Was ist ein Kommutator in einem Elektromotor?

🚗 Arten von Elektromotoren

Abb. 1 Arten von Elektromotoren

Elektromotoren sind Geräte, die elektrische Energie in mechanische Bewegung umwandeln. Es gibt drei Haupttypen:

• Gleichstrommotoren (DC): Verwenden einen Kommutator, um eine einseitige Drehung durch das Umkehren der Stromrichtung aufrechtzuerhalten.
• Wechselstrommotoren (AC): Werden von Wechselstrom angetrieben und benötigen keine mechanische Umschaltung.
• Kolbenlose Gleichstrommotoren (BLDC): Basieren auf elektronischer Kommutation mit Sensoren anstelle mechanischer Kommutatoren.
• Synchronmotor: Eine Art von Wechselstrommotor.
• Asynchronmotor: Eine Art von Wechselstrommotor.
• Gebürstete Gleichstrommotoren (BDC): Eine Art von Gleichstrommotor.
  

👉 Dieser Artikel konzentriert sich auf Gleichstrommotoren, bei denen der Kommutator eine entscheidende Rolle bei der Funktion spielt.

⚙️ Wie funktioniert ein Kommutator?

Abb. 2 Drehmoment in einem magnetischen Feld

Der Hebelarm für das auf dem Armatur wirksame Drehmoment variiert mit dem Winkel des Spulensystems (cos α). Daher wird kein Drehmoment erzeugt, wenn das Spulensystem senkrecht (vertikal) zum Magnetfeld des Stators steht. Deshalb haben Gleichstrommotoren mehrere Spulen.
Bildnachweis: Georgia State University

Ein Kommutator ist ein geteilter Kupferring, der an den Rotor (auch Armatur genannt) eines Gleichstrommotors angebracht ist. Er arbeitet gemeinsam mit Kohlebürsten, die Strom zum Rotor leiten.

Das Arbeitsprinzip:

1.Wenn Strom durch eine Spule fließt, entsteht in dem Magnetfeld ein Drehmoment (Drehschwungkraft).
2.Wenn sich die Spule dreht, bleibt die Richtung des Stroms unverändert, ändert sich jedoch die Richtung der elektromagnetischen Kraft, wodurch der Motor stehen bleibt oder sich umkehrt.
3.Der Kommutator schaltet die Stromrichtung automatisch alle 180° um, wobei das Drehmoment in derselben Richtung gehalten wird.

Kurz darauf schaltet der Kommutator die Spulen ein und aus, um zu kontrollieren, in welche Richtung die elektromagnetischen Felder zeigen.

Kernkomponenten eines Gleichstrommotors

Das ist ein Bild. 3 Grundstruktur eines Gleichstrommotors

Bild: electrical4u.com

🧠 Wichtige Erkenntnis: Der Kollektor und die Bürsten bilden ein Kontaktsystem, das sicherstellt, dass die elektromagnetische Kraft immer in dieselbe Richtung zeigt, was eine reibungslose Drehung ermöglicht.

🔌 Was macht ein Kollektor?

• 💡 Hält die Drehung einseitig: Verhindert, dass der Motor bei jeder Drehung von 180° anhält oder sich umkehrt.
  
• 🔁 Dreht die Spulenstromrichtung um: Schaltet die Polarität genau zum richtigen Zeitpunkt um.
  
• 🔥 Steuert die elektromagnetische Polarität: Stellt sicher, dass der elektrische Strom richtig in die und aus den Armaturwindungen fließt.

📷 Visueller Tipp: Stell dir den Kommutator als einen zeitgesteuerten Schalter vor, der alle halbe Drehungen das Stromrichtung umkehrt, um eine kontinuierliche Bewegung aufrechtzuerhalten.

📈 Warum ist der Kommutator wichtig?

• ✅ Ermöglicht kontinuierliche Drehung: Ohne ihn würde der Motor hin und her schwingen.
  
• ⚙️ Hält die konstante Drehmomentausgabe aufrecht: Hält die Kraft des Armaturen ausgerichtet mit der Drehrichtung.
  
• Verhindert Kurzschluss und Funken: Dank der neutralen Zone, bei der die induzierte Spannung null ist.
  
• Effizienz verbessert: Moderne Kommutatoren verwenden hochwertige Kupfersegmente (und eine geringe Menge Silber) und Kohlenstoffbürsten für Langlebigkeit und geringe Reibung.

Zusammenfassung

Der Kommutator ist ein wichtiger Bestandteil eines Gleichstrommotors, der die Stromrichtung innerhalb der Armatur wechselt und eine reibungslose und kontinuierliche Drehung ermöglicht.