Wie funktioniert ein Kommutator?

Wenn Sie sich jemals ein Diagramm eines Gleichstrommotors oder -generators angesehen und gedacht haben:, “Okay, ich sehe diesen Kupferzylinder, der als Kommutator bezeichnet wird... aber was macht er eigentlich genau?” – dann sind Sie hier genau richtig.

Im Kern ist ein Kommutator ist ein cleverer mechanischer Schalter das elektrische und magnetische Kräfte in Einklang hält, sodass ein Motor sich in eine Richtung dreht oder ein Generator nutzbaren Gleichstrom liefert. Es ist das unscheinbare kleine Gerät, das Hin und her Physik in einfach nützliche Bewegung oder Strömung. 

• In einem Satz: Ein Kommutator ist ein rotierender Kupfer-“Schalter” am Rotor, der die Stromrichtung in jeder Spule genau zum richtigen Zeitpunkt umkehrt, sodass das Drehmoment (in Motoren) oder der Ausgangsstrom (in Generatoren) in einer einzigen, nutzbaren Richtung bleibt.
  

1. Was ist Ein Kommutator, wirklich?

Stellen Sie sich vor, Sie schaukeln jemanden auf einer Schaukel. Wenn Sie ständig die Richtung wechseln würden, würde die Schaukel nur hin und her ruckeln. Aber wenn Sie Zeitpunkt Ihrer Wehen So schwingst du immer im richtigen Moment weiter, und die Schaukel geht immer höher und höher.

Der Kommutator ist das zeitliche Genie im Inneren einer Gleichstrommaschine. Er sitzt auf dem rotierende Welle (Anker) und besteht aus vielen voneinander isolierten Kupfersegmenten. Wenn sich die Welle dreht, stationäre Kohle- oder Kupferbürsten ruhen auf dem Kommutator und verbinden sich im Laufe der Zeit auf natürliche Weise mit verschiedenen Segmenten. Dieser einfache Gleitkontakt ist es, der den Motor oder Generator bei jeder Umdrehung lautlos “neu verdrahtet”. 

• Man kann sich den Kommutator wie folgt vorstellen:
  
  • A Drehschalter auf dem Rotor montiert.
    
  • Hergestellt aus mehrere Kupfersegmente, getrennt durch Isoliermaterial (oft Glimmer).
    
  • Intern verbunden mit dem Ankerwicklungen (Jede Spule endet an einem Segmentpaar).
    
  • Berührt von Federbürsten die Strom zwischen dem rotierenden Anker und der stationären Welt übertragen.
    

2. Warum brauchen wir überhaupt einen Kommutator in einem Gleichstrommotor?

Wenn Strom durch einen Leiter fließt, der sich in einem Magnetfeld befindet, wirkt eine Kraft auf ihn (Hallo, Flemings Linke-Hand-Regel). Im Inneren eines Gleichstrommotors:

• Der Anker hat Spulen, die auf einen Eisenkern gewickelt sind.
  
• Diese Spulen befinden sich im Magnetfeld des Stators (Permanentmagnete oder Feldwicklungen).
  
• Der Strom fließt in entgegengesetzte Richtungen auf den gegenüberliegenden Seiten der Spule und erzeugt Kräfte, die Drehmoment.
  

Hier ist der Haken: Wenn sich der Rotor dreht, bewegen sich die Seiten der Spule zu den entgegengesetzten Magnetpolen. Wenn die Stromrichtung relativ zur Spule gleich bliebe, würde das Drehmoment Flip-Richtung bei jeder halben Umdrehung, und der Rotor würde nur hin und her schwanken, anstatt sich kontinuierlich zu drehen. Das ist für einen Motor nutzlos.

Der Kommutator löst dieses Problem durch Umkehrung des Stroms in jeder Ankerspule genau dann, wenn sie die neutrale Position passiert, wobei das Drehmoment immer in die gleiche Drehrichtung wirkt. 

• In einem Gleichstrommotor hat der Kommutator folgende Aufgabe:
  
  • Gleichstromversorgung vom externen Stromkreis über die Bürsten in den rotierenden Anker.
    
  • Den Strom in jeder Spule umkehren jede halbe Umdrehung (oder im richtigen Winkelintervall bei Mehrpolmaschinen).
    
  • Behalten Sie das elektromagnetisches Drehmoment unidirektional, sodass sich der Rotor gleichmäßig dreht, anstatt zu schwingen.
    
  • Als Mechanischer Wechselrichter für Spulenstrom, natürlich synchronisiert mit der Rotorposition.
    

3. Schritt für Schritt: ein einfacher 2-poliger Motor mit Kommutator

Stellen Sie sich den einfachsten möglichen Gleichstrommotor vor:

• Eine rechteckige Spule.
  
• Ein zweisegmentiger Spaltringkommutator.
  
• Zwei Bürsten, die an eine Gleichstromversorgung angeschlossen sind.
  
• Ein nördlicher und ein südlicher Statorpol.
  

Wenn sich die Spule dreht, wechselt der Kommutator ständig, welche Seite der Spule mit welcher Bürste verbunden ist. Das ist das Geheimnis.

• Vereinfachter Ablauf der Ereignisse einer Revolution:
  
  • Startposition: Eine Seite der Spule befindet sich unter dem Nordpol, die andere unter dem Südpol. Kräfte wirken, um die Rotation zu starten.
    
  • Annähernd 90°: Das Drehmoment ist maximal; die Spule ist horizontal und wird weiterhin in dieselbe Drehrichtung gedrückt.
    
  • Bei 90° (neutrale Ebene): Die Spulenseiten unterbrechen vorübergehend den Fluss; die induzierte EMK ist nahezu Null. In diesem günstigen Moment, Jede Bürste bewegt sich zum nächsten Segment., was effektiv kehrt den Strom in der Spule um.
    
  • Über 90° hinaus: Die Spulenseiten haben die Pole getauscht, aber da sich der Strom umgekehrt hat, drücken die Kräfte immer noch in die gleiche Drehrichtung wie zuvor.
    
  • Wiederholen Sie: Bei jeder halben Umdrehung wiederholt der Kommutator diesen Vorgang und sorgt so für einen gleichmäßigen Lauf des Motors.
    

4. In einem Gleichstromgenerator: Kommutator als “mechanischer Gleichrichter”

Drehen Sie die Geschichte um: Anstatt elektrische Energie einzuspeisen und Rotation herauszubekommen, die Welle mechanisch drücken und möchten Strom (Generator).

• Wenn sich die Ankerwicklungen im Magnetfeld drehen, erzeugen sie eine Wechselstrom in jeder Spule (zuerst positiv, dann negativ, wenn sich die Spule durch das Feld bewegt).
  
• Ohne Kommutator würden die Anschlüsse Wechselstrom liefern.
  
• Der Kommutator kehrt die Verbindungen jeder Spule mit dem externen Stromkreis bei jeder halben Umdrehung um, sodass die externen Anschlüsse immer Strom in derselben Richtung sehen – wodurch intern erzeugter Wechselstrom effektiv in externen Gleichstrom umgewandelt wird.
  

Man sieht es oft als mechanischer Gleichrichter — erfüllt dieselbe konzeptionelle Aufgabe wie eine Diodenbrücke, jedoch mit gleitendem Kupfer und Kohlenstoff anstelle von Silizium. 

• Wichtige Funktionen des Kommutators in einem Gleichstromgenerator:
  
  • Sammelt aktuell von den rotierenden Ankerwicklungen durch die Bürsten.
    
  • Kehrt die Spulenanschlüsse um zum externen Stromkreis bei jeder halben Umdrehung.
    
  • Dreht den Wechselspannung in jeder Spule in pulsierender Gleichstrom an den Terminals.
    
  • Vereinfacht den externen Schaltkreis: Keine Elektronik wie bei klassischen Designs erforderlich, nur Kupfer und Kohlenstoff.
    

5. Motor vs. Generator: Was ändert sich für den Kommutator?

Die Hardware sieht bei einem Gleichstrommotor und einem Gleichstromgenerator fast gleich aus, aber die “Geschichtenrichtung” ist umgekehrt.

• Also konzeptionell:
  
  • Motor: Kommutator funktioniert auf Strom innerhalb der Spulen, wodurch das Drehmoment konstant bleibt.
    
  • Generator: Kommutator funktioniert auf Anschlüsse an die Last, wodurch der Ausgangsstrom in seiner Richtung stabil bleibt.
    
  • Gleiche Kupfersegmente, unterschiedliche Erzählweise, derselbe zugrunde liegende Umkehrtrick.
    

6. Was passiert eigentlich während der “Kommutation” (der subtile Teil)?

In realen Maschinen erfolgt die Kommutierung nicht augenblicklich, sondern ist ein kurzes Intervall während eine Bürste berührt zwei benachbarte Segmente gleichzeitig. Während dieser kurzen Zeit:

• Die zwischen diesen beiden Segmenten angeschlossene Spule ist momentan durch die Bürste kurzgeschlossen.
  
• Der Strom in dieser Spule muss umgekehrte Richtung während die Spule kurzgeschlossen ist.
  
• Da Spulen eine Induktivität aufweisen, widerstehen sie abrupten Stromänderungen, die Folgendes verursachen können: Funken und Erhitzen wenn die Umschaltung schlecht ist.
  

Ingenieure wenden überraschend viel Aufwand auf, um diesen winzigen Teil der Rotation genau richtig hinzubekommen.

• Um die Kommutierung zu verbessern, verwenden Maschinenkonstrukteure:
  
  • Korrekte Positionierung der Bürste: Die Bürsten werden auf dem magnetische neutrale Ebene, wo die induzierte EMF minimal ist, sodass sich der Strom mit weniger Widerstand gegen die Induktion umkehren kann.
    
  • Interpole (Kommutationspole)Kleine Hilfspole, die zwischen den Hauptpolen angeordnet und in Reihe mit dem Anker geschaltet sind, erzeugen ein lokales Feld, das zur Umkehrung des Stroms in der kurzgeschlossenen Spule beiträgt.
    
  • Geeignetes BürstenmaterialKohlenstoff-/Graphitbürsten verfügen über ausreichende Widerstandsfähigkeit und Reibungseigenschaften, um das Schalten zu mildern und Funkenbildung zu begrenzen.
    
  • Geformte oder schräge Schlitze/AnkerReduziert plötzliche Änderungen im Fluss und glättet den Kommutierungsprozess.
    

7. Die Nachteile: Warum Kommutatoren nicht mehr überall zu finden sind

Klassische Gleichstrommaschinen mit Kommutatoren versorgten Züge, Fabriken, frühe Elektrofahrzeuge und vieles mehr mit Strom. Moderne Systeme verzichten jedoch zunehmend auf sie, da sie einige Nachteile mit sich bringen.

Kommutatoren:

• Bedarf Gleitkontakt, was mechanischen Verschleiß bedeutet.
  
• Haben Sie Spannungsabfall über den Bürsten-Kommutator-Kontakt (als Bürstenabfall bezeichnet), wodurch Energie verschwendet wird – unangenehm für Niederspannungsmaschinen mit hohem Stromverbrauch.
  
• Funke wenn die Kommutierung nicht perfekt ist oder sich Staub/Öl ansammelt.
  
• Generieren elektromagnetische Störung und kann aufgrund von Funkenbildung in explosionsgefährdeten Bereichen gefährlich sein.
  
• Sind schwer effizient zu skalieren sehr hohe Nennleistungen; große Gleichstrommaschinen werden in der Regel durch Wechselstrommaschinen ersetzt.
  

• Aufgrund dieser Einschränkungen werden Sie häufig Folgendes sehen:
  
  • Wechselstrom-Induktionsmotoren und Synchronmotoren in großen Industrieantrieben anstelle von riesigen Gleichstrom-Kommutatormotoren.
    
  • Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) In Ventilatoren, Drohnen, Elektrofahrzeugen und Festplatten werden elektronische Schalter (Transistoren) verwendet, um die Aufgabe zu erfüllen, die früher mechanisch vom Kommutator übernommen wurde.
    
  • Längere Lebensdauer und weniger Wartungsaufwand, da der “Kommutator” nun Festkörperelektronik, nicht Kupfersegmente, die unter Federn reiben.
    

8. In einem letzten Atemzug…

Ein Kommutator ist nicht einfach nur ein Kupferzylinder, den Ingenieure an einen Motor anbringen, weil es so in den Lehrbüchern steht. Es ist ein wunderbar abgestimmtes Drehschalter dass:

• In Motoren, hält das Drehmoment in derselben Richtung aufrecht, indem es die Spulenstromrichtung im exakt richtigen Winkel umkehrt.
  
• In Generatoren, wandelt einen natürlich wechselnden Ankerausgang in Gleichstrom für die Außenwelt um.
  
• All dies mit nichts weiter als Kupfer, Kohlenstoff, Federn und Geometrie.
  

Sobald Sie es als Synchronisierte Choreografie zwischen Spulen, Magneten und Schleifkontakten, Plötzlich macht jeder Schnittmodell eines Gleichstrommotors oder -generators Sinn – und diese mysteriöse Kupfertrommel ist plötzlich gar nicht mehr so mysteriös.