DE60221491T2

DE60221491T2 - Bürste aus Metall-Graphit

Info

Publication number: DE60221491T2
Application number: DE60221491T
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Wakahara; Masami Nimi; Kyoji Inukai; Youichi Murakami; Yoichi Sakaura; Naoki Morita; Toshio Ishikawa; Mitsuo Ikeda; Takayoshi Otani; Osamu Takada
Original assignee: Tris Inc; Denso Corp
Current assignee: Tris Inc; Denso Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: US20030127941A1; US6949863B2; EP1324438A3; EP1324438B1; KR20030055120A; KR100708030B1; EP1324438A2; DE60221491D1; ATE368951T1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Metallgraphitbürsten, die in elektrischen rotierenden Ankern, wie etwa in Motoren und Generatoren, verwendet werden, und insbesondere Verbesserungen der Schleifeigenschaften von Metallgraphitbürsten.
Stand der Technik
Metallgraphitbürsten sind als Bürsten für den Niederspannungsbetrieb verwendet worden, beispielsweise als Bürsten für Kraftfahrzeugmotoren. Metallgraphitbürsten werden hergestellt, indem Graphit und Metallpulver, wie etwa Kupferpulver, vermischt werden und das Gemisch geformt und gesintert wird. Da sie bei niedrigen Spannungen betrieben werden, wird ihr spezifischer Widerstand durch Hinzufügung der Metallpulver gesenkt, deren Widerstand niedriger als derjenige von Graphit ist. Zur Verbesserung der Haltbarkeit von Metallgraphitbürsten werden die Zusatzstoffe auf verschiedene Weise entworfen; in vielen Fällen wird ein Metallsulfid-Festschmierstoff wie beispielsweise Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid oder Blei zu Metallgraphitbürsten zugegeben, um angemessene Wirkungen zu erzielen, die die Haltbarkeit verbessern.
In den letzten Jahren jedoch haben sich die Effizienz und Kompaktheit von Motoren mehr denn je verbessert und es ist wiederum notwendig, dass bei den Bürsten eine größere Haltbarkeit und Effizienz verwirklicht wird. Solchen Anforderungen kann nicht entsprochen werden, indem man sich nur auf die herkömmlichen Substanzen wie Molybdändisulfid, Wolframdisulfid und Blei verlässt. Wenn Metallgraphitbürsten auf einem Kommutator schleifen, bilden Graphit und Kupfer, die die Bürstenkomponenten sind, Schichten auf dem Kommutator. Es wird allgemein angenommen, dass solche Schichten eine Schmierung liefern, um einen Abrieb des Kommutators und der Bürsten zu verhindern. Jedoch hängt die Form solcher Schichten von den Spezifikationen und Wartungsbedingungen des Motors ab, so wie von den Komponenten der Zusatzstoffe. Wenn die Schichten zu dick sind oder Unregelmäßigkeiten aufweisen, verursachen solche Zustände einen Abrieb bei den Bürsten und dem Kommutator. Wenn die Schichten zu dick sind, nimmt der Widerstand an den Kontaktflächen zu, was einen Abfall der Motorleistung verursacht. Dies ist ein ernsthaftes Problem bei den gegenwärtigen Motoren, bei denen eine höhere Effizienz gefordert wird.
Zusatzstoffe, die normalerweise zur Verbesserung der Haltbarkeit der Bürsten eingesetzt werden, wie etwa Metallsulfid-Festschmierstoffe und Pb, neigen zur Erzeugung einer dicken Schicht, wenn sie einzeln aufgetragen werden. Weiterhin neigen sie zu Unregelmäßigkeiten in den Schichten, was zu einem übermäßigen Abrieb des Kommutators oder einem Leistungsabfall führt. Zur Verhinderung solcher Probleme wird in einigen Fällen ein Schichtmodifizierer, wie etwa Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Eisenpulver oder Manganpulver hinzugeführt, um die allzu dicken Schichten zu zermahlen. Bei der Hinzufügung eines Schichtmodifizierers bestand jedoch die Neigung zur Verursachung von Problemen, wie etwa einem Abrieb des Kommutators.

Patentdokument 1: japanische Offenlegungsschrtft Sho 63-143770

Das Patentdokument 1 offenbart, dass Siliciumdioxid, das ein Schichtmodifizierer ist, und eine Phosphorverbindung wie Cu3P, SnP oder AgP zu einer Bürste hinzugefügt werden, die Graphit, Kupferpulver und Molybdändisulfid umfasst. Das Patentdokument 1 lehrt, dass die Zugabe einer Phosphorverbindung die Festigkeit und Härte von Kupfer verbessert.
Zusammenfassung der Erfindung
Das primäre Ziel der Erfindung ist die Verhinderung des Abriebs von Metallgraphitbürsten und des Abriebs von Kommutatoren sowie die Verhinderung eines Abfalls der Leistung elektrischer rotierender Anker.
Ein sekundäres Ziel der Erfindung ist es, eine spezielle Lösung für das Ziel vorzusehen.
In der vorliegenden Erfindung ist eine Metallgraphitbürste, die einen Bürstenkorpus umfasst, der durch Vermischen und Formen von Metallpulver und Graphitpulver hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung dem Bürstenkorpus beigegeben wird und dass der Bürstenkorpus weiterhin einen Metallsulfid-Festschmierstoff enthält.
Die Wirkungen der Beigabe von mindestens einer von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung sind von besonderer Bedeutung für Bürstenkorpora, die einen Metallsulfid-Festschmierstoff wie MoS2 oder WS2 enthalten. Der Gehalt an Metallsulfid-Festschmierstoff im Bürstenkorpus beträgt zum Beispiel 0,3 bis 6 Gew.-% (3~60 mg/1 g des Bürstenkorpusmaterials) und bevorzugt 1 bis 5 Gew.-%.
Mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung verbessert die Schleifeigenschaften des Kommutators und des Bürstenkorpus. Die mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung kann homogen zum Bürstenkorpus gegeben werden, aber die mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung kann auch nur zu dem Schleifteil der Bürste, an dem der Kommutator schleift, gegeben werden. Die Wirkung der Zugabe der mindestens einen von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung wird grundsätzlich der Zugabe von Phosphationen (PO₄ ^3–) oder einem Phosphatradikalen zugeschrieben. Dementsprechend ist der Gehalt der Zugabe als das Gewicht der Phosphationen gezeigt, wobei der Nenner für das Gewicht der Bürste steht, und das Korpusmaterial beinhaltet das Gewicht von mindestens einer von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung. Wenn die mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung nicht homogen zum Bürstenkorpus zugegeben wird, wird die Menge der Zusatzstoffe als die Menge von dem definiert, das auf der Schleifseite, die auf dem Kommutator schleift, zum Bürstenkorpus zugegeben worden ist.
Vorzugsweise wird die Phosphorsäure oder die Phosphatverbindung mindestens zur Schleifseite des Bürstenkörpers gegeben, die auf dem Kommutator schleift, und die Gesamtzugabe der Phosphorsäure oder der Phosphatverbindung beträgt 1 bis 40 mg als Phosphationenmenge (PO₄ ^3–) pro 1 g des Bürstenkorpusmaterials der Schleifseite, die auf dem Kommutator schleift. Mehr bevorzugt beträgt die Menge der Zusatzstoffe 2 bis 35 mg als Phosphationenmenge (PO₄ ^3–) pro 1 g des Bürstenkorpusmaterials der Schleifseite, die auf dem Kommutator schleift. Im Folgenden kann der Einfachheit halber auf die Zugabe von mindestens einer von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung als Zugabe von Phosphationen Bezug genommen werden.
Vorzugsweise werden Phosphationen zugegeben, beispielsweise in Form von Übergangsmetallsalzen, wie etwa Manganphosphat, Zinkphosphat, Nickelphosphat oder Kupferphosphat, Zinnphosphat oder Indiumphosphat. Mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung kann beispielsweise in Form von Calciumphosphat oder Aluminiumphosphat oder P2O5 usw. zugegeben werden. Bevorzugt wird mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung als mindestens ein Metallsalz einer Gruppe zugegeben, die Übergangsmetalle, Indium und Zinn, umfasst.
Die Metallgraphitbürste der vorliegenden Erfindung kann Abrieb auf sowohl der Bürste als auch dem Kommutator steuern und kann den Leistungsabfall elektrischer rotierender Anker verhindern.
Wenn der Bürstenkorpus einen Metallsulfid-Festschmierstoff enthält, können besonders gute Wirkungen erzielt werden.
Die vorliegende Erfindung ist besonders für Metallgraphitbürsten für Schwerlasten, wie etwa Bürsten für Anlasser, geeignet, aber sie ist auch auf Bürsten für Motoren kleiner Größe und dergleichen geeignet und in ihren Anwendungen nicht beschränkt.
Wenn 1 mg Phosphationen oder mehr zu 1 g des Bürstenkorpusmaterials der Schleifseite des Bürstenkorpus zugegeben werden, werden ausgezeichnete Wirkungen, wie zum Beispiel in Tabelle 2 und Tabelle 3 gezeigt, bei der Verhinderung von Abrieb auf Bürsten und Kommutatoren sowie bei der Verhinderung eines Abfalls der Leistung elektrischer rotierender Anker erzielt. Diese Wirkungen sind besonders bedeutend, wenn 2 mg Phosphationen oder mehr zu einem 1 g des Bürstenkorpusmaterials der Schleifseite gegeben werden. Im Folgenden sind die Konzentrationen von Phosphationen als Phosphationenmengen in einer mg-Einheit pro 1 g des Bürstenkorpusmaterials auf der Schleifseite des Bürstenkorpus gezeigt und durch die Einheit mg/g angegeben. Die Wirkung der Verhinderung von Abrieb auf Bürsten und Kommutatoren und die Wirkung der Verhinderung eines Abfalls der Leistung der rotierenden Maschinen nimmt zu, wenn die Phosphationenkonzentration erhöht wird. Da jedoch die Zugabe von Phosphationen um mehr als 40 mg/g den spezifischen Widerstand des Bürstenkorpus erhöht, beträgt eine Phosphationenzugabe vorzugsweise 40 mg/g oder weniger und mehr bevorzugt 35 mg/g oder weniger. Die am meisten bevorzugte Phosphationenzugabe beträgt 2 bis 25 mg/g. Phosphationen werden bevorzugt in Form von Übergangsmetallsalzen, Zinnsalz oder Indiumsalz, wie vorstehend beschrieben, zugegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht einer Bürste einer Ausführungsform.
2 ist eine Seitenansicht einer Bürste einer Modifikation.
Ausführungsformen
Als Metallpulver wird hauptsächlich Kupferpulver verwendet, aber Silberpuder oder ein gemischtes Pulver aus Kupferpulver und Silberpuder usw. kann ver wendet werden. Der Widerstand der Bürste kann durch die Verwendung von Kupferpulver niedrig gehalten werden. Daher wird in vielen Fällen elektrolytisches Kupferpulver verwendet und es können andere Kupferpulver, wie etwa atomisiertes Kupferpulver und zerstoßenes Kupferpulver, verwendet werden. Was Graphitpulver betrifft, so ist Naturgraphit vom Standpunkt der Schmierung und des spezifischen Widerstands usw. zu bevorzugen, aber es kann künstliches Graphit oder ein gemischtes Pulver aus Naturgraphit und künstlichem Graphit verwendet werden. Wenn der Kupfergehalt 70% oder mehr beträgt, kann Graphitpulver ohne irgendein Bindemittel verwendet werden. Wenn der Kupfergehalt jedoch geringer und der Graphitgehalt höher ist, ist das Sintern der Bürste nicht leicht. Daher wird es bevorzugt, die Oberfläche des Graphitpulvers mit einem Kunstharz, wie etwa Phenolharzlack, zu behandeln
Was Phosphatverbindungen betrifft, so sind Übergangsmetallsalze der Phosphorsäure, wie etwa Kupferphosphat, Nickelphosphat, Manganphosphat und Zinkphosphat, Zinnphosphat und Indiumphosphat usw. zu bevorzugen. Zusätzlich zu diesen können Calciumphosphat, Aluminiumphosphat oder Antimonphosphat usw. verwendet werden. Die Zugabe von Calciumphosphat oder Aluminiumphosphat ist analog der Zugabe von Calciumoxid oder Aluminiumoxid, die ein Schichtmodifizierer in Kombination mit Phosphorsäure sind, und diese Zugabe zeigt die Wirkungen, Abrieb auf der Bürste und dem Kommutator zu verhindern und den Leistungsabfall zu verhindern. Wenn Phosphorsäure in Form von Phosphorpentoxid oder dergleichen beigegeben wird, bewirkt die Beigabe die Verhinderung von Abrieb auf der Bürste und dem Kommutator und die Verhinderung des Leistungsabfalls. Es ist nicht klar, ob diese Wirkungen die Wirkungen des Phosphorpentoxids selbst oder die Wirkungen von Kupferphosphat sind, das durch die Reaktion mit Kupferpulver in der Bürste entsteht. Bleiphosphat ist ebenfalls wirksam, ist aber hinsichtlich der Umwelt nicht wünschenswert.
Der Mechanismus, durch welchen mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung die Haltbarkeit von Bürsten und dem Kommutator verbessert und Leistungsabfälle von rotierenden Maschinen mäßigt, ist nicht klar. Je doch wird geschätzt, dass die Zugabe von mindestens einer von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung zur Bildung homogener und optimaler Schichten führt. Mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung kann einzeln zugegeben werden, aber besonders gute Wirkungen werden erzielt, wenn sie zusammen mit einem Metallsulfid-Festschmierstoff, wie etwa Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid, verwendet wird. Selbst wenn die Verwendung eines Metallsulfid-Festschmierstoffs allein zu übermäßig dicken Schichten führt und die Leistung wiederum fällt, kann beispielsweise die Zugabe von mindestens einer von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung diese Störungen verhindern.
Es werden beispielsweise 1 bis 40 mg Phosphationen, und vorzugsweise 2 bis 35 mg/g, als Phosphationenmenge pro 1 g des Bürstenkorpusmaterials auf der Schleifseite des Bürstenkorpus beigegeben. Wenn die Zugabe von Phosphationen 1,3 mg/g beträgt, hat sie einige Wirkung. Wenn die Zugabe etwa 2 mg/g beträgt, beginnt sie bedeutende Wirkung zu haben, und wenn die Zugabe mehr als 40 mg/g beträgt, nimmt der spezifische Widerstand des Bürstenkorpus zu. Daher beträgt die Zugabe vorzugsweise 40 mg/g oder weniger und mehr bevorzugt 35 mg/g oder weniger und am meisten bevorzugt 25 mg/g oder weniger.
Die Konfigurationen der Metallgraphitbürsten sind in 1 und 2 gezeigt. Bei der Metallgraphitbürste 1 der 1 bezeichnet 2 einen Bürstenkorpus, 3 bezeichnet ein Anschlusskabel eines Kupferlitzendrahts, der zum Zeitpunkt des Formens gleichzeitig eingebettet wird, und 5 bezeichnet eine Schleiffläche zur Kontaktaufnahme mit dem Kommutator einer rotierenden Maschine. In der in 1 gezeigten Ausführungsform wurde ein Phosphatsalz homogen zum Bürstenkorpus 2 zugegeben und das Formen des Bürstenkorpus 2 und das Einbetten des Anschlusskabels 3 wurden gleichzeitig durchgeführt. In der Metallgraphitbürste 11 der 2 wunde der Bürstenkorpus 12 in eine Schleifseite 13 und eine Anschlussseite 14 unterteilt und mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung wurde nur zur Schleifseite 13 zugegeben. Zum Zeitpunkt des Formens wurde der Abschnitt für die Anschlussseite 14 durch ein bewegliches Gesenk, das nicht dargestellt ist, blockiert, dann wunde ein Rohmaterial der Schleifseite 13 eingefüllt.
Als nächstes wurde das bewegliche Gesenk zurückgezogen und ein Rohmaterial der Anschlussseite 14 wurde eingefüllt und das Anschlusskabel 3 wurde gleichzeitig mit dem Pressling eingebettet, um den Bürstenkorpus 12 und das Anschlusskabel 3 zu formen. In beiden Fällen wurden nach dem Formen die Formstücken unter einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei zum Beispiel 300~900°C gesintert, um die Metallgraphitbürsten 1, 11 zu vollenden. Im Folgenden ist die Metallgraphitbürste an manchen Stellen einfach als Bürste bezeichnet.
Beispiele
Nachstehend werden Beispiele beschrieben. Die Bürste ist eine Bürste für einen Anlasser. Der Aufbau der Bürste ist in 1 gezeigt und die Dimensionen des Bürstenkorpus betragen 13,5 mm in der Länge, 13 mm in der Breite und 6,5 mm in der Dicke. Das Anschlusskabel 6 ist ein Litzendraht aus nichtplattierten Kupferdrähten, sein Durchmesser beträgt 3,5 mm und die Tiefe seines eingebetteten Teils beträgt 5,5 mm.
(Beispiel 1)
20 Gewichtsteile eines Phenolharzes vom Novolaktyp, die in 40 Gewichtsteilen Methanol aufgelöst waren, wurden mit 100 Gewichtsteilen flockenartigem Naturgraphit vermischt. Das Gemisch wurde homogen durch einen Mischer vermischt, dann wurde das Methanol durch einen Trockenapparat aus dem Gemisch getrocknet. Der Rückstand wurde von einem Prallbrecher zerkleinert und mit einem Sieb mit einer Durchgangsweite von 80 mesh (einem 198 μm Durchgangssieb) gesiebt, um ein kunstharzveredeltes Graphitpulver zu erhalten.
66,6 Gewichtsteile elektrolytisches Kupferpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 30 μm, 3 Gewichtsteile Molybdändisulfidpulver und 0,4 Gewichtsteile Zinkphosphatpulver (Zn3(PO4)2), Formelgewicht = 386,1) wurden zu 30 Gewichtsteilen des kunstharzveredelten Graphitpulvers gegeben. Sie wurden durch einen Mischer vom V-Typ homogen vermischt, um ein zusammengesetztes Pulver zu erhalten. Das zusammengesetzte Pulver wurde aus einem Trichter in ein Gesenk gegeben, das obere Ende des Anschlusskabel 3 wurde in das zusammengesetzte Pulver im Gesenk eingebettet und das zusammengesetzte Pulver wurde unter einem Druck von 4 × 10⁸ Pa (4 × 9800 n/cm²) geformt. Das Formstück wurde unter einer reduzierenden Atmosphäre in einem Elektroofen bei 700°C gesintert, um eine Bürste des Beispiels 1 zu erhalten.
(Beispiel 2)
63 Gewichtsteile des elektrolytischen Kupferpulvers, 3 Gewichtsteile des Molybdändisulfidpulvers und 4 Gewichtsteile des Zinkphosphatpulvers wurden zu 30 Gewichtsteilen des kunstharzveredelten Graphitpulvers gegeben. Sie wurden zum Erhalt einer Bürste des Beispiels 2 in derselben Weise wie in Beispiel 1 behandelt.
(Beispiel 3)
64,5 Gewichtsteile des elektrolytischen Kupferpulvers, 3 Gewichtsteile des Molybdändisulfidpulvers und 2,5 Gewichtsteile des Zinkphosphatpulvers wurden zu 30 Gewichtsteilen des kunstharzveredelten Graphitpulvers gegeben. Sie wurden zum Erhalt einer Bürste des Beispiels 3 in derselben Weise wie in Beispiel 1 behandelt.
(Beispiel 4)
Die Zusammensetzung des zusammengesetzten Pulvers wurde in 3 Gewichtsteile Manganphosphatpulver (Mn(PO4), Formelgewicht = 149,9), 64 Gewichtsteile des elektrolytischen Kupferpulvers, 30 Gewichtsteile des kunstharzveredelten Graphitpulvers und 3 Gewichtsteile des Molybdändisulfidpulvers geändert. Dieses zusammengesetzte Pulver wurde zum Erhalt einer Bürste des Beispiels 4 in derselben Weise wie in Beispiel 1 behandelt.
(Beispiele 5 bis 7)
In der Zusammensetzung des Beispiels 1 wurde Zinkphosphat in 0,25 Gewichtsteile geändert und das elektrolytische Kupferpulver wurde in 66,75 Gewichtsteile geändert. Das zusammengesetzte Pulver wurde zum Erhalt einer Bürste des Beispiels 5 in derselben Weise wie in Beispiel 1 behandelt. In der Zusammensetzung des Beispiels 1 wurde Zinkphosphat in 6 Gewichtsteile geändert und das elektrolytische Kupferpulver wurde in 61 Gewichtsteile geändert. Das zusammengesetzte Pulver wurde zum Erhalt einer Bürste des Beispiels 6 in derselben Weise wie in Beispiel 1 behandelt. Die Beispiele 5 und 6 sind Fälle der zwei Extreme der Phosphationenmengen. Weiterhin wurde in der Zusammensetzung des Beispiels 4 das Manganphosphatpulver in 3 Gewichtsteile Calciumphosphatpulver (Ca3PO4)2, Formelgewicht = 310,19) geändert und das zusammengesetzte Pulver wurde zum Erhalt einer Bürste des Beispiels 7 in derselben Weise wie in Beispiel 4 behandelt. Diese Bürste stellt die Zugabe eines Alkalimetallsalzes oder eines Alkalierdmetallsalzes der Phosphorsäure dar.
(Beispiel 8)
67 Gewichtsteile des elektrolytischen Kupferpulvers und 3 Gewichtsteile des Molybdändisulfidpulvers wurden zu 30 Gewichtsteilen des in Beispiel 1 verwendeten kunstharzveredelten Graphitpulvers gegeben. Das zusammengesetzte Pulver wurde zum Erhalt einer Bürste des Beispiels 8 in derselben Weise wie in Beispiel 1 behandelt. Diese Bürste ist eine herkömmliche Bürste, die weder Phosphorsäure noch eine Phosphatverbindung enthält.

Die Zusammensetzung jeder Bürste nach dem Sintern weicht ein wenig von der Zusammensetzung des zusammengesetzten Pulvers ab, da sich Phenolharz vom Novolaktyp zum Zeitpunkt des Sinterns teilweise zu einem Gewichtsverlust zersetzt. Der Phosphationengehalt und der bürstenkorpusspezifische Widerstand von jeder der Bürsten der Beispiele 1 bis 6 sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Der spezifische Widerstand wurde durch das Vierpolverfahren zum Zeitpunkt des For mens des Bürstenkörpers in der zur Pressrichtung senkrechten Richtung gemes sen. Wenn der Phosphationengehalt erhöht wurde, begann der bürstenkorpusspezifische Widerstand bei etwa 20 mg/g zuzunehmen. Tabelle 1 Phosphationengehalt und spezifischer Widerstand des Bürstenkorpus

Probe	Phosphationen (mg PO₄3–/g)	Phosphatverbindungskonzentration (Gew.-%)	Bürstenkorpusspezifischer Widerstand (μΩ·cm)
Beispiel 1	2,0	0,4	22,5
Beispiel 2	20,2	4,1	26,8
Beispiel 3	12,8	2,6	23,4
Beispiel 4	19,6	3,1	23,8
Beispiel 5	1,3	0,26	22,3
Beispiel 6	30,5	6,2	31,5
Beispiel 7	19,5	3,1	24,3
Beispiel 8	0	0	22,1

* In den Beispielen 1~3, 5 und 6 wurden Phosphationen in Form von Zinkphosphat zugegeben. In Beispiel 4 wurden Phosphationen in Form von Manganphosphat zugegeben und in Beispiel 7 in Form von Calciumphosphat. In Beispiel 8 wurden keine Phosphationen zugegeben.

Die Bürsten der Beispiele 1 bis 8 wurden in einen Anlasser mit einer Leistung von 1,4 kW mit vier Bürsten eingebaut. Der Motor wurde auf einen In-line-Prüfstand für einen 4-Zylinder-Dieselmotor gesetzt. Das Hubvolumen des Motors betrug 2200 cm³. Der Anlasslaststrom betrug 160 A und die Batteriespannung betrug 13,5 V. Der Prüfzyklus umfasste 1 Sekunde lang Anlassen, 1 Sekunde lang Überlasten und 28 Sekunden lang Anhalten; somit betrug eine Dauer 30 Sekunden.

Die Bürsten wurden einem Dauertest mit 10.000 Zyklen unterzogen. Die Gesamtlängen der vier Bürsten wurden vor und nach dem Test mit einem Mikrometer ge messen und der größte Abrieb wurde als Abriebmenge definiert. Hinsichtlich des Abriebs der Kommutatoren wurden die Außendurchmesser der Kommutatoren vor und nach dem Test mit einem Mikrometer gemessen, um die Abriebmengen zu bestimmen. Die Testergebnisse hinsichtlich des Abriebs der Bürsten und der Kommutatoren sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Die Motorleistung wurde ebenfalls vor und nach dem Test durch ein Leistungsprüfgerät gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengestellt. Tabelle 2 Abriebmengen auf den Bürsten und dem Kommutator aufgrund des Dauertests

	Abriebmenge (mm)
Probe	Bürste	Kommutator
Beispiel 1	1,26	0,06
Beispiel 2	1,04	0,04
Beispiel 3	1,18	0,05
Beispiel 4	1,15	0,04
Beispiel 5	2,16	0,08
Beispiel 6	1,04	0,04
Beispiel 7	1,22	0,06
Beispiel 8	2,96	0,14

Tabelle 3 Leistungsabfall aufgrund des Dauertests

Leistung (kW)
Probe	Leistung vor dem Test Leistung nach dem Test		Leistungsabfall
Beispiel 1	1,62	1,61	0,01
Beispiel 2	1,61	1,60	0,01
Beispiel 3	1,62	1,61	0,01
Beispiel 4	1,62	1,61	0,01
Beispiel 5	1,62	1,56	0,06
Beispiel 6	1,59	1,58	0,01
Beispiel 7	1,62	1,60	0,02
Beispiel 8	1,63	1,52	0,11

In den Beispielen 1 bis 7 waren sowohl der Bürstenabrieb als auch der Kommutatorabrieb gering und der Leistungsabfall nach dem Test war gering. Im Gegensatz zu diesen zeigte das Beispiel 8, bei dem keine Phosphorsäure und Phosphatverbindung zugegeben wurde, schweren Abrieb sowohl auf der Bürste als auch dem Kommutator und der Leistungsabfall nach dem Test war markant. Die Ersetzung des Zinkphosphats durch Manganphosphat (Beispiel 4) und die Ersetzung des Zinkphosphats durch Calciumphosphat (Beispiel 7) zeigte ähnliche Ergebnisse. Dies gibt an, dass das Vorhandensein eines Phosphatradikals (Phosphationen) wichtiger als die Art des verwendeten Metallsalzes ist. Jedoch waren im Fall des Calciumphosphats, als die Phosphationenkonzentration derjenigen von Zinkphosphat und Manganphosphat vergleichbar war, die Abriebmengen auf der Bürste und dem Kommutator ziemlich größer. Daher sind Übergangsmetallsalze, Indiumsalz und Zinnsalz als Phosphationenquelle wünschenswert. Als Nächstes lagen im Fall des Beispiels 5, in dem die Zugabe von Phosphationen gering ist, die Niveaus des Abriebs und des Leistungsabfalls zwischen denjenigen der Beispiele 1 bis 4 und denjenigen des Beispiels 8, das keine Phosphationen hatte. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Wirkungen der Zugabe von Phosphationen bei rund 1 mg/g offenbar werden. In Beispiel 6, zu dem die große Menge Phosphationen zugegeben wurde, nahm der spezifische Widerstand des Bürstenkorpus zu.
Verbundwirkungen von Phosphationen und Metallsulfid-Festschmierstoff
Zur Überprüfung, wie sich die Wirkungen der Phosphationen beim Vorhandensein oder Fehlen eines Metallsulfid-Festschmierstoffes verändern, wurde der folgende Test ausgeführt. 64,5 Gewichteile elektrolytisches Kupferpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 30 μm und 2,5 Gewichtsteile Zinkphosphatpulver wurden zu 33 Gewichtsteilen des in Beispiel 1 verwendeten kunstharzveredelten Graphitpulvers zugegeben. Sie wurden durch den Mischer vom V-Typ homogen vermischt. Das resultierende zusammengesetzte Pulver wurde aus einem Trichter in Gesenke eingefüllt, das obere Ende des Anschlusskabels 3 wurde in das zusammengesetzte Pulver in den Gesenken eingebettet und das zusammengesetzte Pulver wurde unter einem Druck von 4 × 10⁸ Pa (4 × 9800 N/cm²) geformt. Das Formstück wurde unter einer reduzierenden Atmosphäre in einem Elektroofen bei 700°C gesintert, um eine Bürste zu erhalten (Beispiel 9). Der Unterschied dieser Bürste zu derjenigen des Beispiels 3 liegt darin, dass erstere keinen Metallsulfid-Festschmierstoff enthält. 66,5 Gewichtsteile des elektrolytischen Kupferpulvers, 33 Gewichtsteile des kunstharzveredelten Graphitpulvers und 0,5 Gewichtsteile Zinkphosphat wurden zum Erhalt einer Bürste in derselben Weise wie in Beispiel 9 behandelt (Beispiel 10). Die Phosphationenkonzentration in Beispiel 9 betrug 12,8 mg PO₄ ^3–/g und diejenige in Beispiel 10 betrug 2,5 mg PO₄ ^3–/g. Zur Herstellung einer Steuerbürste zum Vergleich mit den Bürsten der Beispiele 9 und 10 wurden 33 Gewichtsteile des kunstharzveredelten Graphitpulvers und 67 Gewichtsteile des elektrolytischen Kupferpulvers vermischt und sie wurden zur Herstellung einer Bürste unter denselben Bedingungen behandelt (Beispiel 11).

Bürsten wurden in ähnlicher Weise wie derjenigen des Beispiels 9 durch Verwendung von 1 Gewichtsteil Molybdändisulfid und Variieren des Gehalts an Zinkphosphat zu 2,5 Gewichtsteilen (Beispiel 12) und zu 0 (Beispiel 13) hergestellt. Der Gehalt des kunstharzveredelten Graphitpulvers betrug in beiden Beispielen 12 und 13 30 Gewichtsteile und die Gehalte des elektrolytischen Kupferpulvers betrugen 66,5 Gewichtsteile in Beispiel 12 und 69 Gewichtsteile in Beispiel 13. Tabelle 4 Zinkphosphat- und Molybdändisulfidgehalt und bürstenkorpusspezifischer Widerstand

Probe	Zinkphosphat-Gehalt (Gew.-teile)	Molybdändisulfid-Gehalt (Gew.-teile)	bürstenkorpusspezifischer Widerstand (μΩ·cm)
Beispiel 9	2,5	0	22,6
Beispiel 10	0,5	0	22,0
Beispiel 11	0	0	21,8
Beispiel 12	2,5	1	22,0
Beispiel 13	0	1	21,0

Bürsten des Beispiels 3 (die 2,5 Gewichtsteile Zinkphosphat und 3 Gewichtsteile Molybdändisulfid enthalten) und der Beispiele 9 bis 13 wurden einem Dauertest unter denselben Bedingungen wie denjenigen der Tabelle 2 unterzogen.

Die Ergebnisse, die auf dem In-live-Prüfstand für einen 4-Zylinder-Dieselmotor mit 2200 cm³ nach 10.000-maligem Ausdauerzyklus erhalten wurden, sind in Tabelle 5 zusammengestellt. In Tabelle 5 ist deutlich gezeigt, dass Zinkphosphat besonders markante Wirkungen zeigte, wenn es in Kombination mit einem Metallsulfid-Festschmierstoff verwendet wurde. In ähnlicher Weise wurde ebenfalls gezeigt, dass, wenn der Metallsulfid-Festschmierstoff gegen Wolframdisulfid getauscht und wenn Zinkphosphat gegen Manganphosphat oder Calciumphosphat oder Phosphorpentoxid getauscht wurde, besonders markante Wirkungen durch Verwendung eines Metallsulfid-Festschmierstoffs, der zusammen mit mindestens einer von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung verwendet wurde, erhalten wurden. Tabelle 5 Wirkungen in Kombination mit einem Metallsulfid-Festschmierstoff

	Bürstenabrieb (mm)	Kommutatorabrieb (mm)	Leistung vor dem Test (kW)	Leistung nach dem Test (kW)
Beispiel 3	1,18	0,05	1,62	1,61
Beispiel 9	3,56	0,16	1,63	1,51
Beispiel 10	4,64	0,16	1,63	1,51
Beispiel 11	6,43	0,18	1,62	1,50
Beispiel 12	1,22	0,06	1,63	1,59
Beispiel 13	3,78	0,16	1,64	1,53

* In den Beispielen 3 und 12 wurden Zinkphosphat und Molybdändisulfid in Kombination verwendet.
* In den Beispielen 9 und 10 wurde nur Zinkphosphat zugegeben.
* In den Beispielen 11 und 13 wurde kein Zinkphosphat zugegeben.

Wie vorstehend gezeigt ist, kann in den Ausführungsformen der Abrieb auf den Bürsten und den Kommutatoren gesteuert werden und ein Abfall in der Leistung einer rotierenden Maschine kann verhindert werden, indem mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung zu der Metallgraphitbürste zugegeben wird. Die Ausführungsformen zeigten diese Wirkungen in Bezug auf Pbfreie Bürsten, denen kein Blei zugegeben ist, aber diese Wirkungen können auch in bleihaltigen Bürsten erzielt werden. Die Ergebnisse sind dieselben, wenn anstelle von Molybdändisulfid Wolframdisulfid verwendet wird.
Ergänzung
Es wurde eine Bürste hergestellt, der eine Phosphorverbindung anstelle der Phospharverbindung beigegeben wurde. Kupferphosphid (Cu3P) wurde als die Phosphorverbindung verwendet, aber andere Materialien und die Bürstenherstellungsbedingungen waren ähnlich denjenigen des Beispiels 1. 30 Gewichtsteile des kunstharzveredelten Graphits, 64,5 Gewichtsteile elektrolytisches Kupferpulver, 3 Gewichtsteile Molybdändisulfid und 2,5 Gewichtsteile Kupferphosphid wurden in einem Mischer vom V-Typ gut vermischt. Das Gemisch wurde mit dem oberen Ende eines Anschlusskabels, das in dem Formstück eingebettet war, geformt, und das Formstück wurde unter einer reduzierenden Atmosphäre bei 700°C gesintert, um eine Bürste zu erhalten (Beispiel 14). Wenn das Formstück bei 700°C gesintert wird, zersetzt sich das Harzbindemittel in dem kunstharzveredelten Graphit thermisch unter Umwandlung zu Kohlenstoff. Daten für jeden Posten von Tabelle 1 bis Tabelle 3 wurden für diese Bürste gesammelt.
Der spezifische Widerstand des Bürstenkorpus betrug 26,3 Ω·cm und war demjenigen des Beispiels 2 (26,8 Ω·cm) vergleichbar, zu dem 4,1 Gew.-% Zinkphosphat gegeben wurden. In einem Dauertest unter Verwendung des Anlassers mit 1,4 kW Leistung betrugen die Abriebmengen nach 10.000-maligem Zyklus 2,55 mm auf der Bürstenseite und 0,16 mm auf der Kommutatorseite. Sie waren mit denjenigen des Beispiels 8 vergleichbar, dem keine Phosphatverbindung zugegeben worden war. Die Motorleistung vor diesem Dauertest betrug 1,60 kW und diejenige nach dem Test betrug 1,55 kW, und die Ergebnisse waren mit denjenigen des Beispiels 5 vergleichbar, dem 0,26 Gew.-% Zinkphosphat zugegeben worden waren. Angesichts dieser Feststellungen kann nicht erwartet werden, dass die Verwendung einer Phosphorverbindung anstelle einer Phosphatverbindung dahingehend wirksam ist, dass sie Abrieb auf den Bürsten und den Kommutatoren oder einen Abfall in der Leistung der rotierenden Maschine verhindert. Außerdem wurde auch die Dreipunkt-Biegefestigkeit jeder Bürste gemessen. In Beispiel 14, dem 2,5 Gew.-% Kupferphosphid anstelle von 2,6 Gew.-% Zinkphosphat zugegeben wurden, nahm die Dreipunkt-Biegefestigkeit um etwa 5% im Vergleich zu Beispiel 3 zu, dem 2,6 Gew.-% Zinkphosphat zugegeben wurden. Dies stimmt qualitativ mit der japanischen Offenlegungsschrift Sho 63-143770 überein, welche offenbart, dass eine Phosphorverbindung die Festigkeit oder Härte von Kupfer verbessert.
Es ist Ermessensache, ob die Bürste irgendeine andere Komponente als Metallpulver, Graphitpulver, mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phos phatverbindung und einen Metallsulfid-Festschmierstoff wie etwa Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid enthält. Jedoch enthält die Bürste vorzugsweise weder Siliciumdioxid, das ein Schichtmodifizierer ist, noch metallisches Zinnpulver.

Claims

Metallgraphitbürste (1, 11), umfassend einen Bürstenkorpus (2, 12), der durch Vermischen und Formen von Metallpulver und Graphitpulver hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung dem Bürstenkorpus (2, 12) beigegeben wird und dass der Bürstenkorpus (2, 12) weiterhin einen Metallsulfidfestschmierstoff enthält.
Metallgraphitbürste (1, 11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung mindestens einer Gleitseite (5, 13) des Bürstenkorpus (2, 12) beigegeben wird, um in Kontakt mit einem Kommutator zu sein, und dass die Gesamtbeigabemenge der mindestens einen von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung 1 bis 40 mg als Phosphationenmenge (PO₄ ^3–) pro 1 g Bürstenmaterial in der Gleitseite (5, 13) des Bürstenkörpers (2, 12) beträgt, um mit dem Kommutator in Kontakt zu sein.
Metallgraphitbürste (1, 11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine von Phosphorsäure und einer Phosphatverbindung ein Phosphatsalz von mindestens einem Metall einer Gruppe ist, die Übergangsmetalle, Indium und Zinn umfasst.