- Kollektor (Elektrotechnik)
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In der Elektrotechnik wird mit dem Kommutator (von lat. commutare – vertauschen), Kollektor oder Stromwender eine Einrichtung zur Stromwendung in elektrischen Maschinen bezeichnet.
Inhaltsverzeichnis
Geschichtliches
Funktionsprinzip
eines KommutatorsBereits 1834 entwarf Moritz Hermann von Jacobi einen ersten technisch brauchbaren Vorläufer heutiger Stromwender [1] für seinen Motor, mit dem er am 13. September 1838 auf der Newa in Sankt Petersburg ein Schiff antrieb.
Aufbau und Funktion
Die Stromwendung erzeugt einen von Wicklung zu Wicklung des Läufers wandernden bzw. wechselnden Strom und ist für Gleichstrommaschinen notwendig, um bei Drehbewegung ein Drehmoment zu erzeugen. Kommutatoren bestehen klassisch aus einem Schleifkontakt zwischen den Lamellen des Kollektors und zwei oder mehr Bürsten (→ Gleichstrommaschine)
Die Lamellen bestehen aus Kupfer und bilden im Betrieb eine graubraune Schicht. Sie sind auf eine isolierende Zylinder- oder Kreisfläche aufgeklebt und besitzen einen Luft-Zwischenraum - Der Abrieb der Bürsten kann sich somit nicht festsetzen und beeinträchtigt die Isolierung nicht. Die Bürsten bestehen aus Graphit, teilweise vermischt mit Kupferpulver, oder - bei einigen kleinen Motoren - ganz aus Metall.
Betrieb
Kommutator in einem Universalmotor (Reihenschlussmotor für Wechselspannung)Übermäßige Funkenbildung am Kommutator muss vermieden werden, da die dabei entstehende Hitze zu Verschleiß führen würde. Dazu werden an großen Motoren Wendepole eingesetzt, die dafür sorgen, dass das Erregerfeld bei wechselnden Belastungen des Motors immer so ausgerichtet bleibt, dass die Kommutierung im Bereich geringer Spannungen zwischen den Kollektorlamellen erfolgt.
Das ist auch deshalb erforderlich, da die Bürste immer zugleich an mehr als einer Lamelle anliegt und während der Kommutierung benachbarte Lamellen miteinander kurzschließt. Im Idealfall ist die Spannung zwischen den unter der Bürste hervortretenden Lamellen Null. Man verwendet daher möglichst viele Lamellen und Ankerwicklungen und möglichst schmale Bürsten. Um eine hohe Stromtragfähigkeit zu erreichen, verbreitert man den Kollektor und die Bürsten.
Die Bürsten verschleißen im Betrieb und werden kürzer. Daher bringt man sie oft in metallischen Führungen unter, in denen sie eine Feder auf den Kollektor drückt. Zur besseren Kontaktgabe der Bürste mit dem Stromanschluss, hat diese oft ein eingepresstes Kupferseil, oder sie ist direkt an eine Bronze-Blattfeder angelötet.Vermeidung der Funkenbildung
Kommutator eines großen ElektromotorsWegen der Funkenbildung an den Kommutatoren großer wechselspannungsbetriebener Reihenschlussmotoren legte man zu Anfang des 20. Jahrhunderts die Frequenz des Bahnstroms auf 16 2/3 Hz fest; große Reihenschluss-Motoren mit 50 Hz (öffentliches Netz) sind aufgrund des schnellen Stromrichtungswechsels mit Problemen verbunden. Man fand mit der Bahnstromfrequenz und der Oberleitungs-Spannung von 15 kV einen Kompromiss zwischen dem nicht transformierbaren Gleichstrom, der für die Motoren ungeeigneten hohen Netzfrequenz und möglichst hoher Spannung für weite Übertragung – Kommutatormotoren werden aufgrund der Isolierung nicht an so hohen Spannungen betrieben, daher ist in der Lokomotive ein Transformator erforderlich.
Die bürstenlose bzw. elektronische Kommutierung arbeitet verschleißfrei. Im sogenannten Elektronikmotor werden zur Rotorlageerkennung z.B. Hallsensoren verwendet, welche die Wicklungen über Leistungstreiber (Transistoren, Thyristoren, Triacs) ansteuern.
Literatur
Fachbücher
- Gregor D. Häberle, Heinz O. Häberle: Transformatoren und Elektrische Maschinen in Anlagen der Energietechnik. 2. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 1990, ISBN 3-8085-5002-3
- Gerd Fehmel, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen. 12. Auflage, Vogel Buchverlag, Oldenburg und Würzburg, 2000, ISBN 3-8023-1795-5
- Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
Referenzen
Siehe auch
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