Kommutator-Pitch: Der umfassende, intuitive Leitfaden (mit echten Einblicken in das Design)

Die meisten Erklärungen zu Kommutatorsteigung sind nur einzeilige Definitionen und eine Formel. Nützlich? Irgendwie schon. Einprägsam? Nicht wirklich.

Hier werden wir behandeln Kommutator sich so präsentieren, wie es ein guter Designer oder Prüfungskandidat tatsächlich tut denkt darüber: als Verbindung zwischen Schlitzen, Spulen, Kommutatorsegmenten und der Nennspannung/-stromstärke einer Gleichstrommaschine. Das Ziel ist, dass Sie am Ende fühlen wenn ein Wert von (Yc) richtig oder falsch ist – ohne fünf Minuten lang auf die Formel zu starren.

In einer Minute: Was “Kommutator-Pitch” wirklich ist

• Definition (Kernidee)Kommutatorsteigung (Yc) ist die Anzahl der Kommutatorsegmente zwischen den beiden Segmenten, zu denen die Enden einer einzelnen Ankerspule sind miteinander verbunden. Es wird in “Segmenten” gemessen, nicht in Millimetern.
  
• Physikalisches BildNehmen Sie eine beliebige Spule im Anker. Folgen Sie einem Ende bis zu einem Kommutatorsegment. Gehen Sie um den Kommutator herum zum Segment am anderen Ende. Der “Schritt”, den Sie gerade gemacht haben, gezählt in Segmenten, ist die Kommutatorsteigung.
  
• Warum es wichtig istDiese Schrittweite entscheidet darüber, ob die Wicklung Runde oder Welle, legt fest, wie viele parallele Pfade Sie erhalten und somit, ob Ihr Rechner von Natur aus ein Hochstrom/Niederspannung Tier oder ein Niedrigstrom/Hochspannung eins.
  
• Faustregel:
  
  • Simplex Runde Wicklung → (Yc=±1) (Spulenenden auf angrenzend Segmente)
    
  • Simplex Welle Wicklung → (Yc) ist ungefähr zwei Polabstände in Bezug auf Kommutatorsegmente (ein großer Sprung um den Kommutator herum).
    

Zoom heraus: Anker, Schlitze, Spulen und wo die Steigung passt

In einer Gleichstrommaschine ist der Anker kein Zauberwerk – er ist lediglich ein sorgfältig organisiertes Durcheinander aus Kupfer. Es gibt Schlitze im Eisen, Spulenseiten, die in diesen Schlitzen sitzen, und einen Kommutator, der diese Spulen “abtastet”. Um eine vernünftige Wicklung zu erhalten, müssen alle verschiedenen “Steigungen” zusammenwirken: Die Schlitze müssen mit den Polen übereinstimmen, und die Kommutatorsegmente müssen so mit den Spulenanschlüssen übereinstimmen, dass sie sich sauber schließen.

Für einen typischen Doppelschichtwicklung, Es gibt zwei Spulenseiten pro Steckplatz: eine “obere” und eine “untere”. Der Abstand zwischen den Seiten einer bestimmten Spule – der Spulenlänge—wird in der Regel so gewählt, dass es in etwa gleich dem Stangenabstand, d. h. die Anzahl der Schlitze pro Pol, sodass jede Seite der Spule unter gegenüberliegenden Magnetpolen sitzt und sich die induzierten EMFs addieren, anstatt sich aufzuheben. 

Alle Pitch-Begriffe an einem Ort (ohne Fachjargon)

• Polabstand
  Abstand zwischen zwei benachbarten Polen, ausgedrückt in Schlitzen oder Leitern. In Schlitzen,
  Polabstand≈S/P
  wobei (S) = Anzahl der Steckplätze, (P) = Anzahl der Pole.
  
• Spulenabstand / Spulenspannweite (Ys)
  Der Abstand zwischen den beiden Seiten einer Spule. A Vollspulen-Spule hat einen Spulenabstand ≈ Polabstand; a Spule mit fraktioniertem Steigungswinkel hat eine geringere Spannweite, um bestimmte Oberwellen zu reduzieren.
  
• Rückwärtsneigung (Yb)
  Abstand (in Leitern oder Schlitzen) zwischen dem ersten und letzten Leiter einer Spule, gemessen auf der zurück des Ankers (das nicht-Kommutatorende). Es entspricht im Wesentlichen der Spulenlänge.
  
• Vorderer Neigungswinkel (Yf)
  Abstand zwischen dem zweiten Leiter einer Spule und dem ersten Leiter der nächsten Spule, gemessen an der Kommutatorende des Ankers (der “Vorderseite”). Diese beiden Spulenseiten sind mit dem gleiches Kommutatorsegment.
  
• Ergebnis-Tonhöhe (Yr)
  Abstand zwischen dem Anfang einer Spule und dem Anfang der nächsten Spule, mit der sie verbunden ist. Es handelt sich hierbei eher um eine buchhalterische Größe beim Zeichnen von Wicklungsdiagrammen.
  
• Kommutatorsteigung (Yc)
  • Gemessen in Kommutatorsegmente, keine Spielautomaten.
    
  • Für Wicklungen mit Überlappung: (Yc = Yb – Yf).
    
  • Für Wellenwicklung: (Yc = Yb + Yf).
    

Die formale Definition (mit Formeln, aber verständlich)

Auf rein theoretischer Ebene, Kommutatorsteigung ist:

“Die Anzahl der Kommutatorsegmente zwischen den Segmenten, an die die beiden Enden einer Spule angeschlossen sind.” 

In einem Doppelschicht-Anker mit (S) Schlitzen und (P) Polen:

• Spulenspannweite ist normalerweise
  Ys≈P/S
  Sicherstellung einer elektrischen Trennung von ~180° zwischen den beiden Seiten einer Spule.
  
• Jeder Steckplatz beherbergt zwei Seiten von zwei verschiedenen Spulen, sodass die Die Anzahl der Spulen entspricht der Anzahl der Steckplätze.; Die Anzahl der Kommutatorsegmente entspricht ebenfalls der Anzahl der Spulen.
  

In diesem Sinne:

• Simplex-Lagenwicklung
  
  • Die Enden einer Spule gehen zu aufeinanderfolgende Kommutatorsegmente.
    
  • Mathematisch gesehen:
    Yc = +1 (Progressive Runde) Yc = −1 (Rückwärtsrunde)
    
  • Dies ist keine Annäherung; für Simplex-Lap (Yc=±1) immer.
    
• Simplex-Wellenwicklung (doppellagig)
  
  • Coilenden landen auf Segmenten grob zwei Pole voneinander entfernt in Bezug auf Segmente.
    
  • In Formelform:
    Yc =2S/P±1
    wobei (S) = Schlitze (≈ Kommutatorsegmente).
    
  • Das genaue Vorzeichen (+/-) gibt eine progressive oder retrograde Wellenwicklung an.
    
• In vielen Konstruktionshinweisen finden Sie auch Wellenwicklungsformeln, die wie folgt geschrieben sind:
  Yc=P/2C±1
  was derselben Idee entspricht, die direkt mit Kommutatorstangen ausgedrückt wird.
  

Die wichtigste Erkenntnis: Runde = winziger Kommutator-Schritt (±1), Welle = großer Schritt (≈ zwei Polabstände), der die Leiter unter aufeinanderfolgenden Polpaaren “winken” lässt.

Beispiel: Berechnung (Yc) Schritt für Schritt

• Schritt 1 – Wählen Sie eine einfache Maschine
  Angenommen, wir haben ein 4-polige Gleichstrommaschine mit 24 Steckplätze, doppellagige Wicklung. Also:
  
  • (P = 4), (S = 24)
    
  • Anzahl der Spulen = 24
    
  • Anzahl der Kommutatorsegmente = 24 (eines pro Spule).
    
• Schritt 2 – Spulenabstand / Polabstand
  Polabstand in Schlitzen:
  Polabstand = S/P = 24/4 = 6 Schlitze
  Bei einer Spule mit vollem Pitch (Ys = 6) Schlitze. Befindet sich also eine Seite in Schlitz 1 (oben), befindet sich die andere Seite in Schlitz 7 (unten).
  
• Schritt 3 – Simplex-Lagenwicklung: Finden Sie (Yc)
  
  • Nach der Definition des Simplex-Runden,
    Yc = +1 (progressiv)
    
  • Die Spule (1–7′) kann mit den Kommutatorschienen 1 und 2 verbunden sein.
    
  • Die nächste Spule in der Reihenfolge verbindet 2–3, dann 3–4 und so weiter: die Wicklung Runden zurück unter jedem Pol, wodurch mehrere parallele Pfade entstehen.
    
• Schritt 4 – Simplex-Wellenwicklung: Finden Sie (Yc)
  
  • Verwenden Sie die Formel:
    Yc = 2S/P +/- 1 = (2 * 24)/4 +/- 1 = 12 +/- 1
    
  • Also (Yc = 11) (progressiv) oder (13) (retrogressiv). Beide sind ganze Zahlen, daher sind beide gültige Kandidaten.
    
  • Wenn wir (Yc = 11) wählen, bedeutet dies, dass das zweite Ende jeder Spule 11 Segmente vom ersten entfernt ist, rund um den Kommutator. Wenn Sie die Verbindung um den Anker herum verfolgen, sehen Sie, wie sich die Wicklung durch alle Polpaare “bewegt”, bevor sie sich schließt.
    
• Schritt 5 – Plausibilitätsprüfungen
  
  • (Yc) ist ein ganze Zahl — immer erforderlich, da man sich nicht mit einem “halben Segment” verbinden kann.
    
  • Die Wicklung schließt sich, nachdem alle Spulen genau einmal durchlaufen wurden (keine separaten Schleifen). Ist dies nicht der Fall, ist Ihre gewählte (Yc) ist falsch oder unvereinbar mit (S) und (P).
    

Wie die Kommutatorsteigung die Windungen von Lap- und Wave-Wicklungen beeinflusst

Der Grund, warum Lehrer sich so sehr mit dem Kommutatorabstand beschäftigen, ist, dass er still und leise die elektrische Persönlichkeit der Maschine. Ein kleiner Abstand (Umwindung) erzeugt viele parallele Pfade; ein großer Abstand (Welle) erzeugt nur zwei Pfade, die sich durch alle Pole schlängeln. Dies wirkt sich direkt auf die Spannungs- und Stromkapazität aus und damit auch darauf, wo die einzelnen Wicklungstypen zum Einsatz kommen. 

Hier ist eine kompakte Übersicht zum Nachschlagen:

Sobald Sie diese Tabelle sehen, (Yc) ist keine Zufallszahl mehr, sondern wird zu einem Gestaltungselement: Änderung (Yc), und Sie verändern den gesamten Charakter der Armatur..

Faustregeln für die Auswahl oder Überprüfung der Kommutatorsteigung

• Halten Sie die Spulen voll ausgefahren, es sei denn, Sie absichtlich will fraktionierte Tonhöhe
  Die hinteren und vorderen Steigungen werden in der Regel nahe an der Polsteigung gewählt, damit die Spule einen maximalen Fluss erhält; gebrochene Steigungen werden hauptsächlich zur Oberwellensteuerung verwendet.
  
• Für Simplex-Lap keine Yc-Werte “erfinden”
  Wenn ein Problem oder eine Konstruktion “Simplex-Lap-Winding” lautet, ist die richtige Antwort für die Kommutatorsteigung immer (+1) oder (-1). Alles andere bedeutet, dass es sich nicht mehr um ein Simplex-Lap handelt.
  
• Bei einer Simplex-Welle denken Sie an “zwei Polabstände” und korrigieren Sie dann die Arithmetik.
  Beginnen Sie mit (Yc ≈ 2S/P). Passen Sie den Wert mit ±1 an, bis Sie eine ganze Zahl erhalten, die in Ihrem Wicklungsdiagramm tatsächlich funktioniert.
  
• Stellen Sie sicher, dass (Yc) ist eine ganze Zahl und ergibt eine geschlossene Wicklung.
  Weil (Yc) zählt Segmente, Bruchteile sind in der Praxis nicht möglich; wenn Sie durch einfache Algebra den Wert 11,5 erhalten, ist dies ein Zeichen dafür, dass die von Ihnen gewählte Anzahl von Schlitzen oder Polen mit dieser Art von Wellenwicklung nicht kompatibel ist.
  
• Denken Sie an den Plexus.
  In Mehrfach-Überlappungswicklungen, (Yc) entspricht dem “Plex” (1 für Simplex, 2 für Duplex usw.), also größer (Yc) bedeutet auch mehr parallele Pfade in den Windungen.
  

Wie sich die Kommutatorsteigung auf die Leistung und die Prüfung auswirkt

Wenn man sich echte Gleichstrommaschinen ansieht, taucht der Kommutatorabstand an Stellen auf, an denen in den technischen Daten nicht ausdrücklich “Abstand” angegeben ist. Die Anzahl der parallelen Pfade (A) im Anker, die vom Wicklungstyp abhängt (und daher (Yc)), erscheint direkt in der klassischen EMF-Gleichung:

E = (PZ / 2A) φ ω_m

wobei (P) = Pole, (Z) = Gesamtzahl der Leiter, (φ) = Fluss pro Pol, (ω_m) = mechanische Geschwindigkeit.

Eine Spulenwickelmaschine (mit (A = P)) erzeugt natürlich niedrigere Spannung, aber höhere Strombelastbarkeit als eine wellengeführte Maschine mit denselben (P, Z, φ, ω_m), aber (A = 2). Das ist kein Zufall, sondern die direkte Folge der Wahl der Kommutatorsteigung, die bestimmt, wie die Leiter zu Pfaden gruppiert werden. 

Wenn Sie also in einem Labor arbeiten und einen großen, klobigen Gleichstromgenerator mit dicken Ankerleitungen und relativ niedriger Klemmenspannung sehen, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass es sich um einen (Yc) flüsterte dem Designer leise zu: “Mach mich zu einer Lap-Wound.”

Fehlerbehebung und “Bauchgefühl” bei schlechtem Kommutatorabstand

• Die Wicklung lässt sich nicht richtig schließen.
  Wenn Sie von einer Spule ausgehen und die durch Ihre (Yc), überspringen Sie entweder einige Spulen oder kehren Sie frühzeitig zum Anfang zurück, da die von Ihnen gewählte Kommutatorsteigung nicht mit (S) und (P) kompatibel ist.
  
• Ungleiche Bürstenströme an einer ansonsten symmetrischen Maschine
  Bei einer Maschine, die vollkommen symmetrisch sein sollte, können seltsame Bürstenströme ein Zeichen für falsche Anschlüsse sein – oft zurückzuführen auf eine falsche Hop-Zahl im Kommutator (d. h. falsche (Yc)).
  
• Anhaltende Funkenbildung auch nach dem Einlaufen und Reinigen der Bürste
  Wenn die Bürsten richtig auf der Kommutatorebene eingestellt sind und die Kommutatoroberfläche in Ordnung ist, aber weiterhin Funkenbildung auftritt, sind falsch angeschlossene Spulen oder unterbrochene Ausgleichsverbindungen (wiederum abhängig davon, wie die Spulen auf den Segmenten sitzen) zu vermuten.
  
• “Totpunkte” in einer rekonstruierten oder neu gewickelten Armatur
  Wenn jemand einen Motor neu gewickelt und einen falschen Schritt um den Kommutator herum gewählt hat, kann der Rotor in Positionen landen, in denen kein effektives Drehmoment erzeugt wird – ein praktisches Symptom für ein falsches Kommutator-Steigungsmuster.
  

Zusammenfassung: Wie man eigen Kommutatorsteigung

Wenn Sie sich nur drei Dinge daraus merken:

1. Konzept – Kommutatorsteigung (Yc) ist einfach “wie viele Kommutatorsegmente zwischen den beiden Enden einer Spule liegen”.”
   
2. Runde gegen Welle – Runde: (Yc = ± 1), viele parallele Pfade. Welle: (Yc ≈ 2S/P), immer zwei parallele Wege.
   
3. Design-Denkweise – Sobald Sie sich entschieden haben Maschinentyp → Wicklungstyp → (Yc), Sie haben sich für eine bestimmte Spannungs-/Stromcharakteristik entschieden. Alles andere (Steckplätze, Balken, Tonhöhenkorrekturen) dient dazu, diese Entscheidung physikalisch konsistent zu machen.