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Erklärung: Wie polt ein Kommutator den Strom um?
Ein Kommutator ist ein wesentlicher Bestandteil von Gleichstrommotoren und Generatoren. Er dient dazu, den Strom im Rotor so umzupolen, dass eine gleichmäßige Drehbewegung entsteht oder erhalten bleibt. Hier erkläre ich, wie das funktioniert.
Grundlagen des Kommutators:
Ein Kommutator besteht aus mehreren miteinander verbundenen Metallsegmenten, die auf der Motorwelle montiert sind. An diese Segmente drücken zwei oder mehr Schleifkontakte (auch Kohlebürsten genannt). Diese Schleifkontakte sind an eine Spannungsquelle angeschlossen, die elektrischen Strom in den Rotor leitet.
Funktionsweise des Kommutators:
1.
Stromkreis und Magnetisches Feld:
Der Rotor des Gleichstrommotors ist ein Elektromagnet, der durch den angelegten Strom ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld wechselwirkt mit dem Magnetfeld der feststehenden Permanentmagnete oder Elektromagnete im Motor.
2.
Drehung des Rotors:
Wenn Strom durch den Rotor fließt, erzeugt er ein Drehmoment aufgrund der Lorentz-Kraft (\( \mathbf{F} = q (\mathbf{v} \times \mathbf{B}) \)), wodurch sich der Rotor zu bewegen beginnt.
3.
Wechsel der Stromrichtung:
Damit der Rotor kontinuierlich weiterdrehen kann, muss die Richtung des Stroms durch den Rotor in regelmäßigen Abständen umgekehrt werden. Hier kommt der Kommutator ins Spiel.
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Rotor in einer Position:
Stellen wir uns vor, der Rotor ist in einer Position, in der die aktuelle Stromrichtung einen Nordpol auf einer Seite des Rotors erzeugt und einen Südpol auf der anderen Seite.
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Drehung um 180°:
Wenn der Rotor sich um 180° gedreht hat, wären ohne Wechsel der Stromrichtung der Nordpol und der Südpol des Rotors immer noch an derselben Stelle relativ zu den Schleifkontakten der feststehenden Stator-Magnete. Das würde bedeuten, dass die gleiche Kraft in die entgegengesetzte Richtung wirken würde und den Rotor stoppen oder in die andere Richtung zurückdrehen.
4.
Wechsel durch den Kommutator:
Hier setzt der Kommutator seine Funktion ein.
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Umschaltung:
Wenn der Rotor sich dreht, bewegen sich die Schleifkontakte entlang der Kommutatorsegmente. Nach einer halben Umdrehung (180°) wechselt der Kontakt von einem Segment des Kommutators zum anderen. Diese Segmente sind so angeschlossen, dass sie die Polarität der Stromversorgung umkehren, wenn der Rotor diesen Punkt passiert.
Das bedeutet: Der Kommutator wechselt die Verbindungen der Spulen des Rotors, so dass der aktuelle Fluss umgekehrt wird.
5.
Fortsetzung der Drehung:
Durch dieses Umschalten der Stromrichtung ändert sich die Polarität der erzeugten Magnetpole am Rotor. Die gleichnamigen Pole (Nord zu Nord und Süd zu Süd) stoßen sich ab und der Rotor dreht sich weiter in der gleichen Richtung, unterstützt durch das ständig wechselnde Magnetfeld.
Zusammenfassung:
Ein Kommutator funktioniert, indem er bei einer bestimmten Drehung des Rotors die Stromrichtung innerhalb des Rotors umschaltet. Dadurch wechseln die magnetischen Pole im Rotor, was dazu führt, dass kontinuierlich ein Drehmoment erzeugt wird, das den Rotor in Bewegung hält. Die Schleifkontakte, die Strom in den Rotor leiten, wechseln von einem Segment des Kommutators zum anderen und sorgen somit für die notwendige Umkehrung der Stromrichtung und der magnetischen Pole.
