Zweck eines Kommutators in einem Gleichstrommotor: Der winzige Schalter, der alles zum Drehen bringt

Wenn man einen Gleichstrommotor komplett zerlegt und fragt:, “Was ist der Teil, der still und leise dafür sorgt, dass das Ganze funktioniert?” – der Kommutator würde seine kleine Kupferhand heben.

Die meisten Artikel im Lehrbuchstil werden Ihnen sagen, “Der Kommutator kehrt den Strom um, um das Drehmoment in einer Richtung aufrechtzuerhalten.” Das stimmt... aber das ist so, als würde man sagen:, “Die Lunge dient zum Atmen.” und dort Halt machen. In diesem Leitfaden werden wir viel tiefer gehen – in Was für ein Kommutator! wirklich tut, warum es so konstruiert ist und wie es das Verhalten, die Steuerung und die Lebensdauer eines Gleichstrommotors beeinflusst.

Auf einen Blick: Was der Kommutator macht (in einfachen Worten)

• Speist Strom aus einer stationären Gleichstromquelle in einen sich drehenden Rotor ein.
• Kehrt die Richtung des Stroms in den Rotorspulen genau im richtigen Moment um.
• Hält das Drehmoment in einer Richtung, anstatt die Welle hin und her zu bewegen. 
• Unterstützt den Motor dabei, eine gleichmäßige Drehzahl zu liefern, die durch Spannung und Last präzise gesteuert wird. 
• Fungiert als elektromechanischer “Wellenformer”, der eine einfache Gleichstromversorgung in das Wechselstrommuster umwandelt, das die Armatur tatsächlich erfährt. 

Was ist Ein Kommutator, wirklich?

Stellen Sie sich einen winzigen, automatischen Elektriker vor, der auf der Motorwelle sitzt und ständig die Drähte austauscht, während sich der Rotor dreht, um sicherzustellen, dass jede Spule immer in die richtige Richtung vom Magnetfeld “gedrückt” wird. Das ist die Aufgabe des Kommutators.

Technisch gesehen ist ein Kommutator ein elektrischer Drehschalter, der aus mehreren Kupfersegmenten besteht, die um die Rotorwelle angeordnet sind. Jedes Segment ist mit bestimmten Ankerwicklungen (Rotorwicklungen) verbunden und von seinen Nachbarn isoliert (in der Regel durch Glimmer). Feste Kohlebürsten drücken gegen diese Segmente, um Strom von außen zuzuführen. 

Wichtige Konstruktionsmerkmale (und warum sie wichtig sind)

• Segmentierter Kupferzylinder
  • Jedes Segment ist mit einer oder mehreren Ankerspulen verbunden.
  • Die Segmentierung ermöglicht das “Umschalten” der Stromrichtung, wenn sich der Rotor dreht.
• Isolierung zwischen Segmenten (oft Glimmer)
  • Verhindert Kurzschlüsse zwischen Segmenten
  • Hält Hitze und mechanischer Belastung über lange Zeiträume stand
• Auf der Rotorwelle montiert
  • Dreht sich mit dem Anker, sodass sich die Verbindungen relativ zu den Bürsten ändern.
• Gegen den Kommutator gedrückte Kohlebürsten
  • Bereitstellung eines elektrischen Schiebekontakts von stationären Anschlüssen zu rotierenden Segmenten
  • Kohlenstoff wird verwendet, weil er leitfähig, aber opferbereit und selbstschmierend ist. 

All diese “Rohrleitungen” dienen einem großen Ziel: Steuern Sie den Strom in den Rotorwicklungen so, dass die Magnetkräfte immer eine nützliche Drehung erzeugen.

Die physikalische Geschichte: Warum brauchen wir eine Stromumkehr?

In einem Gleichstrommotor befinden sich die Rotorspulen im Magnetfeld des Stators (entweder Permanentmagnete oder Feldwicklungen). Wenn Strom durch diese Spulen fließt, wird jede einzelne zu einem winzigen Elektromagneten. Das Statorfeld drückt und zieht an diesen Elektromagneten und erzeugt so ein Drehmoment, das versucht, den Rotor zu drehen. 

Aber hier ist der Haken:

Wenn sich jede Spule dreht, ändert sich die Richtung der Kraft, die auf sie wirkt. Wenn wir nichts Cleveres tun würden, würde sich das Drehmoment bei jeder halben Umdrehung umkehren, und der Rotor würde nur hin und her schwingen, anstatt sich kontinuierlich zu drehen.

Hier kommt der Kommutator ins Spiel: Es kehrt den Strom in jeder Spule um. genau wenn diese Spule die “neutrale” Position passiert, sodass das Drehmoment weiterhin in dieselbe Drehrichtung wirkt.

Wie der Kommutator den Strom bei jeder halben Umdrehung “umschaltet”

• Die Enden der Ankerspule sind mit zwei gegenüberliegenden Kommutatorsegmenten verbunden.
• Zwei Bürsten drücken auf den Kommutator, der an die Gleichstromversorgung angeschlossen ist.
• Während sich der Rotor dreht, gleitet jede Bürste von einem Segment zum nächsten.
• Sobald eine Spule die neutrale Ebene passiert, wechseln ihre Anschlüsse von “+” zu “–” (oder umgekehrt).
• Die Stromrichtung der Spule kehrt sich synchron zu ihrer Position um, sodass sich das Drehmoment auf dieser Spule nicht umkehrt. 

Stellen Sie sich das so vor, als würden Sie die Polarität jedes Elektromagneten umkehren. genau dann, wenn es sonst in die falsche Richtung ziehen würde.

Kernfunktionen des Kommutators in einem Gleichstrommotor

1. Einseitiges Drehmoment aufrechterhalten (die Welle drehen lassen, nicht schaukeln)

Der Hauptzweck des Kommutators besteht darin, sicherzustellen, dass das Drehmoment des Motors immer in die gleiche Drehrichtung wirkt. Durch die Umkehrung des Stroms in jeder Ankerspule zum richtigen Zeitpunkt sorgt der Kommutator dafür, dass die elektromagnetischen Kräfte immer “ausgerichtet” sind, um den Rotor vorwärts zu drehen. 

Ohne diese zeitgesteuerte Umkehrung würde sich ein Gleichstrommotor eher wie ein unruhiges Pendel als wie ein gleichmäßiger Antrieb verhalten.

• Reduziert Drehmomentwelligkeit und sorgt für eine gleichmäßigere Drehung.
• Vermeidet “tote Punkte”, an denen das Nettodrehmoment sonst nahe Null liegen würde.
• Ermöglicht ein zuverlässiges Anlaufdrehmoment aus dem Stillstand (bei korrekter Bürstenpositionierung)

2. Als elektrische Schnittstelle zwischen statischen und rotierenden Teilen fungieren

Man kann Drähte nicht direkt an einen sich drehenden Rotor schrauben – sie würden sich innerhalb weniger Sekunden abdrehen. Der Kommutator löst dieses Problem auf elegante Weise: Er fungiert als rotierender Anschlussblock, und die Bürsten dienen als Gleitverbinder zwischen Ihrer Gleichstromversorgung und den Rotorwicklungen. 

In der Praxis bedeutet dies:

• Sie können eine Maschine, deren Kernstrommuster sich tatsächlich ständig ändert, mit gleichmäßigem Gleichstrom versorgen.
• Sie erhalten einen sauberen Strompfad zu vielen verschiedenen Spulen, wobei der Kommutator die Steuerung übernimmt. welcher Die Spulen werden in jedem Winkel mit Strom versorgt.
• Sie können Leistungselektronik, Steuerungen und Verkabelung sicher im stationären Gehäuse montieren, während sich der Rotor frei dreht.

Warum diese Schnittstelle im Alltag wichtig ist

• Ermöglicht kompakte Motoren mit hohem Drehmoment in Werkzeugen, Spielzeugen, Aktuatoren und Automobilsystemen.
• Vereinfacht die Verkabelung und Steuerung – legen Sie einfach eine Gleichspannung an die Klemmen an, den Rest erledigen der Kommutator und die Bürsten.
• Ermöglicht eine einfache Richtungsumkehr: Tauschen Sie die Versorgungspolarität, und der Kommutator “spiegelt” diese Änderung im Anker einfach wider. 

3. Gestalten Sie die verborgene “Wechselstromwelt” im Inneren eines Gleichstrommotors.

Von außen speist man eine Gleichspannung in den Motor ein. Im Inneren jedoch wechselt der Strom in jeder Spule dank des Kommutators tatsächlich, wenn sich der Rotor dreht. Für die Ankerwicklungen ist der Kommutator effektiv:

Ein mechanischer Wechselstromgenerator und Gleichrichter in einem, der den Stromfluss im Zeitverlauf steuert.

In Gleichstromgeneratoren hat der Kommutator die Aufgabe, den im Anker induzierten Wechselstrom an den Anschlüssen in Gleichstrom umzuwandeln. In Gleichstrommotoren erfüllt er die umgekehrte Funktion: Er nimmt Gleichstrom an den Bürsten auf und erzeugt eine Folge von Stromumkehrungen in den rotierenden Spulen. 

• Diese Wellenformgestaltung ist entscheidend für eine effiziente elektromagnetische Interaktion.
• Es hält die Magnetfelder richtig ausgerichtet, um ein maximales Drehmoment zu erzielen.
• Es ermöglicht eine relativ einfache Steuerung mit niedriger Frequenz (Änderung der Gleichspannung → Änderung der Drehzahl).

4. Aktivieren Sie die Drehzahl- und Drehmomentsteuerung in realen Anwendungen.

Einer der großen Vorteile von Gleichstrommotoren ist ihre einfache Steuerung: Die Drehzahl entspricht in etwa der angelegten Spannung, und das Drehmoment folgt dem Strom. Der Kommutator unterstützt diese Einfachheit auf leise Weise.

Mit einem guten Kommutator:

• Die Geschwindigkeit kann durch einfache Anpassung der Spannung über einen breiten Bereich hinweg stufenlos reguliert werden.
• Die Richtung kann durch Umkehrung der Polarität geändert werden, und der Kommutator hält das interne Strommuster mit dieser Änderung konsistent.
• Motoren können unter wechselnder Last ein konstantes Drehmoment liefern, da der Kommutator ständig aktualisiert, welche Spulen bei welchem Winkel arbeiten. 

In der Praxis werden deshalb Gleichstrommotoren mit Kommutatoren verwendet in:

• Elektrowerkzeuge (Bohrmaschinen, Sägen, Schleifmaschinen)
• Automobilsysteme (Scheibenwischer, Sitzmotoren, Fensterheber, Anlasser in älteren Ausführungen)
• Industrielle Antriebe und kleine Aktoren, die ein gutes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und eine einfache Steuerung benötigen 

5. Kommutator vs. “kein Kommutator”: Was ändert sich tatsächlich?

Hier sehen Sie einen direkten Vergleich dessen, was Ihnen der Kommutator tatsächlich bringt:

Der Kommutator ist im Wesentlichen ein Kompromiss: mehr mechanische Komplexität und Verschleiß im Austausch für einfachere Elektronik und eine sehr intuitive Steuerung.

6. Wie sich der Kommutator in Gleichstrommotoren und Gleichstromgeneratoren unterscheidet

Obwohl Gleichstrommotoren und Gleichstromgeneratoren oft aus fast derselben physikalischen Maschine gebaut werden können, ist der Kommutator Rolle wird etwas anders betrachtet:

• In einem Gleichstrommotor
  • Versorgt die Bürsten mit Gleichstrom
  • Der Kommutator sorgt dafür, dass die Ankerwicklungen eine für ein konstantes Drehmoment geeignete Wechselstromrichtung erhalten.
  • Betrachtet als Bereitstellung von Strom für Ankerleiter und “Umwandlung” des externen Gleichstroms in das interne Wechselstrommuster 
• In einem Gleichstromgenerator
  • Ankerleiter erzeugen Wechselstrom, wenn sie das Magnetfeld durchschneiden.
  • Der Kommutator fungiert als Gleichrichter, indem er die Verbindungen umschaltet, sodass an den Bürsten Gleichstrom ausgegeben wird.
  • Sammelt den Strom aus dem Anker und liefert ihn als nutzbaren Gleichstromausgang. 

Derselbe Kupferzylinder, unterschiedliche Sichtweise: In einem Fall “speist” er die Armatur, im anderen “erntet” er von ihr.

7. Kommutator vs. Schleifringe: Warum Gleichstrommotoren keine Schleifringe verwenden

Sowohl Schleifringe als auch Kommutatoren ermöglichen den Anschluss an rotierende Teile, sind jedoch nicht austauschbar.

• Schleifringe
  • Glatte, durchgehende Ringe
  • Stellen Sie eine konstante Verbindung her (kein Wechseln).
  • Häufig bei Wechselstrommaschinen, bei denen der Rotorstrom nicht durch mechanische Mittel umgekehrt werden muss.
• Kommutatoren
  • Segmentierte Ringe
  • Absichtlich Schalter, welches Segment mit welcher Bürste verbunden ist
  • Wird in Gleichstrommotoren verwendet, um die Polarität des Stroms in den Rotorwicklungen umzukehren und ein unidirektionales Drehmoment aufrechtzuerhalten. 

Wenn Sie einen Kommutator in einem Gleichstrommotor durch Schleifringe ersetzen würden, würde die zeitgesteuerte Stromumkehr wegfallen und der Motor würde ohne zusätzliche Elektronik keine anhaltende unidirektionale Drehung mehr erzeugen.

8. Wie der Zweck des Kommutators dessen Konstruktion und Wartung beeinflusst

Da der Kommutator eine wichtige Aufgabe erfüllt – das Schalten von hohem Strom bei hoher Oberflächengeschwindigkeit –, haben seine Konstruktion und sein Zustand einen enormen Einfluss auf die Motorleistung.

Einige praktische Konsequenzen seiner Rolle:

• Segmentgeometrie und Material
  • Kupfersegmente müssen eine hohe Stromdichte bewältigen und glatt bleiben, um Lichtbogenbildung und übermäßigen Verschleiß zu vermeiden.
  • Die Isolierung (oft Glimmer) muss sowohl Hitze als auch mechanischer Abnutzung standhalten. 
• Bürstenmaterial und Druck
  • Die Bürsten müssen einen festen elektrischen Kontakt herstellen, ohne die Oberfläche des Kommutators zu beschädigen.
  • Zu geringer Druck → Funkenbildung und schlechte Kommutierung
  • Zu hoher Druck → Überhitzung und schneller Verschleiß sowohl der Bürsten als auch des Kommutators
• Kommutierungsqualität
  • Der Zeitpunkt der Umkehrung (Bürstenposition gegenüber magnetischer Neutralebene) beeinflusst die Funkenbildung.
  • Eine schlechte Kommutierung kann folgende Ursachen haben:
    • Sichtbare Funkenbildung
    • Übermäßiger Bürstenverschleiß
    • Funkstörungen
    • Lokale Überhitzung von Segmenten
• Wartungsphilosophie
  • Regelmäßige Inspektion, Austausch der Bürsten und Nachbearbeitung des Kommutators (Drehen/Polieren) verlängern die Lebensdauer des Motors.
  • Designentscheidungen (mehr Segmente, hochwertigere Materialien) reduzieren die Belastung bei jedem Schaltvorgang und verbessern die Leistung bei höheren Geschwindigkeiten und Belastungen. 

9. Alles zusammenführen

Der Kommutator ist nicht nur “dieses Kupferteil mit Bürsten”. In einem Gleichstrommotor ist er:

• Das mechanisches Gehirn das entscheidet, welche Rotorspulen mit Strom versorgt werden und in welche Richtung
• Das Brücke zwischen einer ruhigen, gleichmäßigen Gleichstromversorgung und einer sich schnell drehenden elektromagnetischen Maschine
• Das Zeitsteuerungsmechanismus das Drehmoment in eine einzige Richtung weiterleitet und ruckartige Kräfte in eine gleichmäßige Drehung umwandelt

Es kehrt den Strom genau im richtigen Moment um, hält den Kontakt zwischen den stationären und rotierenden Teilen aufrecht, formt die internen Stromwellenformen und ermöglicht eine einfache Drehzahl- und Drehmomentsteuerung – alles gleichzeitig.