電動モーターブラシの作り方:プレス、ベーキング、機械
要点
電動機用ブラシは削り出しではなく、粉末冶金で作られます。炭素または黒鉛のフィラーを粉砕し、ピッチまたはレジンの結合剤と混合して鋼製の金型でプレスします。成形体は結合剤を硬化または炭化するために焼成し、グレードによっては黒鉛化したうえで、±0.05mm程度の公差にダイヤモンド加工し、銅シャントを取り付けます。仕上がったブラシの比抵抗と摺り合わせ特性を決めるのは、この焼成工程です。
要点：削り出しではなくプレス成形
カーボンブラシは木炭の小片のように見えるため、一つの塊から切り出していると考えるのは自然です。実際は違います。粉体から形を作り、実使用で問題になる特性のほとんどは、粉体が金型に入ったあとの工程で生まれます。
製造は六つの主要工程で構成されます。どれか一つを飛ばすと、見た目はブラシでも、電気的には抵抗器のように振る舞う部品になります。
| 工程 | 何が起きるか | 主要パラメータ | 飛ばすとどうなるか |
|---|---|---|---|
| 1 混合 | フィラーを粉砕し結合剤と混合 | 粒度と結合剤比率 | ブラシごとに密度がばらつく |
| 2 プレス | 鋼製金型で粉体を圧密 | 100〜300MPa | 層状割れとエッジの欠け |
| 3 焼成 | 結合剤を炭化または硬化 | 結合剤により150〜1200℃ | 脆い胴体、誤った比抵抗 |
| 4 黒鉛化 | 炭素を黒鉛格子へ転換 | 2500〜3000℃ | 高い摩擦と接触電圧降下 |
| 5 機械加工 | ダイヤモンドで最終寸法に加工 | 約±0.05mm | ブラシホルダ内でこじる |
| 6 組立 | シャント、天板、スプリング | 引抜き強度 | 数百時間で回路が開く |
ブラシの役割、整流の仕組み、グレードの選び方はモーターブラシとは何かで解説しています。この部品に依存し続けている機械についてはブラシ付きDCモーターで説明しています。本記事は製造工程だけを扱います。
ブラシの中身は何で決まるか
ブラシのグレードはレシピであり、レシピは工程パラメータより先に決まります。フィラーは導電性と摩擦を決め、結合剤は成形体を保持しつつ焼成中に炭素へ変わり、金属粉は電気的な性格をまるごと変えます。
| グレード系統 | 組成 | 比抵抗（桁の目安） | 実用電流密度 | 主な用途 |
|---|---|---|---|---|
| 炭素黒鉛質 | カーボンブラックまたはコークスと黒鉛、ピッチまたはレジン結合 | 数十µΩ·m | 8〜12A/cm² | 汎用産業用DC機、電動工具 |
| 電化石墨質 | 同じフィラーを焼成後に黒鉛化 | 約10µΩ·m | 10〜15A/cm² | 牽引、高速・大電流用途 |
| 天然黒鉛質 | 天然黒鉛にレジン結合 | 数十µΩ·m、低摩擦 | 5〜10A/cm² | スリップリング、低摩擦の計測用途 |
| 金属黒鉛質 | 黒鉛に銅を30〜80%配合 | 0.1µΩ·m台 | 20〜30A/cm² | スタータ、低電圧大電流モーター |
| 銀黒鉛質 | 黒鉛に銀を配合 | 全系統で最小、銀が支配的 | 信号レベル | 精密スリップリング、低電圧信号 |
上の範囲は桁の目安であり、仕様値ではありません。比抵抗はµΩ·mまたはµΩ·cmで示されるのが通例で、1µΩ·mは100µΩ·cmに等しく、この業界の単位の混乱はほぼここから来ます。
グレードは機械に組むブラシの本数も決めます。4極機にはブラシアームが4本必要で、2本では足りません。各極に電流経路が要るためです。この関係はモーターの極数で整理しています。必要なブラシアーム配置は機械図面で確認してください。
ステップ1：粉砕と混合
フィラーはコークス、黒鉛、カーボンブラックとして塊または粗粉で入荷し、所定の粒度分布まで粉砕されます。中央値はおおむね10〜50µmです。平均粒径より分布のほうが重要で、狭い粒度は安定して充填でき、広い粒度はそうなりません。
次に結合剤を混合します。ピッチは粒子を覆うように熱間で混ぜ、レジンは多くが乾式または溶剤中で混合したあと乾燥させます。結合剤とフィラーの比率は、焼成後の気孔率を左右する最大の要因です。結合剤は炭素に変わる際に気孔を残すからです。
金属黒鉛質はさらに別です。銅または銀の粉を高い配合率で黒鉛に混ぜ、プレス前に酸化を避ける必要があります。酸化した銅粒子はブラシ内部の高抵抗な接合部になるからです。
ステップ2：最終形状に近い形へのプレス
混合粉を焼入れ鋼の金型に充填し、通常100〜300MPaで一軸プレスして、すでに完成品に近い形状にします。レジン結合系の一部は120〜150℃程度で温間プレスされ、結合剤が流動して層状割れのリスクが下がります。
ここで決まる二つの特性は、後の工程では直せません。一つは密度勾配です。ポンチ側の粉は金型壁側より長い距離を動くため、充填の偏りは片端だけ早く摩耗するブラシとして現れます。もう一つは成形体強度、つまり焼成前の強度です。不足すると炉へ運ぶ途中で崩れます。
プレスはシャント穴、あるいはシャント自体を入れる工程でもあります。プレス時にシャントを一体成形すると最も強い接合が得られますが、金型設計の自由度が下がるため、通常は量産グレードに限られます。
ステップ3：ほぼすべてを決める焼成
焼成は、圧密された粉体をブラシに変える工程です。何が起きるかは結合剤でまったく変わり、二つの経路に互換性はありません。
レジン結合とピッチ結合
| 特性 | レジン結合 | ピッチ結合（焼成後） |
|---|---|---|
| 処理温度 | 約150〜200℃ | 約800〜1200℃ |
| 結合剤の挙動 | 架橋して熱硬化性網目構造になる | 炭化して連続した炭素骨格になる |
| 雰囲気 | 空気または不活性、昇温は制御 | 保護雰囲気（炭素の酸化防止） |
| サイクル長 | 時間単位 | 昇降温を含めて日単位 |
| 仕上がりの性格 | 硬め、比抵抗は高め、電流は低め | 導電性と強度に優れ、電流は高め |
昇温速度は保持時間と同じくらい重要です。ピッチ結合の成形体を急激に加熱すると、揮発分が構造の追従より速く抜け、加工後に初めて現れる割れが開きます。降温も同じ理屈で、冷やしすぎると脆い胴体に熱応力が残ります。
この工程だけは町工場では再現できません。家庭用オーブンでレジンを硬化させることはできても、保護雰囲気中で数日かけてピッチ結合剤を炭化させることはできず、後からいくら研磨しても代わりにはなりません。
ステップ4：電化石墨グレードの黒鉛化
電化石墨グレードはもう一段炉を通します。焼成後、部品を黒鉛抵抗炉に詰めて約2500〜3000℃まで昇温します。この温度で、焼成中に形成された乱層構造炭素が黒鉛格子へ再配列します。
変化は見た目だけのものではありません。黒鉛の層状結晶構造は比抵抗と摩擦の両方を下げるため、電化石墨グレードは炭素黒鉛質より高い電流密度に耐え、摺動面の温度も低くなります。牽引用途で炭素黒鉛質を置き換えてきたのはこのためです。実際の摺動面温度は運転条件の全体で決まります。
すべてのグレードが通る工程ではなく、選択は品質の優劣ではありません。天然黒鉛質はすでに黒鉛を含むため転換が不要です。金属黒鉛質はこの温度で銅が溶けて凝集し、使い物になりません。
ステップ5：ダイヤモンド加工で公差に収める
焼成後、ブラシは寸法には近いものの公差には収まっていません。ダイヤモンド工具で加工します。この材料は超硬工具を1シフトで使い物にならなくするほど砥粒性が高いからです。厚みは通常±0.05mm程度に抑え、ブラシとホルダのすきまは意図的に、多くは0.1〜0.3mmに設定します。
このすきまは設計値であり、いい加減さではありません。詰めすぎれば熱膨張でホルダ内に固着し、緩すぎればびびり振動とアークを生じ、整流子に段を刻みます。手研磨のブラシはこの二つの間のどこかに偶然落ちるため、機械ごとに挙動が変わります。
摺動面の表面粗さが効くのは最初の数時間だけです。恒久的に効くのは直角度です。摺動面がシャント軸に直交していないブラシは片エッジで走り、その電流集中が整流子セグメントを焼きます。
ステップ6：シャントと天板
シャントは、端子からブラシ本体へ電流を運ぶ銅撚線です。アフターマーケット品で最も多く間違えられる部品であり、破断したときにモーターの寿命を終わらせる部品でもあります。
| 方法 | 仕組み | 強度 | 代表用途 |
|---|---|---|---|
| かしめ・圧着 | テーパ穴に撚線を押し込み、加締める | 高い（機械的） | 汎用産業用ブラシ |
| 超音波溶接 | 銅と炭素の固相接合 | 高い、接触抵抗も低い | 大電流・牽引グレード |
| プレス時の一体成形 | 成形体にシャントを埋め込む | 最も高い | 量産小型モーター |
| はんだ付け | 錫鉛または鉛フリーはんだ | 低い | 不適、下記参照 |
はんだ付けを使わない理由
ブラシの摺動面は高温になり、熱はシャントを伝って接合部へ戻ります。一般的なはんだは、高負荷のブラシが達する温度よりはるかに低い温度で軟化するため、はんだ接合はクリープし、酸化し、やがて開路します。故障はまず間欠的に現れ、これが完全断線より厄介です。モーターが死ぬのではなく、火花と電波障害として現れるからです。
接合部の受入試験は、ブラシ本体ではなくシャントに引張荷重をかける引抜き試験です。目視に合格して引抜きに不合格の接合は、接合ではなく、振動サイクルを待っている将来の保証請求です。
出荷前に何を測るか
見た目が正しいブラシでも、電気的に誤っていることはあります。そのため生産は外観ではなく測定で出荷判定します。以下は標準的な項目で、合否限界はグレード仕様書から取り、一般則では決めません。
| 測定項目 | 方法 | 実使用で何を予測するか |
|---|---|---|
| かさ密度 | 質量を幾何体積で除す | 気孔率、ひいては摺り合わせと摩耗速度 |
| 比抵抗 | 四端子法または加圧接触 | 摺動面の接触電圧降下と発熱 |
| 硬さ | ショアまたはブリネル式圧子 | 整流子皮膜に対する摩耗 |
| 曲げ強さ | 角棒の三点曲げ | ホルダ端での欠けに対する抵抗 |
| 灰分 | 焼却 | 整流子を削る砥粒性介在物 |
| 寸法 | マイクロメータと通し・止めゲージ | ホルダへの嵌合とびびりの有無 |
| シャント引抜き強度 | 撚線の引張試験 | 開路と間欠故障 |
現場故障を予測する測定
実際には、シャントの引抜き試験のほうが電気測定より多く現場故障を捕まえます。不良ロットの電気特性はたいてい広い範囲に収まる一方、限界的なかしめは二値だからです。保持するか、しないかしかありません。ブラシが半分しか摩耗していないのにモーターが故障したら、まずシャントとその接合部を調べます。
摺り合わせ、スプリング圧、火花限界を含む広い故障モードはブラシのリファレンス記事で扱っており、本記事では意図的に繰り返しません。
カーボンの塊を切り出しても使えない理由
直感的な方法、つまり塊を寸法に切って平らに研磨する方法でも、取り付いてしばらく動く部品にはなります。しかし四つの別々の理由で失敗し、どれか一つだけでも致命的です。
切り出したブロックの何が違うか
- 微細構造が違う。 特性は原料ではなく焼成から生まれます。切り出したブロックはフィラーを持っていても、それを保持する炭素骨格を持たず、導電性皮膜のための制御された気孔もありません。
- 比抵抗が違う。 炭化を経ていないと接触電圧降下が高く、ブラシは高温になり、その熱が皮膜形成ではなく摩耗を加速します。
- 公差が違う。 ±0.05mmは機械加工の公差です。手研磨は一桁悪く、緩いブラシはびびってアークを生じます。すきまの過大は火花の発生につながります。
- 接合が破断する。 はんだや接着のシャントは運転温度で開路し、多くは診断しにくい間欠故障として現れます。
あまり語られない実務的な危険もあります。カーボンの粉じんは導電性で、どこにでも入り込みます。集じんなしで黒鉛を加工する工場は、建屋内のすべての開放形モーターと電気盤を汚染します。
ブラシの注文で指定すべき項目
ブラシの購入は仕様を詰める作業であり、ブラシのせいにされている故障の多くは、実は注文の失敗です。六つの項目が部品の成否を決め、いずれも見積段階なら安く指定できます。
- 寸法と公差。公称のブロック寸法だけでなく、厚み公差とコーナー半径まで含めます。
- グレードとその出所。同じ名称でも、二社のグレードは同じレシピではありません。
- シャントの長さ、線径、端子。要求する引抜き強度も併記します。
- 機械が与えるスプリング圧。グレードはこれに合わせて選ぶためです。
- 電流密度とデューティ。A/cm²と1日あたりの時間で示します。
- 環境。湿度、オイルミスト、水洗いの有無まで含めます。ブラシ装置を壊すのは浸入だからです。
環境の項目はブラシ自体ではなく機械の保護等級に連なるため、産業レトロフィットではモーターの効率クラスとIP等級をブラシと一緒に指定するのが通例です。デューティの項目は発注前に換算しておく価値があります。A/cm²の電流密度は軸の負荷トルクが分かって初めて意味を持ち、そこへの道筋はモーターのトルク計算と同じです。
ブラシを使わないのが正解になる場合
ここは正直な部分です。当社はブラシレスモーターを製造しつつ、ブラシ付き機も供給しているため、推奨は自動的には決まりません。ただ、数百時間ごとにブラシで止まる機械なら、ブラシは原因ではなく症状です。
比較は短いものです。ブラシ付きモーターは自分の導体を消費します。ブラシ寿命は通常1000〜3000時間、整流子はブラシ2〜3組ごとに切削が必要で、カーボン粉じんはどこかに行かなければなりません。ブラシレスモーターは摩耗部品と粉じんをなくし、抵抗で熱にする代わりに制動エネルギーを回収できます。
整流子を置き換えるもの
整流は機械的接触から電子的なものへ移ります。三相インバータが回転子位置に応じて巻線を切り替え、位置はホールセンサまたはセンサレス推定器から得ます。この選択はホールセンサとセンサレス整流の比較で整理しています。これを成立させる磁気回路はBLDCモーターの動作原理で説明しています。
コストの論拠も動きました。ブラシレスモーターはコントローラを要しますが、整流子、ブラシホルダ、スプリング、交換間隔を要しません。しかも効率の利得は部分負荷で最大になり、小型機の多くは実際そこそこで運転されています。ある製品カテゴリでの比較はマイクロポンプにおけるBLDCとブラシ付きDCの比較、一般論はBLDCとブラシ付きDCモーターで扱っています。
最も進んでいるのは車載用途で、同じ判断を一度下せば量産全体に効きます。その判断の背後にある数字は電気自動車におけるBLDCとDCモーターの比較にまとめています。寿命よりトルクが要件になる場合は制約がまた変わり、高トルクBLDCのガイドで説明しています。
小型モーターのブラシ寿命でお困りですか？ デューティサイクルを時間で、軸の負荷トルク、電源電圧、そして現有の搭載寸法をお送りください。ブラシが適切な摩耗部品なのか、構成自体を変えるべきなのかをお答えします。技術チームに相談する。
参考文献
- International Electrotechnical Commission. (2022). IEC 60034-1:2022 Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance. webstore.iec.ch/en/publication/65446
- International Electrotechnical Commission. (2014). IEC 60034-2-1:2014 Rotating electrical machines – Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests. webstore.iec.ch/en/publication/121
- International Electrotechnical Commission. (2018). IEC 60034-14:2018 Rotating electrical machines – Part 14: Mechanical vibration of certain machines with shaft heights 56 mm and higher. webstore.iec.ch/en/publication/59889
- International Electrotechnical Commission. (2013). IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 Degrees of protection provided by enclosures (IP Code). webstore.iec.ch/en/publication/2452
- International Electrotechnical Commission. (2023). IEC 61800-9-2:2023 Adjustable speed electrical power drive systems – Ecodesign for power drive systems, motor starters, power electronics and their driven applications. webstore.iec.ch/en/publication/111276
- National Electrical Manufacturers Association. (2024). NEMA standards for motors and generators. nema.org/standards
- European Parliament and Council. (2011). Directive 2011/65/EU on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment (RoHS). eur-lex.europa.eu/eli/dir/2011/65/oj
- European Parliament and Council. (2006). Regulation (EC) No 1907/2006 concerning the Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals (REACH). eur-lex.europa.eu/eli/reg/1907/2006/oj
- European Commission. (2019). Commission Regulation (EU) 2019/1781 laying down ecodesign requirements for electric motors and variable speed drives. eur-lex.europa.eu/eli/reg/2019/1781/oj
- U.S. Department of Energy. (2024). Motors and drives systems – advanced manufacturing office resources. energy.gov/eere/amo/motor-systems
よくある質問
Q: 電動モーターのブラシはどう作られますか？
粉末冶金で作られます。炭素または黒鉛のフィラーを粉砕し、ピッチまたはレジンの結合剤と混合し、鋼製金型で最終形状に近い形にプレスし、結合剤を炭化するために焼成し、グレードが要求すれば黒鉛化し、最後にダイヤモンド加工で最終寸法に仕上げて銅シャントを取り付けます。炭素の塊から削り出す工程は一つもありません。
Q: 炭素の塊からブラシを切り出してはいけないのですか？
特性が材料ではなく焼成から生まれるからです。焼成されたピッチはフィラーを保持する炭素骨格になり、整流子に導電性皮膜を形成させるための制御された気孔を残します。切り出したブロックは比抵抗が誤っており、摺り合わせ特性もなく、ブラシホルダが要求する±0.05mmに収めることもできません。
Q: ブラシは何度で焼成しますか？
結合剤で変わります。レジン結合グレードは150〜200℃程度で硬化させます。ピッチ結合グレードは結合剤を炭化するため、保護雰囲気中でおおむね800〜1200℃まで焼成します。電化石墨グレードはさらに2500〜3000℃程度の黒鉛化を経て、炭素が黒鉛格子へ再配列します。
Q: シャントはどうやってブラシに取り付けますか？
ブラシ本体の穴にかしめる、圧着する、超音波溶接する、あるいはプレス時に一体成形します。はんだは、運転条件に対して接合部が明確に定格されていない限り、高温のブラシ用途には一般に適しません。シャントの引抜き強度は出荷仕様に含めるべき項目です。
Q: 黒鉛化とは何で、どのブラシに必要ですか？
非晶質炭素を黒鉛の結晶構造へ変える高温処理で、比抵抗と摩擦を下げます。通るのは電化石墨グレードだけです。炭素黒鉛質、天然黒鉛質、金属黒鉛質、銀黒鉛質は通りません。それぞれ電流密度、接触電圧降下、摩耗の組み合わせに応じて選ばれます。
Q: 買わずに自社で作る価値はありますか？
小ロットではほとんど経済性がありません。相応の金型、炉のサイクル、出荷試験が必要だからです。グレードは整流子、スプリング圧、デューティにも合っていなければなりません。ブラシが繰り返し壊れるなら、まず原因を診断してください。モーターの構成変更は選択肢ですが、そのコストと性能は適切な代替ブラシと比較すべきです。
