengotomatisasi proses menyesuaikan pergantian dan meminimalkan memicu pada kuas. Salah
satunya adalah pengembangan 'resistensi yang tinggi sikat', atau sikat
terbuat dari campuran bubuk tembaga dan karbon. [3] Meskipun digambarkan
sebagai kuas resistensi yang tinggi, ketahanan sikat seperti itu dari
urutan milliohms, yang tepat tergantung pada ukuran dan fungsi mesin nilai. Juga, sikat resistensi yang tinggi tidak dibangun seperti kuas tapi
dalam bentuk blok karbon dengan wajah melengkung untuk mencocokkan
bentuk komutator.
Resistensi
yang tinggi atau sikat karbon dibuat cukup besar sehingga secara
signifikan lebih lebar dari segmen isolasi yang mencakup (dan pada mesin
besar mungkin sering rentang dua segmen isolasi). Hasil
ini adalah bahwa sebagai segmen komutator lewat dari bawah kuas, arus
yang ke landai turun lebih lancar daripada yang pernah terjadi dengan
sikat tembaga murni di mana kontak pecah tiba-tiba. Demikian pula segmen bersentuhan dengan sikat memiliki ramping up serupa saat ini. Dengan demikian, meskipun arus yang melalui sikat lebih atau kurang
konstan, arus yang seketika dengan dua segmen komutator adalah sebanding
dengan luas relatif kontak dengan sikat.
Pengenalan sikat karbon memiliki efek samping yang nyaman. Sikat
karbon cenderung memakai lebih merata daripada sikat tembaga, dan
karbon ringan menyebabkan kerusakan jauh lebih sedikit untuk segmen
komutator. Ada kurang memicu dengan karbon dibandingkan dengan tembaga, dan
sebagai karbon menipis, resistensi yang lebih tinggi dari hasil karbon
lebih sedikit masalah dari pengumpulan debu pada segmen komutator.
Rasio tembaga karbon dapat diubah untuk tujuan tertentu. Sikat
dengan kadar tembaga tinggi tampil lebih baik dengan tegangan yang
sangat rendah dan arus tinggi, sementara sikat dengan kandungan karbon
yang lebih tinggi lebih baik untuk tegangan tinggi dan arus yang rendah.
Sikat
kadar tembaga tinggi biasanya membawa 150 sampai 200 ampere per inci
persegi permukaan kontak, sementara kandungan karbon yang lebih tinggi
hanya membawa 40 sampai 70 ampere per inci persegi. Resistensi yang lebih tinggi dari karbon juga menghasilkan drop
tegangan yang lebih besar dari 0,8-1,0 volt per kontak, atau 1,6-2,0
volt di komutator. [4]Pemegang sikatSenyawa pemegang sikat karbon, dengan klem individu dan penyesuaian ketegangan untuk setiap blok karbon. [5]
Sebuah pegas biasanya digunakan dengan kuas, untuk mempertahankan kontak konstan dengan komutator. Sebagai sikat dan komutator memakai bawah, musim semi terus mendorong sikat ke bawah menuju komutator. Akhirnya sikat memakai kecil dan cukup tipis bahwa kontak stabil tidak
mungkin lagi atau tidak lagi aman diadakan di pemegang sikat, dan sikat
harus diganti.
Hal ini umum untuk kabel listrik fleksibel untuk langsung melekat
sikat, karena arus yang mengalir melalui dukungan semi akan menyebabkan
pemanasan, yang dapat menyebabkan hilangnya marah logam dan hilangnya
ketegangan musim semi.
Ketika motor commutated atau pembangkit listrik menggunakan lebih dari
sikat tunggal mampu melakukan, perakitan beberapa pemegang sikat
dipasang secara paralel di permukaan komutator sangat besar.
Pemegang paralel ini mendistribusikan arus merata di semua kuas, dan
memungkinkan operator-hati untuk menghapus sikat buruk dan menggantinya
dengan yang baru, bahkan sebagai mesin terus berputar sepenuhnya
bertenaga dan di bawah beban.
Daya
tinggi, peralatan commutated tinggi saat sekarang jarang, karena desain
yang kurang kompleks bolak generator arus yang memungkinkan arus
rendah, tegangan tinggi bidang pemintalan koil untuk memberi energi
tinggi saat ini posisi tetap stator coils. Hal ini memungkinkan penggunaan sikat tunggal yang sangat kecil dalam desain alternator. Dalam hal ini, kontak berputar cincin terus menerus, yang disebut slip ring, dan tidak beralih terjadi.
Perangkat
modern menggunakan sikat karbon biasanya memiliki desain bebas
perawatan yang tidak memerlukan penyesuaian seluruh kehidupan perangkat,
menggunakan fixed-posisi slot dudukan sikat dan gabungan perakitan
sikat-semi-kabel yang sesuai ke dalam slot. Sikat dikenakan ditarik keluar dan sikat baru dimasukkan.Sudut sikat kontakDefinisi sikat sudut [6]Komutator dan perakitan sikat motor traksi; bar tembaga dapat dilihat dengan strip insulasi ringan antara bar. Setiap sikat karbon abu-abu gelap memiliki fleksibel memimpin jumper tembaga singkat terpasang. Bagian dari bidang motor berkelok-kelok, merah, dapat dilihat di sebelah kanan komutator.
Jenis kuas yang berbeda melakukan kontak dengan komutator dengan cara yang berbeda. Karena
sikat tembaga memiliki kekerasan yang sama dengan segmen komutator,
rotor tidak dapat berputar mundur terhadap ujung sikat tembaga tanpa
tembaga menggali ke dalam segmen dan menyebabkan kerusakan parah. Akibatnya, sikat tembaga jalur / laminasi hanya melakukan kontak
tangensial dengan komutator, sementara jala tembaga dan sikat kawat
menggunakan sudut kontak cenderung menyentuh tepi mereka di segmen dari
komutator yang dapat berputar di satu arah.
Kelembutan
sikat karbon memungkinkan langsung radial akhir-kontak dengan komutator
tanpa merusak segmen, memungkinkan mudah pembalikan arah rotor, tanpa
perlu reorientasi pemegang sikat untuk operasi dalam arah yang
berlawanan. Meskipun tidak pernah terbalik, motor alat umum yang menggunakan luka rotor, komutator dan sikat memiliki sikat radial-kontak. Dalam
kasus reaksi-jenis pemegang sikat karbon, sikat karbon mungkin terbalik
miring dengan komutator sehingga komutator cenderung mendorong terhadap
karbon untuk kontak perusahaan.
Commutator (electric)
From Wikipedia, the free encyclopedia
This article is about the electrical component. For mathematical concept, see
Commutator .
Commutator in a
universal motor from a vacuum cleaner. Parts:
(A) commutator,
(B) brush,
(C) rotor (
armature) windings,
(D) stator (field) windings,
(E) brush guides
A
commutator is the moving part of 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 stationary
electrical contacts called "
brushes" made of a soft conductor 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.
Principle of operation
A commutator consists of a set of contact bars fixed to the rotating
shaft of a machine, and connected to the armature windings. As the shaft
rotates, the commutator reverses the flow of current in a winding. For a
single armature winding, when the shaft has made one-half complete
turn, the winding is now connected so that current flows through it in
the opposite of the initial direction. In a motor, the armature current
causes the fixed magnetic field to exert a rotational force, or a
torque,
on the winding to make it turn. In a generator, the mechanical torque
applied to the shaft maintains the motion of the armature winding
through the stationary magnetic field, inducing a current in the
winding. In both the motor and generator case, the commutator
periodically reverses the direction of current flow through the winding
so that current flow in the circuit external to the machine continues in
only one direction.
Simplest practical commutator
Practical commutators have at least three contact segments, to
prevent a "dead" spot where two brushes simultaneously bridge only two
commutator segments. Brushes are made wider than the insulated gap, to
ensure that brushes are always in contact with an armature coil. For
commutators with at least three segments, although the rotor can
potentially stop in a position where two commutator segments touch one
brush, this only de-energizes one of the rotor arms while the others
will still function correctly. With the remaining rotor arms, a motor
can produce sufficient torque to begin spinning the rotor, and a
generator can provide useful power to an external circuit.
Ring/segment construction
Cross-section of a commutator that can be disassembled for repair.
[1]
A commutator consists of a set of
copper segments, fixed around the part of the circumference of the rotating machine, or the rotor, and a set of spring-loaded
brushes
fixed to the stationary frame of the machine. Two or more fixed brushes
connect to the external circuit, either a source of current for a motor
or a load for a generator.
Commutator segments are connected to the coils of the armature, with
the number of coils (and commutator segments) depending on the speed and
voltage of the machine. Large motors may have hundreds of segments.
Each conducting segment of the commutator is insulated from adjacent
segments.
Mica
was used on early machines and is still used on large machines. Many
other insulating materials are used to insulate smaller machines;
plastics allow quick manufacture of an insulator, for example. The
segments are held onto the shaft using a
dovetail
shape on the edges or underside of each segment. Insulating wedges
around the perimeter of each segment are pressed so that the commutator
maintains its mechanical stability throughout its normal operating
range. Commutator is used to collect current from armature conductor.
In small appliance and tool motors the segments are typically crimped
permanently in place and cannot be removed. When the motor fails it is
discarded and replaced. On large industrial machines (say, from several
kilowatts to thousands of kilowatts in rating) it is economical to
replace individual damaged segments, and so the end-wedge can be
unscrewed and individual segments removed and replaced. Replacing the
copper and mica segments is commonly referred to as "refilling".
Refillable dovetailed commutators are the most common construction of
larger industrial type commutators, but refillable commutators may also
be constructed using external bands made of fiberglass (glass banded
construction) or forged steel rings (external steel shrink ring type
construction and internal steel shrink ring type construction).
Disposable, molded type commutators commonly found in smaller DC motors
are becoming increasingly more common in larger electric motors. Molded
type commutators are not repairable and must be replaced if damaged. In
addition to the commonly used heat, torque, and tonnage methods of
seasoning commutators, some high performance commutator applications
require a more expensive, specific "spin seasoning" process or
over-speed spin-testing to guarantee stability of the individual
segments and prevent premature wear of the carbon brushes. Such
requirements are common with traction, military, aerospace, nuclear,
mining, and high speed applications where premature failure can lead to
serious negative consequences.
Friction between the segments and the brushes eventually causes wear
to both surfaces. Carbon brushes, being made of a softer material, wear
faster and may be designed to be replaced easily without dismantling the
machine. Older copper brushes caused more wear to the commutator,
causing deep grooving and notching of the surface over time. The
commutator on small motors (say, less than a kilowatt rating) is not
designed to be repaired through the life of the device. On large
industrial equipment, the commutator may be re-surfaced with abrasives,
or the rotor may be removed from the frame, mounted in a large metal
lathe,
and the commutator resurfaced by cutting it down to a smaller diameter.
The largest of equipment can include a lathe turning attachment
directly over the commutator.
Brush construction
Various types of copper and carbon brushes.
[2]
Early machines used brushes made from strands of copper wire to
contact the surface of the commutator. However, these hard metal brushes
tended to scratch and groove the smooth commutator segments, eventually
requiring resurfacing of the commutator. As the copper brushes wore
away, the dust and pieces of the brush could wedge between commutator
segments, shorting them and reducing the efficiency of the device. Fine
copper wire mesh or gauze provided better surface contact with less
segment wear, but gauze brushes were more expensive than strip or wire
copper brushes.
Modern rotating machines with commutators almost exclusively use
carbon brushes, which may have copper powder mixed in to improve
conductivity. Metallic copper brushes can be found in toy or very small
motors, such as the one illustrated above, and some motors which only
operate very intermittently, such as automotive starter motors.
Motors and generators suffer from a phenomenon known as 'armature
reaction', one of the effects of which is to change the position at
which the current reversal through the windings should ideally take
place as the loading varies. Early machines had the brushes mounted on a
ring that was provided with a handle. During operation, it was
necessary to adjust the position of the brush ring to adjust the
commutation to minimise the sparking at the brushes. This process was
known as 'rocking the brushes'.
Various developments took place to automate the process of adjusting
the commutation and minimizing the sparking at the brushes. One of these
was the development of 'high resistance brushes', or brushes made from a
mixture of copper powder and carbon.
[3]
Although described as high resistance brushes, the resistance of such a
brush was of the order of milliohms, the exact value dependent on the
size and function of the machine. Also, the high resistance brush was
not constructed like a brush but in the form of a carbon block with a
curved face to match the shape of the commutator.
The high resistance or carbon brush is made large enough that it is
significantly wider than the insulating segment that it spans (and on
large machines may often span two insulating segments). The result of
this is that as the commutator segment passes from under the brush, the
current passing to it ramps down more smoothly than had been the case
with pure copper brushes where the contact broke suddenly. Similarly the
segment coming into contact with the brush has a similar ramping up of
the current. Thus, although the current passing through the brush was
more or less constant, the instantaneous current passing to the two
commutator segments was proportional to the relative area in contact
with the brush.
The introduction of the carbon brush had convenient side effects.
Carbon brushes tend to wear more evenly than copper brushes, and the
soft carbon causes far less damage to the commutator segments. There is
less sparking with carbon as compared to copper, and as the carbon wears
away, the higher resistance of carbon results in fewer problems from
the dust collecting on the commutator segments.
The ratio of copper to carbon can be changed for a particular
purpose. Brushes with higher copper content perform better with very low
voltages and high current, while brushes with a higher carbon content
are better for high voltage and low current. High copper content brushes
typically carry 150 to 200 amperes per square inch of contact surface,
while higher carbon content only carries 40 to 70 amperes per square
inch. The higher resistance of carbon also results in a greater voltage
drop of 0.8 to 1.0 volts per contact, or 1.6 to 2.0 volts across the
commutator.
[4]
Brush holders
Compound carbon brush holder, with individual clamps and tension adjustments for each block of carbon.
[5]
A spring is typically used with the brush, to maintain constant
contact with the commutator. As the brush and commutator wear down, the
spring steadily pushes the brush downwards towards the commutator.
Eventually the brush wears small and thin enough that steady contact is
no longer possible or it is no longer securely held in the brush holder,
and so the brush must be replaced.
It is common for a flexible power cable to be directly attached to
the brush, because current flowing through the support spring would
cause heating, which may lead to a loss of metal temper and a loss of
the spring tension.
When a commutated motor or generator uses more power than a single
brush is capable of conducting, an assembly of several brush holders is
mounted in parallel across the surface of the very large commutator.
This parallel holder distributes current evenly across all the
brushes, and permits a careful operator to remove a bad brush and
replace it with a new one, even as the machine continues to spin fully
powered and under load.
High power, high current commutated equipment is now uncommon, due to
the less complex design of alternating current generators that permits a
low current, high voltage spinning field coil to energize high current
fixed-position stator coils. This permits the use of very small singular
brushes in the
alternator design. In this instance, the rotating contacts are continuous rings, called
slip rings, and no switching happens.
Modern devices using carbon brushes usually have a maintenance-free
design that requires no adjustment throughout the life of the device,
using a fixed-position brush holder slot and a combined
brush-spring-cable assembly that fits into the slot. The worn brush is
pulled out and a new brush inserted.
Brush contact angle
Brush angle definitions
[6]
Commutator and brush assembly of a
traction motor;
the copper bars can be seen with lighter insulation strips between the
bars. Each dark grey carbon brush has a short flexible copper jumper
lead attached. Parts of the motor field winding, in red, can be seen to
the right of the commutator.
The different brush types make contact with the commutator in different
ways. Because copper brushes have the same hardness as the commutator
segments, the rotor cannot be spun backwards against the ends of copper
brushes without the copper digging into the segments and causing severe
damage. Consequently, strip/laminate copper brushes only make tangential
contact with the commutator, while copper mesh and wire brushes use an
inclined contact angle touching their edge across the segments of a
commutator that can spin in only one direction.
The softness of carbon brushes permits direct radial end-contact with
the commutator without damage to the segments, permitting easy reversal
of rotor direction, without the need to reorient the brush holders for
operation in the opposite direction. Although never reversed, common
appliance motors that use wound rotors, commutators and brushes have
radial-contact brushes. In the case of a reaction-type carbon brush
holder, carbon brushes may be reversely inclined with the commutator so
that the commutator tends to push against the carbon for firm contact.
