Virrankäännin

Virrankäännin eli kommutaattori on tietyntyyppisissä sähkömoottoreissa ja -generaattoreissa käytettävä pyörivä sähkökytkin, joka kääntää roottorin ja muun virtapiirin välisen virran suunnan jaksottain. 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.
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 jaksottain, jotta laitteen virtapiirien virta kulkee vain yhteen suuntaan. 
Yksinkertaisin käytännön virrankäännin.
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 generaattori voi tuottaa tehoa piiriin. 
Kehän/kohtioiden rakenne.
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 sotilaskäytössä, ilma-aluksissa, muissa kulkuneuvoissa, 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. 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. 
Harjan rakenne.
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 johtavuuden parantamiseksi. Metallisia kupariharjoja on yhä leluissa ja todella pienissä moottoreissa, kuten yläpuolella olevassa 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 keinunnaksi. 
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, ja pehmeä hiili tekee vähemmän vahinkoa virrankääntimen kohtioille. Hiili aiheuttaa vähemmän kipinöintiä kuin kupari, ja hiilen kuluessa hiilen korkeamman resistanssin ansiosta virrankääntimen lohkoihin kerääntyvä pöly ei aiheuta yhtä suuria ongelmia. 
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). 
Harjanpidikkeet.
Harjan kanssa käytetään yleensä jousta, joka ylläpitää tasaista kytkentää virrankääntimen kanssa. Kun harja ja virrankäännin kuluvat, jousi painaa tasaisesti harjaa virrankäännintä vasten. Kun harja kuluu tarpeeksi pieneksi ja ohueksi, kytkennän ylläpito ei ole enää mahdollista tai harja ei pysy enää vakaasti pidikkeessä, harja täytyy vaihtaa. 
On yleistä kytkeä virtajohdin suoraan harjaan, koska jousen läpi kulkeva sähkövirta lämmittäisi jousta, mikä saattaisi muuttaa metallin rakennetta ja johtaa jousen jännityksen vähenemiseen. 
Kun virrankääntimeen kytketty sähkökone vaatii enemmän tehoa kuin yksi harja pystyy johtamaan, usean harjanpidikkeen kokoonpano upotetaan rinnankytkettyinä ympäri todella suuren virrankääntimen pintaa. Rinnankytketty pidike jakaa sähkövirran kaikkien harjojen kesken, jolloin varovainen käyttäjä voi poistaa kuluneen harjan ja vaihtaa sen uuteen samalla, kun kone jatkaa pyörimistään täydellä teholla ja kuormitettuna. 
Suuritehoiset ja -virtaiset virrankääntimet eivät ole nykyisin yleisiä, koska pienivirtaisten vaihtovirtageneraattoreiden rakenne on yksinkertaisempi. Niissä on korkeajännitteinen pyörivä kenttäkela, joka tuo energiaa suurivirtaisiin kiinteässä asennossa oleviin staattorikäämeihin. Tämä mahdollistaa todella pienten yksittäisten harjojen käytön alternaattoreissa. Tällöin pyörivät kohtiot ovat yhtenäisiä renkaita eli luistorenkaita eikä kytkentöjä tapahdu. 
Nykyaikaisissa hiiliharjoja käyttävissä laitteissa on tavallisesti huoltovapaa rakenne, joka ei vaadi säätöä laitteen käyttöiän aikana. Niissä on kiinteässä asennossa olevat hiiliharjanpidikkeet ja yhdistetyt harjan, jousen ja johtimen kokoonpanot, jotka sopivat aukkoihin. Kulunut harja vedetään ulos ja uusi harja työnnetään sisään. 
Harjan kytkentäkulma.
Eri harjatyypit kytkeytyvät virrankääntimeen eri tavoin. Koska kupariharjat ovat yhtä kovia kuin virrankääntimen lohkot, roottori ei voi pyöriä takaperin kupariharjojen päitä vasten ilman, että kupariharja kaivautuu kohtioihin ja aiheuttaa vakavaa vahinkoa. Tämän vuoksi suikale- tai levymäiset kupariharjat muodostavat vain virrankäännintä sivuavan kytkennän, kun taas kupariverkko- ja kuparilankaharjoissa käytetään kallistettua kytkentäkulmaa, jolloin reunat osuvat virrankäännintä vasten, ja se voi pyöriä vain yhteen suuntaan. 
Hiiliharjojen pehmeys mahdollistaa suoran säteittäisen kytkennän virrankääntimeen koko harjan pinta-alan laajuudelta ilman kohtioiden vahingoittumista, jolloin roottori kykenee pyörimään myös vastakkaiseen suuntaan ilman, että harjanpidikkeet joudutaan järjestämään uudelleen toiseen suuntaan pyörimistä varten. Vaikka moottori ei koskaan pyörisi taaksepäin, tavallisten käyttökohteiden moottoreissa käytetään säteittäisesti kytkeytyviä virrankääntimiä ja harjoja. Reaktiotyyppisen hiiliharjanpidikkeen tapauksessa hiiliharjat saatetaan kallistaa virrankäännintä vasten siten, että virrankäännin painuu hiiltä vasten kiinteän kosketuksen aikaansaamiseksi.
Virrankääntimen siipi.
Virrankääntimen kohtaa, johon harjat koskevat, kutsutaan virrankääntimen siiveksi (engl. commutating plane). Jotta virrankääntimeen ja sieltä pois johtuisi riittävän iso virta, harjojen kosketusalue ei ole kapea viiva vaan suorakaiteen muotoinen alue lohkojen yllä. Tavallisesti harja on niin leveä, että se kattaa 2,5 virrankääntimen lohkoa eli kohtiota. Täten kaksi vierekkäistä lohkoa ovat sähköisessä kytkennässä harjan kanssa. 
Staattorikentän vääristymisen tasapainotus.
Suurin osa moottoreista ja generaattoreista on yksinkertaisimmillaan kaksitankoisia laitteita, joissa harjat on järjestetty täydelliseen 90-asteen kulmaan kenttään nähden. Tämä ideaalitilanne on käytännöllinen kenttien käyttäytimisen ymmärtämiseksi, mutta se ei vastaa sähkökoneen todellista toimintaa. 
Todellisessa sähkökoneessa roottorin ympärillä oleva kenttä ei ole koskaan täydellisen yhtenäinen. Sen sijaa roottorin pyörintä indusoi kenttäilmiöitä jotka vetävät ja vääristävät ulommaisen pyörimättömän staattorin kenttäviivoja. 
Mitä kovempaa roottori pyörii, sitä enemmän kenttä vääristyy. Koska sähkökoneen hyötysuhde on paras silloin, kun roottorin kenttä on oikeassa kulmassa staattorin kenttään nähden, on tärkeää joko jarruttaa tai kiihdyttää harjan asentoa, jotta roottorin kenttä on oikeassa asennossa ollakseen oikeassa kulmassa vääristyneeseen kenttään nähden. 
Kun pyörimissuunta vaihtuu, kenttäilmiöiden suunta kääntyy. Tämän vuoksi on hankalaa rakentaa molempiin suuntiin pyörivä dynamo hyvällä hyötysuhteella, koska voimakkaimman kentän vallitessa on tarpeen siirtää harjat siiven vastakkaiselle puolelle. Kenttäilmiöitä voidaan vähentää ankkurikäämityksen virran kuljettavan tangon viereen asennettavalla kompensaatiokäämillä. 
Ilmiö on vastaavanlainen kuin polttomoottorin rytmityksen edistäminen. Tietyllä nopeudella käytettäväksi suunnitellussa dynamossa harjat on asennettu kiinteästi siten, että kenttä on linjassa niin, että hyötysuhde on mahdollisimman hyvä kyseisessä nopeudessa. 
Itseinduktion tasapainotus.
Itseinduktiossa eri kelojen magneettikentät yhdistyvät luoden magneettikentän, joka vastustaa sähkövirran muutosta, mitä voidaan verrata sähkövirran hitauteen. 
Roottorin keloissa sähkövirta jatkaa virtaamistaan jopa hetken harjan ohituksen jälkeen, mikä aiheuttaa tehohäviöitä lämpönä, kun harja kattaa useita virrankääntimen kohtioita, ja nämä kohtiot menevät oikosulkuun. 
"Väärä resistanssi" on ankkurikäämityksen kelan resistanssin kasvua, mikä on verrannollinen ankkurikäämityksen nopeuteen, ja se aiheutuu virran viipeistä. 
Jotta oikosulkemisesta johtuva harjojen kipinöinti saadaan minimoitua, harjoja kiihdytetään muutaman asteen verran pois kentän vääristymien luota. Tämä siirtää virrankääntöön osallistuvaa roottorikäämiä hieman staattorikentän eteen, jolloin kenttäviivat kulkevat vastakkaiseen suuntaan ja kenttä on vastakkainen staattoriin nähden. Vastakkaiskenttä auttaa kääntämään staattorin viipeellä kulkevan itseindusoivan sähkövirran. 
Vaikka roottori olisi levossa eikä tarvitsisi aluksi kentän vääristymisen tasapainotusta, harjojen tulisi silti olla asennettu täydellisen 90 asteen kulman taakse. Tämä opetetaan mm. monissa aloittelijoille suunnatuissa tietokirjoissa, ja tarkoituksena on kompensoida itseinduktio. 
Rajoitteet ja vaihtoehdot.
Tasavirtamoottorit ja dynamot olivat ennen teollisuuden kärjessä, mutta virrankääntimen huonot puolet ovat saaneet niiden käytön lähtemään laskuun viime vuosisadalla. Huonot puolet ovat: 
Vaihtovirran laajan saatavuuden vuoksi tasavirtamoottorit on korvattu vaihtovirtatahtimoottoreilla ja oikosulkumoottoreilla, joiden hyötysuhde on parempi. Viime vuosina tehopuolijohteiden paremman saatavuuden vuoksi monissa jäljelle jääneissä tasavirtamoottoreiden käyttökohteissa virrankääntimellisiä moottoreita on korvattu hiiliharjattomilla tasavirtamoottoreilla. Niissä ei ole virrankäännintä, vaan sähkövirran suunta käännetään sähköisesti. Anturi seuraa roottorin asentoa, ja puolijohdekytkimet, kuten transistorit, kääntävät virran. Näiden laitteiden käyttöikä on paljon korkeampi, ja sitä rajoittaa pääosin laakerin kuluminen.
Repulsiomoottorit.
Repulsiomoottorit ovat yksivaiheisia vaihtovirtamoottoreita, joiden käynnistyksen vääntömomentti on korkeampi kuin monivaiheisilla käynnistyskeloilla voitiin saavuttaa ennen, kuin suurkapasitanssiset (epäpolaariset, suhteellisen suurivirtaiset elektrolyyttiset) käynnistyskondensaattorit tulivat käytännöllisiksi. Niissä on tavallinen staattori kuten missä tahansa oikosulkumoottorissa, mutta roottori on samantapainen kuin perinteisen virrankääntimen kanssa. Harjat ovat toisiaan vastapäätä ja yhdistetty toisiinsa (ei muuhun piiriin), ja muuntajan toiminta indusoi virtoja roottoriin, mikä saa aikaan vääntömomentin. 
Eräs muunnelma, jonka nopeutta voi säätää, pyörii tauotta, kun harjat ovat kytkeytyneenä siihen, kun taas toisessa muunnelmassa repulsiota käytetään ainoastaan käynnistyksessä suuren vääntömomentin aikaansaamiseen, ja joissakin tapauksissa harjat nostetaan ylös, kun moottori pyörii riittävän nopeasti. Jälkimmäisessä tapauksessa myös kaikki virrankääntimen kohtiot on kytketty toisiinsa kunnes moottori saavuttaa ajonopeuden. 
Kun nopeus on saavutettu, roottorin käämit alkavat toimia samalla tavalla kuin oikosulkumoottorin oravahäkkirakenteessa, ja moottori pyörii ilman apua. 
Laboratoriovirrankääntimet.
Virrankääntimiä käytettiin yksinkertaisissa eteen-pois-taakse-kytkimissä fysiikan laboratorioiden sähkötekniikan kokeellisissa töissä. Näitä on kahta tunnettua historiallista tyyppiä: 
Ruhmkorffin virrankäännin.
Laite on samanlainen kuin moottoreiden ja dynamoiden virrankääntimet. Se valmistettiin yleensä messingistä ja norsunluusta, myöhemmin eboniitista. 
Pohlin virrankäännin.
Laitteessa on puu- tai eboniittipalkki, jossa on neljä kaivoa, joissa on elohopeaa, ja ne on kytketty ristiin kuparijohtimilla. Virta otettiin kahdesta kaarevasta kuparijohtimesta, jotka siirrettiin ja upotettiin yhteen tai toiseen elohopeakaivopariin. Elohopean asemesta voitiin käyttää myös ioninesteitä tai toisia nestemäisiä metalleja kuten galinstaania.