なぜ電動工具は一般的にブラシ付きモーターを使用するのですか?
クイックアンサー
電動工具における「ブラシ付きモーター」の意味
エンジニアが電動工具が「ブラシ付きモーターを使用している」と言うとき、それはほとんどの場合、 ユニバーサルモーター — 直列巻線 DC モーターは、整流子とカーボン ブラシのおかげで、単相 AC でも動作します。(コードレス ツールでは、永久磁石の DC、PMDC モーターが使用されることがあり、これもブラシ付きです。ブラシは、回転する銅を押すバネ仕掛けのカーボン ブロックです。ブラシは、回転する銅を押すバネ仕掛けのカーボン ブロックです。 整流子、各電機子コイルの電流を逆転するため、トルクは常に一方向に作用します。
代替案は、 ブラシレスDC(BLDC) 整流子が電子コントローラーと固定ステーターコイルに置き換えられるモーター。ブラシがないということは、火花やブラシの摩耗がないことを意味しますが、ブラシ付きツールにはまったくない回路基板、センサー、ファームウェアがありません。
DCブラシモーターの原理
図1に示すように、これはDCブラシモーター構造モデルです。コイルの中央に配置された2つの固定異方性磁石は、コイルの端を2つの半円形の銅リングに接続し、銅リングの端と固定カーボンブラシの接点に接続し、次にカーボンブラシの端をDC電源に接続しました。
図 1
電源が接続された後、電流は図1の矢印で示されたとおりです。左手の法則によると、黄色のコイルは垂直方向の上向きの電磁力を受け、青色のコイルは垂直方向の下向きの電磁力を受けます。図2に示すように、モーターローターは時計回りに回転し始め、回転が90度後になります。
図 2
このとき、カーボンブラシは2つの銅リングの間のギャップのちょうど真ん中にあり、コイル回路全体に電流が流れていません。しかし、慣性の作用下で、ローターはまだ回転し続けます。
図 3
ローターが慣性下で上記の位置に回転すると、コイル電流が図3に示されます。左手の法則によれば、青いコイルは垂直方向の上向きの電磁力を受け、黄色のコイルは垂直方向の下向きの電磁力を受けます。図4に示すように、モーターローターは90度後も時計回りに回転し続けます:この時点で、カーボンブラシは2つの銅リングの間のちょうど中央のギャップにあり、コイル回路全体に電流はありません。しかし、慣性の作用下では、ローターは回転し続けます。その後、上記の手順が繰り返され、サイクルが続行されます。
ブラシレスDCモーター
図5に示すように、これはDCブラシレスモーター構造のモデル図です。これは、ステーターとローターで構成され、ローターには一対の磁極があり、ステーターは多くのコイルで巻かれており、図に6セットのコイルが示されています。
図 5
固定子コイル2と5に電流を流すと、コイル2と5は磁場を生成し、固定子は棒磁石に相当し、2はS(南)極、5はN(北)極です。同性の極は互いに引き合うため、ローターのN極はコイル2の位置に回転し、ローターのSの極はコイル5の位置に回転します(図6)。
図 6
次に、固定子コイル2と5から電流を引き出し、固定子コイル3と6に電流を渡します。このとき、コイル3と6は磁場を生成し、固定子は棒磁石に相当し、3はS(南)極、6はN(北)極です。同性の磁極は互いに引き合うため、ローターのN極はコイル3の位置に回転し、ローターのS極はコイル6の位置に回転します(図7)。
図 7
同様に、固定子コイル3と6から電流を除去し、固定子コイル4と1に電流を渡します。このとき、コイル4と1は磁場を生成し、固定子は棒磁石に相当し、4はS(南)極、1はN(北)極です。反対の極は互いに引き合うため、ロータのN極はコイル4の位置に回転し、ロータのSの極はコイル1の位置に回転します。最大
ここまでで、モーターは半回転しました…。後半の回転は前の原理と同じなので、ここでは繰り返しません。DCブラシレスモーターは、ロバの前でニンジンを釣るようなもので、ロバがニンジンに向かって移動し続けるように簡単に理解できます。
では、どうすれば異なる瞬間に異なるコイルに正確な電流を渡すことができるのでしょうか?これには電流整流回路が必要です……私は勝ちましたここで詳しく説明します。
ブラシDCモーターとブラシレスDCモーターの長所と短所の比較
DCブラシモーター:高速始動、タイムリーなブレーキ、スムーズな速度調整、簡単な制御、シンプルな構造、安価です。ポイントは価格が安いということです!価格が安い!価格が安い!また、始動電流が大きく、低速でトルク(回転力)が高く、非常に重い負荷を運ぶことができます。
しかし、DCブラシモーターはカーボンブラシと整流子の間に摩擦があるため、火花、熱、騒音、外部環境への電磁干渉が発生しやすく、効率が低く寿命が短くなります。カーボンブラシは磨耗製品であるため、故障しやすく、一定期間後に交換する必要があります。
DCブラシレスモーター:DCブラシレスモーターはカーボンブラシを排除するため、ノイズが小さく、メンテナンスが不要で、故障率が低く、耐用年数が長く、運転時間と電圧がより安定しており、無線機器の干渉が小さくなります。しかし、それは高価です!高価!高価!
電動工具は生活の中で非常に一般的なツールであり、さまざまなブランドがあり、激しい競争があるため、人々は価格に非常に敏感です。また、電動工具は非常に重い荷物を運ぶ必要があり、ハンドドリルやインパクトドリルなど、多くの始動トルクが必要です。そうしないと、穴あけ時にドリルビットが動かなくなるため、モーターが作動しなくなりがちです。
低価格で始動トルクが高く、重い負荷を運ぶことができるブラシDCモーターを想像してみてください。ブラシレスモーターは故障率が低く、寿命が長いですが、高価で、始動トルクはブラシモーターよりもはるかに小さいです。選ぶなら、どのように選ぶか、答えは一目瞭然だと思います。
ブラシ付きとブラシレス — コアの違い
| アスペクト | ブラシ付き(ユニバーサル/ PMDC) | ブラシレス(BLDC) |
|---|---|---|
| 通勤 | 機械式 — ブラシ + 整流子 | 電子 — コントローラー + ホールセンサー |
| 制御電子機器 | なし(AC速度のスイッチ+トライアック) | 必要なドライバー PCB + ファームウェア |
| 始動トルク | 非常に高い(ストール電流 = V/Rₐ) | 高いですが、コントローラの電流上限によって制限されます |
| 電源 | ACまたはDC(ユニバーサル) | DCのみ(または整流器経由) |
| 壊れやすい部品 | 電子機器なし – ほこり/熱に堅牢 | 湿気/ESD/スパイクに敏感なコントローラ |
| メンテナンス | ブラシの交換(摩耗部品) | 実質的にメンテナンスフリー |
| 初期費用 | 安値 — 30–50% 安い | Premium (20–50% more) |
ブラシ付き (ユニバーサル) モーターが高い始動トルクを生み出す方法
ブラシ付きモーターがドリル、グラインダー、のこぎりを支配した理由は、 直列巻線 デザイン。ウォークスルー:
- フィールドとアーマチュアは直列です。 電界電流は電機子電流に等しいため、大電流では磁場も最も強くなります。
- 停止時には、逆起電力はゼロです。 誘導電圧E = kₑ·ωは速度ωに比例します。ω = 0の場合、E = 0です。
- 電流は巻線抵抗によってのみ制限されます。 I =(V − E)/Rₐ = V/Rₐ、Rₐは小さい(オームの分数)ため、これは巨大です。
- トルクサージ。 T = kₜ·Iₐ であるため、ストール電流は大きなストールトルクを生成します — 直列 (ユニバーサル) モーターの場合、トルクは 正方形 電流の (T ∝ I²)。
- スピンアップすると、逆起電力が上昇します 電流は安定した動作値に低下し、モーターは負荷に対して自己調整します。
- 整流子はそれを一方向に保ちます。 ブラシは各コイルの電流方向を適切な瞬間に切り替えるため、トルクが相殺されることはありません。
これがまさにドリルがそうしない理由ですビットが広葉樹で結合すると失速します: モーターは大量の突入電流を引き込み、それを直接トルクに変換します。IEEE の分析研究では、ユニバーサル モーターが「ドリルとソー」に使用され続けていることが確認されています。 「広い可変速度範囲、高い始動トルク、低コスト、魅力的なパワー/重量比」 (IEEE エクスプロア、5994773)です。
開始電流の現実 (作業例)
実際のブラシ付きモーターは、この突入に対抗するのではなく、この突入を利用します。maxon RE 30ブラシ付きDCモーターで24 Vで測定 (EDN、ブラシ付きDCモーター電流):
| コンディション | 現在の | パワー | 注記 |
|---|---|---|---|
| スピンアップピーク(≈1ms) | 29 ア | ≈700 W | 慣性を克服するための短い突入 |
| ストール(ローター保持) | 34 ア | 816 W | 最大トルク条件 |
| 連続運転 | 2 ア | 48 W | 定格動作点 |
| 最大許容連続 | 3.5 ア | 84 W | 損傷を避けるための熱制限 |
ブラシレスコントローラー マスト この突入を閉ループ電流制限で制限します。ブラシ付きツールは、銅と磁石がそれを処理します。マクソン自身は、ブラシ付きDCモーターは「外部電子機器なしで動作でき、BLDCモーターの便利な代替品であり」、トルク制御は「電流を使用して実装」され、「長時間停止した後でも起動電圧が低い」と述べています。 (マクソンDCXプログラム)です。
ブラシ付き電動工具とブラシレス電動工具 — 定量的比較
市場が変化した理由 (完全ではありませんが) は数字に表れています。範囲は、一般的な消費者から業務用へのコード付きおよびコードレスツールを反映しています。
| パラメータ | 起毛(ユニバーサル) | ブラシレス(BLDC) | 出典・注記 |
|---|---|---|---|
| 効率性 | 50–60% (安価なユニバーサル);70–85% (優れた PMDC) | 85–90%+ | BLDCは摩擦/熱による損失が少ない |
| 初期費用 | ベースライン | +20–50% プレミアム | PowerToolLab、KitDデータ |
| バッテリー駆動時間 (同じパック) | ベースライン | +30–50% ホール/チャージ | PowerToolLab drill test (276 vs 397 holes) |
| ブラシ/メンテナンス寿命 | 500–2,000 h (consumer grinder 50–100 h) | はるかに長い(摩耗部品なし) | デューティサイクルに依存 |
| 始動トルク | 非常に高い。Rₐ によってのみ自己制限 | 高、コントローラによる上限 | T = k・Iₐ 対電流制限 |
| 速度範囲 | 10,000–20,000+ RPM (ギアダウン) | ワイド、EC制御 | ユニバーサルモーター高速設計 |
| 環境の堅牢性 | 優れた(揚げる電子機器はありません) | 良いですが、コントローラーが脆弱です | ほこり/熱/湿気に敏感 |
コストギャップが存在する理由
| コンポーネント | ブラッシュド | ブラシレス |
|---|---|---|
| モーター巻線 | 標準、大量生産 | スタンダード |
| 通勤 | 整流子 + カーボンブラシ (~$2) | なし |
| コントローラー | なし(スイッチ+トライアック) | PCB + MOSFET + ファームウェア |
| センサー | なし | ホールセンサー(またはセンサーレスアルゴ) |
| 製造の複雑さ | 低い | 高(SMT、キャリブレーション) |
電動工具のための2020ディープスロットユニバーサルモータ研究(西北理工大学と中国)の国立小型精密モーター工学研究センター)は、 スロット設計 具体的には「万能モーター材料のコスト削減と生産効率の向上」 (スプリンガー JoPE、2020) — コストはソースで設計されます。
エンジニアリングデータ:効率、温度、寿命の限界
これらは、設計エンジニアまたは調達エンジニアがモーター アーキテクチャを選択するときに実際に使用する数値です。
| パラメータ | 典型的な値 | スタンダード/ノート |
|---|---|---|
| ブラシ付きユニバーサル効率 | 50–60% (安価); ~75% まで読み込まれます。 | 軽負荷時の小型ユニバーサルモーター |
| ブラシ付きPMDC効率 | 70–85% | maxon REシリーズが~90%に到達 |
| BLDC効率 | 85–90%+ | UL / メーカーラボデータ |
| ブラシレスコストプレミアム | +20–50% | コントローラー+センサーが駆動 |
| ブラシの耐用年数 | 500–2,000 h (grinder 50–100 h) | 大電流は寿命を縮める |
| 無負荷速度(ユニバーサル) | 10,000–20,000+ 回転数 | 工具出力にギアを減らしたもの |
| 整流子温度クラス | クラスB 130 °C / F 155 °C | IEC 60034-1 の制限 |
| ストール電流 | V / Rₐ (10–30× 実行中) | EDN maxon RE30: 34 A ストール @24 V |
キーフォーミュラ
| 数量 | フォーミュラ | 工具設計の意味 |
|---|---|---|
| バックEMF | E = kₑ · ω | 停止時のゼロ → 起動時の最大電流 |
| トルク | T = kₜ · Iₐ | トルクは電機子電流を追跡します |
| ストール電流 | I_ストール = V / Rₐ | 巻線抵抗のみで制限される |
| 直列モータートルク | T∝I²(約) | ユニバーサルモーター:電流とともにトルクが上昇² |
| 速度(積載時) | N ∝ V / (k ・ Φ)、負荷と反比例 | 負荷がかかると落下します。無負荷時は速度を超過する可能性があります |
スパークアクセプタンス (IEC 60034-1)
整流子は火花を散らします — これは正常ですが、限界にすぎません。IEC 60034-1 は 4 つの火花グレードを定義しています。サービス技術者はクラス 3 を受け入れるべきではありません。
| クラス | 説明 | 許容できますか? |
|---|---|---|
| 1 | 火花なし、整流子とブラシは変更されていません | あらゆる負荷で最適 |
| 1½ | ブラシの端でかすかな火花が散る | 連続的に許容 |
| 2 | 規定された過負荷の下で許容される | 許可されますが、調査します |
| 3 | 危険な火花、火災/浸食の危険 | 決して受け入れられない |
ブラシ付き電動工具に最適なアプリケーション
ブラシ付きモーターは、低コスト、シンプルな制御、高い始動トルク、または過酷な環境での堅牢性がメンテナンスフリーの寿命を上回る場合、依然として適切な選択です。
| 応用 | 起毛がフィットする理由 | 注意 |
|---|---|---|
| コードドリル/インパクトドライバー(予算) | 安価で巨大な始動トルク、ACライン電源 | 頻繁な使用によるブラシの摩耗 |
| アングルグラインダー | ユニバーサルモーターはネイティブに10k+ RPMを回転させます | 大電流→ブラシ寿命が短い |
| コード付きソー/サンダー | バッテリーの稼働時間の心配はなく、堅牢 | 整流子のメンテナンス |
| DIY / 住宅所有者ツール | 初期費用が低く、時折使用可能 | ロングアイドル→ブラシシートインが必要 |
| ほこりっぽい/高温の現場 | 壊れやすいコントローラーを揚げる必要はありません | ベントの侵入により摩耗が加速 |
| 修理に特化したフリート | ブラシは安価な現場交換可能な部品です | 必要なスペア在庫 |
代わりに、アプリケーションで正確でメンテナンスの少ない動作が必要な場合は、ブラシレスまたはギア減速のBLDCが適しています — ガイドを参照してください。 ロボットアームに減速機が必要な理由です。
選択ガイド: ブラシ付きモーターを選択するタイミング
- 予算が優先されます。 前払いコストが優勢な場合 (DIY、プレゼント キット、大量生産 OEM)、ブラシで勝ちます 20–50%。
- ツールはコード付きまたはAC電源です。 ユニバーサルモーターはラインからまっすぐに作動し、バッテリーもインバーターもありません。
- 失速グレードの始動トルクが必要です。 負荷がかかって結合するドリル、ミキサー、オーガーは、V/Rₐ インサーの恩恵を受けます。
- AC/DCの柔軟性が重要: 現場の発電機やエンジン駆動の溶接機は DC にすることができます。ユニバーサル モーターは両方を処理します。
- 環境は厳しいです。 ほこり、湿気、熱、電圧のスパイクは、ブラシを摩耗させるよりも早くコントローラーを破壊します。
- 現場での修理が期待されます。 オペレーターが自分でブラシを交換する場合、ブラシはツールをショップから遠ざけます。
- 次の場合には、代わりにブラシレスを選択してください。 コードレスのランタイム、工具寿命、低騒音はプレミアムに見合う価値があります (プロの日常使用)。
ブラシ付き電動工具モーターに関するよくあるエンジニアリングの間違い
| 間違い | なぜ痛いのか |
|---|---|
| 「ブラシ付き=廃止」を想定して | ブラシをかけた状態が最適なコスト、トルク、堅牢性のケースを見逃す |
| デューティサイクルでのブラシ寿命の無視 | 民生用グラインダーブラシは50–100時間で摩耗します。スペアは計画する必要があります |
| ストール電流の供給の小型化 | ストールは10–30×の電流を引っ張り、弱い電源は電圧を失います。 |
| 負荷のブラシグレードが間違っている | 大電流ツールには、純粋な炭素ではなく、電気グラフ/金属グラファイトが必要です |
| IECの火花制限を忘れる | クラス 3 火花は整流子を侵食し、火災の危険があります |
| AC/DC要件を見落とす | PMDCが勝ったACで実行しない場合、普遍的な意志 — ソースを検証します |
ブラシ付き電動工具モーターのトラブルシューティング(問題→原因→解決策)
| 問題点 | 考えられる原因 | ソリューション |
|---|---|---|
| 負荷時の弱い/低トルク | ブラシの摩耗、整流子の接触不良、供給不足 | ブラシセットの交換、整流子の清掃/シート、電圧の確認 |
| 過度の火花 | ブラシの摩耗、グレードの誤り、整流子の溝付き | 正しいグレードの適合、整流子の再表面化、スプリング圧力の設定 |
| モーターが熱くなる | 過負荷、アーク放電、通気口の閉塞、高周囲温度 | 負荷の軽減、通気口のクリア、IECクラスに対するデューティの検証 |
| ブラシの急激な摩耗 | バネ圧が強すぎる、研磨粉塵、大電流 | 圧力をリセットし、環境をクリーンにし、グレードを正しく設定します。 |
| 起動なし/断続的 | ブラシが消えた、リードが緩んでいる、ベアリングが焼き付きました | 新しいブラシセット、リードを締める、フリーシャフト |
| 失速で燃え尽きる | 熱限界を超えて失速した状態 (I = V/Rₐ) | 電流制限/サーマルカットオフを追加します。ビットをバインドする |
巻線抵抗や絶縁試験を含む完全な診断シーケンスには、当社の DCモータートラブルシューティングガイドです。
よくある質問
電動工具がブラシレスではなくブラシ付きモーターを使用するのはなぜですか?
ブラシ付き (ほとんどがユニバーサル) モーターは、コントローラー、センサー、ファームウェアを必要とせず、ストール突入 (I = V/Rₐ) を利用して非常に高い始動トルクを発揮するため、20–50% 安価です。また、AC または DC で動作し、壊れやすい電子機器を使用せずにほこりや熱に耐えます。ブラシレスはバッテリー寿命と寿命の点で優れていますが、ブラシレスは予算、コード付き、修理可能なツールに最適です。
ブラシ付き電動工具はブラシレスよりもトルクが大きいですか?
ブラシ付き直列モーターは、始動またはバインディングの瞬間に、より大きな電流スパイクを引っ張ることができるため(巻線抵抗によってのみ制限される)、したがって、 ピーク 始動トルクは非常に高いです。ブラシレスモーターはコントローラーによってキャップされています電流制限ですが、持続負荷下でトルクをより安定して保持し、全体的により効率的に動作します。
つや消し電動工具はまだ良いですか?
はい — コード付きツール、低予算の DIY 使用、過酷な環境、および現場でブラシを交換するフリートの場合、ブラシ付きモーターは完全に優れたコスト効率の高い選択肢です。ランタイムと工具寿命が主流のプロのコードレスの日常使用には、ブラシレスが長期的な投資として適しています。
ブラシ付きモーターが安いのはなぜですか?
電子制御システム全体を整流子と 2 つのカーボン ブラシに置き換えます。PCB、MOSFET、ホール センサー、ファームウェアのキャリブレーションは不要で、スイッチ (および AC 速度制御用のトライアック) だけです。大量の巻線とスタンピングにより、ユニットあたりのコストが低くなります。
ブラシ付きモーターはACおよびDCで動作できますか?
あ ユニバーサル モーターは、それがその特徴であり、コンセントに接続された電動工具、またはDC現場の電源によって駆動される電動工具に適している理由です。永久磁石DC(PMDC)ブラシ付きモーターは、外部で整流されない限り、DCでのみ動作します。
電動工具のモーターブラシの寿命はどのくらいですか?
通常、現在とデューティに応じて 500–2,000 の動作時間。消費者グレードのアングルグラインダーブラシは、頻繁に使用するとわずか 50–100 時間で摩耗します。ブラシは交換予定の摩耗部品であるため、ツールを終了するのではなく、安価に交換できるように設計されています。ブラシは交換予定の摩耗部品であるため、ツールを終了するのではなく、安価に交換できるように設計されていますの人生。
ブラシ付きおよびブラシレス モーションに Greensky を選ぶ理由
ツール設計がブラシ付きシンプルさを維持するか、ブラシレス効率に移行するかにかかわらず、Greensky は 1 つのソースから両方を提供し、構築された IEC 60034 と NEMA MG 1 寸法を既存のマウントにドロップします。
- ブラシ付きPMDCとユニバーサルモーター 文書化された整流子の仕様、選択可能なブラシグレード、メンテナンスチーム向けの交換ブラシプログラムを備えています。
- ブラシレス(BLDC)モーターとギアモーター 適合したホールセンサーとドライブにより、コードレスプラットフォームのブラシの摩耗、火花、整流メンテナンスが不要になります。
- 統合ギアモーター これにより、出力トルクが倍増し、モーターコアが処理しなければならない電流(およびブラシ応力)が減少します。 ギアボックスとギアモーターガイドです。
- フランジの互換性: カスタマイズされたパイロット直径を備えたIEC B5/B14およびNEMA C面 — 当社の モーターフランジガイドです。
- 低MOQ OEM / ODM: スペアプログラムとカスタムシャフト/エンコーダ構成の小ロット。
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- ギアボックスとギアモーター: 違いと選択
参考文献
- IEC 60034-1 — 回転電気機械: 定格と性能 (温度と火花のクラス). webstore.iec.ch/publication/67467
- IEC 60034-30-1 — 回転電気機械の効率クラス (IE1–IE5). webstore.iec.ch/publication/67784
- NEMA MG 1 — モーターと発電機(安全、熱、取り付け寸法). nema.org/standards/view/mg-1-motors-and-generators
- IEEE 112 — 多相誘導および DC モーターの標準テスト手順 (効率/損失法). standards.ieee.org/ieee/112/4213
- IEEE Xplore — ユニバーサルモーターの解析モデルとパラメータ計算(高始動トルク、低コスト). ieeexplore.ieee.org/document/5994773
- Qi, H. et al. (2020) — 電動工具用ディープスロットユニバーサルモーターの設計と研究. パワーエレクトロニクスジャーナル、スプリンガー。土井: 10.1007/s43236-020-00131-6
- maxon — ブラシ付きDCモータ(DCXプログラム):外部電子機器なしで動作可能、電流ベースのトルク制御. maxonmotor.com/dcx-program
- FAULHABER — DC-Motors技術情報(ブラシ付き整流、貴金属ブラシ). faulhaber.com/en/technical-information
- 米国DOE — 電気モーターの効率の決定と修理ガイダンス. energy.gov/eere/amo/articles/determination-electric-motors
- SKF — 電気モーターのメンテナンスとベアリングの潤滑. skf.com/us/products/maintenance-products/bearing-maintenance
