Welches elektromagnetische Gerät verwendet Bürsten und einen Kommutator?
Zunächst die kurze Antwort: Die klassische Prüfungsantwort lautet „Gleichstromgenerator“, aber in der realen Hardware gibt es eine ganze Familie von Gleichstrommaschinen – Generatoren und Motoren –, deren Funktionieren oder Nichtfunktionieren von einem Paar Bürsten und einem Kommutator abhängt.
Inhaltsverzeichnis
Der Prüfungsschlüssel vs. der Labortisch
Wenn Sie mit Quizbanken und Büchern für Aufnahmeprüfungen vertraut sind, ist das Muster fast vorhersehbar. Die Frage listet “Lautsprecher, Gleichstromgenerator, Relais, Elektromagnet” auf, und der Schlüssel verweist stillschweigend auf “Gleichstromgenerator”.
Aus Sicht eines Maschinenkonstrukteurs ist das etwas zu kurz gegriffen. Dieser segmentierte Kupferring mit Kohlebürsten ist nicht nur für eine Generation geeignet. Es handelt sich um das standardmäßige mechanische Schaltschema für Gleichstrom-Rotationsmaschinen: Dynamos und viele Gleichstrommotoren sowie Universalmotoren in beispielsweise älteren Staubsaugern.
Wenn Sie also eine Multiple-Choice-Frage beantworten, kreisen Sie “Gleichstromgenerator” ein und fahren fort. Wenn Sie vor einer echten Maschine mit abgenommenen Abdeckungen stehen, sagen Sie: Dies ist eine bürstenbehaftete Gleichstrommaschine, die als Generator oder Motor konfiguriert werden kann, und der Kommutator sowie die Bürsten sorgen dafür, dass sie sich an den Anschlüssen wie ein Gleichstrommotor verhält.
Warum es überhaupt Bürsten und einen Kommutator gibt
Sie kennen bereits Faraday, Fluss, induzierte EMK und die gesamte formale Struktur. Das muss nicht wiederholt werden. Der interessantere Teil ist hier die Einschränkung. Sie möchten einen rotierenden Anker mit Leitern, die Magnetfeldlinien schneiden, während der externe Stromkreis nur Strom in einer Richtung sieht.
Der Kommutator ist ein mechanischer Gleichrichter, der auf der Welle sitzt. Er unterteilt die Ankerwicklung in Segmente und kehrt bei jeder halben Umdrehung um, welches Segment mit dem externen Stromkreis verbunden ist. Die Bürsten sind lediglich Gleitkontakte, oft aus Kohle, die fest im Rahmen sitzen und auf den Kommutator drücken, um Strom durchzulassen.
Alles andere in der Maschine dient dazu, dass diese Anordnung sich nicht zu schnell selbst zerstört: Geometrie der Neutralebene, Steifigkeit der Bürstenfedern, Oberflächenbeschaffenheit des Kupfers, Kühlung, Zugang für den Austausch. Die elektromagnetische Theorie ist fast der einfache Teil im Vergleich dazu, diese wenigen Quadratmillimeter Gleitkontakt dazu zu bringen, jahrelang zu funktionieren.
Gleichstromgenerator: das Lehrbuchgerät mit Bürsten und Kommutator
Wenn jemand im Stil einer Physikprüfung fragt: “Welches elektromagnetische Gerät verwendet Bürsten und einen Kommutator?”, denkt er in der Regel an den Gleichstromgenerator. Er stellt sich eine Drahtschleife vor, die sich zwischen Polen dreht, eine Spaltringkommutator, und zwei Bürsten, die mit einer Last verbunden sind. Dieses Bild dominiert noch immer die Diagramme in vielen Schulunterlagen.
In diesem Modus misst der Kommutator die in den rotierenden Spulen induzierte Wechselspannung und schaltet die Anschlüsse um, sodass die Ausgangsklemmen immer die gleiche Polarität aufweisen. Es handelt sich um einen Gleichrichter, der direkt von der Welle und nicht von Dioden angetrieben wird. Die Bürsten haben keine besondere Funktion; sie sitzen einfach an der richtigen Stelle, stellen zum richtigen Zeitpunkt den Kontakt zum richtigen Segment her und versuchen, unter Strom und Vibrationen nicht durchzubrennen.
Der entscheidende Punkt, der oft übersehen wird: Der Generator “weiß” nicht, dass er ein Generator ist. Es handelt sich um eine mechanisch angetriebene Gleichstrommaschine. Vertauschen Sie die Rollen, und mit dem gleichen Kommutator und den gleichen Bürsten haben Sie einen Motor.
Gleichstrommotor: gleiche Teile, andere Sichtweise
In einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor schaltet der Kommutator weiterhin alle halben Umdrehungen die Verbindungen um, aber nun besteht das Ziel darin, das elektromagnetische Drehmoment in etwa in derselben Richtung zu halten, in der sich der Rotor dreht. Die Bürsten leiten den Ankerstrom aus der externen Versorgung in die richtigen Spulen an der richtigen Winkelposition.
Die meisten einführenden Erläuterungen zu Motoren erwähnen den Kommutator nur am Rande und widmen sich dann hauptsächlich der Fleming-Regel. Dabei treten Probleme in der Praxis meist an der Schnittstelle zwischen Kommutator und Bürste auf: Funkenbildung bei Belastung, ungleichmäßiger Verschleiß, Geräusche, Ankerreaktion, die dazu zwingt, die Bürsten etwas aus der geometrischen Neutralstellung zu verschieben.
Auch wenn die Prüfung vielleicht “Gleichstromgenerator” als Antwort vorgibt, begegnen viele Menschen Bürsten und Kommutatoren zum ersten Mal in Gleichstrommotoren in Werkzeugen, Spielzeugen und Kleingeräten. Gleiches Prinzip, andere Richtung des Energieflusses.
Was hat Bürsten und einen Kommutator – und was nicht?
Die größte Verwirrung entsteht dadurch, dass gewöhnliche elektromagnetische Geräte mit rotierenden Gleichstrommaschinen in derselben Frage vermischt werden. Lautsprecher, Relais und Magnetspulen verwenden alle Spulen und Magnetfelder, benötigen jedoch keine Umkehrung des Stromflusses durch Rotation und verfügen daher über keinen Kommutator.
Es ist hilfreich, die wichtigsten Geräte nebeneinander auszulegen.
| Gerät | Verwendet Pinsel? | Verwendet einen Kommutator? | Typische Verwendung | Wie Sie es schnell erkennen |
| Gleichstromgenerator (Dynamo) | Ja | Ja | Ältere Gleichstromsysteme, Ladegeräte, Prüfstände | Zylindrische Maschine, schwere Endglocke, großer Kupferkommutatorring |
| Bürstenbehafteter Gleichstrommotor | Ja | Ja | Werkzeuge, Spielzeug, Antriebe, Stellantriebe | Zwei feste Bürsten, die sich bei Belastung biegen, separate Kommutatorsegmente |
| Universalmotor | Ja | Ja | Netzbetriebene Bohrmaschinen, Mixer, Staubsauger | Kleiner Rahmen, hohe Drehzahl, Bürsten, Kommutator, Feld in Reihe |
| Lautsprecher | Nein | Nein | Audioausgang | Schwingspule in einem Spalt, keine rotierenden Kupfersegmente |
| Elektromagnetisches Relais | Nein | Nein | Schaltkreise | Spule plus bewegliche Kontakte, aber kein rotierender Anker |
| Magnet | Nein | Nein | Lineare Betätigung | Kolben, der sich in eine Spule hinein- und aus ihr herausbewegt |
| Induktionsmotor | Keine Bürsten* | Nein | Industrieantriebe, Ventilatoren, Pumpen | Käfigläufer, Schleifringe in Standardausführung nicht vorhanden |
| Bürstenloser Gleichstrommotor | Nein | Nein | Antriebe mit elektronischer Steuerung | Permanentmagnete am Rotor, nur elektronische Kommutierung |
*Schleifring-Induktionsmotoren verwenden zwar Ringe und Bürsten, aber es handelt sich um durchgehende Ringe und nicht um Kommutatoren, und die Funktion ist eine andere.
Sobald Sie dieses Layout sehen, ist die Multiple-Choice-Antwort nicht mehr rätselhaft. Unter “Lautsprecher, Gleichstromgenerator, Relais, Elektromagnet” verfügt nur ein Gerät über einen Rotor, der eine zeitgesteuerte Stromumkehr benötigt.
Realitäten der Instandhaltung: Wo die Frage plötzlich praktisch erscheint
Bürsten und Kommutatoren sind nicht nur Teil der Prüfung. Sie verschleißen, bilden Lichtbögen und erzeugen Kohlenstaub. Wenn die Oberfläche Rillen oder eine Glasur aufweist, wird der Kontakt ungleichmäßig, es kommt zu lokaler Erwärmung und der Motor oder Generator beginnt, Geräusche zu verursachen und unregelmäßiges Drehmoment zu liefern.
In einem Wartungshandbuch werden Sie in der Regel aufgefordert, Folgendes zu überprüfen: die Bürstenlänge im Vergleich zu einem Mindestwert, den Federdruck, die Ausrichtung in den Halterungen und den Zustand der Kommutatoroberfläche. Zur Reinigung können ein spezielles Lösungsmittel und ein fusselfreies Tuch erforderlich sein; zur Oberflächenerneuerung kann das Unterfräsen von Glimmer zwischen den Segmenten oder das Drehen des Kommutators in einer Drehmaschine erforderlich sein.
Nichts davon kommt in einer einzeiligen Physikfrage zum Ausdruck. Dennoch ist all dies impliziert, sobald man weiß, dass diese beiden Gleitkontakte und dieser Ring Hochstromschaltungen mit hoher Geschwindigkeit in einem Magnetfeld ausführen, das niemals vollkommen symmetrisch ist.
Warum viele neue Maschinen stillschweigend auf Bürsten und Kommutatoren verzichten
Moderne Konstruktionen verzichten oft vollständig auf Kommutatoren. Induktionsmotoren, Synchronmaschinen und bürstenlose Gleichstrommotoren verwenden entweder Wechselstromversorgung oder elektronische Schaltung, sodass kein gleitender elektrischer Kontakt beim Umschalten der Polarität einen hohen Strom führen muss.
Die Logik ist einfach. Durch den Verzicht auf Bürsten und Kommutator entfallen Bürstenabfallverluste, mechanischer Verschleiß, Bürstenstaub und die mit Lichtbogenkontakt verbundenen Einschränkungen hinsichtlich Spannung und Stromdichte. Außerdem wird die Zuverlässigkeit in geschlossenen oder gefährlichen Umgebungen verbessert, in denen Funkenbildung ein Problem darstellen würde.
Dennoch stützen sich Prüfungen und viele Einführungskurse nach wie vor auf den Bürsten-Gleichstromgenerator und -motor, da diese die Polaritätsumkehr sehr gut sichtbar machen. Man kann buchstäblich auf das Kupfer und die Bürsten zeigen und sagen: Hier ändert sich die Richtung. Diese Konkretheit sorgt dafür, dass die alte Maschine auch dann noch im Lehrplan bleibt, wenn die Industrie sich weiterentwickelt.
Was sollten Sie also tatsächlich antworten?
Wenn Ihnen jemand genau diese Frage stellt – “Welches elektromagnetische Gerät verwendet Bürsten und einen Kommutator?” –, antworten Sie mit “ein Gleichstromgenerator” und akzeptieren die Punktzahl. So formulieren es die gängigen Fragenkataloge.
Wenn Sie außerhalb dieses engen Rahmens schreiben oder sprechen, sagen Sie etwas Ausführlicheres: Gleichstrommaschinen, die auf mechanischer Kommutierung basieren, hauptsächlich Gleichstromgeneratoren und bürstenbehaftete Gleichstrommotoren, verwenden Bürsten und einen Kommutator, um den Strom zwischen dem stationären Stromkreis und dem rotierenden Anker zu steuern. Diese Aussage entspricht dem, was Sie tatsächlich sehen, wenn Sie das Gehäuse öffnen, und nicht nur dem, was in der Antwortvorlage steht.
