Permutator

Ein Permutator ist eine Rotationsmaschine, die Wechselstrom mittels eines stationären Kommutators mit rotierenden Bürsten in Gleichstrom umwandelt. Dies ist die umgekehrte Anordnung gegenüber Standard-Gleichstromgeneratoren. Statt Permanentmagnete oder fremd erregt Feldspulen nutzt der Permutator ein Magnetfeld, das durch den Wechselstrom in einem kurzgeschlossenen Kern induziert wird, gewöhnlich aus lamelliertem Eisen in der Maschinenmitte. Diese selbstregende Bauweise ermöglichte dem Permutator, besonders im frühen 20. Jahrhundert bei Netzfrequenzen effizient zu arbeiten, als die Wechselstromnetze ausgebaut wurden, aber noch viele Gleichstrommotoren und Verbraucher existierten.

Das Betriebsprinzip beruht darauf, dass der kurzgeschlossene Magnetkern wie eine Transformator-Sekundärwicklung wirkt. Wenn Wechselstrom durch die Primärwicklung fließt, induziert er ein zeitveränderliches Magnetfeld im Kern. Dieses Feld treibt Strom durch die kurzgeschlossenen Wicklungen, erzeugt ein rotierendes Magnetflussfeld, das zusammen mit Kommutator und Bürstenanordnung den Wechselstrom in grobe Gleichspannung gleichrichtet. Der am Gehäuse befestigte Kommutator berührt Bürsten auf der Rotorwelle. Während die Bürsten rotieren, schalten sie die Polarität der gleichgerichteten Impulse progressiv um und erzeugen eine Gleichspannung mit Welligkeit, die von der Polkonfiguration und Frequenz der Maschine abhängt.

Varianten und Leistungskompromisse

Permutatoren gab es in mehreren Ausführungen, von Einphasen-Maschinen mit etwa 5 bis 50 Kilowatt bis zu Drehstrom-Einheiten, die mehrere hundert Kilowatt bewältigen. Die Ausgangsspannung lag typischerweise zwischen 110 und 250 Volt Gleichstrom. Die Maschinen waren stiller und kompakter als entsprechende Motor-Generator-Sätze, ihre Effizienz war aber moderat, gewöhnlich 80 bis 90 Prozent je nach Last. Die Welligkeit der Gleichspannung war höher als bei echten Kommutatorgeneratoren und erforderte stärkere Glättungsdrosseln für lastabhängige Spannungspulsationen. Permutatoren erzeugten auch mehr Wärme als entsprechende Gleichstromgeneratoren, weil die induzierte Feldweise Energie im kurzgeschlossenen Kern verlor und Bürstenreibung unvermeidlich war.

Ab Mitte des 20. Jahrhunderts wurden Permutatoren durch Quecksilberdampfgleichrichter und später durch Halbleiterdioden- und Thyristor-Umrichter ersetzt, die bessere Effizienz, niedrigere Welligkeit und keine beweglichen Teile boten. Permutatoren blieben jedoch in manchen Industrieanlagen bis in die 1960er und 1970er Jahre in Betrieb, besonders dort, wo Wechselstrom die Primärverteilung war und isolierte Gleichstromkreise ältere Motorlaufwerke, Schweißgeräte oder Galvanik-Anlagen speisten. Der Begriff selbst ist heute weitgehend historisch; moderne Anlagen nutzen stattdessen Halbleiter-Leistungselektronik.

Der Name Permutator spiegelt die Wirkungsweise der Maschine wider, Phasen und Polarität des eingehenden Wechselstroms durch den rotierenden Bürstenmechanismus zu permutieren, umzuordnen, in unidirektionale Gleichspannung. Anders als bei einem Standard-Generator, wo Bürsten fest sind, war die rotierende Bürstenform des Permutators sowohl sein Merkmal als auch seine Wartungslast: Bürstenverschleiß und Kommutator-Tracking verschlechterten die Leistung über die Zeit und erforderten regelmäßige Überprüfung und Austausch der Bürstenblöcke sowie schließlich Überarbeitung der Kommutator-Oberfläche.