Fogging bei Kommutatoren und Bürsten in Elektromotoren

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Warum kommt es immer wieder zu Motorausfällen wegen Belagsbildungen im Kommutatorbereich? Die Art und die Homogenität der Kontaminationen im Motor sowie der Nachweis eines Teils der Kontaminationen auch bei Neuteilen deutet darauf hin, dass die organischen Moleküle auf den Kontaktoberflächen möglicherweise auf die Adsorption von Molekülen aus der Gasphase oder auf den Herstellungsprozess zurückzuführen sind.

Im Motorraum vagabundierende organische Verbindungen sind aufgrund der Abgeschlossenheit dieses Bereiches vom äußeren Umfeld (Leiterplatte, Gerätekomponenten) größten Teils auf Emissionen aus den typischerweise mehreren Dutzend verschiedenen Materialien/Substanzen zurückzuführen, die allein im Innenbereich der Motoren eingesetzt werden (siehe blau hinterlegter Kasten auf dieser Seite).

Obwohl von den Kunststoffen und Lacken – in seltenen Fällen – auch unvernetzte Polymerbestandteile emittiert werden, droht die deutlich größere Gefahr für eine Emission in den Gasraum von Gleitmitteln, Schmiermitteln, Trennmitteln und anderen Additiven auf den Oberflächen der Komponenten. Der Nachweis dieser dünnen Schichten erfordert eine hochempfindliche Oberflächenanalytik.

Das Bild zeigt die von den Kontaktoberflächen eines funktionierenden Elektromotors mit Metallbürsten bzw. eines ausgefallenen Elektromotors mit Kohlebürsten aufgenommenen Massenspektren. Bei dem intakten Motor (Spektrum A) werden keine Kontaminationen auf der Kontaktoberfläche der Bürste nachgewiesen, sondern nur die Signallinien des Substratmaterials (verschiedene Silberclusterionen, Ag_n⁺).

Demgegenüber werden in dem Spektrum der Bürstenoberfläche des defekten Motors (Spektrum B) deutlich die Signallinien eines Poly-alpha-Olefins (PAO mit Kettenlängen: C30 – C50) detektiert. Hierbei werden sowohl die protonierten als auch die durch die Substratelemente silberkationisierten Sekundärionen beobachtet (Cn + H bzw. Cn + Ag).

Zudem haben sich bei diesem Motor während des Betriebes Silbersulfide gebildet (Ag₃S⁺ in Spektrum B).

Der Subaru Viziv 2 Concept: Sein Plug-In-Hybridsystem besteht aus einem 1,6-Liter-Boxer mit Benzindirekteinspritzung und drei Elektromotoren (Bild: Subaru)

Bei einem ausgefallenen Motor mit Kohlebürsten werden auf der Kollektoroberfläche ebenfalls PAOs festgestellt, die im Massenspektrum aufgrund des Kupferanteils im Kollektor – und Bürstenmaterial als kupferkationisierte Moleküle detektiert werden (Cn + Cu in Spektrum C). Im vorliegenden Fall liegen diese Moleküle im Gemisch mit Kupferoxidclustern im Belag des Kollektors vor. Vermutlich spielt die organische Belegung der Oberfläche eine Rolle als Bindemittel für die Kupferoxidcluster.

Obwohl die kleinen Elektromotoren/-generatoren gut gekapselt sind, beeinflussen externe Emissionsquellen die Funktionsgähigkeit und Lebensdauer. Vor allem organische Verbindungen mit geringer Oberflächenspannung können aus den auf der Leiterplatte benachbarten Materialien (Baulemente, Schutzlacke, Lötkontakte und ähnliche) durch Mikrorisse in den Motor/Generator migrieren und in den Kommutatorbereich gelangen. Dieser Vorgang ist von den Einsatz- und Umgebungsbedingungen, den Betriebstemperaturen und der Laufzeit abhängig.

* Dr. Herbert Feld ist Geschäftsführer bei OFG-Analytik in Münster

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