Was würde passieren, wenn es keinen Spaltringkommutator gäbe?

Wenn Sie den Sprengring von einem klassischen Gleichstrommotor entfernen, erhalten Sie keinen etwas schlechteren Motor. Sie haben meist überhaupt keinen Motor mehr. Das kontinuierliche Drehmoment bricht zusammen, die Drehung wird unregelmäßig oder stoppt, es kommt zu Stromspitzen, und die Maschine wird schnell eher zu einem “warmen, brummenden Schmuckstück” als zu einem nützlichen Antrieb.

Warum es den Spaltring überhaupt gibt (ohne das Lehrbuch erneut zu unterrichten)

Sie kennen bereits die höfliche, diagrammfreundliche Geschichte: die Spaltring kehrt den Ankerstrom bei jeder halben Umdrehung um, sodass das Drehmoment das gleiche Vorzeichen behält und eine gleichmäßige Drehung in eine Richtung erzeugt wird.

Bei konstanter Gleichstromversorgung möchte das Feld etwas ganz Einfaches tun: die Ankerplatte so ausrichten, dass die magnetische Wechselwirkung eine Konfiguration mit geringem Energieverbrauch erreicht. Würde man ihn sich selbst überlassen, würde der Rotor zu diesem optimalen Punkt schwingen und dort bleiben. Der geteilte Ring ist der Trick, der den Rotor immer wieder von dieser komfortablen Ausrichtung wegzieht, sobald er sie erreicht, und ihn so zwingt, ein bewegliches Gleichgewicht anzustreben, das wir als Rotation wahrnehmen.

Nimmt man diesen Trick weg, funktioniert die Symmetrie des Systems nicht mehr zu Ihren Gunsten. Die Gleichungen sehen immer noch gut aus. Die Maschine weigert sich jedoch, sich auf nachhaltige und nützliche Weise zu bewegen.

Was “kein Spaltringkommutator” eigentlich bedeutet

Der Ausdruck kann verschiedene physikalische Situationen beschreiben, die nicht alle auf dieselbe Weise fehlschlagen. Es ist hilfreich, konkret zu sein, da Antworten im Prüfungsstil diese oft zu einem einzigen, übersichtlichen Satz zusammenfassen.

Fall 1: Überhaupt kein Kommutator, nur eine Schleife in einem Feld bei Gleichstrom

Stellen Sie sich die klassische einzelne rechteckige Spule vor, die in einem radialen Magnetfeld sitzt und direkt mit einer Gleichstromquelle verbunden ist, ohne rotierende Kontakte oder Kommutatorsegmente. Mit anderen Worten: ein Gedankenexperiment.

Zu Beginn, wenn die Ebene der Spule nicht parallel zum Feld ist, gibt es ein deutliches Drehmoment ungleich Null. Der Rotor beginnt sich zu bewegen. Wenn er sich neunzig Grad nähert, nimmt das Drehmoment ab und ändert danach sein Vorzeichen, da die Stromrichtung im Leiter fest ist, während sich die Geometrie umkehrt.

Das System wiederholt also bei jeder halben Umdrehung denselben Vorgang: Ein halber Drehmomentzyklus unterstützt die Drehung, ein halber Drehmomentzyklus wirkt ihr entgegen. Aufgrund der Reibung und des tatsächlichen Trägheitsmoments kommt es nicht zu einer permanenten Schwingung. Der Rotor beschleunigt, verlangsamt sich, überschwingt und pendelt sich dann allmählich in einer der Positionen ein, in denen das Nettodrehmoment null ist. Diese Winkel mit Null-Drehmoment wiederholen sich bei jeder halben Umdrehung, und einer davon ist stabil; eine kleine Störung erzeugt ein Rückstellmoment, das den Rotor zurückdrückt.

In der Praxis zuckt der Rotor, schwankt vielleicht ein wenig und bleibt dann stehen. Von außen sieht es aus wie ein Motor, der es kurz versucht hat und dann aufgegeben hat.

Fall 2: Ein durchgehender Ring oder Schleifringe anstelle eines geteilten Rings

Betrachten wir nun, den Spaltring durch eine einfache Schleifringanordnung zu ersetzen, bei der jedes Ende der Ankerwicklung dauerhaft mit einer Bürste verbunden bleibt, ohne dass es zu diesem Halbdrehungs-Wechselverhalten kommt. Dies kommt mehreren gängigen “Was wäre, wenn”-Fragen im Internet und in Hausaufgaben sehr nahe.

Auch hier kehrt sich der Strom auf jeder Seite der Spule nicht um, wenn der Rotor die vertikale Position passiert. Das Ergebnis ist die gleiche Vorzeichenänderung des Drehmoments bei jeder halben Umdrehung. Die Drehrichtung kann nicht konstant bleiben. Auf einer Werkbank kann der Rotor je nach Reibung und Trägheit um einen bestimmten Winkel hin und her schwanken und dann zum Stillstand kommen, oder er kann um eine Totposition herum schwanken.

Mehrere Lehrnotizen fassen diesen Effekt mit einem kurzen Satz zusammen: “Ohne den Spaltring würde der Motor oszillieren und schließlich zum Stillstand kommen, anstatt sich kontinuierlich zu drehen.” Das ist richtig, verschleiert jedoch, wie irritierend subtil das Übergangsverhalten aussehen kann, wenn man es tatsächlich nachbaut.

Fall 3: Ein Kommutatorzylinder ohne Trennung zwischen den Segmenten

Es gibt noch eine andere, etwas unangenehmere Interpretation. Angenommen, der Kommutator existiert, aber die “Teilung” ist verschwunden: Der Kupferzylinder ist durchgehend. Diese Geometrie kann die Ankerwicklung durch die Bürsten effektiv kurzschließen, da beide Enden der Wicklung auf denselben leitenden Pfad treffen. Ingenieure beschrieben dies in einer Diskussion als eine Umwandlung des Kommutators in einen einfachen Kurzschlussring am Rotor.

In diesem Fall tritt das elektrische Problem vor dem mechanischen auf. Es fließen sehr hohe Ströme, die hauptsächlich durch den Wicklungswiderstand und die Versorgungsimpedanz begrenzt werden. Der Rotor erfährt noch für einen Moment ein Drehmoment, aber die Konfiguration wird schnell eher zu einer Heizvorrichtung als zu einem Energieumwandlungsgerät. Die Bürsten und Kupferoberflächen sind starken lokalen Belastungen ausgesetzt, und der Motor erreicht möglicherweise nie eine nennenswerte Drehzahl, bevor etwas nach einem Defekt riecht.

Drehmomentsymmetrie und wie der Rotor blockiert

Nachdem Sie die offizielle Dokumentation gelesen haben, kennen Sie bereits die grundlegende Drehmomentgleichung für eine Spule in einem Magnetfeld. Der wichtige Punkt hierbei ist die Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Feld und den stromführenden Segmenten.

Da die Versorgung Gleichstrom ist und ohne Kommutator die Stromrichtung feststeht, wird das Vorzeichen des Drehmoments vollständig durch die Geometrie gesteuert. Drehen Sie die Spule um eine halbe Umdrehung, und der Strom in jedem Leiter fließt nun in entgegengesetzter Richtung zum Feld; der Drehmomentvektor wechselt sein Vorzeichen.

Die Maschine verhält sich dann eher wie ein schlecht gedämpftes Torsionspendel als wie ein Motor. Bei jeder vollständigen Umdrehung wiederholen sich zwei Tatsachen.

Es gibt mindestens einen Winkel, bei dem das Nettodrehmoment genau null ist. An diesem Punkt ist die Spule so auf das Feld ausgerichtet, dass sich die Kräfte auf jeder Seite ausgleichen. Ein kleiner Stoß in eine Richtung erzeugt ein Rückstellmoment: Das ist ein stabiles Gleichgewicht.

Es gibt einen weiteren Winkel, eine halbe Umdrehung entfernt, bei dem das Drehmoment ebenfalls null ist, aber ein kleiner Schub ein Drehmoment erzeugt, das ihn weiter weg treibt. Das ist ein instabiles Gleichgewicht.

Ohne den Spaltring endet die Lebensdauer des Rotors immer stabil. Der einzige Ausweg besteht darin, die Stromrichtung relativ zum Feld genau dann zu ändern, wenn der Rotor den Bereich ohne Drehmoment durchläuft. Dies geschieht durch den Spaltring so leise, dass die Schüler oft vergessen, dass dies der gesamte Trick ist.

Thermische und elektrische Nebenwirkungen von “ohne Kommutator”

Die mechanische Erklärung ist nur die halbe Wahrheit. Wenn der Rotor festsitzt, verschlechtert sich in der Regel auch die elektrische Situation, statt sich zu verbessern.

Im Stillstand ist die Gegen-EMK minimal, sodass der Ankerstrom hauptsächlich durch den Wicklungswiderstand bestimmt wird. Dieser Widerstand ist konstruktionsbedingt niedrig, um einen hohen Betriebsstrom und ein gutes Drehmoment zu ermöglichen, wenn sich der Motor dreht. Wenn der Motor bei voller Versorgungsspannung stillsteht, wird der I²R-Verlust zum Hauptfaktor. Das Kupfer erwärmt sich schnell. Die Isolierung altert schnell. Wenn die Situation “ohne Splitring” ebenfalls zu einem Kurzschluss führt, wie im Fall eines durchgehenden Zylinders, steigt der Strom über das normale Niveau bei blockiertem Rotor und die Erwärmung erfolgt noch schneller.

Darüber hinaus kratzen die Bürsten weiterhin über das Kupfer, jedoch nun mit geringer oder gar keiner nennenswerten Bewegung des Kommutierungspunkts. Kommutatoren leiden bereits unter mechanischem Verschleiß, Reibungsverlusten und Lichtbogenbildung, die elektromagnetische Störungen verursachen. Ein blockierter, falsch kommutierter Motor behält alle Nachteile bei und verzichtet auf die nützliche Wellenarbeit.

Das Entfernen des Sprengrings bedeutet also nicht einfach, dass “der Motor nicht richtig läuft”. Es verschiebt den Betriebspunkt in einen Bereich, in dem alle elektrischen Komponenten belastet werden und nichts Produktives geschieht. Der Motor verhält sich eher wie ein Widerstand, der gelegentlich zuckt.

Warum moderne Maschinen häufig ganz auf den mechanischen Kommutator verzichten

Das ist der etwas ironische Teil. Wenn der Spaltring für den einfachen Gleichstrommotor so wichtig ist, warum laufen dann so viele moderne Motoren problemlos ohne Kommutator?

Herkömmliche Gleichstrommaschinen verwenden, wie Sie wissen, einen mechanischen Kommutator, um diese periodische Stromumkehr zwischen Rotor und Außenkreis durchzuführen. Der Spaltring ist nur das einfachste Mitglied dieser Familie. Mit der Zeit wurden Ingenieure der Wartungslast, der Funkenbildung und den damit verbundenen Einschränkungen hinsichtlich Spannung und Strom überdrüssig.

So wurden die Rollen neu verteilt.

Bei Wechselstrom-Induktions- und Synchronmotoren erfolgt die Kommutierung in der Stromversorgung selbst. Das Statorfeld dreht sich, die Rotorströme werden induziert und das Drehmoment wird ohne Bürsten erzeugt.

Bürstenlose Gleichstrommotoren behalten eine Gleichstromversorgung bei, verlagern jedoch die Kommutierung in die Leistungselektronik und Positionssensoren. Halbleiterschalter ersetzen Kupfersegmente und Kohlebürsten und schalten den Strom bei den richtigen Rotorwinkeln um. In diesem Zusammenhang gibt es zwar immer noch eine Kommutierung, jedoch keinen geteilten Ring und schon gar nicht am Rotor.

Mit anderen Worten: Wenn Ingenieure den Spaltring in einem realen Produkt entfernen, lassen sie nicht einfach eine leere Welle zurück. Sie fügen etwas anderes hinzu, das die fehlende Funktion wiederherstellt: einen Wechselrichter, einen Steuer-IC, ein geformtes Statorfeld. Ohne diesen Ersatz kehrt die Maschine zu dem zuvor beschriebenen Verhalten eines festsitzenden Rotors zurück.

Ein kurzer Vergleich: mit und ohne Spaltring

Um die Idee deutlicher zu machen, hilft es, sie in einem kleinen Vergleich zusammenzufassen. Stellen Sie sich den einfachsten Lehrbuch-Gleichstrommotor vor, einmal mit seinem geteilten Ring, einmal ohne dieses Merkmal, aber mit allen anderen Merkmalen unverändert.

Aus diesem Grund sind die knappen Zeilen im Lehrbuch, die besagen, dass “der Spaltring für eine kontinuierliche Drehung unerlässlich ist”, keine Übertreibung, sondern fassen lediglich eine Vielzahl von Dynamiken in einem prägnanten Satz zusammen.

Wie sich dies in realen Designentscheidungen niederschlägt

Wenn man sich modernes Produktdesign ansieht, fällt einem ein Muster auf. Immer wenn ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor zum Einsatz kommt, gibt es eine Art Kommutatorkonstruktion, in der Regel eine mehrteilige Kupfertrommel und nicht nur einen bloßen massiven Ring. Diese Konstruktion erfüllt drei wichtige Funktionen: Sie segmentiert die Wicklungsanschlüsse, steuert den Zeitpunkt der Stromumkehr und verhindert lang anhaltende Kurzschlüsse durch die Bürsten.

Wenn ein Entwickler diese Hardware vermeiden möchte, akzeptiert er selten das von uns beschriebene Szenario ohne Kommutator. Stattdessen wechselt er zu Topologien, bei denen:

Das Feld rotiert elektrisch statt mechanisch, sodass der Rotor ein Käfig oder ein Permanentmagnet ohne Bürsten sein kann. Oder der Rotor trägt Magnete und die Statorströme werden bewusst durch Elektronik geschaltet, wobei der geteilte Ring durch MOSFETs und Firmware ersetzt wird.

Das Gedankenexperiment “Was wäre, wenn es keinen Spaltringkommutator gäbe?” ist also eigentlich die Frage, ob man weiterhin denselben Rotor und dieselbe Stromversorgung beibehalten möchte oder ob man bereit ist, die gesamte Maschine neu zu konstruieren, um die Stromrichtung auf andere Weise zu steuern.

Wenn Sie denselben einfachen Rotor und dieselbe Gleichstromversorgung beibehalten und lediglich den Spaltring entfernen, ist das Ergebnis klar: Das Gerät ist dann größtenteils kein Motor mehr, sondern ein ineffizienter Heizkörper, der dazu neigt, einen Gleichgewichtswinkel zu finden und dort zu bleiben. Wenn Sie das Design entsprechend dieser Änderung überarbeiten, handelt es sich nicht mehr um die ursprüngliche Maschine, sondern um eine Wechselstrommaschine oder ein elektronisch kommutiertes Design.

Abschließende Gedanken

Der Spaltring ist also nicht nur eine historische Kuriosität, die an das Ende einer Welle geklebt wurde. Er ist die minimalistische mechanische Lösung für ein ganz bestimmtes Problem: Wie kann man das Drehmoment konstant halten, wenn die Geometrie es bei Gleichstromversorgung alle halbe Umdrehung umkehren will?.

Entfernen Sie ihn, ohne dem System neue Intelligenz hinzuzufügen, und die Physik drückt den Rotor leise zurück in die Ruheposition. Fügen Sie neue Intelligenz in Form von Elektronik oder einem cleveren Stator-Design hinzu, und Sie vermissen den Spaltring nicht mehr, weil Sie das einzige ersetzt haben, was er für Sie getan hat.

So oder so, die Maschine entkommt nie einer einfachen Regel: Ein Teil des Systems muss die Rotorposition und den Rückstrom zum richtigen Zeitpunkt verfolgen. Wenn diese Aufgabe nicht von einem Spaltringkommutator übernommen wird, muss sie einfach von etwas anderem übernommen werden.