alt=|pienoiskuva|Pölynimurin yleisvirtakoneen virrankäännin. Osat: (A) virrankäännin, (B) harja, (C) roottori ja ankkurikäämitys, (D) staattori, (E) harjanpidin, (F) kenttäkelat Virrankäännin eli kommutaattori on tietyntyyppisissä sähkömoottoreissa ja -generaattoreissa käytettävä pyörivä sähkökytkin, joka kääntää roottorin ja muun virtapiirin välisen virran suunnan jaksoittain. Siinä on sylinteri, jossa on useita metallikohtioita ja pyörivä ankkurikäämitys. Virrankäännintä vasten puristuneena on kaksi tai useampia harjoja, jotka on tehty pehmeästä sähkönjohteesta kuten hiilestä. Harjat muodostavat liukuvia kytkentöjä virrankääntimen kohtioiden kanssa laitteen pyöriessä. Ankkurikäämityksen käämit eli kelat on yhdistetty virrankääntimen kohtioihin.
Virrankääntimiä käytetään tasavirtalaitteissa: dynamoissa ja monissa tasavirtamoottoreissa sekä yleisvirtakoneissa. Moottorissa virrankäännin kytkee sähkövirran käämeihin. Kun pyörivien kelojen virran suunta kännetään puolen kierroksen välein, saadaan tuotettua vääntömomenttia. Generaattorin virrankäännin kerää kelojen tuottaman sähkövirran ja kääntää virran suunnan puolen kierroksen välein toimien mekaanisena tasasuuntaajana, joka muuntaa käämien tuottaman vaihtovirran tasavirraksi ulkoapäin kuormitetuissa piireissä. Ensimmäinen tasavirtavirrankääntimen tyyppinen laite oli dynamo, jonka Hippolyte Pixii keksi vuonna 1832 André-Marie Ampèren ehdotukseen perustuen.
Virrankäänninten hyötysuhde on suhteellisen huono, ja ne tarvitsevat säännöllistä huoltoa kuten harjojen vaihtoa. Tästä johtuen virrankääntimiä käyttävien koneiden käyttö on vähenemässä, ja niitä korvataan vaihtovirtalaitteilla ja viime vuosina myös harjattomilla tasavirtamoottoreilla, joissa käytetään puolijohdekytkimiä.
Toimintaperiaate pienoiskuva|200x200px Virrankääntimessä on pyörivään akseliin kiinnitettyjä kohtiotankoja, jotka on yhdistettu ankkurikäämityksen keloihin. Kun akseli pyörii, virrankäännin kääntää virran suunnan säännöllisesti. Yksittäisen ankkurikäämityksen käämin tapauksessa kun akseli on tehnyt puolikkaan kierroksen, kela kytkeytyy nyt siten, että virta kulkee vastakkaiseen suuntaan. Moottorissa ankkurikäämityksen virta saa kiinteän magneettikentän tuottamaan pyörimisvoimaa eli momenttia, mikä saa kelan pyörimään. Generaattorissa akseliin kohdistuva mekaaninen momentti ylläpitää ankkurikäämityksen liikettä kiinteässä magneettikentässä, jolloin käämeihin indusoituu sähkövirtaa. Sekä moottoreissa että generaattoreissa virrankäännin kääntää käämeissä kulkevan virran suunnan jaksoittain, jotta laitteen virtapiirien virta kulkee vain yhteen suuntaan.
Yksinkertaisin käytännön virrankäännin 188x188px150x150px189x189px Käytännön virrankääntimissä on vähintään kolme kohtiota, jotta niihin ei muodostu ”kuollutta” aluetta, jossa kaksi harjaa koskevat ainoastaan kahteen virrankääntimen kohtioon. Harjat tehdään eristettyä rakoa leveämmiksi, jotta voidaan taata, että harjat ovat aina kytkeytyneenä ankkurikäämitykseen. Virrankääntimissä, joissa on vähintään kolme kohtiota, roottori saattaa pysähtyä asentoon, jossa yksi harja koskee kahta virrankääntimen kohtiota, mutta tällöin ainoastaan yksi roottorin varsista ei tuota energiaa, mutta muut toimivat oikein. Moottori pystyy tuottamaan jäljelle jäävien varsien avulla riittävän suuren momentin roottorin pyörimisen jatkamiseen, ja vastaavasti generaattori voi tuottaa tehoa piiriin.
Kehän/kohtioiden rakenne pienoiskuva|370x370px| Poikkileikkaus virrankääntimestä, joka voidaan purkaa korjausta varten.Hawkins Electrical Guide, Theo. Audel and Co., 2nd ed. 1917, vol. 1, ch. 21: Brushes and the Brush Gear, s. 300, kuva 327 Virrankäännin koostuu ryhmästä kuparikohtioita (lohkoja), jotka on kiinnitetty pyörivän koneen kehälle tai roottoriin, sekä jousilla viritetyistä harjoista, jotka ovat kiinteinä koneen rungossa. Kaksi tai useampia kiinteitä harjoja yhdistävät virrankääntimen muuhun virtapiiriin, joko moottorin virranlähteeksi tai generaattorin kuormaksi.
Virrankääntimen kohtiot on yhdistetty ankkurikäämityksen käämeihin. Kelojen (ja virrankääntimen kohtioiden/lohkojen) määrä riippuu koneen nopeudesta ja jännitteestä. Suurissa moottoreissa voi olla tuhansia kohtioita. Jokainen kohtio on eristetty muista kohtioista. Vanhimmissa koneissa käytettiin kiillettä, ja sitä käytetään edelleen isoissa koneissa. Pienemmissä koneissa käytetään monia muita eristäviä aineita. Esimerkiksi muovieristeet on nopea huoltaa. Kuparilohkot kiinnitetään akseliin käyttämällä lohenpyrstön muotoa jokaisen lohkon reunoissa tai kääntöpuolella. Kehän jokaisen kohtion ympärillä olevat eristävät kiilat puristetaan siten, että virrankäännin ylläpitää mekaanista vakauttaan tavallisella käyttöalueellaan.
Pienten laitteiden ja työkalujen moottoreiden kohtioiden lohkot on yleensä poimutettu pysyvästi paikoilleen, joten niitä ei voi poistaa. Moottorin hajotessa se hylätään ja vaihdetaan. Teollisuuden suurissa koneissa (useista kilowateista tuhansiin kilowatteihin) on taloudellisempaa vaihtaa yksittäiset hajonneet lohkot, joten kiinnitys ei ole yleensä pysyvä, vaan yksittäiset lohkot voidaan poistaa ja vaihtaa. Kupari- ja kiillelohkojen vaihtamista voidaan kutsua uudelleentäytöksi. Uudelleentäytettävät lohenpyrstöliitoksilla varustetut virrankääntimet ovat teollisuuden isoista virrankääntimistä yleisimpiä, mutta uudelleentäytettävät virrankääntimet voidaan valmistaa myös lasikuidusta tehdyistä nauhoista tai taotusta terärenkaasta. Kertakäyttöiset valettavat virrankääntimet, joita on käytetty pienissä tasavirtamoottoreissa, yleistyvät myös suuremmissa sähkömoottoreissa. Valettuja virrankääntimiä ei voi korjata, joten ne täytyy vaihtaa niiden vahingoituttua. Lisäksi toisin kuin tavallisesti käytetyissä lämpö-, momentti- ja kantavuusmenetelmillä höystetyissä virrankääntimissä, korkeamman suorituskyvyn virrankääntimissä tarvitaan kalliimpia erityisiä pyörimisen säätöprosesseja tai ylinopeudella pyörimisen koettelua, jotta yksittäisten lohkojen vakaudet saadaan taattua ja hiiliharjojen ennenaikainen kuluminen estettyä. Nämä vaateet ovat yleisiä ajomoottoreissa, sotilaskäytössä, ilma-aluksissa, ydin- ja kaivosteollisuudessa sekä suurnopeusmoottoreissa, joissa ennenaikainen vika voisi johtaa vakaviin seurauksiin.
Lohkojen ja harjojen välinen kitka aiheuttaa molempien pintojen kulumista. Pehmeästä aineesta tehdyt hiiliharjat kuluvat nopeammin ja voivat olla suunniteltu siten, että ne voidaan vaihtaa helposti keskeyttämättä koneen toimintaa. Harjojen tyypillinen kulumisnopeus on senttimetri 3000–4000 tunnissa. Vanhat kupariharjat kuluttivat virrankäännintä enemmän aiheuttaen pinnan uriintumista ja naarmuuntumista. Pienten moottoreiden virrankääntimiä (alle kilowatin) ei ole suunniteltu korjattaviksi niiden käyttöiän aikana. Suurissa teollisuuden virrankääntimissiä lohkot voidaan pinnoittaa uudelleen hiomalla tai roottori voidaan irottaa ja sorvata suurella metallisorvilla ja virrankäännin pinnoittaa uudelleen pienentämällä sen halkaisijaa. Suurimpien koneiden virrankääntimissä saattaa olla sisäänrakennettu sorvi suoraan virrankääntimen yllä. alt=|pienoiskuva|Pieni viisilohkoinen virrankäännin, jonka halkaisija on vain 2 mm, radio-ohjattavan ZipZaps-leluauton tasavirtamoottorissa.
Harjan rakenne pienoiskuva|400x400px| Erilaisia kupari- ja hiiliharjoja. Hawkins Electrical Guide, Theo. Audel and Co., 2nd ed. 1917, vol. 1, ch. 21: Brushes and the Brush Gear, s. 304, kuva 329-332 Vanhimpien koneiden harjat tehtiin kuparilankasäikeistä, joilla virrankääntimen pinta yhdistettiin. Kovasta metallista tehdyillä harjoilla oli kuitenkin tapana naarmuttaa ja urittaa virrankääntimen kohtiot, jolloin virrankäännin jouduttiin pinnoittamaan uudelleen. Kun kupariharjat kuluivat, pöly ja harjan palat saattoivat kiilautua virrankääntimen kohtioiden väliin oikosulkien ne, mikä vähensi laitteen hyötysuhdetta. Hienolla kuparilankaverkolla tai -harsolla saavutettiin parempi pintakosketus vähemmällä kohtioiden kulumisella, mutta harsoharjat olivat kalliimpia kuin kuparinauha- ja kuparilankaharjat.
Uudenaikaisissa pyörivissä virrankäännintä käyttävissä koneissa käytetään lähes poikkeuksetta hiiliharjoja, joissa voidaan käyttää kuparijauhetta sähkönjohtavuuden parantamiseksi. Metallisia kupariharjoja on yhä leluissa ja todella pienissä moottoreissa, kuten viereisessä kuvassa, ja joissakin lyhyitä aikoja käytettävissä moottoreissa kuten ajoneuvojen käynnistysmoottoreissa.
Moottorit ja generaattorit kärsivät ankkurireaktio-nimisestä ilmiöstä, jossa kohta, jossa kelojen läpi tapahtuvan virranvaihdon tulisi tapahtua ideaalisesti, muuttuu, kun kuormitus vaihtelee. Varhaisten koneiden harjat oli kiinnitetty renkaaseen, joka oli varustettu kahvalla. Käytön aikana oli tarpeen säätää harjarenkaan asentoa ja siten virrankääntöä siten, että harjojen kipinöinti oli mahdollisimman pientä. Tätä kutsuttiin harjojen keinuttamiseksi.
Virrankäännön säädön automatisoinnissa ja harjojen kipinöinnin minimoinnissa tapahtui monenlaisia kehitysaskelia. Yksi niistä oli ”korkearesistanssisten harjojen” eli kuparijauheen ja hiilen seoksesta tehtyjen harjojen kehitys. Vaikka niitä kutsuttiinkin korkearesistanssisiksi harjoiksi, niiden todellinen sähkövastus oli ainoastaan milliohmien luokkaa (tarkka arvo riippui koosta ja koneen käyttötarkoituksesta). Näiden harjojen rakenne ei ollut harjamainen vaan hiilipalkin tapainen, ja päädyt olivat pyöreitä, jotta ne sopivat virrankäänninten muotoon.
Korkearesistanssinen harja eli hiiliharja tehdään tarpeeksi suureksi, jotta se on huomattavasti leveämpi kuin kohtioiden välinen eriste (ja saattaa suurissa koneissa ulottua kahden eristelohkon yli). Tällöin kun virrankääntimen kohtio liikkuu pois harjan alta, ohituksessa virta laskee pehmeämmin kuin kokonaan kuparisten harjojen tapauksessa, jolloin virran kulku katkesi äkillisesti. Vastaavasti harjan alle tulevan kohtion virta kasvaa pehmeästi. Vaikka yksittäisen harjan kohdalla olevan kohtion virta ei ollut vakio, kahden vierekkäisen kohtion virtojen summa oli verrannollinen harjaan kosketuksissa olevaan alueeseen.
Hiiliharjan käyttöönotolla oli hyviä vaikutuksia. Hiiliharjat kuluvat hitaammin kuin kupariharjat, pehmeä hiili tekee vähemmän vahinkoa virrankääntimen kohtioille ja jopa voitelee ja kiillottaa niitä. Hiili aiheuttaa vähemmän kipinöintiä kuin kupari, ja hiilen kuluessa hiilen korkeamman resistanssin ansiosta virrankääntimen lohkoihin kerääntyvä pöly ei aiheuta yhtä suuria ongelmia. Toisaalta hiliharjojen alhaisemman sähkövirran tiheyden vuoksi joudutaan käyttämään suurempia harjanpitimiä.
Hiilen ja kuparin suhdetta voidaan vaihdella käyttötarkoitukesta riippuen. Kuparipitoisemmat hiiliharjat toimivat paremmin todella alhaisella jännitteellä ja suurella virralla, kun taas hiilipitoisemmat harjat ovat parempia korkean jännitteen ja pienen virran kanssa. Kuparipitoisemmat harjat johtavat yleensä 150–200 ampeeria neliötuumaa kohden ja hiilipitoisemmat vain 40–70 ampeeria neliötuumaa kohden. Hiilen suurempi sähkövastus aiheuttaa myös suuremman jännitteen putoamisen (0,8-1,0 V kohtiota kohden tai 1,6–2,0 V virrankäännintä kohden).Hawkins Electrical Guide, Theo. Audel and Co., 2nd ed. 1917, vol. 1, ch. 21: Brushes and the Brush Gear, s. 313
Harjanpitimet alt=|pienoiskuva|466x466px|Yhdistetty hiiliharjanpidike, jossa on erilliset puristuksen ja jännityksen säädöt jokaiselle hiilenpalalle.Hawkins Electrical Guide, Theo. Audel and Co., 2nd ed. 1917, vol. 1, ch. 21: Brushes and the Brush Gear, s. 307, kuva 335 Harjan kanssa käytetään yleensä jousta, joka ylläpitää tasaista kytkentää virrankääntimen kanssa. Kun harja ja virrankäännin kuluvat, jousi painaa tasaisesti harjaa virrankäännintä vasten. Jousen jännitystä pystyy usein säätämään. Kun harja kuluu tarpeeksi pieneksi ja ohueksi, kytkennän ylläpito ei ole enää mahdollista tai harja ei pysy enää vakaasti pitimessä, harja täytyy vaihtaa.