Ankerwicklung und Kommutatorkontakt

Eine Gleichstrommaschine verhält sich nur dann so, wie es im Konstruktionsblatt angegeben ist, wenn die Ankerwicklung und die Kommutator stimmen miteinander überein. Wenn die Verbindung stimmt, erhält man ein gleichmäßiges Drehmoment, ruhige Bürsten und eine vorhersehbare Spannung; wenn sie nur geringfügig falsch ist, meldet sich die Maschine mit Hitze, Geräuschen und zufälligen Funkenbildung zu Wort.

Warum dieses Thema erfahrene Designer immer noch beschäftigt

Die meisten Handbücher wiederholen dieselben Definitionen: Lap versus Wave, Kommutatorsteigung, hintere und vordere Steigung, progressiv und retrogressiv und so weiter. Das ist in Ordnung. Sie erklären Ihnen jedoch nicht, warum ein Motor, der “auf dem Papier korrekt” ist, nach sechs Monaten in einer staubigen Fabrik immer noch ein paar Stäbe verbrennt.

Die eigentliche Geschichte liegt darin, wie die Ankerwicklung das Potenzial um den Umfang verteilt, wie dieses Muster von den Kommutatorstangen abgetastet wird und wie die Bürsten kleine Gruppen von Spulen für einen sehr kurzen, leicht chaotischen Zeitraum kurzschließen. Die Kommutierung ist nichts anderes als eine kontrollierte Beschädigung; das gesamte Verbindungsschema dient dazu, diese Beschädigung gering, schnell und gleichmäßig verteilt zu halten.

Anstatt also erneut zu erklären, was Windungen und Wellen sind, geht dieser Artikel davon aus, dass Sie die Fachbegriffe bereits kennen, und konzentriert sich darauf, wie sich die Verbindungsoptionen im Verhalten widerspiegeln.

Runde gegen Welle: Denken in aktuellen Pfaden, nicht nur in Formeln

Die Überschrift kennen Sie bereits: Bei der Lap-Wicklung gibt es so viele parallele Pfade wie Pole, bei der Wave-Wicklung sind es immer zwei. Dieser Satz steht in jedem Lehrbuch. Hilfreicher ist es jedoch, sich vorzustellen, was der Kommutator und die Bürsten “sehen”.”

Bei einer Simplex-Lap-Wicklung auf einer 6-poligen Maschine versorgt der Kommutator sechs parallele Ankerstromkreise. Jeder Stromkreis verläuft um den Anker herum und ist grob auf einen Pol ausgerichtet. Spannungsunterschiede zwischen diesen Pfaden sind unvermeidlich, da die Flussverteilung niemals vollkommen gleichmäßig ist, die Schlitze nicht vollkommen identisch sind und Temperaturgradienten zwar langweilig, aber sehr real sind. Die Kommutatorstangen verbinden alle diese Pfade an den Bürsten miteinander, sodass jede Diskrepanz zu zirkulierenden Strömen führt, die keinen Nutzen haben und sich in zusätzlichen Kupferverlusten und einer Erwärmung der Bürsten äußern.

Die Wellenwicklung funktioniert noch rücksichtsloser. Bei nur zwei parallelen Pfaden tastet jeder Pfad die Leiter unter allen Polen ab, sodass die in jedem Pfad sichtbare EMK bereits einen Durchschnitt der Feldunregelmäßigkeiten darstellt. Der Kommutator verbindet die Pfade weiterhin an den Bürsten, aber der Unterschied zwischen ihnen ist geringer, und die zirkulierenden Ströme fallen ab, ohne dass Sie eine einzige externe Komponente hinzufügen müssen.

Die schnelle Faustregel lautet also ganz einfach:

Wenn Sie eine starke Stromstärke und eine moderate Spannung erwarten, benötigt die Armatur viele Pfade (Lap) und einen sehr sorgfältigen Ausgleich. Wenn Sie eine höhere Spannung und einen kontrollierten Strom erwarten, bevorzugt die Armatur weniger Pfade (Wave) und überlässt den Ausgleich größtenteils der Geometrie.

Das klingt fast zu ordentlich, und das ist es auch, aber es entspricht dem, was Reparaturwerkstätten tatsächlich auf der Werkbank sehen.

Kommutator-Pitch: Ausgehend von der Bürste, nicht von der Formel

Formeln für die Kommutatorsteigung (Y_c) sind allgegenwärtig. Sie haben sie wahrscheinlich auswendig gelernt: Abstand in Bar zwischen den beiden Segmenten derselben Spule, wobei das Vorzeichen von der progressiven oder retrogressiven Anordnung abhängt.

In der Praxis hilft es eher, mit dem Pinsel zu beginnen und in Gedanken um den Rand herumzugehen.

Stellen Sie sich eine positive Bürste vor, die zwei Kommutatorstangen überspannt. Zu jedem Zeitpunkt verursacht diese Bürste einen Kurzschluss in der Spule (oder den Spulen), die mit diesen Stangen verbunden ist. Die Anordnung der Wicklung entscheidet darüber, ob diese kurzgeschlossene Gruppe hauptsächlich unter einem Pol liegt oder sich über mehrere Pole erstreckt.

Bei einer Windungslänge neigt die “verkürzte” Spulengruppe dazu, innerhalb eines Polabstands zu liegen. Dadurch wird das Kommutierungsproblem sehr lokal: ein Pol, eine Gruppe von Leitern, eine starke Stromänderung.

Bei einer Wellenwicklung sammeln die von einer Bürste berührten Stäbe oft Spulenseiten von mehreren Polen, sodass die kurzgeschlossene Gruppe besser verteilt ist und jeder Leiter einen kleineren Teil seines Nennstroms schaltet. Das Kommutierungsintervall ist mechanisch gesehen gleich, aber die Belastung pro Leiter kann sich geringer anfühlen.

Wenn Sie also die Kommutatorsteigung wählen, überprüfen Sie nicht nur die Schließungs- und Progressionsbedingungen, sondern auch, welche physikalischen Spulenseiten kurzgeschlossen sind, wenn eine Bürste zwei Stäbe abdeckt. Befindet sich dieser Satz vollständig unter einem Bereich mit starker Flussverzerrung, kommt es unabhängig von den Berechnungen zu Funkenbildung.

Ausgleichsringe, Blindspulen und Geräuschdämpfung der Maschine

Lap-Wicklungen bei mehrpoligen Maschinen haben eine lästige Eigenschaft: Da jeder parallele Pfad meist an einen Pol gebunden ist, verursacht jede Abweichung im Fluss oder in der Schlitzimpedanz zirkulierende Ströme zwischen den Pfaden. Ausgleichsringe sind eine einfache Lösung. Sie verbinden Kommutatorsegmente, die bei einer perfekt ausbalancierten Maschine das gleiche Potenzial haben sollten, und zwingen die parallelen Pfade so, sich auszugleichen.

Diese Stäbe führen keinen Volllaststrom, sondern leiten lediglich Differenzströme ab. Wenn sie fehlen, locker sind oder schlecht verlötet sind, kommt es häufig zu lokalen Verbrennungen an den Stäben und ungleichmäßiger Bürstenabnutzung, die sich allein durch die externe Last nicht erklären lassen.

Wellenwicklungen haben eine andere Art von Ballast: Dummy-Spulen. Da die Wicklung sauber um den Anker herum geschlossen sein muss und dabei alle Pole überqueren muss, lässt sich die Anzahl der Schlitze manchmal nicht so sauber durch die Gleichungen teilen, wie es gewünscht wäre. Die Konstrukteure fügen dann nicht verbundene “Spulen” ein, um das mechanische Gleichgewicht und die Schlitzfüllung in einem angemessenen Rahmen zu halten.

Wenn man also bei der Rückspulung Dummy-Spulen als Einwegkupfer und Ausgleichsringe als optionale Hardware behandelt, führt das schnell zu einer Maschine, die zwar gut aussieht, aber schlecht läuft. Sie sind Teil des Verbindungsschemas, auch wenn sie nur wenig oder gar keine Last tragen.

Kommutierung als Designtest, nicht als letztes Mittel zur Fehlerbehebung

Aus theoretischer Sicht bedeutet ideale Kommutierung, dass die Stromumkehr abgeschlossen ist, während die Bürste noch beide Stäbe der kurzgeschlossenen Spule bedeckt, sodass keine Funkenbildung, keine zusätzlichen Verluste und keine Beschädigung der Stäbe auftreten.

In der Praxis bieten Ihnen die Wicklung und die Anordnung des Kommutators nur wenige Einflussmöglichkeiten:

Sie entscheiden, wie viele Leiter sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in der kurzgeschlossenen Gruppe befinden. Sie entscheiden über den Widerstand und die Induktivität dieser Gruppe. Sie entscheiden, wie gleichmäßig die induzierte EMK entlang des Kommutatorumfangs die Umkehrung unterstützt oder behindert.

Alles andere – Bürstenqualität, Bürstenfederdruck, Interpole, Ausgleichswicklungen – kommt später als Korrekturen oder Upgrades hinzu.

Eine nützliche Gewohnheit ist es, bereits bei der Konstruktion der Wicklung an die Kommutierung zu denken. Wenn Ihr Layout eine große induktive Gruppe im Moment der Kommutierung einem starken und verzerrten Feld aussetzt, setzen Sie darauf, dass die Bürstenqualität und die Zwischenpole Sie retten werden. Das ist oft der Fall, sollte aber nicht notwendig sein.

Was tatsächlich schief läuft: Verbindungsmuster hinter Funkenbildung

Die meisten Wartungshinweise listen die üblichen Ursachen für Funkenbildung auf: falsche Bürstenposition, falscher Abstand, verschmutzte Kommutatoroberfläche, nicht unterfräste Glimmerplatten, lose Stäbe und so weiter. Das sind reale und häufige Ursachen. Dahinter verbirgt sich jedoch oft eine Geschichte, die am Wickeltisch ihren Anfang nahm.

Wenn eine aufgewickelte Rundlaufmaschine nach einer Reparatur mit wiederholt auftretenden Verbrennungen an den Stäben zurückkommt – beispielsweise jedes fünfte Segment –, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass sich die parallele Bahnstruktur verändert hat. Möglicherweise ist ein vermeintlicher Ausgleichsring falsch positioniert. Möglicherweise hat sich die Bewegungsrichtung gegenüber dem Original umgekehrt, wodurch sich die aktiven Bürsten relativ zur neutralen Ebene verschoben haben, ohne dass dies jemand bemerkt hat.

Wenn ein früher leise laufender wellengewickelter Anker nun bei geringer Last Funken bildet, ist eine überraschend häufige Ursache der Versuch, Dummy-Spulen zu “vereinfachen” oder einen alten Kommutator mit einer neuen Schlitzanzahl wiederzuverwenden. Die Wicklung schließt zwar weiterhin, aber der effektive Kommutatorabstand, den die Spulen sehen, ist leicht verschoben, sodass verschiedene Gruppen während der Kommutierung unterschiedliche induzierte Spannungen erfahren.

Dies sind keine Fehler, die Sie mit einer Bürste und einem Staubsauger vollständig beheben können. Es handelt sich um Probleme mit der Verbindungstopologie, bei denen Sie das Schema nachverfolgen und es Bar für Bar mit dem ursprünglichen Entwurf vergleichen müssen.

Progressiv, regressiv und warum die Richtung weniger wichtig ist als Beständigkeit

Sie kennen die Definitionen: Bei progressiven Wicklungen verläuft der Pfad in derselben Richtung wie die Drehung des Ankers, wenn man der Verbindung durch den Kommutator folgt; bei retrogressiven Wicklungen verläuft er entgegengesetzt. Beide können so gestaltet werden, dass sie die Schließbedingungen für Lap- und Wave-Layouts erfüllen.

Aus Sicht der Leistung beeinflusst die Ausrichtung hauptsächlich, wo die Bürsten relativ zur mechanischen Neutralstellung sitzen müssen und welche Schlitze unter einem bestimmten Pol gerade kommutiert werden. Wenn Sie während des Neuwickelns versehentlich eine Maschine von progressiv auf retrogressiv umschalten, ohne das Bürstengetriebe zu bewegen, verschiebt sich die Neutralzone und die Kommutierungsqualität ändert sich, auch wenn alle lokalen Steigungen numerisch noch stimmen.

Die Konstruktionsanmerkung ist also kurz: Wählen Sie ein Schema aus, halten Sie sich in der gesamten Flotte daran und dokumentieren Sie es klar und deutlich. Dem Kommutator ist es egal, welches Label Sie wählen, aber dem Wartungspersonal ist es sehr wichtig.

Ein kompakter Vergleich von Anker-Kommutator-Systemen

Manchmal ist eine Tabelle schneller als Prosa. Die Werte sind Richtwerte, keine strengen Regeln.

Entwerfen und Überprüfen Sie Kontrollpunkte, die sich in der Regel auszahlen.

Einige Gewohnheiten unterscheiden stabile Maschinen von solchen, die immer wieder in die Werkstatt zurückkehren. Keine davon ist kompliziert, und meistens geht es darum, bei der Verbindungsplanung langsamer vorzugehen.

Zeichnen Sie einen vollständigen Pfad von einer positiven Bürste über alle Spulen in diesem Pfad bis zur negativen Bürste in Ihrer Zeichnung. Vergewissern Sie sich, dass jede Spulenseite in diesem Pfad eine angemessene Verteilung der Pole aufweist und nicht nur ein überlasteter Bereich vorhanden ist.

Zählen Sie, wie viele Leiter in der kurzgeschlossenen Gruppe sitzen, wenn eine Bürste zwei Stäbe abdeckt. Wenn diese Zahl hoch ist und diese Leiter in einem Teil des Luftspalts mit hoher Ankerreaktion liegen, sollten Sie vor dem Bau der Maschine eine Änderung der Bürstenbreite, das Hinzufügen von Zwischenpolen oder eine Überprüfung des Wicklungstyps in Betracht ziehen.

Behandeln Sie Entstörringe und Blindspulen als funktionale Elemente, nicht als Dekoration. Ihr Fehlen oder ihre zufällige Verlagerung erklärt mysteriöse Funkenbildungsgeschichten besser als es exotische Theorien jemals könnten.

Und schließlich sollten Sie die Wicklungsrichtung, die Kommutatorsteigung und die Bürstenpositionen so notieren, dass jemand anderes sie auch fünf Jahre später noch nachvollziehen kann. Wicklungsdiagramme gehen verloren; eine klare Aufzeichnung darüber, wie der Anker mit dem Kommutator kommuniziert, erspart Ihnen ganze Wochenenden voller Reverse Engineering.