モーターのカーボンブラシとは？

カーボンブラシはモーターの重要な部品で、主に黒鉛、金属粉、バインダーからできており、ブロック状の構造をしています。整流子またはコレクターリングとの密接な接触を通じて、モータの動作に不可欠な役割を果たしています。電流の伝導と整流機能を実現し、モーターの安定した運転を確保する。

カーボンブラシの外観と基本組成

外観とフォルム

カーボンブラシの外観は通常ブロック状で、形状は立方体か立方体が多い。大きさはモーターの種類や出力によって異なる。一般に、小型モーターのカーボンブラシの長さはわずか数センチメートルかもしれない。大型モーターに使用されるカーボンブラシは比較的大きく、長さは10センチメートル、あるいはそれ以上に達することもある。そして、幅が広く、厚みがある。カーボンブラシの両端は通常平らである。これは、モーター内の整流子やコレクターリングとの接触を良くし、電流の安定した伝導を確保するためである。角の部分には、丸い処理をするカーボンブラシもあります。モータの運転中に他の部品の摩耗を減らすことができます。

カーボンブラシの材質

カーボンブラシの主成分 グラファイトグラファイト、金属粉、バインダー黒鉛はカーボンブラシの主成分で、電気伝導性が良く、自己潤滑性があります。この自己潤滑性により、カーボンブラシがモーター内部の回転部品と接触する際の摩擦や摩耗を低減することができる。カーボンブラシの導電性と耐摩耗性を高めるために金属粉末を添加する。バインダーの役割は、グラファイトと金属粉をしっかりと結合させること。そのため、遠心力や摩擦力などの外力によって、モーターの運転中にカーボンブラシが崩壊することはありません。そして、カーボンブラシの構造的完全性を確保します。

 モーター内のカーボンブラシの位置と機能

設置位置

カーボンブラシはモータのブラシホルダに取り付けられる。ブラシホルダは一般にモータのステータ部に固定されている。位置的には、カーボンブラシはモータの整流子（DCモータの場合）またはコレクタリング（ACモータの場合）の近くにあります。さらに、ブラシホルダのバネ装置を通して、カーボンブラシに一定の圧力を加えることができます。そのため、整流子やコレクターリングの表面にしっかりと密着させることができます。この密着状態こそが、モーターを正常に作動させる鍵なのです。

電流伝導効果

カーボンブラシの最も基本的な役割は、電流を流すことである。モーターが作動しているとき、外部電源からの電流はワイヤーを通ってカーボン・ブラシに伝わります。その後、モータの電機子巻線（DCモータの場合）またはロータ巻線（ACモータの場合）に電気を流します。

カーボンブラシ機能

カーボンブラシは、電流を流すだけでなく、モーターにおいて他の重要な機能を有している。直流モーターでは カーボンブラシ と整流子が協働して整流機能を果たす。カーボンブラシは電機子巻線に流れる電流の向きを変えます。そのため、電機子巻線が受ける電磁力の方向は変わりません。そのため、モーターは安定して回転し続けることができます。

ACモーターでは、カーボンブラシの機能は主に、電流がローター巻線に安定して入力できるようにし、磁界とローターの間の効果的な相互作用を維持することです。そして、モーターの正常な運転を保証します。

カーボンブラシの種類

カーボンブラシは、さまざまな基準によって分類することができます。

材料組成の分類により、黒鉛カーボンブラシ、金属黒鉛カーボンブラシ、電気化学黒鉛カーボンブラシがある。黒鉛カーボンブラシ 天然黒鉛 主原料として、その自己潤滑性は良好である。これは、いくつかの電流要件は、小型ファンモータなどの高、低速モータではありませんに適しています。金属グラファイトカーボンブラシは、より多くの金属成分、強力な通電能力を含んでいます。大型の産業用DCモーターなど、高電流、低速のモーターによく使用できます。電気化学グラファイトカーボンブラシは、合成であり、その総合的な性能は優れています。一般産業用モーターに広く使用できます。

アプリケーションモータの種類に応じて、DCモータカーボンブラシとACモータカーボンブラシがあります。 DCモーター カーボンブラシは良好な整流性能を必要とする。ACモーターのカーボンブラシは、安定した電流伝達とコレクターリングとの良好な接触にもっと注意を払う。

また、使用環境の違いにより、耐高温カーボンブラシ、耐湿カーボンブラシ、防塵カーボンブラシに分けられる。耐高温カーボンブラシは、高温環境で正常に動作することができます。耐湿性カーボンブラシは高湿度環境に適しています。また、防塵カーボンブラシは、粉塵の多い環境でもモーターの正常な作動を確保することができます。

カーボンブラシの動作原理

コミュテーションの原理

DCモーターでは、整流原理がカーボンブラシの仕事の重要な部分です。モータの電機子が回転するとき、電機子巻線に流れる電流の向きを常に変えて、モータの連続回転を確保する必要があります。これを実現するのがカーボンブラシと整流子の組み合わせです。整流子は複数の絶縁整流子で構成されています。アーマチュアが回転すると、カーボンブラシが順番に異なる整流子に接触します。カーボンブラシが整流子から別の整流子へスライドすると、電機子巻線に流れる電流の向きが変わります。

電磁誘導とエネルギー変換

電流がカーボンブラシを通して電機子巻線（または回転子巻線）に入ると、磁界の作用により巻線に電磁力が発生します。そしてこの電磁力によってモーターのローターが回転します。電気エネルギーから機械エネルギーへの変換を達成するように。同時に、モーターが回転する過程で、電機子巻線（またはローター巻線）は磁力線を切ります。そして電磁誘導の法則に従い、誘導起電力が発生します。この誘導起電力の方向は、印加された電源電圧の方向とは逆です。これを逆起電力という。逆起電力はカーボンブラシを通して電源にフィードバックされ、完全なエネルギー変換・伝達プロセスが完了します。

カーボンブラシ仕様

カーボンブラシには、接触圧損、摩擦係数、摩耗率、電流密度など、いくつかの重要な性能指標があります。

接触電圧降下は、カーボン・ブラシと整流子（またはコレクター・リング）間の接触抵抗を反映します。そして、接触電圧降下が小さいほど電流伝達時のエネルギー損失が小さくなり、モーターの効率が高くなります。

摩擦係数はカーボンブラシの摩耗とモーターの動作抵抗に直接影響します。摩擦係数が低いほど、カーボンブラシの磨耗を減らし、寿命を延ばすことができます。また、モータのエネルギー消費と加熱を減らすことができます。

摩耗率はカーボンブラシの寿命を測る重要な指標です。摩耗率の低いカーボンブラシは、長期間良好な性能を維持することができます。モータのメンテナンスコストとダウンタイムを削減します。

電流密度とは、カーボンブラシが単位面積当たりに耐えられる電流の大きさを表します。大電流のモーターでは、安定した動作をさせるために電流密度の高いカーボンブラシを選ぶ必要があります。

カーボンブラシの性能上の利点

カーボンブラシには多くの性能上の利点があります。まず、導電性が良いため、モータのエネルギー損失を効果的に低減し、モータの運転効率を向上させることができます。第二に、カーボンブラシの自己潤滑性は、整流子（またはコレクターリング）との間の摩擦と摩耗を減らすことができます。これにより、ブラシ自体の寿命が延びるだけでなく、整流子（またはコレクターリング）へのダメージも軽減されます。

さらに、カーボンブラシは高い機械的強度と安定性を持っています。そして、高速でモーターから発生する遠心力と振動に適応することができます。また、複雑な条件下での様々な応力にも対応し、様々な使用条件下でもモーターが確実に作動することを保証します。さらに、カーボンブラシは整流子（またはコレクターリング）の表面に強い適応性を持っています。接触部品間のフィット感をある程度自動的に調整することができます。電気接触の安定性を確保します。そして、発火や加熱などの接触不良による故障を減らします。

カーボンブラシのよくある故障とメンテナンス

一般的な故障の種類

過度の摩耗：カーボンブラシの長さが著しく短くなり、整流子（またはコレクタリング）との接触が悪くなる。モータの性能を低下させ、深刻な場合は始動不能や運転中断に至る。

スパーク現象：カーボンブラシと整流子（またはコレクターリング）の接触部分がスパークする。これはカーボンブラシの磨耗を早め、モーターの安定性と効率に影響する。また、短絡につながることもある。

接触不良：カーボンブラシのスプリングの圧力不足、ブラシのグリップの緩み、または油分と接触不良によるもの。 酸化物層 整流子（またはコレクタリング）の表面に付着すると、電流の伝達が妨げられる。モータの回転数が不安定になり、発熱の度合いが増す。

メンテナンス対策

定期的にカーボンブラシの磨耗をチェックし、元の長さ（1/3～1/2）まで磨耗したら適宜交換してください。また、正しい取り付けを確実にするため、同じモデル、同じ仕様の製品をお選びください。

カーボンブラシと整流子（またはコレクターリング）の表面を清潔に保つ。定期的に油、ほこり、不純物を取り除き、サンドペーパーや特殊な工具で酸化膜を軽く磨いてください。

カーボンブラシのスプリングの圧力と弾性をチェックし、不十分な場合は位置を調整するか、スプリングを交換する。また、カーボンブラシがずれたり揺れたりしないように、ブラシグリップを締める。

結論

モーター技術の絶え間ない発展により、カーボンブラシに要求される性能はますます高くなる。カーボンブラシの将来の研究方向は、導電性をさらに向上させ、摩耗率を低減し、整流性能を最適化し、環境適応性を高めることである。これにより、モーターの性能ニーズをよりよく満たすことができる。