Les balais de charbon pour moteurs sont des composants qui transmettent le courant par contact glissant avec le collecteur (ou bague collectrice) ; dans les moteurs à courant continu, ils assurent la rotation en combinaison avec l’action du collecteur.Elles sont utilisées dans un large éventail d’équipements, allant des moteurs industriels aux outils électriques. L’usure des balais de charbon ou une commutation irrégulière peuvent entraîner la formation d’étincelles ou endommager le collecteur, ce qui revêt une importance particulière du point de vue de la maintenance et des risques d’arrêt.
Les balais de charbon peuvent être fabriqués à partir de graphite électrolytique (électrographite), de graphite naturel ou de graphite métallique (métalgraphite) ; il est donc indispensable de les choisir en fonction de l’application et des conditions d’utilisation.Comprendre comment évaluer la durée de vie en fonction de l’usure et déterminer le moment du remplacement, ainsi que les méthodes de diagnostic des dysfonctionnements du moteur liés aux étincelles de commutation, permet de détecter rapidement les signes avant-coureurs d’anomalies, ce qui contribue à réduire le risque d’arrêt imprévu et facilite la maintenance préventive.
Dans cet article, nous vous expliquons tout, depuis la structure de base et le rôle des balais de carbone jusqu’aux méthodes permettant d’évaluer leur durée de vie et aux critères de sélection en fonction de l’application*.*
*Cet article traite des moteurs en général et ne vise pas à présenter les caractéristiques des moteurs fabriqués par notre société.
| Sous la supervision du groupe commercial des composants électroniques de C.I. TAKIRON Corporation Nous supervisons la rédaction de cet article en nous appuyant sur les compétences techniques de pointe et l’expertise acquises depuis notre création en 1919 en tant qu’entreprise leader dans le domaine de la transformation des matières plastiques.Au sein de notre département, nous analysons en permanence les tendances du marché et les dernières technologies relatives aux micromoteurs ultra-compacts et de haute précision, et nous nous attachons à fournir des informations à forte valeur ajoutée aux concepteurs et développeurs. En tant qu’équipe d’experts maîtrisant parfaitement les caractéristiques des produits, nous vous accompagnons dans la résolution de vos défis et dans l’innovation technologique grâce à la diffusion de contenus précis et concrets. |
Notions de base sur les balais de charbon pour moteurs
Comprendre la structure et les matériaux des balais de carbone, ainsi que leur rôle au sein du moteur, vous permettra de disposer d’éléments d’appréciation lors du choix des produits et des inspections, ce qui facilitera leur maintenance.
Contenu abordé dans cette section
- Structure et matériaux constitutifs des balais de carbone
- Le rôle des balais de charbon dans un moteur
- Caractéristiques des balais de carbone en fonction de leur matériau
Nous allons ici vous expliquer, dans l’ordre, les matériaux qui composent les balais de carbone et le fonctionnement de leurs composants, ainsi que leur rôle respectif dans les moteurs à courant continu et à courant alternatif, et enfin leur adéquation à différentes applications en fonction de leur matériau.
Structure et matériaux constitutifs des balais de carbone
Les balais de carbone sont des composants de forme bloc dont le matériau de base est un matériau carboné (à base de graphite). Pour certaines qualités, telles que celles à base de graphite métallique, on y mélange des poudres métalliques, comme le cuivre ou l’argent, afin d’améliorer la conductivité, puis on les moule pour les fabriquer.
Outre le corps du balai, l’ensemble se compose d’un fil de raccordement ( pigtail) qui transmet le courant vers le circuit externe, d’un ressort qui presse le balai contre la surface du collecteur, ainsi que, si nécessaire, de pièces de connexion telles que des bornes. Ces éléments sont logés dans un porte-balais et le mécanisme permet de maintenir le contact étroit entre le balai et la surface du collecteur ou de la bague collectrice grâce à la pression exercée par le ressort.
Grâce aux propriétés autolubrifiantes du graphite (capacité à réduire le frottement sur les surfaces de glissement), il est possible de limiter le frottement et l’usure pendant la rotation et de maintenir un contact électrique stable. Étant donné que l’équilibre entre la conductivité, la résistance à l’usure et les propriétés lubrifiantes varie en fonction des proportions des composants, une conception adaptée aux spécifications du moteur est nécessaire.
Le rôle des balais de charbon dans un moteur
Les balais de charbon ont pour rôle de transmettre le courant de la partie fixe du moteur (côté stator) vers la partie rotative (côté rotor).Dans un moteur à courant continu, grâce à l’action du commutateur et au contact des balais, un processus de commutation est mis en œuvre qui inverse le sens du courant circulant dans les enroulements du stator en fonction de la rotation. Ce processus de commutation permet d’inverser le sens du courant dans les enroulements afin que le couple soit toujours orienté dans la même direction, ce qui assure la rotation continue du moteur.
Caractéristiques des balais de carbone selon leur matériau
Les matériaux utilisés pour les balais de carbone sont classés en plusieurs catégories en fonction de leur utilisation. Voici les cinq catégories les plus courantes, ainsi que leurs principaux matériaux et caractéristiques :
| Matériau | Caractéristiques principales |
| Graphite électrique | Traité par graphitisation à une température supérieure à 2 500 °C. Offre d’excellentes performances de redressement et permet un réglage de la résistivité dans une plage de 10 à 70 μΩ·m. Coûteux |
| De nature graphitique | Faible coefficient de frottement |
| De type graphite de carbone | Présentant une résistance mécanique, une dureté et une résistance à la chaleur élevées, et permettant un ajustement étendu de la résistivité |
| Matériau à liant résineux | Fabriqué à partir d’une résine synthétique utilisée comme liant, après un traitement thermique à la température de durcissement de la résine. Destiné aux applications à grande vitesse. |
| De type graphite métallique | Comme il utilise de la poudre métallique, sa résistivité est inférieure à celle des autres matériaux et sa densité de courant admissible est élevée |
Le graphite électrique est un matériau coûteux, car il subit un traitement de graphitisation à des températures supérieures à 2 500 °C, mais il présente d’excellentes propriétés de conductivité et de durabilité. En revanche, le graphite métallique (metal-graphite) est une nuance contenant des composants métalliques ; il est utilisé dans des conceptions prévues pour des conditions de faible résistance et de courant élevé, en fonction de l’application.Le choix d’un matériau adapté à la vitesse de rotation du moteur, à l’intensité du courant et à l’environnement d’utilisation a une incidence directe sur l’optimisation des performances et de la durée de vie.
Durée de vie et fréquence de remplacement des balais de charbon pour moteurs*
Les balais de carbone sont des pièces d’usure qui s’usent à l’usage ; leur remplacement au moment opportun garantit un fonctionnement stable du moteur.
Contenu abordé dans cette section
- Comment évaluer la durée de vie des balais de charbon
- Diagnostic des anomalies d’un moteur à partir des étincelles de redressement
- Procédure de remplacement des balais de charbon et précautions à respecter
Nous vous expliquons ici comment vérifier l’état d’usure, comment diagnostiquer les anomalies liées aux étincelles de commutation, ainsi que la procédure concrète de remplacement et les points à prendre en compte.
*Les moteurs de notre société ne sont pas conçus pour permettre le remplacement des balais.
Comment évaluer la durée de vie des balais de carbone
La durée de vie des balais de carbone varie en fonction du type de moteur et des conditions d’utilisation. Dans le cas des moteurs à collecteur destinés aux outils (moteurs universels), la vitesse de rotation peut atteindre 10 000 à 20 000 tr/min, et la durée de vie des balais est comprise entre quelques dizaines d’heures et environ 200 heures.En revanche, dans le cas des moteurs à aimants, la vitesse de rotation étant inférieure à celle des moteurs à collecteur (entre 2 000 et 3 000 tr/min), leur durée de vie est généralement estimée entre 1 000 et 2 000 heures. Il existe plusieurs méthodes pour évaluer cette durée de vie.
[Principaux points à vérifier pour évaluer la durée de vie]
- Degré d’usure par rapport à la ligne de limite (marque de limite)
- Changement de couleur des fils de cuivre des connecteurs « pigtail » (couleur irisée → risque de surcharge ; marron ou argenté → sur le point de tomber en panne)
- Apparition d’une instabilité de rotation ou d’une perte de puissance
- Augmentation des bruits inhabituels et des vibrations
Nous vous recommandons de procéder au remplacement avant que la limite d’usure fixée par le fabricant (longueur minimale et critères de remplacement) ne soit atteinte. Une usure avancée entraîne une détérioration des conditions de contact, ce qui peut entraîner une usure anormale du collecteur et des balais, ainsi que des problèmes de commutation (augmentation des étincelles).
Diagnostic des anomalies des moteurs à partir des étincelles de redressement*
Des étincelles de commutation se produisent au niveau du point de contact entre le collecteur et les balais de charbon lorsque le courant circule. Ces étincelles sont classées par niveau ; dans des conditions normales, elles correspondent généralement aux niveaux 1 à 4. Si des étincelles importantes, correspondant aux niveaux 5 à 8, se produisent, cela peut indiquer un dysfonctionnement du moteur. Les principales causes de la production d’étincelles importantes sont les suivantes :
| Cause | Situation concrète |
| Surcharge | Situation dans laquelle le moteur est susceptible d’être soumis à une charge supérieure à sa valeur nominale |
| Mauvais contact des balais | Situation dans laquelle la qualité du contact risque d’être altérée en raison d’une force de pression insuffisante des balais (pression du ressort insuffisante) ou d’un défaut du support de balais (endommagement, déformation, décalage, etc.) |
| Usure et rayures du collecteur | État dans lequel l’usure ou les dommages à la surface des segments peuvent entraîner une rugosité, des irrégularités ou des dénivelés à la surface |
| Anomalie du bobinage | État pouvant indiquer la présence d’une rupture de bobinage (circuit ouvert) ou d’un court-circuit (court-circuit entre spires, court-circuit entre couches, etc.) |
Si vous ne remédiez pas à la formation d’étincelles importantes, cela accélérera l’usure anormale des balais et du collecteur, ce qui entraînera une baisse des performances du moteur. Cela pouvant également entraîner un risque d’incendie, veuillez cesser immédiatement toute utilisation si vous constatez des étincelles de niveau 5 ou supérieur, et mener une enquête pour en déterminer la cause.
Procédure de remplacement des balais de carbone et précautions à prendre
Le remplacement des balais de carbone doit être effectué conformément aux instructions du fabricant (ou au mode d’emploi), après avoir coupé l’alimentation électrique. Il s’agit d’accéder à la partie contenant les balais, en fonction de la conception du modèle, puis de remplacer les balais par des neufs. Pour connaître la procédure détaillée, vous devez impérativement respecter les indications figurant dans le mode d’emploi de chaque produit.
Voici les points à respecter lors du remplacement.
[Points à prendre en compte lors du remplacement]
- Remplacer simultanément les balais gauche et droit (afin d’éviter les irrégularités de pression de contact qui surviennent lorsque l’on ne remplace qu’un seul côté, et de prévenir la formation d’étincelles)
- Utilisez des brosses d’origine ou portant la référence indiquée
- Vérification du bon glissement d’une brosse neuve dans son support
- Vérifiez également qu’il n’y a pas de rayures ni de irrégularités à la surface du collecteur.
L’utilisation de pièces de rechange non d’origine ou de produits de substitution dont seules les dimensions correspondent peut entraîner une dégradation des performances du moteur et réduire sa durée de vie. Les balais étant conçus avec des matériaux et une pression de ressort adaptés aux caractéristiques du moteur, le remplacement inconsidéré par des pièces de rechange non d’origine présente un risque de panne du moteur ou d’incendie et est donc dangereux.
Après le remplacement, veuillez vérifier l’état de glissement et de contact conformément au mode d’emploi, notamment en vous assurant que la brosse adhère bien à la surface du collecteur et qu’elle se déplace sans à-coups dans son support.
*Nos moteurs ne sont pas conçus pour permettre le remplacement des balais.
Comment choisir et entretenir les balais de charbon adaptés à un moteur
La précision du choix et de l’entretien des balais de carbone influe sur les conditions de commutation, l’usure et les risques de blocage, et a donc une incidence sur la stabilité de fonctionnement et la durée de vie du moteur.
Contenu abordé dans cette section
- Critères de sélection des balais de charbon en fonction de l’application du moteur
- Entretien et maintenance quotidiens des balais de charbon
- Exemples d’application dans les moteurs industriels et les moteurs d’outillage
Dans cette section, nous vous présentons les principes de sélection des matériaux en fonction de la vitesse de rotation, de l’intensité du courant et de l’environnement d’utilisation, ainsi que les procédures concrètes d’inspection périodique et des exemples d’application par type d’utilisation.
Critères de sélection des balais de charbon en fonction de l’application du moteur
Lors du choix du matériau des balais de carbone, il convient de sélectionner un matériau adapté aux spécifications du moteur et aux conditions d’utilisation. Les caractéristiques de chaque matériau, telles que la résistivité, le coefficient de frottement et la résistance mécanique, variant d’un matériau à l’autre, il est indispensable d’évaluer leur adéquation à l’application prévue.
Par exemple, on utilise respectivement du graphite métallique, qui présente une densité de courant admissible élevée, pour les moteurs électriques et les démarreurs ; du graphite de carbone, qui offre une résistance mécanique et une résistance à la chaleur élevées, pour les moteurs à courant alternatif des outils électriques ; et du graphite naturel, qui présente un faible coefficient de frottement, pour les bagues collectrices à grande vitesse.
Un mauvais choix de matériau pouvant entraîner une réduction de la durée de vie des balais ou une baisse des performances du moteur, il est nécessaire de vérifier ce point après avoir défini les conditions d’utilisation.
Entretien quotidien et maintenance des balais de carbone
Afin de garantir la stabilité des performances des balais de carbone, il est recommandé de procéder à des contrôles réguliers. Étant donné que l’état des balais et du collecteur est influencé par des facteurs mécaniques, électriques et environnementaux (physiques et chimiques), ces contrôles réguliers revêtent une grande importance. Les principaux points à vérifier lors de ces contrôles sont les suivants :
[Éléments à vérifier lors de l’inspection périodique]
- Degré d’atteinte de la limite d’usure
- Présence éventuelle de rayures, de irrégularités ou de noircissements à la surface du collecteur
- État d’accumulation de la poudre de carbone (élimination par soufflage d’air)
- Pression du ressort et homogénéité des conditions de contact
- Desserrage ou déformation du porte-balai
Il convient de prêter attention à l’accumulation de poussière de carbone. Si la poussière de carbone provenant de l’usure des balais s’accumule à l’intérieur du châssis ou des supports, cela peut entraîner des défauts d’isolation ou des courts-circuits. Éliminez la poussière à l’aide d’un aspirateur, par exemple, et, si nécessaire, nettoyez le rotor et le stator dans les deux sens à l’aide d’un souffleur d’air.
Exemples d’application dans les moteurs industriels et les moteurs d’outils
Le choix du matériau des balais de carbone est optimisé en fonction de chaque application concrète. Nous vous présentons ci-après quelques exemples d’application typiques.
Dans les moteurs à courant continu industriels de grande taille, on utilise un graphite électrique alliant une conductivité élevée à des performances de glissement stables, ce qui permet une conception capable de supporter un fonctionnement continu de longue durée. Ces moteurs sont largement utilisés dans des environnements tels que les installations industrielles de grande et moyenne taille, où une fiabilité élevée est requise.
En revanche, les moteurs universels destinés aux outils électriques tels que les meuleuses et les perceuses sont équipés de graphite de carbone, un matériau résistant aux variations de charge et aux vibrations. Sur les outils électriques à vitesse de rotation élevée, tels que les meuleuses et les perceuses, la durée de vie des balais peut être réduite ; toutefois, la facilité de remplacement varie en réalité en fonction de la conception de chaque modèle.
Dans les moteurs destinés aux équipements électriques, notamment ceux utilisés dans les véhicules, on utilise du graphite métallique à faible résistivité. Dans les moteurs de pompes à carburant, afin de lutter contre la corrosion des commutateurs provoquée par les biocarburants ou l’essence de mauvaise qualité, on utilise un matériau en carbone présentant une excellente résistance aux produits chimiques, tant pour les commutateurs que pour les balais.
Résumé
Les balais de carbone sont des composants qui transmettent le courant par contact glissant avec le collecteur ou la bague collectrice. Dans les machines à courant continu, ils assurent le maintien de la rotation en combinaison avec l’action du collecteur.Leurs caractéristiques variant selon la catégorie de matériau (graphite électrique, graphite naturel, graphite métallique, etc.), il est indispensable de les choisir en fonction de la vitesse de rotation, de la densité de courant et de l’environnement d’utilisation.
Les opérations d’entretien périodique, telles que la vérification des limites d’usure, l’évaluation de la durée de vie par l’observation des étincelles de commutation, l’élimination de la poussière de carbone et le nettoyage de la surface du collecteur, contribuent à prévenir les problèmes tels que les défauts d’isolation ou les courts-circuits, et permettent de réduire les risques d’arrêt soudain ou de panne du moteur.Le choix et la gestion appropriés des balais de charbon peuvent influer sur les conditions de commutation et la facilité d’entretien ; ils revêtent donc une importance capitale pour garantir un fonctionnement stable.
Informations sur les produits et demandes de renseignements
Pour plus d’informations sur les micromoteurs de C.I. Takiron, veuillez consulter le site Web suivant.
- Site du produit : https://cik-ele.com/
- Moteurs sans noyau : https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Moteurs sans balais: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Moteurs à engrenages : https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Codeur : https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Si vous rencontrez des difficultés pour choisir un petit moteur dans le cadre du développement de vos produits, n’hésitez pas à nous contacter via le formulaire de contact. Nos techniciens vous écouteront pour comprendre votre application et vos exigences, puis vous proposeront la solution la mieux adaptée.
- Contact : https://cik-ele.com/contact/
