カーボンブラシって何をするの？

カーボンブラシの核となる機能

A カーボンブラシ 電動工具内の固定配線からモーターシャフトに取り付けられた回転する整流子またはスリップリングに電流を流し、シャフトが高速で回転している間にこれを行います。この滑り接触がなければ、回転する電機子巻線に電流が到達できないため、モーターは動作しません。ブラシは小さなバネによって整流子に押し付けられており、シャフトが回転すると、ブラシ面が一連の銅セグメント上を滑り、各セグメントが短時間接触し、次のセグメントが位置するときに解放されます。この絶え間ないスイッチングにより、モーター内の磁場が適切な瞬間に反転することができ、これがモーターの回転速度を維持する基本原理です。 直流モーター ロックするのではなく、一方向に回転します。

スライド接点が回路を閉じた状態に保つ仕組み

ユニバーサル モーターの内部では、整流子は多数の絶縁された銅セグメントに分割されており、各セグメントは電機子の異なる巻線セットに接続されています。ブラシが 1 つのセグメントから次のセグメントに滑るとき、瞬間的に 2 つのセグメントを同時に橋渡しします。この時点で、整流アーク放電として知られる小さな火花が発生する可能性があります。ブラシ スプリングは通常、次の範囲の接触力を加えます。 150～300グラム 、摩擦によって整流子の表面が不均一に摩耗するほど強く押すことなく、安定した接続を保持するのに十分です。スプリングが弱くなったり、ブラシがホルダーの許容値よりも短く摩耗したりしてスプリング力が低下すると、接触が断続的になり、モーターが不均一に回転したり、負荷がかかったときに電力が失われることがあります。

多くの小型モーターで 2 つのブラシが使用される理由

多くの手持ち式電動工具は、整流子の反対側に配置された一対のブラシを使用しており、一方は電流を流し、もう一方は電流を戻します。この配置により、シャフトにかかる機械的圧力のバランスがとれ、摩耗が分散されるため、単一の接触点がすべての作業を行うことがなくなります。アングル グラインダーや丸鋸など、より大きな電流を消費する工具では、過熱することなく追加の負荷に対処するために、ブラシの幅を広くしたり、接触面を大きくしたりすることがよくあります。

カーボンブラシ構造の背後にある材料

カーボンブラシは単一の均一な物質から作られているわけではありません。この用語は、導電性、硬度、耐熱性のさまざまな組み合わせ向けに設計された一連の炭素ベースの組成物をカバーします。純粋なグラファイト ブラシは柔らかく、自己潤滑性があるため、整流子の表面に優しくなりますが、金属を含むブレンドよりも流れる電流が少なくなります。エレクトログラファイトブラシは、アモルファスカーボンを高温に加熱することによって製造され、これにより内部構造が変化し、材料を比較的柔らかく保ちながら導電性が向上します。銅グラファイトブラシは、粉末状の銅をカーボンマトリックスに混ぜ込み、多くの場合、 40パーセントと70パーセント 銅の含有量が電気抵抗を下げるため、この組成は、真空モーターや携帯用発電機など、かなりの電流を流す工具に一般的です。

摩擦とアーク放電によりブラシが徐々に磨耗する理由

ブラシ面が整流子上を滑るたびに少量の機械的摩擦が発生し、2 つのセグメント間のギャップを横切るたびに小さな電気スパークが発生します。長時間の運転により、これら 2 つの効果が組み合わさってカーボン ブロックが徐々に侵食され、その長さがミリ単位で短くなります。から始まったブラシ 12ミリメートル 長さが近くまで摩耗する可能性があります 4、5ミリ 頻繁に操作する工具を長期間使用すると、その時点でスプリングが整流子に対して適切な圧力を維持できなくなります。継続的に大電流が流れると接触点の温度が上昇し、加熱と冷却のサイクルを繰り返すとブラシの素材が均一に磨耗せずに脆くなり、欠けが生じる可能性があるため、熱も影響します。

ブラシの交換が必要な時期を認識する

磨耗したブラシは、黙って故障するのではなく、いくつかの顕著な症状を通じてそれ自体を知らせる傾向があります。モーターハウジングの通気口付近での目に見える火花、ツールの後部キャップ付近の焦げる臭い、負荷がかかるとモーターの出力が断続的に失われること、ハウジング内に異常な量の黒色炭素粉塵が集まることは、接触面が作業可能な点を超えて薄くなっていることを示す一般的な指標です。多くのメーカーは、使用可能な最小の長さを交換用ブラシに直接マークするか、ツールのサービス文書に指定しています。 6ミリメートル 、これを下回ると、スプリング圧力と接触面積が信頼性の高い電流伝達に十分ではなくなります。定期的なメンテナンス中に、特に作業現場で毎日使用する工具のブラシの長さをチェックすると、モーターが完全に停止する前にこの摩耗を発見できる可能性があります。

修復の計算

交換用カーボン ブラシ セットの価格は通常、新しい電動工具の数分の一であり、摩耗したブラシのペアを交換するかどうかが、工具を引退させるか、さらに数年間使用できるかの違いとなることがよくあります。適度な部品コストで廃棄されるモーターの耐用年数が延びると、交換用ツールの製造に伴う製造エネルギー、梱包、輸送、最終的な廃棄の負担が比較的少額で回避されます。これが、ブラシの交換がプロの技術者だけが行う特殊な作業ではなく、多くの家電製品や工具のメンテナンス コースで教えられる標準的な初歩レベルの修理のままである理由の 1 つです。

カーボンブラシに頼る日常の道具

カーボン ブラシは、明らかなコードレス ドリルを超えて、家庭用および作業場用の幅広い機器の内部に使用されています。アングルグラインダー、丸鋸、レシプロソーはすべて、ブラシ付きユニバーサルモーターに依存しています。これは、モータータイプがコンパクトで安価に製造できながら、切断や研削に必要な高い回転速度に達できるためです。掃除機やキッチンミキサーも同じ技術の小型版を使用しており、ポータブル発電機、一部の天井ファン、古い洗濯機のモーターも、回転電機子に電流を流し続けるためにブラシ整流子の配置に依存しています。自動車用スターター モーターも一般的な例で、エンジンが回転するたびにブラシが短時間ではあるが大量の電流を処理します。

ユニバーサル ブラシを特定のモーターに適合させる

汎用交換ブラシを正しく選択することは、工具の性能を回復する上でも、整流子自体を損傷する可能性のある早期故障を回避する上でも重要です。カーボンブロックの長さ、幅、厚さはブラシホルダーのキャビティに厳密に一致する必要があるため、物理的寸法は選択プロセスの初期段階で重要になります。ブラシが緩く取り付けられていると、安定した接触を維持するのではなく、整流子に対してガタガタ音を立てます。スプリングの張力には、銅セグメントの摩耗を促進するほど強く押し付けることなくブラシをしっかりと固定するのに十分な力が必要です。また、ユニバーサル キットには通常、さまざまなツール カテゴリに適合するさまざまなスプリング オプションが含まれています。ワイヤ端子とコネクタのスタイルは、ブラシを変更せずに取り付けることができるように工具の内部配線に一致する必要があります。また、大型アングル グラインダーのブラシなど、高電流引き込みを目的としたブラシでは、一般に適切な導電性を得るためにより高い金属含有量が必要ですが、生の電流容量よりも静かでスムーズな動作が重要な場合には、より柔らかいグラファイト比率のブラシが選択されます。整流子の材料も決定の要素となります。ブラシの配合によっては、柔らかい銅の整流子に優しいものもありますが、他のブラシの配合は、工業用モーターに見られるより硬く、より耐摩耗性の高い整流子の表面に合わせて配合されているからです。適切に適合したユニバーサル キットは、あらゆるツールに適合する単一の一般的な形状に依存するのではなく、厳選されたサイズと構成の範囲を提供することで、これらの変数を考慮します。