Fogging bei Kommutatoren und Bürsten in Elektromotoren

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Kontaktierungsprobleme beim Anlaufen durch Fogging

Letztlich werden durch diese Kontaminationen Kontaktierungsprobleme verursacht, die das Anlaufen eines Motors insbesondere bei geringen Spannungen verhindern. Die Quelle der Silikonkontamination ist im obigen Beispiel ein Silikonharz, welches im Bereich der Klebeverbindung der Magnete mit dem Gehäuse eingesetzt wird.

Auch beim Ausfall eines Gleichstrommotors mit Kohlebürsten werden im schwarzen Belag auf dem Kollektor verschiedene Elemente / Verbindungen nachgewiesen: Im Bereich A (zwischen den Kollektorlamellen) wird Ruß detektiert, im Bereich B (Kante einer Lamelle) Silizium- und Kupferoxide und im Bereich C (auf einer Lamelle) eine deutliche Belegung mit dem Silikonöl PDMS. Die Messdaten weisen darauf hin, dass während des Betriebes des Motors die Kollektoroberfläche aus der Gasphase mit Silikon kontaminiert wurde.

Es ist bekannt, dass schon bei Silikongehalten von wenigen ppm in der lokalen Gasphase kleiner Elektromotoren ein fehlerfreier Betrieb nicht mehr sicher ist. In bestimmten Bereichen der Kollektoren kommt es bei Spannungsüberschlägen zur Umwandlung des PDMS in Siliziumdioxid.

Unabhängig davon handelt es sich sowohl bei den Belägen aus PDMS als auch aus Siliziumoxiden um elektrisch isolierende Schichten. Hinzu kommt, dass die Funktionsfähigkeit des Kommutators im vorliegenden Fall auch durch den im Bereich zwischen den Lamellen nachgewiesenen Ruß beeinträchtigt ist (Kurzschluss).

Schwarze Beläge führen nicht immer zu einer Isolierung

Aber auch wenn die Kollektoroberflächen nur mit den nach bestimmter Betriebszeit häufiger auftretenden und nicht immer kritischen schwarzen Schichten (Blackpowder) belegt sind, können die Motoren ausfallen.

Wenn die Schichten nicht nur aus Ruß und Kupfer, sondern aus einer Mischung von Silizium- und Kupferoxiden bestehen, werden sie hochohmig. Zur Ursachenforschung reicht es nicht aus, die Elemente Kupfer und Sauerstoff nachzuweisen, sondern auch der Bindungszustand des Kupfers muss untersucht werden.

Die Sequenz der in den Spektren des schwarzen Belages im Massenbereich bis über 1000 µg detektierten Signallinien von Kupferoxid-Clusterionen (bis Cu₁₁O₉H_x^-) weist auf Kupfer(II)oxid (CuO, schwarz) hin.

Der in der Kontaktzone der Kommutatoren nachgewiesene Kupfer-Abrieb aus dem Schleifprozess zwischen Bürste und Kollektoroberfläche liegt häufig nicht in metallischer, sondern in oxidierter Form vor.

Diese Kupferoxide haben nur noch halbleiterähnliche Eigenschaften, wenn sie in Form einer festen Schicht vorliegen. Die Leitfähigkeit des schwarzen Kupferoxides ist gegenüber metallischem Kupfer stark reduziert und liegt etwa bei 10^-2 S/m. Zum Vergleich haben aus reinen Graphitstäuben bestehende Schichten/Beläge (wie sie bei Verwendung von Kohlebürsten entstehen) eine um ca. acht Größenordnungen höhere Leitfähigkeit. Metall- und Graphitstäube können also im Bürsten – Kommutatorsystem ein stark unterschiedliches Verhalten zeigen.

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Während also Graphitstäube zwischen Bürstenkopf und Kollektoroberfläche nicht notwendigerweise störend wirken, können sie den Zwischenraum zwischen den einzelnen Kollektorlamellen elektrisch überbrücken. Bei Kupferstäuben ist die Situation genau umgekehrt. Grundsätzlich stellt sich die Frage, warum die durch Abrieb erzeugten sehr feinen Metallstäube überhaupt am Ort des Entstehens verbleiben.

Hierbei zeigt sich bei vielen untersuchten Bauteilen, dass die Metallstäube in einer organischen Matrix eingelagert und gebunden werden. Hierbei können zwei Bereiche unterschieden werden: Zum einen kann es sich um ein gewollt aufgebrachtes Schmiermittel handeln oder um nicht einkalkulierte Kontaminationen aus verschiedensten Quellen der Elektromotoren, die auf den Kollektoroberflächen adsorbiert werden.

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