Kommutatoren in Gleichstrommotoren für Kraftfahrzeuge: Fensterheber, Lüfter und Pumpen

Kommutatoren In Autos treten Fehler selten über Nacht auf, sondern entwickeln sich mit zunehmendem Alter zu Problemen. Bei Fensterhebern, Lüftern und Pumpen entscheiden dieselben Kupfer- und Kohlenstoffteile darüber, wie sich das Fahrzeug anfühlt, wie laut es ist und wie oft Teile im Rahmen der Garantie zurückkommen. In diesem Artikel geht es um diese Entscheidungen, nicht um die Diagramme aus Lehrbüchern.

Warum Kommutatoren in Autos immer noch überall zu finden sind

Moderne Autos verfügen über eine überraschend große Anzahl von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren mit Kommutatoren: Fensterheber, Sitzversteller, Gebläse, Spiegelantriebe, kleine Pumpen. Einige Zulieferer weisen offen darauf hin, dass ein Mittelklassewagen Dutzende von Kommutatoren enthalten kann, die jeweils mit einer Komfort- oder Sicherheitsfunktion verbunden sind.

Auch wenn bürstenlose Antriebe immer mehr Verbreitung finden, bleiben bürstenbehaftete Motoren für 12-Volt-Anwendungen mit geringer Leistung attraktiv, da die Elektronik einfach, die Steuerung unkompliziert und der Motor kostengünstig zu verpacken ist. In Fachartikeln über Gleichstrommaschinen wird der Kommutator nach wie vor als Standardmethode zur Umkehrung des Ankerstroms in Kleinmotoren behandelt, obwohl Hochleistungsantriebe inzwischen weiterentwickelt wurden.

Die eigentliche Frage für einen Automobilingenieur lautet also nicht “Kommutator oder kein Kommutator?”, sondern “Was muss dieser kleine Kupferring überstehen?“. dieses Rolle?”

Fensterheber, HVAC-Gebläse und kleine Pumpen sind gute Beispiele dafür, da sie eine gemeinsame 12-Volt-Versorgung und eine grundlegende Motortopologie haben, ihre Kommutatoren jedoch sehr unterschiedlichen mechanischen, thermischen und umgebungsbedingten Belastungen ausgesetzt sind.

Gleiches Kupfer, drei Aufgaben

Die meisten für diese Funktionen bestimmten Kommutatoren für Kraftfahrzeuge sind geformte Kupfersegmentkonstruktionen: mehrere Kupferstäbe, die auf einer Kunststoffnabe angeordnet, mit Glimmer oder Harzsystemen isoliert, an einer Stahlwelle befestigt und mit den Ankerwicklungen verbunden sind.

Bürsten bestehen fast immer aus Kohlenstoff, manchmal mit Kupferanteil, und werden durch Federn vorgespannt, um den Kontakt über mehrere Segmente gleichzeitig aufrechtzuerhalten. An der Gleitfläche treten alle unangenehmen Erscheinungen auf: Lichtbogenbildung, Bürstenstaub, lokale Erwärmung, chemische Reaktionen mit Dämpfen und Feuchtigkeit. Praktische Leitfäden zur Lebensdauer von Bürsten sind diesbezüglich eindeutig: Die meisten Ausfälle von Gleichstrommotoren lassen sich auf diesen Bereich zurückführen.

Der Unterschied zwischen den drei Anwendungen liegt nicht in der Zeichnung selbst, sondern in der Lebensdauer, die die Zeichnung haben muss.

Fensterheber arbeiten in kurzen Intervallen, oft nahe der Blockiergrenze, und werden manchmal als “zusätzliche Türgriffe” missbraucht. Ventilatoren laufen über lange Zeiträume bei Teillast, blockieren selten und sorgen für Kühlung, verbreiten aber auch Kohlenstoffstaub. Pumpen befinden sich in oder in der Nähe von Flüssigkeiten und können lange Leerlaufzeiten haben, gefolgt von harten Starts in einer feuchten, manchmal chemisch aggressiven Atmosphäre.

Das Design des Kommutators spiegelt diese Leben letztendlich besser wider als jedes Marketing-Datenblatt.

Fensterhebermotoren: kurze Stöße, brutales Abwürgen

Fensterheber-Kommutatoren sind kompakt und haben oft einen relativ kleinen Außendurchmesser, damit sie in beengte Türmodule passen. Spezialisierte Hersteller beschreiben sie als maßgeschneiderte Komponenten für elektrische Fensterhebersysteme, deren Schwerpunkt eher auf kontrollierter Bewegung als auf Dauerbetrieb liegt.

Auf dem Papier sieht der Arbeitszyklus harmlos aus. Ein paar Sekunden hoch, ein paar Sekunden runter, viel Zeit zum Ausruhen. Die Realität sieht anders aus. Der Motor wird regelmäßig bis zum mechanischen Anschlag gefahren, im Winter durch Eis blockiert und durch mit der Zeit erstarrte Fensterdichtungen behindert. Intelligente Regler begrenzen den Strom und erkennen Blockierungen, aber sie tun dies nach Der Kommutator hat dieses Ereignis mit hohem Strom bereits gesehen.

Lichtbogenbildung und NVH

Untersuchungen an Getriebemotoren für Fensterheber zeigen, dass der Kontakt zwischen Kohlebürsten und Kommutator breitbandige Geräusche erzeugt, die sich direkt auf die Getriebevibration und das Griffgefühl auswirken.

Dieses Geräusch hat zwei Komponenten. Die eine ist mechanischer Natur: Bürstenhaargeräusche, Segmentkanten, Zahnradspiel. Die andere ist elektrischer Natur: schnelle Stromübergänge an den Kommutierungssegmenten. Jeder schlecht getimte Mikro-Lichtbogen hinterlässt Spuren auf dem Kupfer, und diese Spuren verändern langsam den Klang des Mechanismus.

Dies lässt sich an Langzeittestteilen erkennen. Neue Kommutatoren weisen eine glatte, fast spiegelglatte Oberfläche auf. Nach einer Dauerprüfung weist ein Fensterheber, der vielen hohen Belastungen ausgesetzt war, fleckige dunkle Spuren, deutliche Hochenergiebalken in der Nähe der typischen Blockierposition und oft eine leichte Stufe auf, an der die Bürsten eine Rille abgenutzt haben. All dies wirkt sich sowohl auf die Geräuschentwicklung als auch auf den Bürstenverschleiß aus.

Bar-Zählung und Kompromiss bei der Richtung

Fensterheber müssen in beide Richtungen leise laufen. Das klingt selbstverständlich, aber der Bürstenleitwinkel, der in einer Richtung für eine saubere Kommutierung sorgt, ist in der anderen Richtung nie perfekt.

Eine höhere Stabanzahl kann die Drehmomentwelligkeit reduzieren und die Spannung zwischen den Stäben senken, was die Lichtbogenbildung begünstigt, aber auch jedes Segment verkleinert. Ist es zu klein, kommt es zu Fertigungstoleranzen, Problemen beim Einbau der Bürsten und Verunreinigungen. Ist es zu groß, fühlt sich das Fenster rau an und die Stopps sind hart. Der optimale Wert ist anwendungsspezifisch und wird oft empirisch ermittelt, nicht durch die sauberen Gleichungen im Kapitel zur Motortheorie.

Noch unangenehmer ist, dass wiederholte Blockierungen häufig in ähnlichen Rotorpositionen auftreten. Das bedeutet, dass dieselben wenigen Stäbe unverhältnismäßig stark beansprucht werden. Bei der Demontage findet man häufig zwei oder drei verbrannte Stäbe an einem ansonsten intakten Kommutator eines Fenstermotors, über den sich Kunden als “langsam” oder “laut” beschweren, lange bevor die Bürsten das Ende ihrer Lebensdauer erreichen.

Feuchtigkeit und Lebensdauer der Tür

Türumgebungen sind feucht, schmutzig und mechanisch anspruchsvoll. Wasser dringt durch die Glasdichtung ein, es kommt zu Kondensation im Türhohlraum, Temperaturschwankungen zwischen Garage und winterlicher Straße – all dies wirkt sich auf die Schnittstelle zwischen Bürste und Kommutator aus. Allgemeine Referenzen zu Gleichstrommotoren weisen darauf hin, dass Feuchtigkeit, Staub und Öl den Verschleiß des Kommutators erhöhen und die Bürstenfilme destabilisieren können.

In der Praxis äußert sich dies darin, dass Motoren, die bei Raumtemperatur auf einem Prüfstand einwandfrei laufen, nach einer kalten Nacht in der Tür Fehlfunktionen aufweisen. Auf dem Kommutator bildet sich eine dünne Oxid- oder Verschmutzungsschicht, die bei der ersten Bewegung des Tages mit mehr Lichtbogenbildung als gewöhnlich abgekratzt wird. Wenn die Bürstenfedern nur noch geringfügig funktionieren, kommt es jedes Mal zu Sprüngen, Mikroperforationen und etwas mehr Kupferstaub im Gehäuse.

HVAC-Gebläse und Kühlventilatoren: lange Betriebszeiten bei mäßiger Belastung

Gebläse- und Lüftermotoren haben eine andere Lebensdauer. Sie drehen sich in der Regel frei, bleiben selten stehen und laufen oft über lange Zeiträume, wenn die Klimaanlage in Betrieb ist. Ihre Konstruktion richtet sich nach der Temperaturdauer und nicht nach dem Spitzenstrom.

In Leitfäden zum Bürstenverschleiß werden drei wichtige Faktoren genannt: Stromdichte, Oberflächenbeschaffenheit und Umgebung. In einem Gebläsemotor ist die Stromdichte moderat, die Oberfläche bleibt relativ sauber und die durch das Gehäuse strömende Luft sorgt für eine leichte freie Kühlung. Dadurch verlagert sich der Fokus auf die Gewährleistung eines stabilen Bürstenfilms und die Vermeidung von Mustern, die zu Resonanzgeräuschen führen.

Thermische Lebensdauer und Kommutatorgeometrie

Da Gebläse stundenlang unter Teillast laufen, muss der Kommutator einer gleichmäßigen, moderaten Erwärmung standhalten und nicht nur kurzen, starken Erwärmungsschüben. Kupfersegmente sind weniger extremen Hotspots ausgesetzt, dafür aber einer stärkeren kumulativen Diffusion und Oxidation. Die Kunststoffnabe und die Harzisolierung altern eher aufgrund der Temperatur als aufgrund mechanischer Stöße.

Die geometrischen Entscheidungen spiegeln dies wider. Die Anzahl der Stäbe ist oft höher als bei kleinen Fenstermotoren, um ein gleichmäßigeres Drehmoment bei höheren Drehzahlen und geringere elektrische Störgeräusche zu erzielen. Die Segmente können schräg angeordnet oder mit schrägen Ankerslitzen gepaart sein, um ein Ruckeln zu verhindern und Amplitudenspitzen im akustischen Spektrum zu reduzieren.

Bei hohen Lüftergeschwindigkeiten entspricht die Bürstenbahn effektiv einem Gleitverschleißtest mit mehreren tausend Oberflächenmetern pro Minute. Jede Diskrepanz zwischen der Bürstenqualität und der Härte der Kommutatoroberfläche zeigt sich schnell in Form von Streifenbildung, Rillenbildung oder schnellem Durchmesserverlust.

Lärmprioritäten

HVAC-Systeme verursachen bereits Luftströmungsgeräusche. Daher wird der akustische Beitrag des Motors etwas überdeckt. Andererseits hören Kunden ein “Ticken” und “Heulen” direkt hinter dem Armaturenbrett, sodass tonale Merkmale weiterhin deutlich wahrnehmbar sind.

Breitbandiges Rauschen durch Bürstenlärm ist in der Regel akzeptabel, wenn es im Hintergrund des Luftstroms bleibt. Deutliche Töne durch Schlitzdurchlauf und Kommutierungsunregelmäßigkeiten sind weniger akzeptabel. Dies erfordert eine strengere Kontrolle der Kommutatorrundheit, der Segmenthöhe und der Bürstenfedersymmetrie. Die NVH-Aufgabe für Gebläse besteht nicht darin, leise zu sein, sondern sich anzupassen.

Pumpen: Flüssigkeit, Verunreinigungen und Lebensdauer des Kommutators

Kleine Automobilpumpen decken Scheibenwaschflüssigkeit, einige Kühlmittelverstärker, einige Kraftstoffversorgungsfunktionen und zahlreiche Aftermarket-Geräte ab. Viele verwenden noch immer bürstenbehaftete Gleichstrommotoren mit Kommutatoren, obwohl der Trend zumindest bei der Kraftstoffzufuhr aufgrund von Effizienz, Langlebigkeit und besserer Kraftstoffkompatibilität zu bürstenlosen Einheiten geht.

Hier sind nicht nur Strom und Wärme die Feinde des Kommutators, sondern auch Flüssigkeiten und Chemikalien.

Kraftstoffpumpen und benetzte Motoren

Technische Diskussionen zum Thema Kraftstoffpumpendesign weisen auf eine einfache Regel hin: Der Betrieb von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren, die in bestimmten Kraftstoffen, insbesondere in Dieselkraftstoff mit geringer Schmierfähigkeit, getaucht sind, kann den Verschleiß von Bürsten und Kommutatoren beschleunigen.

Kraftstoff kann den empfindlichen Graphitfilm, der normalerweise den Kontakt stabilisiert, wegspülen, wodurch das Metall stärker freigelegt wird. Bei einigen Kraftstoffen führen schlechte Schmierfähigkeit und Additive in Verbindung mit elektrischer Beanspruchung dazu, dass die Bürstenkanten abgenutzt werden und das Kupfer Lochfraß bildet. Wenn der Motor nicht untergetaucht ist, werden stattdessen die Dichtungen in Mitleidenschaft gezogen; wenn sie undicht sind, gelangt Kraftstoff auf eine Weise in den Kommutator, die in der Konstruktion nicht vorgesehen ist.

Das Ergebnis ist ein Kompromiss beim Design. Entweder man konstruiert das Kommutator-Bürstensystem so, dass es in einer halbfeuchten Umgebung funktioniert, und akzeptiert, dass die Kraftstoffchemie den Verschleiß beeinflusst, oder man isoliert den Motor und vertraut mehr auf Dichtungen, die durch alternden Kraftstoff langsam angegriffen werden.

Wasch- und Kühlmittelpumpen

Waschmaschinenpumpen und kleine Kühlmittelpumpen arbeiten in der Regel intermittierend, aber Wasser und Glykolgemische finden mit der Zeit ihren Weg in die Gehäuse. Reparaturen von Bilgenpumpen in Hobbyforen vermitteln ein grobes, aber ehrliches Bild: durch Korrosion festsitzende Wellen, Bürsten, die zwar noch ausreichend Länge haben, aber ihre Kontaktqualität verloren haben, Kommutatoren mit starken Roststellen oder grünen Kupfersalzen in der Nähe eines Gehäuse-Risses.

In diesen Funktionen muss die Konstruktion des Kommutators gelegentliche Verschmutzungen berücksichtigen. Breitere Stege, robuste Hinterschneidungen und Bürstenqualitäten, die eine verschmutzte Umgebung tolerieren, sind wertvoller als eine minimale Reduzierung der elektrischen Störgeräusche. Reinigungs- und Selbstpolierverhalten sind wichtiger als perfekte Effizienz.

Auch lange Stillstandszeiten sind schädlich. Eine Pumpe kann monatelang ungenutzt bleiben und dann bei frostigen Temperaturen für einige Sekunden mit voller Leistung laufen. Jede Instabilität der Beschichtung, Korrosion oder Kondensation am Kommutator wird dann bei einem einzigen Hochstromstart bestraft. Der erste Start nach langer Lagerung ist oft das härteste Kontaktereignis im Leben des Motors.

Eine Motorenfamilie, drei verschiedene Designvorgaben

Sie können die Unterschiede erkennen, indem Sie die drei nebeneinander legen. Die Zahlen variieren je nach Anbieter, aber die Designvorgaben sind einheitlich.

Die zugrunde liegende Physik ist dieselbe. Der Kommutator erfüllt lediglich drei verschiedene Aufgaben.

Material- und Geometrieauswahl, die selten in Datenblättern aufgeführt ist

Lieferanten sprechen in ihrer Marketing-Sprache von Kupfer und Isoliermaterialien, aber ihre internen Konstruktionsnotizen sind praktischer. Aktuelle Übersichten über die Kommutatorkonstruktion beschreiben die Kombination aus Kupfersegmenten, Isoliermaterialien und Kunststoffgehäusen als einen Balanceakt zwischen Sicherheit, Stromleitung, mechanischer Festigkeit und Gewicht.

Einige Entscheidungen sind für Automobilaktuatoren von großer Bedeutung, auch wenn sie nicht ausdrücklich genannt werden.

Segmentmaterial und Beschichtung. Hochreines Kupfer ist Standard, aber Additive oder Oberflächenbehandlungen können die Bildung des Lauffilms mit einer bestimmten Bürste und Umgebung verändern. In Türmodulen beispielsweise ist eine Oberfläche, die trotz Feuchtigkeit und kleinen Spannungszyklen einen robusten Film bildet, mehr wert als eine geringfügige Verbesserung der Leitfähigkeit, die nur bei Volllast von Nutzen ist.

Kunststoff-Nabensystem. Die Nabe muss die Presspassungsspannung der Welle, die Zentrifugalkräfte beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb und die Temperaturwechsel von der Kabine zum aufgeheizten Fahrzeuginnenraum aushalten. Automobilkommutatoren müssen außerdem chemischen Belastungen durch ausgasende Kunststoffe, Dämpfe aus Türhohlräumen und gelegentlich auch Kraftstoff oder Waschflüssigkeit standhalten. Die Nabe ist nicht nur ein Träger; wenn sie sich verformt oder Risse bekommt, verändern sich mit der Zeit die Segmentausrichtung und die Isolationsabstände.

Isolierung zwischen Segmenten. In Fachartikeln zur Fehleranalyse von Kommutatoren wird häufig von beschädigtem Glimmer oder Harz zwischen den Segmenten berichtet, das leitfähig geworden oder physisch beschädigt ist. In einem Pumpenmotor kann dies durch Feuchtigkeit und Verunreinigungen beschleunigt werden, in Gebläsen durch Temperaturwechsel. Das Ergebnis ist eine Bar-zu-Bar-Leckage, die den Geräuschpegel erhöht und die Effizienz verringert, lange bevor der Motor tatsächlich ausfällt.

Bürstenanordnung und Federsystem. Die Kommutierungsebene ist ein bekanntes Konzept; praktische Ingenieure machen sich auch Gedanken darüber, wie die Federn altern, ob die Bürstenhalter mit Staub verstopfen und ob die Bewegung der Bürsten unter Vibrationen zu einer zeitweiligen Beschleunigung des Verschleißes führt. Der gleiche Kommutator kann je nachdem, ob die Federn die Bürste über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg mit gleichmäßigem Druck auf dem Segment halten, nicht nur in Labortests, eine gute oder schlechte Leistung erbringen.

Was Ausfälle auf der Ersatzbank über das Leben im Auto verraten

Erfahrene Reparaturtechniker und Motoringenieure betrachten Kommutatoren oft wie Geschichtenbücher. Technische Artikel über Kohlebürsten beschreiben typische Oberflächenzustände – gleichmäßiger brauner Belag, Streifenbildung, Rillenbildung, Verbrennungen – und bringen sie mit bestimmten zugrunde liegenden Problemen in Verbindung.

Bei den drei Anwendungen hier wiederholen sich die Muster.

Fensterhebermotoren weisen häufig lokale schwarze oder blaue Streifen auf, die den Blockierpositionen entsprechen, kombiniert mit einer insgesamt akzeptablen Bürstenlänge. Es kann zu einem leicht exzentrischen Verschleißmuster kommen, wenn der Motor Wasser eingedrungen ist und Korrosion an den Lagern aufweist. Kunden berichten von langsamen oder lauten Fenstern, nicht von einem vollständigen Ausfall.

Gebläsemotoren weisen gleichmäßiges, leicht aufgerautes Kupfer mit einem einheitlichen Film auf, aber die Bürsten sind fast bis zum Ende ihres Hubs abgenutzt. Geräuschbeschwerden treten in der Regel kurz vor einem elektrischen Ausfall auf, da die abgenutzte Bürste mechanisch instabil wird und das Rattern zunimmt.

Pumpen sind vielfältiger. Waschmaschinenpumpen weisen manchmal normale Abnutzungserscheinungen am Kommutator auf, aber festsitzende Wellen oder undichte Dichtungen. Kraftstoffpumpen können bei schlechter Kraftstoffqualität einen im Verhältnis zum Alter überraschend starken Verschleiß der Bürsten aufweisen. Kommutatorsegmente mit punktueller Korrosion oder grünen Ablagerungen deuten oft darauf hin, dass Wasser in Gehäuse eingedrungen ist, die dafür nicht ausgelegt sind, entweder durch rissige Kunststoffe oder alternde Dichtungen.

Wenn diese Muster frühzeitig im Fahrzeugprogramm untersucht werden, und zwar anhand von beschleunigten Tests statt anhand von Kundenrückgaben, kann das Designteam die Bürstenqualität, die Federkraft oder die Kommutatoroberfläche anpassen, bevor der Schaden in die Garantiestatistiken einfließt.

Designgewohnheiten, die gut altern

Angenommen, Sie kennen bereits Ihre Bürstendiagramme, Stromdichtegrenzen und grundlegende thermische Modellierung, dann drehen sich die meisten nützlichen Gewohnheiten rund um Kommutatoren in diesen kleinen Automobilanwendungen um Beobachtung und Grenzdenken.

Behandeln Sie bei Fensterhebern Worst-Case-Stalls und Starts bei niedrigen Temperaturen als erstklassige Konstruktionsfälle und nicht als seltene Missbräuche. Wenn Prüfstände eine konsistente Stangenverbrennung in bestimmten Positionen zeigen, überprüfen Sie sowohl die Software (Strombegrenzungen, Pinch-Algorithmen) als auch die mechanische Ausrichtung, die dazu führen könnte, dass das Glas immer in derselben Rotorausrichtung stoppt.

Bei Gebläsen und Ventilatoren sollten Sie nicht nur die Leistung und Effizienz im Auge behalten, sondern auch, wie sich das akustische Spektrum mit zunehmendem Alter verändert. Ein Kommutator, der zunächst leise läuft, aber mit zunehmendem Verschleiß der Bürsten Geräusche entwickelt, gibt Aufschluss über die Rundheit, Abweichungen in der Stangenhöhe und möglicherweise eine Fehlanpassung der Wärmeausdehnung zwischen Nabe und Kupfer.

Bei Pumpen, insbesondere wenn Flüssigkeiten den Kommutator erreichen können, sollten Sie Ihre Konstruktionsentscheidungen an der tatsächlichen Kraftstoff- und Flüssigkeitschemie ausrichten und nicht an idealisierten Proben. Erfahrungsberichte über Bürstenverschleiß oder Korrosion in bestimmten Kraftstoffen lassen sich in der Regel auf Entscheidungen über Tauchfähigkeit, Abdichtung und Materialverträglichkeit zurückführen, die früh getroffen und dann vergessen wurden.

Das ist keine glamouröse Arbeit. Es handelt sich um Laborarbeit, das Zerlegen von Türen und das sorgfältige Überprüfen von Verschleißteilen. Doch schon wenige Gramm Kupfer und Kohlenstoff pro Motor entscheiden darüber, wie zuverlässig, leise und vorhersehbar sich diese alltäglichen Fahrzeugfunktionen über ein Jahrzehnt hinweg anfühlen.

Und in einem Auto voller Elektronik trägt dieser kleine mechanische Schalter am Rotor immer noch eine große Verantwortung.