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Motoren und Antriebe
Kohlebürsten – Auswahl und Fehlervermeidung

Auf den ersten Blick erscheinen Kohlebürsten vielleicht als triviale Verschleißteile. Tatsächlich zählen sie jedoch zu den wichtigsten Komponenten eines Motors.

Beschädigter Schleifring: Die falschen Kohlebürsten können Bürstenfeuer verursachen und zu erheblichen Motorschäden führen.

Beschädigter Schleifring: Die falschen Kohlebürsten können Bürstenfeuer verursachen und zu erheblichen Motorschäden führen. (Foto: Menzel Elektromotoren GmbH)

Die Qualität und ordnungsgemäße Wartung der Kohlebürsten wirken sich wesentlich auf die Laufeigenschaften und die Lebensdauer eines Motors aus und sind damit maßgeblich für seine Gesamteffizienz.

Kohlebürsten kommen weiterhin in vielen Anwendungen zum Einsatz. Große Gleichstrommotoren sind generell auf Kohlebürsten angewiesen. Im niedrigen Leistungsbereich ist dies für Gleichstrommotoren ebenfalls die übliche Konstruktion, abgesehen von einigen bürstenlosen Servomotoren.

Außerdem werden alle Schleifringläufermotoren mit Kohlebürsten ausgestattet. Drehstrom-Asynchronmaschinen dieser Bauart spielen bis heute eine große Rolle in der Schwerindustrie. So ist es auch in der nachfolgend beschriebenen Anwendung.

Anhand des Fallbeispiels wird erläutert, was sich beim Umgang mit Kohlebürsten in der Praxis bewährt hat und was häufig zu Problemen führt.

Minderwertige Bürsten – aufwändige Reparaturen

Menzel Elektromotoren aus Berlin wurde vor Kurzem für Reparaturarbeiten nach Südamerika gerufen: In einer Zementmühle war der Hauptmotor ausgefallen, und zwar innerhalb 24 Stunden nach einem Wechsel seiner Kohlebürsten. Schnell stellten die Servicetechniker fest, dass die vor Ort beschafften Bürsten der Grund für das Versagen des Motors waren. Die Bürsten von minderwertiger Qualität schlugen Funken und beschädigten die Schleifringoberfläche (Bild 1 – siehe oben!).

Normalerweise muss ein durch Bürstenfeuer beschädigter Motor in einer Werkstatt repariert werden. Das Menzel-Team konnte das jedoch innerhalb einer Woche vor Ort erledigen.

Die Ingenieure nahmen dazu den Motor komplett auseinander, reinigten die Teile und schliffen den Schleifring ab, um ihn wieder in einen guten Zustand zu versetzen. Die Bürsten selbst wurden durch Produkte aus hochwertigem Material ausgetauscht, die für die Anwendung geeignet sind. Weil das Bürstenfeuer auch die Bürstenhalter beschädigt hatte, wurden neue beschafft und montiert.

„Es wird häufig unterschätzt, wie wichtig es ist, hochwertige und auf spezifische Anwendungsbereiche ausgelegte Kohlebürsten auszuwählen und sie ordentlich in Stand zu halten“, sagt Mathis Menzel, in der dritten Generation Geschäftsführer von Menzel Elektromotoren.

„Unkenntnis, mangelnde Erfahrung und fehlende Wartung der Bürsten führen dann womöglich zu schweren Motorschäden wie in diesem Fall.“

Menzel empfiehlt Betreibern, bei der Beschaffung von Ersatzbürsten immer ihren Motorlieferanten zu Rate zu ziehen. Es gibt jedoch auch einige einfache Regeln, mit denen Betreiber selbst eine gute Wartungsroutine entwickeln können, damit ihre Kohlebürsten eine lange Lebensdauer erreichen.

Vorbeugende Maßnahmen gegen Bürstenfeuer

Kohlebürsten sollten regelmäßig auf Verschleiß überprüft werden. Daher ist jederzeit eine leichte Zugänglichkeit für Inspektion und Wartung zu gewährleisten. Wenn mehr als 50 % der ursprünglichen Länge abgenutzt sind, sollten Bürsten ausgetauscht werden, denn danach ist der Federanpressdruck gegen den Schleifring zu gering (Bild 2). Der flächige Kontakt ist dadurch nicht mehr zuverlässig gewährleistet. Die Bürsten gleiten dann nicht mehr wie erforderlich und können daher Funken sowie möglicherweise Bürstenfeuer verursachen.

Funken können auch durch fehlerhafte Handhabung, wie zum Beispiel schlechte mechanische Passung, verursacht werden. Kohlebürsten müssen leicht in ihrer Halterung gleiten. Sie dürfen nicht klemmen bleiben und den Kontakt zum Schleifring verlieren, da es sonst zu Funkenschlag kommen kann. Das Spiel darf jedoch auch nicht zu groß sein, denn dann kann die Bürste „klappern“ – statt flächiger Auflage stoßen die Kanten abwechselnd gegen den Schleifring und nutzen sich ab. Dadurch kann kein sicherer Kontakt mehr zustande kommen, und auch dies kann Funken auf dem Schleifringkörper verursachen.

Mehr als die Summe ihrer Bestandteile

Was macht nun also die Qualität von Kohlebürsten aus? Kohlebürsten werden aus verschiedenen Materialien hergestellt, zumeist jedoch aus Graphit und Kupfer. Der Kohlenstoff dient als Gleitmittel und bildet eine Patina aus. Kupfer sorgt für herausragende Stromleitfähigkeit.

Anwendungsspezifisch können sehr unterschiedliche Zusammensetzungen der Bürsten erforderlich sein. So braucht ein Traktionsmotor für einen Zug in Sibirien eine andere Zusammensetzung von Kohlenstoff und Kupfer als ein gleichmäßig durchlaufender Antrieb in einer Zementmühle in der Wüste Saudi-Arabiens.

Es verlangt ein hohes Maß an Know-how, für eine bestimmte Anwendung bzw. einen Motor die richtige Mischung zu bestimmen. Auch sehr kleine Veränderungen der Zusammensetzung können nämlich die Eigenschaften einer Bürste so wesentlich beeinflussen, dass sie den speziellen Anforderungen nicht mehr gerecht wird.

Diese grundsätzlichen Zusammenhänge sind den meisten Betreibern auch bekannt. Sie dürften jedoch nicht den Fehler begehen, die Qualität von Kohlebürsten allein an der richtigen Zusammensetzung festzumachen. Die molekulare Struktur des Materials spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle und auch die Schnittrichtung, in der die Bürsten aus dem Materialblock geschnitten wurden. Beides beeinflusst, wie gut der Schleifkontakt ist.

Des Weiteren muss durch die Verankerung der Stromseile in den Kohlebürsten sichergestellt werden, dass die Bürste den Strom über die gesamte Oberfläche gleichmäßig leitet. „Betreiber sollten die Expertise von Motorlieferanten mit vielfältigen praktischen Erfahrungen nutzen und Kohlebürsten in Absprache mit ihnen auswählen“, sagt Mathis Menzel.

Auch der Installationsort spielt in diese Frage hinein. Für baugleiche Motoren in identischen Applikationen sind an verschiedenen Standorten unter Umständen unterschiedliche Kohlebürsten optimal. Maßgeblichen Einfluss darauf haben sowohl Luftfeuchtigkeit und Umgebungstemperatur als auch die Aufstellungshöhe sowie abrasive Partikel aus der Kühlluft. Lastschwankungen sind ebenfalls relevant. Es ist also wichtig, möglichst viel über die Anlage und das Nutzungsprofil zu wissen.

Keine unterschiedlichen Größen, Chargen und Güten

Abgesehen von Kohlebürsten, die für die Anwendung ungeeignet sind oder nicht die notwendige Qualität haben, stoßen Menzel-Ingenieure häufig auf andere vermeidbare Fehler. Beispielsweise werden Bürsten unterschiedlicher Größen eingesetzt oder bei der Instandhaltung wird nur ein Teil der Bürsten ausgewechselt.

Menzel empfiehlt nicht nur, niemals verschiedene Bürstentypen zu mischen, sondern rät auch davon ab, Bürsten verschiedener Hersteller zu verwenden:„Auch kleine Abweichungen in der Zusammensetzung bewirken unterschiedliche Widerstände und führen damit zu asymmetrischen Rotorströmen. Dies hat einen ungleichmäßigen Verschleiß zur Folge, der sich über die Zeit nur verstärkt. Wir hatten sogar schon Fälle, in denen Bürsten, die einfach nur aus unterschiedlichen Chargen stammten, zu Problemen führten. Wir verwenden daher in unseren Motoren grundsätzlich nur qualitativ hochwertige Bürsten aus demselben Produktionslauf.“

Ein passender und einheitlicher Bürstentyp ist allerdings an sich noch keine Gewähr für Qualität. Werden auf den ersten Blick geeignete Produkte zu viel günstigeren Preisen angeboten als die Originalausstattung, ist immer Vorsicht angezeigt.

Menzel empfiehlt, Kohlebürsten und Halterungen generell vom ursprünglichen Motorlieferanten zu beziehen. Nur so kann man sicher sein, die Bürsten in der richtigen Qualität zu erhalten. Dann ist Verlass darauf, dass sich kostspielige Reparaturen vermeiden lassen, die allzu häufig durch versehentliche Verwendung der falschen Bürsten oder den Einsatz minderwertiger Produkte verursacht werden. Wichtig ist daneben natürlich auch, dass die regelmäßigen Kontrollen und Instandhaltungsmaßnahmen gemäß Herstellerempfehlung eingehalten werden.

Investition in Qualitätsbürsten zahlt sich aus

Beim Kauf von Kohlebürsten darf man nicht den Rotstift ansetzen. Was auf den ersten Blick kostengünstig aussehen mag, zahlt sich auf lange Sicht nie aus. Kohlebürsten sind zu elementar für eine gute Motorleistung, um bei der Qualität irgendwelche Zugeständnisse zu machen. Hochwertige und richtig ausgewählte Kohlebürsten haben eine deutlich längere Lebensdauer als einfache und nicht passende Produkte (Bild 3).

Die Ausgaben für qualitativ gute Bürsten und Halter sind ein kleiner Posten gemessen an den Gesamtkosten für Anschaffung und Wartung eines Motors. Sie lohnen sich allemal, wenn man damit die beträchtlichen Aufwendungen für Reparaturen einspart, die bei einem Motorausfall entstehen, und wenn sich dadurch vor allem auch die erheblichen Folgekosten abwenden lassen, die durch einen Stillstand des Betriebs entstehen.

Autor: Anja Leipold

Bild 1: Beschädigter Schleifring: Die falschen Kohlebürsten können Bürstenfeuer verursachen und zu erheblichen Motorschäden führen (Quelle: Menzel Elektromotoren GmbH)
Bild 2: Bürsten sollten nicht mehr verwendet werden, nachdem sie zur Hälfte abgenutzt sind (Quelle: Menzel Elektromotoren GmbH)
Bild 3: Hochwertige Kohlebürsten beeinflussen maßgeblich die Motoreigenschaften, seine Lebensdauer und Leistungsfähigkeit (Quelle: Menzel Elektromotoren GmbH)

Der Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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