Bei jedem bürstenbehafteten Gleichstrommotor stellen Kohlebürsten den gleitenden Kontakt zwischen dem feststehenden Anschluss und dem rotierenden Kommutator her. Sie reiben sich dabei im Betrieb kontinuierlich ab und gehören deshalb zu den wenigen Bauteilen, die planmäßig verschleißen.
Funktion der Kohlebürsten
Die Bürsten leiten den Ankerstrom über Gleitkontakte auf den Kommutator, der den Strom je nach Rotorstellung umschaltet. Nur durch dieses Zusammenspiel dreht sich der Anker kontinuierlich weiter. Mehr zum Zusammenspiel von Bürste und Kommutator im Artikel Bürstenmotor oder bürstenloser Motor?.
Zusammensetzung der Kohlebürste
Kohlebürsten bestehen je nach Anforderung aus unterschiedlichen Kohlenstoff- und Grafitwerkstoffen, die sich in elektrischem Widerstand, Härte, Reibverhalten und zulässiger Stromdichte deutlich unterscheiden. Die Werkstoffwahl richtet sich nach Betriebsspannung, Stromstärke, Kommutator-Umfangsgeschwindigkeit und Einsatzumgebung.
| Werkstoff | Eigenschaften | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| Hartkohle | Hohes Putzvermögen, hoher spezifischer Widerstand, leicht abrasiv | Universalmotoren, Elektrowerkzeuge, Haushaltsgeräte |
| Naturgrafit | Elastisch, vibrationsdämpfend, ruhiger Lauf | Niedrige Betriebsspannung, Kfz-Technik, schnelllaufende Schleifringe |
| Elektrografit | Sehr gute elektrische, mechanische und thermische Eigenschaften, verträgt hohe Kurzschlussströme | Die meisten Gleichstrommotoren, Bahnmotoren, Turbogeneratoren |
| Metallgrafit (Kupfergrafit) | Hohe Leitfähigkeit, niedriger Übergangswiderstand | Hohe Stromdichte bei niedriger Spannung: Anlasser, Lichtmaschinen, Schleifringe |
| Kunstharz-Grafitkohle | Hoher Widerstand, gute Dämpfung | Generatoren, Kommutatormotoren, Frequenzumrichter-Anwendungen |
Die zulässige Stromdichte liegt grob zwischen 7 und 30 A/cm² und hängt stark vom Hersteller und der genauen Rezeptur ab. Imprägnierungen mit Kunstharz oder Metallsalzen verbessern zusätzlich Reibverhalten, Funkenunterdrückung und Oxidationsbeständigkeit. JoMo wählt die passende Bürstensorte anhand der tatsächlichen Betriebsspannung, Stromstärke und Kommutator-Umfangsgeschwindigkeit Ihrer Anwendung aus.
Die neutrale Zone und Kommutierung
Damit ein Gleichstrommotor funkenfrei kommutiert, müssen die Bürsten exakt in der neutralen Zone stehen – dem Bereich des Ankers, in dem während der Kommutierung keine Spannung induziert wird. Steht eine Bürste außerhalb dieser Zone, wird die kurzgeschlossene Ankerspule beim Bürstenwechsel nicht spannungsfrei kurzgeschlossen, was zu Funkenbildung an der Bürstenkante führt.
Unter Last verschiebt das vom Ankerstrom erzeugte Querfeld (Ankerrückwirkung) die magnetische neutrale Zone gegenüber der geometrischen Achse, und zwar umso stärker, je höher der Ankerstrom ist. Ab etwa 1 kW Maschinenleistung kompensieren Wendepole (Interpole) dieses Querfeld automatisch, da ihr Strom proportional zum Ankerstrom fließt – die Bürsten müssen dadurch über den gesamten Lastbereich nicht nachjustiert werden.
Bei der Instandsetzung wird die neutrale Lage entweder statisch (Millivoltmeter zwischen zwei Bürstenarmen bei stillstehendem, extern gespeistem Anker) oder – für die unter Nennlast tatsächlich wirksame Position – dynamisch mit einem Messband auf dem Kommutator ermittelt. Falsch eingestellte Bürsten zeigen sich durch Funkenbildung, Verfärbung und beschleunigten Verschleiß an Kommutator und Bürste sowie durch spürbaren Drehmoment- und Wirkungsgradverlust.
Anzeichen von Verschleiß
Verschleiß, Verklemmen oder ein falscher Anpressdruck der Bürsten äußern sich typischerweise durch verstärkte Funkenbildung am Kommutator, Überhitzung, unrunden Lauf und eine sichtbar kürzer werdende Bürstenlänge. Werden diese Anzeichen ignoriert, beschleunigt sich der Verschleiß am Kommutator zusätzlich, was im schlimmsten Fall zum Motorausfall führt.
Kohlebürstenhalter
Der Bürstenhalter führt die Kohlebürste radial zum Kommutator und drückt sie über eine Feder mit definierter Kraft gegen dessen Oberfläche. Trailing-Halter neigen die Bürste in Drehrichtung, Reaktionshalter entgegen der Drehrichtung – beide Bauformen reduzieren Vibrationen und werden abhängig von Drehrichtung und Reversierbetrieb gewählt.
Übliche Federsysteme sind einfache Schraubenfedern, deren Anpressdruck mit fortschreitendem Bürstenverschleiß nachlässt, sowie konstante Kraftfedern in Uhrfeder-Bauart, die den Anpressdruck über den gesamten Verschleißweg nahezu gleich halten. Je nach Bürstenwerkstoff liegt der empfohlene Federdruck grob zwischen 18 und 55 kPa; zwischen den einzelnen Bürsten einer Maschine sollte die Druckabweichung 10–15 % nicht überschreiten.
Der Abstand zwischen Bürstenhalter und Kommutatoroberfläche beträgt bei den meisten Maschinen etwa 2,5 bis 3 mm – ein zu großer Abstand lässt die Bürste im Halter kippen und ungleichmäßig verschleißen, ein zu geringer Abstand kann zur mechanischen Kollision führen. Die Litze überträgt den Strom niederohmig von der Bürste zum Halterarm; die Feder selbst soll keinen nennenswerten Strom führen, da sie sonst erwärmt wird und vorzeitig ermüdet.
Wartungsmaßnahmen
Zur regelmäßigen Wartung bürstenbehafteter Gleichstrommotoren gehört die Prüfung von Bürsten und Kommutator sowie deren Reinigung von Kohlestaub und anderen Fremdkörpern. Hochwertige, passend ausgewählte Kohlebürsten erreichen dabei in der Regel eine deutlich längere Lebensdauer als einfache oder nicht exakt passende Produkte.
Neue Bürsten müssen vor dem Dauerbetrieb an die Kommutatorkrümmung angepasst werden ("Einschleifen"): Mit feinem Schleifpapier zwischen Bürste und Kommutator wird die Maschine von Hand bewegt, bis die gesamte Bürstenfläche trägt; anschließend werden Schleif- und Kohlestaub vollständig entfernt. Werden weniger als etwa 20 % der Bürsten einer Maschine gleichmäßig verteilt ausgetauscht, schleifen sich vorradiierte Bürsten im Betrieb meist von selbst ein.
Bürsten sollten grundsätzlich satzweise und von derselben Sorte ausgetauscht werden – unterschiedliche Bürstensorten auf einer Maschine zu mischen, erzeugt ungleiche Übergangswiderstände und beschleunigt den Verschleiß. Beim Sortenwechsel muss zudem der alte Kommutatorfilm vollständig entfernt werden.
Zur Kommutatorpflege gehören die Prüfung auf Rundlauf, Rattermarken, Nuten und bläuliche Verfärbungen durch Überhitzung sowie – bei klassischen glimmerisolierten Kommutatoren – die rechtzeitige Glimmer-Unterschneidung. Eine zu glatte, glänzende Oberfläche verhindert die Bildung des schützenden Grafitfilms und muss vor Inbetriebnahme leicht angeraut werden.
Beim Reinigen gilt: Kohlestaub zunächst mit einem Industriestaubsauger entfernen; danach eingesetzte Druckluft sollte den Staub aus der Maschine heraus- statt hineinblasen, da leitfähiger Kohlestaub sonst die Wicklungsisolation beeinträchtigt. Eine Isolationswiderstandsmessung vor und nach der Reinigung zeigt, ob sie wirksam war.
Vor- und Nachteile von Kohlebürsten
Vorteile
- Einfache, seit über einem Jahrhundert bewährte und robuste Technik mit im Feld leicht austauschbarem Verschleißteil.
- Grafit wirkt selbstschmierend und bildet einen dünnen, leitfähigen Film auf dem Kommutator, der Reibung und Verschleiß reduziert.
- Bei passend gewähltem Werkstoff geringer Übergangswiderstand und zuverlässiger elektrischer Kontakt.
- Geringere Anschaffungs- und Reparaturkosten als bei bürstenlosen, elektronisch kommutierten Antrieben.
Nachteile
- Systembedingtes Verschleißteil mit wiederkehrendem Wartungs- und Austauschbedarf.
- Entstehung von Kohlestaub, der in Reinräumen, der Textilindustrie oder bei optischen Anwendungen problematisch sein kann.
- Bürstenfeuer an der Kommutierungskante erzeugt Funken und elektromagnetische Störungen; in explosionsgefährdeten Bereichen sind in der Regel zusätzliche Schutzmaßnahmen nötig.
- Die zulässige Umfangsgeschwindigkeit am Kommutator ist durch Fliehkraft begrenzt, zudem bildet sich der schützende Grafitfilm nur in einem bestimmten Luftfeuchte-Bereich zuverlässig – bei sehr trockener oder sehr feuchter Umgebungsluft steigt der Verschleiß.
Wo diese Nachteile stärker wiegen als der Kostenvorteil, legt JoMo auch bürstenlose Antriebe aus – mehr dazu im Artikel Bürstenmotor oder bürstenloser Motor?.
Wann Reparatur, wann Ersatz?
Ein rechtzeitig erkannter Bürsten- oder Kommutatorverschleiß lässt sich in der Regel reparieren. Zeigen sich dagegen wiederkehrende Schäden oder ist der Kommutator bereits stark in Mitleidenschaft gezogen, kann ein technisch aktualisierter Ersatz wirtschaftlicher sein. Die Entscheidungskriterien dazu erklärt unser Artikel Reparieren oder ersetzen?.
Häufige Fragen
Welche Funktion haben Kohlebürsten im Gleichstrommotor?
Kohlebürsten übertragen den Ankerstrom mechanisch auf den rotierenden Kommutator und stellen so den elektrischen Kontakt zum drehenden Anker her.
Woran erkennt man verschlissene Kohlebürsten?
Typische Anzeichen sind verstärkte Funkenbildung am Kommutator, Überhitzung, unrunder Lauf, eine sichtbar verkürzte Bürstenlänge sowie ungewöhnliche Geräusche.
Was passiert, wenn Kohlebürsten nicht rechtzeitig gewartet werden?
Verschleiß, Verklemmen oder falscher Anpressdruck führen zu verstärkter Funkenbildung, Überhitzung und beschleunigtem Kommutatorverschleiß bis hin zum Motorausfall.
Wie oft sollten Kohlebürsten und Kommutator geprüft werden?
Das hängt stark von Last, Drehzahl, Staubbelastung und Feuchtigkeit der jeweiligen Anwendung ab; ein festes Intervall lässt sich pauschal nicht angeben. Wir legen die sinnvollen Prüfintervalle gemeinsam anhand Ihrer Betriebsbedingungen fest.
Aus welchem Material bestehen Kohlebürsten?
Je nach Anforderung aus Hartkohle, Naturgrafit, Elektrografit, Metallgrafit (Kupfergrafit) oder kunstharzgebundener Grafitkohle. Die Werkstoffwahl richtet sich nach Betriebsspannung, Stromstärke und der Umfangsgeschwindigkeit am Kommutator.
Was ist die neutrale Zone bei einem Gleichstrommotor?
Die neutrale Zone ist der Bereich des Ankers, in dem während der Kommutierung keine Spannung induziert wird. Nur wenn die Bürsten dort stehen, kommutiert der Motor funkenfrei; Wendepole halten diese Lage ab etwa 1 kW Maschinenleistung auch unter wechselnder Last automatisch ein.
Wie stark sollten Kohlebürsten angedrückt werden?
Je nach Bürstenwerkstoff liegt der empfohlene Federdruck grob zwischen 18 und 55 kPa. Zu geringer Druck führt zu Funkenbildung, zu hoher Druck zu beschleunigtem Verschleiß – die Federkraft sollte regelmäßig mit einer Federwaage geprüft werden.
Welche Vor- und Nachteile haben Kohlebürsten gegenüber bürstenlosen Antrieben?
Kohlebürsten sind kostengünstig, robust und leicht austauschbar, erzeugen aber Verschleiß, Kohlestaub und Bürstenfeuer und sind bei Drehzahl sowie Luftfeuchte eingeschränkt. Bürstenlose Antriebe vermeiden diese Nachteile, benötigen dafür eine aufwendigere elektronische Ansteuerung.
Quellen (Auswahl): elektropraktiker.de, rgbelektronika.de, Mersen: Setting the Neutral, Mersen: Wartungsleitfaden Kohlebürsten, schunk-group.com, elosal.de, Wikipedia: Wendepolwicklung.
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