CN1914783A - 石墨质电刷及具备石墨质电刷的电动机 - Google Patents

石墨质电刷及具备石墨质电刷的电动机 Download PDF

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Abstract

为了提供一种与使用温度无关，不易磨损，满足高寿命化的石墨质电刷(1)及具备石墨质电刷(1)的电动机，因此就对在电动机(10)的转子(2)设置的芯(9)卷绕的线圈(17)进行供电的石墨质电刷(1)而言，石墨质电刷(1)由在表面及内部具有气孔的烧结体构成，在所述气孔内浸渗了具有比水的沸点高的沸点的液体。

Description

石墨质电刷及具备石墨质电刷的电动机
技术领域
本发明涉及对电动机的转子进行供电的石墨质电刷，尤其涉及即使石墨质电刷的使用温度达到例如100℃以上的高温，石墨质电刷也不易磨损的且满足高寿命化的石墨质电刷、及具备石墨质电刷的电动机。
背景技术
带有电刷的电动机通过电刷子滑动接触于换向器而实现供电。还有，缠绕于设置在转子的芯(core)的线圈连接在换向器，若对线圈通电，则转子利用与对置于转子配置在壳体内部的永久磁铁的吸引/排斥力而旋转。
在具有上述结构的电动机中，由于在驱动电动机时电刷和换向器滑动接触，因此存在其滑动接触面发生磨损的问题，一直以来，将在电动机驱动时抑制对电刷造成的磨损作为目的，探讨了如下的情况：通过改变电刷的材质，或调节电刷的硬度来抑制电刷的电方面/机械方面磨损、或驱动电动机时发生在电刷的滑动接触面的火花放电。
另一方面，在将带有电刷的电动机作为车辆用而应用的情况下，作为电动机的电刷，已知的有，通过使用接合溶剂混合石墨粒子和铜粒子并烧成而得的石墨质电刷(例如，参照特开2001-298913号公报(第一页))。
作为石墨质电刷的制造方法的一例，已知的有，将天然的石墨粒子作为基本成分，将溶解酚醛树脂溶液作为粘结剂进行捏合，将二硫化钼作为润滑材进行添加，并在氮气氛中以700～800℃进行烧结的石墨质电刷的制造方法。在这种情况下，在石墨粒子的表面作为被膜而形成的溶解酚醛树脂通过烧结而碳化为非晶体碳，非晶体碳作为粘结剂而使石墨粒子结合。还有，由于通过该烧结，溶解酚醛树脂溶液的有机物质作为二氧化碳或水蒸气升华，因此在石墨质电刷的表面及内部形成多个气孔。通过上述制法制造的石墨质电刷，可以通过形成电刷的石墨粒子的吸湿性，将存在于大气中的水分吸入气孔内。
在将这样的石墨质电刷安装于电动机的情况下，若石墨质电刷工作，则石墨质电刷和换向器的滑动接触面升温，水分从接近于石墨质电刷的滑动接触面、的内部气孔蒸发。还有，通过滑动摩擦系数因蒸发的水蒸气存在于石墨质电刷和换向器的滑动接触面而变小这一所谓的气体润滑作用，可以降低石墨质电刷的磨损量。
在将带有上述石墨质电刷的电动机应用于车辆用的情况下，在车辆的发动机室内，由于发动机的发热等影响，石墨质电刷和换向器的滑动接触面达到100以上的高温。在这种情况下，由于被吸入到石墨质电刷的气孔内的水分相比常温时，蒸发非常快，因此电动机在理应存在于石墨质电刷和换向器的滑动接触面的水蒸气其实不存在的状态下工作。因而，滑动接触面的滑动摩擦系数变大，石墨质电刷变得容易磨损。
从而，所述以往的石墨质电刷在高温下使用的情况下，相比在常温下使用的情况，每使用时间的磨损量变大，其结果是，导致了带有电刷的电动机的寿命变短的问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，将以下所述内容作为课题：提供一种石墨质电刷及具备石墨质电刷的电动机，该石墨质电刷与使用温度无关，不易磨损，满足高寿命化。
本发明的石墨质电刷的第一特征结构在于，一种石墨质电刷，其对在电动机的转子设置的芯卷绕的线圈进行供电，该石墨质电刷由在表面及内部具有气孔的烧结体构成，使具有比水的沸点高的沸点的液体浸渗于所述气孔内。
即，根据该结构，由于即使电动机的使用温度达到100℃以上，也不存在石墨质电刷的气孔内的液体完全蒸发的情况，存在于石墨质电刷和换向器的滑动接触面的液体的蒸气不消失，因此能够减小滑动接触面的滑动摩擦系数，相比以往的石墨质电刷，能够减少磨损量。
本发明的石墨质电刷的第二特征结构在于，所述液体由沸点各不相同的多种液体的混合物构成。
即，根据该结构，由于石墨质电刷的气孔内的液体在不同的温度下蒸发，因此即使在宽度广的温度范围内使用电动机，也能够使液体的蒸气时常存在于石墨质电刷和换向器的滑动接触面，从而能够减小石墨质电刷的磨损量。
本发明的石墨质电刷的第三特征结构在于，所述液体为选自水溶性的二醇类、水溶性的二醇醚类、及甘油中的至少一种。
即，根据该结构，由于热稳定性良好，因此即使电动机的使用温度为高温，也不发生热分解，能够在规定的温度下蒸发。另外，作为在直至80℃的低温区域蒸发的液体，可以使用水。进而，在使用多种液体的混合物的情况下，由于各自具有相溶性，因此能够均匀混合。
本发明的石墨质电刷的第四特征结构在于，所述液体为选自具有吸湿性的水溶性的二醇类、及具有吸湿性的水溶性的二醇醚类中的至少一种。
即，根据该结构，由于能够将大气中的水分吸入石墨质电刷的气孔内，因此不需要预先使水浸渗于石墨质电刷的气孔内。
本发明的石墨质电刷的第五特征结构在于，所述液体具有至少一种沸点比所述石墨质电刷和构成所述电动机的换向器的滑动接触面的最高温度高的液体。
即，根据该结构，由于液体无论处在电动机的何种使用温度，都不沸腾，因此液体的量不急剧减少，能够长时间使用。
本发明的石墨质电刷的第六特征结构在于，在所述混合物中，所述液体的沸点越低，混合比例越大
即，根据该结构，在混合多种液体的情况下，由于通常使用温度越是低温，使用频度越高，因此配合为液体的沸点越低，混合比例越大，从而能够应对石墨质电刷的使用温度范围的使用频度。
本发明的具备石墨质电刷的电动机的特征结构在于，一种电动机，其具备：壳体；磁体，其配置在壳体内；转子，其与该磁体对置配置，具有卷绕在芯的线圈，且在壳体内旋转自如；轴，其相对于所述壳体支承该转子；换向器，其设置于所述转子，对所述线圈供电；和石墨质电刷，其与该换向器滑动接触，其中，所述石墨质电刷由在表面及内部具有气孔的烧结体构成，在所述气孔内浸渗有具有比水的沸点高的沸点的液体。
即，根据该结构，由于即使电动机的使用温度达到100℃以上，石墨质电刷的气孔内的液体也不完全蒸发，存在于石墨质电刷和换向器的滑动接触面的液体的蒸气不消失，因此能够减小滑动接触面的滑动摩擦系数，从而能够降低磨损量。因而，能够延长具备石墨质电刷的电动机的寿命。
附图说明
图1是表示使用了本发明的一实施方式的石墨质电刷的电动机的结构的剖面图；
图2是表示石墨质电刷的组成的示意图；
图3是表示石墨质电刷的制造工序的工序图；
图4是使醇浸渗于石墨质电刷的工序图；
图5是表示水的蒸气压的图表；
图6是表示甘油的蒸气压的图表；
图7是表示二醇类、二醇醚类的蒸气压的图表；
图8是表示实施例1的石墨质电刷的工作温度和磨损量的关系的图表；
图9是表示实施例2的石墨质电刷的工作温度和磨损量的关系的图表；
图10是表示比较例的石墨质电刷的工作温度和磨损量的关系的图表；
图11是表示实施例3的二醇醚类的蒸气压的图表；
图12是表示实施例3的石墨质电刷的工作温度和磨损量的关系的图表；
图13是表示实施例4的二醇醚类的蒸气压的图表；
图14是表示实施例4的石墨质电刷的工作温度和磨损量的关系的图表；
图15是表示实施例5的二醇醚类的蒸气压的图表；
图16是表示实施例5的石墨质电刷的工作温度和磨损量的关系的图表；
图17是表示实施例6的二醇醚类的蒸气压的图表；
图18是表示实施例6的石墨质电刷的工作温度和磨损量的关系的图表；
图19是表示实施例7的二醇醚类的蒸气压的图表；
图20是表示实施例7的石墨质电刷的工作温度和磨损量的关系的图表。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的一实施方式进行说明。图1是使用了对转子2供电的石墨质电刷(以下，简称为电刷)1的电动机10的结构的剖面图，参照该图1，首先，对电动机10的结构进行简单的说明。
如图1所示的电动机10采用转子2在壳体7中进行旋转的结构。转子2旋转自如地收容在呈圆筒状的金属制的壳体7中，壳体7由螺栓等紧固部件14固定在壳体13，与壳体13成为一体。转子2由轴4支承，在轴4的一方的端部(如图1所示的右侧)，设置有相互具有两个平行的面的扁平部(二面幅(にめんはば))。被驱动装置的被驱动轴16从轴向插入嵌合于该扁平部而结合，从而形成可以将电动机10的旋转从被驱动轴16向外部输出的结构。
在转子2，在构成芯9的多个铁板沿轴向叠层的状态下，轴4压入芯9的中央而一体安装，从而转子2和轴4一体旋转。轴4的另一端压入在轴承(第一轴承)12的内环，该轴承12压入在壳体7的里侧，相对于壳体7由轴承12旋转自如地轴支承。另一方面，在呈圆筒状的壳体7的内面，通过粘接剂等贴附有在周方向上呈圆弧状的磁体11。
另外，在安装壳体7的壳体13，在安装转子2的电动机安装面形成有凹部13a。轴承5的外环5a通过压入操作安装在该凹部13a，轴4由轴承5轴支承。由此，轴支承转子2的轴4由两个轴承5、12以双支承的方式旋转自如地轴支承。在这种情况下，在与压入轴承12的方向相反的一侧的轴4的另一端，轴4压入于轴承5的内环5b。在该轴承5的外环5a配置为压入在形成于壳体13的凹部13a的内径。另外，在壳体13内，在电动机10的壳体13和轴承5之间配置有弹簧3。
弹簧3由弹性(弹簧常数)大的呈平板上的圆板形状的金属构成，在中央具有轴4贯通的孔3d。弹簧3从中心每隔120度以从外径朝向内径的方式沿圆周方向形成有三个狭缝，且相对于轴向三维弯曲，从支承部3a连续地形成有推顶部3b。弹簧3由支承部3a以圆周状抵接卡合于凹部13a的台阶部，由推顶部3b抵接于轴承5的外环5a的侧面，沿轴向(如图1所示的左方向)推顶轴承5。
另一方面，在轴承5的转子侧配置有保持器(holder)6。保持器6由树脂构成，与壳体7同轴配置。另外，保持器6从换向器8对卷绕于设置在转子侧的芯9的线圈17进行供电，并具有两个与该换向器8抵接的电刷1(图1中仅表示一个)。另外，在保持器6，一体地形成有从外部经由电刷1对转子侧进行供电的连接器15。通过将未图示的外部连接器与该连接器15连接，能够经由电刷13对卷绕于转子2的芯9的线圈17进行供电。如果对线圈17进行供电，则转子2和磁体11之间产生电磁吸引/排斥力，从而转子2旋转。
以下，对构成这样的结构及动作的电动机10的电刷1，进行详细的说明。如图2的示意图所示，该实施方式的电刷1由以天然石墨粒子18为基本成分的烧结体22构成，使用了在烧结体22的表面及其内部具有多个气孔19的电刷。因而，首先参照图3，对作为电刷1的烧结体22的制造工序的一例进行说明。
在电刷1的制造中，对电刷1准备天然的石墨粒子(粒径：5～50μm)，准备由相对于石墨粒子体积比率为2～3重量％的粒状颗粒(pallet)构成的线型酚醛树脂结构(或可溶酚醛树脂结构)的酚醛树脂(S1)。然后，通过醇类溶解线型酚醛树脂结构(可溶酚醛树脂结构)的酚醛树脂，制作溶解酚醛树脂溶液(S2)。在此使用的醇类例如只要使用甲醇即可。在这种情况下，在上述的酚醛树脂的溶解中，也可以不使用醇类，而使用酮类(例如，丙酮)。即，在S2中的利用醇的溶解中，通过施加于石墨粒子18的溶解酚醛树脂的粘度来决定形成在石墨粒子的表面的酚醛树脂的被膜的厚度。之后，对天然的石墨粒子18喷涂用醇溶解了酚醛树脂的溶解树脂(S3)。在S3中的喷涂中，以在石墨粒子18的表面得到均匀的溶解树脂的被膜的方式进行涂布。
然后，捏合在表面涂布有溶解树脂的石墨粒子(S4)。这里的捏合通过搅拌装置均匀搅拌规定时间的期间(例如，3～5小时左右)。之后，在大气中，自然干燥30分钟左右的时间(S5)。
然后，为了将在驱动电动机时流过电刷1的电流量抑制为规定的电流密度，根据流过电刷1的电流量对通过干燥而得到的石墨粒子(石墨造粒粒子)一起配合铜粉(S6)。另外，在此，为了使与换向器8的滑动良好，只要也进行二硫化钼的配合即可。通过这样的工序，以使铜粉及二硫化钼分别均匀的方式进行混合(S7)。之后，通过压挤装置进行加压成形(例如，压挤成形)(S8)，将电刷1成形为希望的形状。然后，将通过压挤成形得到的成形品在氮气氛下以700～800℃的温度烧结2～3小时的时间(S9)，由此，加工出具有电刷形状的烧结体22。在这样加工出的烧结体22的表面及内部，如图2的示意图所示，在与邻接的石墨粒子18之间形成有多个气孔19。
接着，参照图4，对使液体21浸渗于形成在经过如图3所示的工序加工出的烧结体22的气孔19的工序的一例，进行以下的说明。
浸渗于电刷1的气孔19内的液体21使用具有比水的沸点(100℃)高的沸点的液体。液体21不限于一种，可以为多种液体的混合物。另外，在电刷1和换向器8之间的滑动接触面达到100℃以上的情况下，优选具有比电刷1的滑动接触面附近的温度高的沸点的液体。液体21尤其优选使用醇类、醚类等。
若以醇类为例，对其沸点进行说明，则在一价醇的情况下，碳量和氢量越大，沸点越大。例如，在一价醇的情况下，丁醇为117.3℃，戊醇为102.3～138.3℃，在戊醇中八个同分异构体内，1-戊醇的沸点最高。另外，在二价醇的情况下，乙二醇具有197.9℃的沸点，进而，在三价醇的情况下，甘油具有290的沸点。另外，在异丙基苯的情况下，具有152.4℃的沸点。例如，在电刷1的使用温度(工作温度)为150℃以上的高温而使其工作的情况下，作为醇类，优选使用乙二醇或甘油等。
因而，针对使液体21浸渗于烧结体22的气孔内的工序，对使乙二醇浸渗的情况进行说明。在该工序中，首先准备乙二醇(S11)。接着，根据形成在烧结体22的气孔19相对于烧结体整体的比例(气孔率)、或气孔19的大小，通过水稀释乙二醇(S12)。这是为了稀释液在调节为规定的表面张力后，易于将醇浸渗于气孔内而进行的稀释。也可以不使用水而使用例如乙醇。
接着，准备通过烧结制造的且作为电刷1的烧结体22(S13)，并将其浸渍在乙二醇溶液中(S14)。然后，在浸渍烧结体22的状态下，在133Pa左右的减压下，放置规定时间(例如，1～2分钟左右)，吸出气孔内的大气并排出到容器外，然后用甘油或乙二醇置换气孔内的大气，使乙二醇浸渗于气孔内(S15)。通过在将含有进入烧结体22的气孔19的内部的水分的大气与乙二醇溶液完全置换后恢复到常压，完成乙二醇溶液浸渗在烧结体22的表面及内部的气孔19内的本发明的石墨质的电刷(S16)。
如上述的工序，使液体21浸渗于形成在电刷1的烧结体22的气孔19的内部，使具有比水高的沸点(100℃以上)的液体21保持在形成于烧结体22的内部的气孔19内，由此具有比水高的沸点的液体21置换大气而形成在烧结体的气孔19内。在上述工序中，对使一种液体浸渗的情况进行了说明，但即使液体21为多种液体的混合物，也能够以相同的工序浸渗。即，在S11中，通过准备将多种液体以规定的比例配合的液体21，能够制造本发明的石墨质电刷1。
通过使用本发明的石墨质电刷1，在驱动电动机时(即，电刷的滑动接触时)，通过在电刷1和换向器8的滑动接触面存在液体21，能够降低滑动接触面的摩擦系数。还有，即使电刷1达到超过100℃的工作状态，液体21也处于液体21的沸点以下，不完全蒸发，从而存在于滑动接触面的液体21不消失。因而，能够防止如以往所述，滑动摩擦系数增大而导致电刷1的磨损量增加的情况，其结果是，能够大幅度延长电动机10的寿命。
在此，通常，具有沸点的液体若达到接近沸点的温度，则该液体的蒸气压就急剧上升，在沸点具有一个大气压的蒸气压。因而，若接近于电刷1的滑动接触面的气孔19的温度不达到接近于液体21的沸点的温度，则低压浸渗于电刷1的气孔19内的液体21就不蒸发大量的蒸气。另外，如上所述，在以接近于沸点的温度使用的情况下，由于蒸气压大，因此液体21的消耗量大，从而不能将蒸气长时间供给到电刷1的滑动接触面。
另一方面，随着汽车的电动化，电动机10也使用在发动机类部件或制动类部件中，特别是诸如水泵或油泵等发动机类部件，相比电动窗系统等车体类部件，电动机10的连续工作时间显著长，连续工作时间达到数小时。由于该电动机10的连续工作时间的延长，电刷1的滑动接触面的平均温度可能上升到150℃到250℃左右。还有，优选无论在何种温度气氛下使用电动机10，都在滑动接触面具有液体21。
例如，在以120℃使用电动机10的情况下，如上所述，通过使用浸渗有乙二醇的电刷1，乙二醇在120℃蒸发而存在于滑动接触面从而能够减小滑动摩擦系数。另外，当在从常温到150℃左右之间变化的温度气氛下使用的情况下，通过使用浸渗有乙二醇的水溶液的电刷1，在100℃～150℃时，如上所述乙二醇蒸发而存在于滑动接触面，在100℃以下时，水蒸发而存在于滑动接触面，从而能够减小滑动摩擦系数。进而，在以200℃以上的温度使用的情况下，通过使用浸渗有具有高于200℃的沸点的液体的电刷1，能够抑制电刷1的磨损。即，由于通过液体21的种类决定能够蒸发的温度范围，因此需要根据电动机10的使用方式决定浸渗于电刷1的液体21的种类或数量。
如上所述，以往的石墨质电刷1，限制了通过石墨粒子的吸湿性而吸入到气孔19内的水分的量，相对于此，其水蒸气的消耗量根据电刷1的滑动接触部的温度而变化。还有，在电动机10连续工作的情况下，对石墨粒子的水分供给被中断。因而，气孔19内的被预先确定的水分量随着连续工作而逐渐蒸发减少。如果进一步连续工作，则吸入气孔19内的水分枯竭，滑动接触面的水蒸气也消失，因此可知由此致滑动接触面的滑动摩擦系数增大，同时导致石墨质电刷1磨损。还有，气孔19内的水分的蒸发速度由水的蒸气压的大小确定。
以往的石墨质电刷1在连续工作100小时的情况下，滑动接触面的平均速度直至80℃时以大致一定的磨损速度磨损，但从滑动接触面的平均温度超过了80℃的温度附近开始，磨损速度随着温度的上升而开始增大。这是因为，如上所述若超过80℃，则水分每小时的消耗量增大，在达到100小时之前，气孔19内的水分已经枯竭。即，原因如下：石墨质电刷1的滑动接触面的平均温度越达到高温，石墨粒子吸收的水分在滑动接触面蒸发的量越增加，其结果是，为了抑制石墨质电刷1的磨损而需要的水蒸气的量经过某个连续工作时间后消失，由于之后进行的工作，导致了石墨质电刷的磨损。
图5表示沸点为100℃的水的蒸气压的温度依存性。水的蒸气压从沸点100℃附近急剧上升。若超过沸点，则蒸气压进一步显著增大。例如，由从100℃到120℃的20℃的温度上升而引起的蒸气压的增大量，与由从0℃到100℃的100℃的温度上升而引起的蒸气压的增加量大致相同。还有，作为能够没有问题地使用电刷1的温度的20℃的蒸气压为18mmHg，作为所述的磨损速度即将增大之前的温度的80℃的蒸气压为355mmHg。从这样的观点可知，就浸渗于石墨质电刷1的气孔19内的液体21的蒸气压来说，作为能够减小磨损速度而使用的范围，优选从相当于水的20℃的18mmHg到相当于80℃的355mmHg，可以将该值作为参考值选择液体21的种类。另外，气体润滑作用是滑动接触面的滑动摩擦系数通过气体分子存在于滑动接触面而降低，由此降低滑动磨损的效果。因而，作为气体润滑作用的介质的液体的分子量越大，在滑动接触面每单位体积的气体分子占据的比例越大，从而气体润滑作用的效果增大。
在此，作为一例，图6表示沸点为290℃的甘油的蒸气压的温度依存性。甘油成为相当于水的20℃的蒸气压即18mmHg的温度是180℃左右，成为相当于水的80℃的蒸气压即355mmHg的温度是260℃左右。于是，在使带有浸渗了甘油的电刷1的电动机10例如以200℃连续工作的情况下，甘油能够从气孔19内蒸发，并存在于滑动接触面，故优选，但在以120℃连续工作的情况下，虽然在气孔19内残存甘油，但是在该温度时，由于蒸气压低，因此不能蒸发，反之，电刷1的磨损量有可能增大。
因而，当在宽度广的温度范围内使用电动机10的情况下，需要在各自的温度蒸发的液体21，因此液体21优选由在各自的温度具有18mmHg～355mmHg的范围内的蒸气压的多种液体的混合物构成。还有，该混合比例可以根据电动机10的使用方式而任意确定。通常，电刷1的滑动接触面随着电动机10的工作而逐渐升温，通过连续工作而达到最高温度。之后，若电动机10停止，则温度下降。另外，在电动机10的工作中，反复进行升温和降温。因而，电刷1的滑动接触面的温度越是低温，频度越高。从而，作为混合比例的优选的一例，以增加在低温区域内蒸发的液体，减少在高温区域内蒸发的液体的方式进行混合。由此，浸渗于电刷1的气孔19内的被限定的容积中的液体21能够长期作为气体润滑作用的介质而高效地使用。
作为在直至80℃的低温区域内蒸发的液体，优选使用水。在使用水的情况下，若电动机10工作，则水随着电刷1的滑动接触面的温度的升温而从液体21的水溶液先行蒸发，并被消耗，但如果马达停止，电刷1降低到常温附近，则电刷1能够再次将大气中的水分吸入气孔19内，从而进行补充。因而，构成液体21的各自的液体优选具有水溶性，另外，液体21优选作为水溶液而浸渗。
另一方面，能够浸渗于电刷1的气孔19内的液体21的量受到电刷1的气孔率的限制，石墨质电刷1的烧结体22的气孔率大约是20％。还有，通常，电动机10的使用频度最高的温度区域是20～80℃附近，因此作为存在于电刷1的滑动接触面的蒸气，需要水蒸气最多。因而，当在宽度广的温度区域内使用电动机10的情况下，由于容积被限定，因此若气孔19内的水占据的比例大，则存在高沸点的液体21的量不足之虞。从而，在这样的情况下，为了提高从大气中吸入水分的效率，优选构成液体21的液体中至少一种具有吸湿性。通过液体21包含具有吸湿性的液体，就水而言能够利用从大气中供给，将预先浸渗于电刷1的烧结体22的气孔19内的水的量减小或消除，因此能够增大浸渗于电刷1的气孔19内的高沸点的液体21的量。
在将液体21作为多种液体的混合物使用的情况下，对其一例进行说明。在电动机10的使用温度区域为20℃～250℃的温度范围的情况下，优选根据担负在各自的温度范围内的蒸气压的液体的蒸气压特性，划分为若干温度范围。该温度范围的划分方法可以由担负温度区域的蒸气压的液体的蒸气压的温度特性确定。
担负在20℃～80℃的温度范围内的蒸气压的液体优选使用水。这是因为，如上所述能够吸入大气中的水分而进行补充，能够减小预先浸渗的水的量。在80℃以上的温度区域，可以根据电动机10的使用方式而任意确定，因此不特别限定，但优选一种液体，其蒸气压在比80℃低的温度时为18mmHg，在比80℃高的温度时为355mmHg。还有，优选两种液体，其蒸气压在比其中一种液体的蒸气压达到355mmHg的温度低的温度时达到18mmHg，在比其中一种液体的蒸气压达到355mmHg的温度高的温度时达到355mmHg。进而，在混合三种液体的情况下，优选其中两种液体具有同样的蒸气压特性，在混合四种以上的液体的情况下，也优选相同方式。通过混合这样的液体，在从常温到满足使用方式的规定的温度之内，温度没有中断，能够在所有的温度发挥气体润滑作用效果。
另外，液体的混合比例，由于如上所述，通常发动机的使用温度越是低温使用频度越高，因此优选增大担负低温区域的蒸气压的液体的混合比例。还有，各自的液体的比例可以根据与各自的液体的18mmHg～355mmHg的蒸气压对应的温度范围的使用频度来确定。
构成液体21的液体，只要是具有比水的沸点高的沸点的液体，就不特别限定，可以任意选择，但在使80℃以下的气态润滑作用的介质为水的情况下，如上所述，优选具有水溶性，优选具有吸湿性。另外，在混合多种液体的情况下，优选各自具有相溶性，具有规定的温度范围内的蒸气压特性。进而，优选在电动机10的使用范围内不进行热分解，以便各自的液体在规定的温度范围内蒸发。另外，如上所述，为了提高气体润滑作用的效果，优选分子量大的液体。
即，浸渗于石墨质电刷1的烧结体22的气孔19内的液体优选：(1)在规定的温度范围内具有18mmHg～355mmHg的蒸气压；(2)至少一种液体具有吸湿性；(3)具有水溶性；(4)具有相溶性；(5)在规定的温度具有耐热分解性；(6)分子量相对高。从这样的观点可知，作为构成液体21的液体，可以优选应用廉价且安全性高的水溶性的二醇类、水溶性的二醇醚类、甘油等。
在此，表1～5分别表示水溶性二醇类、水溶性二醇醚类的沸点为100～150℃、150～200℃、200～240℃、240～280℃、280～330℃的五个温度区域时的分子量、蒸气压、吸湿性、热分解性。尤其，在(1)酯类、(2)具有亚丙基氧化物链、(3)在末端具有相对长的烷基链的情况下，由于容易热分解，因此不优选。还有，选择至少在250℃时不进行热分解的二醇类、二醇醚类，它们的蒸气压特性如图7所示。可以根据这些蒸气压特性，选择并组合能够在规定的温度下发挥气体润滑作用效果的二醇类、二醇醚类。
表1
化合物 分子量     蒸气压(℃) 吸湿性 热稳定性
 10mmHg   50mmHg   760mmHg
丙二醇单甲基醚(1-甲氧基-2-丙醇) 90.12  23.7   67   121.0   有 差(丙烯基)
乙二醇单甲基醚(2-甲氧基乙醇) 76.1  27   56   124.5   有 稍差(末端有羟基)
丙二醇单乙基醚(1-乙氧基-2-丙醇) 104.15  30.6   60   132.2   有 差(丙烯基)
乙二醇单乙基醚(2-乙氧基乙醇) 90.12  36   66   134.8   有 稍差(末端有羟基)
乙二醇单异丙基醚(2-异丙氧基乙醇) 104.15  44   74   141.8   有 差(末端有异丙基、羟基)
乙二醇甲基醚乙酸酯(2-甲氧基乙酸乙酯) 118.13  42   71   145.1   有 差(酯类)
丙二醇单丙基醚 118.18  46   76   149.8   有 差(末端为丙基和羟基、丙烯基)
表2
化合物 分子量   蒸气压(℃) 吸湿性 热稳定性
  10mmHg   50mmHg   760mmHg
  乙二醇单异丁基醚   118.18   53   85   160.5   有   差(末端有异丁基、羟基)
  二乙二醇二甲基醚   134.17   49.5   84.0   164.0   有   稳定(两末端基为甲基、二醚)
  乙二醇单丁基醚(2-丁氧基乙醇)   118.18   62   94   171.2   有   差(末端有丁基、羟基)
  二乙二醇甲基乙基醚   148.21   64   98   176   有   稳定(两末端基为甲基和乙基)
  二丙二醇单甲基醚(1，2-丙醇)   148.21   74.6   110   187.2   有   差(丙烯基、末端有羟基)
  丙二醇   76.09   86   114   188.2   有   差(丙烯基、两末端有羟基)
  二乙二醇二乙基醚   162.23   72.0   107.0   188.9   有   稳定(两末端有乙基、二醚)
  二乙二醇单甲基醚(2-(2-甲氧基乙氧基)乙醇) 120.15 82 115 194.0 有 稍差(末端有羟基)
  己二醇(2-甲基-2，4-戊二醇)   118.17   94   125   197.1   有   差(己基、两末端有羟基)
  二丙二醇单乙基醚(1，2-丙醇)   162.22   83   117   197.8   有   差(丙烯基、末端有羟基)
  乙二醇   62.07   93   124   197.85   有   稳定
表3
化合物 分子量   蒸气压(℃) 吸湿性 热稳定性
  10mmHg   50mmHg   760mmHg
  二乙二醇单乙基醚(2-(2-乙氧基乙氧基)乙醇) 134.17 88 123 201.9 有   稍差(末端有羟基)注：蒸气压特性与EG类似
  1，3-丁二醇(1，3-丁二醇)   90.12   97   132   207.5   有   差(两末端有羟基)
  三甲二醇(1，3-丙二醇)   76.09   113   148   214   有   差(两末端有羟基)
  三乙二醇二甲基醚   178.22   95.0   130.0   216.0   有   稳定(两末端为甲基)
  二乙二醇乙基醚乙酸酯(2-乙氧基乙氧基乙酸乙酯) 176.21 96 130 217.4 有 差(酯类)
  四甲二醇(1，4-丁二醇)   90.12   122   154   229.2   有   稍差(两末端为羟基)
  二乙二醇单异丁基醚   162.23   98   134   220   有   差(末端为异丁基、羟基)
  二乙二醇单丁基醚(2-(2-丁氧基乙氧基)乙醇) 162.23 109 145 230.6 有 差(末端为丁基、羟基)
  二丙二醇   134.17   114   151   231.8   稍有   差(丙烯基、两末端为羟基)
表4
化合物 分子量   蒸气压(℃) 吸湿性 热稳定性
  10mmHg   50mmHg   760mHg
  三丙二醇单甲基醚   206.3   118   156   242.3   有   差(丙烯基、末端有羟基)
  1，5-戊二醇(1，5-戊二醇)   104.15   134   160   242.4   有   差(两末端为羟基)
  二乙二醇   106.12   130   165   244.33   有   差(两末端为羟基)
  三乙二醇单甲基醚   164.21   122   160   249.0   有   稍差(末端为羟基)
  二乙二醇单己基醚   190.29   132   170   259.1   稍有   差(末端有己基和羟基)
  三乙二醇单丁基醚   206.29   148   188   271.2   有   差(末端有丁基和羟基)
  三乙二醇   150.17   162   198   278.31   有   差(两末端有羟基)
  四乙二醇二甲基醚   222.28   144.2   183.1   275   有   稳定(两末端为甲基)
表5
化合物 分子量   蒸气压(℃) 吸湿性 热稳定性
  10mmHg   50mmHg   760mmHg
  二乙二醇单苄基醚   196.24   185   220   302.0   有   稍差(末端有羟基)
  四乙二醇   194.23   188   232   327.3   有   差(两末端有羟基)
(实施例)
以下，对使用了具备本发明的石墨质电刷1的电动机10的连续工作试验的实施例进行说明。还有，工作试验使用4.5mm×9.0mm大小的石墨质电刷1，将石墨质电刷1对换向器8的负载设为78.5kPa，旋转速度设为3.6m/s，调查了以一定温度连续工作之后的石墨质电刷1的磨损量。另外，假设实际的使用方式，使用配合了85重量％的电解铜粉的情况和配合了30重量％的情况的石墨质电刷1进行了试验。通常，铜粉的配合比例越高，石墨质电刷1的磨损量越大。
(实施例1)
作为液体21，使用浸渗了沸点大约是198℃的乙二醇的石墨质电刷1，进行了电动机10的连续工作试验。还有，乙二醇，其蒸气压达到18mmHg的温度为105℃，达到355mmHg的温度为175℃。其结果如图8所示，在直至180℃左右能够减少磨损量，在其以上的工作温度时，若温度变高，则磨损量增大。即，在直至100℃左右是从大气中吸入的水分的效果，在直至180℃是乙二醇的效果。还有，若超过180℃，则乙二醇的蒸气压进一步增大，直至枯竭为止的时间缩短，因此工作温度升高，并且石墨质电刷1的磨损量增大。从而，使用了浸渗有乙二醇的石墨质电刷1的电动机10优选应用于在直至180℃左右这一温度的使用。
(实施例2)
作为液体21，使用浸渗了沸点大约是290℃的甘油的石墨质电刷1，与实施例1同样地进行了电动机10的连续工作试验。还有，甘油，其蒸气压达到18mmHg的温度为180℃，达到355mmHg的温度为260℃。其结果如图9所示，在直至100℃左右、和200～250℃时，能够降低磨损量，其间的工作温度时，磨损量增大。在直至100℃时与实施例1同样地是从大气中吸入的水分的效果，在200～250℃时是甘油的效果。但是，在其间的温度时，水分在达到100小时之前蒸发，而甘油蒸发温度尚低，因此若在100～200℃之间温度变高，则水分直至枯竭为止的时间提前，因此磨损量增大。从而，使用了浸渗有甘油的石墨质电刷1的电动机10优选应用于在200～250℃的温度的使用。
(比较例)
作为比较例，针对以往的石墨质电刷1，同样进行了电动机10的连续工作试验。其结果如图10所示，石墨质电刷1的磨损量从超过80℃的附近开始增大，达到100℃以上时，进一步变大。如上所述，这表示如果温度变高，则水分直至枯竭为止的时间提前。
(实施例3)
作为液体21，使具有如图11所示的蒸气压特性的三种二醇醚的混合物浸渗于石墨质电刷1。二乙二醇二甲基醚，其蒸气压达到18mmHg～355mmHg的温度宽度广约是55℃～135℃，另外，两末端基具有甲基，且为二醚，因此为热稳定最好的二醇醚的一种。进而具有吸湿性，分子量为134.17，与甘油的分子量92.09相比，大5成左右。
三乙二醇二甲基醚，其蒸气压达到18mmHg～355mmHg的温度宽度广约是115℃～190℃，另外，两末端基为甲基，且为三醚，因此为热稳定最好的二醇醚的一种。与乙二醇二甲基醚同样地，具有吸湿性，进而，分子量为178.22，与甘油的分子量92.09相比，大近2倍。
四乙二醇二甲基醚，其蒸气压达到18mmHg～355mmHg的温度宽度广约是155℃～250℃，另外，两末端基为甲基，且不是一醚而为四醚，因此为热稳定最好的二醇醚的一种，并具有吸湿性。进而，分子量为222.28，与甘油的分子量92.09相比，为2.4倍左右的大小。
分别按体积比例60％、30％、10％混合上述三种液体，做成了液体21。各自的液体具有相溶性，能够均匀混合，与一种液体的情况同样地，能够浸渗于石墨质电刷1。使用这样的石墨质电刷1，与实施例1、2同样地进行了电动机10的连续工作试验。其结果如图12所示，在宽度广的温度范围内，能够减小磨损量。各温度时的磨损量的变化反映了各自的液体的蒸气压特性，在140℃附近，气体润滑作用的介质从二乙二醇二甲基醚转移为三乙二醇二甲基醚，但在140℃附近，三乙二醇二甲基醚的蒸气压未变得充分大，因此滑动接触面尚不能存在充分的蒸气，故磨损量暂时变大。如果达到140℃以上，则三乙二醇二甲基醚的蒸气压变得充分大，因此磨损量减小。同样，在200℃附近，气体润滑作用的介质从三乙二醇二甲基醚转移为四乙二醇二甲基醚，因此电刷的磨损量增大。进而，若达到240℃以上，则由于四乙二醇二甲基醚的蒸气压也增大，因此磨损量增大。
(实施例4)
作为液体21，使具有如图13所示的蒸气压特性的四种二醇醚的混合物浸渗于石墨质电刷1。乙二醇单乙基醚，其蒸气压达到18mmHg～355mmHg的温度宽度广约是45℃～115℃，另外，两末端基为羟基，与实施例3的二醇醚相比，热稳定性差，但沸点为134.8℃，在二醇醚类中为低沸点物质，故不热分解。进而，分子量为90.12，为与甘油的分子量92.09大致相同的分子量。
二乙二醇二乙基醚，其蒸气压达到18mmHg～355mmHg的温度宽度广约是95℃～160℃，另外，两末端基为乙基，且为二醚，因此是热稳定性最好的二醇醚的一种。进而具有吸湿性，分子量为162.23，与甘油的分子量92.09相比，大近1.8倍。
三乙二醇单甲基醚，其蒸气压达到18mmHg～355mmHg的温度范围为145℃～220℃，另外，单侧的末端基为羟基，相比链短的烷基，热稳定性差，但另一侧的末端基为甲基，且为热稳定的三醚，因此为热稳定的二醇醚的一种。进而，分子量为164.21，与甘油的92.09相比，大近1.8倍。
二乙二醇单苄基醚，其蒸气压达到18mmHg～355mmHg的温度宽度广约是185℃～280℃，另外，单侧的末端基为羟基，不过由于为热稳定的二醚，因此不热分解。进而，分子量为196.24，与甘油的分子量92.09相比，为2.1倍左右的大小。
分别按体积比例50％、30％、15％、5％混合上述四种液体，做成了液体21。各自的液体具有相溶性，能够均匀混合，与一种液体的情况同样地，能够浸渗于石墨质电刷1。使用这样的石墨质电刷1，与实施例1、2同样地进行了电动机10的连续工作试验。其结果如图14所示，在宽度广的温度范围内，能够减小磨损量。另外，与实施例3同样地，在气体润滑作用的介质转移为其他种类的液体的温度附近，磨损量增大。即，因为在120℃附近，气体润滑作用的介质从乙二醇单乙基醚转移为二乙二醇二乙基醚，在160℃附近，从二乙二醇二乙基醚转移为三乙二醇单甲基醚，在220℃附近，从三乙二醇单甲基醚转移为二乙二醇单苄基醚。还有，特别地220℃的电刷的磨损量增大是因为，为了相对于实施例3减小250℃时的磨损量而使用了更高温且容易蒸发的二乙二醇单苄基醚。
与实施例3相比，若增加一种二醇醚，则因为存在：(1)在超过250℃的宽度广的温度区域也能够减小磨损量；(2)能够使二醇醚蒸发的温度区域重复，因此能够在宽度广的温度范围内没有遗漏地使蒸气蒸发，这些优点，故优选。
(实施例5)
作为液体21，使具有如图15所示的蒸气压特性的四种二醇醚的混合物浸渗于石墨质电刷1。在实施例4的液体21中，将三乙二醇单甲基醚变更为四甲二醇，将二乙二醇单苄基醚变更为四乙二醇二甲基醚。四甲二醇，其蒸气压达到18mmHg～355mmHg的温度范围大约是132℃～190℃，另外，与酸共存的情况下，高温时被环状化，成为四氢呋喃，但在与酸不共存的情况下，即使在200℃也热稳定。另外，具有吸湿性，分子量为90.12，与甘油的分子量92.09大致相等。四乙二醇二甲基醚在实施例3中被使用。
通过使用上述液体21，相比实施例4，不同点在于：(1)由于从蒸气压达到18mmHg的温度大约是145℃的二醇醚变更为132℃的二醇醚，因此从132℃到205℃的温度区域的成为气体润滑作用的介质的液体的蒸气压增大；(2)由于从蒸气压达到18mmHg的温度大约是185℃的二醇醚变更为155℃的二醇醚，因此从155℃到245℃的温度区域的成为气体润滑作用的介质的液体的蒸气压增大，245℃以上的蒸气压降低。
分别按体积比例50％、30％、15％、5％混合四种液体，做成了液体21。各自的液体具有相溶性，能够均匀混合，与一种液体的情况同样地，能够浸渗于石墨质电刷1。使用这样的石墨质电刷1，与其他实施例同样地，进行了电动机10的连续工作试验。其结果如图16所示，在宽度广的温度范围内，减小了磨损量。在120℃、140℃、220℃时，磨损量增大，但比实施例4小。另外，由于变更为在低温蒸发的二醇醚，因此250℃时的磨损量增大。
(实施例6)
作为液体21，使具有如图17所示的蒸气压特性的5种二醇醚的混合物浸渗于石墨质电刷1。乙二醇单乙基醚与实施例4相同。二乙二醇甲基乙基醚，其蒸气压达到18mmHg～355mmHg的温度范围大约是65℃～115℃，另外，两末端基由作为短链的烷基的甲基和乙基结合，且为二醚，因此为热稳定性最好的二醇醚的一种。进而具有吸湿性，分子量为148.21，相比甘油的分子量92.09，为1.6倍的大小。三乙二醇二甲基醚与实施例3相同，三乙二醇单甲基醚与实施例4相同，四乙二醇二甲基醚与实施例3相同。
实施例6与实施例4、5相比，二醇醚的种类进一步增加了一种，因此各自的二醇醚的蒸气分担的温度范围进一步变小。另外，浸渗于气孔内的二醇醚的各自的量比实施例4、5小。但是，在实施例6中，混合了两种在从110℃到190℃的温度区域内蒸发的二醇醚，因此该温度区域的蒸气比实施例4、5大。还有，在多种二醇醚重复成为气体润滑作用的介质的温度区域内，能够使蒸气没有遗漏地蒸发。
分别按体积比例40％、30％、15％、10％、5％混合上述五种液体，做成了液体21。各自的液体具有相溶性，能够均匀混合，与一种液体的情况相同地，能够浸渗于石墨质电刷1。使用这样的石墨质电刷1，与其他实施例同样地，进行了电动机10的连续工作试验。其结果如图18所示，在直至240℃的温度范围内，能够将磨损量减小到0.2mm以下。还有，与实施例3、4相比，能够在各温度使蒸气进一步没有遗漏地蒸发，因此即使在二醇醚的种类转移的温度时，磨损量也不那么大。
(实施例7)
作为液体21，使具有如图19所示的蒸气压特性的六种二醇醚的混合物浸渗于石墨质电刷1。乙二醇单乙基醚与实施例6相同，二乙二醇二甲基醚与实施例3相同，二乙二醇二乙基醚与实施例4相同，三乙二醇二甲基醚、三乙二醇单甲基醚、四乙二醇二甲基醚分别与实施例6相同。
实施例7相比实施例6，二醇醚的蒸气分担的温度范围进一步减小。因而，各自的二醇醚的混合比例减小。但是，在由两种或三种不同的二醇醚重复分担18mmHg以上的蒸气压的温度区域内，各温度时加法运算的蒸气压比实施例6大。另外，由于蒸气压不同的二醇醚重复成为气体润滑作用的介质，因此在宽度广的温度范围内，能够没有遗漏地使蒸气蒸发。
分别按体积比例35％、25％、20％、10％、6％、4％混合上述六种液体，做成了液体21。各自的液体具有相溶性，能够均匀混合，与一种液体的情况同样地，能够浸渗于石墨质电刷1。使用这样的石墨质电刷1，与其他的实施例同样地，进行了电动机10的连续工作试验。其结果如图20所示，在直至240℃的温度范围内，能够将磨损量减小到0.15mm以下。
(工业上的可利用性)
本发明的具备石墨质电刷的电动机可以应用于驱动冷却车辆的发动机的水泵的电动机、旋转冷却风扇的电动机、驱动发动机的油泵的电动机等的车辆用途或其他各种用途。

Claims (7)

1.一种石墨质电刷(1)，其对在电动机(10)的转子(2)设置的芯(9)卷绕的线圈(17)进行供电，其特征在于，
该石墨质电刷(1)由在表面及内部具有气孔(19)的烧结体(22)构成，在所述气孔(19)内浸渗了具有比水的沸点高的沸点的液体(21)。
2.根据权利要求1所述的石墨质电刷，其特征在于，
所述液体(21)由沸点各不相同的多种液体的混合物构成。
3.根据权利要求1所述的石墨质电刷，其特征在于，
所述液体(21)为选自水溶性的二醇类、水溶性的二醇醚类、及甘油中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的石墨质电刷，其特征在于，
所述液体(21)为选自具有吸湿性的二醇类、及具有吸湿性的水溶性的二醇醚类中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的石墨质电刷，其特征在于，
所述液体(21)具有至少一种沸点比所述石墨质电刷(1)和构成所述电动机(10)的换向器(8)的滑动接触面的最高温度高的液体。
6.根据权利要求2～5中的任意一项所述的石墨质电刷，其特征在于，
在所述混合物中，所述液体(21)的沸点越低，混合比例越大。
7.一种电动机(10)，其具备：
壳体(7)(13)；
磁体(11)，其配置在壳体(7)(13)内；
转子(2)，其与该磁体(11)对置配置，具有卷绕在芯(9)的线圈(17)，且在壳体(7)(13)内旋转自如；
轴(4)，其相对于所述壳体(7)(13)支承该转子(2)；
换向器(8)，其设置于所述转子(2)，对所述线圈(17)供电；和
石墨质电刷(1)，其与该换向器(8)滑动接触，
该电动机(10)的特征在于，
所述石墨质电刷(1)由在表面及内部具有气孔(19)的烧结体(22)构成，在所述气孔(19)内浸渗了具有比水的沸点高的沸点的液体(21)。
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