CN104365002B - 金属碳质刷及其制造方法 - Google Patents

Abstract

通过将碳粉和粘合剂混炼来制作碳质材料。将制作的碳质材料进行造粒后，调节碳质材料的粒径。通过将调节了粒径的碳质材料和金属粉混合来制作刷材料。通过将制作的刷材料进行成形和热处理而完成刷。这时，在碳质材料和金属粉混合之前将碳质材料的粒径调节到一定范围内，以使刷中的碳质材料的平均粒径达到300μm以上且2000μm以下。或者将粒径300μm以上的碳质材料的体积相对于刷的体积的比例调节为50%以上。

Description

金属碳质刷及其制造方法

技术领域

本发明涉及电动机中使用的金属碳质刷及其制造方法。

背景技术

在各种家庭用和工业用的电器以及汽车等中，使用具备刷的电动机。作为直流电动机的刷，有金属碳质刷。金属碳质刷，例如通过将石墨粉和电解铜粉混合，将其进行煅烧和压力成形来制作(例如，专利文献1)；

专利文献1：日本特开2010－193621号公报。

发明内容

发明要解决的技术问题

为了提高直流电动机的输出功率，需要降低金属碳质刷的电阻率。作为降低金属碳质刷的电阻率的方法，有增加金属碳质刷中含有的金属的比例的方法。但是，如果增加金属的比例，则金属碳质刷与直流电动机的整流器之间的摩擦力变大。因此，金属碳质刷和整流器变得容易磨耗。

此外，在金属碳质刷与直流电动机的整流器之间的摩擦热较大时，或者金属碳质刷中的焦耳热较大时，金属碳质刷的温度上升。如果在这样的高温状态下持续使用金属碳质刷，则由于金属碳质刷中所含的金属氧化，使得金属碳质刷不可逆地膨胀(以下称为氧化膨胀)。其结果是发生金属碳质刷在其它部件上的粘着、或者金属碳质刷在整流器上的按压不良等不理想状况。

本发明的目的是提供抑制磨耗同时降低电阻率的金属碳质刷及其制造方法。此外,本发明的目的是提供金属碳质刷，其中，由于金属的氧化导致的不可逆膨胀得到抑制。

解决技术问题用的手段

(1)根据本发明的一方面的金属碳质刷，其包含：

由多个碳质粒子形成的碳质材料；和

设置于多个碳质粒子的间隙、由金属形成的良导通部(良導通部)，

多个碳质粒子的平均粒径为300μm以上且2000μm以下。

该金属碳质刷中，由于在碳质粒子间形成的间隙中设置良导通部，因此可降低金属石墨质刷的电阻率。这时，由于多个碳质粒子的平均粒径为300μm以上，因此可以容易地形成良导通部。此外，由于多个碳质粒子的平均粒径为2000μm以下，因此可以容易地进行刷的成形。

此外，由于无需增大金属的比例，因此金属碳质刷与电动机的接触部分之间的摩擦得到抑制。因此可抑制金属碳质刷的磨耗。

(2)相对于碳质材料和良导通部的整体，良导通部的比例可以为10重量%以上且70重量%以下。

这时，由于良导通部的比例为10重量%以上，因此可以充分降低金属碳质刷的电阻率。此外，由于良导通部的比例为70重量%以下，因此可以充分抑制金属碳质刷的磨耗。

(3)良导通部可使用电解铜粉形成。这时，可以抑制成本的增大，同时确保金属碳质刷的导电性。

(4)根据本发明的另一方面的金属碳质刷的制造方法，该方法具备：

通过将碳质粉和粘合剂混合来制作碳质材料的工序、

调节制作的碳质材料的粒径的工序、

将调节了粒径的碳质材料和金属粉进行混合的工序、

将混合了的碳质材料和金属粉进行成形的工序、和

将成形后的碳质材料和金属粉进行煅烧的工序，

在进行调节的工序中，调节碳质材料的粒径，以使成形和煅烧后的碳质材料的平均粒径达到300μm以上且2000μm以下。

在该制造方法中，在调节了碳质材料的粒径之后，通过将碳质材料和金属粉混合，从而使成形和煅烧后的碳质材料的平均粒径达到300μm以上且2000μm以下。这时，通过使碳质材料的平均粒径达到300μm以上，从而在碳质粒子间形成的间隙中集中且连续地配置金属粒子。因此，多个金属粒子容易相互接触。进而，将相互接触的金属粒子进行烧结而一体化。藉此，可以降低金属碳质刷的电阻率。此外，由于碳质材料的平均粒径为2000μm以下，因而容易进行刷的成形。

此外，由于无需增加金属粉的比例，因此可以抑制金属碳质刷和电动机的接触部分之间的摩擦。因此可以抑制金属碳质刷的磨耗。

(5)在进行混合的工序中，使用铜粉作为金属粉，与碳质材料进行混合的铜粉的平均粒径可以是成形和煅烧后的碳质材料的平均粒径的200分之1(1/200)以上且20分之3(3/20)以下。

这时，可以充分确保金属碳质刷的导电性，同时可以充分抑制金属碳质刷的磨耗。

(6)在进行混合的工序中，作为铜粉可以使用电解铜粉。这时，可以抑制成本的增大，同时充分确保金属碳质刷的导电性。

(7)电解铜粉的粒径可以为10μm以上且40μm以下。这时，可以充分确保金属碳质刷的导电性。

(8)根据本发明的又一方面的金属碳质刷，其包含：

由多个碳质粒子形成的碳质材料；和

设置于多个碳质粒子的间隙、由金属形成的良导通部，

相对于刷的体积，粒径300μm以上的多个碳质粒子的体积的比例为50%以上。

该金属碳质刷中，相对于刷的体积，粒径300μm以上的多个碳质粒子的体积的比例为50%以上。这时，与氧接触的良导通部的面积减少。因此，即使在金属碳质刷达到高温的情况下，良导通部也变得很难氧化。藉此，可以抑制由于良导通部的氧化导致的金属碳质刷的氧化膨胀。其结果是，可以防止发生金属碳质刷在其它部件上的粘着、或者金属碳质刷在整流器上的按压不良等不理想状况。

(9)相对于刷的体积，粒径300μm以上的多个碳质粒子的体积的比例可以为60%以上且90%以下。

这时，可使电阻率降低，同时进一步减少与氧接触的良导通部的面积。藉此，可以进一步抑制由于良导通部的氧化导致的金属碳质刷的氧化膨胀。

发明效果

根据本发明，可以降低金属碳质刷的电阻率，同时可以抑制金属碳质刷的磨耗。而且，可以抑制由于金属的氧化导致的金属碳质刷的不可逆膨胀。

附图说明

图1是使用了本实施方式的金属碳质刷的直流电动机的概略斜视图；

图2是用于说明碳质材料的粒径与电阻率的关系的图；

图3是表示利用偏光显微镜观察的刷的表面状态的图；

图4是表示电阻率的测定结果的图；

图5表示膨胀率的测定结果的图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的一个实施方式的金属碳质刷。

(1)刷的构成

图1是使用了本实施方式的金属碳质刷(以下简称为刷)的直流电动机的概略斜视图。图1的直流电动机10包含刷1和旋转体2。旋转体2是整流器，设置为可在旋转轴G的周围旋转。刷1与导线4连接。刷1的一端与旋转体2的外周面接触。从未图示的电源介由导线4向刷1供给电流。该电流从刷1供给至旋转体2，由此使旋转体2在旋转轴G的周围旋转。通过刷旋转体2进行旋转，使得刷1相对于旋转体2滑动。

刷1是通过将碳质材料和金属粉混合并成形而制作的。本实施方式中，制作的刷1中的碳质材料的平均粒径为300μm以上且2000μm以下。

应予说明，本实施方式中，直流电动机10中使用刷1，但不限于此，交流电动机中也可以使用刷1。

(2)刷的制造方法

对于刷1的制造方法进行说明。首先，通过造粒来制作碳质材料。具体而言，通过将碳粉和粘合剂混炼来制作碳质材料。作为碳粉，优选使用石墨粉。作为石墨粉，可以使用天然石墨粉、人造石墨粉或膨胀石墨粉等，可以混合使用它们中的多种。作为粘合剂，可以使用合成树脂，可以使用热固性合成树脂或热塑性合成树脂的任一种，或者可以将它们混合使用。作为粘合剂的优选例，可列举环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂、呋喃树脂、聚酰胺树脂、或聚酰亚胺树脂。

相对于碳粉和粘合剂的总量，碳粉的比例例如为5重量%以上且95重量%以下、优选为50重量%以上且90重量%以下。

在碳粉和粘合剂混炼时，可以添加钨、碳化钨、钼及它们的硫化物中的1种或多种作为添加剂。相对于碳粉和粘合剂的总量，添加剂的比例例如为0.1重量%以上且10重量%以下、优选为1重量%以上且5重量%以下。

接着，将制作的碳质材料造粒，调节经造粒的碳质材料的粒径。例如，通过使用筛等从碳质材料中提取出具有一定范围内的粒径的碳质粒子，由此调节碳质材料的粒径。碳质材料的粒径优选调节到大于300μm且1700μm以下的范围内。此外，还可以采用碳质材料的粉碎等其它方法来将碳质材料的粒径调节到一定范围内。

接着，通过将调节了粒径的碳质材料和金属粉进行混合来制作刷材料。相对于刷材料的总量，金属粉的比例例如优选为10重量%以上且70重量%以下。作为金属粉，例如使用铜粉。此外，作为铜粉，优选使用电解铜粉。电解铜粉的表观密度优选为0.70以上且1.20以下，电解铜粉的粒径优选为10μm以上且40μm以下。作为铜粉，可以使用通过喷雾法或冲压法制作的铜粉来代替电解铜粉。此外，可以使用电解银粉、通过喷雾法或冲压法制作的银粉等银粉来代替铜粉；或者可以使用镀银铜粉等其它金属粉来代替铜粉。接着，将制作的刷材料进行压力成形。藉此，与成形前相比，刷材料中的碳质材料的粒径变小。将成形后的刷材料在氮或氨还原气氛下、或者真空下，在400℃以上且900℃以下进行热处理。由此完成刷1。

图2是用于说明成形和煅烧后的碳质材料的粒径(以下称为成形后粒径)与电阻率的关系的图。图2(a)中表示碳质材料的成形后粒径较小时的碳质材料和金属粒子的状态。图2(b)中表示碳质材料的成形后粒径较大时的碳质材料和金属粒子的状态。

例如，在将碳质材料和金属粉混合之前，碳质材料被粉碎得过细的情况下，如图2(a)所示，碳质材料的成形后粒径变得较小(例如100μm以下)。这时，多个碳质粒子P1和多个金属粒子P2分别分散地配置。因此，多个金属粒子P2变得难以相互接触，刷1的电阻率变高。

另一方面，本实施方式中，在将碳质材料和金属粉混合之前将碳质材料的粒径调节到一定范围内，以使碳质材料的成形后粒径的平均值(以下称为成形后平均粒径)达到300μm以上且2000μm以下。通过使碳质材料的成形后平均粒径为300μm以上，如图2(b)所示，在多个碳质粒子P1间形成的间隙中集中且连续地配置多个金属粒子P2。进而，通过将相互接触的金属粒子P2进行热处理而烧结并一体化，从而形成良导通部P3。良导通部P3与利用碳质材料构成的部分相比具有更高的导电性。由此使刷1的电阻率变低。

此外，碳质材料的成形后平均粒径大于2000μm时，刷1的成形变得困难。因此，通过使碳质材料的成形后平均粒径为2000μm以下，从而可以降低刷1的电阻率，同时容易进行刷1的成形。

相对于刷1的体积，粒径300μm以上的碳质材料的体积的比例为50%以上。由此可以减少与氧接触的良导通部P3的面积。相对于刷1的体积，粒径300μm以上的碳质材料的体积的比例优选为60%以上且90%以下。这时，可以使电阻率降低，同时进一步减少与氧接触的良导通部P3的面积。

碳质材料的成形后平均粒径更优选为400μm以上且1500μm以下、进一步优选为800μm以上且1500μm以下。由此可以充分降低刷1的电阻率，同时更容易进行刷1的成形。此外，作为金属粉使用铜粉时，成形和煅烧前的铜粉的平均粒径，相对于碳质材料的成形后平均粒径，优选为200分之1以上且20分之3以下、更优选为50分之1以上且5分之1以下。由此可以充分确保刷1的导电性，同时可以充分抑制刷1的磨耗。

(3)效果

这样，在本实施方式中，通过使碳质材料的成形后平均粒径为300μm以上且2000μm以下，可以降低刷1的电阻率，同时可以容易地进行刷1的成形。

此外，由于无需增加碳质材料和金属粉的混合物中的金属粉的比例，因此刷1和直流电动机10的旋转体2之间的摩擦得到抑制。因此，刷1的磨耗得到抑制。

此外，通过使作为金属粉使用的电解铜粉的比例为10重量%以上且70重量%以下，从而可以充分降低刷1的电阻率，同时可以充分抑制刷1的磨耗。

进而，本实施方式中，通过造粒可使粒径300μm以上的碳质材料的体积相对于刷1的体积的比例达到50%以上。这时，多个金属粒子P2配置在多个碳质粒子P1间，由此减少与氧接触的多个金属粒子P2的面积。因此，即使刷1为高温时，金属也变得难以氧化。由此可以抑制由于金属的氧化导致的刷1的不可逆膨胀(以下称为氧化膨胀)。其结果是，可以防止发生刷1在刷固定装置等其它部件上的粘着、或者刷1在旋转体2上的按压不良等不理想状况。

此外，本实施方式中，可以使多个金属粒子P2以不分散而连结的状态配置在多个碳质粒子P1间。这时，与氧接触的多个金属粒子P2的面积进一步减少，因此金属变得更难以氧化。此外，通过连结的多个金属粒子P2效率良好地形成良导通部P3，因此刷1的电阻率变低。由此可以使金属粉相对于刷材料的总量的比例变小。这些的结果是可以进一步降低刷1的氧化膨胀。

(4)实施例和比较例

(4－1)实施例1

在天然石墨中加入酚醛树脂作为粘合剂，同时加入二硫化钼作为添加剂，通过将其在常温下进行混炼来制作碳质材料，将制作的碳质材料利用热风干燥器进行干燥。天然石墨的平均粒径为50μm，天然石墨的灰分为0.5%以下。相对于天然石墨和酚醛树脂的总量，天然石墨的比例为85重量%，酚醛树脂的比例为15重量%。相对于天然石墨和酚醛树脂的总量，二硫化钼的比例为3重量%。

接着，从干燥后的碳质材料中提取出具有大于710μm且1400μm以下的粒径的碳质粒子，由此来调节碳质材料的粒径。具体地，使用造粒机，提取出通过开孔为1400μm的筛、且不通过开孔为710μm的筛的碳质粒子。在调节了粒径的碳质材料中混合电解铜粉来制作刷材料，将制作的刷材料进行压力成形。将成形后的刷材料在氨还原气氛下在800℃下进行热处理，由此来制作刷1。电解铜粉的平均粒径为20μm，表观密度为1.00。将电解铜粉相对于刷材料的总量的比例(以下称为铜比例)设定为20重量%、30重量%、40重量%和50重量%。压力成形时的压力为2t/cm²。

(4－2)实施例2

从造粒后的碳质材料中使用筛提取出具有大于1400μm且1700μm以下的粒径的碳质粒子，除此之外与上述实施例1同样地制作刷1。

(4－3)实施例3

从造粒后的碳质材料中使用筛提取出具有大于300μm且710μm以下的粒径的碳质粒子，除此之外与上述实施例1同样地制作刷1。

(4－4)实施例4

从造粒后的碳质材料中使用筛提取出具有800μm的粒径的碳质粒子，除此之外与上述实施例1同样地制作刷1。

(4－5)比较例1

比较例1与上述实施例1的区别点如下。比较例1中，利用粉碎机将造粒后的碳质材料进行粉碎使得平均粒径达到70μm。然后，在经粉碎的碳质材料中混合电解铜粉来制作刷材料，将制作的刷材料压力成形后进行煅烧，由此制作刷1。

(5)评价

(5－1)表面状态

图3是表示利用偏光显微镜观察的刷1的横截面的图。图3中表示实施例1～3和比较例1中制作的刷1的碳质粒子和金属粒子的状态。通过分析图3所示的显微镜图像可知，实施例1中的碳质粒子的成形后平均粒径为800μm，实施例2中的碳质粒子的成形后平均粒径为1500μm，实施例3中的碳质粒子的成形后平均粒径为400μm，比较例1中的碳质粒子的成形后平均粒径为80μm。

如图3所示可知，实施例1～3中，在多个碳质粒子间形成的间隙中集中地配置多个铜粒子，进而进行烧结并一体化，由此形成良导通部。另一方面可知，比较例1中，多个碳质粒子和多个铜粒子分别分散地配置。

(5－2)电阻率

由实施例1～3和比较例1中制得的刷1制作5mm×5mm×40mm的试验片，测定各试验片的电阻率。图4是表示电阻率的测定结果的图。如图4所示，铜比例为20重量%时、为30重量%时、为40重量%时、以及为50重量%时的各情形下，实施例1～3的试验片的电阻率与比较例1的试验片的电阻率相比变得更小。此外，铜比例为20重量%时、为30重量%时、为40重量%时、以及为50重量%时的各情形下，实施例1、2的试验片的电阻率与实施例3的试验片的电阻率相比分别变得更小。

由此可知，通过使碳质材料的成形后平均粒径为300μm以上且2000μm以下，从而降低刷1的电阻率。另外可知，通过使碳质材料的成形后平均粒径为800μm以上且1500μm以下，从而进一步降低刷1的电阻率。

(5－3)膨胀率

由实施例4和比较例1中制得的刷1制作7mm×11mm×11mm的试验片，测定各试验片的由于氧化膨胀导致的膨胀率。

图5是表示膨胀率的测定结果的图。如图5所示，铜比例为20重量%时、为30重量%时、为40重量%时、以及为50重量%时的各情形下，实施例4的试验片的膨胀率与比较例1的试验片的膨胀率相比变得更小。

同样地，由实施例1～3中制得的刷1制作试验片，测定各试验片的由于氧化膨胀导致的膨胀率。其结果是，实施例1～3的试验片的各膨胀率与比较例1的试验片的膨胀率相比变得更小。

这里，通过分析图3所示的显微镜图像，算出粒径300μm以上的碳质材料的体积相对于实施例1～3中的试验片的体积的比例。结果示于表1。

表1

。

如表1所示，实施例1中，铜比例为20重量%时、为30重量%时、为40重量%时、以及为50重量%时的粒径300μm以上的碳质材料的体积的比例分别为85%、79%、77%和70%。实施例2中，铜比例为20重量%时、为30重量%时、为40重量%时、以及为50重量%时的粒径300μm以上的碳质材料的体积的比例分别为85%、81%、77%和71%。

实施例3中，铜比例为20重量%时、为30重量%时、为40重量%时、以及为50重量%时的粒径300μm以上的碳质材料的体积的比例分别为84%、79%、76%和68%。另一方面，比较例1中，粒径300μm以上的碳质材料几乎不存在，或者粒径300μm以上的碳质材料的体积相对于刷1的体积的比例小于50%。

由实施例1～3和比较例1的结果可知，通过使粒径300μm以上的碳质材料的体积相对于刷1的体积的比例为68%以上且85%以下，从而可靠地抑制由于金属的氧化膨胀导致的刷1的膨胀。

(6)权利要求的各构成要素和实施方式的各部分的对应关系

以下，对于权利要求的各构成要素和实施方式的各部分的对应的例子进行说明，但本发明不限于下述的例子。

上述实施方式中，碳质粒子P1是碳质粒子的例子、金属粒子P2是电解铜粉的例子、良导通部P3是良导通部的例子、刷1是金属碳质刷的例子。

作为权利要求的各构成要素，还可以使用具有权利要求所述的构成或功能的其它各种要素。

产业上的可利用性

本发明可有效地用于各种电动机。

Claims (12)

1.金属碳质刷，其包含：

由多个碳质粒子形成的碳质材料；和

设置于所述多个碳质粒子的间隙、由金属形成的良导通部，

所述多个碳质粒子的平均粒径为300μm以上且2000μm以下，

所述良导通部的宽度形成为小于碳质材料的粒子的粒径，

相对于刷的体积，粒径300μm以上的所述多个碳质粒子的体积的比例为60%以上且90%以下，

相对于所述碳质材料和所述良导通部的整体，所述良导通部的比例为10重量%以上且70重量%以下。

2.权利要求1所述的金属碳质刷，其中，相对于所述碳质材料和所述良导通部的整体，所述良导通部的比例为50重量%以下。

3.权利要求1或2所述的金属碳质刷，其中，相对于所述碳质材料和所述良导通部的整体，所述良导通部的比例为20重量％以上。

4.权利要求1所述的金属碳质刷，其中，所述良导通部使用电解铜粉形成。

5.金属碳质刷的制造方法，该方法具备：

通过将碳质粉和粘合剂混合来制作碳质材料的工序、

调节制作的碳质材料的粒径的工序、

将调节了粒径的碳质材料和金属粉进行混合的工序、

将混合了的碳质材料和金属粉进行成形的工序、和

将成形后的碳质材料和金属粉进行煅烧的工序，

在所述进行调节的工序中，调节碳质材料的粒径，以使成形和煅烧后的碳质材料的平均粒径达到300μm以上且2000μm以下，由此在碳质材料的粒子的间隙中形成由来自金属粉的金属形成的良导通部，并且将所述良导通部的宽度形成为小于碳质材料的粒子的粒径，

相对于刷的体积，粒径300μm以上的所述多个碳质粒子的体积的比例为60%以上且90%以下。

6.权利要求5所述的金属碳质刷的制造方法，其中，在所述进行混合的工序中，作为所述金属粉使用铜粉，

与碳质材料混合的铜粉的平均粒径为所述成形和煅烧后的碳质材料的平均粒径的200分之1以上且20分之3以下。

7.权利要求6所述的金属碳质刷的制造方法，其中，在所述进行混合的工序中，作为所述铜粉使用电解铜粉。

8.权利要求7所述的金属碳质刷的制造方法，其中，所述电解铜粉的粒径为10μm以上且40μm以下。

9.金属碳质刷，其包含：

由多个碳质粒子形成的碳质材料；和

设置于所述多个碳质粒子的间隙、由金属形成的良导通部，

所述良导通部的宽度形成为小于碳质材料的粒子的粒径，

相对于刷的体积，粒径300μm以上的所述多个碳质粒子的体积的比例为60%以上且90%以下，

相对于所述碳质材料和所述良导通部的整体，所述良导通部的比例为10重量%以上且70重量%以下。

10.权利要求9所述的金属碳质刷，其中，在粒径300μm以上的碳质粒子的周围配置所述良导通部，所述良导通部具有小于该碳质粒子的粒径的宽度。

11.权利要求9或10所述的金属碳质刷，其中，相对于所述碳质材料和所述良导通部的整体，所述良导通部的比例为20重量%以上且50重量%以下。

12.权利要求9或10所述的金属碳质刷，其中，相对于刷的体积，粒径300μm以上的所述多个碳质粒子的体积的比例为68%以上且85%以下。