Zweck des Spaltringkommutators

In fast jedem Schaltplan eines Gleichstrommotors oder Gleichstromgenerators gibt es eine kleine Beschriftung, die unauffällig darauf hinweist, dass “Spaltring-Kommutator”… und das Lehrbuch fährt einfach fort. Doch dieser winzige Kupferring ist der Grund dafür, dass ein Gleichstrommotor sich immer in eine Richtung dreht und ein Gleichstromgenerator Strom erzeugt. DC anstelle von AC. Ohne Spaltring gibt es keine Gleichstrommaschine, wie Sie sie kennen. 

TL;DR – Was der Spaltring-Kommutator eigentlich ist Tut

• In einem Gleichstrommotor:
  • Kehrt den Strom durch die rotierende Spule bei jeder halben Umdrehung (alle 180°) um.
  • Hält die Drehmoment in derselben Drehrichtung, sodass der Motor nicht “hin und her schwankt”, sondern kontinuierlich dreht. 
• In einem Gleichstromgenerator:
  • Kehrt die Verbindungen der rotierenden Spule zum externen Stromkreis bei jeder halben Umdrehung um.
  • Kehrt jede negative Halbwelle des induzierten Wechselstroms um, sodass die Die Ausgangsspannung ist immer in derselben Richtung. (pulsierender Gleichstrom). 
• Mechanisch:
  • Fungiert als Drehschalter aus zwei Kupferhälften gefertigt.
  • Arbeitet zusammen mit Kohlebürsten, um eine gleitende elektrische Verbindung zwischen dem rotierenden Anker und der Außenwelt herzustellen. 

1. Lernen Sie den Split-Ring-Kommutator kennen

Stellen Sie sich vor, Sie schneiden einen Kupferring in zwei Halbkreise und sie mit einem winzigen Spalt und einer Isolierung dazwischen auf die Motorwelle setzen. Jeder Halbring ist an einem Ende der Ankerwicklung angeschweißt. Zwei stationäre Kohlebürsten Drücken Sie leicht auf diese Segmente.

Während sich die Welle dreht, gleitet jede Bürste von einer Kupferhälfte zur anderen. Diese einfache Bewegung – das Hin- und Hergleiten der Bürsten – ist es, was leise kehrt den Strom um durch die Spule genau zum richtigen Zeitpunkt und sorgt dafür, dass sich alles wie “richtiger Gleichstrom” verhält. Die gesamte Baugruppe aus Spaltring und Bürsten bezeichnen wir als Kommutator. 

Auf einen Blick: Wie ein Spaltring-Kommutator aufgebaut ist

• Form: Ein Ring, der in zwei (oder bei realen Maschinen in mehrere) isolierte Kupfersegmente unterteilt ist.
• Material: Kupfersegmente, die untereinander und gegenüber der Welle durch Glimmer oder andere Isoliermaterialien isoliert sind.
• Position: Montiert auf dem Rotor-/Ankerwelle, rotierend mit der Spule.
• Verbindungen:
  • Jedes Segment ist mit einem Ende der Ankerwicklung verbunden.
  • Stationäre Kohlebürsten drücken auf die Außenseite des Rings.
• Bonus-Fakt: In realen Gleichstrommotoren und -generatoren hat man oft Dutzende schmale Segmente und mehrere Spulen, um das Drehmoment und die Ausgangsspannung zu glätten.

2. Warum Gleichstrommotoren einen Spaltringkommutator benötigen

Stellen Sie sich eine einzelne rechteckige Spule in einem Magnetfeld zwischen einem Nord- und einem Südpol vor. Wenn Strom durch die Spule fließt:

• Eine Seite der Spule fühlt sich an wie ein hochdrücken.
• Die Gegenseite empfindet ein niederzwingen.

Diese beiden Kräfte bilden eine Drehmoment, sodass sich die Spule zu drehen beginnt. Nach einer halben Umdrehung haben die Seiten jedoch die Plätze getauscht. Wenn die Stromrichtung in der Spule gleich bliebe, würden sich die Kräfte umkehren und das Drehmoment würde nun in die gegenüber Richtung. Der Motor würde einfach zwischen zwei Positionen hin- und herpendeln, anstatt sich zu drehen.

Der Spaltring-Kommutator rettet die Situation, indem er Umkehrung des Stroms genau dann, wenn die Spule die vertikale Position passiert (jede halbe Umdrehung). Weil sowohl die Spulenausrichtung und die Stromrichtung Wenn beide zusammen umkehren, bleibt die Drehrichtung des Drehmoments gleich, und der Rotor dreht sich weiterhin gleichmäßig. 

Was passiert während einer vollständigen Umdrehung (Motor-Storyboard)

• Bei 0° (Ausgangsposition):
  • Die Spule ist horizontal.
  • Seite A transportiert den Strom “in die Seite hinein”, Seite B “aus der Seite heraus”.
  • Nach Flemings linker Handregel wirkt auf Seite A eine Aufwärtskraft und auf Seite B eine Abwärtskraft – das Drehmoment ist beispielsweise im Uhrzeigersinn.
• Annähernd 90°:
  • Das Drehmoment wirkt weiterhin in dieselbe Richtung, aber seine Größe nimmt ab (die Kräfte wirken näher am Drehpunkt).
  • Die Spule saust durch die Position, in der die Kräfte vorübergehend fast keine Drehwirkung haben.
• Genau bei 90° (vertikal):
  • Das Bürsten verlieren den Kontakt mit einem Paar Segmente und verbinden Sie es mit dem anderen Paar.
  • Dadurch wird der Strom in der Spule umgekehrt – Seite A hat nun einen Strom, der dem vorherigen entgegengesetzt ist.
• Von 90° bis 180°:
  • Die Spule hat sich physisch umgedreht, und der Strom hat sich ebenfalls umgedreht.
  • Ergebnis: das Das Drehmoment ist immer noch im Uhrzeigersinn.. Der Motor läuft nicht rückwärts, sondern weiter in derselben Richtung.
• Nach 180°:
  • Der gleiche Vorgang wiederholt sich: Bei jeder halben Umdrehung kehrt der Kommutator den Strom erneut um, wobei die Drehrichtung stets gleich bleibt.

Also das Zweck in einem Gleichstrommotor ist:

“Kehren Sie den Spulenstrom bei jeder halben Umdrehung um, damit sich die Drehmomentrichtung des Motors nie ändert.”

3. Zweck des Spaltringkommutators in Gleichstromgeneratoren

Drehen wir nun den Spieß um: Anstatt Strom zuzuführen, um Bewegung zu erzeugen, die Welle mechanisch antreiben (mit einer Turbine, einem Motor, einer Handkurbel usw.) und gewinnen Sie Strom. Wenn die Ankerspule das Magnetfeld durchschneidet, entsteht ein Wechselstrom wird in der Spule induziert (positive Halbwelle, dann negative Halbwelle).

Wenn wir diese Spule direkt an einen externen Stromkreis mit Schleifringe, würden wir einen Standard-Wechselstromausgang erhalten. Gleichstromgeneratoren sollen jedoch eine Spannung liefern, die kehrt die Richtung nicht um.

Der Spaltring-Kommutator löst dieses Problem, indem er umkehrt, welches Ende der Spule mit dem Plus- und Minus-Ausgangsanschlüsse jede halbe Umdrehung. Das bedeutet, dass immer dann, wenn die EMK in der Spule negativ geworden wäre, die Anschlüsse vertauscht werden, sodass der externe Stromkreis weiterhin die gleiche Polarität. Das Ergebnis ist pulsierender GleichstromDie Spannung steigt und fällt, aber sie fällt nie unter Null. 

Schritt für Schritt: Generatoransicht des geteilten Rings

• Mechanischer Eingang: Die Armatur wird durch ein Magnetfeld gedreht.
• Induzierte Wechselspannung in der Spule: Innerhalb der Spule wechselt die EMK während der Drehung (eine Sinuswelle, wenn die Geschwindigkeit konstant ist).
• Kommutatorschalter: Alle 180° kehrt sich der Spaltring um, welches Spulenende mit welcher Bürste verbunden ist.
• Externe Ausgabe: Die negativen Halbzyklen werden aufrecht gestellt – die Last sieht unidirektionale Impulse (DC).

Bei Generatoren ist der Zweck also im Wesentlichen: “Wandeln Sie den in der rotierenden Spule induzierten Wechselstrom in Gleichstrom um, der dem externen Stromkreis zugeführt wird.”

4. Spaltring vs. Schleifring – Klärung der Verwirrung

Schüler (und viele Erwachsene) vermischen diese beiden Begriffe oft, aber es handelt sich um zwei verschiedene Dinge.

• A Spaltring ist Teil eines Kommutator, entwickelt für Rückstrom und erzeugen ein gleichstromähnliches Verhalten in Motoren und Generatoren.
• A Schleifring ist dafür ausgelegt, Leistung oder Signale kontinuierlich übertragen an ein rotierendes Teil, ohne die Polarität zu ändern – ideal für Wechselstrommaschinen. 

Vergleichstabelle: Spaltring vs. Schleifring

Schnelle Gedächtnisstützen

• “SPLIT Ring” → SPLIT die Polarität → wird dort verwendet, wo Sie es wünschen DC.
• “SLIP Ring” → SLIP Durchgehend Leistung → wird dort eingesetzt, wo Sie es wünschen AC oder unterbrechungsfreie Signale.
• Wenn das Diagramm einen Ring mit einem Lücke → denken Kommutator / Gleichstrom.
• Wenn der Ring aussieht vollständig und reibungslos → denken Schleifring / Wechselstrom.

5. Designhinweise aus der Praxis (über das Lehrbuchdiagramm hinaus)

In realen Maschinen ist der geteilte Ringkommutator nicht nur ein hübscher zweiteiliger Ring. Industrielle Gleichstrommotoren und -generatoren verwenden viele schmale Kupfersegmente mit mehreren Spulen. Dieses mehrsegmentige Design sorgt für ein gleichmäßigeres Drehmoment und einen gleichmäßigeren Gleichstromausgang. Außerdem wird der Strom auf mehrere Segmente verteilt, um Erwärmung und Verschleiß zu reduzieren.

Ingenieure machen sich auch Sorgen um Funkenbildung, Bürstenverschleiß, und Lärm. Jedes Mal, wenn sich eine Bürste von einem Segment zum nächsten bewegt, kommt es zu einer winzigen Unterbrechung und Wiederherstellung der Stromverbindung. Die Geometrie des Kommutators, das Material der Bürsten und sogar die Form der Spulenwicklungen sind so abgestimmt, dass die Kommutierung in dem Moment erfolgt, in dem die induzierte EMK in dieser Spule minimal ist, wodurch Lichtbogenbildung und Energieverluste reduziert werden.

Designkompromisse, die der Split Ring mit sich bringt

• Vorteile
  • Ermöglicht einfache, robuste Geschwindigkeitsregelung für Gleichstrommotoren (durch Änderung der Versorgungsspannung oder Feldstärke).
  • Gibt direkter Gleichstromausgang in Generatoren ohne Elektronik.
  • Bewährt, allgemein bekannt und relativ kostengünstig für moderate Leistungsstufen.
• Nachteile
  • Bürsten und Kommutatorsegmente Verschleiß im Laufe der Zeit → Wartung erforderlich.
  • Funken können verursachen elektrisches Rauschen und die Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen einschränken.
  • Bei sehr hohen Geschwindigkeiten oder sehr hohen Strömen werden mechanische Kommutatoren zu einem schwache Stelle, weshalb viele Systeme heute bürstenlose Gleichstrommotoren und stattdessen elektronische Schaltung.

6. Wie man sich den Zweck des Spaltringkommutators merkt (für Prüfungen) und Das wahre Leben)

Wenn man den Fachjargon beiseite lässt, ist ein Spaltringkommutator einfach nur ein Selbsttaktender Drehschalter die die Richtung des Stroms in der Rotorspule bei jeder halben Umdrehung umkehrt. Diese Umkehrung:

• Hält die Motor Drehen in eine Richtung, indem die Drehmomentrichtung konstant gehalten wird.
• Hält die Generator Ausgang, der in eine Richtung zeigt, indem er negative Spannungsschwankungen umkehrt.