Fogging bei Kommutatoren und Bürsten in Elektromotoren

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Bei vielen dieser Bauelemente liegen die Ursachen des Versagens in den Kontaktflächen des Kommutators, wo der Kontakt durch sichtbare oder unsichtbare Beläge gestört wird. In manchen Fällen sind nach dem Öffnen des Bauteils dunkle Beläge auf den Kontaktoberflächen zu erkennen.

Solche Schichten können in direktem Zusammenhang mit dem Vorhandensein einer Atmosphäre aus organischem Gas in einem Motor stehen, die bei Überschlägen oder durch Adsorption und Reibung zu einer isolierenden Polymerschicht auf den gleitenden Kontaktbereichen der Bürste und des Kollektors führt.

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Die isolierenden Polymerschichten machen den gleitenden Kontakt instabil und erhöhen den Kontaktwiderstand (Hochohmigkeit). Als bei der Fehlersuche besonders schwierig stellt sich heraus, dass solche Motoren nicht permanent, sondern nur sporadisch ausfallen und der Betrieb somit unzuverlässig wird. Ähnliche Probleme werden auch bei Relais-Kontakten beobachtet.

Motoren/Generatoren, die nun aufgrund einer Oberflächenbelegung in der Kontaktzone ausgefallen sind, können in zwei Bereiche eingeteilt werden, deren Untersuchungsergebnisse im Folgenden dargestellt werden. Zum Einen wurden die Kollektoroberflächen von neuen Elektromotoren mehr oder weniger kontaminationsfrei ausgeliefert und in Betrieb genommen.

Die Kontaktoberflächen entwickeln jedoch mit der Zeit Beläge durch Verbindungen, die aus Komponenten des Motors/Generators oder den benachbarten Bauelementen kommen, über die Gasphase zu den Kontaktoberflächen gelangen und dort adsorbiert werden.

Zum Anderen sind manche Kontaktoberflächen schon im Ausgangszustand zum Schutz vor Abrieb oder Adsorption mit einem Schmiermittel wie beispielsweise einem perfluorierten Polyetheröl belegt. In beiden Fällen spielt die kontrollierte oder ungewollte Oberflächenbelegung eine wichtige Rolle.

Erst die richtige Analyse führt zu den hilfreichen Ergebnissen

Erste analytische Untersuchungen von ausgefallenen Elektromotoren/-generatoren mit Verdacht auf kontaminierte Kontaktoberflächen werden auch heute noch vielfach mit konventionellen Verfahren wie der Rasterelektronenmikroskopie/Röntgenmikroanalyse (direkte Analyse der Bürsten- und Kollektoroberflächen) bzw. mittels GC-MS (Analyse der Emissionsprodukte von ausgewählten Motorkomponenten) durchgeführt.

Häufig zeigen derartige Untersuchungen jedoch keine Unterschiede zwischen i.O.– und n.i.O.– Motoren/Generatoren. REM/EDX-Analysen sind sicher die richtige Wahl, um die Kontaktflächen hinsichtlich möglicher Veränderungen in der Topographie (Abrieb, Partikel und ähnliches) zu untersuchen, helfen aber nur wenig bei der Analyse eines Belages aus organischen Verbindungen.

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Zum einen beschränkt sich die EDX-Analyse auf die reine Elementzusammensetzung, so dass eine Identifizierung der chemischen Zusammensetzung auch dicker Belagsschichten unmöglich ist. Zum anderen ist mittels REM der heute besonders wichtige Nachweis von dünnen organischen Schichten (teilweise im Monolagenbereich) nicht möglich.

Eine Monolage oder auch Monoschicht ist ein Belag auf Oberflächen, welcher so dünn ist wie ein Atom oder Molekül. Diese Schichten sind aber bei Kontaktoberflächen besonders kritisch, da sie im Produktionsprozess kaum entdeckt werden können; sie bilden sich möglicherweise erst mit der Zeit und führen zu einem sporadischen Versagen der Motoren, so dass eine Prognose für eine sichere Laufzeit der Motoren nicht möglich ist.

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