Fogging bei Kommutatoren und Bürsten in Elektromotoren

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Alternativ werden die Komponenten der Elektromotoren/-generatoren vielfach direkt als mögliche Kontaminationsquellen hinsichtlich der Emission organischer Verbindungen analysiert. Obwohl mittels TDMS-GCMS Messungen Emissionen der verschiedenen Motorteile prinzipiell bis im ppm-Bereich nachweisbar sind, reicht dies in der Regel nicht aus, um die geringen Mengen an organischen Verbindungen in der Gasphase des Motorraumes zu detektieren und einem Motorausfall zuzuordnen.

Adsorbatschichten bauen sich aus wenigen Molekülen in der Gasphase über einen langen Zeitraum auf den Kontaktoberflächen auf. Bei einer Kontaktoberfläche von Kollektor und Bürste von etwa 1 cm² braucht es nur etwa 5 x 10¹⁴ Moleküle, um auf dieser Oberfläche eine störende Monolage zu erzeugen, also für eine typische organische Substanz eine Menge im µg-Bereich.

Je nach ihrem Adsorptionsverhalten reichern sich die Verbindungen auf der Kontaktoberfläche an, so dass hier die Substanzen im Gegensatz zu einer Analyse der Gasphase auch bei schwachen Emissionsquellen mit einem hochempfindlichen Oberflächenanalyseverfahren wie der TOF-SIMS-Technik detektiert und identifiziert werden.

Vorteilhaft ist, dass mit demselben Verfahren die Emissionsquellen innerhalb und außerhalb des Gerätes aufgespürt werden (sourcing). Hierzu werden vorbehandelte Edelmetalltargets in einer Adsorptionsvorrichtung den Emissionsprodukten ausgewählter Motorkomponenten bei bestimmten Temperaturen für vorgegebene Zeiträume ausgesetzt.

Auf diesen Targets werden die in die Gasphase emittierten Verbindungen analog wie bei den Kontaktoberflächen von Kommutatoren adsorbiert und können nachfolgend durch TOF-SIMS-Analysen nachgewiesen werden.

Oberflächenanalytik mittels TOF-SIMS an Ausfallmotoren

Mittels der TOF-SIMS-Analytik kann die Oberflächenchemie der Bürsten und Kommutatoren analysiert werden. Hierbei werden Informationen sowohl zur Chemie der Grundmaterialien von Bürste und Kommutator als auch zu Elementen und Molekülen auf deren Oberflächen gewonnen.

Die Materialien der Kontaktflächen von Bürste und Kommutator bestehen in der Regel aus Kupfer und Silber sowie Nickel und Palladium (häufig nur in der Bürste). In Abhängigkeit vom konkreten Schadensfall wird auf den Kontakoberflächen eine mehr oder weniger starke Belegung mit den verschiedensten organischen Molekülen nachgewiesen.

Dabei liegen häufig über 20 verschiedene organische Verbindungen auf den Kontaktflächen der Motoren / Generatoren vor. Im Kasten sind die häufig detektierten Verbindungen / Substanzen zusammengefasst (in []-Klammern eine mögliche Quelle).

Die Analysen zeigen sehr deutlich, dass es sich um dünne, organische Schichten auf der Kontaktoberfläche handelt, da die Signallinien der Kontaminationen und der Substratelemente Kupfer, Silber und Palladium in demselben Spektrum detektiert werden.

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Bei den Kontaminationen handelt es sich im wesentlichen um das Silikonöl Polydimethylsiloxan und um sogenannte Poly-alpha-Olefine (PAO). Aufgrund des Silberanteiles in der Bürstenoberfläche findet im Desorptionsprozess eine Kationisierung der dort vorliegenden Silikonmoleküle statt, so dass im Spektrum die Molekulargewichtsverteilung eines zyklischen Polydimethylsiloxanes detektiert und identifiziert wird.

Der Motor fällt aus, da sich vermutlich durch Reibungspolymerisation des Silikonöls an der AgPd-katalytischen Metalloberfläche der Bürste durch polymerisierte Siloxane hochisolierende Schichten gebildet haben. Diese Siloxane können an den Kommutatorkanten durch Funkenüberschläge oder im Bürstenfeuer in Siliziumdioxid umgewandelt werden.

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