DE4125346A1

DE4125346A1 - Kohlebuerste fuer kleinmotoren und verfahren zur herstellung einer kohlebuerste

Info

Publication number: DE4125346A1
Application number: DE19914125346
Authority: DE
Inventors: Isao Shibuya
Original assignee: Mabuchi Motor Co Ltd
Current assignee: Mabuchi Motor Co Ltd
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1991-07-31
Publication date: 1992-03-05
Also published as: GB9116464D0; JPH0488853A; GB2247232A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Kohlebürste für Kleinmotoren mit einem Permanentmagnetfeld sowie ein Verfahren zur Herstellung der Kohlebürste. Insbesondere ist es Ziel der Erfindung, die elektrischen Kontaktwider stands- bzw. Übergangswiderstandseigenschaften und den Verschleißwiderstand von Kohlebürsten zu verbessern, die dazu neigen, mit der Zeit schlechter zu werden.

Das herkömmliche Herstellungsverfahren von Kohlebürsten für Kleinmotoren umfaßt die Schritte der Reduktion von Graphitmaterial zu Graphitpulver, des Erhärtens des Graphitpulvers durch Hinzufügen eines Binders zu dem Graphitpulver, des Mahlens und Siebens des erstarrten Graphitmaterials und des Mischens des auf eine vorbestimmte Partikelgröße gesiebten Graphitpulvers mit metallischem Pulver, um dem Graphitpulver erforderlichenfalls die ge wünschte elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, sowie die Schritte des Druckformens des Graphitpulvers, dem ein geeignetes Maß von Leitfähigkeit verliehen ist, zu einer Bürste und des Sinterns des in dem vorangegangenen Schritt geformten Produktes.

Außerdem ist eine sogenannte kupferüberzogene Graphitbürste bekannt, bei deren Herstellung kein Binder verwendet wird, um das Graphitpulver miteinander zu verbinden. Die kupfer überzogene Graphitbürste wird dadurch hergestellt, daß Graphitpulverpartikel einem Kupferüberzugprozeß bzw. einem Kupferplattierungsprozeß unterworfen werden und daß das mit einer kupferüberzogenen Schicht beschichtete Graphit pulver zu einer Bürste druckgeformt wird. D.h., die kupfer überzogene Graphitbürste wird hergestellt, indem ein ge formtes Graphitprodukt ohne Hinzufügen eines Binders ge sintert wird. Wie Fig. 5 zeigt, ist das Graphitpulver partikel 11 beispielsweise in dem Kupferüberzugprozeß mit einer Kupferplattierungsschicht überzogen und zu einer Bürste preßgeformt.

In beiden vorgenannten Fällen enthält das Graphitpulver teilchen 11 üblicherweise Aschen wie SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ MnO MgO, TiO₂ etc. mit Partikelgrößen von 1 bis 500 Mikron. Da sich der höhere Aschegehalt des Graphitpulverteilchens 11 nachteilig auf die elektrische Leitfähigkeit und die Kommutierungseigenschaften der Kohlebürsten auswirken könnte, ist eine teure Behandlungsvorrichtung erforderlich, um das Graphitpulverteilchen 11 auf einen hohen Reinheits grad zu reinigen, um die Leitfähigkeits- und Kommutierungs eigenschaften zu verbessern. Andererseits hat die kupfer überzogene Graphitbürste viele Vorteile hinsichtlich der Zusammensetzung wie eine hohe Gleichförmigkeit, einen ge ringen spezifischen Widerstand und eine verbesserte Ver schleißfestigkeit. Wenn die kupferüberzogene Graphit bürste in einer Hochtemperaturumgebung unter Hochfrequenz strombedingungen eingesetzt wird, wird die Kupferüberzug schicht 12 allerdings vollständig oxidiert, was unerwünschte Probleme mit sich bringt wie einen erhöhten Übergangs widerstand mit demKommutator und einen verringerten Ver schleißwiderstand.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Probleme zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn zeichen der Ansprüche 1 und 4 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den ab hängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Kohlebürste für Kleinmotoren wird dadurch hergestellt, daß zuerst eine Metallüberzugschicht auf den Graphitpulverteilchen ausgebildet wird, und dann das metallüberzogene Graphitpulver preßgeformt und ge sintert wird, wobei die Metallüberzugschicht aus einer ersten Schicht, die eine Kupferüberzugschicht ist, und einer zweiten Schicht besteht, die eine Silberüberzugschicht ist. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren der Kohle bürste für Kleinmotoren besteht aus einem Kupferplattierungs prozeß zum Ausbilden einer Kupferplattierungsschicht als eine erste Schicht auf dem Graphitpulver, einem Silber plattierungsprozeß zum Ausbilden einer Silberüberzugschicht auf der Kupferüberzugschicht, einem Preßformungsprozeß zum Druckformen des Graphitpulvers, auf dem die erste Schicht als Kupferüberzugschicht und die zweite Schicht als Silberüberzugschicht aufgebracht sind, und einem Sinter prozeß zum Sintern des in den vorhergehenden Schritten ge formten Produktes.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1A, 1B und 1C Darstellungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips;

Fig. 2A-4B Diagramme, die Versuchsergebnisse von Kohlebürsten wiedergeben.

Die erfindungsgemäße Kohlebürste wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 1A bis 1C beschrieben. Bezugszeichen 1 in den Figuren bezeichnet einen Kommutator, 2 ein Kommutator segment, 3 eine Motordrehwelle (nicht dargestellt), 4 eine Kohlebürste, 5 ein elastisches Bürstenteil, 11 ein Graphit pulverteilchen, 12 eine Kupferüberzugschicht und 13 eine Silberüberzugschicht. Eine Kohlebürste 4 ist von einem elektrisch leitenden, elastischen Bürstenteil 5 auf solche Weise gehalten, daß die Kohlebürste 4 in Gleitkontakt mit Kommutatorsegmenten 2 steht. Die Kohlebürste 4 hat eine T-Form und ist gesintert, wie bei A-1 in einer perspekti vischen Ansicht der Figur gezeigt ist, und auf solche Weise gehalten, daß der Steg der T-Form in eine (nicht darge stellte) Öffnung des elastischen Bürstenarms 5 eingesetzt ist. Die Bodenfläche des Flanschteils der T-Form ist ge ringfügig gekrümmt, so daß die gekrümmte Fläche auf dem Kommutatorsegment 2 gleitet.

Nachfolgend wird mit Bezug auf Fig. 1B ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kohlebürste beschrieben. Das Herstellungsverfahren der Kohlebürste besteht aus einem Mahl/Siebprozeß 20 zum Mahlen und Siebens des Graphitpulvers, einem Kupferüberzugprozeß 21 zum Plattieren einer Kupferüberzugschicht 12 auf ein in dem Mahl/Sieb prozeß 20 gemahlenes Graphitteilchen 11 mittels einem bekannte, nicht-elektrolytischen Überzugverfahrens, einem Silberplattierungsprozeß 22 zum Ausbilden einer Silberüber zugschicht 13 auf der Kupferüberzugschicht 12, einem Preßformungsprozeß 23 zum Druckformen des Graphitpulvers, auf dem sich die Kupferüberzugschicht 12 und die Silber überzugschicht 13 befinden, und einem Sinterprozeß 24 zum Sintern des in dem vorangegangenen Prozeß geformten Produktes.

Die nach dem vorstehenden Herstellungsverfahren erzeugte Kohlebürste 4, die hergestellt ist, indem die Silberüber zugschicht 13 auf der Kupferüberzugschicht 12 abgelagert ist, die ihrerseits auf dem Graphitpulverpartikel 11 abge lagert ist, verhindert die Oxidation der Kupferüberzug schicht 12 beim Gebrauch in einer Hochtemperaturumgebung und unter Hochfrequentstrombedingungen. Im Ergebnis sind die elektrischen Übergangswiderstandeigenschaften und die Verschleißfestigkeit der Bürste bzw. des Kommutators ver bessert.

Die mit der Erfindung erzielbaren Wirkungen werden durch die Versuchsergebnisse der Fig. 2 demonstriert. Die Fig. 2A und 2B zeigen säkulare Veränderungen (Zeit) des Übergangswiderstandes (mΩ) von 4 Arten von Kohlen bürsten, wie Fig. 3 zeigt, mit dem Kommutator eines Klein motors. Testexemplar Nr. 1 ist eine Kohlebürste, bei der die Kupferüberzugschicht 12 auf dem Graphitpulverteilchen 11 ausgebildet ist, wobei das Gewichtsverhältnis der Kupferüberzugschicht 12 zu dem Graphitpulverteilchen 11 50 : 50 beträgt. Testexemplar Nr. 2 ist eine Kohlebürste mit der Silberüberzugschicht 13 auf dem Graphitpulverteilchen 11 mit einemVerhältnis der Silberüberzugschicht 13 zu dem Graphitpulverteilchen 11 von 50 : 50. Testexemplar Nr. 3 ist eine erfindungsgemäße Kohlebürste, bei der das Verhältnis von Graphitpulverteilchen 11 zu Kupferüberzug schicht 12 und Silberüberzugschicht 13 40 : 10 : 50 be trägt. Testexemplar Nr. 4 ist ebenfalls eine erfindungs gemäße Kohlebürste, bei der das Verhältnis von Graphit pulverteilchen 11, Kupferüberzugschicht 12 und Silber überzugschicht 13 44 : 6 : 50 beträgt. Bei dem Versuch wurde der Übergangswiderstand 60 mal in einer Stunde bei den Testexemplaren 1 bis 4 gemessen, und die durchschnitt lichen Übergangswiderstandswerte für alle 8 Stunden sind in den Fig. 2A und 2B abgebildet.

In den Fig. 2A und 2B bezeichnet "+" die Kontaktwider standswerte für das Testexemplar Nr. 1, "" die Werte für das Testexemplar Nr. 2, "" die für das Testexemplar Nr. 3 und "○" die Werte für das Testexemplar Nr. 4. Andere Bedingungen der obigen Messungen sind folgendermaßen:

Drehzahl der Kleinmotors: 10000 U/min, Stromwert< : 2A (Stromdichte: 10 A/cm²) in der Darstellung gemäß Fig. 2A, sowie Stromwert: 10A (Stromdichte: 50 A/cm²) in der Dar stellung gemäß Fig. 2B. Die Größe des Abriebs nach 150 Stunden Motorbetrieb wurde ebenfalls gemessen, und die Ergebnisse sind zusammen mit den durchschnittlichen Kon taktwiderstandswerten nach 150 Betriebsstunden in den Fig. 4A und 4B abgebildet. Fig. 4A stimmt mit der Darstellung gemäß Fig. 2A überein, während Fig. 4B der Abbildung gemäß Fig. 2B entspricht.

Aus den Fig. 2A und 2B sowie 4A und 4B ergibt sich, daß die Exemplare Nr. 2 bis 4 dem Testexemplar Nr. 1 hin sichtlich der Übergangswiderstandseigenschaften und der Abnutzungseigenschaften weit überlegen sind. Dies trifft insbesondere zu, wenn der Stromwert groß ist. Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, daß das Graphitpulverteilchen 11 oder die Kupferüberzugschicht 12, die das Graphitpulver teilchen 11 überdeckt, mit der Silberüberzugschicht abge deckt ist, die kaum zu oxidieren ist.

Testexemplar Nr. 2 zeigt die beste Leistung hinsichtlich der obigen Eigenschaften, ist jedoch zu teuer, um kommer ziell anwendbar zu sein, und zwar wegen des hohen Silber gehalts, wie Fig. 3 zeigt. Wie die Testergebnisse mit den Exemplaren Nr. 3 und 4 zeigen, haben Kleinmotoren mit den erfindungsgemäßen Kohlebürsten ausreichende Über gangswiderstandseigenschaften und Abriebeigenschaften für kommerzielle Anwendungen, und sie sind wegen ihres nie drigen Silbergehalts kommerziell verwendbar.

Vorstehend ist eine Kohlebürste beschrieben, die durch Ablagerung einer Silberüberzugschicht auf der Kupferüber zugschicht auf dem normalen Graphitpulverteilchen ausge bildet ist, welch letzteres mehr als 1 Gewichtsprozent Aschegehalt hat. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, sondern kann auch auf eine Kohlebürste ange wendet werden, die der Anmelder der vorliegenden Patent anmeldung in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1 03 201/1989 vorgeschlagen hat. Eine doppelte Metallüberzugschicht, bestehend aus einer Kupferüberzugschicht und einer Silber überzugschicht, kann auf Graphitpulverpartikeln hochgra diger Reinheit ausgebildet werden, wobei die Partikel auf etwa 99% bis 99,5% gereinigt sind.

Wie vorstehend beschrieben, gibt die Erfindung eine Kohlebürste an, die verbesserte Oxidationseigenschaften, ausgezeichnete elektrische Kontaktwiderstandseigenschaften und Verschleißwiderstandseigenschaften hat, indem eine doppelte Metallüberzugschicht, bestehend aus einer Kupfer überzugschicht und einer Silberüberzugschicht, auf Graphit pulverpartikeln ausgebildet wird. Außerdem gibt die Er findung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kohlebürste an.

Claims

1. Kohlebürste für Kleinmotoren, die einen Stator mit einem Permanentmagnetfeld, einen Rotor, auf den eine Rotorwicklung gewickelt ist, einen Kommutator zur Zufuhr von Strom zu der Rotorwicklung und Kohlebürsten aufweist, die in Gleitkontakt mit dem Kommutator stehen, wobei die Kohlebürste durch Preßformen von Graphitpulver und Sin tern des geformten Produktes hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Schicht in Form einer Kupferüberzugschicht und eine zweite Schicht in Form einer Silberüberzugschicht auf den Graphitpulverpartikeln ausgebildet werden.

2. Kohlebürste für Kleinmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Graphitpulvers auf 50 Gewichtsprozent, der Anteil der Kupferüberzugschicht auf 40 bis 44 Gewichts prozent und der Anteil der Silberüberzugschicht auf 10 bis 6 Gewichtsprozent festgelegt ist.

3. Kohlebürste für Kleinmotoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Kohlebürste (4) mit einer Krümmung ver sehen ist, die mit der Krümmung des Kommutators (2) über einstimmt, und daß an dem anderen Ende der Kohlebürste ein Vorsprung ausgebildet ist, der in eine Öffnung eines elastischen Halteteils (5) eingreift.

4. Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste für Klein motoren, die einen Stator mit einem Permanentmagnetfeld, einen Rotor, auf den eine Rotorwicklung aufgewickelt ist, einen Kommutator zur Zufuhr von Strom zu der Rotorwick lung und Kohlebürsten aufweist, die in Gleitkontakt mit dem Kommutator stehen, wobei die Kohlebürste durch Preß formen von Graphitpulver und Sintern des geformten Pro duktes hergestellt wird, gekennzeichnet durch
einen Kupferüberzugprozeß zur Ablagerung einer Kupfer überzugschicht als eine erste Schicht auf den Graphit pulverpartikeln,
einen Silberüberzugprozeß zur Ablagerung einer Silberüber zugschicht als eine zweite Schicht auf der Kupferüberzug schicht,
einen Druckformungsprozeß zum Druckformen des Graphit pulvers, auf dem die erste Schicht als Kupferüberzugschicht und die zweite Schicht als Silberüberzugschicht abgelagert sind, und
einen Sinterprozeß zum Sintern eines preßgeformten Produktes, das in dem Preßformungsprozeß geformt ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste für Klein motoren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßformungsprozeß eine Kohlebürste formt, die an einem Ende eine Krümmung aufweist, die mit der Krümmung des Kommutators übereinstimmt, und an deren anderen Ende sich ein Vorsprung befindet, der in eine Öffnung eines elastischen Halteteils eingreift.

6. Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste für Kleinmotoren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Prozeß zum Reinigen der Graphitpulverpartikel auf eine Reinheit von 99% bis 99,5%.