Hat ein Einphasenmotor einen Kommutator?

Normalerweise nicht. Bei Einphasenmotoren, die Ventilatoren, Pumpen, Gebläse und Kompressoren antreiben, handelt es sich fast immer um Induktionsmaschinen mit einem Käfigläufer und ohne Kommutator überhaupt nicht. Ausnahmen bilden bestimmte einphasige Motoren vom “Kommutatortyp”, wie z. B. Universal-, Wechselstrom-Reihen- und Repulsionsmotoren.

Was die meisten Menschen wirklich mit “Einphasenmotor” meinen”

Wenn jemand vor Ort sagt: “Tauschen Sie diesen Einphasenmotor aus”, meint er in der Regel einen Einphasen-Induktionsmotor mit 220–240 V Wechselstrom. Kondensatorstart, Kondensatorbetrieb, Permanent-Split, Spaltpol – verschiedene Starttechniken, gleiche Grundidee: Stator am Netz, Rotor als geschlossener Käfig, keine Bürsten. Der Rotor benötigt niemals eine direkte elektrische Verbindung zur Stromversorgung, sodass ein Kommutator keine Aufgabe hat.

Historisch gesehen ist dies das Design, das frühere Kommutatormaschinen ersetzte, nachdem Ingenieure gelernt hatten, wie man einen praktischen kommutatormlosen Einphasen-Induktionsmotor baut und ihn kostengünstig und robust macht.

Wenn Ihre Frage also lautet: “Hat ein typischer Einphasen-Induktionsmotor einen Kommutator?”, lautet die ehrliche, langweilige Antwort einfach „Nein“.

Aber “Einphasenmotor” ist ein unscharfer Begriff.

Der Ausdruck selbst ist ungenau. Er bezieht sich auf die Versorgung, nicht auf die Konstruktion. Sobald man von Prüfungsfragen zu realer Hardware übergeht, kann “Einphasenmotor” mindestens vier verschiedene Familien bezeichnen:

Ein Einphasen-Induktionsmotor mit Wechselstromversorgung. Ein Universalmotor, der mit Einphasen-Wechselstrom oder gleichgerichtetem Gleichstrom betrieben wird. Ein Repulsions- oder Repulsions-Induktionsmotor, der ebenfalls mit Einphasen-Wechselstrom betrieben wird. Ein Gleichstrommotor, der hinter einem Gleichrichter sitzt, aber letztlich ebenfalls aus einer Einphasenleitung gespeist wird.

Nur die letzten drei stützen sich auf einen Kommutator. Das Wort “einphasig” ist nicht entscheidend, sondern die Konstruktion des Rotors.

Wenn Sie das beherzigen, lassen sich sowohl Prüfungstricks als auch Produktdatenblätter leichter lesen.

Schnelle Vorstellung: Was der Kommutator wirklich macht

Der Kommutator ist ein Drehschalter. Kupfersegmente auf der Welle. Bürsten, die auf diese Segmente drücken. Wenn sich der Rotor dreht, werden die Anschlüsse der Ankerwicklungen vertauscht, sodass das Drehmoment in etwa in eine Richtung bleibt und nicht mit der Leitungspolarität hin und her schwankt.

Diese Funktion ist bei Gleichstrommotoren und Universalmotoren von entscheidender Bedeutung. Sie sorgt dafür, dass der Rotorstrom die richtige Phasenbeziehung zum Statorfeld beibehält, auch wenn die Versorgungsspannung alle halbe Periode ihre Polarität wechselt. Ohne diesen Trick käme es nur zu Vibrationen und Wärmeentwicklung. Oder zu einem sehr geduldigen summenden Briefbeschwerer.

Bei einem normalen Induktionsmotor wird der Rotorstrom durch Induktion und nicht durch Schleifkontakte erzeugt, sodass diese schwierige Aufgabe an die Gesetze des Elektromagnetismus “ausgelagert” wird. Ein Kommutator ist nicht erforderlich.

Wo Einphasenmotoren tatsächlich einen Kommutator haben

Es gibt einige klar definierte Fälle, in denen die Antwort zu Ja wechselt.

Zunächst der Universalmotor. Elektrisch handelt es sich um einen Gleichstrom-Reihenschlussmotor, der aus laminiertem Eisen gefertigt ist und sowohl für Wechselstrom als auch für Gleichstrom ausgelegt ist. Die Stator- und Rotorwicklungen sind in Reihe geschaltet, und der Rotor verwendet einen Kommutator, sodass bei einer Umkehrung der Versorgung sowohl das Feld als auch die Ankerwicklung gemeinsam umkehren. Das Nettodrehmoment kehrt sich nicht um, sodass es sich weiterhin in die gleiche Richtung dreht.

Dies sind die Motoren in Handbohrmaschinen, vielen Staubsaugern, kleinen Küchengeräten und vielen billigen, lauten Werkzeugen. Hohe Drehzahl, hohes Anlaufdrehmoment, kleiner Rahmen und ein Kommutator, der verschleißt.

Zweitens die Familie der Repulsions- und Repulsionsinduktionsmotoren. Der Stator sieht aus wie ein einphasiger Induktionsstator. Der Rotor sieht aus wie eine Gleichstromankerbürste mit Kommutator und Bürsten, aber die Bürsten sind miteinander kurzgeschlossen und nicht an die Stromversorgung angeschlossen. Die dadurch induzierten Rotorströme erzeugen ein Drehmoment durch die Abstoßung zwischen Stator- und Rotorpolsystemen.

Einige Versionen verwenden den Kommutator nur während des Startvorgangs und schließen dann alle Segmente kurz oder heben die Bürsten an, sodass die Maschine nach Erreichen der Drehzahl als einfacher Induktionsmotor läuft.

Wenn Sie also einen Einphasenmotor mit Bürstenvorrichtung und Kommutator auf der Welle sehen, handelt es sich mit ziemlicher Sicherheit um eine dieser Kommutatorkonstruktionen und nicht um eine Standard-Kondensatorstartvorrichtung.

Ein einfacher Vergleich

Hier ist eine kompakte Methode, um die Varianten auseinanderzuhalten, wenn Sie auf ein verwirrendes Datenblatt oder einen verstaubten Motor auf einer Werkbank starren.

Sobald Sie den Motor einer dieser Reihen zugeordnet haben, beantwortet sich die Frage nach dem Kommutator fast von selbst.

Warum Induktionstypen bewusst Kommutatoren vermeiden

Designer verzichten auf Kommutatoren, wann immer sie damit durchkommen. Die Gründe dafür sind langweilig, aber überzeugend.

Kommutatoren und Bürsten verursachen Verschleiß, Kohlenstaub, Gleitkontaktverluste und Funkenbildung. Sie erfordern zusätzliche Bearbeitungsschritte, Montageschritte und Wartungsanweisungen.

Induktionsrotoren bestehen lediglich aus Stäben und Endringen, die in der Regel aus Aluminium oder Kupfer gegossen sind. Es gibt keine isolierten Segmente und keine Bürstenanordnung. Der Rotor ist mechanisch einfacher aufgebaut und leichter auszubalancieren. Aus diesem Grund wurden Spaltpolmotoren im unteren Leistungsbereich und Kondensatormotoren im höheren Leistungsbereich zum Standard für “gewöhnliche” Einphasenantriebe.

Wenn also jemand fragt: “Könnten wir hier einen Kommutator verwenden?”, lautet die stille Folgefrage: “Was gewinnen wir dadurch, das die Kosten rechtfertigt?”

Wann ein Kommutatormotor mit einer Phase tatsächlich sinnvoll ist

Es ist nicht nur Nostalgie, die Universal- und Repulsionsmotoren am Leben erhält. Sie lösen eine Reihe spezifischer Probleme recht gut.

Universalmotoren bieten ein hohes Anlaufdrehmoment und eine sehr hohe Drehzahl bei geringem Gewicht und kompakter Bauweise an einer einfachen Wechselstromleitung. Das ist genau das, was Sie von einer Handbohrmaschine erwarten. Sie möchten ein starkes Drehmoment von Null an und nehmen gerne in Kauf, dass die Drehzahl unter Last abfällt, anstatt Geld für einen Wechselrichter auszugeben. Geräusche sind akzeptabel. Der Austausch der Bürsten ist akzeptabel. Der Kommutator hat seinen Platz dort verdient.

Abstoßungs- und Abstoßungs-Induktionsmotoren sind eher eine historische Antwort auf die Frage “Wie erzielen wir ein hohes Anlaufdrehmoment bei Einphasenmotoren, bevor wir über kostengünstige, große Kondensatoren und Halbleiterantriebe verfügen?” Sie erfüllten diese Aufgabe mithilfe der Kommutator- und Bürstengeometrie, um die Rotorströme während des Anlaufs zu formen. Später konnten Konstrukteure den Kommutator kurzschließen, sobald die Maschine lief, und den Rotor eher wie einen Käfig agieren lassen.

In modernen Katalogen findet man sie seltener, da sie durch Kondensatorstart- und elektronische Antriebslösungen ersetzt wurden. Das Prinzip ist jedoch nach wie vor interessant, da alte Anlagen nicht von selbst modernisiert werden.

Wie Sie auf einen Blick erkennen können, ob Ihr Einphasenmotor einen Kommutator hat

Auf der Bank oder auf dem Spielfeld braucht man oft keine Instrumente. Nur die Augen und Ohren.

Wenn der Rahmen Bürstenhalter, Zugangsstopfen oder eine sehr deutliche Öffnung um die Wellenachse herum aufweist, durch die die Bürsten gewartet werden können, ist das ein deutlicher Hinweis. Wenn Sie durch eine Öffnung in der Nähe der Welle Kupfersegmente sehen können, handelt es sich um einen Kommutator. Wenn der Hersteller ihn direkt auf dem Typenschild oder in der Dokumentation als “universell”, “AC-Serie”, “Repulsion” oder “Repulsion-Induction” bezeichnet, kennen Sie die Antwort bereits.

Wenn der Rahmen dagegen glatt ist und nur einen Anschlusskasten oder eine fliegende Leitung hat, keine Bürstenausrüstung, und auf der Platte “Shaded-Pole”, „Capacitor-Start“, „Capacitor-Run“ oder einfach nur „Einphasen-Induktionsmotor“ steht, kannst du davon ausgehen, dass sich im Inneren kein Kommutator versteckt.

Geräusche sind ein weiterer Hinweis. Universalmotoren neigen dazu, ein schärferes, höherfrequentes Heulen und ein deutlicheres Bürstenbrummen zu erzeugen. Induktionsmotoren mit 50/60 Hz erzeugen eher ein tiefes Brummen sowie mechanische Geräusche vom Lüfter und den Lagern.

Einige wenige subtile Randfälle

Manchmal trifft man auf einen Motor, der wie ein einfacher Einphasen-Induktionsmotor aussieht, aber das Antriebssystem davor macht die Sache kompliziert.

Ein Beispiel hierfür ist ein Gleichstrommotor, der von einem Einphasen-Gleichrichter und einem Chopper gespeist wird. Aus Sicht der Stromversorgung handelt es sich dabei um eine “einphasige Motorlast”. Aus konstruktiver Sicht ist es offensichtlich eine Gleichstrommaschine, die, wenn sie bürstenbehaftet ist, einen Kommutator verwendet.

Ein weiteres Beispiel ist ein Induktionsmotor mit Repulsionsstart, bei dem die Kommutatorsegmente kurzgeschlossen oder die Bürsten angehoben werden, sobald die Drehzahl erreicht ist. Wenn Sie ihn im Stillstand öffnen, sehen Sie einen Kommutator. Wenn Sie sein stationäres Laufverhalten modellieren, behandeln Sie ihn ähnlich wie einen Käfigläufer. Beide Beschreibungen sind in ihrer begrenzten Weise korrekt.

Aus diesem Grund lautet die sicherste Antwort auf die ursprüngliche Frage immer: Um welchen spezifischen Einphasenmotor handelt es sich?

Kurze, direkte Antworten auf häufig gestellte Fragen

Die ehrliche Zusammenfassung ist also einfach, aber etwas umständlich: Die meisten alltäglichen Einphasenmotoren haben keinen Kommutator. Einige spezielle Einphasenmotoren haben jedoch unbedingt einen. Das Wort “Einphase” ist dabei nicht entscheidend, sondern die Rotorkonstruktion und die Methode zur Drehmomententwicklung.