換向器

換向器 (Commutator)
國立臺灣大學物理系 簡裕峰

換向器是直流馬達與直流發電機中的重要元件，它的功能是為了讓直流馬達與直流發電機可以持續轉動。一般而言，只有直流者需要用到換向器，交流馬達及交流發電機則不需要。最簡單的換向器是由電刷與兩片半圓形的換向環相對組合而成的，因為改變電流方向的需要使換向器長成這種形狀。

在直流馬達中（如圖一），剛通電時，左邊那片換向環帶正電，而右邊那片換向環帶負電，電流順時鐘方向流過線圈。我們知道 $$\vec{F}=i\vec{L}\times\vec{B}$$，即通電導線在磁場中所受的力位於電流與磁場的外積方向上，於是乎，在線圈中的 1 號線段，電流與磁場外積的方向向上、受力向上，在線圈的 3 號線段，電流與磁場外積的方向向下、受力向下，而在線圈的 2、4 線段上，電流與磁場平行，外積後受力為零，因此整個線圈因為 1、3 線段受力而開始旋轉，線圈旋轉時，換向環也會跟著轉。

當線圈繼續旋轉至電刷接觸到兩片換向環之間的空隙時，兩片換向環脫離了與外加電源的接觸，變回電中性，此時線圈與換向環會因為慣性而繼續旋轉，使得電刷跨越空隙碰到另一片換向環，於是原本帶正電的換向環現在改帶負電、原本帶負電的換向環現在改帶正電，至於線圈上的電流方向則不變，因此受力也不變，線圈得以繼續旋轉、週而復始。

圖一 直流馬達。（本文作者簡裕峰繪製）

在直流發電機中（如圖二），我們施力將 1 號線圈往下壓，線圈兩端分別切割不同磁極的磁力線，並在線圈中產生感應電動勢，根據電磁感應的原理，會在線圈上產生順時鐘方向的電流，此電流經由電刷流出沿著外線圈再流回來。當線圈上有順時鐘方向的電流時，又會產生與直流馬達相同的受力原理，使得線圈繼續旋轉，當換向環的空隙轉到電刷時，外線圈與換向環脫離接觸，此時外線圈上的電流為零。線圈繼續旋轉，使線圈切割與先前不同磁極的磁力線，感應電動勢再次使得線圈上產生順時鐘方向的電流，線圈得以繼續轉動、週而復始地使外線圈通電，達到發電的效果。

如果直流馬達與直流發電機中沒有換向器這個元件的話，線圈每轉半圈，就會受到與先前相反的受力方向以及感應電動式方向，線圈就無法持續地轉動，馬達和發電機將會失去效果。所以小小的換向器可是馬達和發電機運轉的重要功臣呢！

圖二 直流發電機。（本文作者簡裕峰繪製）

參考文獻

1. DC motor – Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/DC_motor
2. 換向器｜百度百科。http://baike.baidu.com/view/1929.htm
3. Commutator and Brushes on DC Motor – HyperPhysics. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/comtat.html
4. Commutator (electric) – Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Commutator_(electric)
5. Electric generator – Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_generator