Elektromotoren Fogging bei Kommutatoren und Bürsten in Elektromotoren

Autor / Redakteur: Dr. Herbert Feld * / Lea Drechsel

Fällt ein Motor aus, ist das auf eine Anzahl bekannter kleiner Fehler zurückzuführen. Weniger bekannt als Ursache sind Beläge auf den Kommutatoren, mit denen sich dieser Beitrag befasst.

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Detailaufnahmen der untersuchten Bürsten und Kollektoren.
Detailaufnahmen der untersuchten Bürsten und Kollektoren.
(Bild: OFG)

Elektromotoren und -generatoren sind heute aus keinem unserer Lebensbereiche wegzudenken. Egal ob im Kfz die Seitenscheibe oder in der Zahnarztpraxis der Stuhl heruntergefahren wird, in all den genannten Fällen leistet ein Elektromotor die Arbeit.

Wenn der Wind die Flügel bei einem Windkraftwerk rotieren lässt, dreht sich im Gehäuse des Turms die Welle eines Elektrogenerators mit bis zu 1000 U/min, so dass die Windenergie über einen Schleifringüberträger als Strom in die Kabel und in die Häuser fließen kann.

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Doch während sich im elektronischen Bereich (Software, Ansteuerung) die Zahl der Schaltkreiskomponenten auf Computerchips (Integrationsdichte) und damit auch die Leistungsfähigkeit unserer Rechner in Zeitabständen von 1 bis 2 Jahren regelmäßig verdoppelt (Mooresches Gesetz) hat, sind die erforderlichen Bauelemente (Relais, Elektromotoren/-generatoren) zur Umsetzung der elektronischen Anweisungen in mechanische Maßnahmen praktisch unverändert geblieben.

Elektromotoren / -generatoren und die typischen Probleme

Grundlage der meisten Elektromotoren und -generatoren ist noch immer ein sehr altes physikalisches Prinzip, der Kommutator. Auf einem Rotor befindet sich der Kollektor aus Kupferlamellen, über die Schleifkontakte laufen. Je nach Anwendungsbereich bestehen diese aus Metall- oder Kohlebürsten.

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Emissionsquellen detektieren

Als Emissionsquellen kommen nahezu alle Teile in Frage: der Isolationslack und das Ziehmittel des Spulendrahtes, verschiedene Kunststoffringe, die Lötverbindung zwischen Spulendraht und Kollektorlamellen, die geschmierten Sinterlager der Welle und so weiter.

Im Einzelnen sind dies:

  • Metallgehäuse, evtl. mit Schmiermittelresten auf der Oberfläche durch Stanzen und Bohren bei der Herstellung
  • Magnetmaterialien, z.T. mit Farbe markiert und mit Klebeverbindung zum Gehäuse
  • Welle mit Kunststoffummantelung im Bereich des Rotors
  • Achslager der Welle mit Schmiermitteln
  • Kunststoffdeckel (additiviert) als Bürstenträger
  • Rotor und Rotorbeschichtung-/lackierung
  • Kupfer-Spulendraht und Drahtbeschichtung, häufig ein Kunststoff wie Polyimid, Polyamid oder Polyurethan, evtl. mit Lack oder Ziehmittel/Antistatika
  • 4 bis 5 Kunststoffringe als Distanz-/Ausgleichsscheiben
  • Verklebtes Gummiplättchen auf der Bürstenrückseite zur Schwingungsdämpfung
  • Lötstellen der Spulendrähte am Kommutator mit Lotmaterial, Flußmittelresten und aufgeschmolzener Drahtbeschichtung in der Nähe der Lötpunkte

Obwohl in den vergangenen Jahrzehnten verschiedene Entwicklungen und Veränderungen hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus der Kommutatorzone sowie der bei den Kollektorlamellen und den Bürstenköpfen eingesetzten Materialien zu Verbesserungen in der Effizienz der Energieübertragung geführt haben, sind die Probleme und Ursachen bei einem Versagen der Systeme unverändert in der Kontaktoberfläche zwischen Bürsten und Kollektoren zu finden.

Fehlersuche bei Motoren-Ausfällen ohne Grund?

Viele der heute im Einsatz befindlichen Miniatur- oder Mikromotoren enthalten die klassischen Komponenten eines Elektromotors mit Stator, Rotor und dem Kommutator, bestehend aus Kollektorlamellen und Bürsten. In einem Metallgehäuse mit innen angebrachten, manchmal verklebten Magneten (im Stator) dreht sich der trommelförmige Rotor mit Spulen (Ankerwicklung auf Blechpaket), die an den Kollektorblechen angeschlossen sind.

Die Rotorwelle dreht sich in geschmierten Lagern an beiden Enden des Gehäuses. In die Kunststoff-Abschlusskappe des Motors eingebaute Metall- oder Kohlebürsten schleifen über die Kollektorbleche und führen den Spulen Strom zu. Dieser Kommutator (Stromwender) stellt die kritische Kontaktzone des Motors dar, da hier ein relativ schneller Materialverschleiß und -abtrag aufgrund von Überschlägen, Reibung und Leistungswärme stattfinden kann.

Dieser Verschleiß kann den elektrischen Kontakt zwischen Bürste und Kommutator stark verändern, die Stabilität des Motors / Generators reduzieren und seine Lebensdauer deutlich verkürzen.

Die elektrische Prüfung ergibt bei vielen Motor-/Generatorausfällen eine Hochohmigkeit des Kontaktpaares Bürste-Kommutator oder einen Kurzschluss zwischen den Lamellen des Kommutators.

Weitere Untersuchungen konzentrieren sich dann auf materialbedingte / technisch-konstruktive Fehler, wie beispielsweise die Stärke des Bürstenfeuers oder auf Bauteil-, Verarbeitungs-, Material- oder Einsatzfehler der ausgefallenen Motoren/Generatoren.

Eine Vielzahl einfacher Fehler ist bekannt, die durch eine Probeninspektion/elektrische Messung lokalisiert und abgestellt werden können, beispielsweise ein zu hoher oder zu niedriger Federdruck, ein exzentrischer Kommutator oder Schleifring oder ein offener Stromkreis an den Kommutatoranschlüssen. Nicht selten ist jedoch bei Motor-/Generatorausfällen keine mechanische oder materialmäßige Ursache für den Funktionsausfall feststellbar.

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