Funktion des Spaltringkommutators in einem Elektromotor

Wenn Sie jemals ein einfaches Gleichstrommotordiagramm betrachtet und gedacht haben:, “Okay, aber was bedeutet dieser seltsame zerbrochene Kupferring eigentlich? tun?” – Das ist für dich.

Das Spaltring-Kommutator ist winzig, aber es entscheidet still und leise, ob Ihr Motor:

• dreht sich gleichmäßig in eine Richtung oder
• zuckt nur unbeholfen hin und her und gibt auf.

Am Ende dieses Artikels kennen Sie nicht nur die Antwort aus dem Lehrbuch, sondern haben auch eine mentale Vorstellung davon, was genau passiert. jede halbe Umdrehung im Inneren des Motors.

• In diesem Leitfaden erfahren Sie:
  • Was ist ein Spaltringkommutator physikalisch gesehen?
  • Wie es das Drehmoment im gleich Richtung trotz aktueller Rückschläge
  • Warum ein Gleichstrommotor ohne ihn nicht richtig funktioniert
  • Wie es sich von Schleifringen in Wechselstrommaschinen unterscheidet

1. Kurze Auffrischung: Wie ein einfacher Gleichstrommotor funktioniert

Bevor wir uns näher mit dem Spaltring befassen, wollen wir zunächst den Rahmen abstecken.

Ein einfacher Gleichstrommotor hat:

• A Spule (Anker) von Draht, der sich drehen kann
• A Magnetfeld, in der Regel aus Permanentmagneten
• A Gleichstromquelle (Batterie oder Gleichstromversorgung)
• Bürsten und Kommutator Strom in die rotierende Spule leiten

Wenn Strom durch die Spule in einem Magnetfeld fließt, Jede Seite der Spule spürt eine Kraft in entgegengesetzte Richtungen. (dank des Motoreffekts / Flemings linker Handregel). Eine Seite wird nach oben gedrückt, die andere nach unten, sodass sich die Spule dreht.

Der Haken: Ohne einen cleveren Trick sind die Kräfte nach einer halben Umdrehung Flip-Richtung und die Spule würde nur hin und her schwanken, anstatt sich kontinuierlich zu drehen.

Dieser “clevere Trick” ist der Spaltring-Kommutator.

• Ein einfacher Gleichstrommotor umfasst in der Regel:
  • Spule (Anker) auf einer rotierenden Welle
  • Permanentmagnet (oder Feldelektromagnet)
  • Gleichstromversorgung (Batterie oder Gleichstromquelle)
  • Splitring-Kommutator
  • Kohlebürsten, die auf den Kommutator drücken

2. Was genau ist ein geteilter Ringkommutator?

Physikalisch gesehen ist ein Spaltringkommutator:

• A Kupferring, in zwei Hälften geschnitten, auf der Motorwelle montiert
• Jede Hälfte ist verbunden mit ein Ende der Spule
• Zwei Kohlebürsten ruhen auf diesen Hälften, die mit der externen Gleichstromversorgung verbunden sind

Während sich die Welle (und die Spule) drehen, bleiben die Bürsten stillstehen, berühren jedoch immer die eine oder andere Hälfte des Rings.

Betrachten Sie es als eine Drehschalter oder einen mechanischen “Polaritätsumschalter”, der mit der Drehung der Spule synchronisiert ist.

• Wichtige physikalische Merkmale eines Spaltringkommutators:
  • Aus Kupfersegmenten (zwei Segmente im einfachsten Motor)
  • Segmente sind isoliert voneinander
  • Befestigt an der Rotorschaft
  • Jedes Segment ist mit einem Ankerwicklungsende
  • Bürsten drücken auf die Außenfläche, um Strom zuzuführen

3. Die Kernfunktion: Umkehrung des Stroms bei jeder halben Umdrehung

Hier ist der Kern der Sache:

Die Funktion des Spaltringkommutators in einem Gleichstrommotor besteht darin, die Stromrichtung in der Spule bei jeder halben Umdrehung umzukehren, sodass das Drehmoment auf die Spule immer in derselben Drehrichtung wirkt und eine kontinuierliche Drehung ermöglicht. 

Lassen Sie uns eine vollständige Drehung in Zeitlupe durchgehen.

1. Startposition (0°):
   • Die Seite AB der Spule leitet den Strom “vorwärts”, die Seite CD leitet den Strom “rückwärts”.
   • Im Magnetfeld wird AB nach unten gedrückt, CD nach oben → die Spule beginnt sich zu drehen.
2. Annähernd 90°:
   • Die Spule bewegt sich in Richtung Vertikale.
   • Das Drehmoment ist kurzzeitig gering, wenn die Spule genau senkrecht steht, aber die Trägheit hält sie in Bewegung.
3. Bei 90° (halbe Umdrehung):
   • Die Spule ist vertikal.
   • Die Bürsten überbrücken nun die Lücken zwischen den Kommutatorsegmenten und berühren die gegenüberliegende Hälften.
   • Dies ordentlich kehrt die aktuelle Richtung in der Spule um.
4. Von 90° bis 180°:
   • Der Strom in AB und CD hat sich umgekehrt., aber auch die Ausrichtung der Spule.
   • Ergebnis: Die Kräfte auf jeder Seite drücken immer noch in derselben allgemeinen Drehrichtung.. Die Drehrichtung bleibt erhalten.

Obwohl sich der Strom umkehrt, sorgt der Kommutator dafür, dass die Drehmoment nicht. Deshalb dreht sich der Motor, anstatt zu ruckeln.

• In einfacher, prüfungsähnlicher Formulierung: Der Spaltring:
  • Kehrt die Stromrichtung in der Ankerspule bei jeder halben Umdrehung um.
  • Hält das Drehmoment auf der Spule in derselben Richtung
  • Stellt sicher kontinuierliche Drehung in eine Richtung
  • Hält einen Gleichstromausgang/-eingang an den externen Anschlüssen aufrecht (für Generatoren bzw. Motoren).

4. Mit vs. ohne Spaltring (und vs. Schleifringen)

Durch den Vergleich verschiedener Szenarien lässt sich der Zweck leichter erkennen.

Vergleichstabelle

Kurz gesagt:

• Splitring → “Ich werde den Spulenstrom für Sie im perfekten Moment umkehren, damit Ihr Drehmoment in eine Richtung bleibt.”
• Schleifring → “Ich leite einfach den Strom weiter, den Sie mir geben; ich bin nicht hier, um die Polarität umzukehren.”

• Die Rolle des Spaltringkommutators, zusammengefasst:
  • Fungiert als mechanischer Umrichter für den Ankerstrom
  • Synchronisiert die Stromumkehr mit dem Rotorwinkel (jede halbe Umdrehung)
  • Wandelt den natürlichen “Hin-und-Her”-Effekt in gleichmäßige Drehung
  • Sorgt dafür, dass sich ein Gleichstrommotor so verhält, wie wir es erwarten: gleichmäßig und richtungsgebunden.

5. Vertiefung: Welches Problem löst der Spaltring?

Stellen wir uns vor, wir entfernen den Spaltring-Kommutator und die Spule irgendwie über Schleifringe direkt an die Gleichstromversorgung anschließen.

Zu Beginn bewirken Kräfte an den Seiten der Spule, dass sie sich dreht. Aber nachdem sie eine halbe Umdrehung vollführt hat:

• Die Seite, die zuvor unter dem Nordpol lag, befindet sich nun unter dem Südpol.
• Die aktuelle Richtung auf jeder Seite hat nicht umgedreht worden (da es keinen Kommutator gibt).
• Magnetische Kräfte wirken nun im entgegengesetzte Richtung → Drehmoment kehrt sich um.

Der Motor würde sich wie eine Person verhalten, die versucht, eine Tür aufzudrücken. zuerst vorwärts, dann rückwärts, dann wieder vorwärts, immer in der Mitte stoppend. Deshalb würde die Spule einfach um die vertikale Position oszillieren oder ins Stocken geraten, anstatt sich zu drehen.

Der Spaltring-Kommutator schaltet sich ein und sagt:

“Jedes Mal, wenn die Spule diesen ungünstigen Mittelpunkt erreicht, werde ich ihre Anschlüsse vertauschen, damit sich die Kräfte in ihrer Gesamtrichtung nicht verändern.”

Das ist das Besondere daran. Keine komplizierte Mathematik erforderlich – nur zeitlich gut abgestimmte Polaritätsumkehr.

• Konzeptionelles Bild zum Merken:
  • Ohne Kommutator → Drehrichtung wechselt bei jeder halben Umdrehung → Schaukelbewegung
  • Mit geteiltem Ringkommutator → Strom wechselt stattdessen → Drehmoment bleibt einseitig → volle Drehung
  • In Generatoren wirkt derselbe Mechanismus als mechanischer Gleichrichter um Gleichstrom aus einer wechselstromähnlichen induzierten Spannung zu erzeugen

6. Struktur + Bürsten: Wie es tatsächlich Kontakt herstellt

In echten Motoren besteht der Kommutator nicht nur aus zwei hässlichen Kupferstücken. Er ist konstruiert:

• Mehrfach Kupfersegmente sind um die Welle herum befestigt.
• Die Segmente sind durch Materialien wie Glimmer oder Kunststoffe.
• Federbelastete Kohlebürsten Drücken Sie auf die Außenfläche und schieben Sie die Segmente über die Welle, während diese sich dreht.
• Jedes Segment ist mit einer bestimmten Ankerspule verdrahtet.

In einem sehr einfachen Gleichstrommotor auf Schulniveau:

• Der “Kommutator” ist lediglich zwei Kupferhalbringe (der Spaltring)
• Jeder Halbring ist mit einem Ende einer einzelnen Spule verbunden.
• Zwei Bürsten versorgen diese Hälften mit Gleichstrom, sodass sich die Spule drehen kann, während sie elektrisch verbunden bleibt.

Das ist alles, was es sein muss: eine rotierende Schnittstelle, die tauscht regelmäßig, welches Spulenende mit welchem Versorgungsanschluss verbunden ist.

• Warum überhaupt Bürsten und einen Kommutator verwenden?
  • Man kann die Drähte nicht endlos verdrehen, während sich der Rotor dreht.
  • Sie benötigen einen Gleitkontakt zwischen dem fest Welt und die rotierend Welt.
  • Der Kommutator und die Bürsten bilden diese Schnittstelle. und den aktuellen Umkehrungsauftrag bearbeiten.

7. Spaltring vs. Schleifring – wie man den Unterschied klar erklärt

Dies ist eine klassische Falle in Prüfungen/Vorstellungsgesprächen, daher sollten wir dies ganz klarstellen.

• A Spaltring ist:
  • Ein Kupferring in Stücke schneiden (in einfachen Gleichstrommotoren normalerweise zwei).
  • Verwendet als Kommutator: Es kehrt die Stromrichtung in den Rotorwicklungen bei jeder halben Umdrehung um.
  • Häufig in Gleichstrommotoren und -generatoren.
• A Schleifring ist:
  • A Endlosring (nicht geteilt) dient nur zur Übertragung von Kraft/Signalen auf ein rotierendes Teil.
  • Das tut es. nicht Rückstrom an sich.
  • Häufig in Wechselstromgeneratoren, Schleifring-Induktionsmotoren und rotierende Systeme wie Windkraftanlagen.

In einer Zeile:

Spaltring = Kommutator, kehrt den Strom um. Schleifring = Verbinder, leitet Strom weiter.

• Einfache Gedächtnisstützen:
  • “Teilung Ring” → die Verbindungen trennen, den Strom umlegen
  • “Ausrutschen Ring” → Strom kontinuierlich durchfließen lassen
  • Geteilt → Gleichstrommotoren; Schlupf → Wechselstrommaschinen (meistens)

8. Technische Hinweise aus der Praxis: Grenzen der mechanischen Kommutierung

Mechanische Kommutatoren, einschließlich Split-Ring-Typen, sind brillant, aber nicht perfekt:

• Sie leiden unter Reibung und Verschleiß wo Bürsten an Kupfersegmenten reiben.
• Es kann sein, dass Funkenbildung und elektrische Störungen, insbesondere bei hoher Geschwindigkeit oder hohem Strom.
• Sie brauchen regelmäßige Wartung und Austausch der Bürsten.

Das ist einer der Gründe, warum viele moderne Laufwerke heute bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) oder Wechselstrom-Induktionsmotoren:

• BLDC-Motoren verzichten vollständig auf einen mechanischen Kommutator und ersetzen diesen durch elektronische Umschaltung der Ströme im Stator.

Aber in der Ausbildung, bei einfachen Labormotoren, Spielzeugen und einfachen Gleichstromantrieben ist der Spaltringkommutator immer noch die klarste und greifbarste Möglichkeit, um zu sehen, wie wie wir können Strom in ein Einweg-Drehbewegung.

• Um das Gesamtbild im Blick zu behalten:
  • Kommutator = “Strommanager” des Rotors
  • Spaltring = einfachste physikalische Form dieses Kommutators in einem Gleichstrommotor
  • Seine Aufgabe besteht nicht nur darin, zu verbinden, sondern auch darin, Zur richtigen Zeit in die richtige Richtung verbinden

9. Kurze Zusammenfassung

Das Funktion des Spaltringkommutators in einem elektrischen (Gleichstrom-)Motor ist:

• Die Richtung des Stroms in der Ankerspule alle halben Umdrehungen umkehren.
• Halten Sie das Drehmoment auf die Spule einwirkend eine einheitliche Drehrichtung
• Stellen Sie sicher, dass der Motor nicht nur hin und her schwankt, sondern sich dreht. kontinuierlich
• Stellen Sie die elektrische Verbindung zwischen der stationären Stromversorgung und dem rotierenden Anker her.

Wenn Sie sich vorstellen können, wie dieser kleine Kupferring die Polarität der Spule wie ein perfekt getimter Lichtschalter umlegt, verstehen Sie mehr, als die meisten Lehrbuchabschnitte jemals vermitteln können.