Wie kehrt ein Spaltringkommutator den Strom um?

A Spaltring-Kommutator kehrt den Strom um, indem es als zeitgesteuerter Drehschalter fungiert: Bei jeder halben Umdrehung (180°) wechselt jedes Ende der Ankerspule die Bürste, die es berührt, sodass sich die von der Spule wahrgenommene Versorgungspolarität umkehrt, während die vom externen Stromkreis wahrgenommene Polarität gleich bleibt. Das ist der ganze Trick.

Die Kernidee: eine mechanische Polaritätsumkehr

Vergessen Sie für einen Moment die Prüfleitung und betrachten Sie das Ganze als ein sehr einfaches Gerät: zwei Kupferhalbringe auf der Welle, getrennt durch einen Isolationsspalt, auf die stationäre Bürsten drücken. Die Halbringe drehen sich mit der Spule. Die Bürsten nicht.

Jeder Halbring ist fest mit einem Ende der Spule verdrahtet. Die Bürsten sind fest mit der Gleichstromversorgung verdrahtet. Wenn sich der Rotor dreht, gleiten die Bürsten von einem Halbring zum anderen. Bei einem bestimmten Winkel überquert jede Bürste den Spalt und wechselt den Halbring (und damit das Spulenende), mit dem sie verbunden ist. Dieser Wechsel ist die Stromumkehr in der Spule. In Lehrbüchern wird dies in einem einzigen Satz zusammengefasst: “Der geteilte Ringkommutator kehrt den Strom bei jeder halben Umdrehung um, um das Drehmoment in derselben Richtung zu halten.”

Mit anderen Worten: Der Kommutator erzeugt nichts Besonderes. Er verbindet lediglich immer wieder dieselben beiden Spulenenden mit denselben beiden Bürsten in ganz bestimmten Winkeln.

Zwei Standpunkte: Bürsten vs. Spule

Verwirrend ist, dass die “Richtung des Stroms” davon abhängt, als wer man sich ausgibt.

Aus Sicht der Bürsten und der Gleichstromversorgung geschieht nichts Besonderes. Eine Bürste ist “immer” positiv, die andere “immer” negativ. Sie bleiben unbeweglich. Der Strom verlässt den Pluspol, fließt auf einem bestimmten Weg durch die Spule und kehrt zum Minuspol zurück. Hier gibt es keine Wechselwirkung; der externe Stromkreis sieht immer eine feste Polarität.

Aus Sicht der Spulenleiter (AB und CD in Standarddiagrammen) sieht die Sache anders aus. Wenn sich der Kommutator dreht, wird der Leiter, der sich zuvor auf der “positiven” Seite der Spule befand, mit der negativen Bürste verbunden, und derjenige, der sich zuvor auf der “negativen” Seite befand, wird mit der positiven Bürste verbunden. Innerhalb des rotierenden Rahmens kehrt sich also der Strom durch AB und CD tatsächlich bei jeder halben Umdrehung um.

Gleiche Hardware. Zwei Beschreibungen. Diese Diskrepanz in der Beschreibung ist der Grund für viel Verwirrung bei Prüfungen.

Timing: Warum der Flip in Diagrammen bei 90° oder 180° stattfindet

Im Standard-Schuldialogramm ist die Spule horizontal, wenn das Drehmoment maximal ist, und vertikal, wenn das Drehmoment natürlich sein Vorzeichen ändern würde. Unbeachtet würde sich die Magnetkraft auf jeder Seite der Spule umkehren, wenn sie diese vertikale Position durchläuft, und der Motor würde zögern oder sogar stehen bleiben.

Der Kommutator ist so konstruiert, dass die Bürsten die Lücken genau um diese “gefährliche” Position herum überqueren. Während dieses kurzen Augenblicks ist der Kontakt schlecht oder fast gleich Null; die Spule ist praktisch offen. Wenn sich die Spule ein wenig über die Vertikale hinaus bewegt, landet jede Bürste auf dem gegenüberliegenden Halbring. Nun hat sich der Strom durch die Spule umgekehrt, sodass sich auch die Kraft auf jeder Seite der Spule umkehrt. Anstatt die Spule zurückzuziehen, drückt sie sie in derselben Drehrichtung weiter.

Die Abfolge über eine halbe Umdrehung ist also ungefähr:

Die Spule nähert sich der Vertikalen, der Strom fließt weiterhin in seiner ursprünglichen Richtung, das Drehmoment nimmt ab. Nahe der Vertikalen bricht der Kontakt fast ab; das Drehmoment ist ohnehin minimal, sodass dieser kurze Verlust keine Rolle spielt. Kurz nach Erreichen der Vertikalen erscheint der Strom wieder, nun in umgekehrter Richtung in der Spule. Das Drehmoment steigt wieder an und drückt die Spule nun in die ursprüngliche Drehrichtung.

Genau genommen haben echte Motoren oft viele Segmente und Spulen, sodass der Übergang flüssiger ist als in dieser Zeichnung. Das Prinzip ist jedoch dasselbe.

Eine kompakte Übersicht über die aktuellen Trends

Es ist hilfreich, festzulegen, was sich ändert und was nicht. Betrachten Sie AB und CD als die beiden aktiven Seiten der Spule und gehen Sie von einem einfachen zweipoligen Feld aus.

Die Richtungsangaben (A → B usw.) sind nur eine buchhalterische Entscheidung. Der Schlüssel ist, dass:

Die Bürste, die im Stromkreis “positiv” ist, behält ihr Vorzeichen. Die Spulenseite, die “nach oben geht”, leitet immer Strom in die Richtung, die erforderlich ist, um eine Aufwärtskraft zu erzeugen, auch wenn sich der Strom in diesem bestimmten Kupferstück im Vergleich zur halben Umdrehung zuvor umgekehrt hat.

Das ist das ganze Spiel: Weisen Sie den einzelnen Bürsten jeweils einen anderen physischen Leiter zu, damit die Kräfte gleichmäßig bleiben, auch wenn sich der Rotor um eine halbe Umdrehung gedreht hat.

Warum dadurch das Drehmoment einseitig bleibt

Wenn man die Magnetkraft auf einem geraden Leiter als F = I L × B schreibt, hängt das Vorzeichen des Drehmoments vom Vorzeichen von I auf jeder aktiven Seite ab. Ohne Kommutator dreht sich die Geometrie nach einer halben Umdrehung um, sodass derselbe Strom nun ein Drehmoment in die entgegengesetzte Richtung erzeugen würde.

Durch Umkehrung des Stroms in jedem Leiter genau zum Zeitpunkt der Geometrieumkehr bleibt das Produkt “Geometriezeichen × Stromzeichen” unverändert. In grundlegenden Lehrunterlagen wird dies in der Regel wie folgt formuliert: “Der geteilte Ringkommutator kehrt den Strom bei jeder halben Umdrehung um, sodass sich die Spule weiterhin in derselben Richtung dreht.”

Der Kommutator erhöht also nicht das Drehmoment. Er verhindert lediglich, dass sich das Drehmoment ändert. Ganz gewöhnlich, sehr nützlich.

Anschluss an Gleichstromgeneratoren: derselbe Mechanismus, nur umgekehrt

Bei einem Gleichstrommotor wird Gleichstrom zugeführt, wodurch eine mechanische Drehbewegung entsteht. Der Kommutator kehrt den internen Strom um, um die Drehrichtung konstant zu halten.

In einem Gleichstromgenerator kehrt sich die Physik um. Die rotierende Spule im Feld erzeugt eine induzierte EMK, die sich natürlich abwechselt. Würde man sie mit Schleifringen allein lassen, würde man einen Wechselstromausgang erhalten. Ersetzt man die Schleifringe durch einen geteilten Ringkommutator, wechseln nun, sobald die induzierte EMK in der Spule ihr Vorzeichen ändert, auch die Verbindungen zu den externen Bürsten, sodass der externe Stromkreis weiterhin einen unidirektionalen Ausgang sieht.

Innerhalb der Spule ist die induzierte EMK Wechselstrom. An den Bürsten ist der Ausgang nach dem mechanischen Schalten eine gleichgerichtete Wellenform mit immer gleichem Vorzeichen. In einem Generator kehrt der Kommutator also nicht aus Drehmomentgründen “den Strom in der Spule um”, sondern “kehrt um, welches Spulenende mit welcher Bürste verbunden ist”, um den Ausgang zu bereinigen.

Gleiche Hardware, unterschiedliche Rolle. Das wird normalerweise nicht betont, trägt aber dazu bei, dass die Idee weniger willkürlich erscheint.

Schleifring vs. Spaltring: Warum überhaupt spalten?

Ein durchgehender Schleifring ist ein einfacher rotierender Kontakt, der dort eingesetzt wird, wo die Polarität aus Sicht des rotierenden Teils nicht verändert werden soll: beispielsweise bei der Übertragung von Strom oder Signalen in eine rotierende Antenne, einen Wechselstromrotor oder einen Drehteller. Es handelt sich lediglich um einen Ring.

Ein Spaltring ist ein Ring, der in zwei isolierte Hälften geteilt ist, wobei jede Hälfte mit einem anderen Ende der Ankerwicklung verbunden ist. Da er geteilt ist, kann jede Bürste beim Drehen der Welle von einer Hälfte zur anderen gleiten. Dieses Gleiten bewirkt einen periodischen Wechsel der Verbindungen und damit die effektive Stromumkehr in der Ankerwicklung, die für Gleichstrommotoren und Gleichstromgeneratoren erforderlich ist.

Die “Spaltung” ist also nicht ästhetischer Natur. Sie bettet das Timing in massives Metall ein.

Häufige Verwirrungsquellen

Viele Lernende verwechseln vier leicht unterschiedliche Aussagen. Behandeln Sie sie als separate Aussagen:

“Der Strom im externen Stromkreis ist Gleichstrom.” Dies trifft auf einen Gleichstrommotor oder Gleichstromgenerator mit einem geteilten Ring zu; die Bürsten sehen eine feste Polarität, obwohl die Wellenform wellig sein kann.

“Der Strom in jedem Ankerleiter kehrt sich bei jeder halben Umdrehung um.” Dies trifft auf die Beschreibung im Rotorrahmen zu; es ändert sich, welcher Leiter an welcher Bürste befestigt ist.

“Der Kommutator kehrt die Stromrichtung in der Spule bei jeder halben Umdrehung um.” Ein prägnanter Lehrspruch, der normalerweise im Sinne des Rotors verwendet wird.

“Der Kommutator kehrt die Drehrichtung alle halben Umdrehungen um.” Das ist nicht richtig; er verhindert die Umkehrung des Drehmoments, indem er die Polarität der Spule zum richtigen Zeitpunkt umkehrt.

Wenn man diese beiden Aspekte vermischt, entstehen vage Formulierungen wie “es hält den Motor am Laufen”, ohne dass ein klarer Mechanismus dahintersteckt. Sobald man die beiden Sichtweisen voneinander trennt, wird die Logik weniger mysteriös.

Realistische Eigenheiten, die das einfache Diagramm verbirgt

Echte Motoren verwenden selten eine einzige Schleife und zwei Kommutatorsegmente. Sie verwenden viele Spulen, die um den Anker herum angeordnet sind, mit vielen Kommutatorstangen. Dadurch wird der Schaltwinkel verteilt, wodurch Strom und Drehmoment gleichmäßiger werden. Zu jedem Zeitpunkt treten einige Spulen gerade in den aktiven Bereich ein, einige befinden sich am Spitzenmoment und einige werden geschaltet. Die gleiche Grundregel „Schalten alle 180°“ wird pro Spule angewendet, aber der Effekt wird gemittelt.

Bürsten bestehen in der Regel aus Kohlenstoff, und es kommt zu Kontaktwiderstand, Lichtbogenbildung und Verschleiß. Das saubere Bild aus dem Lehrbuch, bei dem der Kontakt genau in der Vertikalen null ist, ist in Wirklichkeit ein allmählicher Übergang über einen kleinen Winkel. Ingenieure machen sich darüber Gedanken, Prüfungsfragen jedoch in der Regel nicht.

Konstrukteure können auch die Bürstenposition leicht von der idealen geometrischen Neutralebene verschieben, um die Ankerreaktion in größeren Maschinen auszugleichen. Dadurch ändert sich der genaue Winkel, bei dem die Umkehrung erfolgt, aber die zugrunde liegende Regel bleibt dieselbe: Schalten Sie um, wenn sich die Leiter in einem Bereich befinden, in dem die induzierte EMK gering ist, damit die Kommutierung sauberer erfolgt.

Eine kurze Zusammenfassung

Ein Spaltringkommutator ist lediglich ein Schleifring mit einem sorgfältig platzierten Einschnitt und zwei Kontaktbürsten. Wenn sich der Rotor dreht, bewirkt dieser Einschnitt, dass jede Bürste bei jeder halben Umdrehung das Ende der Spule wechselt, das sie berührt. Von außen betrachtet bleibt die Polarität an den Anschlüssen unverändert. Von innen betrachtet wechselt der Strom in den Leitern ständig, um sich ihrer sich ändernden Position im Feld anzupassen, sodass das Drehmoment auf der Welle immer in die gleiche Richtung wirkt.