Stromwechsel

Die Kommutierung ist die mechanische Umschaltung der elektrischen Verbindungen in einer rotierenden Maschine, meistens bei einem Gleichstrommotor oder Generator, die die Stromrichtung in der Ankerwicklung zum exakt richtigen Zeitpunkt umkehrt. Diese Synchronisation zwischen den rotierenden Leitern und den feststehenden Feldmagneten ermöglicht es der Maschine, elektrische Energie in kontinuierliche Rotationsbewegung umzuwandeln oder mechanische Rotation in elektrische Leistung zu wandeln. Ohne Kommutierung würde ein Gleichstrommotor stehen bleiben, sobald der Anker die Neutralebene passiert, wo die Spule ihre Polarität von Natur aus umkehren würde.

Der Kommutator selbst ist ein geteilter Ring aus Messing oder Kupfer mit Segmenten, die auf der Motorwelle montiert sind. Jedes Segment ist mit einem Ende einer Ankerspule verbunden. Kohlebürsten, die von Federn gegen diesen rotierenden Ring gedrückt werden, stellen eine gleitende elektrische Verbindung her und leiten Strom zu und von jedem Segment der Reihe nach. Während der Anker dreht, fahren verschiedene Segmente nacheinander unter den Bürsten vorbei, was bewirkt, dass sich der Strom durch jede Spule genau in dem Moment umkehrt, in dem diese Spule das aktive Magnetfeld verlässt und in die Neutralzone eintritt. Die Anzahl der Segmente entspricht typischerweise der Anzahl der Spulen; eine vierpolige Maschine mit mehreren Spulen könnte acht oder sechzehn Kommutatorstäbe haben.

Schlechte Kommutierung verursacht ernsthafte Probleme. Funkenerosion tritt auf, wenn Bürsten den Kontakt zu einem Kommutatorsegment unterbrechen, während noch Strom durch eine Spule fließt, was zu Funken, Geräuschen und Verschleiß von Bürste und Stab führt. Bürstenhüpfen, bei dem Vibrationen oder abgenutzte Kommutatoren Bürsten kurzzeitig abheben lassen, erzeugt denselben Verschleiß durch Funkenbildung. Zahnungsschwankungen, ein ungleichmäßiges Drehmomentpulsieren, das man beim Drehen des Rotors spürt, entstehen, wenn die Kommutierungszeitung mit dem Magnetfeld nicht mehr synchron läuft, meist durch Bürstenverschleiß oder einen abgenutzten Kommutatorboden, der seine kreisförmige Form verloren hat. Industriemotoren, die bei hoher Drehzahl oder unter schwerer Last betrieben werden, zeigen Kommutierungsprobleme am schnellsten.

Wartung und Varianten

Die Kommutatorwartung ist Instandhaltung. Regelmäßige Kontrolle sucht nach einer glatten, polierten, dunkelgrauen oder braunen Oberfläche; ein grübiger, angeritzter oder abgeflachter Kommutator wird ausfallen. Der Austausch von Bürsten ist Routinearbeit: abgenutzte Bürsten verlieren Anpressdruck und ermöglichen Funkenbildung. Einige Maschinen verwenden eine harthaltbare Kohlegrundlage für Hochgeschwindigkeitseinsatz; andere nutzen weichere Bürsten für niedrigere Drehzahlen, um Reibung und Verschleiß zu reduzieren. Drucktyp-Bürstenhalter mit einzeln verstellbarer Federspannung erlauben Feinjustage bei Präzisionsgeräten.

Der Begriff stammt vom Lateinischen commutare, austauschen oder umschalten. Bei AC-Maschinen und Halbleiterantrieben hat die elektronische Kommutierung mit Leistungshalbleitern die mechanische Kommutierung ganz verdrängt, was Bürstenverschleiß und Funkenbildung ausschließt, aber Steuerungselektronik erfordert. Allerdings bleibt mechanische Kommutierung bei Universalmotoren, Hobby-Gleichstrommotoren und vielen industriellen Anlass- und Zusatzmaschinen Standard, wo Einfachheit und Kosten mehr zählen als Wartungsaufwand.