DE102004016149B4

DE102004016149B4 - Metallbeschichtete Kohlebürste

Info

Publication number: DE102004016149B4
Application number: DE102004016149.6A
Authority: DE
Inventors: Miyozi Arai; Kazuhiro Takahashi; Masayuki Takuma; Takahiro Sakoda
Original assignee: TotanKako Co Ltd
Current assignee: TotanKako Co Ltd
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2004-04-01
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2024-04-02
Also published as: CN101286614B; KR100771804B1; US20040212272A1; JP2004312921A; DE102004016149A1; CN1540810B; US7129615B2; CN1540810A; CN101286614A; KR20040087951A

Abstract

Metallbeschichtete Kohlebürste, umfassend ein kohlenstoffhaltiges Substrat vom harzgebundenen Typ und eine auf der Oberfläche des kohlenstoffhaltigen Substrats gebildete Metallbeschichtung, wobei das kohlenstoffhaltige Substrat einen mittleren Porenradius von 0,1 bis 2,0 μm und ein kumulatives Porenvolumen von 50 bis 600 mm3/g aufweist, wobei das kohlenstoffhaltige Substrat durch Eintauchen des Substrats in eine Vorbehandlungslösung, der ein Sensibilisator und ein Aktivierungsmittel zugegeben wurde, vorbehandelt ist, wobei der Sensibilisator Zinnchlorid (SnCl2) und das Aktivierungsmittel Palladiumchlorid (PdCl2) ist, und wobei das kohlenstoffhaltige Substrat bei einem Druck von 10 MPa bis 20 MPa in eine vorbestimmte Form gebracht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine metallbeschichtete Kohlebürste für einen Elektromotor.
In letzter Zeit wurden Elektromotoren, die eine Kohlebürste (nachstehend als Bürste bezeichnet) aufweisen, immer kompakter und es ist erforderlich, dass sie ein großes Leistungsvermögen aufweisen. Daher ist für die Kohlebürste eine geringe Größe, ein geringerer Widerstandsverlust (Ohm'scher Verlust) der elektrischen Leitfähigkeit (nachstehend als Widerstandsverlust bezeichnet) und ein geringerer Verschleiß erforderlich.
Herkömmlich wurde als Kohlebürste, die für Schleifring- oder Niederspannungselektromotoren eingesetzt wurde, häufig eine metallische Kohlebürste verwendet, die aus Graphitpulver besteht, das mit Metallpulver gemischt und gesintert worden ist. Da jedoch eine Erhöhung des Metallgehalts den Widerstandsverlust der Kohlebürste verringert, bestehen einige Probleme wie z. B. eine schlechte Schmierung, eine Anti-Lichtbogeneigenschaft und ein erhöhter Verschleiß.
Auch bei einem Wechselstrom-Kommutatormotor besteht das Problem, dass die Kommutierung schlecht wird und der Verschleiß zunimmt, wenn zur Verminderung des Widerstandsverlusts ein Material mit niedrigem Widerstand verwendet wird.
Im Gegensatz dazu nimmt die Bürstentemperatur im Fall der Verwendung eines Materials mit hohem Widerstand und des Anlegens eines größeren Stroms an eine Bürste aufgrund des Widerstandsheizens zu. Die Bürste wird gewöhnlich durch Einbetten eines Anschlussdrahts mit Kupferpulver oder dergleichen und Pressen zur Verbindung mit dem Kohlebürstenkörper hergestellt. Wenn Strom angelegt wird, dann besteht das Problem, dass die Bürstentemperatur zunimmt und das Kupferpulver des verstemmten Teils oxidiert wird, der Stromfluss schlecht wird und der Elektromotor schließlich stoppt.
Von den Wechselstrom-Kommutatormotoren wird bei einem Elektromotor, der eine höhere Drehzahl liefern muss, wie z. B. für eine elektrische Reinigungsvorrichtung, eine Kohlebürste vom harzgebundenen Typ verwendet, die aus Graphitpulver und einem Harzbindemittel besteht, die vereinigt und gehärtet werden, da bei einer hohen Drehzahl das Erfordernis einer hervorragenden Kommutierung bei einer langen Lebensdauer besteht. Im Fall der Bürste vom harzgebundenen Typ nimmt jedoch die Bürstentemperatur bei der hohen Stromdichte aufgrund des hohen Widerstands zu, was zu einer Zersetzung des als Bindemittel verwendeten Harzes führt.
Zur Lösung dieser Probleme ist eine Kohlebürste bekannt, deren Oberfläche mit einem Metall mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit beschichtet ist, um den elektrischen Widerstand der gesamten Kohlebürste zu vermindern, welche den Kohlenstoff als Komponente enthält (beispielsweise wird auf die japanische Patentveröffentlichung JP H05-182733 A verwiesen).
WO 02/01681 A1 und JP 2000 197315 A beschreiben eine metallbeschichtete Kohlebürste, die einen niedrigen Temperaturanstieg ermöglicht, und ausgezeichnete Abriebbeständigkeit aufweist. JP H06-335 206 A beschreibt eine Bürste aus Metallgraphit, welche sowohl Leitfähigkeit als auch Gleiteigenschaften und eine lange Lebensdauer aufweist. JP H07-204 936 A beschreibt eine Graphitelektrode für elektrochemisches Bearbeiten, wobei der mittlere Porenradius des Graphitmaterials 0,1–3,0 μm beträgt und das kumulative Porenvolumen 100 mm³/g oder weniger beträgt, wodurch der Elektrolyt vor einem Penetrieren in die Graphitelektrode bewahrt wird.
Da es jedoch schwierig war, das Metall mit der gleichen Dicke auf die Oberfläche des kohlenstoffhaltigen Materials aufzubringen, führte dies aufgrund der Schwankungen der Dicke in manchen Fällen zu einer ungleichmäßigen Färbung auf der Oberfläche des Metalls. Dies ist für die Anwender der Bürste manchmal unangenehm. Da die ungleichmäßige Färbung auch die Oxidation des Metalls verursacht, kann sie den guten elektrischen Widerstand nicht beibehalten.
Demgemäß ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine metallbeschichtete Kohlebürste mit einer einheitlichen Dicke der Metallbeschichtung bereitzustellen und die ungleichmäßige Färbung zu verhindern.
Eine metallbeschichtete Kohlebürste, welche die vorstehend genannten Probleme löst, umfasst ein kohlenstoffhaltiges Substrat vom harzgebundenen Typ und eine auf der Oberfläche des kohlenstoffhaltigen Substrats gebildete Metallbeschichtung, wobei das kohlenstoffhaltige Substrat einen mittleren Porenradius von 0,1 bis 2,0 μm und ein kumulatives Porenvolumen von 50 bis 600 mm³/g aufweist, wobei das kohlenstoffhaltige Substrat durch Eintauchen des Substrats in eine Vorbehandlungslösung, der ein Sensibilisator und ein Aktivierungsmittel zugegeben wurde, vorbehandelt ist, wobei der Sensibilisator Zinnchlorid (SnCl₂) und das Aktivierungsmittel Palladiumchlorid (PdCl₂) ist, und wobei das kohlenstoffhaltige Substrat bei einem Druck von 10 MPa bis 20 MPa in eine vorbestimmte Form gebracht ist. Das Metall ist bevorzugt aus der Gruppe, bestehend aus Kupfer, Silber oder silberbeschichtetem Kupfer, ausgewählt. Ferner beträgt die Dicke der Metallbeschichtung bevorzugt 1 bis 10 μm.
Das Kohlebürstensubstrat, das für die vorliegende Erfindung verwendet wird, wird beispielsweise erstens durch Kneten von Graphitpulvern mit einem Bindemittel wie z. B. einem wärmehärtenden Harz und Härten (Kohlebürste vom harzgebundenen Typ), zweitens durch Kneten von Graphitpulvern mit einem Bindemittel wie z. B. einem wärmehärtenden Harz oder Pech und Zusammenbacken und Carbonisieren bzw. Verkohlen der Bindemittelkomponente (CG-Typ), oder drittens durch Kneten von Graphitpulvern mit einem Bindemittel wie z. B. einem wärmehärtenden Harz oder Pech und Zusammenbacken und weiter Graphitisieren durch eine Wärmebehandlung, wobei mindestens eine der Kohlenstoffkomponenten graphitisiert wird (EG-Typ), hergestellt. In der vorliegenden Erfindung wird als Substrat vorwiegend der harzgebundene Typ verwendet. In dem Substrat des harzgebundenen Typs ist die elektrische Isolierung relativ höher, da das für das Bindemittel verwendete Harz nicht carbonisiert oder graphitisiert (sondern nur gehärtet) wird. Demgemäß besteht der Vorteil, dass der elektrische Widerstand hoch und die Kommutierung hervorragend ist. Im Gegensatz dazu ist der elektrische Widerstandsverlust hoch, da der elektrische Widerstand hoch ist. Als Ergebnis besteht der Nachteil, dass der Wärmeverlust bei einem Langzeiteinsatz bei hoher Temperatur hoch ist, und als Folge davon findet eine Zersetzung des Harzes statt und die Eigenschaften der Kohlebürste variieren.
Um dies zu verhindern, wird die Oberfläche auf dem Bürstensubstrat mit einem Metall beschichtet, das aus der Gruppe aus Kupfer, Silber und silberbeschichtetem Kupfer ausgewählt ist. Als Ergebnis ist es durch die Wirkung des aufgebrachten Metalls, das auf der Oberfläche des Bürstensubstrats vorliegt, möglich, den scheinbaren elektrischen Widerstand zu vermindern und den Temperaturanstieg zu unterdrücken und trotz des hohen elektrischen Widerstands des Bürstensubstrats eine Eigenschaftsänderung der Bürste beim Gebrauch zu verhindern. Demgemäß ist es möglich, einen Nachteil des Substrats des harzgebundenen Typs zu kompensieren. Daher kann eine Hochleistungsbürste mit dem Vorteil des Substrats des harzgebundenen Typs erzeugt werden.
Das Kohlebürstensubstrat, das mit dem Metall beschichtet wird, wird so hergestellt, dass es einen mittleren Porenradius von 0,1 bis 2,0 μm, vorzugsweise von 0,5 bis 1,5 μm, und ein kumulatives Porenvolumen von 50 bis 600 mm³/g, vorzugsweise von 100 bis 500 mm³/g aufweist. Ferner wird die Dicke der Metallbeschichtung auf dem Bürstensubstrat so gesteuert bzw. kontrolliert, dass sie 1 bis 10 μm, vorzugsweise 2 bis 5 μm beträgt. Dadurch wird eine ungleichmäßige Färbung unterdrückt.
Als Verfahren zum Aufbringen des Metalls auf die Oberfläche des Bürstensubstrats ist stromloses Beschichten bevorzugt. Als Verfahren zum stromlosen Beschichten wird häufig ein bekanntes Verfahren verwendet, das in der Literatur beschrieben ist. Das stromlose Beschichten ist beispielsweise in „Electroless plating” (Maki-Shoten Publishing and Tokuzo Kambe (1986)) detailliert beschrieben und bildet in der vorliegenden Erfindung eine feste Metallbeschichtung auf der Oberfläche des Bürstensubstrats. Das in dieser Literatur gezeigte Prinzip des stromlosen Beschichtens mit Kupfer ist nachstehend beschrieben. Als Komplexbildner wird ein Weinsäure-Alkalisalz oder EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure) einer Kupfersalzlösung zugesetzt, um eine Komplexierung und Stabilisierung in schwach alkalischer Lösung zu erreichen. Danach wird als Reduktionsmittel Formaldehyd oder ein Hydrazinsalz zugesetzt und auf der Oberfläche des Substrats bildet sich eine Kupferbeschichtung. Vor der Durchführung der stromlosen Beschichtung werden der Vorbehandlungslösung Zinn(II)-chlorid (SnCl₂) als Sensibilisator und Palladiumchlorid (PdCl₂) als Aktivierungsmittel zugesetzt. Dann wird durch die Durchführung der stromlosen Beschichtung bei Raumtemperatur innerhalb von 30 min, vorzugsweise innerhalb von 15 min, die Metallbeschichtung in einer Dicke von 1 bis 10 μm auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet. Obwohl einige allgemeine Lösungen zum stromlosen Beschichten eine Elektrolysetemperatur von 80 ± 5°C (am meisten bevorzugt) aufweisen, wird die Elektrolysetemperatur zur Verminderung der Reaktionsgeschwindigkeit, und um die Metallstruktur fein zu machen, so gesteuert, dass sie bei Raumtemperatur liegt.
1 ist eine Photographie des Aussehens der Kohlebürste, um das Beispiel 1 mit dem Vergleichsbeispiel 1 zu vergleichen.
Nachstehend wird die erfindungsgemäße metallbeschichtete Kohlebürste genauer erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Beispiel 1
75 Massen-% Graphitteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 50 μm und 25 Massen-% eines Epoxyharzes als Bindemittel wurden gemischt und geknetet. Dieses geknetete Material wurde auf eine vorbestimmte Größe pulverisiert und bei einem Druck von 15 MPa in eine vorbestimmte Form gebracht, worauf das Bindemittel bei 180°C erhitzt und gehärtet wurde, wodurch ein Bürstensubstrat mit einem mittleren Porenradius von 1,1 μm und einem kumulativen Porenvolumen von 339 mm³/g hergestellt wurde. Dann wurde dieses Substrat nach dem Waschen mit Wasser in die Vorbehandlungslösung eingetaucht, die aus Wasser und Alkohol bestand, und es wurden 1,0 Massen-% SnCl₂ als Sensibilisator zugesetzt. Ferner wurde das Substrat nach dem erneuten Waschen mit Wasser in die Vorbehandlungslösung eingetaucht, die aus Wasser und PdCl₂ als Aktivierungsmittel bestand. Das Substrat wurde 3 min in jede Vorbehandlungslösung eingetaucht und umgesetzt und dann mit Wasser gewaschen. Danach wurde das Substrat in eine Kupfersulfidlösung eingetaucht, die bei 20 bis 25°C gehalten wurde, und dann wurde dieser Lösung Natriumhydroxid zugesetzt. Schließlich wurde das Substrat einheitlich in einer Dicke von 2 μm mit Kupfer beschichtet. Der mittlere Porenradius und das kumulative Porenvolumen des Substrats wurden mit einem Quecksilberporosimeter (von FISON Co., Ltd. hergestellt) gemessen und mit der folgenden Formel berechnet.
wobei r der Porenradius, 6 die Oberflächenspannung (gewöhnlich wird 4,8 × 10^–2 N eingesetzt), P der ausgeübte Druck und θ der Kontaktwinkel ist (es wird 141,3° eingesetzt). Der Messbereich des Porenradius betrug 75 μm bis 0,0068 μm (9,8 × 10² Pa bis 10,8 × 10⁷ Pa) und der mittlere Porenradius ist als die Hälfte des Radius von 0,01 μm des kumulativen Porenvolumens gezeigt. Darüber hinaus wurden der mittlere Porenradius und das kumulative Porenvolumen dieser Bürstensubstrate durch das stromlose Beschichten nicht verändert.
Beispiel 2
75 Massen-% Graphitteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 50 μm und 25 Massen-% eines Epoxyharzes als Bindemittel wurden gemischt und geknetet. Dieses geknetete Material wurde auf eine vorbestimmte Größe pulverisiert und bei einem Druck von 20 MPa in eine vorbestimmte Form gebracht, worauf das Bindemittel bei 180°C erhitzt und gehärtet wurde, wodurch ein Bürstensubstrat mit einem mittleren Porenradius von 0,12 μm und einem kumulativen Porenvolumen von 56 mm³/g hergestellt wurde. Dann wurde Kupfer wie im Beispiel 1 auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht.
Beispiel 3
75 Massen-% Graphitteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 50 μm und 25 Massen-% eines Epoxyharzes als Bindemittel wurden gemischt und geknetet. Dieses geknetete Material wurde auf eine vorbestimmte Größe pulverisiert und bei einem Druck von 10 MPa in eine vorbestimmte Form gebracht, worauf das Bindemittel bei 180°C erhitzt und gehärtet wurde, wodurch ein Bürstensubstrat mit einem mittleren Porenradius von 1,9 μm und einem kumulativen Porenvolumen von 571 mm³/g hergestellt wurde. Dann wurde Kupfer wie im Beispiel 1 auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht.
Vergleichsbeispiel 1
Mit der Ausnahme, dass SnCl₂ als Sensibilisator und PdCl₂ als Aktivierungsmittel der Vorbehandlungslösung nicht zugesetzt wurden, wurde die metallbeschichtete Kohlebürste, bei der auf der Oberfläche des Bürstensubstrats Kupfer aufgebracht war, gemäß Beispiel 1 hergestellt.
Vergleichsbeispiel 2
75 Massen-% Graphitteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 50 μm und 25 Massen-% eines Epoxyharzes als Bindemittel wurden gemischt und geknetet. Dieses geknetete Material wurde auf eine vorbestimmte Größe pulverisiert und bei einem Druck von 23 MPa in eine vorbestimmte Form gebracht, worauf das Bindemittel bei 180°C erhitzt und gehärtet wurde, wodurch ein Bürstensubstrat mit einem mittleren Porenradius von 0,08 μm und einem kumulativen Porenvolumen von 44 mm³/g hergestellt wurde. Dann wurde Kupfer wie im Beispiel 1 auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht.
Vergleichsbeispiel 3
75 Massen-% Graphitteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 50 μm und 25 Massen-% eines Epoxyharzes als Bindemittel wurden gemischt und geknetet. Dieses geknetete Material wurde auf eine vorbestimmte Größe pulverisiert und bei einem Druck von 9 MPa in eine vorbestimmte Form gebracht, worauf das Bindemittel bei 180°C erhitzt und gehärtet wurde, wodurch ein Bürstensubstrat mit einem mittleren Porenradius von 2,2 μm und einem kumulativen Porenvolumen von 658 mm³/g hergestellt wurde. Dann wurde Kupfer wie im Beispiel 1 auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht.
Die mit dem Vergleichsbeispiel 1 hergestellte metallbeschichtete Kohlebürste wies auf der Oberfläche des Metalls eine ungleichmäßige Färbung auf. Bei den mit den Vergleichsbeispielen 2 und 3 hergestellten metallbeschichteten Kohlebürsten lösten sich die durch die stromlose Beschichtung gebildeten Beschichtungen ab und auf der Oberfläche des Metalls wurde eine ungleichmäßige Färbung festgestellt. Wie vorstehend beschrieben ist es durch Eintauchen des Kohlenstoffsubstrats, das einen mittleren Porenradius von 0,1 bis 2,0 μm und ein kumulatives Porenvolumen von 50 bis 600 mm³/g aufweist, als Kohlebürstensubstrat in die Vorbehandlungslösung, der SnCl₂ als Sensibilisator und PdCl₂ als Aktivierungsmittel zugesetzt worden ist, vor der Durchführung der stromlosen Beschichtung möglich, das Metall auf das Kohlebürstensubstrat ohne ungleichmäßige Färbung und unter Bildung einer festen Beschichtung aufzubringen. Als Ergebnis ist es möglich, die metallbeschichtete Bürste vor einer Oxidation zu bewahren. Ferner werden die ästhetischen Anforderungen der Kunden erfüllt.

Claims

Metallbeschichtete Kohlebürste, umfassend ein kohlenstoffhaltiges Substrat vom harzgebundenen Typ und eine auf der Oberfläche des kohlenstoffhaltigen Substrats gebildete Metallbeschichtung, wobei das kohlenstoffhaltige Substrat einen mittleren Porenradius von 0,1 bis 2,0 μm und ein kumulatives Porenvolumen von 50 bis 600 mm³/g aufweist, wobei das kohlenstoffhaltige Substrat durch Eintauchen des Substrats in eine Vorbehandlungslösung, der ein Sensibilisator und ein Aktivierungsmittel zugegeben wurde, vorbehandelt ist, wobei der Sensibilisator Zinnchlorid (SnCl₂) und das Aktivierungsmittel Palladiumchlorid (PdCl₂) ist, und wobei das kohlenstoffhaltige Substrat bei einem Druck von 10 MPa bis 20 MPa in eine vorbestimmte Form gebracht ist.
Metallbeschichtete Kohlebürste nach Anspruch 1, wobei das Metall aus der Gruppe, bestehend aus Kupfer, Silber oder silberbeschichtetem Kupfer, ausgewählt ist.
Metallbeschichtete Kohlebürste nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke der Metallbeschichtung 1 bis 10 μm beträgt.