JP2006081231A - 電気機械用カーボンブラシ - Google Patents

Abstract

【課題】よりいっそう安定した整流を確保し、モータに対する高い効率、長寿命、温度の低減、摺動音の抑制、整流子の摩耗量の低減が得られる電気機械用カーボンブラシを提供する。
【解決手段】回転体２に押し当てられる電気機械用カーボンブラシ１であり、カーボンを少なくとも１成分として含む骨材とバインダとからなる素材をブラシ基材とし、水あるいは有機溶剤に可溶な金属化合物をブラシ基材に含有させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械用カーボンブラシに関し、特に、小型モータに使用される電気機械用カーボンブラシに関する。

電動モータは小型化、大容量化、高出力化が進んでいる。例えば、電気掃除機に用いられるモータは、更に小型で吸引力が強いことが求められている。このため、モータのファンの外径を小さくし、超高速（３０，０００ｒｐｍ以上）で回転させるようになっている。このような超高速回転のモータにおいては、電気機械用カーボンブラシ（以下、カーボンブラシという）と導電性の回転体である整流子との良好な摺動状態を保持することにより、正常な電気的接触を維持することが重要な課題とされてきた。

従来、このような課題に鑑みて、黒鉛粉末を合成樹脂で結合したいわゆるレジンボンド系のカーボンブラシが多く使用されるようになった。このレジンボンド系のカーボンブラシは、黒鉛粉末によって滑りを良くするとともに、レジンによって座乗性をよくすることにより、正常な電気的接触が確保されている。

また、電気掃除機等においては、吸引力（吸込仕事率）を高くするために、モータの入力を増やすことにより、カーボンブラシの電流密度を高くすることが可能である。しかし、このような方法による場合、特にレジンボンド系のカーボンブラシは、長時間の使用によるカーボンブラシの温度上昇やカーボンブラシの摩耗の増加による整流不良の恐れが生じる。

さらに、入力規制という背景を考慮しなければならず、一定の入力に対してより高い出力が得られるモータがよりいっそう求められていた。
このような状況から、安定した整流を確保するとともに、モータに対して高い効率（入力に対する出力）を与えることができるカーボンブラシが強く望まれていた。

こうした課題の対処として、黒鉛粉と、この黒鉛粉に対して０．５〜５重量％の概ね２００メッシュ以下の粒状アルミニウム粉及び結合剤が混合されてなり、これを加圧成型した後、３５０℃以下の温度で加熱処理してなるカーボンブラシが開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、黒鉛粉と、この黒鉛粉に対して０．２〜３．０重量％の概ねアルミニウム粉及び２〜１０重量％の銅粉と熱硬化性樹脂が混合されてなり、これを成型した後、焼成してなるカーボンブラシが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特公昭５８−５８７８７号公報 特開昭６４−８８４４号公報

ところで、上記した金属粉末を含むカーボンブラシにおいて、特許文献１及び２に開示されている技術では、下記の問題点（１）〜（４）がある。
（１）金属粉末が整流子を研削するため、整流子の摩耗量が増加する。
（２）カーボン基材と金属粉末との密着性が悪い場合には、金属粉末が脱離することがある。
（３）金属粉末を用いるため、この金属粉末がカーボンブラシの材質内で偏在を起こしやすい。
（４）金属粉末が多量に含有されると、カーボンブラシの弾性係数が高くなり、回転時にブラシが跳ねやすくなるなど、ブラシの座乗性が悪くなるため、回転電機の効率が低下し、ブラシの寿命を短くしてしまう。

本発明は、こうした状況を鑑みて創案されたものであり、よりいっそう安定した整流を確保し、モータに対する高い効率、長寿命、温度の低減、摺動音の抑制、整流子の摩耗量の低減が得られる電気機械用カーボンブラシを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電気機械用カーボンブラシは、導電性の回転体に押し当てられる電気機械用カーボンブラシであって、カーボンを少なくとも１成分として含む骨材とバインダとからなる素材をブラシ基材とし、水あるいは有機溶剤に可溶な金属化合物が上記電気機械用カーボンブラシに含有されていることによって特徴付けられる。

骨材とバインダとから構成されているブラシ基材は、「気孔」と呼ばれる空隙部分が存在しているが、ここで含浸とは、その気孔に金属化合物を当該物質に存在せしめることを意味する。

なお、存在する気孔の大きさや容積はブラシの種類、製造方法及び製造条件等の違いによって異なる。そして、気孔はブラシ全体に存在しており、ブラシ表面から内部までつながっている開気孔と、ブラシ内部に孤立してある閉気孔が存在する。以下、単に「気孔」というときは開気孔を意味するものとする。

上記金属化合物は、水溶液あるいは有機溶剤に溶けた状態であるので分子レベルの大きさのままで金属化合物をブラシの気孔中に均一に含浸させることができる。金属化合物がブラシ気孔中に均一に含浸されていることによって、金属化合物が長時間に渡って、回転体との摺動面の全体に均一に作用し、摺動面での機械的抵抗が低減され、良好な摺動性が達成されることによってモータ効率の向上、長寿命、温度の低減、摺動音の抑制、整流子摩耗の低減が図れるものと考えられる。

ここで、金属化合物のブラシに対する含有量は０．０５〜３０重量％が好ましく、さらに、０．１〜１０重量％が好ましい。さらに、この値を０．１〜５重量％とすれば、本発明の効果が著しく、より好ましい。

金属化合物のブラシに対する含有量は０．０５重量％未満であれば金属化合物の効果が発言されず、３０重量％を超えるとモータの効率を低下させてしまう。

この構成において、上記金属化合物がイオン結合性化合物又は共有結合性化合物であることが好ましく、さらに、上記金属化合物が金属錯化合物であることが好ましい。特に、この金属錯化合物がキレート化合物であることが好ましい。

また、上記金属化合物に含まれる金属は長周期型元素周期表における３〜１４族かつ３〜５周期の金属であってもよく、この場合の金属は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｇ，Ｓｎのいずれかであることが好ましい。これらの金属の中で特に、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｇが好ましい。

更に本発明の電気機械用カーボンブラシでは、電気機械用カーボンブラシの導電性回転体と接触する面を除く当該カーボンブラシの表面の少なくとも１部分に電気良導性の金属皮膜が形成されているものを使用することができる。

このように金属皮膜が形成されているブラシを使用することによって、モータに対する効率をさらに向上させることができる。

本発明によれば、以上の構成により、モータの効率が向上し、ブラシの摩耗量が減少し、ブラシの寿命が長くなる。また、温度が高い場合にはモータに付随する他の部品が劣化しやすくなるが、本発明ではブラシの温度が低下することから、こうした問題も解消される。さらに、摺動音が低下し、整流子摩耗が低減する点でも有益である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るブラシを用いたモータの概略構成を示している。

ブラシ１は、モータの整流子である回転体２とブラシ１の下面１ａが接触し、その部分で摺動する。このブラシ１はブラシホルダー４によってその外周を囲まれた状態で保持されている。

ブラシ１は、カーボンを少なくとも１成分として含む骨材とバインダとからなる素材を基材としている。この基材は、前述したように気孔を有しており、本実施の形態では、ブラシ基材の気孔中に金属化合物を含浸する。

ブラシ１の気孔については、例えば、水銀圧入法によって求めた平均気孔半径が１μｍ以下の小さな気孔半径を有するブラシ基材であってもよい。

ブラシ１の基材としては、ＣＧ（Ｃａｒｂｏｎ Ｇｒａｐｈｉｔｅ）系と呼ばれる炭素黒鉛質のブラシ、ＥＧ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｒａｐｈｉｔｅ）系と呼ばれる電気黒鉛質のブラシ、バインダが炭素化されていない合成樹脂であるレジンボンド系ブラシ、銅粉、鉄粉、銀粉等の金属粉末を骨材の一部に使用した金属系ブラシ等を使用することができ、特に、レジンボンド系ブラシが好適である。

このレジンボンド系ブラシ基材の製造方法について以下に説明する。

まず、骨材１００重量部に対してバインダ１０〜４０重量部を概ねの配合比として、これら骨材とバインダを混練する。

この骨材としては、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、特に黒鉛の結晶性があまり発達していない人造黒鉛又は、天然黒鉛と人造黒鉛とを配合した構成が好ましい。

一方、バインダとしては、合成樹脂が使用され、熱硬化性合成樹脂又は熱可塑性合成樹脂のいずれを使用してもよいし、これらの混合物を使用してもよい。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、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フラン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂が挙げられる。

なお、混練の際には必要に応じてアルコール類、アセトン等の有機溶剤を適量加えてもよい。また、必要に応じて骨材の一部に添加剤、例えば、固体潤滑材、皮膜調整剤を加えてもよい。例えば、二硫化モリブデン、二硫化タングステン等の固体潤滑材や、アルミナ、シリカ、炭化珪素等の皮膜調整剤を加えてもよい。

次に、混練した塊を粉砕して成形用の粉体に調整する。その後、その粉体をブラシ基材形状に成形する。そして成形体に樹脂が硬化する温度下（一般的には、１００〜３００℃）で熱処理を施して樹脂を硬化させる。

また、ブラシ１は、ブラシ基材の段階で、ブラシ１の下面１ａを除く側面１ｂ及び上面１ａの全面又は１部分に電気良導性の金属皮膜を形成してもよい。この皮膜の材質としては、ニッケル、銅及び銀を挙げることができる。また、この皮膜の厚さは、概ね３〜１００μｍであるが、これに限定されるものではない。

なお、この金属皮膜の形成は、電解メッキ、無電解メッキ等の公知の方法によって行うことができる。

金属化合物をブラシに含有させる方法としては、ブラシを製造する途中でこれらを骨材やバインダと共に混合させる方法や、予め製造したブラシ基材に対してこれらをを含浸させる方法を採用することができる。

次に、ブラシ基材に金属化合物を含浸する構成について説明する。

この金属化合物は、水あるいは有機溶剤に可溶な金属化合物であり、この金属化合物は金属錯化合物であることが好ましく、さらに、この金属錯化合物がキレート化合物であることが好ましい。

また、この金属化合物に含まれる金属種は長周期型元素周期表における３〜１４族かつ３〜５周期の金属であればよく、この場合、Ａｌ，Ｔｉ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｇ，Ｓｎのいずれかであることが好ましい。これらの金属の中で特に、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｇが好ましい。

このような金属化合物としては、イオン結合性のものでも共有結合性のものでもよく、上記金属の硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩等の無機塩、上記金属の酢酸塩、シュウ酸塩、安息香酸塩、ベンゼンスルホン酸塩等の有機酸塩、上記金属が中心原子である金属錯化合物やキレート化合物が挙げられるが、特に限定はされず、市販のものが使用できる。
上記金属が中心原子である金属錯化合物やキレート化合物は、特に限定はされず、市販のものが使用できる。

上記金属が中心原子である金属錯化合物やキレート化合物の配位子は、エチレンジアミン（ｅｎ）、ジエチレントリアミン（ｄｉｅｎ）、トリエチレンテトラミン（ｔｒｉｅｎ）、エチレンジアミン四酢酸（ｅｄｔａ）、ピピリジン（ｂｐｙ）、テルピリジン（ｔｅｒｐｙ）等のアミン系化合物、アセチルアセトン（ａｃａｃ）等のケトン化合物、ジメチルグリオキシム（ｄｍｇ）等のオキシム系化合物等であるものが好ましい。

ブラシ基材への金属化合物の含浸には、まず、上記金属化合物と水あるいは有機溶剤を混合し、この含浸液を調整する。金属化合物と水あるいは有機溶剤とは、容易に混ざり合うので撹拌棒を用いて手で撹拌するといった簡単な操作でこの含浸液を調整することができる。この含浸液における金属化合物の量は、目的とする含浸率、含浸条件、選択した基材の種類等に応じて適宜決められる。

調整した含浸液は、毛細管現象によって微細の気孔に内部まで浸透して、ブラシ基材の気孔中に均一に含浸される。従って、含浸は、単に含浸液中にブラシ基材を浸漬することによって行うことができる。ただし、一般的な含浸方法として知られる真空脱気や加圧操作を併用してもよい。

含浸液の温度は、水あるいは有機溶剤の沸点に応じて、適宜選択でき、２０〜３０℃程度の室温から４０〜６０℃の高温の温度範囲で行うことができる。また、浸漬時間は、含浸液の粘度、温度、ブラシ基材等の条件によって適宜決められるが、例えば１０〜６０分程度である。

ブラシを一定時間浸漬した後に、ブラシを取り出して１００℃以上の温度下で乾燥することにより、ブラシに含浸された水あるいは有機溶剤を除去する。乾燥によるブラシの重量が恒量になった時点でこれらの除去が終点に達したものとみなして乾燥を終了する。ブラシ基材に残された金属化合物の重量が、含浸された重量である。

このように金属化合物が含浸されたブラシに適宜リード線３等が取り付けられる。

また、本実施形態においては、１０〜２００００ｍｍ² ／ｓ（２０℃）の動粘度を有する金属化合物と水あるいは有機溶媒の混合物が好ましい。さらに、１０〜１０００ｍｍ² ／ｓの動粘度を有することがより好ましい。

以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明する。
［実施例］
まず、本実施例において使用するレジンボンド系のブラシ基材を以下のように作製した。

人造黒鉛粉末（平均粒径１００μｍ、灰分５重量％以下）１００重量部に対して、エポキシ樹脂３０重量部を配合し、人造黒鉛粉末と樹脂とが均一に混合されるように、常温で所定の時間（３０〜１２０分）混練した。

この混練物を４０メッシュ以下に粉砕してブラシに成形するため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（寸法：５．５ｘ６ｘ２５ｍｍ）した後、市販の乾燥器を用いて１５０℃の熱処理を施して、樹脂を硬化させた。

本ブラシ基材は、かさ密度が１．４５ｇ／ｃｍ³ であり、抵抗率が７００μΩ・ｍであ
った。本ブラシ基材の累積気孔容積は２１２ｍｍ³ ／ｇ、平均気孔半径は０．７６μｍで
あった。なお、気孔率は水銀圧入法（水銀ポロシメータＦＩＳＯＮＳ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社製、モデルＭＡＰＯ１２０及びＰＯ２０００を使用）によって求めた。

本実施例においては、まず、このように作製したブラシ基材を用いて、金属化合物Ｃｕ（ｅｄｔａ）を水に溶解させた含浸液とし、この含浸液にブラシ基材を浸漬する時間を変化させることにより、含浸率がそれぞれ、０．１６重量％、０．３２重量％、０．４８重量％、０．９６重量％の金属化合物含浸ブラシ（４種類）を得た。なお、含浸率（重量％）は、含浸による増加分の重量を含浸前のブラシの重量で除して求めた値に１００を掛けてパーセント表示したものである。

モータの効率の測定には、まず、これらのブラシにリード線を取り付けた後、試験用のモータに４１ｋＰａのスプリング圧力でセットした。一定の条件の下、それぞれのブラシについて、吸込仕事率Ｐ（Ｗ）を測定した。なお、モータには、電圧２３０Ｖ、６０Ｈｚの下、約１５５０Ｗの電力を入力した。このとき、モータの回転数は約３４０００ｒｐｍであった。

モータの効率は（１）式によって計算した。

η＝（Ｐ／Ｉ） ｘ １００・・・（１）
ここで、ηはモータの効率（％）、Ｐは吸引仕事率（Ｗ）、Ｉは入力（Ｗ）である。

これによって得られたモータの効率（η）を、金属化合物を含浸していないブラシを使用した場合、上記４種類の金属化合物含浸ブラシを使用した場合のそれぞれのモータの効率の試験結果を表１に示す。なお、含浸率が０重量％は本実施例には含まず、比較例(1) として記す。

また、１００時間当りのブラシの摩耗量（ｍｍ／１００ｈ）、ブラシホルダ外周先端部の温度（℃）、およびブラシの摺動音（ｄB ）、１００時間当りの整流子摩耗量（ｍｍ／１００ｈ）をそれぞれ測定した結果を表１に示す。

なお、温度は、ブラシホルダー４の外周の回転体側の先端部温度を熱電対を用いて測定した。

また、摺動音は、ブラシホルダー４から１０ｃｍ（距離）離れた位置をサウンドレベルメータ（ＯＮＯＳＯＫＫＩ製ＬＡ−２１０）で測定した。

また、金属粉末Ａｌを０．５重量％、 金属粉末Ｃｕを０．５重量％含有させたブラシをそれぞれ比較例(2) 、比較例(3) とし、これらについても上記実施例と同様、モータの効率の計算及び、各測定を行った。

これらの試験結果を表２に示す。

表１に示すように、試料番号(2) 〜(5) では、モータの効率がそれぞれ４１．２％、４１．１％、４１．１％、４１．１％であり、金属化合物Ｃｕ（ｅｄｔａ）を含浸していないブラシ（無含浸ブラシ）のモータの効率４１．０％に対して０．１〜０．２％高い値を示した。

モータの効率が０．１〜０．２％向上することは、電気掃除機等に使用する小型モータの分野においては、顕著な効果と判断される。従って、こうしたモータの効率の向上は、大きな意義を持ち利用価値が高いものと評価される。特に、モータの規格等によって、入力が規制されているような状況では、入力を大きくすることにより、出力を高くすることができないことを考慮すると、このように、よりモータの効率の高いブラシが要求されることは必須である。

また、１００時間当りのブラシ摩耗量については、試料番号(2) 〜(5) では、７〜９(mm/100h) の値となり、無含浸ブラシの１０(mm/100h) に比べ、飛躍的に低減された。また、温度については、９３℃以下に抑えられた。さらに、摺動音については、試料番号(2) 〜( ４) では、無含浸ブラシの１１０ｄＢに比べ低くなった。１００時間当りの整流子摩耗量については、試料番号(2) 〜(5) では、０．０４〜０．０５(mm/100h) の値となり、無含浸ブラシの０．１２(mm/100h) に比べ、飛躍的に低減された。

金属粉末を含有させた試料番号(6)(7)の比較例(2)(3)においては、Ａｌ粉末を含有させた場合には、モータの効率が４１．２％と高い値を示したものの、Ｃｕ粉末を含有させた場合には、モータの効率が４０．７％と低い値を示した。しかし、１００時間当りのブラシ摩耗量、温度、摺動音については、いずれも上記実施例のような効果はみられなかった。また、この比較例(3) （試料番号(7))の結果から明らかなように、Ｃｕ粉末を含有するブラシは、モータの効率は下がるものの、本実施例の金属化合物Ｃｕ（ｅｄｔａ）が含浸されたブラシは、前述したように効果が顕著であることが証明された。

また、本実施例で作製したブラシ基材のブラシの回転部に接触する部分を除く周囲の表面の全面を厚さ１０μｍの銅皮膜を、銅の無電解メッキによって形成させた。

この銅皮膜を形成したブラシ基材に上記（本実施例）の方法で、同じ金属化合物を含浸させた。その結果、銅皮膜を形成したブラシ基材に対する金属化合物の含浸率は、上記の銅皮膜が無いブラシに比べて２割程度低い値となった。しかし、銅皮膜を形成したブラシ基材の場合には、浸漬時間を長くしたり浸漬温度を変化させたりするといった方法によって、銅皮膜が無いブラシに対する場合と同等の含浸率を得ることができた。

このようなブラシでは、ブラシ表面に電気良導性金属の皮膜による効果、すなわちブラシの温度上昇を抑制することができ、安定した整流を長期にわたって維持できる点で上記効果に寄与するものである。

電気掃除機など、モータを搭載する電気機械では、モータの規格等によって入力規制がある場合は、特に、モータ効率が高いことが要求される。本発明はそのようなモータに利用が可能である。さらに、ブラシの寿命も長く、摺動音を低減でき、経済的にも有益であり、モータの小型化にも寄与できる。

図１は、本発明の実施の形態に係るブラシを用いたモータの概略構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ ブラシ
２ 回転体
３ リード線
４ ブラシホルダー

Claims (8)

1. 導電性の回転体に押し当てられる電気機械用カーボンブラシであって、
   カーボンを少なくとも１成分として含む骨材とバインダとからなる素材をブラシ基材とし、
   水あるいは有機溶剤に可溶な金属化合物が上記電気機械用カーボンブラシに含有されていることを特徴とする電気機械用カーボンブラシ。
2. 請求項１に記載の電気機械用カーボンブラシであって、
   上記金属化合物の含有量が上記ブラシ基材に対して０．０５〜３０重量％であることを特徴とする電気機械用カーボンブラシ。
3. 請求項１又は２に記載の電気機械用カーボンブラシであって、
   上記金属化合物がイオン結合性化合物又は共有結合性化合物であることを特徴とする電気機械用カーボンブラシ。
4. 請求項３に記載の電気機械用カーボンブラシであって、
   上記金属化合物が金属錯化合物であることを特徴とする電気機械用カーボンブラシ。
5. 請求項４に記載の電気機械用カーボンブラシであって、
   上記金属錯化合物がキレート化合物であることを特徴とする電気機械用カーボンブラシ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電気機械用カーボンブラシであって、
   上記金属化合物に含まれる金属は長周期型元素周期表における３〜１４族かつ３〜５周期の金属であることを特徴とする電気機械用カーボンブラシ。
7. 請求項６に記載の電気機械用カーボンブラシであって、
   上記金属は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｇ，Ｓｎのいずれかであることを特徴とする電気機械用カーボンブラシ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の電気機械用カーボンブラシであって、
   上記電気機械用カーボンブラシの上記導電性の回転体と接触する面を除く当該カーボンブラシの表面の少なくとも１部分に電気良導性の金属皮膜が形成されていることを特徴とする電気機械用カーボンブラシ。

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