Was ist ein Kommutator? Ein Leitfaden für Käufer und Ingenieure von Gleichstrommotoren

1. Schneller Überblick: Warum Kommutatoren in realen Projekten wichtig sind

Wenn Sie Gleichstrommotoren oder Gleichstromgetriebemotoren kaufen oder konstruieren, gehört der Kommutator zu den Teilen, die man nie sieht, wenn der Motor zusammengebaut ist, aber er entscheidet im Stillen:

• Wie lange der Motor vor dem Bürstenwechsel läuft
• Wie viel elektrisches Rauschen Sie bei Ihren EMC-Tests bekämpfen
• Wie gleichmäßig sich das Drehmoment in Ihrem Getriebe anfühlt
• Wie oft Sie Serviceanrufe aus dem Außendienst erhalten

Es lohnt sich also zu verstehen, was diese Komponente eigentlich tut.

Im Kern ist ein Kommutator ist eine Drehschalter auf dem Rotor eines Gleichstrommotors oder -generators, der periodisch die Stromrichtung zwischen den Rotorwicklungen und dem externen Stromkreis umkehrt.

Das ist die Kurzfassung. Jetzt packen wir sie aus und verbinden sie mit realen Entscheidungen.

2. Was ist ein Kommutator?

Bei einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor (oder Gleichstromgetriebemotor) erfolgt die Stromzufuhr über zwei feste Kohlebürsten und muss Spulen erreichen, die sich auf dem Rotor drehen. Der Kommutator sitzt auf der Welle und löst zwei Probleme auf einmal:

1. Es bringt Strom in die rotierenden Wicklungen durch Gleitkontakt.
2. Es kehrt die Stromrichtung in jeder Spule um zur richtigen Zeit, so dass das Drehmoment auf den Rotor immer in die gleiche Richtung drückt, anstatt zu wechseln.

Ohne diese zeitliche Umkehrung würde der Rotor hin und her wippen, anstatt sich zu drehen.

2.1 Kommutator Definition

Eine prägnante Definition im Stil eines Ingenieurs:

A Kommutator ist eine zylindrische Baugruppe aus isolierten, leitenden Segmenten, die auf dem Rotor eines Gleichstrommotors oder -generators montiert ist und dazu dient, den Strom in den Ankerwicklungen periodisch umzukehren und eine unidirektionale Leistung oder ein Drehmoment zu erzeugen.

Man kann es sich als eine mechanischer GleichrichterEr wandelt den Wechselstrom in den rotierenden Spulen in Gleichstrom an den Klemmen um oder umgekehrt, je nachdem, ob die Maschine als Motor oder als Generator arbeitet.

3. Kommutator in Gleichstrommotoren (und Gleichstromgetriebemotoren)

In einem Gleichstrommotor, Der Stator sorgt für ein Magnetfeld (Permanentmagnete oder Feldwicklungen). Der Rotor (Anker) trägt Spulen, die mit dem Kommutator verbunden sind. Wenn sich der Rotor dreht:

• Das Kommutatorsegmente unter den Bürsten rotieren.
• Bei jeder halben Umdrehung des Rotors wechselt der Anschluss jeder Spule von einer Bürste zur anderen.
• Durch diese Vertauschung wird der Strom in der Spule umgeschaltet, so dass die elektromagnetische Kraft auf dem Rotor in einer einheitlichen Richtung.

In einem DC-Getriebemotor, All dies geschieht vor dem Getriebe. Der Kommutator “weiß” nichts von den Zahnrädern, aber er beeinflusst sie stark:

• Drehmomentresonanz am Eingang des Getriebes
• Bürstenstaub und Verschmutzung im Inneren von Kompaktgetriebemotorgehäusen
• Leben bei niedriger Geschwindigkeit und hohem Drehmoment (die Bürsten sitzen länger auf jedem Segment)

Wenn Sie also in einem Datenblatt “bürstenbehafteter Gleichstrom-Getriebemotor, Nennlebensdauer 2000 Stunden” lesen, spielt das Kommutator-/Bürstensystem eine große Rolle dabei, wie diese Zahl ermittelt wurde.

4. Kommutierung in DC-Maschinen

“Kommutierung”Unter "Umkehrung" versteht man die Umkehrung des Stroms in einer Spule, wenn diese unter einer Bürste hindurchläuft.

Im wirklichen Leben erfolgt die Umwandlung nicht sofort:

• Die Bürste überspannt in der Regel 2-3 Segmente, so dass während der Überlappung zwei benachbarte Segmente kurzgeschlossen werden.
• Der Strom in der kurzgeschlossenen Spule muss in sehr kurzer Zeit von +I auf -I wechseln.
• Dieser schnelle Wandel führt zu einer Blindwiderstandsspannung in der Spule, die der Änderung entgegenwirkt (Lenzsche Regel). Wenn diese Spannung nicht beherrscht wird, kommt es zu Funkenbildung an der Bürste.

Um die Kommutierung akzeptabel zu halten, verwenden Konstrukteure von Gleichstrommaschinen:

• Interpole (Kommutationspole)Kleine Hilfspole zwischen den Hauptpolen, die eine der Reaktanzspannung entgegengesetzte Spannung induzieren und so die Kommutierung verbessern.
• Kompensationswicklungen in den Polflächen von Hochleistungsmotoren, um der Ankerreaktion entgegenzuwirken und die Lichtbogenbildung der Bürsten bei wechselnden Lasten zu verringern.
• Richtig Bürstenqualität, Bürstenstellung, und Segmentgeometrie.

Diese werden Sie als Käufer in der Regel nicht direkt angeben, aber sie erklären, warum sich zwei Motoren mit denselben Nennwerten bei hoher Last oder häufigen Umschaltungen sehr unterschiedlich verhalten können.

5. Kommutator vs. Schleifringe

Sowohl Kommutatoren als auch Schleifringe verbinden stationäre Stromkreise mit rotierenden Teilen, aber sie verhalten sich sehr unterschiedlich.

• Schleifringe bieten eine kontinuierliche Verbindung ohne erzwungene Stromumkehr.
• Kommutatoren sind so konzipiert, dass sie den Strom bei bestimmten Rotorpositionen umkehren.

Hier ist ein auf den Käufer ausgerichteter Vergleich:

Tabelle 1 - Kommutator vs. Schleifringe (Ansicht Technik & Einkauf)

6. Arbeitsprinzip eines Kommutators (einfaches Bild)

Nehmen wir als Beispiel einen einfachen zweipoligen Gleichstrommotor.

1. Ausgangslage
   • Eine Seite der Ankerspule liegt unter einem Nordpol, die andere unter einem Südpol.
   • Der Strom fließt so, dass die Kräfte auf den beiden Seiten ein Drehmoment, beispielsweise im Uhrzeigersinn, erzeugen.
2. Der Rotor dreht sich in Richtung 90° (neutrale Ebene)
   • Das Drehmoment an dieser Spule verringert sich.
   • In der Zwischenzeit erzeugen andere Spulen (in einem echten Motor) ein Drehmoment, so dass das Gesamtdrehmoment relativ konstant bleibt.
3. Bei etwa 90° mechanisch
   • Die Bürsten reihen sich in der geometrischen Neutralität auf.
   • Die Bürste überspannt zwei Segmente, die zu benachbarten Coils gehören.
   • Die Spule, die gerade den Nullleiter passiert hat, wird unter der Bürste kurzgeschlossen; ihr Strom wird gezwungen, das Vorzeichen zu wechseln.
4. Nach einer Drehung von 180°
   • Diese Spule liegt nun unter entgegengesetzten Polen.
   • Der Strom wurde jedoch durch den Kommutator umgekehrt, so dass das elektromagnetische Drehmoment weiterhin im Uhrzeigersinn wirkt.

Multipliziert man dies mit vielen Spulen und Segmenten, erhält man ein gleichmäßigeres Drehmoment und eine geringere Restwelligkeit. Mehr Segmente → feinere Schaltung → bessere Gleichmäßigkeit des Drehmoments, aber höherer Herstellungsaufwand und mehr zu kontrollierende Dinge.

7. Konstruktion des Kommutators

Ein praktischer Kommutator besteht aus:

• Kupfersegmente (Stangen)
  • Hochleitfähiges Kupfer oder Kupferlegierung.
  • Jedes Segment ist mit einer oder mehreren Ankerspulen verbunden.
• Isolierung zwischen den Segmenten
  • Traditionell Glimmer, jetzt auch Kunststoffe und Harze.
  • Bietet elektrische Isolierung bei gleichzeitiger Bewältigung von Temperatur und mechanischer Belastung.
• Stütz-/Klemmstruktur
  • Segmente können eine Schwalbenschwanz Profil oder durch Glasfaserbänder oder Stahlschrumpfringe gehalten werden.
  • Industrielle Kommutatoren können nachgefüllt werden (Austausch einzelner Segmente); bei kleinen Motoren werden geformte, nicht reparierbare Einheiten verwendet.
• Bürstengetriebe (nicht unbedingt Teil des Kommutators, aber immer im gleichen Zusammenhang)
  • Kohle- oder Kupfer-Graphit-Bürsten in Halterungen mit Federn.
  • Die Bürsten sind so dimensioniert, dass sich die Kontaktfläche über eine kontrollierte Anzahl von Segmenten erstreckt und der Anpressdruck stabil bleibt.

Bei kritischen Geräten wie Traktionsmotoren oder Hochgeschwindigkeitsantrieben können die Kommutatoren Schleuderprüfung oder “Spin Seasoning”, um die Stabilität der Segmente unter den Zentrifugalkräften zu gewährleisten.

Für den Käufer eines Getriebemotors ist dies meist unsichtbar, aber es zeigt sich in den Grenzwerten für Lebensdauer und Höchstgeschwindigkeit.

8. Betrieb des Kommutators in den Betriebsarten Motor und Generator

Der mechanische Teil des Betriebs ist immer derselbe; was sich ändert, ist das, worauf Sie an den Terminals achten.

• Motor-Modus
  • Über die Bürsten wird eine Gleichstromversorgung angelegt.
  • Der Kommutator leitet diesen Gleichstrom in die rotierenden Spulen, wobei er den Strom bei jeder halben Umdrehung umkehrt, um das Drehmoment in einer Richtung zu halten.
• Generatorbetrieb (Dynamo)
  • Das mechanische Drehmoment treibt den Rotor an.
  • Spulen sehen ein Magnetfeld und eine induzierte Wechselspannung.
  • Der Kommutator wirkt wie ein mechanischer Gleichrichter und liefert eine pulsierende Gleichspannung an die Bürsten.

Einige Universalmotoren werden zwar mit Wechselstrom betrieben, verwenden aber immer noch einen Kommutator, der darauf beruht, dass sich Feld- und Ankerstrom gemeinsam umkehren, so dass das Drehmoment in dieselbe Richtung geht.

9. Arten von Kommutatoren

Ingenieure klassifizieren Kommutatoren in der Regel auf mehrere Arten. Zwei, die für Motorkäufer wichtig sind, sind Geometrie und Konstruktionsmethode.

9.1 Split-Ring und segmentierte Kommutatoren

• Kommutatoren mit geteiltem Ring (2-Segment)
  • Sehr einfach, oft in kleinen Lernmotoren oder Spielzeug.
  • Zwei halbzylindrische Segmente, die gegeneinander isoliert sind.
  • Gut geeignet für Demonstrationen und Aufgaben mit geringem Stromverbrauch.
• Segmentierte Kommutatoren
  • Viele schmale Segmente, die jeweils mit einer Spule oder einer Spulengruppe verbunden sind.
  • Wird in den meisten praktischen Gleichstrommotoren und -generatoren von wenigen Watt bis hin zu großen Industriemaschinen verwendet.

Mehr Segmente bedeuten:

• Geringere Drehmomentwelligkeit
• Bessere Kommutierung bei höheren Geschwindigkeiten
• Komplexere Herstellung und Auswuchtung

9.2 Hakenförmige Kommutatoren

Haken-Kommutatoren verwenden hakenförmige Enden auf den Segmenten, so dass die Spulenenden gewickelt und mechanisch am Kommutator eingehängt werden, oft mit bogenförmigen Rillen zum Schutz des Lackdrahtes.

Sie tauchen dort auf, wo Sie wollen:

• Zuverlässiger Spulenabschluss bei hohen Produktionsraten
• Bessere Toleranz gegenüber Wärmeausdehnung und Vibrationen
• Kompakte Geometrien (üblich bei kleinen Hochgeschwindigkeitsmotoren, die in Werkzeugen, Geräten und einigen Getriebemotoren verwendet werden)

9.3 Geformt vs. Aufgebaut (nachfüllbar)

Eine weitere praktische Klassifizierung:

• Geformte Kommutatoren
  • In Duroplast oder Thermoplast eingebettete Segmente.
  • Er ist nicht zur Reparatur vorgesehen; wenn er beschädigt ist, müssen Sie den Rotor ersetzen.
  • Sehr häufig bei Gleichstrom-Getriebemotoren kleiner bis mittlerer Leistung.
• Aufgebaute, nachfüllbare Kommutatoren
  • Die Segmente werden einzeln auf eine Nabe mit Glimmerisolierung geklemmt.
  • Beschädigte Segmente oder Isolierungen können manchmal ersetzt werden; die Oberfläche kann bearbeitet werden.
  • Wird in größeren Industriemaschinen verwendet, bei denen der Rotor zu kostspielig ist, um ihn zu entsorgen.

Bei XDC verwenden wir in der Regel Hook-Type Kommutatoren für unsere Hochgeschwindigkeitsmotoren, da diese besser mit Vibrationen umgehen können, während unsere Präzisionsgetriebemotoren geformte segmentierte Kommutatoren für ein gleichmäßigeres Drehmoment verwenden.

10. Eigenschaften eines guten Kommutators (technische Sicht)

Wichtige Entwurfsparameter, die Sie vielleicht indirekt in technischen Diskussionen sehen:

• Material und Härte der Segmente
  • Kupferlegierungen werden nach Leitfähigkeit, Verschleiß und Bearbeitbarkeit ausgewählt.
• Segmentanzahl
  • Mehr Segmente → gleichmäßigeres Drehmoment und geringere Restwelligkeit, aber auch höhere Komplexität und engere Toleranzen.
• Durchmesser und Oberflächengeschwindigkeit
  • Es gibt eine praktische Begrenzung der Umfangsgeschwindigkeit, um Bürstenreibung, Erwärmung und Lichtbogenbildung unter Kontrolle zu halten.
• Bürstenqualität
  • Reiner Graphit und Kupfer-Graphit-Gemische, abgestimmt auf Stromdichte, Spannung, Rauschen und Verschleiß.
• Oberflächengüte und Rundlauf
  • Zu rau → hoher Verschleiß und Lärm.
  • Zu viel Rundlauf → Bürstenprellen und Funkenbildung.

Sie werden diese Zahlen wahrscheinlich nicht in einem einfachen Datenblatt finden, aber sie sind das, womit der Motorhersteller im Hintergrund jongliert.

11. Funktionen des Kommutators (Kurzfassung)

Um die Theorie mit dem Arbeitsalltag zu verbinden, werden hier die wichtigsten funktionalen Rollen genannt:

• Stromrichtung umkehren in Ankerspulen bei korrektem Rotorwinkel.
• Erzeugen unidirektionales Drehmoment in Motoren und Gleichstromausgang in Generatoren.
• Aufrechterhaltung eines beweglichen elektrischen Kontakts zwischen stationären Stromleitungen und rotierenden Spulen über Bürsten.
• Segmentieren Sie die Armatur um direkte Kurzschlüsse zwischen den Spulenenden zu verhindern.
• Gestalten Sie die Drehmoment-Ripple-Charakteristik, zusammen mit der Wicklungsanordnung und der Anzahl der Pole.

12. Anwendungen von Kommutatoren

Kommutatoren erscheinen in:

• Gebürstete DC-Motoren für Förderanlagen, kleine Pumpen, medizinische Geräte, AGVs, Türöffner usw.
• DC-Getriebemotoren, bei dem ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor mit Kommutator in ein Getriebe integriert ist, um ein höheres Drehmoment bei niedriger Drehzahl zu erreichen.
• DC-Generatoren/Dynamos in älteren Systemen und einigen Spezialnetzteilen.
• Universalmotoren in Haushaltsgeräten und Elektrowerkzeugen (Wechselstromversorgung, aber Kommutatorbauweise).

Bei höheren Leistungen und in vielen neuen Konstruktionen werden Kommutatormaschinen durch Kommutatoren ersetzt:

• AC-Induktions- oder Synchronmotoren mit Wechselrichtern.
• Bürstenlose DC-Motoren (BLDC) die eine elektronische Kommutierung anstelle von mechanischen Kommutatoren verwenden.

13. Beschränkungen der Kommutatoren

Es gibt einen Grund, warum so viele neue Plattformen auf bürstenlose Lösungen umsteigen. Kommutatoren bringen mehrere Einschränkungen mit sich:

• Verschleiß und Wartung
  • Bürsten und Segmente verschleißen durch Reibung.
  • Bürstenstaub kann Kompaktgehäuse oder Getriebe verschmutzen.
• Spannungsabfall und Verluste
  • Der Schleifkontakt hat einen Bürstenabwurf (oft nur wenige Volt), was bei Niederspannungs- und Hochstromdesigns schmerzhaft ist.
• Funkenbildung und EMI
  • Beim Schalten entstehen Lichtbögen und breitbandiges elektromagnetisches Rauschen.
  • Problematisch in explosionsgefährdeten Bereichen und empfindlicher Elektronik.
• Drehzahl-, Spannungs- und Stromgrenzen
  • Ab einer bestimmten Oberflächengeschwindigkeit beginnen die Bürsten zu hüpfen.
  • Der Stromdichte und der Spannung pro Segment sind in der Praxis enge Grenzen gesetzt.
• Empfindlichkeit der Umwelt
  • Luftfeuchtigkeit, Staub, Ölnebel und Vibrationen beeinträchtigen die Lebensdauer der Bürsten und die Qualität der Kommutierung.

All dies macht Kommutatoren nicht “schlecht”; es bedeutet nur, dass man die Technologie an die Aufgabe anpassen muss.

14. Typische Kommutatorprobleme bei DC-Getriebemotoren

Hier ist eine Tabelle zur schnellen Fehlersuche. Sie ist sowohl für Ingenieure als auch für Einkaufsteams nützlich, die versuchen, Rückmeldungen aus der Praxis zu interpretieren.

Tabelle 2 - Häufige Probleme mit dem Kommutator und was zu beachten ist

15. Praktische Hinweise für Einkäufer und Ingenieure

Bei der Bewertung von Gleichstrommotoren oder Gleichstromgetriebemotoren, die Kommutatoren verwenden, sind einige praktische Fragen hilfreich:

1. Nennlebensdauer und Einschaltdauer
   • Basiert die Lebensdauer auf Dauerbetrieb, intermittierendem Betrieb oder einem bestimmten Lastprofil?
   • Wie verändert sich das Leben von Bürsten, wenn man häufig rückwärts fährt?
2. Bürsten- und Kommutatormaterialien
   • Welche Bürstenqualität wird verwendet?
   • Gibt es optionale Bürstenqualitäten für geräuscharme oder Hochstromanwendungen?
3. Kommutierungsqualität
   • Gibt es Daten zur Funkenbildung bei Bürsten, zur EMI-Leistung oder zur Einhaltung von EMV-Normen?
   • Bei höheren Leistungen sollten Sie sich erkundigen, ob Zwischenpole oder Kompensationswicklungen in die Konstruktion einbezogen sind.
4. Umwelt und Schutz
   • Ist der Getriebemotor ausreichend abgedichtet, um Bürstenstaub von Ihrem Mechanismus fernzuhalten?
   • Welches ist das empfohlene Reinigungs- oder Wartungsintervall?
5. Alternativen
   • Bei hoher Beanspruchung, hoher Geschwindigkeit oder schwer zugänglichen Orten ist zu prüfen, ob ein bürstenloser DC-Getriebemotor mit elektronischer Kommutierung bietet bessere Gesamtkosten, auch wenn der Stückpreis höher ist.

An dieser Stelle hört der Kommutator auf, ein abstraktes Klassenzimmerteil zu sein, und wird zu einem Einzelposten in Ihrer Betriebskostenrechnung.

16. Schlussfolgerung: Kommutator

Der Kommutator ist der kleine Kupferzylinder auf der Welle eines Gleichstrommotors, der die Stromumkehr und die Richtung des Drehmoments steuert und einen großen Teil Ihres Wartungsbudgets ausmacht. Er:

• Kehrt den Rotorstrom im rechten Winkel um
• Ermöglicht die Abgabe eines konstanten Drehmoments oder Gleichstroms an den Motor
• Einführung in Verschleiß, Verluste und einige Grenzen, die Sie beachten müssen

Für viele kompakte Gleichstrom-Getriebemotoren, vor allem in kostensensiblen Anwendungen, sind kommutierte bürstenbehaftete Motoren nach wie vor eine gute Wahl. Für höhere Belastungen oder stark regulierte Umgebungen setzen sich bürstenlose und AC-Alternativen immer mehr durch.

Wenn Sie verstehen, was der Kommutator tut und was er braucht, um gesund zu bleiben, ist es viel einfacher, konkrete, technische Gespräche mit Lieferanten zu führen und die richtige Motortechnologie für Ihr nächstes Projekt auszuwählen.

17. FAQ