JP2006050771A

JP2006050771A - 直流電動モータ用ブラシ及びその製造法

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Publication number: JP2006050771A
Application number: JP2004227900A
Authority: JP
Inventors: Shigeharu Konno; 重治紺野; Michio Ogami; 三千男大上; Fukumi Akatsu; 福美赤津
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】高温下で摩耗の少ない直流電動モータ用ブラシを提供すると共に高温下で摩耗の少ない直流電動モータ用ブラシの製造法を提供する。
【解決手段】黒鉛を含むカーボン材、カーボンチューブの中に金属原子及び／又はフラーレンを包摂したカーボンチューブ包摂体、銅粉及び樹脂を含有してなる直流電動モータ用ブラシ並びに黒鉛を含むカーボン材、カーボンチューブの中に金属原子及び／又はフラーレンを包摂したカーボンチューブ包摂体、銅粉及び樹脂を含有する混合粉に、リード線を埋設した後成形し、還元ガス又は不活性雰囲気中で焼成することを特徴とする直流電動モータ用ブラシの製造法。
【選択図】なし

Description

本発明は、回転電機などに用いられる摩耗の少ない、直流電動モータ用ブラシ及びその製造法に関する。

従来、金属黒鉛質ブラシは、特許文献１に記載されているように、銅粉と樹脂（結合剤）をコーキングした天然黒鉛を主成分とし、これに鉛、錫等を添加したものを混合し、成形した後、焼成して作製していた。
また、耐摩耗性を向上させるため、特許文献２に記載されているように、二硫化モリブデン、二硫化タングステン等の硫化金属粉を少量添加したものが知られている。

特公平０６−０６６１４７号公報特公平０６−００７５０５号公報

しかしながら上記に示すブラシは、ブラシ温度が高くなると黒鉛潤滑が不足し、ブラシ摩耗が増大するという欠点があった。
また、硫化金属粉を多くすると比抵抗が増加し、電気損失が増大するという欠点があった。

請求項１及び２記載の発明は、高温下で摩耗の少ない直流電動モータ用ブラシを提供するものである。
請求項３記載の発明は、高温下で摩耗の少ない直流電動モータ用ブラシの製造法を提供するものである。

本発明は、黒鉛を含むカーボン材、カーボンチューブの中に金属原子及び／又はフラーレンを包摂したカーボンチューブ包摂体、銅粉及び樹脂を含有してなる直流電動モータ用ブラシに関する。
また、本発明は、カーボンチューブ包摂体が、直径が２ｎｍ以下及び長さが１００ｎｍ以下である直流電動モータ用ブラシに関する。
さらに、本発明は、黒鉛を含むカーボン材、カーボンチューブの中に金属原子及び／又はフラーレンを包摂したカーボンチューブ包摂体、銅粉及び樹脂を含有する混合粉に、リード線を埋設した後成形し、還元ガス又は不活性雰囲気中で焼成することを特徴とする直流電動モータ用ブラシの製造法に関する。

請求項１及び２記載の直流電動モータ用ブラシは、高温下で使用しても摩耗の少ない直流電動モータ用ブラシである。
請求項３記載の方法により得られる直流電動モータ用ブラシは、高温下で使用しても摩耗の少ない直流電動モータ用ブラシである。

本発明になる直流電動モータ用ブラシは、カーボンチューブ包摂体が整流子面とブラシ面の間に介在し、摺動時にミクロな転がり作用が生じる。このため、摩耗の形態は転がり摩耗となり、摩擦係数が低く、ブラシ摩耗が低減するものと考えられる。
特に、ブラシ温度が１５０℃に上昇すると、ブラシと整流子間に生成されていた酸化膜の潤滑性が低下し、摩擦変動が大きくなるが、カーボンファイバを含有したブラシは、上記の理由により摩擦変動が小さくなるものと考えられる。

本発明において、黒鉛の含有量は、ブラシ全組成物中に２０〜８０重量％の範囲が好ましく、４０〜６０重量％の範囲がさらに好ましい。
また、カーボンチューブ包摂体の含有量は、ブラシ全組成物中に０．０１〜１０重量％の範囲が好ましく、０．１〜５重量％の範囲がさらに好ましい。
なお、銅粉及び樹脂バインダの含有量は、特に制限はなく、そのときの条件に応じて適宜選定して添加される。

ブラシの主成分となる黒鉛は、天然黒鉛、人造黒鉛のいずれでもよい。また黒鉛の粒径についても特に制限はないが、平均粒径が１０〜２００μｍ程度のものを用いることが好ましい。平均粒径は、レーザー散乱型粒度分布測定装置により測定することができる。

さらに、樹脂としては、フェノール樹脂、フラン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられ、特にフェノール樹脂は、レゾール又はノボラック樹脂若しくはこれらを混合して用いることができる。なお、レゾール、ノボラック樹脂は、液状、固形状、粉状等いずれのものを用いても差し支えない。

上記のフェノール樹脂は、特性に応じて各種変性剤で変性された変性フェノール樹脂、例えば、レゾルシン変性フェノール樹脂、クレゾール変性フェノール樹脂、アルキル変性フェノール樹脂、カシュー変性フェノール樹脂、芳香族炭化水素樹脂変性フェノール樹脂、メラミン変性フェノール樹脂、油変性フェノール樹脂、フラン変性フェノール樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、テルペン変性フェノール樹脂等を用いることができる。

本発明の直流電動モータ用ブラシに含有されるカーボンチューブ包摂体は、直径が２ｎ
以下、好ましくは０．４〜２ｎｍの範囲、さらに好ましくは０．４〜１ｎｍの範囲及び長さが１００ｎｍ以下、好ましくは０．５〜２０ｎｍの範囲のものを用いることが望ましい。直径が２ｎｍを超え、かつ長さが１００ｎｍを超えるものを用いると、モータのコンミテータへの研削性が増加すると同時に、ブラシ自身の摩耗が大きくなる傾向がある。
なお、カーボンチューブ包摂体の直径及び長さは、走査形電子顕微鏡を用いて測定することができる。

本発明において、カーボンチューブの中に包摂する金属原子は、、、、等が挙げられる。またフラーレンは、燃焼法、アーク放電法等によって生成される球殻状炭素分子を指し、特に、炭素分子の結合による５員環及び６員環からなる複数の環状炭素体の組み合わせによって構成された球殻状分子、楕円球殻状分子を指すものであり、代表的なものとして、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_２４０等が挙げられる。
なお、カーボンチューブの中に金属原子及び／又はフラーレンを包摂する手段については特に制限はない。

以下、本発明の実施例を説明する。
実施例１
直径が０．４〜１ｎｍの範囲及び長さが１００ｎｍ以下のカーボンチューブ包摂体（カーボンチューブに対して試薬フラーレン単離体のＣ_６０を５０重量％包摂）１．０重量％、天然黒鉛粉（日本黒鉛工業（株）製、商品名ＣＢ−１５０）８０．５重量％、二硫化モリブデン粉（クライマックス社製、商品名ＭｏＴＦ）２．０重量％及びフェノール樹脂のワニス（日立化成工業（株）製、商品名ＶＰ−１３Ｎ）１６．５重量％を均一に混練、乾燥、粉砕、分級して平均粒径が２００μｍの造粒黒鉛を得た。

次に、上記で得た造粒黒鉛６０重量部と電解銅粉（福田金属箔紛（株）製、商品名ＣＥ−２５）４０重量部をＶ型混合機で均一に混合し、この混合粉を金型に充填し、さらに所定の位置にリード線を埋設した後、単軸の粉末成形機で２９４ＭＰａの圧力で成形し、次いでＮＨ_３分解ガスの雰囲気炉中で８００℃の温度で焼成して直流電動モータ用ブラシを得た。

実施例２
直径が０．４〜１ｎｍの範囲及び長さが１００ｎｍ以下のカーボンチューブ包摂体（カーボンチューブに対してＳｃＣ８４を７０重量％包摂）０．２重量％、天然黒鉛粉（日本黒鉛工業（株）製、商品名ＣＢ−１５０）８３．３重量％及びフェノール樹脂のワニス（日立化成工業（株）製、商品名ＶＰ−１３Ｎ）１６．５重量％を均一に混練、乾燥、粉砕、分級して平均粒径が２００μｍの造粒黒鉛を得た。

次に、上記で得た造粒黒鉛６０重量部と電解銅粉（福田金属箔紛（株）製、商品名ＣＥ−２５）４０重量部をＶ型混合機で均一に混合し、この混合粉を金型に充填し、さらに所定の位置にリード線を埋設した後、単軸の粉末成形機で２９４ＭＰａの圧力で成形し、次いでＮＨ_３分解ガスの雰囲気炉中で７５０℃の温度で焼成して直流電動モータ用ブラシを得た。

実施例３
直径が０．４〜１ｎｍの範囲及び長さが１００ｎｍ以下のカーボンチューブ包摂体（カーボンチューブに対して試薬フラーレン単離体のＣ_７０を６０重量％包摂）１．０重量％、天然黒鉛粉（日本黒鉛工業（株）製、商品名ＣＢ−１５０）８０．５重量％、二硫化モリブデン粉（クライマックス社製、商品名ＭｏＴＦ）２．０重量％及びフェノール樹脂のワニス（日立化成工業（株）製、商品名ＶＰ−１３Ｎ）１６．５重量％を均一に混練、乾燥、粉砕、分級して平均粒径が２００μｍの造粒黒鉛を得た。

比較例１
天然黒鉛粉（日本黒鉛工業（株）製、商品名ＣＢ−１５０）８２重量％及びフェノール樹脂のワニス（日立化成工業（株）製、商品名ＶＰ−１１Ｎ）１８重量％を均一に混練、乾燥、粉砕、分級して平均粒径が１００μｍの造粒黒鉛を得た。
次に、上記で得た造粒黒鉛６０重量部と電解銅粉（福田金属箔紛（株）製、商品名ＣＥ−２５）４０重量部をＶ型混合機で均一に混合し、この混合粉を金型に充填し、さらに所定の位置にリード線を埋設した後、単軸の粉末成形機で２９４ＭＰａの圧力で成形し、次いでＮＨ_３分解ガスの雰囲気炉中で７５０℃の温度で焼成して直流電動モータ用ブラシを得た。

次に、実施例１〜３及び比較例１で得られた直流電動モータ用ブラシについて、図１に示す直径が１６０ｍｍ（φ）の銅スリップリングを用いた摩擦係数測定試験機で、ブラシ温度と摩擦変動の関係を調べた。その結果を図２に示す。
また、８０Ｗの電動ファンモーターにブラシを装着して、８０℃に加熱した高温槽に入れて、ブラシの摩耗評価を行った結果を図３に、８０Ｗの電動ファンモーターにブラシを装着して、大気中で２５±５℃の条件でブラシの摩耗評価を行った結果を図４に示す。

なお、摩擦係数は、以下に示す方法で算出した。
図１に示す直径が１６０ｍｍ（φ）の銅スリップリング１は、奥行き側で別に連結されているモータ（図示せず）によって回転するようになっており、該銅スリップリング１の面を＃６００の研磨機で磨いた後、ブラシホルダ２にブラシ３を設置し、バネ４を介してバネ圧Ｐで押圧して固定した。一方、ブラシ３に熱電対５を固定し、これを介して銅スリップリング１に内蔵したヒータ６への電力を制御してブラシ温度を一定に保持した。

上記のような状態のもとで、モータの回転数１４２０ｍｉｎ^−１、ブラシへの電流９Ａの条件で、回転に伴って加わる力Ｆをブラシ３に連結されたロードセルで測定し、Ｆ／Ｐにより摩擦係数（μ）を算出した。また図２に示すモータを上記に示す条件で２０時間回転させ、回転終了前の１０分間についてブラシ３の温度が６０℃、８０℃、１２０℃、１６０℃及び１８０℃のときの摩擦係数（μ）の上下の幅（変動）を図示したものである。なお、図１において７は電源である。
また、摩耗評価は、上記の条件でモータを１００時間回転し、ブラシの回転前の寸法と１００時間回転後の寸法の差からブラシの摩耗量を求めた。

図２に示されるように、本発明の実施例になる直流電動モータ用ブラシは、比較例１の直流電動モータ用ブラシに比較して、１６０℃以上の高温で摩擦変動が小さいことが明らかである。
また、図３及び図４に示されるように、本発明の実施例になる直流電動モータ用ブラシは、比較例１の直流電動モータ用ブラシに比較して、８０℃の雰囲気でのブラシ摩耗及び大気中でのブラシ摩耗が少ないことが明らかである。

摩擦係数測定試験機の概略図である。実施例１〜３と比較例１で得られた直流電動モータ用ブラシのブラシ温度と摩擦変動を示すグラフである。８０℃の雰囲気での電動ファンモーターにおけるブラシ摩耗を示すグラフである。大気中での電動ファンモーターにおけるブラシ摩耗を示すグラフである。

符号の説明

１銅スリップリング
２ブラシホルダ
３ブラシ
４バネ
５熱電対
６ヒータ
７電源

Claims

黒鉛を含むカーボン材、カーボンチューブの中に金属原子及び／又はフラーレンを包摂したカーボンチューブ包摂体、銅粉及び樹脂を含有してなる直流電動モータ用ブラシ。
カーボンチューブ包摂体が、直径が２ｎｍ以下及び長さが１００ｎｍ以下である直流電動モータ用ブラシ。
黒鉛を含むカーボン材、カーボンチューブの中に金属原子及び／又はフラーレンを包摂したカーボンチューブ包摂体、銅粉及び樹脂を含有する混合粉に、リード線を埋設した後成形し、還元ガス又は不活性雰囲気中で焼成することを特徴とする直流電動モータ用ブラシの製造法。