CN1956280A - 碳刷 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有抑制无线电噪声产生的改善的无线电干扰抑制性能的碳刷。该碳刷包含碳基材料和添加剂。
Description
本申请是申请号为CN03138665.2(申请日为2003年6月6日)、发明名称为“碳刷”的中国申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于电机的碳刷，特别涉及用于电动工具、真空吸尘器等的换向器电机的碳刷，产生较小的无线电干扰。
技术背景
传统上，通过向碳基材料中加入固体润滑剂和研磨剂并且在除了电刷接触换向器的部分以外的全部表面上涂敷良好导电性的金属，来抑制电刷的温度升高并长时间保持稳定的换向作用，已经开发了用于这类电机的碳刷，如JP-A-2000-197315中所公开的。
但是，近年来，关于真空吸尘器、电动工具等的换向器电动机的碳刷，已经特别地追求小型化、高输出和更高的转速。所以，已经要求具有小尺寸但是具有更小电阻损耗和更小摩擦的碳刷。
另一方面，满足这种要求的碳刷容易产生无线电噪声。当产生无线电噪声时，可能对碳刷周围的电设备有一些影响并导致它们不正常工作。所以，在许多国家，包括日本，特别是在欧洲国家和美国，提供了克服无线电噪声的严格标准并采取防护性措施对抗无线电噪声的发生。为了减小各种无线电干扰的产生，已经考虑了电刷基材的油浸，如JP-A-8-130078中所公开的。
但是，随着转速进一步增大，单独的油浸不足以控制无线电干扰。而且，油浸存在一个问题，即由于长期储存产生的浸渍油的损失阻碍了无线电干扰的稳定控制。
因此，本发明的目的是提供一种产生更小无线电干扰的碳刷，其抑制无线电噪声的产生。
发明内容
为了解决以上问题，本发明人已经发现，向电刷的碳基材中加入特定的金属或无机材料抑制无线电干扰的产生，并且完成了本发明。
具体地，通过向碳基材料中加入由金属或无机材料制成的添加剂，改善了本发明碳刷的无线电干扰产生性能，所述碳基材料通过把石墨粉末与粘合剂混合并且热处理该粘合剂组分而形成。
添加剂优选用钨、锡、氧化锌和硫化锌的至少一种制成。
优选地，添加剂不超过碳基材料的3重量％并且不小于0.3重量％。
优选地，添加剂是二硫化钼和碳化硅。
优选地，二硫化钼不小于碳基材料和粘合剂总量的0.5％，并且不大于3％，碳化硅不小于碳基材料和粘合剂总量的0.1％，并且不大于0.5％。
碳基材料优选用油浸渍。
粘合剂优选的是热固性树脂或沥青。
附图简述
图1是表示根据本发明的实施方案的碳刷的末端干扰电压测量的结果的图。
图2是图1中所示的低频区域的放大图。
图3是表示根据本发明的实施方案的碳刷的干扰电压测量的结果的图。
本发明的碳基材料可以是天然石墨、膨胀石墨或人造石墨。其中，具有较低结晶度的人造石墨是特别优选的。也可以使用通过混合这些石墨材料所制备的石墨颗粒。石墨的形式不特别限制，并且可以是例如鳞片状石墨或者土状石墨。通过使用这些碳基材料并调节在制备阶段的混合条件、烘烤条件等，可以实现希望的电刷基材的电阻率。
作为结合这些石墨颗粒的粘合剂，可以使用常用的热固性树脂。例如，可以使用固体或液体环氧树脂、酚醛树脂或通过改性这些环氧树脂、酚醛树脂所制备的各种热固性树脂。优选地，用于粘合剂的这些树脂是组合物的10-40％。
向碳基材料中加入钨、锡、锌、这些金属的氧化物和这些金属的硫化物中的一种或多种。特别地，添加剂优选由钨、锡、氧化锌和硫化锌中的至少一种制成。而且，钨作为添加剂是特别优选的，因为仅仅少量的钨即可在宽频率范围内表现出稳定的无线电干扰抑制性能。
添加剂为碳基材料的3重量％或更少，更优选为1％或更少，并且为0.3％或更多。如果添加剂量小于0.3重量％，无线电干扰抑制作用小。如果添加剂量超过3重量％的极限，或者1％的更优选极限，碳基材料的硬度增大，并且低摩擦性能恶化。
另外，二硫化钼和碳化硅可以是添加剂。二硫化钼作为添加剂，在单独与树脂等混合时，在静电等的影响下容易絮凝并且不容易均匀分散。但是，在本发明中，由于二硫化钼与导电石墨颗粒混合，所以，由于静电产生的絮凝较少发生。而且，粘合剂加入到其中并混练，然后研磨。所以，二硫化钼通过机械化学作用完全分散，并且牢固地与粘合剂和石墨颗粒附着并粘合。把用这种方法制备的含有石墨粉末作为主要成分的混合粉末成型和热处理，以产生电刷基材。
但是，含有二硫化钼的电刷，在使用中时容易在换向器表面上形成涂层。随着该涂层变厚，容易发生剥落。如果发生部分剥落等，电流在该部分集中，恶化了换向性能。在某些情况下，换向器本身被损坏并且必须更换。所以，二硫化钼的加入量优选为碳基材料和粘合剂的总量的0.5％-3％。更优选为1.0％-2.0％。这能够符合无线电噪声标准。如果二硫化钼加入量小于0.5％，该换向器的润滑性降低并且产生无线电噪声。如果所述量大于3％，在换向器表面上形成的涂层变得过多，换向性能恶化。结果，产生无线电噪声。
为了减少由二硫化钼在换向器表面上形成的这种涂层，向电刷基材中加入作为研磨剂的碳化硅。同样，如果碳化硅的量太多或者其颗粒尺寸太大并且碳化硅絮凝而不是均匀分散，则换向器表面被损坏，并且这会导致无线电噪声。所以，碳化硅的加入量优选为碳基材料和粘合剂总量的0.1％-0.5％，更优选为0.1％-0.3％。如果该量小于0.1，碳化硅不呈现其希望的作用。如果该量大于0.5％，换向器表面被损坏，并且电刷温度升高，烧坏换向器。如果碳化硅的颗粒尺寸大于100μm，其研磨作用太强，从而粗化换向器表面并增大换向器的摩擦。如果颗粒尺寸小于5μm，则降低去除换向器表面上的涂层的作用。所以，颗粒尺寸优选为5-100μm。由于碳化硅与树脂等有亲合性并且在树脂等中有分散性，所以，碳化硅和树脂可以在开始时与润滑剂一起加入并混合，或者碳化硅和树脂可以混练、研磨，然后通过混合加入。
由于用这种方式以预定量向碳基材料中加入二硫化钼和碳化硅，所以，换向器表面上二硫化钼的润滑性和碳化硅的涂层调节功能相互作用，因此稳定了换向性能并抑制无线电噪声的发生。
当石墨粉末与粘合剂如热固性树脂或沥青混练时，加入这些添加剂。
在把石墨粉末与热固性树脂粘合剂混练并碳化或硬化粘合剂组分后，用油浸渍该电刷基材。这种油浸进一步促进无线电干扰抑制性能的改进。对于这种油，可以使用合成烃油、酯油、矿物油或石油烃。油浸比例优选为电刷基材的2重量％或更多，更优选为2-10％。特别优选的是该油的1-0.5％为硅组分。
作为在其中电刷压在换向器表面上的方向上延伸的电刷的整个横向表面上或在其一部分上的金属涂层，可以通过无电镀方法形成和施加铜。当进行镀铜时，在镀铜后进行上述的油浸。如果这样施加的铜镀膜太厚，则处于滑动时它粗化配对的刷握滑动表面的表面，并且在电刷与接触的换向器之间的摩擦往往增大。另一方面，如果铜镀膜非常薄，电刷基材涂层作用小，不能足够地降低电刷的电阻。这使得难以抑制电刷的温度升高。所以，优选的是铜镀膜的厚度约为0.1-100μm。
优选的实施方案详述
下文中，将使用实施例详细描述本发明。应当注意，本发明不限于以下实施例。
实施例1
向70份平均颗粒尺寸为20μm且灰分含量为1.0％或更少的人造石墨粉末和天然石墨粉末的混合物中，加入30质量份酚醛树脂和0.5份钨，把该混合物在150℃混练1小时。此后，把该混合物研磨到40目或更小的颗粒尺寸，并在100Mpa的压力下压制成6×9×15mm的尺寸，在700℃热处理所述树脂，从而形成电刷基材。把该电刷基材用根据DIN51561在40℃测定的动粘度为68(mm2/s)的合成烃基油和酯油浸泡，并且用油浸渍该电刷基材，使其达到总重量的4.5重量％。
实施例2
通过按基材的0.5重量％加入锡代替实施例1中的钨，制备电刷基材。该电刷基材用油浸渍，使油量为3.8重量％。
实施例3
通过加入氧化锌(ZnO)使其达到基材重量的0.5％代替实施例1中的钨，制备电刷基材。该电刷基材用油浸渍，使油量为3.7重量％。
实施例4
通过加入硫化锌(ZnS)使其达到基材重量的0.5％代替实施例1中的钨，制备电刷基材。该电刷基材用油浸渍，使油量为4.0重量％。
对比实施例1
向70质量份平均颗粒尺寸为20μm且灰分含量为1.0％或更少的人造石墨粉末和天然石墨粉末的混合物中，加入30质量份酚醛树脂，把该混合物在150℃混练1小时。此后，把该混合物研磨到40目或更小的颗粒尺寸，并在100MPa的压力下压制成6×9×15mm的尺寸，在700℃热处理所述树脂，从而形成电刷基材。把该电刷基材用与实施例1中所用的相同的油浸泡，使油量为4.5重量％。
对于实施例1-4和对比实施例1的电刷，在AC 230V、60Hz和15分钟的条件下，使用基于CISPR(Comite International Specialdes Perturbations Radioelectriques)14标准的EMI(电子干扰)测试，进行末端(terminal)干扰电压测量和干扰电压测量。表1表示末端干扰电压测量的结果。表2表示干扰电压测量的结果。
表1
末端干扰电压
测定值是准峰值(QP)
表2
干扰电压
测定值是准峰值(QP)
如表1和2所示，当含有钨、锡、锌、氧化锌或硫化锌作为添加剂时，噪音水平可以降低若干dB。
表3表示实施例1-4和对比实施例1的物理特性。
表3
物理特性
| 堆积比重 | 硬度SHORE C型 | 电阻率μΩ·m | 结合强度MPa | |
| 实施例1 | 1.61 | 35 | 720 | 20.0 |
| 实施例2 | 1.60 | 35 | 690 | 19.4 |
| 实施例3 | 1.60 | 36 | 690 | 19.6 |
| 实施例4 | 1.62 | 36 | 700 | 19.5 |
| 对比实施例 | 1.60 | 35 | 670 | 20.6 |
如表3所示，即使含有钨、锡、锌、氧化锌或硫化锌作为添加剂，也能令人满意地保持物理特性。
下面将描述加入二硫化钼粉末和碳化硅粉末作为添加剂的实施例。
实施例5
把80质量份的平均颗粒尺寸为40μm且灰分含量为0.1％或更小的人造石墨粉末、1份二硫化钼粉末和0.15份平均颗粒尺寸为50μm的碳化硅混合，石墨粉末与后加入的粘合剂的总量为100份。向其中加入20质量份的通用环氧树脂作为粘合剂，并在常温下混练1小时。然后，把该混合物研磨到400μm或更小的颗粒尺寸，并在200MPa的压力下压制成7×11×30mm的尺寸。然后把该成型材料在180℃热处理，从而形成碳刷。
实施例6
把80质量份的平均颗粒尺寸为40μm且灰分含量为0.1％或更小的人造石墨粉末、1份二硫化钼粉末和0.3份平均颗粒尺寸为50μm的碳化硅混合，石墨粉末与后加入的粘合剂的总量为100份。向其中加入20质量份的通用环氧树脂作为粘合剂，并在常温下混练1小时。然后，把该混合物研磨到400μm或更小的颗粒尺寸，并在200MPa的压力下压制成7×11×30mm的尺寸。然后把该成型材料在180℃热处理，从而形成碳刷。
实施例7
把80质量份的平均颗粒尺寸为40μm且灰分含量为0.1％或更小的人造石墨粉末、2份二硫化钼粉末和0.15份平均颗粒尺寸为50μm的碳化硅混合，石墨粉末与后加入的粘合剂的总量为100份。向其中加入20质量份的通用环氧树脂作为粘合剂，并在常温下混练1小时。然后，把该混合物研磨到400μm或更小的颗粒尺寸，并在200MPa的压力下压制成7×11×30mm的尺寸。然后把该成型材料在180℃热处理，从而形成碳刷。
实施例8
把80质量份的平均颗粒尺寸为40μm且灰分含量为0.1％或更小的人造石墨粉末、0.5份二硫化钼粉末和0.15份平均颗粒尺寸为50μm的碳化硅混合，石墨粉末与后加入的粘合剂的总量为100份。向其中加入20质量份的通用环氧树脂作为粘合剂，并在常温下混练1小时。然后，把该混合物研磨到400μm或更小的颗粒尺寸，并在200MPa的压力下压制成7×11×30mm的尺寸。然后把该成型材料在180℃热处理，从而形成碳刷。
实施例9
把80质量份的平均颗粒尺寸为40μm且灰分含量为0.1％或更小的人造石墨粉末、3份二硫化钼粉末和0.15份平均颗粒尺寸为50μm的碳化硅混合，石墨粉末与后加入的粘合剂的总量为100份。向其中加入20质量份的通用环氧树脂作为粘合剂，并在常温下混练1小时。然后，把该混合物研磨到400μm或更小的颗粒尺寸，并在200MPa的压力下压制成7×11×30mm的尺寸。然后把该成型材料在180℃热处理，从而形成碳刷。
对比实施例2
把80质量份的平均颗粒尺寸为40μm且灰分含量为0.2％或更小的人造石墨粉末和0.15份平均颗粒尺寸为50μm的碳化硅混合，石墨粉末与后加入的粘合剂的总量为100份。向其中加入20质量份的通用环氧树脂作为粘合剂，并在常温下混练1小时。然后，把该混合物研磨到400μm或更小的颗粒尺寸，并在200MPa的压力下压制成7×11×30mm的尺寸。然后把该成型材料在180℃热处理，从而形成碳刷。
对比实施例3
把80质量份的平均颗粒尺寸为40μm且灰分含量为0.2％或更小的人造石墨粉末、1份二硫化钼粉末和1份平均颗粒尺寸为75μm的铝粉混合，石墨粉末与后加入的粘合剂的总量为100份。向其中加入20质量份的通用环氧树脂作为粘合剂，并在常温下混练1小时。然后，把该混合物研磨到400μm或更小的颗粒尺寸，并在200MPa的压力下压制成7×11×30mm的尺寸。然后把该成型材料在180℃热处理，从而形成碳刷。
对比实施例4
把80质量份的平均颗粒尺寸为40μm且灰分含量为0.2％或更小的人造石墨粉末和0.5份二硫化钼粉末混合，石墨粉末与后加入的粘合剂的总量为100份。向其中加入20质量份的通用环氧树脂作为粘合剂，并在常温下混练1小时。然后，把该混合物研磨到400μm或更小的颗粒尺寸，并在200MPa的压力下压制成7×11×30mm的尺寸。然后把该成型材料在180℃热处理，从而形成碳刷。
对于实施例5-9和对比实施例2-4的电刷，使用基于CISPR 14标准的EMI试验，在AC 230V和50Hz的条件下，进行末端干扰电压测量和干扰电压测量。表4和图1和2表示末端干扰电压测量的结果。表5和图3表示干扰电压测量的结果。图2是图1中所示的低频区域的放大图。
表4
末端干扰电压
测定值是准峰值(QP)
表5
干扰电压
测定值是准峰值(QP)
如表4和5以及图1-3所示，用通过向碳基材料中加入碳基材料和粘合剂总量的不小于0.5％且不大于3％的二硫化钼，并加入碳基材料和粘合剂总量的不小于0.5％且不大于1％的硅所生产的实施例1-5的碳刷，所产生的无线电噪声等于或小于在欧洲国家和美国的无线电噪声标准。
本发明构成如上所述。通过以预定的比例向碳基材料中加入特定的金属组分或无机材料如二硫化钼和碳化硅，减小了无线电噪声并且可以稳定地改善无线电干扰抑制性能。
Claims (10)
1.一种产生较小无线电干扰的碳刷，其特征在于，它是含有碳基材料和包含金属或无机材料的添加剂的产生较小无线电干扰的碳刷，其是通过向把石墨粉末与粘合剂混练并且热处理粘合剂而形成的所述碳基材料中添加所述添加剂而生产的。
2.一种产生较小无线电干扰的碳刷，其特征在于，它是含有碳基材料和包含金属或无机材料的添加剂的产生较小无线电干扰的碳刷，其是通过混练使石墨粉末、粘合剂以及包含金属或无机材料的添加剂混合而成的混合物之后，将其成型，然后热处理而生产的。
3.一种产生较小无线电干扰的碳刷，其特征在于，它是含有碳基材料和包含金属或无机材料的添加剂的产生较小无线电干扰的碳刷，其是通过混练使石墨粉末和粘合剂混合而成的混合物、粉碎后，混合包含金属或无机材料的添加剂，进行成型，然后热处理而生产的。
4.根据权利要求1-3的任一项的产生较小无线电干扰的碳刷，其特征在于，所述添加剂由所述金属或所述无机材料制成。
5.根据权利要求1-4的任一项的产生较小无线电干扰的碳刷，其特征在于，所述添加剂由选自钨、锡、氧化锌和硫化锌中的至少一种制成。
6.根据权利要求5的产生较小无线电干扰的碳刷，其中所述添加剂为所述碳基材料的不大于3重量％且不小于0.3重量％。
7.根据权利要求1-4的任一项的产生较小无线电干扰的碳刷，其特征在于，所述添加剂是二硫化钼和碳化硅。
8.根据权利要求7的产生较小无线电干扰的碳刷，其中二硫化钼为所述碳基材料的不小于0.5重量％且不大于3重量％，并且碳化硅为所述碳基材料的不小于0.1重量％和不大于0.5重量％。
9.根据权利要求1-8的任一项的产生较小无线电干扰的碳刷，其中所述碳基材料用油浸渍。
10.根据权利要求1-9的任一项的产生较小无线电干扰的碳刷，其中所述粘合剂为热固性树脂或沥青。
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