CN111434013A - 汽车电装用电机的刷子 - Google Patents

Abstract

汽车电装用电机的刷子在刷子主体中含有碳和维氏硬度为10GPa以上且14GPa以下的磨蚀材料。可以减小汽车电装用电机的刷子中的刷子的滑动音。

Description

汽车电装用电机的刷子

技术领域

本发明涉及汽车电装用电机的刷子。

背景技术

在电机的刷子中，为了除去因与换向器的接触而产生的氧化被膜，添加了SiO₂或Al₂O₃等磨蚀材料粒子。可是，如果为了除去氧化被膜而使刷子中含有磨蚀材料，则有时会从电机产生刷子的滑动音。特别是汽车电装用电机的刷子，由于从电机至乘客的距离小而且在车室内滑动音有回响，所以来自电机的滑动音会使乘客感到不快。而且一般来说刷子温度越高，刷子的滑动音越变大。

下面示出关联的现有技术。专利文献1(JP6106667B)涉及洗衣机的电机、或电动工具的电机的刷子，公开了使石油系溶剂和油脂构成的悬浮液含浸于刷子中。根据专利文献1，电机工作时油脂向刷子与换向器的滑动面转移，作为润滑剂起作用，从而降低滑动音。

专利文献2(JP2003-347006A)公开了使电机的金属石墨质刷子中含有Al₂O₃作为磨蚀材料。电机的种类没有记载，而且也没有有关刷子的滑动音的记载。可是在专利文献2中，记载有除氧化铝以外，作为磨蚀材料还优选二氧化硅、氧化铁、氧化钛、氧化锆、氮化硼、碳化硅、碳化钨、焦炭、中间相碳。不过对于氧化铝以外的磨蚀材料并没有记载具体的数据。专利文献3(JP2000-197315A)公开了在刷子中添加SiC、SiO₂或Al₂O₃作为磨蚀材料。刷子的用途是电动吸尘器、电动工具等电气机械的电机。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP6106667B

专利文献2：JP2003-347006A

专利文献3：JP2000-197315A

发明内容

发明所要解决的课题

本发明的课题是减小汽车电装用电机的刷子中的刷子的滑动音。

用于解决课题的手段

该发明的汽车电装用电机的刷子在刷子主体中含有碳、和维氏硬度为10GPa以上且14GPa以下的磨蚀材料。此外，刷子主体是与换向器发生滑动的构件，是除去了来自刷子的引线等的部分。

发明者发现磨蚀材料的硬度与滑动音有关系。即如果将磨蚀材料的硬度以维氏硬度计设定为10GPa以上且14GPa以下，则刷子的滑动音变小(表3)。维氏硬度为10GPa以上且14GPa以下的磨蚀材料例如有AlN(维氏硬度10.4Gpa)、3Al₂O₃·2SiO2(多铝红柱石：维氏硬度10.8Gpa)、ZrO₂(维氏硬度12.5Gpa)、Si₃N₄(维氏硬度14.0Gpa)。该发明中，通过减小刷子的滑动音，能够提高汽车的车室的静音性。

优选刷子主体以0.1wt％～2.0wt％的浓度含有磨蚀材料，更优选以0.3wt％～1.0wt％的浓度含有磨蚀材料。如表4所示，通过将磨蚀材料浓度设定为0.1wt％以上，可以进一步减小滑动音。而且通过将磨蚀材料浓度设定为2.0wt％以下，能够减小刷子的磨损量。滑动音在磨蚀材料浓度为0.5wt％左右时变得特别小，因此更优选将磨蚀材料浓度设定为0.3wt％～1.0wt％。

另外优选的是，刷子主体含有金属，并且碳与金属的重量比为90：10～40：60，更优选设定为85：15～60：40。此外金属设定为例如铜、黄铜等铜合金、银、锡等。通过将碳与金属的重量比设定为90：10以下、特别是85：15以下，能够减小刷子的磨损量。另外通过将碳与金属的重量比设定为40：60以上，能够减小刷子的滑动音，通过将碳与金属的重量比设定为60：40以上，能够进一步减小刷子的滑动音(参照表5)。

特别优选磨蚀材料为ZrO₂。如表3所示，如果使用ZrO₂，则能够使刷子的滑动音变得更小，并且磨损量也在容许范围内。

优选的是，将JIS Z8827-1：208所规定的最大费雷特直径设定为ZrO₂粒子的粒径时，ZrO₂的平均粒径设定为30μm以下，更优选设定为5μm～20μm。如表6所示，ZrO₂的平均粒径如果超过30μm，则刷子的磨损量增加。另外如果将平均粒径设定为5μm～20μm，则刷子的滑动音和磨损量都能够减小。此外，使用最大费雷特直径(用2条平行线夹住ZrO₂粒子时的平行线的间隔的最大值)作为粒径的原因是因为考虑到作为磨蚀材料的作用依赖于表示磨蚀材料粒子的长径的最大费雷特直径的缘故。

附图说明

图1是表示实施例的刷子上的磨蚀材料的粒径测定法的照片。

图2是实施例的刷子的侧面图。

图3是表示与刷子的滑动后的换向器的真圆度的曲线图，(A)表示与实施例1的刷子的滑动后的真圆度，(B)表示与比较例1的刷子的滑动后的真圆度。

具体实施方式

以下示出用于实施本发明的最佳实施例。本发明不受实施例的限定，可以根据权利要求书来确定，并且在实施例中可以加入本领域技术人员公知的事项来进行变形。

实施例

将平均粒径为50μm的鳞片状天然石墨、ZrO₂(维氏硬度为12.3Gpa)等磨蚀材料、固体润滑剂MoS₂(平均粒径为2.5μm、刷子中的含量为0.5wt％)、和酚醛树脂树脂粘合剂(以碳换算计在刷子中的含量为5wt％)在混合机中均匀混炼，进行粉碎以使其能够通过32目的筛子，制成树脂处理完毕的石墨粉体。在得到的树脂处理完毕的石墨粉体中加入平均粒径为30μm的电解铜粉，用V型混合机进行混合直到变得均匀，由此制成刷子主体的材料。将得到的刷子主体的材料在0.20MPa的压力下进行成型，并在规定气氛中进行烧成，制成带有引线的汽车电装用电机的刷子。通过烧成，酚醛树脂树脂粘合剂转化成了碳。变换ZrO₂的平均粒径和含量，同时作为ZrO₂以外的实施例，制作了使用了3Al₂O₃·2SiO₂(多铝红柱石：维氏硬度为10.8Gpa)或Si₃N₄(氮化硅：维氏硬度为14.0Gpa)的刷子。另外作为比较例，制作了使用了SiC(维氏硬度为23.0Gpa)、Al₂O₃(维氏硬度为15.2Gpa)或SiO₂(维氏硬度为9.0Gpa)的刷子。刷子的组成和制造条件除了磨蚀材料的种类和粒径以及含量不同以外，其它都是相同的。

作为金属粉，代替电解铜粉，也可以使用雾化铜粉、银粉、黄铜粉等铜合金粉、锡粉、或它们的混合物等，金属粉的种类和平均粒径是任意的。石墨的种类和平均粒径是任意的，粘合剂的种类和含量是任意的，代替酚醛树脂，也可以使用PEEK(聚醚醚酮)、PPS(聚苯硫醚)等。此外，将来自石墨和粘合剂的碳的总含量表示成碳含量。另外也可以使用WS₂等其它的固体润滑剂来代替MoS₂，固体润滑剂的有无、含量、种类和平均粒径是任意的。进而刷子还可以含有碳、金属、磨蚀材料、固体润滑剂以外的成分。磨蚀材料以外的成分的平均粒径是使用激光散射法测定的粉体的时刻下的值。

磨蚀材料的平均粒径通过将刷子切断，包埋于树脂中，并研磨树脂表面来进行测定。测定中，通过SEM(扫描型电子显微镜、例如日立ハイテタノロジ一ズ制的S-300N)来观察表面，利用安装于SEM上的EDX(能量分散型X射线分析装置、例如堀场制作所制的EMAXENERGY EX-250)来观察磨蚀材料粒子，确认磨蚀材料的粒子。然后从SEM图像中求出用2条平行线夹住磨蚀材料粒子时的平行线的间隔的最大值(最大费雷特直径)，将该值设定为粒径。测定100个磨蚀材料粒子的最大费雷特直径，将其算术平均设定为磨蚀材料的平均粒径。此外最大费雷特直径如前所述由JIS Z8827-1：2008来规定。

图1中表示了使用最佳实施例(实施例1)的刷子测定ZrO₂的平均粒径时的、2处的SEM图像和EDX图像。使用最大费雷特直径，是因为对于测定在刷子中的平均粒径，激光散射法等是不适合的缘故。另外在考虑磨蚀材料粒子的尺寸方面，除了最大费雷特直径以外，最小费雷特直径等也成为问题。可是作为磨蚀材料的作用，比起最小费雷特直径等，更多是由最大费雷特直径来决定。即当磨蚀材料粒子有长径和短径时，磨蚀作用比起短径更容易依赖于长径。因此，将最大费雷特直径设定为磨蚀材料粒子的粒径。此外图1的右上处的最大费雷特直径为8.35μm和8.38μm，右下处的最大费雷特直径为8.84μm、6.24μm、9.10μm。

图2表示汽车电装用电机的刷子2，在刷子主体4上安装有引线8，在滑动面6上与电机的换向器10接触。刷子2可以是2层刷子、3层刷子等多层刷子，这时，至少任一层、优选各层包含于该发明中即可。

如下所述地评价实施例和比较例的刷子。首先测定刷子的电阻率。接着将刷子装入汽车电装用电机，使其工作200小时。然后，将电机在静音室内使其工作，用噪音计测定来自电机的噪音。然后从电机中取出刷子和换向器，测定刷子的磨损量，同时测定换向器外周的真圆度。200小时工作下的周围温度、气流的程度、电机的工作电压等条件对于各刷子是相同的，利用噪音计的测定条件对于各刷子也是相同的。将结果示于表1、表2中，将来自石墨和粘合剂的碳的总量表示成碳，MoS₂的含量为0.5wt％，是恒定的。

表2

将磨蚀材料的维氏硬度与噪音水平(来自电机的刷子的滑动音)的关系从表1、表2中抽出来示于表3中。另外以下，维氏硬度的单位为GPa。由表3可知，噪音水平与磨蚀材料的维氏硬度有关，维氏硬度为10～14时，噪音水平变小。而且维氏硬度为12.5的ZrO₂得到了最好的结果。此外，使用AlN(氮化铝：维氏硬度为10.4Gpa)时的噪音水平和磨损量与3Al₂O₃·2SiO₂(多铝红柱石：维氏硬度10.8Gpa)类似。

表3

磨蚀材料的维氏硬度与噪音水平和刷子的磨损量

将磨蚀材料(ZrO₂)的含量与平均粒径、噪音水平和磨损量的关系从表1、表2中抽出来示于表4中。此外表4中抽出了平均粒径类似的试样。如果将ZrO₂设定为磨蚀材料，则不依赖于其含量，噪音水平都变得比比较例1～3(维氏硬度为低于10或超过14)低。而且ZrO₂含量为0.2wt％、0.5wt％、1.8wt％中的任何一个时，都能获得充分的静音性并且磨损量也小，ZrO₂含量为0.5wt％时得到了最高的性能。从上述结果可知，磨蚀材料的含量优选为0.1wt％～2.0wt％，更优选为0.2wt％～1.8wt％，进一步优选为0.3wt％～1.0wt％。

表4

磨蚀材料(ZrO₂)的含量与平均粒径、噪音水平和磨损量

将ZrO₂的含量固定于0.5wt％、变化金属与石墨的重量比而得到的刷子从表1、表2中抽出。将金属与石墨的重量比对噪音水平和磨损量、以及电阻率的影响示于表5中。由表5清楚可知，为了使噪音水平和磨损量最优化，碳：金属的重量比优选为90：10以下且40:60以上，特别优选为85：15以下且40：60以上。

表5

碳/金属的重量比与ZrO₂的平均粒径、噪音水平、磨损量和电阻率

将ZrO₂的平均粒径与噪音水平和刷子的磨损量的关系从表1、表2中抽出来示于表6中。此外ZrO₂含量均为0.5wt％。平均粒径为9.3μm(实施例1)时噪音水平最小，平均粒径为22μm(实施例4)时噪音水平和刷子磨损量增加。另外4.5μm(实施例5)时，尽管磨损量小，但噪音水平变大。因此尽管没有特别限定，但ZrO₂的平均粒径优选为30μm以下，特别优选为5μm～20μm。另外如果将维氏硬度限制为10～14的范围，即使对于3Al₂O₃·2SiO₂(实施例6维氏硬度为10.8)、Si₃N₄(实施例9维氏硬度为14.0)，如果平均粒径相同，则其行为也应该类似。因此平均粒径优选为30μm以下，特别是优选为5μm～20μm。

表6ZrO₂的平均粒径与噪音水平和磨损量

如果与刷子的滑动造成换向器表面不平衡的磨损，则换向器表面的真圆度会恶化，刷子音变大。使用ミツトヨ株式会社制的真圆度/圆筒形状测定机(Roundtest RA-2000)测定200小时工作后的换向器表面的真圆度，并使用该公司的解析软件(Roundpak-F2000Ver.4)进行解析。图3(A)、(B)中示出了真圆度，并将与换向器表面的正圆形成的偏差展开来表示。(A)表示实施例1中的结果，(B)表示比较例1中的结果。纵轴表示与正圆形成的偏差，单位为μm。另外向下的长钉状的图案是换向器的底切(undercut)部，没有意义。实施例中与正圆(纵轴为0.00)形成的偏差小，比较例中偏差大。而且数据从正圆发生急剧变化意味着换向器表面有缺口，该缺口主要对应火花放电，表示换向器表面发生了不均匀磨损。在表1、表2中将经过200小时后的真圆度用良好(◎)、稍良好(○)、不良(×)的3阶段来表示。

作为汽车电装用电机，电动车窗用电机、电动座椅用电机、鼓风机电机等汽车的内装用电机、或汽车的引擎室的车室侧配置的雨刷用电机由于静音性特别重要，所以适合于该发明的刷子。上述电机是汽车的车室或其周围配置的电机。其中，汽车的车室内配置的汽车的内装用电机、例如前述的电动车窗用电机、电动座椅用电机、鼓风机电机特别适合于该发明的刷子。

此外，刷子还可以含有实施例中示出的成分以外的成分。

符号说明

2 汽车电装用电机的刷子

4 刷子主体

6 滑动面

8 引线

10 换向器

Claims (6)

1.一种汽车电装用电机的刷子，其在刷子主体中含有碳和维氏硬度为10GPa以上且14GPa以下的磨蚀材料。

2.根据权利要求1所述的汽车电装用电机的刷子，其特征在于，刷子主体以0.1wt％以上且2.0wt％以下的浓度含有磨蚀材料。

3.根据权利要求1或2所述的汽车电装用电机的刷子，其特征在于，刷子主体含有金属，并且碳与金属的重量比为90：10以下且40：60以上。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的汽车电装用电机的刷子，其特征在于，所述磨蚀材料为ZrO₂。

5.根据权利要求4所述的汽车电装用电机的刷子，其特征在于，将最大费雷特直径设定为ZrO₂粒子的粒径时，ZrO₂的平均粒径为30μm以下。

6.根据权利要求5所述的汽车电装用电机的刷子，其特征在于，将最大费雷特直径设定为ZrO₂粒子的粒径时，ZrO₂的平均粒径为5μm以上且20μm以下。

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