Warum wird nur die Hälfte der Isolierung von einem Kommutator entfernt?
Im klassischen “Draht-und-Batterie”-Gleichstrommotor für den Unterricht wird nur die Hälfte der Isolierung entfernt, sodass die Spule nur während der halben Umdrehung Strom erhält, wenn das magnetische Drehmoment sie unterstützt, und offen bleibt, wenn das Drehmoment der Bewegung entgegenwirkt. Entfernt man alles, bleibt der Motor stehen oder zittert nur. Entfernt man nichts, springt er nie an. Halb freiliegende, halb isolierte Windungen verwandeln diese billige kleine Drahtschleife in einen einfachen, aber effektiven Kommutator.
Inhaltsverzeichnis
Was “die Hälfte der Isolierung entfernt” tatsächlich bedeutet
Lassen Sie uns die Hardware genau definieren, denn verschiedene Leute verstehen unter “Kommutator” unterschiedliche Dinge.
Im Schul- oder Erstsemester-Labor ist der “Kommutator” buchstäblich die lackierten Kupferdrahtenden der rotierenden Spule, die auf zwei Stützen (Stifte, Büroklammern, Haken) ruhen. Man kratzt den Lack ab:
- ein Ende: vollständig blank an der Stelle, an der es die Stütze berührt
- das andere Ende: nur über etwa die Hälfte des Umfangs blank, die andere Hälfte ist weiterhin isoliert
Von der Seite betrachtet sieht jedes Ende wie ein Kupferkreis aus, aber bei einem davon ist das Kupfer nur auf einem Halbkreis freigelegt. Dieses halb freiliegende Ende ist das Kommutatorsegment. Wenn der freiliegende Halbkreis zur Halterung zeigt, fließt Strom. Wenn der isolierte Halbkreis zur Halterung zeigt, öffnet sich der Stromkreis. Einfach, aber nicht zufällig. Tutorials, Laborberichte und Q&A-Threads beschreiben dieses Muster aus 180 Grad freiliegendem und 180 Grad isoliertem Bereich als Schlüssel für eine kontinuierliche Drehung.
“Nur die Hälfte der Isolierung entfernt” bedeutet also: Nur etwa 180° des Umfangs eines Spulenendes, das auf der Halterung aufliegt, werden sauber abgeschabt.
Was geht schief, wenn man die gesamte Isolierung entfernt?
Stellen Sie sich vor, Sie würden die Anweisungen ignorieren und beide Enden vollständig abkratzen.
Solange die Batterie angeschlossen ist, ist die Spule ein Elektromagnet. Die Richtung des Stroms ändert sich relativ zur Spule nie, sodass sich auch die Richtung des magnetischen Moments nie ändert. Das Drehmoment auf die Spule in einem gleichmäßigen Feld ist proportional zum Sinus des Winkels zwischen dem magnetischen Moment der Spule und dem Feld.
Das bedeutet:
- Ausgehend von einem Startwinkel beschleunigt das Drehmoment die Spule in Richtung der Ausrichtung mit dem Feld.;
- Sobald die Ausrichtung erreicht ist, kehrt sich das Drehmoment natürlich um und versucht, die Spule zurückzuziehen.
Bei Dauerstrom sucht die Spule einfach nach der Position mit der geringsten Energie und bleibt dort, magnetisch an der bevorzugten Ausrichtung haftend. Mehrere Unterrichtsnotizen sagen genau das: Wenn beide Seiten vollständig abisoliert sind, ist die Spule “immer ein Magnet” und neigt dazu, in Richtung des Permanentmagneten zu zeigen, anstatt sich zu drehen.
Wenn Sie das Gerät zum ersten Mal an den Strom anschließen, kann es zu einem kurzen Zucken kommen, jedoch nicht zu einer anhaltenden Drehung. Bei geringer Reibung und perfekter Symmetrie kann es sogar zu einem leichten Hin- und Herbewegen kommen. Dies entspricht jedoch nicht den Erwartungen an einen Motor.
Wenn man also die gesamte Isolierung entfernt, funktioniert der Kommutator nicht mehr als Kommutator. Man verliert die “Schaltfunktion” vollständig.
Halb blank = 180° ein, 180° aus
Der halb freiliegende Draht löst dieses Problem durch die Erstellung eines einfachen Zeitmusters:
- ca. 180° Drehung bei eingeschaltetem Strom;
- ca. 180° bei ausgeschaltetem Strom.
Die Idee dahinter ist, wie in mehreren Laborhandbüchern und Erläuterungen beschrieben, dass der Motor Strom nutzt, um sich durch die “gute” Hälfte der Umdrehung zu beschleunigen, und dann während der Stromkreis geöffnet ist, durch die “schlechte” Hälfte ausläuft.
Während der angetriebenen halben Umdrehung drücken die Kräfte auf beiden Seiten der Spule diese in dieselbe Drehrichtung. Sobald die Spule so weit geschwungen ist, dass diese Kräfte ihre Richtung umkehren und zu bremsen beginnen, dreht sich der blanke Bereich vom Träger weg, der isolierte Bereich kommt unter den Träger und der Strom wird unterbrochen. Kein Strom, kein Drehmoment, also gibt es nichts, was die Spule zurückziehen könnte. Sie bewegt sich einfach weiter, weil sie bereits in Bewegung ist.
Wenn es sich um eine weitere halbe Umdrehung gedreht hat, kommt die blanke Stelle wieder unter die Stütze, der Strom fließt wieder und der Zyklus wiederholt sich.
“Nur die Hälfte der Isolierung entfernt” bedeutet also in Wirklichkeit “eine halbe Umdrehung mit der Lötlampe, die andere Hälfte ohne”.
Warum muss es das sein? richtig Hälfte
Das Entfernen einer beliebigen 180°-Isolierung würde nicht ausreichen. Die blanke Hälfte muss mit der Spulenausrichtung ausgerichtet werden, wo der Strom fließen soll.
Bei der üblichen Konstruktion markiert man die Spule in einer vertikalen Ebene zwischen Nord- und Südpolfläche. Dann schabt man die obere Hälfte eines Endes des Drahtes ab, wobei die untere Hälfte isoliert bleibt, und achtet darauf, dass beide Enden relativ zu dieser vertikalen Spulenausrichtung die gleiche Seite des Drahtes freilegen. Die Anweisungen im Unterricht und die Laborblätter sind sehr eindeutig in Bezug auf diese Ausrichtung, gerade weil eine falsche Ausrichtung zu verwirrenden Fehlfunktionen des Motors führt.
Wenn Sie die falsche Hälfte abschaben, laden Sie die Spule hauptsächlich dann auf, wenn das Drehmoment sich widersetzen die Richtung, in die Sie drehen möchten. Das Ergebnis ist eine starke Tendenz, sich selbst zu parken oder nur zu laufen, wenn Sie es in eine “glückliche” Richtung schnippen.
Bei dem halbisolierten Kommutator geht es also nicht nur um die Menge der entfernten Isolierung. Es geht um die Phase: das Ausrichten des Leitungsfensters auf den Winkelbereich, in dem das Drehmoment das gewünschte Vorzeichen hat.
Vergleich verschiedener Abisoliermuster
Hier ist eine Zusammenfassung dessen, was tatsächlich passiert, wenn man bei einem Motor dieser Art verschiedene Optionen für “Wie viel Isolierung haben wir abgeschabt?” wählt:
| Streifenmuster an Spulenenden | Strom über eine Umdrehung | Drehmomentverteilung | Wahrscheinliches Verhalten |
|---|---|---|---|
| Beide Enden vollständig abisoliert | Strom fließt bei allen Winkeln; die Spule ist immer ein Elektromagnet. | Das Drehmoment zieht die Spule in die richtige Position, kehrt dann die Drehrichtung um und bremst sie, nachdem sie die richtige Position erreicht hat. | Die Spirale rastet in einem stabilen Winkel ein und bleibt dort; möglicherweise ein leichtes Zucken, aber kein anhaltendes Drehen. |
| Ein Ende vollständig abisoliert, anderes Ende über korrekten 180°-Winkel abisoliert | Der Strom fließt nur über die Hälfte der Umdrehung, zeitlich so abgestimmt, dass das Drehmoment während dieser Hälfte immer die Bewegung unterstützt. | Die mit Strom versorgte Hälfte gibt einen Schub, die nicht mit Strom versorgte Hälfte lässt die Spule ohne Bremsung auslaufen. | Zuverlässiger “Halbwellenmotor”; dreht sich nach einem Anstoß in die gewünschte Richtung |
| Ein Ende vollständig abisoliert, anderes Ende um 180° falsch abisoliert | Der Strom fließt über die halbe Umdrehung, jedoch hauptsächlich im Bremsbereich. | Das Drehmoment behindert die Bewegung mehr, als dass es sie unterstützt. | Der Motor bleibt stehen oder läuft nur zeitweise; oft vibriert er nur in der Nähe einer Position. |
| Kleine kahle Stelle, deutlich weniger als 180° | Stromimpulse einmal kurz pro Umdrehung | Kurze Drehmomentimpulse, große Totzone | Sehr ruckartig, erreicht möglicherweise nie genug Geschwindigkeit, um durch die Off-Region zu gleiten; neigt dazu, in der Praxis unzuverlässig zu sein. |
Aus diesem Grund wird in guten Laborblättern nicht nur von der “Hälfte der Isolierung” gesprochen, sondern auch vom Winkelausmaß und der Ausrichtung dieses abisolierten Abschnitts.
Warum eine halbe Umdrehung der ideale Punkt ist
Vorausgesetzt, der Leser ist mit Drehmoment-Winkel-Kurven vertraut, gibt es eine anschauliche Möglichkeit, zu veranschaulichen, warum “etwa die Hälfte” attraktiv ist.
Nehmen wir eine einfache rechteckige Spule, eine Windung, N = 1, Fläche A, in einem gleichmäßigen Feld B. Die Größe des momentanen elektromagnetischen Drehmoments ist proportional zu IAB sin θ, wobei θ der Winkel zwischen der Spulennormalen und dem Feld ist. Wenn man den Strom die ganze Zeit in einer festen Richtung fließen lässt, ist das durchschnittliche Drehmoment über eine Umdrehung erwartungsgemäß null; der positive Teil hebt den negativen Teil auf.
Schneiden Sie nun die aktuelle Wellenform so zu, dass sie nur für 180° existiert, zentriert auf die Winkel, bei denen sin θ das gewünschte Vorzeichen hat, und an allen anderen Stellen Null ist. Das durchschnittliche Drehmoment über eine Umdrehung wird ungleich Null, und der Bereich mit negativem Drehmoment wird weggeschnitten. Dieses “Fenster” des Drehmoments ist genau das, was der halbisolierte Kommutator tut, nur mit sehr grober Zeitsteuerung.
Wenn Sie das Fenster viel länger als 180° gestalten, lassen Sie den Strom wieder in einem Teil des Bereichs fließen, in dem das Drehmoment der Bewegung entgegenwirken würde. Wenn Sie es viel kürzer gestalten, reduzieren Sie das durchschnittliche Drehmoment und zwingen den Rotor, sich stark auf Trägheit und geringe Reibung zu verlassen. Etwa 180° sind ein praktischer Kompromiss für einen Motor, der aus einer Batterie, einem Magneten und irgendwelchen Drähten und Büroklammern gebaut wurde, die zufällig in der Schublade lagen. Laborberichte, die sich eingehend mit diesem Thema befassen, nennen oft “Verhinderung der Wärmeleitung über 180° der Drehung” als Konstruktionsziel.
Die halbisolierte Konstruktion ermöglicht einen elektrischen Arbeitszyklus von 50%, ohne dass außer einem Messer oder Schleifpapier zusätzliche Teile erforderlich sind.
Die “tote” halbe Umdrehung ist nicht verschwendet.
Manchmal wird befürchtet, dass die Hälfte des Zyklus ohne Stromversorgung verschwendet ist. Bei einem Labormotor geht es nicht um Effizienz. Es geht darum, die Drehrichtung und die Kommutierung klar zu demonstrieren.
Während der halben Drehung:
- Die gespeicherte kinetische Energie der sich drehenden Spule trägt sie durch den Bereich, in dem das magnetische Drehmoment der Bewegung entgegengewirkt hätte.;
- Das Fehlen von Strom bedeutet, dass während dieses Zeitraums keine zusätzliche Erwärmung der Spule oder der Kontakte stattfindet.;
- Mechanisch gesehen sehen die Bürsten (Drahtstützen) einen geringeren durchschnittlichen Kontaktstrom, was das Verbrennen und die Lochfraßbildung in einer Konstruktion begrenzt, die ohnehin schon sehr marginal ist.
In mehreren Lehrmaterialien wird diese Phase ausdrücklich als “einmal pro Umdrehung” auftretendes Auslaufintervall beschrieben, in dem die Spule den Magneten nicht anzieht und einfach in derselben allgemeinen Richtung weiterläuft.
Der Motor tauscht also kontinuierliches Drehmoment gegen stabile Richtung und Einfachheit ein.
Anschluss an echte Gleichstromkommutatoren und teilweise Entfernung der Isolierung
Der Trick mit dem halbisolierten Draht ist ein spielzeugähnliches Echo dessen, was große Gleichstrommaschinen mit geeigneten Kupfersegment-Kommutatoren leisten.
In einem realen Gleichstrommotor oder -generator:
- Der Kommutator besteht aus vielen Kupferstäben, die durch dünne Glimmerplatten oder ähnliche Isoliermaterialien voneinander getrennt sind.;
- Der Glimmer wird etwas unterhalb der Höhe der Kupfersegmente bearbeitet oder “unterschnitten”, sodass die Bürsten nur auf dem Kupfer reiben und nicht auf dem Isoliermaterial.;
- Die Geometrie und die Pinselbreite werden so gewählt, dass, während sich ein Segment unter einem Pinsel befindet, die zugehörige Ankerwicklung von einer Polarität auf die entgegengesetzte umgeschaltet wird.
In Wartungsanleitungen wird betont, dass Sie nicht den gesamten Glimmer zwischen den Segmenten entfernen dürfen. Sie dürfen ihn nur um etwa einen Millimeter zurückversetzen (typische Werte liegen zwischen 1/32″ und 1/16″), gerade so viel, dass er nicht an den Kohlebürsten kratzt und dass keine “Glimmerkämme” die Bürsten anheben und Lichtbögen verursachen. Der verbleibende Glimmer hält die Struktur weiterhin zusammen und verhindert Kurzschlüsse zwischen benachbarten Stäben.
In der Industrie bedeutet “Entfernen der Isolierung” also in der Regel:
- den Isolator leicht unterhalb des Kupfers versenken, um den mechanischen Kontakt und die Funkenbildung zu kontrollieren;
- die isolierende Barriere zwischen den Segmenten niemals vollständig zu entfernen.
Beim Tischmotor bedeutet “nur die Hälfte der Isolierung entfernt”:
- Beibehaltung der Isolierung auf der Hälfte des Umfangs eines Spulenendes, um den Zeitpunkt des Schließens des Stromkreises zu steuern.
In beiden Fällen wiederholt sich das Thema: Man entfernt gerade so viel Isolierung, dass man den Strom zeitlich oder räumlich formen kann, behält aber genug davon bei, um die elektrische Trennung und die mechanische Integrität zu erhalten.
Warum dieser einfache Trick immer noch wichtig ist, wenn man “die Theorie kennt”
Wenn Sie sich bereits mit der Theorie von Gleichstrommaschinen auskennen, ist es verlockend, den halbisolierten Kommutator aus dem Unterricht als Spielzeug zu betrachten. Aber er enthält stillschweigend mehrere Ideen, die sich direkt auf ernsthafte Konstruktionsarbeiten übertragen lassen.
Erstens zeigt es, dass man für eine kontinuierliche Drehung nicht unbedingt einen kontinuierlichen Strom benötigt. Man benötigt einen Strom, der in Bezug auf den mechanischen Winkel korrekt phasenverschoben ist. Alles andere sind Details der Laufruhe und Effizienz.
Zweitens zwingt es Sie dazu, darüber nachzudenken, was der Motor tut, wenn das Drehmoment auf Null sinkt. Verfügt Ihr System über genügend Trägheit und ausreichend geringe Reibung, um durch die Totzone zu gleiten? Wenn nicht, benötigen Sie mehr Pole, eine geeignete Mehrsegmentkommutierung oder eine Art Rückkopplungssteuerung.
Drittens erinnert es Sie daran, dass jeder Kommutator, egal wie aufwendig er auch sein mag, eigentlich nur eine sich wiederholende Anordnung von drei Aufgaben ist: Verbinden, Trennen, Wiederverbinden mit umgekehrter Polarität. Der Schulmotor fasst all das in einem einzigen abgeschabten Stück Kupfer zusammen.
Wenn man den halb isolierten Draht einmal so sieht, beantwortet sich die ursprüngliche Frage fast von selbst. Nur die Hälfte der Isolierung wird entfernt, da dies der minimale Eingriff ist, bei dem der Kommutator noch seine Aufgabe erfüllen kann: Er versorgt die Spule genau dann mit Strom, wenn ihr magnetisches Drehmoment in die gewünschte Richtung wirkt, und bleibt für den Rest der Umdrehung außer Betrieb.
