CN106233590B - 树脂结合碳质电刷及其制造方法 - Google Patents

树脂结合碳质电刷及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明通过对碳粉和粘合剂进行混揉而制作碳质材料，碳质材料的平均粒径成为0.3mm以上的方式进行碳质材料的颗粒制造，通过将颗粒制造后的碳质材料与金属粉混合而制作电刷材料，金属粉的相对于电刷材料的总量的比例被调整为1重量％以上30重量％以下，对所制作的电刷材料进行压制，进一步以电刷材料中的树脂不碳化的温度进行电刷材料的热处理。

Description

树脂结合碳质电刷及其制造方法
技术领域
本发明涉及树脂结合碳质电刷及其制造方法。
背景技术
作为电动机的电刷，具有含碳素且通过树脂结合(Resin Bond)形成的树脂结合碳质电刷(例如，参照专利文献1)。树脂结合碳质电刷具有充分的柔软性，相对于旋转体(转子)的滑动性能高。因此，在树脂结合碳质电刷与旋转体之间产生的摩擦噪音比较小，能够通过使用树脂结合碳质电刷实现电动机的噪音的降低。在追求一般家庭中使用的那样的静音性的电气设备的电动机中使用树脂结合碳质电刷。
专利文献1：日本特开2012-50276号公报
发明内容
发明所要解决的课题
树脂结合碳质电刷因为树脂的含有量多所以电阻率比较高。为了提高电动机的输出，要求降低树脂结合碳质电刷的电阻率。
本发明的目的在于提供降低了电阻率的树脂结合碳质电刷及其制造方法。
用于解决课题的方法
(1)依照本发明的一个方面的树脂结合碳质电刷包含含有碳和树脂的碳质材料及配置在碳质材料的颗粒间的金属粉，碳质材料的平均粒径为0.3mm以上，金属粉相对于全部碳质材料和金属粉的比例为1重量％以上30重量％以下。
在该树脂结合碳质电刷中，由于在碳质材料的颗粒间配置金属粉导电性变高，使电阻率变低。在这种情况下，因为碳质材料的平均粒径为0.3mm以上，所以在碳质材料的颗粒间金属粉不是分散而是凝聚地配置。由此，形成金属的三维的网状联系。其结果是，有效地降低电阻率。
此外，因为金属粉相对于全部碳质材料和金属粉的比例为1重量％以上，由金属粉导致的导电性得以被充分确保。进一步，因为金属粉相对于全部碳质材料和金属粉的比例为30重量％以下，所以能够防止碳质材料的颗粒间的结合力的降低。
(2)碳质材料的平均粒径也可以为2.5mm以下。在这种情况下，能够降低电阻率并容易地进行树脂结合碳质电刷的成形。
(3)金属粉也可以为银粉。在这种情况下，能够抑制金属粉的氧化，并且通过使用电阻率本就低的银而有效地降低电阻率。
(4)由配置在碳质材料的颗粒间的金属粉形成金属层，金属层的厚度也可以为1μm以上20μm以下。在这种情况下，由金属层形成三维的金属的联系，因此能够有效地降低电阻率。
(5)依照本发明的其它方面的树脂结合碳质电刷的制造方法包括：通过将碳粉和树脂混合而制作碳质材料的工序；将所制作的碳质材料的平均粒径调整为0.3mm以上的工序；通过将调整平均粒径后的碳质材料与金属粉混合而制作电刷材料的工序；对所制作的电刷材料进行成形的工序；和以碳质材料中所含的树脂不碳化的温度对成形后的电刷材料进行热处理的工序，在将碳质材料与金属粉混合的工序中，将金属粉相对于全部碳质材料和金属粉的比例调整为1重量％以上30重量％以下。
根据该制造方法，通过在碳质材料的颗粒间配置金属粉，提高导电性，降低电阻。在这种情况下，因为碳质材料的平均粒径为0.3mm以上，所以在碳质材料的颗粒间，金属粉不是分散而是凝聚地配置。由此，形成金属的三维的网状的联系。其结果是，能够有效地降低电阻率。
此外，因为金属粉相对于全部碳质材料和金属粉的比例为1重量％以上，所以能够确保金属粉的导电性。进一步，因为金属粉相对于全部碳质材料和金属粉的比例为30重量％以下，所以能够防止碳质颗粒间的结合力的降低。
(6)制作电刷材料的工序也可以在碳质材料中的树脂未固化的状态进行。在这种情况下，因为金属粉更容易附着在碳质材料上，所以能够有效地形成金属的三维的网状的联系。
(7)在制作电刷材料的工序中，金属粉的平均粒径也可以为0.5μm以上20μm以下。在这种情况下，能够通过金属的三维的网状的联系而有效地降低电阻率。
发明效果
根据本发明，能够降低树脂结合碳质电刷的电阻率。
附图说明
图1是使用本实施方式的树脂结合碳质电刷的交流电动机的示意的立体图。
图2是用于说明碳质材料的平均粒径与电阻率的关系的图。
图3是示出通过显微镜观察的实施例1的碳质颗粒的表面的图。
图4是示出通过显微镜观察的实施例2的碳质颗粒的表面的图。
图5是示出通过显微镜观察的实施例3的碳质颗粒的表面的图。
图6是示出通过显微镜观察的比较例1的碳质颗粒的表面的图。
图7是示出通过显微镜观察的实施例1的电刷基材的截面的图。
图8是示出通过显微镜观察的实施例2的电刷基材的截面的图。
图9是示出通过显微镜观察的实施例3的电刷基材的截面的图。
图10是示出第1电动机的测定结果的图。
图11是示出第2电动机的测定结果的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式的树脂结合碳质电刷进行说明。
(1)电刷的结构
图1是使用本实施方式的树脂结合碳质电刷(以下，简称为电刷)的交流电动机的示意的立体图。图1的交流电动机10包括电刷1和旋转体2。旋转体2为换向器，在旋转轴G的周围可旋转地设置。在电刷1连接有引线4。电刷1以电刷1的一端与旋转体2的外周面接触的方式被未图示的电刷弹簧施力。从未图示的电源经引线4向电刷1供给电流。通过该电流从电刷1被供给至旋转体2，旋转体2在旋转轴G的周围进行旋转。通过旋转体2进行旋转，电刷1相对于旋转体2进行滑动。
另外，在本实施方式中，虽然电刷1被用于交流电动机10，但电刷并不限定于此，也可以在直流电动机中使用电刷1。
(2)电刷的制造方法
对电刷1的制造方法进行说明。首先，通过对碳粉和粘合剂进行混揉而制作碳质材料。作为碳粉，优选使用石墨粉。作为石墨粉，能够使用天然石墨粉、人造石墨粉或膨胀石墨粉等，也可以将其中多种石墨粉混合使用。作为粘合剂，能够使用合成树脂，也可以使用热固化性合成树脂或热可塑性合成树脂中的任意种，或者还可以将它们混合使用。
作为粘合剂，优选使用环氧树脂、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。此外，也可以将这些粘合剂溶解于丙酮等酮类或甲醇或者乙醇等醇类等溶剂，而该溶解液与碳粉混揉。
碳粉相对于碳粉和粘合剂的总量的比例例如为5重量％以上95重量％以下，优选为50重量％以上90重量％以下。
在碳粉与粘合剂的混揉时，也可以将钨、碳化钨、钼和它们的硫化物中一种或多种作为添加剂加入。添加剂相对于碳粉和粘合剂的总量的比例例如为0.1重量％以上10重量％以下，优选为1重量％以上5重量％以下。
接着，以使得碳质材料的平均粒径成为0.3mm以上的方式进行碳质材料的颗粒制造。在这种情况下，既可以通过混揉进行颗粒制造，或者也可以使用筛子对颗粒制造粉进行颗粒规整。或者，也可以利用将碳质材料粉碎等其它方法进行颗粒制造。颗粒制造后的碳质材料的平均粒径优选为0.3mm以上2.5mm以下，更优选为0.8mm以上2.0mm以下。
接着，通过将颗粒制造后的碳质材料与金属粉混合而制作电刷材料。金属粉相对于电刷材料的总量的比例调整为1重量％以上30重量％以下，优选为2.5重量％以上10重量％以下。作为金属粉，例如使用银粉或铜粉。在使用银粉作为金属粉的情况下，优选银粉的表观密度为0.5g/cm3以上0.8g/cm3以下。此外，金属粉的平均粒径越小，越容易形成金属的三维的网状的联系(以下，称为金属的网络)。另一方面，如果金属粉的平均粒径过小，则在金属粉的处理时有困难。因此，金属粉的平均粒径优选为0.5μm以上20μm以下，更优选为2μm以上10μm以下。
在将碳质材料与金属粉混合时，优选碳质材料中所含的树脂为未固化的状态。因为容易在在未固化的树脂附着金属粉，所以能够使金属粉均匀地附着在碳质材料的表面。由此，能够高效率地形成金属的网络。此外，也可以在树脂未固化的状态且残存有粘合剂的溶剂的状态下将碳质材料与金属粉混合。
接着，对所制作的电刷材料进行压制。接着，对成形后的电刷材料、在树脂不被碳化的温度进行热处理。由此，电刷材料中的树脂被固化和结合，制作成树脂结合的电刷基材。热处理的温度为电刷材料中的树脂不被碳化的温度，例如为150℃以上250℃以下。热处理优选在氮气氛下、氨还原气氛下或真空下进行。在这种情况下，能够抑制金属粉的氧化。由所制作的电刷基材制作具有所期望的尺寸和形状的电刷1。
图2是用于说明碳质材料的平均粒径与电阻率的关系的图。在图2(a)，示出碳质材料的平均粒径比较小的情况下的碳质材料的颗粒和金属颗粒的状态。在图2(b)，示出碳质材料的粒径比较大的情况下的碳质材料的颗粒和金属颗粒的状态。以下，将颗粒制造后的碳质材料的颗粒称为碳质颗粒。
在碳质材料的平均粒径比0.3mm小、例如为大约0.1mm时，如图2(a)所示那样，多个碳质颗粒P1和多个金属颗粒P2分别分散地配置。因此，多个金属颗粒P2不易相互接触，电刷1的电阻率变高。
另一方面，在碳质材料的平均粒径为0.3mm以上时，如图2(b)所示那样，在形成于多个碳质颗粒P1间的间隙凝聚且连续地配置多个金属颗粒P2，形成金属的网络。由此，能够确保多个金属颗粒P2的导电性，电刷1的电阻率变低。
在多个碳质颗粒P1间由金属颗粒P2形成的金属层的厚度优选1μm以上20μm以下。在这种情况下，能够通过金属的网络有效地降低电阻率。
此外，在碳质材料的平均粒径调整得比2.5mm大的情况下，电刷1的成形变得困难。因此，通过使得碳质材料的平均粒径调整为2.5mm以下，能够降低电刷1的电阻率并容易地进行电刷1的成形。
此外，因为电刷材料中的金属粉的比例被调整为1重量％以上，所以能够确保多个金属颗粒P2的导电性。另一方面，因为电刷材料中的金属粉的比例被调整为30重量％以下，所以碳质颗粒P1的整个表面不会都被金属颗粒P2覆盖。因此，能够防止多个碳质颗粒P1间的结合力的降低。因此，能够确保电刷1的弯曲强度。此外，因为金属的比例不过大，所以能够防止对滑动特性不利影响。
为了降低电刷1的电阻率，作为代替在碳质材料中添加金属粉，可以想到在电刷1的表面镀上金属(例如，镀铜)。但是，由于镀层的厚度的差异，电刷1的电阻率容易产生参差不齐。此外，当产生镀层的剥离时，电刷1的电阻率大幅地变化。因此，根据状况存在电刷1的电阻率变得不稳定的问题。
与此相对，在本实施方式中，在压制和热处理之前，将碳质材料的平均粒径和电刷材料中的金属粉的比例调整在一定范围内，因此电刷1的电阻率不易产生参差不齐。此外，电刷1的电阻率也几乎没有大幅变化。进一步，因为导电性高的部分没有在电刷1的表面分布不均，所以碳质材料的电阻率的变动变小。因此，能够有效地降低电阻率。
(3)效果
这样，在本实施方式中，在以使得碳质材料的平均粒径成为0.3mm以上的对方式碳质材料进行颗粒制造之后，将碳质材料与金属粉混合。之后，对由碳质材料和金属粉构成的电刷材料进行压制和热处理。
由此，因为在碳质材料的颗粒间配置金属粉，所以导电性变高，电阻率变低。在这种情况下，因为碳质材料的平均粒径为0.3mm以上，所以在碳质材料的颗粒间，金属粉不是分散而是凝聚地配置。由此，能够有效地降低电阻率。
此外，在本实施方式中，因为金属粉相对于全部碳质材料和金属粉的比例被调整为1重量％以上，所以能够充分地确保金属粉的导电性。进一步，因为金属粉相对于全部碳质材料和金属粉的比例被调整为30重量％以下，使用能够防止碳质材料的颗粒间的结合力的降低。因此，电刷1的弯曲强度等机械性强度。
实施例
(4)实施例和比较例
(4-1)实施例1
使用结晶度高的人造石墨粉作为碳粉，将溶解于丙酮的环氧树脂作为粘合剂加入碳粉，将它们在常温进行混揉，由此制作碳质材料。混揉前的碳粉的平均粒径为50μm。此外，相对于80重量部的碳粉使用20重量部的环氧树脂。
接着，通过混揉进行碳质材料的颗粒制造，使用筛子，以使得碳质材料的平均粒径成为0.8mm的方式进行粒径调整。在粒径调整后的碳质材料中加入具有5.6μm的平均粒径的银粉，利用粉体混合机将它们混合，由此制作电刷材料。在这种情况下，以使得电刷材料中的碳质材料的比例成为97.5重量％、使得金属粉的比例成为2.5重量％的方式调整碳质材料和金属粉的量。以2t/cm2的压力对所制作的电刷材料进行压制，在200℃对成形后的电刷材料进行热处理，由此制作电刷基材。
(4-2)实施例2
除将电刷材料中的碳质材料和金属粉的比例分别调整为95.0重量％和5.0重量％以外，与实施例1同样地制作电刷基材。
(4-3)实施例3
除将电刷材料中的碳质材料和金属粉的比例分别调整为90.0重量％和10.0重量％以外，与实施例1同样地制作电刷基材。
(4-4)实施例4
除以使得平均粒径成为2.0mm的方式进行碳质材料的粒径调整以外，与实施例1同样地制作电刷基材。
(4-5)实施例5
除以使得平均粒径成为1.5mm的方式进行碳质材料的粒径调整以外，与实施例1同样地制作电刷基材。
(4-6)实施例6
除以使得平均粒径成为1.0mm的方式进行碳质材料的粒径调整以外，与实施例1同样地制作电刷基材。
(4-7)实施例7
除以使得平均粒径成为0.5mm的方式进行碳质材料的粒径调整以外，与实施例1同样地制作电刷基材。
(4-8)比较例1
除以下方面以外，与实施例1同样地制作电刷基材。在通过对碳粉与粘合剂进行混揉而制作碳质材料后，利用热风干燥机使碳质材料干燥，利用粉碎机以使得平均粒径成为0.25mm的方式将碳质材料粉砕。之后，不加入银粉地进行碳质材料的压制和热处理，由此制作电刷基材。
(4-9)比较例2
除利用湿式颗粒制造机、以使得平均粒径成为0.8mm的方式进行碳质材料的粒径调整以外，与比较例1同样地制作电刷基材。
(4-10)比较例3
除以使得碳质材料和金属粉的比例分别成为97.5重量％和2.5重量％的方式在碳质材料中加入银粉以外，与比较例1同样地制作电刷基材。
(5)评价
(5-1)碳质材料的颗粒表面
在实施例1～3和比较例1中，利用显微镜对压制前的碳质颗粒的表面进行观察。图3是示出通过显微镜观察的实施例1的碳质颗粒的表面的图。图4是示出通过显微镜观察的实施例2的碳质颗粒的表面的图。图5是示出通过显微镜观察的实施例3的碳质颗粒的表面的图。图6是示出通过显微镜观察的比较例1的碳质颗粒的表面的图。
如图3～图5所示，在实施例1～3中，在碳质颗粒的表面大致均匀地附着有银粉。因此，在通过对这些碳质材料(电刷材料)进行压制和热处理而制作电刷1的情况下，银粉凝聚地配置在多个碳质颗粒间，使电刷1的电阻率降低。
此外，相比图3所示的实施例1，在图4所示的实施例2中附着在碳质材料的颗粒表面的银粉的量多。进一步，相比图4所示的实施例2，在图5所示的实施例3中附着在碳质材料的颗粒表面的银粉的量多。因此，相比与实施例1对应的电刷1的电阻率，与实施例2对应的电刷1的电阻率低，相比与实施例2对应的电刷1的电阻率，与实施例3对应的电刷1的电阻率低。
另一方面，如图6所示，在比较例1中，在碳质材料的颗粒表面未附着银粉。因此，即使通过对该碳质材料进行压制和热处理而制作电刷1，电刷1的电阻率也不降低。
(5-2)截面
在实施例1～3中，利用显微镜对所制作的电刷基材的截面进行了观察。图7是示出通过显微镜观察的实施例1的电刷基材的截面的图，图8是示出通过显微镜观察的实施例2的电刷基材的截面的图，图9是示出通过显微镜观察的实施例3的电刷基材的截面的图。
如图7～图9所示可知，在实施例1～3中，银粉凝聚地配置在碳质材料的多个颗粒间。特别是在图9的实施例3中，明确看到银粉以呈线形延伸的方式配置。
(5-3)视密度、硬度、电阻率和弯曲强度
由在实施例1～7和比较例1～3中制作的电刷基材制作具有6×6×42mm的尺寸的棒状的试验片，测定该试验片的视密度、硬度、弯曲强度和电阻率。硬度使用C型的邵氏硬度计进行测定。
在表1示出实施例1～7和比较例1～3中的银的含有率和碳质材料的平均粒径，并且示出它们的视密度、硬度、弯曲强度和电阻率的测定结果。
[表1]
Figure BDF0000009166150000091
Figure BDF0000009166150000101
如表1所示，相比比较例1和比较例2，实施例1～7中的电阻率低。由此可知，通过由含有银粉和碳质材料的电刷材料制作电刷基材，与仅由碳质材料制作电刷基材的情况相比，电阻率会变低。此外，与比较例3相比，实施例1～7中的电阻率低。由此可知，通过使得碳质材料的平均粒径为0.3mm以上，与碳质材料的平均粒径比0.3mm小的情况相比，电阻率会变低。进一步，实施例2中的电阻率比实施例1低，实施例3中的电阻率比实施例2低。由此可知，在碳质材料的平均粒径相同的情况下，银的含有率越高，电阻率就越低。
此外，关于银的含有率相同的实施例1和实施例4～7，即使碳质材料的平均粒径在0.5mm以上2.0mm以下的范围内不同，电阻率也不存在大的差别。
此外可知，实施例1～7中的弯曲强度在12.3MPa以上14.5MPa以下的范围内，作为图1的电动机10中使用的电刷1的弯曲强度处于恰当的范围。另外，关于视密度和硬度，在实施例1～7与比较例1～3之间不存在大的差异。
(5-4)电动机的效率
由实施例1～7和比较例1～3中制作的电刷基材制作具有6.1×9×20mm的尺寸的电刷1，将该电刷1用于吸尘器的电动机10，测定电动机效率。此处，电动机效率是指由电动机10输出的机械能相对于被输入电动机10的电能的比率。电刷1的电阻率越低，电动机效率就越高。电动机效率的测定依据DIN(德国工业标准)44959“吸尘器吸气工作率测定方法”进行。
在本测定中，使用两台电动机10。在一个电动机10(以下，称为“第1电动机10”)中，使用与实施例1～3、比较例1和比较例2对应的电刷1，调查电刷基材中的银的含有率与电动机效率的关系。在另一个电动机10(以下，称为“第2电动机10”)中，使用与实施例4～7、比较例1和比较例3对应的电刷1，调查碳质材料的平均粒径与电动机效率的关系。任一电动机10的额定电压和电源电压均为100V，频率均为60Hz，从电刷1施加至旋转体2(图1)的压力均为40KPa。此外，吸气口口径为19mm。此外，在进行20分钟熟化直至电动机10的工作稳定之后，进行电动机效率的测定。
图10是示出第1电动机10的测定结果的图。图11是示出第2电动机10的测定结果的图。在图10(a)和图11(a)示出所测定的电动机效率。在图10(b)和图11(b)，示出使用与比较例1对应的电刷1的情况下的电动机效率和使用与另一个例子对应的电刷1的情况下的电动机效率的差(效率差)。
在第1电动机10中，如图10所示，在使用与比较例1和比较例2对应的电刷1的情况下电动机效率为46.7～46.8％。另一方面，在使用与实施例1～实施例3对应的电刷1的情况下电动机效率为47.3～48.8％。
这样，在使用与实施例1～3对应的电刷1的情况下，相比使用与比较例1和比较例2对应的电刷1的情况，电动机效率高。由此可知，通过由含有银粉和碳质材料的电刷材料制作电刷基材，与仅由碳质材料制作电刷基材的情况相比，电动机效率变高。
此外，相比使用与实施例1对应的电刷1的情况，使用与实施例2对应的电刷1的情况下的电动机效率高，相比使用与实施例2对应的电刷1的情况，使用与实施例3对应的电刷1的情况下的电动机效率高。由此可知，在碳质材料的平均粒径相同的情况下，银的含有率越高，电动机效率就越高。
在第2电动机10中，如图11所示，在使用与比较例1和比较例3对应的电刷1的情况下电动机效率分别为48.4％。另一方面，在使用与实施例4～7对应的电刷1的情况下电动机效率为48.8～48.9％。
这样，可知在使用与实施例4～7对应的电刷1的情况下，相比使用与比较例3对应的电刷1的情况，电动机效率高。由此可知，通过使得碳质材料的平均粒径为0.5mm以上，与碳质材料的平均粒径比0.5mm小的情况相比，电动机效率高。
产业上的可利用性
本发明能够有效地应用于各种电动机。

Claims (6)

1.一种树脂结合碳质电刷，其特征在于，包含：
含有碳粉并且通过树脂结合形成的树脂结合碳质材料；和
配置在所述碳质材料的颗粒间的金属粉，
所述树脂仅为没有被碳化的树脂，
所述碳质材料的平均粒径为0.3mm以上，
所述金属粉相对于全部所述碳质材料和所述金属粉的比例为1重量％以上30重量％以下，
由配置在所述碳质材料的颗粒间的金属粉形成金属层，所述金属层的厚度为1μm以上20μm以下。
2.如权利要求1所述的树脂结合碳质电刷，其特征在于：
所述碳质材料的平均粒径为2.5mm以下。
3.如权利要求1或2所述的树脂结合碳质电刷，其特征在于：
所述金属粉为银粉。
4.一种树脂结合碳质电刷的制造方法，其特征在于，包括：
通过将碳粉和树脂混合而制作碳质材料的工序；
将所制作的碳质材料的平均粒径调整为0.3mm以上的工序；
通过将调整平均粒径后的碳质材料与金属粉混合而制作电刷材料的工序；
对所制作的电刷材料进行成形的工序；和
以碳质材料中所含的树脂不碳化的温度对成形后的电刷材料进行热处理的工序，
在将碳质材料与金属粉混合的工序中，将金属粉相对于全部碳质材料和金属粉的比例调整为1重量％以上30重量％以下。
5.如权利要求4所述的树脂结合碳质电刷的制造方法，其特征在于：
所述制作电刷材料的工序在所述碳质材料的树脂未固化的状态下进行。
6.如权利要求4或5所述的树脂结合碳质电刷的制造方法，其特征在于：
在所述制作电刷材料的工序中，所述金属粉的平均粒径为0.5μm以上20μm以下。
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