Was ist ein Kommutator in einem Gleichstrommotor?
A Kommutator in einem Gleichstrommotor ist der segmentierte leitende Ring, der am Anker befestigt ist. Auf seiner Oberfläche reiten Bürsten. Wenn sich der Rotor dreht, schaltet dieser segmentierte Ring die Ankerspulen durch die Gleichstromversorgung in der richtigen Reihenfolge, so dass der Motor weiterhin ein Drehmoment in einer Richtung erzeugt, anstatt zu versuchen, anzuhalten und sich umzukehren. Es lohnt sich auch, dies deutlich zu sagen: Dies gilt für bürstenbehaftete DC-Motoren. Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren wird die gleiche Aufgabe der Zeitsteuerung von der Elektronik übernommen, so dass es keinen mechanischen Kommutator gibt.
In echten Maschinen ist der Kommutator nicht nur ein “Umkehrschalter”. Er ist die zeitlich festgelegte Kontaktfläche zwischen einer stationären Strombahn und einem rotierenden Wicklungssatz. Während des Betriebs überbrückt eine Bürste kurzzeitig benachbarte Stege, eine Spule tritt in eine Kommutierungsintervall, Wird die Spule kurzzeitig kurzgeschlossen, fällt ihr Strom ab und kehrt sich dann um, wenn die Bürste das Segment verlässt. Kleine Maschinen kommen in der Regel mit dieser ohmschen Kommutierung aus. Größere Maschinen benötigen oft zusätzliche Hilfen, wie z. B. Interpole, weil die einfache Kommutierung unter Last zu sehr zu funken beginnt.
Inhaltsverzeichnis
Das Teil selbst, nicht die vereinfachte Zeichnung
In der Fabrik wird der Kommutator eines Gleichstrommotors normalerweise aus mehrere Kupfersegmente die um den Rotor herum angeordnet und gegeneinander isoliert sind. Diese Segmente sind mit den Ankerwicklungen verbunden. Die Bürsten, die in modernen Maschinen in der Regel aus Kohle bestehen, drücken gegen die rotierende Oberfläche und übertragen den Strom in die richtigen Stäbe, wenn sich der Rotor bewegt. Kupfer ist leitfähig. Kohle übersteht den Gleitkontakt besser. Dieser Kompromiss ist die ganze Geschichte, oder zumindest nahe genug.
Die Isolierung zwischen den Stäben ist wichtiger, als viele Käufer erwarten. Bei größeren Maschinen besteht sie oft aus Glimmer, und bei einigen geformten Konstruktionen kann sie Teil der geformten Isolierstruktur sein. Wenn diese Isolierung zu hoch sitzt, schlecht hinterschnitten ist oder sich Schmutz zwischen den Stäben ansammelt, kann die Bürste nicht mehr sauber geführt werden. Dann beginnen die Probleme: Vibrationen, instabiler Kontakt, Leckagen von Stab zu Stab, mehr Lichtbögen, schnellerer Verschleiß. Zunächst nicht dramatisch. Dann wird es teuer.
Wie der Kommutator den Motor am Laufen hält
Bei einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor muss der Ankerstrom umgelenkt werden, wenn sich die Rotorposition ändert. Bei der einfachen zweipoligen Erklärung geschieht dies bei jeder halben Umdrehung. Bei einem praktischen segmentierten Anker geschieht dies Spule für Spule, wenn jedes Stabpaar unter der Bürste durchläuft. Aus diesem Grund hat der Kommutator Segmente und keinen durchgehenden Ring. Ein durchgehender Ring würde die Leistung übertragen. Ein segmentierter Ring überträgt Leistung und wechseln. Ein anderer Job.
Das ist auch der Grund, warum Kommutatoren immer ein Kompromiss sind. Mit ihnen lassen sich bürstenbehaftete Gleichstrommotoren einfach über eine Gleichstromversorgung ansteuern, und sie ermöglichen eine unkomplizierte Drehzahlregelung. Aber der gleiche Schleifkontakt führt zu Reibung, Bürstenstaub, Kontaktabfall, Verschleiß und elektrischem Rauschen. Der Kommutator ist also sowohl der Grund dafür, dass der Motor funktioniert, als auch oft der erste Wartungspunkt, der die Lebensdauer begrenzt.
Worauf wir bei der Kommutatorinspektion zuerst achten
Die folgende Tabelle ist die Kurzfassung dessen, was tatsächlich darüber entscheidet, ob ein Kommutator sauber läuft oder Bürsten frisst.
| Inspektionsstelle | Warum es wichtig ist | Wie ein Misserfolg normalerweise aussieht |
|---|---|---|
| Oberfläche der Kupferstange | Führt Bürstenkontakt und Stromübertragung durch | Lochfraß, Verbrennungen, raue Spur, ungleichmäßiger Film |
| Isolierung von Balken zu Balken | Verhindert Leckagen und Kurzschlüsse zwischen den Segmenten | Kohlenstoffverfolgung, Schlitzkontamination, Ringbrandgefahr |
| Glimmer unterbotene Qualität | Hält die Bürste auf dem Kupfer und nicht auf der erhöhten Isolierung | Vibration, Funkenbildung, Bürstenrattern |
| Rundheit und Balkenhöhe | Hält den Bürstenkontakt bei Geschwindigkeit stabil | Hohe Balken, flache Stellen, gebrochene Bürsten, Lichtbögen |
| Federdruck und Bürstenfreiheit | Hält die Stromdichte und den Kontaktabfall unter Kontrolle | Heiße Bürsten, ungleichmäßiger Verschleiß, schlechte Kommutierung |
| Spule-Stab-Verbindung | Liefert Ankerstrom an das richtige Segmentpaar | Lokales Brennen, wiederholte Lichtbogenbildung an denselben Stäben |
Dies sind keine theoretischen Randfälle. Hoher Glimmeranteil, Kupfergrate nach dem Freischneiden, verschmutzte Nuten, unrunde Kommutatoren, falscher Federdruck, festsitzende Bürstenhalter, Überlastung und Wicklungsfehler sind bekannte Ursachen für Bürstenüberschläge und schnellen Verschleiß.
Warum Kommutatoren funken
Eine gewisse Funkenbildung an einem gebürsteten Kommutator ist Teil des Schaltvorgangs. Übermäßige Funkenbildung ist es nicht.
Die üblichen Ursachen sind langweilig, was nützlich ist. Schlechter Bürstenkontakt. Bürstenverschleiß. Ungleichmäßiger Federdruck. Zu weit von der Oberfläche abgesetzte Halter. Hoher Glimmergehalt. In den Schlitzen verbliebene Grate. Schmutz oder Öl auf der Schiene. Ein exzentrischer Kommutator. Hohe Stege. Lastschwankungen, die den Strom zu weit treiben. Fehler in Anker, Steigleitungen oder Zwischenpolen. Sobald der Kontakt instabil wird, erledigt die induktive Energie in der Wicklung den Rest, und es kommt zu Lochfraß, Schwärzung, örtlicher Hitze und schnellem Bürstenverbrauch.
Es gibt noch ein weiteres Muster, das Käufer übersehen. Ein Kommutator kann im Ruhezustand akzeptabel aussehen und erst bei Geschwindigkeit versagen. Ein Stab kann die Bürste gerade so weit anheben, dass der Kontakt unter Betriebslast unterbrochen wird. Oder der Anker kann im kalten Zustand rund sein und im heißen Zustand nicht mehr so bleiben. Deshalb ist das statische Erscheinungsbild allein nicht ausreichend für die Zulassung bei schweren Betriebszyklen.
Was der Kommutator über die Qualität des Motors aussagt
Bei der Bewertung eines Bürstenmotors sagt der Kommutator sehr schnell sehr viel aus.
Ein stabiler bräunlicher Lauffilm, ein gleichmäßiger Bürstensitz, saubere Schlitze, eine gleichmäßige Farbe der Staboberfläche und kein örtliches Verbrennen deuten normalerweise auf eine gute Geometrie und eine ausgewogene Stromverteilung hin. Wiederholte Schäden an denselben Stäben deuten auf etwas anderes hin: Wicklungsanschluss, Stabhöhe, Federkraft, Ausrichtung des Halters oder Verschmutzung. Der Kommutator ist nicht nur eine Komponente. Er ist eine Aufzeichnung dessen, was der gesamte Motor getan hat.
Dies ist für die Beschaffung von Bedeutung. Ein preiswerter Kommutator kann einen einfachen Schleudertest bestehen und später versagen, weil die Stangengeometrie, die Isolierung, die Konzentrizität oder der Zustand des Schlitzes von Anfang an mangelhaft waren. Deshalb geht es bei der seriösen Kommutatorarbeit nicht nur um die Kupfersorte. Es geht auch um die Kontrolle der Abmessungen, die Oberflächenbeschaffenheit der Nuten, die Dichtigkeit der Montage, die Auswuchtung und das Verhalten des Bürstensystems, sobald der Strom und die Geschwindigkeit real sind.
Eine weitere Frage, die Käufer oft stellen: Kommutator vs. Schleifring
Sie sind nicht austauschbar.
A Schleifring ist kontinuierlich. Seine Aufgabe ist es, einen elektrischen Pfad in ein sich drehendes Teil aufrechtzuerhalten, ohne den Strompfad von Segment zu Segment zu wechseln. A Kommutator ist absichtlich segmentiert, damit er den Strom im Anker umlenken kann, wenn sich die Rotorposition ändert. Wenn die Anwendung eine zeitgesteuerte Umkehrung in einem bürstenbehafteten Gleichstromanker erfordert, ersetzt ein Schleifring nicht den Kommutator.
Häufig gestellte Fragen
1. Was ist die Hauptfunktion eines Kommutators in einem Gleichstrommotor?
Seine Hauptfunktion besteht darin, den Ankerstrom in der richtigen Rotorposition zu schalten, damit der Motor weiterhin ein unidirektionales Drehmoment aus einer Gleichstromversorgung erzeugt. In praktischen Maschinen erfolgt dieses Schalten segmentweise über den Bürstenkontaktbereich.
2. Hat jeder Gleichstrommotor einen Kommutator?
Nein. Gebürstete DC-Motoren einen mechanischen Kommutator und Bürsten verwenden. Bürstenlose DC-Motoren führen die Kommutierung elektronisch durch, so dass sie keinen Kommutator verwenden.
3. Warum werden Kommutatoren mit Kupfersegmenten und einer Isolierung dazwischen hergestellt?
Die Kupfersegmente leiten den Strom effizient, während die Isolierung benachbarte Stäbe elektrisch voneinander trennt, so dass die Bürste von einem Segment zum nächsten wechseln kann, ohne dass es zu einem Kurzschluss zwischen den Stäben kommt. In vielen größeren Maschinen ist Glimmer nach wie vor ein gängiges Isoliermaterial zwischen den Segmenten.
4. Warum nutzt sich ein Kommutator ab?
Denn es handelt sich um eine gleitende elektrische Schnittstelle. Die Bürste reibt an der Kupferoberfläche, was zu Reibung, Hitze, Staub und Kontaktabrieb führt. Lichtbögen bei schlechter Kommutierung beschleunigen diesen Prozess. Der Verschleiß ist also in die Konstruktion eingebaut; die Frage ist nur, wie kontrolliert er ist.
5. Was sind die ersten Anzeichen für einen defekten Kommutator?
Achten Sie auf übermäßige Funkenbildung, geschwärzte oder verbrannte Stäbe, Lochfraß, raue Oberflächen, hohen Glimmeranteil, Schlitzverschmutzung, heiße Bürsten und ungleichmäßige Verschleißmuster. Unrunde Oberflächen und hohe Stege sind häufig die Ursache für diese sichtbaren Anzeichen.
6. Kann ein beschädigter Kommutator repariert werden?
Manchmal, ja. Größere industrielle Kommutatoren können nachbearbeitet, hinterschnitten oder durch beschädigte Segmente ersetzt werden. Kleine geformte Kommutatoren in kostengünstigen Motoren werden oft als nicht zu reparierende Teile behandelt und zusammen mit dem Anker oder dem Motor selbst ausgetauscht.
7. Ist ein Kommutator dasselbe wie ein geteilter Ring?
In der Motorlehre wird der einfache Kommutator oft als geteilter Ring bezeichnet. In der tatsächlichen Produktion Motoren, ist das Teil in der Regel ein Mehrsegmentkommutator, und nicht nur zwei Hälften, denn echte Anker müssen über mehrere Spulen gestaffelt geschaltet werden.
8. Was sollte ein Käufer einen Kommutatorlieferanten fragen?
Fragen Sie nach der Konzentrizität der Segmente, der Konsistenz der Stabhöhe, der Qualität der Isolierung, dem Zustand der Hinterschneidungen, der Sauberkeit der Schlitze, der Integrität der Verbindung zwischen Spule und Stab und dem Verhalten der Baugruppe bei Geschwindigkeit und Belastung. Diese Details stehen in direktem Zusammenhang mit der Lichtbogenbildung, der Lebensdauer der Bürsten und der Zuverlässigkeit im Einsatz.
