Why Do Power Tools Generally Use Brushed Motors?
What “Moteur brossé” Means in a Power Tool
When an engineer says a power tool “uses a brushed motor,” they almost always mean a moteur universel — a series-wound DC motor that, thanks to its commutator and carbon brushes, also runs on single-phase AC. (Cordless tools sometimes use a permanent-magnet DC, PMDC, moteur, which is also brushed.) The brushes are spring-loaded carbon blocks that press on a spinning copper commutateur, reversing current in each armature coil so torque always acts in one direction.
The alternative is a CC sans balais (BLDC) moteur, where the commutator is replaced by an electronic controller and fixed stator coils. No brushes means no sparking, no brush wear — but it means a circuit board, capteurs, and firmware that a brushed tool simply does not have.
Principe du moteur à balais CC
Comme le montre la figure 1, il s'agit d'un modèle de structure de moteur à balais CC. Deux aimants anisotropes fixes, placé au milieu d'une bobine, les extrémités de la bobine étaient reliées à deux anneaux de cuivre semi-circulaires, extrémités d'anneau en cuivre et contact de balai de charbon fixe, puis aux extrémités des balais de charbon ont été connectés à l'alimentation CC.
Chiffre 1
Une fois l'alimentation électrique connectée, le courant est comme indiqué par la flèche sur la figure 1. D'après la règle de gauche, la bobine jaune est soumise à une force électromagnétique verticale ascendante; la bobine bleue est soumise à une force électromagnétique verticale vers le bas. Le rotor du moteur commence à tourner dans le sens des aiguilles d'une montre et après 90 degrés de rotation, comme le montre la figure 2.
Chiffre 2
En ce moment, le balai de charbon est juste au milieu de l'espace entre les deux anneaux de cuivre, et il n'y a pas de courant dans tout le circuit de la bobine. Mais sous l'action de l'inertie, le rotor continue de tourner.
Chiffre 3
Lorsque le rotor tourne vers la position ci-dessus sous inertie, le courant de la bobine est indiqué sur la figure 3. D'après la règle de gauche, la bobine bleue est soumise à une force électromagnétique verticale ascendante; la bobine jaune est soumise à une force électromagnétique verticale vers le bas. Le rotor du moteur continue de tourner dans le sens des aiguilles d'une montre, après 90 degrés, comme le montre la figure 4: en ce moment, le balai de charbon est juste au milieu de l'espace entre les deux anneaux de cuivre, et il n'y a pas de courant dans tout le circuit de la bobine. Mais sous l'action de l'inertie, le rotor continue de tourner. Ensuite, les étapes ci-dessus sont répétées, et le cycle continue.
Moteur CC sans balais
Comme le montre la figure 5, ceci est un schéma modèle d'une structure de moteur DC sans balais. Il se compose d'un stator et d'un rotor, où le rotor a une paire de pôles magnétiques; le stator est enroulé avec de nombreux jeux de bobines, six jeux de bobines sont illustrés dans le schéma.
Chiffre 5
Quand nous transmettons le courant aux bobines du stator 2 et 5, les bobines 2 et 5 produira un champ magnétique, et le stator est équivalent à un barreau aimanté, où 2 est le S (sud) poteau et 5 est alors (nord) pôle. Puisque les pôles du même sexe s'attirent, le pôle N du rotor tournera vers la bobine 2 position et le pôle S du rotor tournera vers la bobine 5 position, Chiffre 6.
Chiffre 6
Ensuite, nous retirons le courant des bobines du stator 2 et 5 et faire passer le courant aux bobines du stator 3 et 6. En ce moment, bobines 3 et 6 produira un champ magnétique, et le stator est équivalent à un barreau aimanté, où 3 est le S (sud) poteau et 6 est alors (nord) pôle. Puisque les pôles magnétiques du même sexe s’attirent, le pôle N du rotor tournera vers la bobine 3 position et le pôle S du rotor tournera vers la bobine 6 position, Chiffre 7.
Chiffre 7
De la même manière, puis retirez le courant des bobines du stator 3 et 6, puis faire passer le courant aux bobines du stator 4 et 1. En ce moment, bobines 4 et 1 produira un champ magnétique, et le stator est équivalent à un barreau aimanté, où 4 est le S (sud) poteau et 1 est alors (nord) pôle. Puisque les pôles opposés s’attirent, le pôle N du rotor tournera vers la bobine 4 position et le pôle S du rotor tournera vers la bobine 1 position. Jusqu'à
Jusqu'à ce point, le moteur a tourné d'un demi tour …. Le deuxième demi-tour est le même que le principe précédent, donc nous ne le répéterons pas ici. Nous pouvons simplement comprendre le moteur DC sans balais comme si nous pêchions une carotte devant un âne., pour que l'âne continue d'avancer vers la carotte.
Alors, comment pouvons-nous transmettre le courant exact à différentes bobines à différents moments ?? Cela nécessite un circuit de commutation de courant …… Je n'entrerai pas dans les détails ici.
Comparaison des avantages et des inconvénients du moteur à courant continu à balais et du moteur à courant continu sans balais
Moteur à balais CC: démarrage rapide, freinage en temps opportun, régulation de vitesse en douceur, contrôle simple, structure simple, bon marché. Le fait est que le prix est bon marché! Le prix est bon marché! Le prix est bon marché! Et il a un courant de démarrage élevé, couple élevé (force de rotation) à basse vitesse, et peut transporter des charges très lourdes.
Cependant, à cause de la friction entre le balai de charbon et le collecteur, Le moteur à balais CC produit facilement des étincelles, chaleur, bruit, interférence électromagnétique avec l'environnement extérieur, et faible efficacité et durée de vie courte. Parce que le balai de charbon est un produit d'usure, il est facile d'échouer, et doit être remplacé après un certain temps.
Moteur sans balais à courant continu: parce que le moteur DC sans balais élimine le balai de charbon, donc le bruit est faible, pas d'entretien, faible taux d'échec, longue durée de vie, et le temps de fonctionnement et la tension sont plus stables, pour que les interférences de l'équipement radio soient faibles. Mais c'est cher! Cher! Cher!
Les outils électriques sont des outils très courants dans la vie, et il existe de nombreuses marques différentes et une concurrence féroce, donc les gens sont très sensibles au prix. Et les outils électriques dont il a besoin doivent supporter une charge très lourde, il doit y avoir beaucoup de couple de démarrage, comme une perceuse à main, perceuse à percussion. Sinon, lors du perçage, le moteur peut facilement ne pas fonctionner car le foret est coincé.
Imaginez un moteur à courant continu à balais à bas prix, couple de démarrage élevé et capable de supporter de lourdes charges; le moteur sans balais a un faible taux de défaillance et une longue durée de vie, mais c'est cher et le couple de démarrage est bien inférieur à celui du moteur à balais. Si tu choisis, comment vas-tu choisir, Je pense que la réponse est explicite.
Brushed vs Brushless — The Core Difference
| Aspect | Brossé (universel / PMDC) | Sans balais (BLDC) |
|---|---|---|
| Commutation | Mechanical — brushes + commutateur | Electronic — controller + Capteurs à effet Hall |
| Control electronics | Aucun (changer + triac for AC speed) | Required driver PCB + micrologiciel |
| Couple de départ | Très élevé (stall current = V/Rₐ) | Haut, but limited by controller current cap |
| Power source | CA ou CC (universel) | DC only (or via rectifier) |
| Fragile parts | None electronic — robust in dust/heat | Controller sensitive to moisture/ESD/spikes |
| Entretien | Remplacer les brosses (wear part) | Virtually maintenance-free |
| Upfront cost | Low — 30–50% cheaper | Prime (20–50% more) |
How a Brushed (Universel) Motor Produces High Starting Torque
The reason brushed motors dominated drills, broyeurs, and saws comes down to one physics fact about the blessure en série conception. Walk through it:
- The field and armature are in series. Field current equals armature current, so at high current the magnetic field is also at its strongest.
- At standstill, back-EMF is zero. The induced voltage E = kₑ·ω is proportional to speed ω; when ω = 0, E = 0.
- Current is only limited by winding resistance. I = (V − E)/Rₐ = V/Rₐ, which is huge because Rₐ is small (fractions of an ohm).
- Torque surges. T = kₜ·Iₐ, so the stall current produces a large stall torque — for a series (universel) moteur, torque scales roughly with the square of current (T ∝ I²).
- As it spins up, back-EMF rises and current falls to a steady operating value — the motor self-regulates to the load.
- The commutator keeps it one-way. Brushes switch current direction in each coil at the right instant, so torque never cancels out.
This is exactly why a drill doesn’t stall when the bit binds in hardwood: the motor pulls a massive inrush current and converts it directly into torque. An IEEE analytical study of universal motors confirms they remain in use for “drills and saws” precisely because of their “wide variable-speed range, couple de démarrage élevé, low cost and attractive power/weight ratio” (IEEX, 5994773).
The Starting-Current Reality (Exemple travaillé)
Real brushed motors exploit this inrush rather than fight it. Measured on a maxon RE 30 brushed DC motor at 24 V (EDN, brushed DC motor current):
| Condition | Actuel | Pouvoir | Note |
|---|---|---|---|
| Spin-up peak (≈1 ms) | 29 UN | ≈700 W | Brief inrush to overcome inertia |
| Stall (rotor held) | 34 UN | 816 O | Maximum torque condition |
| Continuous running | 2 UN | 48 O | Rated operating point |
| Max allowed continuous | 3.5 UN | 84 O | Thermal limit to avoid damage |
A brushless controller must cap this inrush with closed-loop current limiting; a brushed tool simply lets the copper and magnets handle it. maxon itself notes brushed DC motors “can be operated without external electronics… a useful alternative to BLDC motors,” with torque control “implemented using the current” et “low start-up voltage even after a long period in standstill” (maxon DCX program).
Brushed vs Brushless Power Tools — Quantitative Comparison
The reason the market has shifted (but not fully) is visible in the numbers. Ranges reflect typical consumer-to-professional corded and cordless tools.
| Paramètre | Brossé (universel) | Sans balais (BLDC) | Source / note |
|---|---|---|---|
| Efficacité | 50–60% (cheap universal); 70–85% (good PMDC) | 85–90%+ | BLDC loses less to friction/heat |
| Upfront cost | Référence | +20–50% premium | PowerToolLab, KitD data |
| Autonomie de la batterie (same pack) | Référence | +30–50% more holes/charge | PowerToolLab drill test (276 contre 397 trous) |
| Brosse / maintenance life | 500–2,000 h (consumer grinder 50–100 h) | Much longer (no wear part) | Duty-cycle dependent |
| Couple de départ | Très élevé; self-limited only by Rₐ | Haut; capped by controller | T = k·Iₐ vs current limit |
| Plage de vitesse | 10,000–20,000+ RPM (geared down) | Large, EC-controlled | Universalmotor high-speed design |
| Environmental robustness | Excellent (no electronics to fry) | Bien, but controller vulnerable | Dust/heat/moisture sensitivity |
Why the Cost Gap Exists
| Composant | Brossé | Sans balais |
|---|---|---|
| Motor windings | Standard, high-volume | Standard |
| Commutation | Commutator + carbon brushes (~$2) | Aucun |
| Manette | Aucun (changer + triac) | PCB + MOSFET + micrologiciel |
| Capteurs | Aucun | Capteurs à effet Hall (or sensorless algo) |
| Manufacturing complexity | Faible | Haut (CMS, étalonnage) |
UN 2020 deep-slot universal-motor study for power tools (Northwestern Polytechnical University & China’s National Engineering Research Center for Small & Moteurs de précision) even optimized the conception de fente specifically “to reduce the cost of universal motor materials and improve production efficiency” (Springer JoPE, 2020) — cost is engineered in at the source.
Données d'ingénierie: Efficacité, Température & Life Limits
These are the numbers a design or procurement engineer actually uses when choosing motor architecture.
| Paramètre | Typical value | Standard / note |
|---|---|---|
| Brushed universal efficiency | 50–60% (bon marché); up to ~75% loaded | Small universal motors lower at light load |
| Brushed PMDC efficiency | 70–85% | maxon RE series reaches ~90% |
| BLDC efficiency | 85–90%+ | UL / manufacturer lab data |
| Brushless cost premium | +20–50% | Manette + sensors drive it |
| Brush service life | 500–2,000 h (grinder 50–100 h) | High current shortens life |
| Vitesse à vide (universel) | 10,000–20,000+ RPM | Gear-reduced to tool output |
| Commutator temp class | Classe B 130 °C / F 155 °C | CEI 60034-1 limits |
| Stall current | V / Rₐ (10–30× running) | EDN maxon RE30: 34 A stall @24 V |
Key Formulas
| Quantité | Formule | Meaning for tool design |
|---|---|---|
| Back-EMF | E = kₑ · ω | Zero at standstill → max current at start |
| Couple | T = kₜ · Iₐ | Torque tracks armature current |
| Stall current | I_stall = V / Rₐ | Bounded only by winding resistance |
| Series-motor torque | T ∝ I² (approx.) | Universal motor: torque rises with current² |
| Vitesse (chargé) | N ∝ V / (k · Φ), inversely with load | Drops under load; no-load can overspeed |
Sparking Acceptance (CEI 60034-1)
The commutator sparks — that is normal, but only to a limit. CEI 60034-1 defines four sparking grades; a service tech should never accept Class 3.
| Classe | Description | Acceptable? |
|---|---|---|
| 1 | Pas de déclenchement; commutator and brushes unchanged | Ideal at all loads |
| 1½ | Faint sparking at brush edges only | Permissible continuously |
| 2 | Permissible under stated overload | Allowed, but investigate |
| 3 | Dangerous sparking, fire/erosion risk | Never acceptable |
Best Applications for Brushed Power Tools
Brushed motors remain the right call wherever low cost, contrôle simple, couple de démarrage élevé, or rough-environment robustness outrank maintenance-free life.
| Application | Why brushed fits | Watch-out |
|---|---|---|
| Corded drills / impact drivers (budget) | Cheap, huge starting torque, AC line power | Brush wear over heavy use |
| Angle grinders | Universal motor spins 10k+ RPM natively | High current → short brush life |
| Corded saws / ponceuses | No battery runtime concern; robust | Commutator maintenance |
| DIY / homeowner tools | Low upfront cost, occasional use | Long idle → brush seat-in needed |
| Dusty / hot job sites | No fragile controller to fry | Vent ingress accelerates wear |
| Repair-focused fleets | Brushes are a cheap field-replaceable part | Spares inventory required |
When the application needs precise, low-maintenance motion instead, brushless or gear-reduced BLDC is the better fit — see our guide on why robotic arms need speed reducers.
Guide de sélection: When to Choose a Brushed Motor
- Budget is the priority: if upfront cost dominates (DIY, give-away kits, high-volume OEM), brushed wins by 20–50%.
- The tool is corded or AC-powered: a universal motor runs straight off the line — no battery, no inverter.
- You need stall-grade starting torque: exercices, mélangeurs, and augers that bind under load benefit from the V/Rₐ inrush.
- AC/DC flexibility matters: job-site generators or engine-driven welders can be DC; universal motors handle both.
- The environment is harsh: poussière, humidité, chaleur, and voltage spikes destroy controllers faster than they wear brushes.
- Field repair is expected: if operators swap brushes themselves, brushed keeps the tool out of the shop.
- Choose brushless instead when: cordless runtime, tool life, and low noise are worth the premium (professional daily use).
Common Engineering Mistakes With Brushed Power-Tool Motors
| Erreur | Why it hurts |
|---|---|
| Assuming “brushed = obsolete” | Misses the cost, couple, and robustness cases where brushed is still optimal |
| Ignoring brush life in the duty cycle | Consumer grinder brushes wear in 50–100 h; spares must be planned |
| Undersizing the supply for stall current | Stall pulls 10–30× running current; weak supplies brown out |
| Wrong brush grade for the load | High-current tools need electrographitic/metal-graphite, not pure carbon |
| Forgetting the IEC sparking limit | Classe 3 sparking erodes commutator and is a fire risk |
| Overlooking AC/DC requirement | A PMDC won’t run on AC; a universal will — verify the source |
Brushed Power-Tool Motor Troubleshooting (Problème → Cause → Solution)
| Problème | Cause probable | Solution |
|---|---|---|
| Weak / low torque under load | Brosses usées, poor commutator contact, low supply | Replace brush set; clean/seat commutator; check voltage |
| Excessive sparking | Worn brush, wrong grade, grooved commutator | Fit correct grade; resurface commutator; set spring pressure |
| Motor runs hot | Surcharge, arcing, blocked vents, high ambient | Réduire la charge; clear vents; verify duty vs IEC class |
| Rapid brush wear | Too much spring pressure, abrasive dust, courant élevé | Reset pressure; clean environment; correct grade |
| No start / intermittent | Brushes gone, loose lead, seized bearing | New brush set; tighten lead; free shaft |
| Burns out on stall | Held stalled beyond thermal limit (I = V/Rₐ) | Add current limit / thermal cutoff; don’t bind the bit |
For the full diagnostic sequence — including winding resistance and insulation tests — use our Guide de dépannage du moteur à courant continu.
Foire aux questions
Why do power tools use brushed motors instead of brushless?
Brossé (mostly universal) motors are 20–50% cheaper because they need no controller, capteurs, or firmware, and they deliver very high starting torque by exploiting the stall inrush (I = V/Rₐ). They also run on AC or DC and survive dust and heat without fragile electronics. Brushless wins on battery life and longevity, but brushed stays best for budget, corded, and repairable tools.
Do brushed power tools have more torque than brushless?
At the instant of starting or binding, a brushed series motor can pull a larger current spike (only limited by winding resistance), so its culminer starting torque is very high. Brushless motors are capped by their controller’s current limit, though they hold torque more consistently under sustained load and run more efficiently overall.
Are brushed power tools still good?
Yes — for corded tools, budget DIY use, harsh environments, and fleets that field-replace brushes, brushed motors are a perfectly good, cost-effective choice. For professional cordless daily use where runtime and tool life dominate, brushless is the better long-term investment.
Pourquoi les moteurs à balais sont-ils moins chers?
They replace an entire electronic control system with a commutator and two carbon brushes. No PCB, no MOSFETs, no Hall sensors, no firmware calibration — just a switch (and a triac for AC speed control). High-volume winding and stamping keep per-unit cost low.
Can a brushed motor run on AC and DC?
UN universel motor can — that is its defining feature and why it suits power tools plugged into any outlet or driven by a DC job-site source. A permanent-magnet DC (PMDC) brushed motor runs on DC only unless externally rectified.
How long do power-tool motor brushes last?
Typically 500–2,000 operating hours depending on current and duty; consumer-grade angle-grinder brushes can wear in as little as 50–100 hours under heavy use. Because brushes are a planned-replacement wear part, they are designed to be swapped cheaply rather than ending the tool’s life.
Why Choose Greensky for Brushed & Brushless Motion
Whether your tool design stays with brushed simplicity or moves to brushless efficiency, Greensky supplies both from one source, built to CEI 60034 et NEMAMG 1 dimensions so they drop into existing mounts:
- Brushed PMDC & universal motors with documented commutator specs, selectable brush grades, and replacement-brush programs for maintenance teams.
- Sans balais (BLDC) motors and gear motors with matched Hall sensors and drives — eliminating brush wear, sparking, and commutation maintenance for cordless platforms.
- Integrated gear motors that multiply output torque, reducing the current (and brush stress) the motor core must handle — see our gearbox vs gear motor guide.
- Compatibilité des brides: IEC B5/B14 and NEMA C-face with customized pilot diameters — see our guide de bride de moteur.
- OEM/ODM à faible MOQ: small batches for spares programs and custom shaft/encoder configurations.
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Références
- CEI 60034-1 — Machines électriques tournantes: Notation et performances (température & sparking classes). boutique en ligne.iec.ch/publication/67467
- CEI 60034-30-1 — Classes de rendement pour les machines électriques tournantes (IE1 à IE5). boutique en ligne.iec.ch/publication/67784
- PAS DE MG 1 — Moteurs et générateurs (sécurité, thermique, mounting dimensions). nema.org/standards/view/mg-1-motors-and-generators
- IEEE 112 — Standard Test Procedure for Polyphase Induction & Moteurs à courant continu (efficiency/loss methods). standards.ieee.org/ieee/112/4213
- IEEE Xplore — Analytical model and parameter computation for universal motors (couple de démarrage élevé, faible coût). ieeexplore.ieee.org/document/5994773
- Qi, H. et autres. (2020) — Design and research of deep slot universal motor for electric power tools. Journal of Power Electronics, Springer. DOI: 10.1007/s43236-020-00131-6
- maxon — Brushed DC motors (DCX program): operable without external electronics, current-based torque control. maxonmotor.com/dcx-program
- FAULHABER — DC-Motors Technical Information (brushed commutation, precious-metal brushes). faulhaber.com/en/technical-information
- NOUS. DOE — Détermination du rendement des moteurs électriques & Repair Guidance. energy.gov/eere/amo/articles/determination-electric-motors
- SKF — Electric motor maintenance and bearing lubrication. skf.com/us/products/maintenance-products/bearing-maintenance
