При вращении якоря секции обмотки непрерывно переходят из одной параллельной ветви в другую и в них происходит изменение направления тока. Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. В широком смысле слова под коммутацией понимают совокупность явлений, связанных с изменением направления тока в секциях при переходе их из одной параллельной ветви в другую, и передачей тока через скользящий контакт между коллектором и щеткой. Процессы, возникающие при этом в секциях и под щетками, называются коммутационными. Переключаемая секция называется коммутируемой, а время в течение которого происходит процесс коммутации — периодом коммутации Т. Коммутацию рассмотрим на примере простой петлевой обмотки
Рис.1 — Коммутация простой петлевой обмотки — процесс переключения одной секции
Процесс переключения одной секции показан на рис.1 при условии, что ширина щеток bщ равна ширине коллекторной пластины bk. В реальной машине щетка перекрывает несколько пластин и процесс коммутации происходит сразу в нескольких секциях. За время переключения сила тока в короткозамкнутой (коммутирующей) секции изменяется от значения ia до того же значения в обратном направлении т.е. от +ia до –ia. Установим закон изменения коммутационного тока, причины и следствия его изменения. При вращении коллектора пластина I постепенно сбегает со щетки, а пластина 2 набегает на щетку, происходит замыкание секции щеткой через коллекторные пластины I и 2 накоротко. Для контура короткозамкнутой секции можно составить уравнение ЭДС по второму закону Кирхгофа.
где 
– сумма ЭДС индуктируемых в коммутируемой секции ;
i – ток в коммутируемой секции ;
Rk– активное сопротивление K–го участка контура.
В коммутируемой секции индуктируется ЭДС самоиндукции eL, вызванная изменением тока в секции, ЭДС взаимоиндукции eM, вызванная изменением тока в соседних одновременно коммутируемых секциях, коммутирующей ЭДС ek, возникающей в секции за счет пересечения ее результирующим полем или полем добавочных полюсов. Кроме того возникает трансформаторная ЭДС eτ, вызванная пульсацией во времени магнитного потока Ф из–за зубчатости якоря.
Однако она мала и ее в дальнейшем не учитываем.
Сумму ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции называют реактивной ЭДС
Она равна
где Lc– индуктивность секции ;
Mc– взаимная индуктивность секции;
Lk=Lc+Mc –эквивалентная индуктивность секции.
По закону Ленца реактивная ЭДС направлена таким образом, чтобы препятствовать изменению тока в коммутируемой секции.
ЭДС ek может действовать как согласно с ep, так и встречно. Это зависит от направления внешнего магнитного поля в зоне коммутации, то есть
Активное сопротивление щеточного контакта значительно больше других сопротивлений контура короткозамкнутой секции. Поэтому для упрощения будем учитывать только сопротивления Rщ1 и Rщ2 – контактные сопротивления сбегающего и набегающего краев щетки. Тогда
По первому закону Кирхгофа для узлов А и В можно записать
Решая совместно уравнения получим
Переходные сопротивления Rщ1 и Rщ2 обратно пропорциональны площадям касания щетки с коллекторными пластинами и, если учесть, что эти площади изменяются пропорционально времени коммутации, то получим
Где Rщ – сопротивление переходного контакта всей поверхности щетки ;
Sщ – полная площадь контакта щетки с коллектором ;
Sщ1, Sщ2 – площади сбегающего и набегающего контакта щеток с коллектором;
Tк – период коммутации ;
t– промежуток времени от начала коммутации.
Подставляя значение Rщ1 и Rщ2 в уравнение, найдем
Анализируя уравнения видим, что если коммутирующая ЭДС ek будет равна реактивной ЭДС ep, и направлена навстречу ей, то вторая составляющая коммутационной силы тока будет равна нулю, так как =0 и сила тока будет изменяться по линейному закону
График этой функции представлен на рис.2. Токи i1 и i2, текущие через коллекторные пластины изменяются во времени линейно. Коммутация с таким характером изменения токов называется прямолинейной. Плотность тока по всей площади будет одинаковой. Это наиболее благоприятная коммутация.
Рис.2 — График функции
При = 0 ток в секции i представляет сумму двух составляющих: линейного тока iл и так называемого добавочного тока коммутации iк, определяемого величиной .
При eк<ep добавочная сила тока iк, накладываясь на силу тока линейной коммутации iл, будет задерживать изменение тока в секции и она сначала будет изменяться медленнее (кривая I рис.3), чем при линейной коммутации. Такой процесс изменения силы тока в коммутируемой секции называется замедленной криволинейной коммутацией. Она характеризуется неравномерным распределением тока под щеткой. Под сбегающим краем щетки плотность будет больше, чем род набегающим. Это приведет к искрообразованию на коллекторе.
Рис.3
При eк>ep добавочная сила тока iк накладываясь на iлбудет ускорять изменение тока i в секции и процесс коммутации пойдет быстрее, чем при линейной коммутации (кривая 2 рис.3). Такая коммутация называется ускоренной криволинейной коммутацией. В этом случае добавочный ток будет увеличивать плотность тока под набегающим краем щетки и уменьшать под сбегающим, создавая неравномерную плотность тока. Это также приводит к искрообразованию на коллекторе.Таким образом, состояние коммутации определяется, главным образом, значением тока iк, величина которого зависит от суммарной ЭДС и сопротивления переходного контакта щетки Rщ.
В соответствии с нормами (ГОСТ 183-74) искрение на коллекторе электрической машины должно оцениваться по степени искрения под сбегающим краем щётки и по шкале (классам коммутации). Электрические машины,предназначенные для работы в длительном режиме, при номинальной нагрузке должны практически работать без искрения (допустимая степень искрения должна быть не выше 1 ½ ). У электрических машин, работающих в кратковременном и повторно-кратковременном режимах, при номинальной нагрузке может быть допущена степень искрения ( класс коммутации) 1.
