ブラシ摩耗が原因で火花発生!DCモーターの構造とブラシの役割とは

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モーターがダメになったので
外国製の中古モーターを
買って動かしたら、
火花が出ました。

大至急、
修理が必要なんですが
修理できますか?

うーん。

修理できるか分かりませんが
一度確認させてください。

海外製・2.2KW・210Kgの
DCモーターですか・・・。
思ってたより大きいですね。

じゃあ、確認してみます。

よろしくお願いいたします。

う~ん・・・。

カーボンブラシが
ホルダーに固着してて、
全然抜けないですね。

大丈夫ですか?

なんとか

カーボンブラシが
抜けました。

カーボンブラシの
接触面に溝が出来てて

とてもひどいですね!!

本当ですね。

とりあえず、
カーボンブラシを
新品と交換するので
新しいブラシ下さい。

えっ!ないですよ。

では、とりあえず
カーボンブラシの接触面を
サンドペーパーで磨いて
当たりをつけてみます。

お願いします。

カーボンブラシの
調整終わりました。

ベアリング・整流子・
ローター部に
異常はなさそうなので
試運転お願いします。

では、回します。

良かった。
ほとんど、火花が
出なくなりましたね。

ありがとうございます。

しばらく様子見ます。

というやりとりがありました。

テーマ

今回は、DCモーターについて
簡単に分かりやすく
紹介していきたいと思います。

 
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モーターの種類

そもそも
DCモーターって
何ですか?

私の知っている範囲で
良ければ紹介しますよ。

よろしく
お願いいたします。

まず、
モーターの種類から
紹介していきます。

モーターは、

Point

大きく分けて

  • DCモーター
  • ACモーター
  • ステッピングモーター

の3種類があります。

 

参考:DCモータとは?その特徴や仕組みを紹介
シナノケンシ株式会社(ASPINA)

何が違うんですか?

DCモーターは、

Point

DC電源によって駆動する
モーターのことで

  • ブラシ付きDCモーター
  • ブラシレスDCモーター

などがあります。

 

DCって何ですか?

DCは、

Point

Direct Currentの頭文字で、
直流電流のことを言います。

 

次にACモーターは、

Point

AC電源によって駆動する
モーターのことで、

  • 整流子型モーター
  • 同期モーター
  • インダクションモーター

などがあります。

 

ACって何ですか?

ACは、

Point

Alternating Currentの頭文字で
交流電流のことを言います。

 

なるほど。

最後、
ステッピングモーター

について教えて下さい。

ステッピングモーターは、

Point

他のモーターと違い
回転させるのではなく
一定の角度で回転させる
モーターです。

 

どういうことですか?

イメージとしては、

時計のカチコチと動く
秒針のイメージです。

1秒ごとに動く秒針の

イメージですね。

あの秒針の動きも
ステップ秒針と
言われています。

モーターの種類
  • モーターには、
    DCモーター・ACモーター・
    ステッピングモーター
    の3種類がある。

  • DCモーターは、DC電源によって
    駆動するモーター。

  • DCとは、Direct Currentの
    頭文字で、直流電流のことを言う。

  • ACモーターは、AC電源によって
    駆動するモーター。

  • ACとは、
    Alternating Currentの
    頭文字で交流電流のことを言う。

  • ステッピングモーターは、
    一定の角度で回転させるモーター。

 

交流電流と直流電流の違い

モーターの種類については

分かりました。

交流電流と直流電流の

違いを教えて下さい。

電気には、

Point
  • 交流電流
  • 直流電流

があり、家で使うコンセントからの
電気は、すべて交流電流です。

 

交流電流って何ですか?

交流電流は、

Point

一定の周期で電圧の
プラスとマイナスが変化し、
それに合わせて電流の向きも
変化します。

 

直流電流って何ですか?

直流電流は、

Point

一定の電圧を維持して
一定の方向に電気が流れます。
代表的なものに、乾電池があります。

 

一定方向だから、
乾電池を逆にいれると

動かないんですね。

参考:直流、交流ってなんのこと?
関西電力株式会社

先ほどコンセントからの
電気は、交流電流だと

言いましたが、

 

Point

家庭でよく使うパソコン・テレビ・
時計・ラジオなどは、ACアダプタで
交流から直流に変換してから
電源供給しているんです。

 

ACアダプタって

交流を直流に変換する

為のものだったんですね。

そうなんです。

しかも、

Point

交流電源は、
充電することはできないので
充電するには交流電源を
直流電源に変換する
必要があります。

 

充電するには、
交流電源を直流電源に
変換する必要が

あるんですね。

 

とは言っても、

Point

インダクションモーターを使用する
冷蔵庫・洗濯機・エアコンは
交流で使用されています。

 
 

でも最近は、

Point

インバーター式が増えてきており
交流→直流→交流で
使用されています。

 

なんか面倒くさいですね。

なんで、コンセントは
交流なんですか?

直流ではダメなんですか?

それは、

Point

発電所で作った高圧電気を
変圧するには、交流の方が
簡単に出来るからなんです。

 

へー。
そうなんですね。

直流電流を
変圧しようとすると

Point

直流を一度交流に変換してから
変圧し、再度直流に変換する
必要があるんです。

 

送電するには
交流の方が都合が
いいんですね。

 
交流電流と直流電流の違い
  • 電気には、交流電流・
    直流電流がある。

  • 家で使うコンセントからの
    電気は、すべて交流電流。

  • 交流電流は、一定の周期で
    電圧のプラスとマイナスが変化し、
    それに合わせて電流の向きも
    変化する。

  • 直流電流は、一定の電圧を
    維持して一定の方向に
    電気が流れる。

  • 直流電流の代表的なものに
    乾電池がある。

  • ほとんどの家電は、ACアダプタで
    交流から直流に変換してから
    電源供給している。

  • 交流電源は、
    充電することはできないので
    充電するには交流電源を
    直流電源に変換する必要がある。

  • インダクションモーターを
    使用する冷蔵庫・洗濯機・
    エアコンは交流で使用される。

  • 発電所で作った高圧電気を
    変圧するには、交流の方が
    簡単に出来る。

 

ブラシ付きDCモーターとは?

直流と交流の違いは

分かりましたが、

なぜ、DCモーターから
火花が出るんですか?

色々なモーターの中で
基本となるモーターが
ブラシ付きDCモーター
なんです。

そうなんですね。

ブラシ付きDCモーターは、

Point

直流電流を印加するだけで
回転するモーターのことです。

 

回転原理を
教えて下さい。

回転原理は、

Point

永久磁石もしくは電磁石の磁極N・Sの
磁界中にコイルを置き、電流を流すと
『フレミングの左手の法則』によって
電磁力が発生し、コイルが回転します。
このコイルが回転子になり磁界内で
回転します。

 

参考:1-1.DCモーターの構造
オリエンタルモーター株式会社

なんか難しそうですね。

簡単に説明すると

Point

カーボンブラシと整流子が
摺動接触することで電流が流れ、
ローター(回転子)の磁界が変化し
ステーター(固定子)の磁界とが
反発するので回転が持続します。

 

参考:カーボンブラシとは
オーパック株式会社

カーボンブラシが

きちんとついていないと

電流が流れないんですね。

そうなんです。

だから、

Point

ブラシ付きDCモーターにとって
カーボンブラシと整流子は
消耗品になるので、定期的に
メンテナンスが必要なんです。

 

カーボンブラシが
摩耗すると
どうなるんですか?

カーボンブラシが

摩耗すると

Point

カーボンブラシとホルダーの間に
摩耗粉が溜まり、ブラシと整流子の
接触が悪くなり、火花が発生します。

 

火花の原因は

これだったんですね。

なので、時々

Point

カーボンブラシを動かしてみて
動くかどうか点検・清掃する
必要があります。

 

これからは、定期的に

点検清掃します。

DCモーターとは?
  • ブラシ付きDCモーターは、
    直流電流を印加するだけで
    回転するモーターのこと。

  • DCモーターに電流を流すと
    『フレミングの左手の法則』
    によって電磁力が発生し、
    コイルが回転する。

  • カーボンブラシと整流子が
    摺動接触することで電流が流れ、
    ローターとステーターとが
    反発するので回転が持続する。

  • ブラシ付きDCモーターは、
    カーボンブラシと整流子が
    消耗品となり、定期的に
    メンテナンスが必要。

  • カーボンブラシが摩耗すると
    ブラシと整流子の接触が
    悪くなり、火花が発生する。

  • 時々、カーボンブラシを
    動かして動くかどうか
    点検・清掃する必要がある。

 

ブラシレスDCモーターとは?

ブラシ付きDCモータに

カーボンブラシが
必要なことは分かりました。

ブラシレスDCモータって

ブラシがないモーター

ってことですか?

そうです。

Point

ブラシレスDCモーターは、
ブラシ付きDCモーターの欠点である
ブラシと整流子間の火花発生や
寿命が短い・ノイズ・騒音といった
問題を取り除いたモーターです。

 

ブラシと整流子がないのに

回転するんですか?

ブラシレスDCモーターは、

Point

ブラシと整流子を使った機械的な
仕組みから、磁極の位置を
ホール素子やエンコーダーなどで
検出する仕組みに置き換えたものです。

 

参考:1-7. ブラシレスモーターの構造
オリエンタルモーター株式会社

機械的な仕組みから
電気的な仕組みに
替えたものが
ブラシレスDCモーター
なんですね。

そうなんです。

ブラシと整流子がないので

Point

ブラシの交換等の定期メンテナンスが
不要で長寿命です。

 

火花の心配がないのは

いいですね。

火花発生以外にも、

Point
  • ノイズ・騒音がない。
  • 精度が高い。
  • 動作異常が検出できる。

といったメリットがあります。

 

いいことだらけですね。

そうなんです。

ただ、

Point

直流電流プラスとマイナスを
直接つないでも回転しません。
回転させるには、必ず駆動回路が
必要になるので注意して下さい。

 

直流電流を
印加するだけでは、
回転しないんですね。

そうなんです。

Point

駆動させるために、駆動回路が必要に
なるので、ブラシ付きモーターより
高価になります。

 

しかも、

Point

駆動回路のためのスペースを
確保する必要があります。

 

いい事だけでは
ないんですね。

 
ブラシレスDCモーターとは?
  • ブラシレスDCモーターは、
    火花発生や寿命が短い・
    ノイズ・騒音といった
    問題を取り除いたモーター。

  • ブラシレスDCモーターは、
    機械的な仕組みから
    電気的な仕組みに換えたモーター。

  • ブラシと整流子がないので
    ブラシ交換等の定期の
    メンテナンスが不要で長寿命。

  • 駆動させるためには、
    駆動回路が必要になるので、
    ブラシ付きDCモーターより
    高価で駆動回路のための
    スペースが必要。

 

まとめ

DCモーターは、ACモーターに比べ
制御が簡単なので、幅広く使用されて
いましが、最近ではACモータの
制御技術の進歩により減少しています。

とはいえ、電池やバッテリー等で
安価に制御できることから
電動工具のような小型モーターに
多く使用されています。

ありがとうございました。