Wie funktioniert ein Kommutator in einem Gleichstrommotor? 

Wenn Sie jemals ein Diagramm eines Gleichstrommotors betrachtet und gedacht haben:, “Okay, aber was macht dieses Kupferstück eigentlich?” – Das ist für dich.

Die meisten Artikel sagen: “A Kommutator kehrt den Strom bei jeder halben Umdrehung um, sodass sich der Motor weiterdreht.” Das stimmt… aber das ist so, als würde man sagen, “Die Lunge hilft dir beim Atmen.” und dort anzuhalten. In diesem Leitfaden werden wir Schritt für Schritt durchgehen, wie Sie Was ist ein Kommutator, welches Problem löst er und was passiert Millisekunde für Millisekunde in den Spulen? — auf eine Weise, dass Sie visualisieren.

Wir werden auch einen Blick auf echte technische Probleme wie Funkenbildung, Ankerrückwirkung und deren Behebung durch Konstrukteure werfen.

• TL;DR – Die 10-Sekunden-Antwort
  • Ein Gleichstrommotor hat eine Spule (Anker) in einem Magnetfeld.
  • Der Strom in der Spule erzeugt Kräfte, die versuchen, sie zu verdrehen (Drehmoment). 
  • Bei jeder halben Umdrehung würde die Spule natürlich “zurückschlagen” und das Drehmoment umkehren, es sei denn, Sie kehren auch den Strom um.
  • Das Kommutator ist ein rotierender Kupferschalter auf der Welle, der zusammen mit stationären Bürsten, dreht automatisch die Seite der Spule, die mit + und – verbunden ist. jede halbe Umdrehung. 
  • Dadurch bleibt das Drehmoment im gleiche Richtung, sodass der Rotor nicht ins Stocken gerät oder vibriert, sondern einfach weiterdreht.

1. Kurze Auffrischung: Was ein Gleichstrommotor eigentlich macht

Im Kern ist ein Gleichstrommotor lediglich ein Stromführender Leiter in einem Magnetfeld. Nach der Lorentz-Kraft erfährt ein Leiter mit Strom (I) in einem Magnetfeld (B) eine seitliche Kraft, und wenn dieser Leiter Teil einer Schleife ist, werden diese Kräfte zu einem Drehmoment, das versucht, die Schleife zu drehen. 

In einem typischen bürstenbehafteten Gleichstrommotor befinden sich:

• A Stator das das Magnetfeld erzeugt (Permanentmagnete oder Feldwicklungen).
• A Rotor/Anker das den Strom führt und sich tatsächlich dreht.
• A Kommutator + Bürsten die als automatischer Umkehrschalter fungieren und mit der Rotorposition synchronisiert sind. 

Das Besondere daran ist, dass der Rotor bekommt nie eine Chance zurückdrücken – der Kommutator “dreht den Spieß um” gerade noch rechtzeitig.

• Wichtige Motorteile auf einen Blick
  • Stator – stationärer Teil, hält die Magnete/Feldwicklungen, die das Hauptmagnetfeld erzeugen. 
  • Rotor (Anker) – rotierender Eisenkern mit Kupferwicklungen; hier wird das Drehmoment erzeugt.
  • Kommutator – Segmentierter Kupferring auf der Rotorwelle; verbindet die Ankerspulen mit der Außenwelt und kehrt den Strom im richtigen Moment um. 
  • Pinsel – stationäre leitfähige Blöcke (Graphit/Kohlenstoff oder Kupfer), die auf den Kommutator drücken und Strom hinein- und hinausleiten. 

2. Lernen Sie den Kommutator kennen: den mechanischen “Drehschalter” des Motors”

Der Kommutator ist buchstäblich ein mechanischer Schalter, der um die Welle gewickelt ist.

Es ist gebaut als Zylindrischer Ring aus vielen Kupfersegmenten, Jedes Segment ist durch dünne Glimmerlagen von den anderen Segmenten (und vom Schaft) isoliert. Jedes Segment ist mit dem Ende einer Ankerspule verbunden. 

Wenn sich der Rotor dreht, stationäre Bürsten auf diesem Zylinder sitzen wie Schuhe auf einem Laufband. Sie bewegen sich nicht um die Welle herum; der Kommutator gleitet unter ihnen hindurch. Durch die Wahl von wo diese Segmente werden aufgeteilt und wie sie sind mit den Spulen verdrahtet, wir stellen sicher, dass Die Spule, die kurz davor ist, die “tote Zone” zu passieren, hat ihre Anschlüsse vertauscht. — Plus und Minus wechseln effektiv die Seiten.

• Was macht einen Kommutator zu einem Kommutator?
  • Segmentierter Kupferring: mehrere keilförmige Kupferstangen, die einen Zylinder auf der Welle bilden. 
  • Isolierung: Glimmer oder ähnliches Material zwischen den Segmenten und zwischen dem Ring und der Welle, damit die Segmente nicht miteinander kurzschließen. 
  • Anschluss an SpulenJedes Segment ist mit einem Ende einer Ankerspule verbunden; das Verbindungsmuster bestimmt, wie der Strom durch die Wicklungen fließt. 
  • Gleitender Kontakt mit BürstenDie Bürsten werden mit sorgfältig eingestellter Federkraft angepresst, um den Kontakt aufrechtzuerhalten, aber Verschleiß und Funkenbildung zu begrenzen. 

3. Das eigentliche Problem, das der Kommutator löst

Stellen Sie sich einen einfachen Motor mit einer einzigen Schleife vor: eine rechteckige Spule, die zwischen zwei Magnetpolen sitzt.

Wenn sich eine Seite der Spule unter dem Nordpol und die andere unter dem Südpol befindet, wirken die Kräfte auf die beiden Seiten in entgegengesetzte Richtungen und erzeugen ein Drehmoment, das die Spule dreht. Großartig. Aber stellen Sie sich nun vor, dass sich die Spule gedreht hat. eine halbe Umdrehung (180°).

• Ohne die Anschlüsse zu berühren, bleibt die Stromrichtung in der Spule relativ zum Feld unverändert.
• Aber die Spule ist Orientierung wird umgekehrt.
• Das bedeutet, dass die Kräfte auf jeder Seite umgekehrte Richtung — Ihr “Schub” wird zu einem “Zug” und der Motor würde versuchen, rückwärts zu fahren oder abzustürzen.

Um das zu vermeiden, möchten wir, dass die Strom in der Spule, um genau dann umzuschalten, wenn sich die Spule um 180° gedreht hat. Wenn wir den Strom umkehren, während die Spule ihre Position wechselt, bleiben die Kräfte in Richtung gleiche physikalische Richtung, und das Drehmoment unterstützt die Drehung, anstatt ihr entgegenzuwirken. 

Genau das ist die Aufgabe, die der Kommutator und die Bürsten erfüllen.

• Ohne und mit Kommutator
  • Ohne:
    • Die Spule überschreitet 90°… das Drehmoment sinkt.
    • Bei 180° kehren sich die Kräfte um und versuchen, den Rotor zurückzudrücken.
    • Ergebnis: Schwingung oder Stillstand, keine kontinuierliche Drehung. 
  • Mit einem Kommutator:
    • Genau in dem Moment, in dem sich das Drehmoment umkehren würde, werden die Anschlüsse getauscht.
    • Der Strom in der Spule kehrt sich um; die Richtungen der Magnetkräfte bleiben unverändert.
    • Ergebnis: gleichmäßiges, unidirektionales Drehmoment und kontinuierliche Drehung. 

4. Eine volle Umdrehung: Was der Kommutator in jedem Winkel macht

Lassen Sie uns eine vollständige Umdrehung eines sehr einfachen Gleichstrommotors mit einem Zweiteiliger Spaltringkommutator.

Wir gehen davon aus, dass:

• Zwei Bürsten: eine an + angeschlossen, eine an –.
• Eine rechteckige Spule, deren Enden mit den beiden Kupferhälften des Kommutators verbunden sind.

Rotorpositionen im Vergleich zur Kommutatorfunktion

In Wirklichkeit verwenden Gleichstrommaschinen viele Segmente und viele Spulen, Das Drehmoment ist also viel gleichmäßiger als dieses sehr vereinfachte Bild vermuten lässt. 

• Wie Sie sich das vorstellen können (ohne Diagramm)
  • Stellen Sie sich die Spule als eine Rechteck: linke Seite und rechte Seite.
  • Bei 0°, Die linke Seite befindet sich unter dem Nordpol, die rechte Seite unter dem Südpol. Der Strom fließt in die linke Seite hinein und aus der rechten Seite heraus:
    • Die linke Seite wird gedrückt. runter, rechte Seite wird gedrückt hoch → Drehmoment im Uhrzeigersinn.
  • Wenn die Spule erreicht vertikal (90°), Es steht quer zum Feld, sodass die Kräfte abfallen – dies ist ein natürlicher Punkt mit “Null-Drehmoment”.
  • Bei fast 180°, würde die Spule nun versuchen, ein Drehmoment in die andere Richtung zu erzeugen...
    • Aber Kurz davor tauschen die Kommutatorsegmente die Bürsten aus: Was zuvor mit + verbunden war, ist nun mit – verbunden und umgekehrt. 
  • Dieser Flip bedeutet, dass sich die Stromrichtung in der Spule umkehrt, sodass die Kräfte weiterhin in der ursprünglichen Drehrichtung wirken.

Versuchen Sie Folgendes: Zeichnen Sie ein Rechteck, markieren Sie die aktuelle Richtung an den Seiten, drehen Sie dann das Papier und drehen Sie die aktuellen Pfeile um, wenn die Spule die “Vertikale” passiert. Das ist im Grunde genommen das, was der Kommutator mechanisch tut.

5. Vergrößern: Das Kommutierungsintervall und Funkenbildung

Die wirklich interessante Aktion findet in dem winzigen Zeitabschnitt statt, in dem ein Pinsel Zwei Kommutatorsegmente gleichzeitig überbrücken.

In diesem Augenblick:

• Die zwischen diesen beiden Segmenten angeschlossene Spule ist effektiv kurzgeschlossen mit dem Pinsel.
• Der Strom in dieser Spule muss während dieser kurzen “Kommutierungsperiode” von +I auf –I umkehren. 
• Da die Spule eine Induktivität aufweist, mag nicht plötzliche Stromänderungen, sodass seine eigene induzierte EMK der Umkehrung entgegenwirken kann.

Wenn sich die Stromrichtung nicht vollständig umkehrt, bevor das Segment die Bürste verlässt, erhalten wir Unterkommutierung – die alte Stromrichtung ist teilweise noch vorhanden. Diese Diskrepanz führt zu Funkenbildung an der Schnittstelle zwischen Bürste und Kommutator erwärmt das Kupfer und verschleißt es. 

Ein gutes Kommutatordesign und eine gute Bürstenpositionierung sollen Folgendes gewährleisten:

• Die Spule kommutiert, wenn sie sich in der Nähe des magnetische neutrale Achse (wo der Nettofluss minimal ist), sodass die induzierte EMK und die erforderliche Stromänderung geringer sind. 
• Der Zeitpunkt des mechanischen Kontakts stimmt mit dem elektrischen Bedarf für die Umkehrung überein.

• Dinge, die die Kommutierung erschweren (und Funkenbildung verursachen)
  • Hoher Strom und Induktivität in der Spule → mehr Energie zum Umdrehen, größere induzierte EMK, die der Veränderung entgegenwirkt. 
  • Verschobene magnetische Neutralebene aufgrund der Ankerreaktion (das eigene Feld des Ankers verzerrt das Hauptfeld). 
  • Falsche Pinselposition (nicht auf die neutrale Achse bei Betriebslast ausgerichtet).
  • Geringer Anpressdruck der Bürste – zu leicht: instabiler Kontakt und Funkenbildung; zu schwer: übermäßiger Verschleiß und Erwärmung. 
  • Verschmutzte oder raue Kommutatoroberfläche, wodurch der Stromfluss unregelmäßig wird.

6. Wie Designer dem Kommutator bei seiner Arbeit helfen

Da Gleichstrommaschinen immer größer und stärker belastet wurden, mussten Ingenieure kreative Lösungen finden, um die Kommutierung unter Kontrolle zu halten.

Sie wenden mehrere Tricks an:

1. Interpole (Kommutationspole) Kleine Hilfspole, die zwischen den Hauptpolen angeordnet sind und unter Spannung stehen, sodass sie ein lokales Magnetfeld erzeugen, das dazu beiträgt, dass sich der Strom in der Kommutierungsspule reibungsloser umkehrt. 
2. Kompensationswicklungen Zusätzliche Wicklungen, die in die Polflächen eingebettet sind und einen Strom führen, der proportional zum Ankerstrom ist. Diese heben einen Großteil des eigenen Feldes des Ankers (Ankerreaktion) auf und halten die neutrale Achse über alle Lastbedingungen hinweg stabil. 
3. Optimiertes Bürstenmaterial Kohlebürsten sind beliebt, weil sie:
   • Verschleißt schneller als Kupfersegmente (Opferteil, leichter zu ersetzen).
   • Haben einen höheren Widerstand, wodurch Stromspitzen während der Kommutierung leicht begrenzt werden. 
4. Viele kleine Kommutatorsegmente Mehr Segmente bedeuten mehr Spulen in Reihe um den Umfang und geringere Stromänderungen pro Spule, was das Drehmoment glättet und jeden Kommutierungsschritt weniger heftig macht. 

• Praktische Konstruktions-/Wartungsregeln, die häufig in der Praxis angewendet werden
  • Behalten Pinsel richtig positioniert relativ zur Neutralebene für Ihre typische Betriebslast.
  • Monitor Bürstenverschleiß, Temperatur und Farbe des Kommutators; ungewöhnliche Muster deuten oft auf Probleme mit der Kommutierung hin. 
  • Verwenden Sie die richtiges Bürstenmaterial für Ihre Spannungs- und Stromstärken (z. B. Kohlenstoff gegenüber Kupfer). 
  • Für leistungsstarke industrielle Gleichstrommotoren sollten Sie Folgendes berücksichtigen: Interpole und Ausgleichswicklungen unverzichtbar, nicht optional. 

7. Kommutator vs. bürstenlos: Warum diese alte Technologie immer noch wichtig ist

Moderne Systeme verwenden zunehmend bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) und andere elektronisch kommutierte Motoren. Dort übernehmen Halbleiterschalter die Rolle des Kommutators, angesteuert von einer Steuerung, die die Rotorposition (über Sensoren oder Gegen-EMK) kennt. 

Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren mit Kommutatoren sind jedoch nach wie vor äußerst relevant, da sie:

• Einfach zu steuern (einfach Gleichspannung anlegen).
• Günstig in der Herstellung.
• Ideal für Anwendungen mit geringer bis mittlerer Leistung, bei denen es auf die Kosten ankommt (Spielzeug, Elektrowerkzeuge, Kleingeräte).

Bei diesen Motoren ist die Der mechanische Kommutator ist wörtlich genommen der “Regler aus Kupfer und Kohlenstoff”.” — Es brennt die Kommutierungslogik in die Hardware ein.

• Kommutator-Gleichstrommotor vs bürstenloser Gleichstrommotor – schneller Vergleich
  • Kommutator (gebürsteter Gleichstrom):
    • Mechanische Umschaltung (Kommutator + Bürsten).
    • Mehr Wartungsaufwand: Bürstenverschleiß, Reinigung des Kommutators.
    • Sehr einfache Antriebselektronik (kann so einfach wie eine Batterie + Schalter sein). 
  • Bürstenloser Gleichstrommotor:
    • Elektronische Umschaltung (Wechselrichter + Steuerung).
    • Keine Bürsten → weniger Wartungsaufwand, längere Lebensdauer, oft höhere Effizienz. 
    • Komplexere und teurere Elektronik, aber enorme Vorteile in Bezug auf Leistung und Zuverlässigkeit.

8. Alles zusammenführen

Wenn man den Fachjargon beiseite lässt, ist ein Kommutator in einem Gleichstrommotor ein präzise getakteter, selbsttätiger Polaritätsumschalter.

• Es sitzt auf der Rotorwelle als Kupferzylinder, der in isolierte Segmente unterteilt ist.
• Bürsten gleiten darüber und führen Gleichstrom zu einem Rotor, dessen Spulen sich ständig unter den Magnetpolen bewegen.
• Wenn jede Spule die Position passiert, an der sich das Drehmoment umkehren würde, tauscht der Kommutator leise aus, welches Segment welche Bürste berührt, sodass Die Stromrichtung in dieser Spule kehrt sich genau dann um, wenn sich ihre Geometrie umkehrt.. 
• Tief in diesem Moment ist die Kommutierung ein Wettlauf zwischen Induktivität, induzierter EMK und cleverem Motordesign; wenn alles richtig gemacht wurde, sieht man nur eine sich gleichmäßig drehende Welle.