JP2005176492A - 直流モーター用ブラシ - Google Patents

Abstract

【課題】 ブラシの摩耗が低減され、整流子やスリップリングの摩耗を低減することができる直流モーター用ブラシを提供する。
【解決手段】 導電性の回転体２３に押し当てられる直流モーター用ブラシであって、直流モーター用ブラシにカーボン粉の他、銅粉が１０〜８０重量％含まれ、銅粉の全体重量１のうち片状銅粉の重量を０．０５〜０．５とする。片状銅粉の見かけ密度が０．８〜２．０ｃｍ^３／ｇであることが好ましく、また片状銅粉の平均粒径が５〜１００μｍであることが好ましい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、直流モーター用ブラシに関し、特に、銅粉が含有されている直流モーター用ブラシに関する。

直流モーター用ブラシ（以下、単に「ブラシ」ともいう）は、自動車の電装部品、フォークリフト、充電式の掃除機等に取り付けられる直流モーターの集電子として使用される。これらの直流モーターの多くは、バッテリー駆動により低い電圧で作動するので、これらの直流モーターに用いられるブラシとしては、電気損失（出力損失）をできるだけ減らすために電気抵抗の低い銅粉を含有したカーボンブラシが多く用いられる。

これらの直流モーターは、省エネや高機能化の観点から長寿命化、小型化、大容量・高出力化が進んでおり、そのため直流モーターに使用されるブラシには長寿命、出力損失が小さいこと（高効率）、小型化、といった要求を満たすことが一層求められている。しかし、これらブラシに対する要求は互いに相反する側面を有する。例えば、銅粉を含有したカーボンブラシにおいて、出力損失を小さくするために単純にブラシ中の銅粉の割合を多くすることが試みられるが、それによって潤滑性や耐アーク性が低下してブラシの摩耗が多くなりブラシの寿命が短くなる問題が生じる。そこでブラシの寿命を長くするためにブラシを長くすると、モーターの小型化の要求に反することとなる。

銅粉を含有したカーボンブラシにおいて出力損失を小さくする技術に関しては、例えば、銅粉の一部にフレーク状銅粉を使用することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、フレーク状銅粉を使用することによりブラシの接触電圧降下が低くなりモーターの出力損失が小さくなることが示されている。
特開平２−７０２４９号公報

しかし、特許文献１には接触電圧降下が低くなることが示されているが、ブラシの寿命については示されていない。

また、ブラシにおいては、正ブラシと負ブラシとでブラシの摩耗量が異なる摩耗、いわゆる偏摩耗が生じる。この偏摩耗は、例えば両者の摩耗量の比が２倍近い値といった大きな偏摩耗となることもあるが、大きな偏摩耗が生じると、摩耗の多い方のブラシの寿命によって全体のブラシの寿命が決まるので、それだけブラシの寿命が短くなるという問題も生じていた。

このような問題に鑑みて、ブラシの摩耗及び偏摩耗を低減することのできる技術が強く望まれていた。

更に、直流モーターの寿命は、ブラシの寿命だけでなく、ブラシが押し当てられる回転体である整流子やスリップリングの摩耗状況によって大きく左右される。従って、長寿命の直流モーターを得るためには、ブラシと整流子やスリップリングとの摺動特性が改善され、整流子やスリップリングの摩耗をも低減されることが非常に重要であるが、回転体の摩耗が大きいという問題も生じていた。

そこで本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、ブラシの摩耗が低減され、整流子やスリップリングの摩耗を低減することができる直流モーター用ブラシを提供することを目的とする。

本発明の直流モーター用ブラシは、導電性の回転体に押し当てられる直流モーター用ブラシであって、直流モーター用ブラシにはカーボン粉の他、銅粉が１０〜８０重量％含まれており、この銅粉には片状銅粉が含まれ、かつ、この片状銅粉の重量比は、銅粉１に対し０．０５〜０．５であることを特徴とする。

ここで「片状銅粉」とは、電解銅粉、アトマイズ銅粉、又は還元銅粉をスタンプミル法、ボールミル法等の機械的手法によりフレーク化された片状の銅粉をいう。

この特定事項によって、ブラシの摩耗が大幅に低減されたブラシが提供される。また、同時に整流子やスリップリングである回転体の摩耗も大幅に低減される。このようなブラシ及び回転体両方の摩耗の大幅な低減は、上記構成によって回転体表面に適切な被膜調整がなされ、ブラシと回転体との摺動時の摩擦係数が低くなったことに起因すると考えられる。従って、上記構成のブラシは、出力損失も少なく十分なモーター効率も確保される。

また、上記構成の直流モーター用ブラシは、回転体に正ブラシ及び負ブラシが押し当てられる場合において、正ブラシの摩耗量と負ブラシの摩耗量との差が、非常に小さくなるので、ブラシは更に長寿命を有することとなる。なお、正ブラシは、ブラシから回転体へ電流が流れるブラシをいい、負ブラシは回転体からブラシに電流が流れるブラシをいう。

ここで、銅粉の量が１０重量％より少ないと片状銅粉の効果が発現されない。銅粉の量が８０重量％を超えると、片状銅粉の存在によりブラシの機械的強度が低下する傾向になる。銅粉の量は、上記範囲内で用途に応じて適宜、決めることができる。また、片状銅粉の量が銅粉の全体重量１のうち０．０５より少ないと片状銅粉の効果が発現されない。また、０．５を超えるとブラシの機械的強度が低下する傾向になる。

ここで、片状銅粉は見かけ密度が０．８〜２．０ｃｍ^３／ｇであることが好ましい。片状銅粉が効果を発揮するのに十分な片状を保つ見かけ密度は０．８ｃｍ^３／ｇ以上であり、また、見かけ密度が２．０ｃｍ^３／ｇを超えると片状が保たれず片状銅粉の効果が発揮されない。また、見かけ密度が２．０ｃｍ^３／ｇを超えるとブラシの電気抵抗が大きくなりやすい。

なお、この「見かけ密度」は、ＪＩＳ規格Ｚ２５０４−１９６６によって、得られる値をいう。

また、片状銅粉は平均粒径が５〜１００μｍであることが好ましい。平均粒径が５μｍ以下であると、銅粉の平坦性の効果が失われてしまい、平均粒径が１００μｍ以上であると圧縮成形後の成形体にクラックを生じやすくなったり、機械的強度が低くなったりする。

なお、この「平均粒径」は、レーザー回折散乱法（ＪＩＳ規格Ｒ１６２９）によって測定される値をいう。

本発明の直流モーター用ブラシは、十分なモーター効率が確保され、格段に摩耗が少なく、回転体の摩耗も格段に少ないので、長寿命の直流モーターを提供することができる。更に、ブラシの長さも短くすることができ、直流モーターの小型化も達成することができる。

また、本発明の直流モーター用ブラシは、正ブラシ及び負ブラシ間の偏摩耗も低減され、その点から更にブラシの寿命を長くすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明の実施の形態に係る直流モーター用ブラシは、ブラシ中の銅粉の量が１０〜８０重量％であり、銅粉の全体重量１のうち０．０５〜０．５を片状銅粉とする。

まず、ブラシに用いる原料について説明する。

原料としては、カーボン粉及び銅粉は必須の骨材であり、バインダ及び添加剤等を必要に応じて用いる。

銅粉のうち、銅粉の全体重量１のうち片状銅粉の量は、０．０５〜０．５重量部であり、好ましくは０．１〜０．５である。なぜなら、片状銅粉の量が０．１重量部以上でより顕著に片状銅粉の効果が発現するからである。

片状銅粉の見かけ密度が０．８〜２．０ｃｍ^３／ｇであることが好ましく、より好ましくは０．９〜１．５ｃｍ^３／ｇである。片状銅粉が効果を発揮するのに十分な片状を保つ見かけ密度は、０．８〜２．０ｃｍ^３／ｇである。また、見かけ密度が０．９〜１．５ｃｍ^３／ｇであることによって、低い電気抵抗を有するブラシを得やすいやすいので、見かけ密度がその範囲にあることがより好ましい。

また、片状銅粉は、平均粒径が５〜１００μｍであることが好ましい。平均粒径が５μｍ以下であると、銅粉の平坦性の効果が失われてしまい、平均粒径が１００μｍ以上であると圧縮成形後の成形体にクラックを生じやすくなったり、機械的強度が低くなったりする。

片状銅粉の他に電解銅粉、アトマイズ銅粉、又は還元銅粉を使用する。このうち、樹枝形状を有する電解銅粉が好ましい。この電解銅粉の平均粒径は使用する片状銅粉の平均粒径とほぼ同程度、又はやや小さいことが好ましい。また、ブラシの電気抵抗を低くするためには、この電解銅粉の見かけ密度が１．０ｃｍ^３／ｇ以下であることが好ましい。

カーボン粉は、主に耐摩耗性及び潤滑性を確保する目的で使用する。カーボン粉としては、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛等を使用することができる。このうち、特に、結晶性の高い人造黒鉛、天然黒鉛、又はそれらの組み合せによる配合が好ましい。カーボン粉の粒径は特に限定されないが、平均粒径が２〜１００μｍ程度で銅粉の粒径に近いものが好ましい。

バインダは機械的強度を高めるのに効果的であるので、バインダを使用することが好ましく、特にカーボン系の骨材の量が多い場合には、銅粉の焼結だけでは機械的強度が低くなりすぎるのでバインダを使用することが好ましい。バインダとしては、ピッチ及び／又は合成樹脂が使用され、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂のいずれをも使用することができる。特に好適な合成樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂が挙げられる。

添加剤は、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、金粉、銀粉等が挙げられ、主に潤滑性を高めるために用いられる。

次に、本発明の実施の形態に係るブラシの製造方法について説明する。

まず、所定の量のカーボン粉、添加剤及びバインダを混練する。混練物を必要に応じて、次工程の成形をしやすくするために粉砕を行い、粉砕粉とする。そして、上記混練物又は粉砕粉と所定の量の銅粉を均一に混合し混合粉とする。このとき、バインダがカーボン粉、添加剤に均一に行き渡るようにするためにアルコール等の有機溶剤を加えてもよい。ここで、バインダを用いない場合には銅粉とカーボン粉及び添加剤とを均一に混合し混合粉としてもよい。

次に、この混合粉を金型に投入後、従来法によって圧縮成形し、ブラシの成形体とする。圧縮成形の際に、通電用のリード線を一緒に埋め込んで成形してもよい。

次に、圧縮成形後の成形体に対して熱処理を施して、バインダを炭素化させ骨材を焼結させ堅牢なブラシとする。なお、この熱処理は、一般に行われているように水素還元雰囲気中、又は非酸化性雰囲気中で行う。

図１は、上記のように製造されたブラシの外観及び片状銅粉が配向された様子を模式的に示している。図１は、成形時の圧力がブラシ１の側面１ｂに対して垂直に加えられる場合を示している。図１に示すブラシ１では、片状銅粉２の端部２ａが、摺動面であるブラシ１の下面１ａに向くように、加圧方向Ｘに対して片状銅粉２が垂直に配向されている。

以上、ブラシの製造方法を説明したが、各原料が均一に混合されような製造方法であれば、上記のブラシの製造方法に限定されない。

以下に、実施例によって本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

本実施例にあっては、各成分が以下に示す割合となるようにブラシＡを作製した。

ブラシＡの成分割合は、黒鉛粉末が７２重量％、銅粉が２１重量％、炭素バインダ成分が５重量％、添加剤である二硫化モリブデンが２重量％である。銅粉２１重量％のうち１／４が片状銅粉であり、残りの３／４が樹枝形状を有する電解銅粉である。（換言すると、銅粉の全体重量を１とすると片状銅粉が０．２５である。）
片状銅粉のレーザー回折散乱法による平均粒径は４６μｍ、その見かけ密度は１．１５ｇ／ｃｍ^３であった。電解銅粉のレーザー回折散乱法による平均粒径は２０μｍ、その見かけ密度は０．７ｇ／ｃｍ^３であった。

黒鉛粉末は鱗状の天然黒鉛粉末を使用した。この黒鉛粉末のレーザー回折散乱法による平均粒径は４５μｍであった。

炭素バインダ成分となる有機バインダは、ノボラックタイプのフェノール樹脂を用いた。使用した樹脂の残炭率を勘案して上記の成分量になるように使用量を決定した。

黒鉛粉末、フェノール樹脂及び二硫化モリブデンとが均一に混合されるように、適宜メチルアルコールを加えながら常温で所定の時間（３０〜１２０分）混練した。この混練した物を２５０メッシュの篩を５０％程度通過する程度に粉砕して混練物粉末とした。混練物粉末と銅粉を均一に混合してブラシの成形用粉末とした。この成形用粉末を金型でブラシの形状に成形した後、水素還元雰囲気下、約８００℃の熱処理を施した。

以上のようにして、寸法が５ｘ６ｘ２１．５（ｍｍ）のブラシＡを作製した。ここで、２１．５ｍｍが、ブラシＡの長さである。

また、別途成形時の金型を変えて成形を行うことによって、寸法が５ｘ５ｘ３０ｍｍの試験片を作製した。この試験片を用いて、３点曲げによる曲げ強さ、４端子法によって抵抗率を測定した。

次に、ブラシＡの摺動試験について説明する。

ブラシＡの摺動試験は、定格２３０Ｗ（２５．５Ｖ、９Ａ）、回転数２００００ｒｐｍの直流モーターにブラシを取り付けて行った。

図２は、試験に用いた直流モーターの構成を模式的に示している。図２に示すように、直流モーター２０は、正ブラシ２１及び負ブラシ２２、整流子２３、電源２４を配する。このとき、正ブラシ２１及び負ブラシ２２を整流子２３の１８０°隔離した位置に配置した。ブラシ２１、２２においては、それぞれ整流子（回転体）２３と下面２１ａ、２２ａとが接触して摺動している。

摺動試験に際しては、定格で一定の時間、モーターを運転し、各ブラシ２１、２２の長さの変化量（減量）及び整流子２３の直径の変化量（減量）を測定した。

本実施例においては、比較のために片状銅粉を使用しないブラシ（以下、「ブラシＢ」と称する）も作製した。ブラシＢは、銅粉が全て上記の電解銅粉である以外はブラシＡと全く同様の方法で作製した。また、ブラシＢに対してもブラシＡと全く同じ試験を行った。

ブラシＡは、かさ密度が２．２４ｇ／ｃｍ^３、曲げ強さが２２ＭＰａ、抵抗率が２０μΩ・ｍであった。

ブラシＢは、かさ密度が２．２３ｇ／ｃｍ^３、曲げ強さが２３ＭＰａ、抵抗率が１６μΩ・ｍであった。

表１は、ブラシＡ（実施例）及びブラシＢ（比較例）の試験時間、その試験時間における正ブラシ摩耗率、負ブラシ摩耗率、ブラシ偏摩耗率、ブラシ寿命及び整流子摩耗率を示す。ブラシＡについては、２回の試験（試験１、試験２）の結果を示している。

ここで、各ブラシ２１、２２の摩耗量を試験時間１００時間当たりの摩耗量に換算して正ブラシ摩耗率及び負ブラシ摩耗率を算出した。また、同様に整流子２３の直径の変化量（減量）を試験時間１００時間の摩耗量に換算した整流子摩耗率を算出した。

また、正ブラシ摩耗率、負ブラシ摩耗率は、試験開始からその試験時間までの累積のブラシ摩耗量を基にして求めた値である。また、ブラシ偏摩耗率は正ブラシ摩耗率を負ブラシ摩耗率で除した値である。

また、ブラシ寿命は、摩耗可能な長さとブラシ摩耗率とから求められるものである。ここでは、ブラシが１５ｍｍ摩耗した時をもってブラシの寿命としており、ブラシが１５ｍｍ摩耗するのに要する時間をブラシ寿命としている。ブラシの寿命は、下記の（１）式で求められる。このとき、ブラシ寿命は摩耗率の大きい方のブラシによって決まるので、正ブラシ、負ブラシのうち摩耗率の大きい方のブラシ摩耗率の値を用いる。

ブラシ寿命（ｈ）＝１５ ÷ 正（負）ブラシ摩耗率 ｘ １００（ｈ） （１）

表１に示すように、ブラシＡのブラシ摩耗率は、ブラシＢのブラシ摩耗率に比べて正ブラシで１／７〜１／８、負ブラシで１／４〜１／５であり、ブラシＡは格段に少ないブラシの摩耗であった。また、ブラシＡを使用したときの整流子摩耗率も０．０１ｍｍ／１００時間であり、ブラシＢのときの０．５８ｍｍ／１００時間に比べて格段に少ない値を示した。

図３は、ブラシＡ及びブラシＢのブラシ摩耗試験において、試験時間に対してブラシ寿命をプロットしている。なお、ブラシ寿命は（１）式によって求めたが、各正（負）ブラシ摩耗率は試験開始から各試験時間までの累積のブラシ摩耗量から求めた値である。

図３のプロットでは、試験時間の経過によってブラシ摩耗率が変化しない場合には試験時間が経過してもブラシ寿命は変化せず一定の値となる。試験時間の経過によってブラシ寿命が長くなる場合は、整流子２３（図２参照）の表面の荒損が少なく被膜状態が時間の経過とともに良くなる場合が考えられる。一方、試験時間の経過によってブラシ寿命が短くなる場合は整流子２３の表面が荒損し、被膜状態が時間の経過とともに悪くなっていると考えられる。

図３より実施例の試験１においては、試験時間の経過によってブラシ寿命が長くなる傾向を示した。また、実施例の試験２においては、試験時間の経過によってもブラシ寿命は、ほぼ一定の値を示した。これらの結果より、実施例のブラシＡは、長時間に渡って整流子２３の表面の荒損せず良好な被膜状態を保っていると考えられる。

一方、比較例においては、試験時間の経過によってブラシ寿命が短くなる傾向を示した。

本発明の実施例に係るブラシの成形時の加圧方向を説明する斜視図である。 本発明の実施例に係るブラシを用いたモーターの概略構成を示す図である。 本発明の実施例に係るブラシ及び比較例のブラシのブラシ摩耗試験における測定時間に対するブラシ寿命を示す図である。

符号の説明

１ ブラシ
２ 片状銅粉
２０ モーター
２１ 正ブラシ
２２ 負ブラシ
２３ 整流子（回転体）
２４ 直流電源

Claims (3)

1. 導電性の回転体に押し当てられる直流モーター用ブラシであって、
   前記直流モーター用ブラシにはカーボン粉の他、銅粉が１０〜８０重量％含まれており、
   この銅粉には片状銅粉が含まれ、かつ、この片状銅粉の重量比は、前記銅粉１に対し０．０５〜０．５であることを特徴とする直流モーター用ブラシ。
2. 請求項１に記載の直流モーター用ブラシにおいて、
   前記片状銅粉は見かけ密度が０．８〜２．０ｃｍ^３／ｇであることを特徴とする直流モーター用ブラシ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の直流モーター用ブラシにおいて、
   前記片状銅粉は平均粒径が５〜１００μｍであることを特徴とする直流モーター用ブラシ。

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