ブラシ（電動）

ブラシまたはカーボンブラシは、電気機械の固定部と回転部（回転軸が最も一般的）の間で電流を伝導する電気接点で、特別に調製されたカーボンから作られることが多い。^[1]一般的な用途には、電気モーター、オルタネーター、発電機などがある。カーボンブラシの寿命は、モーターの使用頻度とモーターに供給される電力量によって決まる。^[2]

特定の種類の電気モーターや発電機が機能するには、ローターのコイルを接続して電気回路を完成させる必要があります。元々、これは銅または真鍮の整流子または「スリップ リング」をシャフトに取り付け、スプリングで編んだ銅線の「ブラシ」をスリップ リングまたは整流子に押し付けて電流を流すことで実現されていました。このようなブラシは、整流子が回転すると、隣接するセグメントを短絡させるため、アークを発生し、溶接することさえありました。

解決策は、グラファイト（銅が加えられている場合もある）製の「高抵抗ブラシ」の導入でした。抵抗は数十ミリオーム程度でしたが、整流子セグメントから次のセグメントへ電流を徐々にシフトさせるのに十分な高抵抗でした。

カーボンブラシには、カーボングラファイト、電気グラファイト、グラファイト、金属グラファイトの4つの主なグレードがあります。^[3]ブラシという用語は今でも使用されています。ブラシは摩耗するため、メンテナンスが可能な製品では交換できます。

第二次世界大戦中、高高度航空機発電機のブラシは非常に急速に摩耗したため、許容できる寿命を得るためにブラシ化合物の配合を変更する必要がありました。

金属繊維ブラシは現在開発中です。^[4]現在のブラシ技術に比べて利点があるかもしれませんが、まだ広く導入されていません。

ブラシの正確な組成は用途によって異なります。一般的にはグラファイト/カーボン粉末が使用されます。銅は導電性を高めるために使用されます（AC用途ではまれ）。電気伝導性とグリーン強度を最大化するために、樹枝状（電解）銅粉末が使用されます。^[5] 粉末が圧縮時に形状を保持できるように、主にフェノールまたはその他の樹脂またはピッチであるバインダーが混合されます。その他の添加剤には、金属粉末、MoS ₂、WS ₂などの固体潤滑剤が含まれます。各用途またはモーターのブラシグレードの混合物を定義するには、多くのノウハウと研究が必要です。

ブラシ化合物は、機械式または油圧式のプレス機で、上部パンチと下部パンチ、ダイで構成されるツールに圧縮されます。このステップでは、後の処理に応じて、銅線（シャントワイヤと呼ばれる）を上部パンチの穴から自動的に挿入し、周囲に押し付けられた粉末によってプレスされたブラシブロックに固定することができます。この操作は「タンピング」と呼ばれ、通常は電解銅粉末を使用して実行されますが、高性能アプリケーションでは銀コーティングが施されることもあります。^[6]このプロセスの後でも、ブラシは非常に壊れやすく、専門用語では「グリーンブラシ」と呼ばれます。

次に、「グリーンブラシ」を人工雰囲気（通常は水素と窒素）で熱処理します。温度は1200℃まで上がります。このプロセスは焼結またはベーキングと呼ばれます。焼結中、バインダーは燃え尽きるか炭化し、炭素、銅、その他の添加物の間に結晶構造を形成します。^{[7]ベーキングの後には}グラファイト化（熱処理）が続きます。熱処理は、各材料混合物に対して正確に定義された温度曲線によって変換されます。混合物の組成に加えて、使用される温度曲線は、各ブラシメーカーの2番目の大きな「秘密」です。熱処理後、ブラシの構造は、競合他社がブラシをコピーすることがほぼ不可能になるように変更されます。

焼結によりブラシは収縮し、曲がる。そのため、ブラシは正味の形状に研磨する必要がある。ブラシの耐久性を高めるために、特殊なオイル、樹脂、グリースをブラシの表面に含浸させるなどの追加処理を施す企業もある。^[7]

カーボン ブラシの製造には、材料に関する深い知識と混合組成に関する経験が必要です。ブラシの成分が重量でわずか数パーセント変化するだけでも、ブラシの用途における特性は大きく変わります。ブラシを開発している会社は世界にほんの一握りしかなく、そのほとんどは特定の種類のブラシに特化しています。

カーボンブラシは、電気モーターの部品の中で最も安価なものの 1 つです。その一方で、カーボンブラシは、使用されるモーターの耐久性 (「寿命」) と性能を左右する重要な部品です。カーボンブラシの製造には、製造プロセスの全ステップを通じて、品質管理と製造プロセス管理に細心の注意を払う必要があります。

液体金属を使用して接点を作る研究が時々行われています。この方法の欠点としては、液体金属を封じ込める必要があること（通常は有毒または腐食性があるため）と、誘導と乱流による電力損失が挙げられます。

• 整流子（電気） § ブラシ構造
• スリップリング