DE60222518T2

DE60222518T2 - Metall-Graphit Bürste

Info

Publication number: DE60222518T2
Application number: DE60222518T
Authority: DE
Inventors: Takayoshi Otani; Mitsuo Ikeda; Yoichi Sakaura; Naoki Morita; Kyoji Toyota City Inukai; Youichi Ama-gun Murakami; Yasuyuki Kariya-city Wakahara; Masami Handa-city Niimi
Original assignee: Tris Inc; Denso Corp
Current assignee: Tris Inc; Denso Corp
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: US7294166B2; EP1306936A3; DE60222518D1; EP1306936B1; ATE373884T1; JP3661784B2; KR100729482B1; US20060087197A1; JP2003134742A; EP1306936A2; KR20030034017A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Metallgraphitbürsten, die in Elektromotoren für Kraftfahrzeuge usw. verwendet werden, und insbesondere Pb-freie Metallgraphitbürsten.
Stand der Technik
Metallgraphitbürsten sind als Bürsten für den Niederspannungsbetrieb, wie beispielsweise Bürsten für Elektromotoren in Kraftfahrzeugen, verwendet worden. Sie werden hergestellt, indem Graphit und ein Metallpulver, wie beispielsweise Kupferpulver, vermischt und geformt werden und das Gemisch gesintert wird. Da sie bei niedrigen Spannungen betrieben werden, werden ihre spezifischen Widerstände durch Zugabe eines Metallpulvers mit niedrigem Widerstand gesenkt. Ein Metallsulfid-Festschmierstoff, wie beispielsweise Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid, und Pb werden in vielen Fällen den Metallgraphitbürsten beigegeben. Zum Beispiel werden Bürsten für schwere Lasten, wie beispielsweise Bürsten für Anfahrmotoren bzw. Anlasser, in den meisten Fällen Pb und ein Metallsulfid-Festschmierstoff beigegeben. FR-A-1 421 506 offenbart Kohlebürsten, die etwa 50 Gew.-% bis 20 Gew.-% Schmierstoffverbindungen, wie beispielsweise Molybdändisulfid, enthalten und eine Graphitbürste 10 mit einer Fläche 12, die eine Schicht aus einer Schmierstoffverbindung umfasst.
In den letzten Jahren hat Pb mehr Aufmerksamkeit als einer der Stoffe, die die Umwelt schädigen, auf sich gezogen, und die Nachfrage nach Pb-freien Bürsten ist gestiegen. Natürlich sind Bürsten, die kein Blei enthalten, bis heute erhältlich und sie werden in einigen Motoren außer Anlassern verwendet. Es können sogar manche Bürsten für Anlasser verwendet werden, indem man einfach das Pb aus ihnen enffernt, vorausgesetzt, sie werden unter normalen Betriebsbedingungen verwendet. Zur Verbesserung der Schmiereigenschaften ohne Pb schlägt die japanische Offenlegungsschrift Hei 5-226048 ( US-PS 5 270 504 ) vor, ein Metall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als Kupfer so zu vermischen, dass das Kupfer und das Metall keine Legierung eingehen. Die vorliegenden Erfinder haben allerdings festgestellt, dass bei Metallgraphitbürsten, bei denen ein Metallsulfid-Festschmierstoff zu dem Kupfer und Graphit gegeben wird, die Enffernung von Pb bei hoher Temperatur oder hoher Feuchtigkeit zu einem Erhöhung des Anschlusskabelverbindungswiderstands führt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Erhöhung des Anschlusskabel- bzw. Bleiverbindungswiderstands einer Pb-freien Metallgraphitbürste sogar bei hoher Temperatur oder hoher Feuchtigkeit zu steuern.
In der vorliegenden Erfindung ist eine Metallgraphitbürste, die einen Kupfergraphit-Bürstenkorpus, der durch Formen und Sintern vorgemischter Pulver eines Metallsulfid-Festschmierstoffpulvers, Graphitpulvers und Kupferpulvers hergestellt ist, und ein Anschlusskabel bzw. Blei, das in den Kupfergraphit-Bürstenkorpus eingebettet ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Bürstenkorpus ohne Pb-Zugabe ist, dass eine Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs im Kupfergraphit-Bürstenkorpus zwischen einer Umgebung des Anschlusskabels bzw. Bleis im Kupfergraphit-Bürstenkorpus und einem Abschnitt des Kupfergraphit-Bürstenkorpus, mit dem ein Kommutator eines elektrischen Drehankers in Kontakt sein soll, unterschiedlich gemacht ist, und dass eine Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs in der Umgebung des Anschlusskabels in dem Kupfergraphit-Bürstenkorpus niedriger als eine Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs im Abschnitt des Kupfergraphit-Bürstenkorpus im Kontakt mit dem Kommutator ist.
Vorzugsweise liegt die Konzentration des Metallsulfid-Feststoffschmierstoffs in der Umgebung des Anschlusskabels im Kupfergraphit-Bürstenkorpus unter 1 Gew.-%.
Besonders bevorzugt ist die Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs in der Umgebung des Anschlusskabels im Kupfergraphit-Bürstenkorpus im Wesentlichen 0%. „Im Wesentlichen 0%" bedeutet hier 0,1 Gew.-% oder weniger, bei dem es sich um die obere Grenze des Verunreinigungspegels des Metallsulfid-Festschmierstoffs handelt.
Vorzugsweise ist der Metallsulfid-Festschmierstoff mindestens ein Element aus einer Gruppe, die Molybdändisulfid und Wolframdisulfid umfasst.
Vorzugsweise beträgt die Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs im Abschnitt des Kupfergraphit-Bürstenkorpus in Kontakt mit dem Kommutator 1 bis 5 Gew.-%.
Vorzugsweise ist das Anschlusskabel ein nicht-elektroplattiertes Kupferanschlusskabel in Form eines Litzendrahts, einer Litze usw.
Vorzugsweise sind die Umgebung des Anschlusskabels im Kupfergraphit-Bürstenkorpus und der Abschnitt des Kupfergraphit-Bürstenkorpus in Kontakt mit dem Kommutator aus unterschiedlichen Pulvermaterialien in Konzentrationen des Metallsulfid-Festschmierstoffs hergestellt und in einer üblichen Form geformt.
Besonders bevorzugt unterscheiden sich weiter die Pulvermaterialien in den Kupferkonzentrationen und ist die Kupferkonzentration in der Umgebung des Anschlusskabels höher als die Kupferkonzentration des Abschnitts.
Die Metallgraphitbürstenart ist die geformte Bürste, bei der das obere Ende des Anschlusskabels in den Bürstenkorpus zum Beispiel zum Zeitpunkt des For mens des Bürstenkorpus eingebettet ist und der Bürstenkorpus und das Anschlusskabel integral geformt sind.
Gemäß den Experimenten der vorliegenden Erfinder wird die Erhöhung des Anschlusskabelverbindungswiderstands bei hoher Temperatur oder hoher Feuchtigkeit dem Metallsulfid-Festschmierstoff zugeschrieben. Wenn der Metallsulfid-Festschmierstoff nicht beigegeben wurde, erhöhte sich der Anschlusskabelverbindungswiderstand selbst bei hoher Temperatur oder hoher Feuchtigkeit nicht wesentlich. Das hängt mit dem Vorhandensein oder Fehlen von Pb zusammen. Bei Zugabe von Pb erhöhte sich der Anschlusskabelverbindungswiderstand unter solchen Bedingungen kaum. Bei Pb-freien Bürsten zeigten entsprechend der Erhöhung des Anschlusskabelverbindungswiderstands das Kupferpulver und das im Bürstenkorpus eingebettete Anschlusskabel bei hoher Temperatur oder hoher Feuchtigkeit eine größere Neigung zum Oxidieren.
Der Metallsulfid-Festschmierstoff, wie beispielsweise Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid, wird vom Designer der Bürste beigegeben, aber damit Bürsten eine lange Betriebsdauer haben, ist der Metallsulfid-Festschmierstoff unverzichtbar. Ohne Metallsulfid-Festschmierstoff kann ein übermäßiger Abrieb erzeugt werden. Insbesondere fällt dieses Phänomen bei Anlasserbürsten auf, denen Pb zugegeben wurde. Wenn Pb und der Metallsulfid-Festschmierstoff gleichzeitig eliminiert werden, wird die Betriebsdauer der Bürste erheblich verringert. Daher kann in vielen Fällen der Metallsulfid-Festschmierstoff nicht aus Pb-freien Bürsten entfernt werden.
Die vorliegenden Erfinder schätzten den Mechanismus, durch den der Metallsulfid-Festschmierstoff die Oxidation des Kupferpulvers und des eingebetteten Anschlusskabels bei hoher Temperatur oder hoher Feuchtigkeit beschleunigt, wie folgt ein: Zum Zeitpunkt des Sinterns der Bürsten wird Schwefel aus dem Metallsulfid-Festschmierstoff, der der Bürste beigegeben wurde, freigesetzt und Schwefel adsorbiert auf der Kupferoberfläche unter Erzeugung von Kupfersulfid. Wenn bei hoher Feuchtigkeit Nässe auf das Kupfersulfid einwirkt, wird stark saures Kupfersul fat erzeugt, das das Kupferpulver und das Anschlusskabel stark korrodiert. Obwohl das Verhalten von Kupfersulfid bei hoher Temperatur in einigen Aspekten nicht sicher ist, wird geschätzt, dass Kupfersulfid oxidiert und den elektrischen Widerstand erhöht.
Der Mechanismus, durch den Pb die Oxidation des Kupferpulvers in der Bürste und dem eingebetteten Anschlusskabel verhindert, ist nicht genau bekannt. Die vorliegenden Erfinder gehen davon aus, dass das in der Bürste enthaltene Pb zum Zeitpunkt des Sinterns teilweise verdampft und die Kupferoberfläche in Form einer sehr dünnen Pb-Schicht überzieht. Und diese Pb-Schicht schützt das innen liegende Kupfer vor Sulfationen usw.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs in der Umgebung des Anschlusskabels im Bürstenkorpus geringer als diejenige im Abschnitt des Bürstenkorpus in Kontakt mit dem Kommutator, daher können das Anschlusskabel und das in der Nähe befindliche Kupferpulver im Bürstenkorpus vor Sulfationen geschützt werden, die aus dem Metallsulfid-Festschmierstoff stammen, und wiederum kann die Erhöhung des Anschlusskabelverbindungswiderstands bei hoher Temperatur oder hoher Feuchtigkeit verhindert werden.
Darüber hinaus werden gemäß der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Materialien verwendet, um den Abschnitt in der Umgebung des Anschlusskabels im Bürstenkorpus bzw. den Abschnitt des Bürstenkorpus in Kontakt mit dem Kommutator zu erzeugen. Das Material des anderen Abschnitts als dem Abschnitt in der Umgebung des Anschlusskabels kann frei gewählt werden, um die Anforderungen, wie beispielsweise den Abriebwiderstand, zu erfüllen, und Pb-freie Bürsten können wiederum leichter entworfen werden.
Die Erhöhung des Anschlusskabelverbindungswiderstands aufgrund des Metallsulfid-Festschmierstoffs wird in Konzentrationen über 1 Gew.-% bedeutsam. Daher kann die Erhöhung des Anschlusskabelverbindungswiderstands leicht durch Reduzierung der Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs in der Umgebung des Anschlusskabels im Bürstenkorpus auf unter 1 Gew.-% gesteuert werden.
Natürlich kann die Erhöhung des Anschlusskabelverbindungswiderstands bei hoher Temperatur oder hoher Feuchtigkeit zuverlässiger verhindert werden, wenn die Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs in der Umgebung des Anschlusskabels im Bürstenkorpus im Wesentlichen auf 0% reduziert wird, das heißt, wenn die Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs auf den Verunreinigungspegel oder darunter reduziert wird.
Vom Standpunkt der Kosten und Schmierleistung bei hohen Temperaturen aus ist der Metallsulfid-Festschmierstoff vorzugsweise Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid oder ein Gemisch davon.
Vorzugsweise beträgt die Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs 1 bis 5 Gew.-%. Wenn seine Konzentration weniger als 1 Gew.-% beträgt, kann keine ausreichende Schmierung erhalten werden, und wenn seine Konzentration über 5 Gew.-% beträgt, wird das zu einer Erhöhung des spezifischen Widerstands führen, kurz gesagt, werden nachteilige Wirkungen auf die Bürstenleistung ausgeübt.
Das Material des Anschlusskabels ist nicht auf Kupferdraht beschränkt. Für ein Anschlusskabel unter Verwendung eines nicht-elektroplattierten Kupferdrahts ist die Verhinderung der Oxidation durch den Metallsulfid-Festschmierstoff von besonderer Bedeutung. Bei der Bürstenherstellung werden sowohl das Anschlusskabel als auch der Bürstenkorpus zusammen zur gleichen Zeit gesintert. Demgemäß wird das Anschlusskabel, selbst wenn das Anschlusskabel elektroplattiert ist, zum Beispiel ein mit Silber oder Nickel elektroplattiertes Kupferanschlusskabel, einem Sintern bei hohen Temperaturen unterworfen, das Kupfer im Anschlusskabel mit dem Elektroplattiermaterial legiert und an der Oberfläche des Anschlusskabels diffundiert, und wiederum ist eine Verhinderung seiner Oxidation notwendig.
Vom Standpunkt der leichteren Herstellung aus ist es bevorzugt, den Bürstenkorpus in zwei Teile zu teilen, nämlich den Abschnitt des Bürstenkorpus in Kontakt mit dem Kommutator und den Abschnitt in der Umgebung des Anschlusskabels im Bürstenkorpus, und ihn in einer üblichen Form formen.
Wenn die Kupferkonzentration in der Umgebung des Anschlusskabels höher als im Abschnitt in Kontakt mit dem Kommutator ist, wird der Anschlusskabelverbindungswiderstand in erwünschter Weise reduziert.
Selbst bei Bürsten ohne Pb-Zugabe ist in vielen Fällen Pb noch im elektrolytischen Kupfer, einem normalen Kupfermaterial für Metallgraphitbürsten, als Verunreinigung enthalten. Wenn Pb-freie Bürsten und Bürsten, die Pb enthalten, durch dieselben Einrichtungen hergestellt werden, gelangt darüber hinaus bei der Herstellung der Bürsten eine kleine Pb-Menge als Verunreinigung in die Pb-freien Bürsten. Allerdings übersteigt bei den Pb-freien Bürsten die Pb-Konzentration im Bürstenkorpus im Allgemeinen nicht 0,2 Gew.-%. In ähnlicher Weise kann, wenn ein Metallsulfid-Festschmierstoff, wie beispielsweise Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid, zugesetzt wird, die Verunreinigung durch den Festschmierstoff in den Bürsten ohne diese bei der Herstellung nicht verhindert werden, und es kann eine Spur des Metallsulfid-Festschmierstoffs in der Umgebung des Anschlusskabels im Bürstenkorpus, dem kein Metallschmierstoff zugesetzt ist, enthalten sein. Allerdings übersteigt im Fall der Verunreinigung die Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs in der Umgebung des Anschlusskabels im Bürstenkorpus nicht 0,1 Gew.-%.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Metallgraphitbürste einer Ausführungsform.
2 zeigt schematisch den Formvorgang der Metallgraphitbürste der Ausführungsform.
3 zeigt den Formvorgang der Metallgraphitbürste einer Modifikation, bei der ein Anschlusskabel, an das zuvor ein anschlusskabelseitiges Pulvermaterial angeheftet wurde, in ein Pulvermaterial für einen kommutatorseitigen Abschnitt eingebettet ist.
4 ist eine Schnittansicht der Metallgraphitbürste der Modifikation.
Ausführungsformen
1 bis 4 zeigen den Aufbau und das Herstellungsverfahren der Bürste. 1 zeigt eine Metallgraphitbürste 2 der Ausführungsform, und nachfolgend wird die Metallgraphitbürste einfach als Bürste bezeichnet. Die Bürste wird beispielsweise als Bürste für Elektromotoren in Kraftfahrzeugen verwendet, wie beispielsweise eine Bürste für einen Anlasser. Mit 4 ist ein Bürstenkorpus bezeichnet. Mit 6 ist ein kommutatorseitiger Abschnitt bezeichnet, der einen Schleifkontakt mit dem Kommutator eines elektrischen Drehankers, wie beispielsweise eines Anlassers, herstellt. Mit 8 ist ein anschlusskabelseitiger Abschnitt bezeichnet, in den ein Anschlusskabel 10 eingebettet und fixiert wird. Die Schleifrichtung des Kommutators ist schematisch durch einen Pfeil nahe dem kommutatorseitigen Abschnitt 6 in 1 gezeigt.
Die Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs im kommutatorseitigen Abschnitt 6 unterscheidet sich von derjenigen des anschlusskabelseitigen Abschnitts 8. Die Konzentration im anschlusskabelseitigen Abschnitt 8 liegt unter 1 Gew.-%, und vorzugsweise wird kein Metallsulfid-Festschmierstoff zugesetzt. Wenn die Grenze zwischen dem kommutatorseitigen Abschnitt 6 und dem anschlusskabelseitigen Abschnitt 8 nicht deutlich ist, wird die Bürste 2 zum Beispiel verkürzt und die Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs im Bürstenmaterial nahe dem Anschlusskabel 10 ist als Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs im anschlusskabelseitigen Abschnitt definiert. Im Hinblick auf die Kupferkonzentration im Bürstenmaterial kann, wenn die Kupferkonzentration im anschlusskabelseitigen Abschnitt 8 höher als diejenige im kommutatorseitigen Abschnitt 6 ist, der An schlusskabelverbindungswiderstand reduziert werden. Das Anschlusskabel 10 kann ein Kupferdraht sein, der mit Nickel oder Silber oder dergleichen elektroplattiert ist. Allerdings wird ein Kupferanschlusskabel, das durch Verdrillen nicht-elektroplattierter Kupferdrähten hergestellt wird, verwendet, weil die Oxidation durch den Metallsulfid-Festschmierstoff gemäß der Ausführungsform wirksam verhindert werden kann.
Die Herstellung der Bürste 2 ist als Beispiel in 2 gezeigt. Es wird ein festes Gesenk 12 zum Beispiel mit einem Paar von unteren beweglichen Gesenken 16, 18, versehen. Ein Abschnitt, der dem anschlusskabelseitigen Abschnitt entspricht, wird zuerst vom unteren beweglichen Gesenk 18 blockiert. Dann wird ein Pulvermaterial 26 für den kommutatorseitigen Abschnitt, das ein größeres Volumen besitzt, aus einem ersten Trichter 14 zugeführt. Als Nächstes wird das untere bewegliche Gesenk 18 zurückgezogen und ein Pulvermaterial 28 für den anschlusskabelseitigen Abschnitt aus einem zweiten Trichter 20 zugeführt. Danach wird ein oberes bewegliches Gesenk 22, bei dem das Anschlusskabel 10 aus dessen oberen Ende herausgezogen ist, so abgesenkt, dass ein Formen bewirkt wird. Auf diese Weise werden sowohl der kommutatorseitige Abschnitt als auch der anschlusskabelseitige Abschnitt integral geformt, sie werden in einer reduzierenden Atmosphäre oder dergleichen gesintert und die Bürste 2 wird erhalten.
Die 3 zeigt die Herstellung der Bürste der Modifikation. Das Pulvermaterial 26 für den kommutatorseitigen Abschnitt wird auf ein unteres bewegliches Gesenk 24 aus einem nicht gezeigten Trichter zugeführt. Als Nächstes wird das Anschlusskabel 10, bei dem das Pulvermaterial 28 für den anschlusskabelseitigen Abschnitt an einem eingebetteten Abschnitt davon anhaftet, durch das obere bewegliche Gesenk 22 in das Pulvermaterial 26 eingebettet und gleichzeitig damit werden das Pulvermaterial 26 und das Anschlusskabel 10 durch das integral zu formende obere bewegliche Gesenk 22 gepresst. Um das Pulvermaterial 28 an das Anschlusskabel 10 anzuhaften, wird beispielsweise ein vermischtes Pulver aus Graphit und Kupferpulver in einer Bindemittellösung aus Phenolharz oder derglei chen dispergiert, und der eingebettete Abschnitt des Anschlusskabels 10 wird in die Lösung eingetaucht.
Die 4 zeigt eine Metallgraphitbürste 42, die auf die in der 3 gezeigte Weise erhalten wurde. Mit 44 ist ein Bürstenkorpus bezeichnet, mit 46 ist ein kommutatorseitiger Abschnitt bezeichnet und mit 48 ist ein anschlusskabelseitiger Abschnitt bezeichnet. Natürlich sind die Konfiguration und das Herstellungsverfahren der Bürste selbst dem Ermessen überlassen.
Nachfolgend wird die Ausführungsform ausführlicher beschrieben. Die Konfiguration der Bürste ist eine, die in 1 gezeigt ist. Die Höhe H des Bürstenkorpus 4 beträgt 13,5 mm, seine Länge L beträgt 13 mm und seine Breite beträgt 6,5 mm. Das Anschlusskabel 10 ist ein nicht-elektroplattierter Litzen-Kupferdraht. Er kann eine Litze sein. Der Durchmesser des Anschlusskabels 10 beträgt 3,5 mm und die Tiefe seines eingebetteten Abschnitts beträgt 5,5 mm. Das Verhältnis der Höhe des kommutatorseitigen Abschnitts 6 zu der des anschlusskabelseitigen Abschnitts 8 ist beispielsweise etwa 3:2.
(Ausführungsform 1)
Zwanzig Gewichtsteile Phenolharz vom Novolaktyp, die in 40 Gewichtsteilen Methanol aufgelöst waren, wurden mit 100 Gewichtsteilen flockenartigen Naturgraphits gemischt. Sie wurden mit einem Mischer homogen vermischt, und Methanol wurde mit einer Trockeneinrichtung aus dem Gemisch herausgetrocknet. Der Rückstand wurde mit einem Prallbrecher zerkleinert und mit einem Sieb mit einer Durchgangsweite von 80 mesh (einem 198 μm Durchgangssieb) gesiebt, um ein kunstharzveredeltes Graphitpulver zu erhalten. Sechzig Gewichtsteile des elektrolytischen Kupfers, dessen mittlere Partikelgröße 30 μm betrug, und 3 Gewichtsteile Molybdändisulfid wurden jeweils zu 37 Gewichtsteilen des kunstharzveredelten Graphitpulvers gegeben. Sie wurden mit einem V-Mischer homogen vermischt, um das Pulvermaterial 26 für den kommutatorseitigen Abschnitt 6 zu erhalten. Siebzig Gewichtsteile des elektrolytischen Kupfers, dessen mittlere Partikelgröße 30 μm betrug, wurden zu 30 Gewichtsteilen des kunstharzveredelten Graphits gegeben, und sie wurden homogen mit einem V-Mischer vermischt, um ein Pulvermaterial 28 für den anschlusskabelseitigen Abschnitt zu erhalten. Diese Pulvermaterialien wurden bei einem Druck von 4 × 10⁸ Pa (4 × 9800 N/cm²) integral geformt, wie in 2 gezeigt, und das Formstück wurde in einer reduzierenden Atmosphäre in einem Elektroofen bei 700°C gesintert, um die Bürste der Ausführungsform 1 zu erhalten.
(Ausführungsform 2)
69,5 Gewichtsteile elektrolytisches Kupfer, dessen mittlere Partikelgröße 30 μm betrug, und 0,5 Gewichtsteile Molybdändisulfid wurden zu 30 Gewichtsteilen des kunstharzveredelten Graphits gegeben, das in der Ausführungsform 1 verwendet wurde. Sie wurden homogen im V-Mischer vermischt, um ein Pulvermaterial 28 zu erhalten. Das Pulvermaterial 26 für den kommutatorseitigen Abschnitt war dasselbe wie dasjenige der Ausführungsform 1, und die anderen Bedingungen waren dieselben wie diejenigen der Ausführungsform 1. Nach dem Formen und Sintern wurde die Bürste der Ausführungsform 2 erhalten.
(Ausführungsform 3)
69,2 Gewichtsteile elektrolytisches Kupfer, dessen mittlere Partikelgröße 30 μm betrug, und 0,8 Gewichtsteile Molybdändisulfid wurden zu 30 Gewichtsteilen des kunstharzveredelten Graphits gegeben, das in der Ausführungsform 1 verwendet wurde. Sie wurden im V-Mischer homogen vermischt, um ein Pulvermaterial 28 zu erhalten. Das Pulvermaterial 26 war dasselbe wie dasjenige der Ausführungsform 1 und die anderen Bedingungen waren dieselben wie diejenigen der Ausführungsform 1. Nach dem Formen und Sintern wurde eine Bürste der Ausführungsform 3 erhalten.
(Vergleichsbeispiel 1)
Sechzig Gewichtsteile elektrolytisches Kupfer, dessen mittlere Partikelgröße 30 μm betrugt, 3 Gewichtsteile Molybdändisulfid und 2 Gewichtsteile Pb-Pulver wurden zu 35 Gewichtsteilen des kunstharzveredelten Graphits gegeben, das in der Ausführungsform 1 verwendet wurde. Sie wurden im V-Mischer homogen vermischt, um ein Pulvermaterial zu erhalten. Dieses Pulvermaterial wurde sowohl für den kommutatorseitigen Abschnitt als auch den anschlusskabelseitigen Abschnitt verwendet, üblicherweise für die ganze Bürste. Das Pulvermaterial wurde bei einem Druck von 4 × 10⁸ Pa geformt, und das Formstück wurde in einer reduzierenden Atmosphäre in einem Elektroofen bei 700°C gesintert, um eine Bürste des Vergleichsbeispiels 1 zu erhalten. Diese Bürste war eine Pb enthaltende Bürste, die durch das herkömmliche gewöhnliche Bürstenherstellungsverfahren hergestellt wurde.
(Vergleichsbeispiel 2)
Sechzig Gewichtsteile elektrolytisches Kupfer, dessen mittlere Partikelgröße 30 μm betrug, und 3 Gewichtsteile Molybdändisulfid wurden zu 37 Gewichtsteilen des kunstharzveredelten Graphits gegeben, das in der Ausführungsform 1 verwendet wurde. Sie wurden im V-Mischer homogen vermischt, um ein Pulvermaterial erhalten. Dieses Pulvermaterial wurde auf dieselbe Weise wie im Vergleichbeispiel 1 geformt und gesintert, um eine Bürste des Vergleichsbeispiels 2 zu erhalten. Diese Bürste war eine herkömmliche Pb-freie Bürste.
(Vergleichsbeispiel 3)
Achtundsechzig Gewichtsteile elektrolytisches Kupfer, dessen mittlere Partikelgröße 30 μm betrug, und 2 Gewichtsteile Molybdändisulfid wurden zu 30 Gewichtsteilen des kunstharzveredelten Graphits gegeben, das in der Ausführungsform 1 verwendet wurde. Sie wurden homogen im V-Mischer vermischt, um ein Pulvermaterial 28 für den anschlusskabelseitigen Abschnitt 8 zu erhalten. Das Pul vermaterial 26 für den kommutatorseitigen Abschnitt 6 war dasselbe wie dasjenige der Ausführungsform 1. Die anderen Bedingungen waren dieselben wie diejenigen des Vergleichsbeispiels 1 und die Pulvermaterialien wurden geformt und gesintert, um eine Bürste des Vergleichsbeispiels 3 zu erhalten.
(Vergleichsbeispiel 4)
Siebenundsechzig Gewichtsteile elektrolytisches Kupfer, dessen mittlere Partikelgröße 30 μm betrug, und 3 Gewichtsteile Molybdändisulfid wurden zu 30 Gewichtsteilen des kunstharzveredelten Graphits der Ausführungsform 1 gegeben. Sie wurden im V-Mischer homogen vermischt, um ein Pulvermaterial 28 für den anschlusskabelseitigen Abschnitt 8 zu erhalten. Das Pulvermaterial für den kommutatorseitigen Abschnitt war dasselbe wie dasjenige der Ausführungsform 1. Die anderen Bedingungen des Verfahrens waren dieselben wie diejenigen der Ausführungsform 1, und die Pulvermaterialien wurden geformt und gesintert, um eine Bürste des Vergleichsbeispiels 4 zu erhalten.

Der Gehalt (die Konzentration) des Metallsulfid-Festschmierstoffs in jeder der oben erwähnten Bürsten erhöht sich nach Berechnung ein wenig im Vergleich zur Konzentration auf der Grundlage des Mischens, weil das Phenolharz vom Novolaktyp teilweise zersetzt wird und zum Zeitpunkt des Sinterns verloren geht. Die berechnete Erhöhung der Konzentration liegt allerdings im Fehlerbereich. Tabelle 1 zeigt die Gehalte der Metallsulfid-Festschmierstoffe in den anschlusskabelseitigen Abschnitten der Ausführungsformen 1 bis 3 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4. Ein Gehalt von null Prozent (0%) in der Tabelle 1 gibt an, dass das Material nicht zugegeben wird und praktisch nicht enthalten ist. Er gibt nicht an, dass der Verunreinigungshalt 0 ist. Tabelle 1 Gehalte an Metallsulfid-Festschmierstoff in den anschlusskabelseitigen Abschnitten

Probe	MoS₂-Gehalt (%)	Pb-Gehalt (%)
Ausführungsform 1	0	0
Ausführungsform 2	0,5	0
Ausführungsform 3	0,8	0

Vergleichsbeispiel 1	3,1	2,0
Vergleichsbeispiel 2	3,1	0
Vergleichsbeispiel 3	2,0	0
Vergleichsbeispiel 4	3,1	0

Die Bürsten der Ausführungsformen 1 bis 3 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurden bei 200°C in einen Elektroofen gegeben und oxidieren gelassen, und ihre Anschlusskabelverbindungswiderstände wurden regelmäßig gemessen. Die Veränderungen der Anschlusskabelverbindungswiderstände, die sich aus dem Aussetzen einer Temperatur von 200°C ergaben, sind in Tabelle 2 gezeigt. Weiterhin wurden Bürsten der Ausführungsformen 1 bis 3 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 in ein Konstanttemperatur/Konstanffeuchtigkeits-Gefäß mit einer Temperatur von 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 85% gegeben, um sie der hohen Feuchtigkeit auszusetzen und darin enthaltenes Kupfer oxidieren zu lassen, und ihre Anschlusskabelverbindungswiderstände wurden regelmäßig gemessen. Die Veränderungen der Anschlusskabelverbindungswiderstände in der hohen Feuchtigkeit sind in Tabelle 3 gezeigt. Die Anzahl der Messungen betrug für jede zehn, und es wurde das arithmetische Mittel verwendet. Die Messung des Anschlusskabelverbindungswiderstands erfolgte gemäß dem „Method of Testing the Lead connection Resistance of Brushes for Electrical Machines" der Normen JCAS-12-1986 der Japan Carbon Associates. Tabelle 2 Veränderungen der Anschlusskabelverbindungswiderstände aufgrund des Aussetzens einer Temperatur von 200°C

Probe	Anschlusskabelverbindungswiderstand (Einheit: mV/10A)
Zahl d. Tage	Anfangswert	1	2	3	4	5	7	10	15
Ausführungsf. 1	0,81	0,83	0,83	0,84	0,85	0,87	0,91	0,99	1,10
Ausführungsf. 2	0,82	0,85	0,86	0,88	0,91	0,93	0,95	1,01	1,12
Ausführungsf. 3	0,83	0,85	0,88	0,90	0,92	0,95	0,98	1,08	1,14

Vgl.beispiel 1	0,80	0,82	0,83	0,85	0,86	0,86	0,90	0,98	1,06
Vgl.beispiel 2	0,86	0,99	1,12	1,23	1,56	1,62	1,82	1,96	2,02
Vgl.beispiel 3	0,82	0,98	1,23	1,31	1,54	1,59	1,78	1,86	2,01
Vgl.beispiel 4	0,81	0,89	1,19	1,23	1,42	1,59	1,85	1,96	2,12

Tabelle 3 Veränderungen der Anschlusskabelverbindungswiderstände aufgrund des Aussetzens einer Temperatur von 80°C und einer relativen Feuchtigkeit von 85%

Probe	Anschlusskabelverbindungswiderstand (Einheit: mV/10A)
Zahl d. Tage	Anfangswert	1	2	3	4	5	7	10	15
Ausführungsf. 1	0,79	0,85	0,93	0,98	1,06	1,12	1,23	1,32	1,38
Ausführungsf. 2	0,81	1,12	1,32	1,42	1,63	1,84	1,97	2,23	2,43
Ausführungsf. 3	0,83	1,26	1,54	1,86	2,06	2,56	2,95	3,35	3,62

Vgl.beispiel 1	0,80	0,86	0,92	0,99	1,10	1,16	1,21	1,31	1,36
Vgl.beispiel 2	0,90	1,02	1,21	1,96	2,68	4,21	6,78	15,43	28,33
Vgl.beispiel 3	0,81	1,69	2,55	2,96	3,06	5,12	7,63	14,55	23,56
Vgl.beispiel 4	0,81	1,59	3,22	3,65	4,89	6,21	8,55	16,24	25,12

Das Vergleichsbeispiel 1 ist die herkömmliche, Pb enthaltende Bürste. Die Bürste des Vergleichbeispiels 2 ist dieselbe wie die Bürste des Vergleichsbeispiels 1 mit der Ausnahme, dass Pb nicht beigegeben ist. Die Bürste des Vergleichsbeispiels 2 zeigte bei der hohen Feuchtigkeit eine deutliche Erhöhung des Anschlusskabelverbindungswiderstands. Sie zeigte auch einen Erhöhung des Anschlusska belverbindungswiderstands bei der hohen Temperatur. Die Versuche waren Beschleunigungsversuche, um Ergebnisse in einer kürzeren Zeit zu erhalten. Daher lieferten die Aussetzungszeiten, nämlich die Feuchtigkeit von 85% und die Temperatur von 80°C, eine strenge Temperaturumgebung. Bei hoher Feuchtigkeit unterliegt die Bürste allerdings sogar bei niedrigeren Temperaturen einer Oxidation, und der Anschlussverbindungswiderstand erhöht sich in ähnlicher Weise nach dem Aussetzen über einen langen Zeitraum. Bei der Bürste des Vergleichsbeispiels 3 wurden 2 Gew.-% Molybdändisulfid dem anschlusskabelseitigen Abschnitt zugegeben bzw. bei der Bürste des Vergleichsbeispiels 4 wurden 3 Gew.-% zugegeben. Ihre Anschlusskabelverbindungswiderstände erhöhten sich wie bei der Bürste des Vergleichsbeispiels 2 ebenfalls stark.
Obwohl die Bürste der Ausführungsform 1 einem ähnlichen beschleunigten Test unterworfen wurde, erhöhte sich ihr Anschlusskabelverbindungswiderstand kaum. Daher wurde ein Ergebnis ähnlich dem Vergleichsbeispiel 1 erhalten. Wenn die Bürsten der Ausführungsform 2 und Ausführungsform 3 ähnlichen Beschleunigungstests unterworfen wurden, erhöhten sich ihre Anschlusskabelverbindungswiderstände im Vergleich zur Ausführungsform 1 ein wenig mehr, aber die Erhöhungen verhinderten nicht die Verwendung dieser Bürsten. Bürsten von Ausführungsformen, die kein Pb sondern den Metallsulfid-Festschmierstoff enthalten, waren in der Lage, die Erhöhung der Anschlusskabelverbindungswiderstände zu verhindern. Bei den Ausführungsformen wurde die Zugabe von Molybdändisulfid als Beispiel verwendet, aber das Problem wird von Schwefelverbindungen, wie beispielsweise Kupfersulfat, erzeugt, die sich auch durch Molybdändisulfid bilden, und die Situation ist dieselbe, wenn Wolframdisulfid zugesetzt wird.

Claims

Metallgraphitbürste (2, 42), umfassend einen Kupfergraphit-Bürstenkorpus (4, 44), der durch Formen und Sintern vorgemischter Pulver eines Metallsulfid-Festschmierstoffpulvers, Graphitpulvers und Kupferpulvers hergestellt ist, und ein Blei (10), das in den Kupfergraphit-Bürstenkorpus (4, 44) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bürstenkorpus (4, 44) ohne Pb-Zugabe ist, dass eine Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs in dem Kupfergraphit-Bürstenkorpus (4, 44) zwischen einer Umgebung (8, 48) des Bleis (10) in dem Kupfergraphit-Bürstenkorpus (4, 44) und einem Abschnitt (6, 46) des Kupfergraphit-Bürstenkorpus (4, 44), mit dem ein Kommutator eines elektrischen Drehankers in Kontakt sein soll, unterschiedlich gemacht ist, und dass eine Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs in der Umgebung (8, 48) des Bleis (10) in dem Kupfergraphit-Bürstenkorpus (4, 44) niedriger als eine Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs in dem Abschnitt (6, 46) des Kupfergraphit-Bürstenkorpus (4, 44) im Kontakt mit dem Kommutator ist.
Metallgraphitbürste (2, 42) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs in der Umgebung (8, 48) des Bleis (10) in dem Kupfergraphit-Bürstenkorpus (4, 44) weniger als 1 Gew.-% beträgt.
Metallgraphitbürste (2, 42) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs in der Umgebung (8, 48) des Bleis (10) in dem Kupfergraphit-Bürstenkorpus (4, 44) im Wesentlichen 0% beträgt.
Metallgraphitbürste (2, 42) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallsulfid-Festschmierstoff mindestens ein Element einer Gruppe ist, die Molybdändisulfid und Wolframdisulfid umfasst.
Metallgraphitbürste (2, 42) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Metallsulfid-Festschmierstoffs in dem Abschnitt (6, 46) des Kupfergraphit-Bürstenkorpus (4, 44) im Kontakt mit dem Kommutator 1 bis 5 Gew.-% beträgt.
Metallgraphitbürste (2, 42) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blei (6, 46) ein nicht-elektroplattiertes Kupferblei ist.
Metallgraphitbürste (2, 42) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebung (8, 48) des Bleis (10) in dem Kupfergraphit-Bürstenkorpus (4, 44) und dem Abschnitt (6, 46) des Kupfergraphit-Bürstenkorpus im Kontakt mit dem Kommutator aus verschiedenen Pulvermaterialien in Konzentrationen des Metallsulfid-Festschmierstoffs hergestellt und in einer üblichen Form geformt sind.
Metallgraphitbürste (2, 42) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermaterialien sich weiterhin in den Kupferkonzentrationen unterscheiden und dass die Kupferkonzentration der Umgebung (8, 48) des Bleis (10) höher als die Kupferkonzentration des Abschnitts (6, 46) ist.