Przy nadmiernym zwiększaniu prędkości obrotowej silnika osłabieniem pola występuje zjawisko silnego iskrzenia pomiędzy szczotkami a wycinkami komutatora, co w rezultacie może doprowadzić do uszkodzenia tych elementów. Zjawisko to jest wywołane nieprawidłową komutacją. Z uwagi na duże znaczenie iskrzenia w eksploatacji silników omówimy pokrótce zagadnienie komutacji.

W momencie, gdy dwa sąsiadujące ze sobą wycinki komutatora przebiegają pod szczotką, zostają zwarte te zwoje twornika, których końce są przyłączone do owych wycinków. W tym samym czasie następuje zmiana kierunku prądu w przewodnikach zwartych zwojów, która powoduje powstawanie elektromotorycznej siły samoindukcji, proporcjonalnej do pochodnej natężenia prądu względem czasu [^j . Elektromotoryczna siła samoindukcji będzie wzrastała odwrotnie proporcjonalnie do czasu zwarcia, a więc wprost proporcjonalnie do prędkości obrotowej wirnika. Zależy ona również od przebiegu funkcji I=f(t). Gdy elektromotoryczna siła samoindukcji zwieranych zwojów osiąga nadmierną wartość, powoduje ona, zwłaszcza pod koniec okresu zwarcia, iskrzenie pomiędzy szczotkami a wycinkami komutatora. Dla zapobieżenia takiemu iskrzeniu należy utrzymać możliwie niską wartość pochodnej.

Jak się okazuje, optymalne warunki komutacji otrzymujemy wówczas, jeśli zwieranie zwojów następuje nie w chwili, gdy znajdują się one w strefie magnetycznie obojętnej, lecz gdy przebiegają one przez pole magnetyczne o pewnym, ściśle określonym natężeniu. Pole to jest przyczyną powstawania w cewce komutującej siły elektromotorycznej wirowania, która znosi siłę elektromotoryczną samoindukcji. Dla uzyskania tych warunków w silniku elektrycznym zwarcie powinno następować zanim zwierane zwoje znajdą się w strefie obojętnej, a w prądnicy — po minięciu tej strefy. Najprostszym sposobem rozwiązania tego zagadnienia jest obrócenie obsady ze szczotkami o pewien kąt wokół osi wirnika w stosunku do położenia odpowiadającego strefie obojętnej, przy czym w prądnicy obracamy obsadę w kierunku wirowania twornika, a w silniku — przeciwnie.

Wokół przewodów twornika, w których płynie prąd- pobierany przez silnik z sieci, powstaje również pole magnetyczne, zwane ze względu na jego kierunek polem poprzecznym lub inaczej — reakcją twornika .

Omówiony sposób zmniejszania elektromotorycznej siły samoindukcji zwieranego zwoju ma jednak szereg wad. Po pierwsze dla ułatwienia ustawiania szczotek należy maszynę tak wykonać, by zmiana indukcji magnetycznej pomiędzy strefą obojętną a nabiegunnikami miała możliwie łagodny przebieg. Zniekształcenie pola przez reakcję zależy od stosunku natężenia pola stojana do pola wirnika, a więc zmienia się zarówno ze zmianą obciążenia (zmiana pola poprzecznego), jak i prędkości obrotowej (zmiana pola stojana).

Wreszcie — kierunek odchylenia szczotek od strefy obojętnej jest związany z kierunkiem obrotów wirnika. To wszystko powoduje, że metodę powyższą można stosować jedynie w silnikach pracujących przy mniej więcej stałym obciążeniu i prędkości obrotowej oraz przy stałym kierunku obrotów wirnika. Znacznie lepszym sposobem rozwiązania zagadnienia komutacji w silnikach prądu stałego, obecnie powszechnie przyjętym, jest zastosowanie tak zwanych biegunów zwrotnych. Szczotki umieszczone są w obojętnej strefie pola magnetycznego stojana. W tej samej strefie stojana są umieszczone pomocnicze elektromagnesy , których uzwojenie wzbudzające połączone jest szeregowo z uzwojeniem twornika. Wzbudzenie tych elektromagnesów jest tak dobrane, aby indukcja magnetyczna wypadkowego pola pod tymi elektromagnesami miała wielkość i znak zapewniające optymalne warunki komutacji. Pole magnetyczne tych biegunów powinno więc w ich okolicy skorygować zniekształcenie pola głównego, spowodowane wpływem reakcji twornika oraz wytworzyć dodatkowo potrzebną dla komutacji indukcję. Ponieważ wzbudzenie biegunów zwrotnych jest proporcjonalne do natężenia prądu twornika, korygujące ich działanie dostosowuje się w znacznym stopniu automatycznie do wahań obciążenia silnika, dzięki czemu bieguny zwrotne spełniają dobrze swą rolę nawet przy znacznych przeciążeniach silnika. Kierunek przepływu prądu w uzwojeniach biegunów zwrotnych powinien być taki, aby w silniku za biegunem głównym znajdował się (idąc w kierunku wirowania twornika) biegun zwrotny o tym samym znaku, w prądnicy zaś o znaku przeciwnym.

Kierunek obrotów wirnika zmieniamy, albo zmieniając kierunek przepływu prądu w tworniku, albo w uzwojeniach wzbudzenia. W pierwszym przypadku zmienia się — poza kierunkiem wirowania — biegunowość biegunów zwrotnych, w drugim, — biegunów głównych. W obu więc przypadkach nie przełącza się uzwojeń biegunów zwrotnych.

W maszynie prądu stałego przy przejściu z pracy prądnicowej na silnikową i odwrotnie również nie przełącza się uzwojeń biegunów zwrotnych, ponieważ wtedy zmienia się samoczynnie kierunek przepływu prądu w tych uzwojeniach.

Zniekształcenie pola wzrasta nie tylko ze wzrostem obciążenia, ale również, przy niezmiennym obciążeniu twornika, wraz z osłabieniem pola głównego, a więc ze wzrostem prędkości obrotowej silnika. Ponieważ zaś bieguny zwrotne reagują jedynie na zmianę obciążenia twornika, usuwają tylko tę jedną przyczynę zlej komutacji, a wpływ osłabienia pola przy regulacji prędkości nie zostaje skompensowany. Mimo to w silnikach o mocy poniżej 100 kW można zasadniczo poprzestać na zastosowaniu biegunów zwrotnych.

Aby usunąć tę drugą trudność, należy stosować tzw. uzwojenie kompensacyjne, utworzone z przewodów umieszczonych w żłobkach nabiegunników, równolegle do osi silnika, a więc i do przewodów twornika. Uzwojenie to łączymy również szeregowo z uzwojeniem twornika tak, aby kierunek przepływu prądu w przewodach kompensacyjnych był przeciwny do kierunku prądu w przebiegających pod nimi przewodach twornika. W ten sposób poprzeczne pole twornika zostaje w znacznej mierze skompensowane przez poprzeczne pole o znaku przeciwnym, wzbudzone prądem płynącym w uzwojeniach kompensacyjnych.

Działanie uzwojeń kompensacyjnych jest bardzo skuteczne, jednak z uwagi na znaczną pracochłonność, zużycie miedzi i koszt, uzwojenia takie stosuje się raczej do silników o mocy powyżej 100 kW, a do mniejszych wyjątkowo tam, gdzie od silnika wymagamy dużych i gwałtownych zmian obciążenia.