JP2003051360A - カーボンブラシおよびそれを用いた整流子電動機ならびに電気機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 寿命の長いカーボンブラシを提供し、前記カ
ーボンブラシを用いた整流子電動機および電気機器の長
寿命化を達成することを目的とする。 【解決手段】 フィラーの脱水熱分解あるいは吸熱融解
の少なくとも一方による吸熱反応を利用してカーボンブ
ラシ１の温度上昇を抑制したものである。これにより、
整流子の表面状態の変動や子片段差、雰囲気温度、湿度
等の変動が発生してもスパークを防止し、温度上昇を抑
制でき、カーボンブラシ寿命、および前記カーボンブラ
シを用いた整流子電動機ならびに前記整流子電動機を搭
載した電気機器の寿命を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は整流子と接触しなが
ら常に回転力を発生させるために電機子に流れる電流を
整流するためのカーボンブラシ、およびそれを用いた整
流子電動機ならびに前記整流子電動機を搭載した掃除
機、ジューサーミキサー等の電気機器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】カーボンブラシが用いられる整流子電動
機において、例えば掃除機に使用される整流子電動機
は、近年、高入力化、高速回転化が進んでいる。これに
伴って、カーボンブラシの発熱、振動等が増加し、ま
た、カーボンブラシの早期摩耗により寿命が短くなって
いた。

【０００３】この対策として、特開２０００−１９７３
１５公報では摩耗率低減とカーボンブラシ温度上昇低減
のために、固体潤滑剤を含有させ、かつ電気良導性金属
の皮膜を形成させている。

【０００４】また、カーボンの摩擦抵抗を低減するため
に特開平５−１９０２４９号公報ではカーボンブラシに
アルミニウム粉末やチタン粉末を含有させている。

【０００５】一方、特開平１０−２３７１７号公報では
カーボンブラシ温度を低減させるために高導電性金属層
をカーボンブラシに接合させている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のカーボンブラシでは、整流子の表面状態の変動や子
片段差、雰囲気温度、湿度等の変動によりカーボンブラ
シと整流子間でスパークの発生により、カーボンブラシ
の温度上昇を促進させていた。

【０００７】特に黒鉛粉を熱硬化性樹脂等の結合材で混
練し硬化したカーボンブラシ（レジンボンド系）の結合
材を劣化させ、カーボンブラシ寿命が低下し、整流子電
動機または整流子電動機を使用した電気機器の寿命が短
くなるという課題があった。

【０００８】本発明はこのような課題に鑑み発明された
ものであり、寿命の長いカーボンブラシを提供し、前記
カーボンブラシを用いた整流子電動機および電気機器の
長寿命化を達成することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、フィラーの脱水熱分解あるいは吸熱融解の
少なくとも一方による吸熱反応を利用してカーボンブラ
シの温度上昇を抑制したものである。

【００１０】これにより、整流子の表面状態の変動や子
片段差、雰囲気温度、湿度等の変動が発生してもスパー
クを防止し、温度上昇を抑制でき、カーボンブラシ寿
命、および前記カーボンブラシを用いた整流子電動機な
らびに前記整流子電動機を搭載した電気機器の寿命を向
上させることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本願請求項１に記載の発明は、吸
熱反応を利用して温度上昇を抑制することを特徴とする
カーボンブラシであり、運転時の整流子とカーボンブラ
シ間に発生するカーボンブラシの温度上昇を抑制するこ
とができる。

【００１２】請求項２に記載の発明は、吸熱反応が脱水
熱分解あるいは吸熱融解の少なくとも一方によるもので
あることを特徴とする請求項１に記載のカーボンブラシ
であり、脱水熱分解あるいは融解吸熱（融解のときに熱
を吸収する作用）、またはその両方によりカーボンブラ
シの温度上昇を抑制することができる。

【００１３】請求項３に記載の発明は、フィラーによる
吸熱反応であることを特徴とする請求項２に記載のカー
ボンブラシであり、フィラーの変更のみにより、あらゆ
る温度範囲で吸熱反応を起こすことができる。

【００１４】請求項４に記載の発明は、フィラーが水酸
化アルミニウム、水酸化マグネシウムあるいは室温で固
体の金属セッケンのいずれか一つ、またはこれらの組合
せであることを特徴とする請求項３に記載のカーボンブ
ラシであり、脱水熱分解による吸熱反応を２００℃から
３００℃（水酸化アルミニウム）、あるいは３００℃か
ら４００℃（水酸化マグネシウム）で起こすことが可能
で、反応後に生成される高硬度の酸化金属（酸化アルミ
ニウムあるいは酸化マグネシウム）により、整流子表面
が清浄（整流子表面が前記酸化物により研磨）され、そ
の表面を平滑に保持することができる。

【００１５】また、フィラーを室温で固体の金属セッケ
ンとした場合は、より低温度における融解吸熱による吸
熱反応を起こすことができ、さらに、融解した金属セッ
ケンは潤滑剤としてカーボンブラシと整流子表面の摩擦
抵抗を低減させ、温度上昇を低減できる。

【００１６】また、水酸化アルミニウム、水酸化マグネ
シウムあるいは室温で固体の金属セッケンのうち複数を
フィラーとして添加した場合、上記各フィラーのもつ特
有の作用を同時に得ることができる。

【００１７】なお、室温で液体の金属セッケンの場合、
整流子電動機の回転始動時に整流子表面とカーボンブラ
シとの間に油膜が発生し、電気伝導性を悪化する。

【００１８】請求項５に記載の発明は、室温で固体の金
属セッケンがステアリン酸亜鉛若しくはステアリン酸カ
ルシウム、またはこれらの組合せであることを特徴とす
る請求項３に記載のカーボンブラシであり、金属セッケ
ンを１１０℃から１３０℃に融点を有するステアリン酸
亜鉛、あるいは１４５℃から１６５℃に融点を有するス
テアリン酸カルシウムとすることで、融解吸熱でカーボ
ンブラシの温度上昇を低減でき、また、融解した金属セ
ッケンは潤滑剤としてカーボンブラシと整流子表面の摩
擦抵抗を低減させ、温度上昇を低減できる。

【００１９】請求項６に記載の発明は、フィラーの粒子
径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項３から
請求項５のいずれか１項に記載のカーボンブラシであ
り、フィラーの脱落を防止することができ、かつフィラ
ーの吸熱反応を効果的に発生させることができる。

【００２０】請求項７に記載の発明は、フィラーをカー
ボンブラシ内部に均一に混合させたことを特徴とする請
求項３から請求項６のいずれか１項に記載のカーボンブ
ラシであり、カーボンブラシと整流子表面が接触してい
る部分中の微小な部分（局部的に電流が流れる部分）の
温度上昇を抑制させることができる。

【００２１】請求項８に記載の発明は、フィラーを含む
複合樹脂層をカーボンブラシ本体に一体的に固着させた
ことを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか１項
に記載のカーボンブラシであり、カーボンブラシ本体を
共通として、あらゆる温度範囲に対応できるフィラーを
含むカーボンブラシの製造を容易にすることができる。

【００２２】請求項９に記載の発明は、フィラーを含む
複合樹脂層の結合材がカーボンブラシ本体を形成する結
合材と同一であることを特徴とする請求項８に記載のカ
ーボンブラシであり、カーボンブラシ本体と複合樹脂層
との硬度および摩耗量を同一にすることが可能で、かつ
カーボンブラシ本体と複合樹脂層が強固に一体化し、カ
ーボンブラシ本体と複合樹脂層の分離を防止できる。

【００２３】請求項１０に記載の発明は、複合樹脂層に
カーボンが混合されていることを特徴とする請求項８ま
たは請求項９に記載のカーボンブラシであり、熱伝導率
を向上させ、カーボンブラシの温度上昇を低減させるこ
とができる。

【００２４】請求項１１に記載の発明は、請求項１から
請求項１０のいずれか１項に記載のカーボンブラシを用
いたことを特徴とする整流子電動機であり、カーボンブ
ラシの摩耗量を低減させることができる。

【００２５】請求項１２に記載の発明は、請求項１１に
記載の整流子電動機を搭載したことを特徴とする電気機
器であり、電気機器の長寿命化が図られる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の具体例について、図１および
図２を用いて説明する。

【００２７】（実施例１）図１はカーボンブラシに高温
で吸熱反応を起こすフィラーを均一に混合させたカーボ
ンブラシの斜視図である。

【００２８】カーボンブラシ１は黒鉛粉、熱硬化樹脂等
の結合材および硬化剤を混練し硬化したものや、黒鉛
粉、熱硬化樹脂またはピッチ等の結合材および硬化剤で
混練し、低温度で焼成して結合材を炭化させたものや、
前記低温度で焼成したものをさらに高温で焼成して炭素
成分の一部を黒鉛化処理したものがある。

【００２９】このようなカーボンブラシ１は、水酸化ア
ルミニウムまたは水酸化マグネシウムからなるフィラ
ー、若しくはステアリン酸亜鉛あるいはステアリン酸カ
ルシウム等の室温で固体の金属セッケンからなるフィラ
ーを均一に分布するように混合したものであり、整流子
表面と微小に接触する面に、粒子径が１０μｍ以下のフ
ィラーを接触させることができる。

【００３０】水酸化アルミニウムは２００〜３００℃
で、水酸化マグネシウムは３００〜４００℃で、脱水熱
分解による吸熱反応を起こすため、このようなフィラー
を混合したカーボンブラシ１を用いた整流子電動機にお
いては、整流子との摩擦あるいはスパークによりカーボ
ンブラシ２の温度が上昇した場合、さらなる上昇が抑制
されることになる。

【００３１】さらに、脱水熱分解による吸熱反応後、高
硬度の酸化アルミニウム、あるいは酸化マグネシウムが
生成され、これら酸化金属が整流子表面を研磨する研磨
材となり、この結果、整流子表面が清浄され、整流子表
面の平滑が保持される。

【００３２】また、フィラーを室温で固体の金属セッケ
ンとした場合についても、金属セッケンの融解による吸
熱反応が起こり、脱水熱分解の場合と同様に、整流子と
の摩擦あるいはスパークによりカーボンブラシ１の温度
が上昇した場合、さらなる上昇を抑制することができ
る。

【００３３】なお、金属セッケンとは、脂肪酸等、有機
酸の非アルカリ金属塩の総称したものであり、水には溶
けず、潤滑剤、離型剤等に使用され特に樹脂との分散性
が優れているものであり、本実施例におけるカーボンブ
ラシの用途としては、融点等を考慮するとよい。

【００３４】すなわち、本実施用途における金属セッケ
ンとしては、ステアリン酸亜鉛あるいはステアリン酸カ
ルシウムが最適である。

【００３５】ステアリン酸亜鉛の融点は、１１０〜１３
０℃であり、またステアリン酸カルシウムの融点は、１
４５〜１６５℃である。

【００３６】また、これら融解した金属セッケンは、潤
滑剤としての機能を有しており、カーボンブラシ１と整
流子表面の摩擦抵抗を低減させ、温度上昇を低減でき
る。

【００３７】以上のような、カーボンブラシ１の製造に
あたっては、黒鉛粉、エポキシ樹脂硬化剤およびフィラ
ーを混練し、所定の硬化温度させカーボンブラシ１とし
た。

【００３８】硬化温度は、フィラーの脱水熱分解あるい
は融解吸熱による吸熱反応開始温度以上であっても短時
間であれば問題はないが、吸熱反応を起こすフィラーが
反応を開始する温度以下で硬化させるとよい。

【００３９】さらに、フィラーの含有率は水酸化アルミ
ニウムまたは水酸化マグネシウムについては、好ましく
は１０ｗｔ％以上とするとよい。

【００４０】また、ステアリン酸亜鉛あるいはステアリ
ン酸カルシウム等の室温で固体の金属セッケンについて
も同様１０ｗｔ％以上とするとよい。

【００４１】次に、本具体例におけるカーボンブラシ１
（具体的には、１０ｗｔ％のステアリン酸カルシウムを
混練したものを例とする）と、黒鉛粉とエポキシ樹脂と
硬化剤を混練したのみのカーボンブラシ（以下、「比較
材」と示す）であって、共に１５０℃で硬化させた各カ
ーボンブラシを用いた整流子電動機を搭載した掃除機用
整流子電動機の定格運転において、各カーボンブラシの
温度上昇および摩耗量を測定したので、その結果につい
て記載する。

【００４２】なお、各カーボンブラシの温度上昇は熱電
対を各カーボンブラシに取り付けて測定し、また、摩耗
量は定格運転で２００時間運転させた後の、各カーボン
ブラシの摩耗量を測定した。

【００４３】カーボンブラシ１を用いた整流子電動機を
搭載した掃除機用整流子電動機は、比較材を用いた整流
子電動機を搭載した掃除機用整流子電動機と比較し、温
度上昇が５℃低減し、摩耗量は５％減少する。

【００４４】この結果より、整流子の表面とカーボンブ
ラシ間の摩擦抵抗が低減されており、温度上昇が低減で
き、ブラシ寿命を長くすることができる。なお、前記の
ような有利な効果は、前述の各種フィラーにおいても得
ることができる。

【００４５】上記説明では、水酸化アルミニウム、水酸
化マグネシウムあるいは金属セッケン単独をフィラーと
したカーボンブラシ２とした場合について記載してある
が、前記物質の複数、例えば、水酸化アルミニウムとス
テアリン酸カルシウムをフィラーとして添加しても良
く、このような場合、融解吸熱および脱水熱分解による
吸熱反応を広範囲の温度域で起こすことが可能となり
（上記組合せ例においては、おおよそ１４５〜３００℃
の範囲について対応）、さらに、研磨材および潤滑剤と
しての両機能も得ることができる。

【００４６】さらに、上記水酸化アルミニウム、水酸化
マグネシウムあるいは金属セッケンのうち複数の物質を
フィラーとした場合についても、カーボンブラシの温度
上昇および摩耗量に関しても前述と同等以上の有利な効
果を得ることができる。

【００４７】なお、カーボンブラシ１にフィラーと共
に、ハロゲン化合物、りん化合物あるいはアンチモン化
合物等の難燃剤として使用されている材料を混合または
単独で配合しすることで、スパーク発生を低減すること
ができる。

【００４８】（実施例２）図２はカーボンブラシに高温
で吸熱反応を起こすフィラーを混合させた複合樹脂層を
固着させたカーボンブラシの斜視図であるの斜視図であ
る。

【００４９】カーボンブラシ２は黒鉛粉、熱硬化樹脂等
の結合材および硬化剤を混練し硬化したものや、黒鉛
粉、熱硬化樹脂またはピッチ等の結合材および硬化剤で
混練し、低温度で焼成して結合材を炭化させたものや、
前記低温度で焼成したものをさらに高温で焼成して炭素
成分の一部を黒鉛化処理したものがある。

【００５０】また、複合樹脂層３の結合材としての熱硬
化性の樹脂には、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹
脂等が使用され、硬化温度は硬化剤を適宜選択すること
により室温から２００℃の間で調整することができる。

【００５１】なお、硬化温度を２００℃以上としても短
時間であれば問題はないが、脱水熱分解あるいは融解吸
熱による吸熱反応を起こすフィラーが反応を開始する温
度以下で硬化させるのがよい。

【００５２】また、フィラーの含有量は、脱水熱分解の
吸熱反応を起こすフィラーは混合樹脂層の１０ｗｔ％以
上、好ましくは４０％以上混合し、室温で固体の金属セ
ッケンは混合樹脂層２の５ｗｔ％以上が好ましい。

【００５３】なお、フィラーとして添加する物質は実施
例１と同様であり、その諸特性についての記載は省略す
る。

【００５４】このようなフィラーを含有する複合樹脂層
３をカーボンブラシ本体４に一体的に固着させる方法と
しては、以下に示す方法がある。

【００５５】すなわち、第１の方法は、接着剤で固着す
る方法であり、第２の方法は、複合樹脂層３の結合材
と、カーボンブラシ本体４の結合材を同一のものとし
て、硬化剤にて共に硬化させる方法である。

【００５６】特に後者の場合、カーボンブラシ本体４と
複合樹脂層３との硬度を合わせることができ、この結
果、摩耗量が同一となり、カーボンブラシ本体４または
複合樹脂層３のいずれか一方のみが整流子に接触すると
いうような状態を回避することができる。

【００５７】次に、本具体例におけるカーボンブラシ２
（具体的には、４０ｗｔ％の水酸化アルミニウムを混練
し、１５０℃で硬化させた厚み１ｍｍの複合樹脂層３
を、接着剤でカーボンブラシ本体４に一体的に固着した
ものを例とする）と、比較材（実施例１同様）を用いた
整流子電動機を搭載した掃除機用整流子電動機の定格運
転において、各カーボンブラシの温度上昇および摩耗量
を測定したので、その結果について記載する。

【００５８】なお、各カーボンブラシの温度上昇は熱電
対を各カーボンブラシに取り付けて測定し、また、摩耗
量は定格運転で２００時間運転させた後の、各カーボン
ブラシの摩耗量を測定した。

【００５９】カーボンブラシ２を用いた整流子電動機を
搭載した掃除機用整流子電動機は、比較材を用いた整流
子電動機を搭載した掃除機用整流子電動機と比較し、温
度上昇が１５℃低減し、摩耗量は１０％減少する。

【００６０】この結果より、整流子の表面とカーボンブ
ラシ間の摩擦抵抗が低減されており、温度上昇が低減で
き、ブラシ寿命を長くすることができる。なお、前記の
ような有利な効果は、前述の各種フィラーにおいても得
ることができる。

【００６１】上記説明では、水酸化アルミニウム、水酸
化マグネシウムあるいは金属セッケン単独をフィラーと
したカーボンブラシ２とした場合について記載してある
が、前記物質の複数をフィラーとした場合についても、
実施例１に記載の有利な効果と同様の効果を得ることが
できる。

【００６２】なお、その詳細な効果については実施例１
と同様であるため、その記載は省略する。

【００６３】さらに、カーボンブラシ本体４あるいは複
合樹脂層３の少なくとも一方に、ハロゲン化合物、りん
化合物あるいはアンチモン化合物等の難燃剤として使用
されている材料を混合または単独で配合することで、ス
パーク発生を低減することができる。

【００６４】

【発明の効果】以上のように本願記載の発明によれば、
脱水熱分解あるいは吸熱融解の少なくとも一方による吸
熱反応を利用して温度上昇を抑制することを特徴とする
カーボンブラシであり、運転時の整流子とカーボンブラ
シ間に発生するカーボンブラシの温度上昇を抑制するこ
とができる。

【００６５】また、脱水熱分解あるいは吸熱融解の少な
くとも一方による吸熱反応は、水酸化アルミニウム、水
酸化マグネシウムあるいは室温で固体の金属セッケン
（ステアリン酸亜鉛あるいはステアリン酸カルシウム）
のいずれか一つ、またはこれらの組合せによるフィラー
とすることで、フィラーの変更のみにより、あらゆる温
度範囲で吸熱反応を起こすことができ、例えば、前記フ
ィラーの全てを含有するカーボンブラシの場合、おおよ
そ１１０〜４００℃の範囲で吸熱反応を起こすことがで
きる。また、水酸化アルミニウムおよび水酸化マグネシ
ウムにおいては、反応後に生成される高硬度の酸化金属
（酸化アルミニウムあるいは酸化マグネシウム）によ
り、整流子表面が清浄され、その表面を平滑に保持する
ことができ、ステアリン酸亜鉛あるいはステアリン酸カ
ルシウム等の室温で固体の金属セッケンにおいては、融
解した前記金属セッケンは潤滑剤としてカーボンブラシ
と整流子表面の摩擦抵抗を低減させることができる。さ
らに、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムあるい
は室温で固体の金属セッケンのうち複数をフィラーとし
て添加した場合、上記各フィラーのもつ清浄作用および
潤滑作用を同時に得ることができる。

【００６６】さらに、カーボンブラシの形態を、カーボ
ンブラシ内部に均一にフィラーを混合させた場合、カー
ボンブラシと整流子表面が接触している部分中の微小な
部分（局部的に電流が流れる部分）の温度上昇を抑制さ
せることができる。

【００６７】また、カーボンブラシの形態を、フィラー
を含む複合樹脂層をカーボンブラシ本体に一体的に固着
させた場合、カーボンブラシ本体を共通として、あらゆ
る温度範囲に対応できるフィラーを含むカーボンブラシ
の製造を容易にすることができる。そして、複合樹脂層
の結合材とカーボンブラシ本体を形成する結合材と同一
とすることで、カーボンブラシ本体と複合樹脂層との硬
度および摩耗量を同一にすることが可能で、かつカーボ
ンブラシ本体と複合樹脂層が強固に一体化し、カーボン
ブラシ本体と複合樹脂層の分離を防止できる。さらに、
複合樹脂層にカーボンを混合することで、熱伝導率を向
上させ、カーボンブラシの温度上昇を低減させることが
できる。

【００６８】以上のようなカーボンブラシを整流子電動
機に、さらに前記整流子電動機を電気機器に搭載した場
合、カーボンブラシの摩耗量を低減させることが可能
で、電気機器の長寿命化が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高温で吸熱反応を起こすフィラーを均
一に混合させたカーボンブラシの斜視図

【図２】本発明の高温で吸熱反応を起こすフィラーを混
合させた複合樹脂層を固着させたカーボンブラシの斜視
図

【符号の説明】

１、２ カーボンブラシ ３ 複合樹脂層 ４ カーボンブラシ本体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒住 誠治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 上野 信人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 藤田 克敏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H613 AA01 AA03 BB04 BB15 GA09 GB01 GB06 GB08 GB09 GB13 GB16 KK02 QQ04 SS04 5H623 AA04 AA08 AA10 JJ08

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸熱反応を利用して温度上昇を抑制する
   ことを特徴とするカーボンブラシ。
2. 【請求項２】 吸熱反応が脱水熱分解あるいは吸熱融解
   の少なくとも一方によるものであることを特徴とする請
   求項１に記載のカーボンブラシ。
3. 【請求項３】 フィラーによる吸熱反応であることを特
   徴とする請求項２に記載のカーボンブラシ。
4. 【請求項４】 フィラーが水酸化アルミニウム、水酸化
   マグネシウムあるいは室温で固体の金属セッケンのいず
   れか一つ、またはこれらの組合せであることを特徴とす
   る請求項３に記載のカーボンブラシ。
5. 【請求項５】 室温で固体の金属セッケンがステアリン
   酸亜鉛若しくはステアリン酸カルシウム、またはこれら
   の組合せであることを特徴とする請求項３に記載のカー
   ボンブラシ。
6. 【請求項６】 フィラーの粒子径が１０μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項
   に記載のカーボンブラシ。
7. 【請求項７】 フィラーをカーボンブラシ内部に均一に
   混合させたことを特徴とする請求項３から請求項６のい
   ずれか１項に記載のカーボンブラシ。
8. 【請求項８】 フィラーを含む複合樹脂層をカーボンブ
   ラシ本体に一体的に固着させたことを特徴とする請求項
   ３から請求項６のいずれか１項に記載のカーボンブラ
   シ。
9. 【請求項９】 フィラーを含む複合樹脂層の結合材がカ
   ーボンブラシ本体を形成する結合材と同一であることを
   特徴とする請求項８に記載のカーボンブラシ。
10. 【請求項１０】 複合樹脂層にカーボンが混合されてい
    ることを特徴とする請求項８または請求項９に記載のカ
    ーボンブラシ。
11. 【請求項１１】 請求項１から請求項１０のいずれか１
    項に記載のカーボンブラシを用いたことを特徴とする整
    流子電動機。
12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の整流子電動機を搭
    載したことを特徴とする電気機器。