JP2006187190A - ブラシ、整流子及び整流機構 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流電動機における整流子5は、ブラシ4と接触する整流子片6を複数有しており、各整流子片6は、低抵抗材料からなる低抵抗層61と、低抵抗材料よりも固有抵抗値が高い高抵抗材料からなる高抵抗層62とからなる。低抵抗材料は、カーボン材料及びバインダを含有してなり、高抵抗材料は、カーボン材料、バインダ及び無機物質としての窒化ホウ素(BN)を含有してなる。高抵抗材料の全量に対する窒化ホウ素の混合割合は、20wt%より多くなっている。
【選択図】図2
Description
上記ブラシと整流子との圧接の際には、ブラシと各整流片とが断続的な接触を繰り返しており、これらの間には、接触による機械的な磨耗だけでなく、通電の断続による電気的な磨耗も生じる。この電気的な磨耗は、ブラシと各整流片との接触状態が断続するときに生じる放電現象に起因している。
そのため、ブラシ又は整流子の整流性(整流特性)及び耐久性を一層向上させるためには十分ではなかった。
しかしながら、特許文献2の電刷子は、単層からなり、上記と同様に、整流性(整流特性)及び耐久性を一層向上させるためには十分ではなかった。
該ブラシは、低抵抗材料からなる低抵抗層と、上記低抵抗材料よりも固有抵抗値が高い高抵抗材料からなる高抵抗層とを有しており、
上記高抵抗材料は、その全量に対して、上記低抵抗材料よりも固有抵抗値が高い無機物質を20wt%より多く含有していることを特徴とするブラシにある(請求項1)。
そして、ブラシに対抗する整流子片が、第1整流子片からこれに隣接する第2整流子片へと移行するときには、ブラシの低抵抗層が第2整流子片と対向すると共にブラシの高抵抗層が第1整流子片とわずかな面積で対向する。
上記整流子片は、低抵抗材料からなる低抵抗層と、上記低抵抗材料よりも固有抵抗値が高い高抵抗材料からなる高抵抗層とを有しており、
上記高抵抗材料は、その全量に対して、上記低抵抗材料よりも固有抵抗値が高い無機物質を20wt%より多く含有していることを特徴とする整流子にある(請求項8)。
そして、ブラシに対抗する整流子片が、第1整流子片からこれに隣接する第2整流子片へと移行するときには、ブラシは、第2整流子片の低抵抗層と対向すると共に第1整流子片の高抵抗層とわずかな面積で対向する。
上記第1、第2の発明において、上記高抵抗材料における上記無機物質の含有量が20wt%以下である場合には、高抵抗層の固有抵抗値を低抵抗層の固有抵抗値よりも十分に高くすることができず、上記整流性及び耐久性を向上させる効果が十分に得られないおそれがある。
また、高抵抗材料における無機物質の含有量が高くなりすぎると、高抵抗層の部分に絶縁物を設けたのと同様の結果になってしまうおそれがある。そのため、高抵抗材料における無機物質の含有量は90wt%以下であることが好ましいと考える。
この場合には、低抵抗材料及び高抵抗材料にカーボン材料を含有していることにより、ブラシ又は整流子の導通性(導電性)及び耐久性を一層向上させることができる。
上記カーボン材料としては、例えば、黒鉛等がある。また、上記バインダ(結合剤)としては、合成樹脂があり、例えば、フェノール樹脂等がある。
この場合には、低抵抗材料からなる低抵抗層の接触抵抗を低減させることができる。また、この接触抵抗を低減する効果は、特に上記ブラシ及び整流子を液体中で使用する場合に顕著である。また、この場合には、低抵抗層と高抵抗層との接触抵抗の差を大きくすることができ、回転電機における整流性を一層向上させることができる。
なお、銅メッキ被膜を有する黒鉛粒子とは、黒鉛粒子の表面を銅によってコーティングしてなるものをいう。
この場合には、ブラシ又は整流子の導通性と耐久性とをバランスよく向上させることができる。
上記無機物質としては、窒化ホウ素(BN)以外にも、例えば、二硫化モリブデン(MoS2)、二硫化タングステン(WS2)、鉱物(カオリン、タルク等)等がある。
この場合には、ブラシ又は整流子の導通性と耐久性とを一層バランスよく向上させることができる。
なお、上記混合原料に対する窒化ホウ素の含有量が65wt%未満の場合には、高抵抗層の固有抵抗値が低くなり、ブラシ又は整流子の整流性及び耐久性の向上度合が減少するおそれがある。また、上記混合原料に対する窒化ホウ素の含有量が85wt%を超える場合には、高抵抗層の固有抵抗値が高くなりすぎ、高抵抗層の部分に絶縁物を設けたのと同様の結果になってしまい、低抵抗層と高抵抗層との境界部において放電現象が発生してしまうおそれがある。
この場合には、特に上記ブラシ及び整流子を液体中で使用する場合に、使用時間の経過と共に高抵抗層の固有抵抗値が上昇してしまうことを効果的に抑制することができる。
また、気孔率とは、高抵抗層の体積全体中に占める気孔の体積の割合のことをいう。
また、高抵抗層の気孔率を小さくするためには、高抵抗層を成形する際の成形圧力を高くすることが有効である。
本発明の整流機構においては、硬度の高いカーボンファイバを含む黒鉛を整流子片に含有することにより、回転電機を動作させるときに、当該整流子片によって上記低抵抗層及び高抵抗層を有するブラシの表面を意図的に若干研削することができる。そのため、ブラシの表面をできるだけ平滑に保つことができ、ブラシと整流子片との間に発生する放電現象を一層効果的に抑制することができる。
なお、ブラシの表面に段差が生じると、このブラシが整流子片の表面を踊り、これらの寿命が低下するおそれがある。
本発明の整流機構においては、硬度の高いカーボンファイバを含む黒鉛をブラシに含有することにより、回転電機を動作させるときに、当該ブラシによって上記低抵抗層及び高抵抗層を有する整流子片の表面を意図的に若干研削することができる。そのため、整流子片の表面をできるだけ平滑に保つことができ、ブラシと整流子片との間に発生する放電現象を一層効果的に抑制することができる。
なお、整流子片の表面に段差が生じると、ブラシが整流子片の表面を踊り、これらの寿命が低下するおそれがある。
また、整流子片又はブラシの表面を平滑に保つためには、低抵抗層と高抵抗層との被削性(削られやすさ)をできるだけ近づけることが好ましい。
そして、黒鉛とカーボンファイバとの混合原料全量に対する上記カーボンファイバの含有量は、1〜10wt%とすることが好ましい。この場合には、カーボンファイバの含有量が最適であり、ブラシ又は整流子片の表面を一層容易に平滑に保つことができ、ブラシと整流子片との間に発生する放電現象を一層効果的に抑制することができる。
(実施例1)
本例は、図1〜図5に示すごとく、整流子5における複数の整流子片6を、低抵抗層61と高抵抗層62との2層の抵抗層から構成した例を示す。
すなわち、本例の整流子5は、ブラシ4と接触する整流子片6を複数有しており、各整流子片6は、低抵抗材料からなる低抵抗層61と、上記低抵抗材料よりも固有抵抗値が高い高抵抗材料からなる高抵抗層62とからなる。
以下に、本例を詳説する。
本例の高抵抗材料は、カーボン材料としての黒鉛等と窒化ホウ素との混合原料に、フェノール樹脂からなるバインダを添加してなる。また、混合原料に対する窒化ホウ素の含有量は、65〜85wt%となっている。また、本例の窒化ホウ素は、六方晶窒化ホウ素(h−BN)である。
本例のブラシ4を構成する材料は、カーボン材料としての黒鉛等に、フェノール樹脂からなるバインダを添加してなる。
図3に示すごとく、本例のブラシ4及び整流子5は、回転電機としての直流電動機1に用いるものである。この直流電動機1は、永久磁石又は界磁巻線を配設してなるステータ2と、複数の電機子巻線31を配設してなるロータ3とを有している。ステータ2側には、直流電流を通電するための一対のブラシ4が配設されており、ロータ3の回転軸32には、複数の整流子片6を有する整流子5が配設されている。また、各整流子片6は、ロータ3における各電機子巻線31に接続されている(図1、図2参照)。
また、各整流子片6と本体部51との間には、各整流子片6と導通されロータ3における各電機子巻線31を接続するための接続部材52が配設されている。
また、ブラシ4は、バネ45によって整流子5に圧接されている。そして、ブラシ4は、整流子5の軸方向Lからこの整流子5に接触するよう構成されている。
また、ブラシ4の回転方向Rにおける幅は、各整流子片6の回転方向Rにおける幅よりも小さくなっている。
以下に、上記整流子5を用いた直流電動機1を回転動作させる状態及び上記整流子5による作用効果につき詳説する。
なお、第1整流子片6A及び第2整流子片6Bは、すべての整流子片6のうちから説明のために便宜上用いたものであり、上記整流性及び耐久性の向上等の優れた作用効果は、いずれの整流子片6においても得ることができる。
また、上記窒化ホウ素を含有した高抵抗材料からなる高抵抗層62は、その気孔率が30%以下であることが好ましい。この場合には、特にブラシ4及び整流子5を液体中で使用する場合に、使用時間の経過と共に高抵抗層62の固有抵抗値が上昇してしまうことを効果的に抑制することができる(実施例8参照)。
本例は、図6、図7に示すごとく、一対のブラシ4を、低抵抗層41と高抵抗層42との2層の抵抗層から構成した例を示す。
すなわち、本例のブラシ4は、低抵抗材料からなる低抵抗層41と、上記低抵抗材料よりも固有抵抗値が高い高抵抗材料からなる高抵抗層42とからなる。
また、低抵抗材料は、カーボン材料及びバインダを含有してなり、高抵抗材料は、カーボン材料、バインダ及び無機物質としての窒化ホウ素(BN)を含有してなる。また、高抵抗材料の全量に対する窒化ホウ素の混合割合は、20wt%より多くなっている。
また、本例の整流子5は、単層の整流子片6を複数有してなる。
本例のブラシ4における低抵抗層41及び高抵抗層42をそれぞれ構成する低抵抗材料及び高抵抗材料は、上記実施例1に示した整流子片6における低抵抗層61及び高抵抗層62をそれぞれ構成する材料と同じである。また、本例の整流子片6を構成する材料は、上記実施例1に示したブラシ4を構成する材料と同じである。
以下に、本例のブラシ4を用いた直流電動機1を回転動作させる状態及び本例のブラシ4による作用効果につき詳説する。
なお、第1整流子片6A及び第2整流子片6Bは、すべての整流子片6のうちから説明のために便宜上用いたものである。
本例においても、その他の構成は上記実施例1と同様であり、上記実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
本例は、上記実施例1に示した整流子5、及び上記実施例2に示したブラシ4を製造する方法の一例を示す。
低抵抗層41、61と高抵抗層42、62との2層の抵抗層を備える各整流子片6又はブラシ4を製造する際には、以下のように、高抵抗材料を生成する。
本例は、上記ブラシ4又は整流子片6における高抵抗層42、62を構成する高抵抗材料における無機物質を選定した例を示す。
まず、上記高抵抗材料における無機物質として使用できる材料を選定するために、考えられる主要な候補材料の固有抵抗値(Ω・cm)、沸点(分解温度)(℃)、モース硬さ(1〜15の段階で硬さを示し、数値が大きい方が硬い。)について検討した。
同表においては、各候補材料の固有抵抗値、沸点及びモース硬さについて、使用に適していると考えられる場合を○とし、使用可能と考えられる場合を△とし、使用にあまり適さないと考えられる場合を×として評価した。
なお、同表において、(CF)nはフッ化カーボンを示す。
そして、候補材料を検討した結果、二硫化モリブデン(MoS2)、二硫化タングステン(WS2)、六方晶窒化ホウ素(h−BN)、カオリン、タルクが、上記無機物質として使用可能なことがわかった。
本例は、図8に示すごとく、MoS2、WS2、h−BN、カオリン又はタルクを含有する高抵抗材料を用いた高抵抗層62について、磨耗試験を行った例を示す。
この磨耗試験は、以下の試料1〜7の高抵抗材料からなる高抵抗層62を備えた整流子片6を複数有する整流子5を用いて行った。
試料2;WS295wt%とカーボン材料5wt%とを混合した混合粉末にバインダを含有してなる高抵抗材料。
試料3;h−BN65wt%とカーボン材料35wt%とを混合した混合粉末にバインダを含有してなる高抵抗材料。
試料4;h−BN75wt%とカーボン材料25wt%とを混合した混合粉末にバインダを含有してなる高抵抗材料。
試料5;カオリン75wt%とカーボン材料25wt%とを混合した混合粉末にバインダを含有してなる高抵抗材料。
試料6;タルク55wt%とカーボン材料45wt%とを混合した混合粉末にバインダを含有してなる高抵抗材料。
試料7;タルク75wt%とカーボン材料25wt%とを混合した混合粉末にバインダを含有してなる高抵抗材料。
また、各試料は、上記混合粉末100重量部に対して、バインダを15重量部添加してなる高抵抗材料とした。また、バインダは、ノボラック系フェノール樹脂とした。
同図において、試料3、4、5、7については、ブラシ磨耗速度が小さく、上記高抵抗材料における無機物質として用いることが特に適していることがわかった。一方、試料1、2、6については、ブラシ磨耗速度が比較的大きくなり、上記高抵抗材料における無機物質として用いる際には、何らかの工夫が必要であることがわかった。
本例は、図9〜図12に示すごとく、上記高抵抗材料における無機物質としての使用に適していると考えられるh−BNを使用し、このh−BNとカーボン材料との混合割合を変化させて成形した高抵抗層42、62について、固有抵抗値、比重、曲げ強度、硬度の各物性値について測定を行った。
本例の高抵抗層42、62には、h−BNとカーボン材料とを混合してなる混合原料100重量部に対して、バインダとしてのノボラック系フェノール樹脂を15重量部添加してなる高抵抗材料を用いた。また、h−BNの混合量は、45〜100wt%まで変化させ、例えば、h−BNが45wt%の場合は、55wt%がカーボン材料であることを示し、h−BNが100wt%の場合は、カーボン材料を使用していないことを示す。
上記各物性値を測定した結果を、図9〜図12に示す。
また、図10は、横軸に、h−BNの混合量(wt%)をとり、縦軸に、高抵抗層42、62の比重をとって、h−BNの混合量を変化させたときの高抵抗層42、62の比重の変化を測定した結果を示す。同図において、h−BNの混合量が増加すると、高抵抗層42、62の比重が減少することがわかる。
また、図12は、横軸に、h−BNの混合量(wt%)をとり、縦軸に、高抵抗層42、62の硬度(HsC)をとって、h−BNの混合量を変化させたときの高抵抗層42、62の硬度の変化を測定した結果を示す。同図において、h−BNの混合量が増加すると、高抵抗層42、62の硬度が増加することがわかる。
そして、ブラシ4と高抵抗層42、62との間に生ずる放電現象を抑制するためには、高抵抗層42、62の固有抵抗値の大きさが大きく影響しており、この固有抵抗値が適切な範囲になるようh−BNの混合量を決定することが好ましいことがわかった。そして、実際には、高抵抗層42、62の固有抵抗値は、20〜30万μΩ・cm(2〜3×10-3Ω・m)の範囲とすることが好ましいと考えられ、上記混合原料に対するh−BNの混合量は、65〜85wt%とすることが好ましいことがわかった。
本例は、上記ブラシ4又は整流子片6における低抵抗層41、61を構成する低抵抗材料を、銅メッキ被膜を有する黒鉛粒子から構成した場合の効果を確認した例である。
本例においては、複数の整流子片6を備えた整流子5と2つのブラシ4とを有する直流電動機(回転電機)を用い、これを空気中、及び液体としてのガソリン中において動作させたときのブラシ4と整流子5との間の接触抵抗を測定した。
また、比較のために、整流子片を構成する単層の低抵抗材料に単なる黒鉛粒子を用いた直流電動機(比較品)についても、上記接触抵抗(電圧値)の測定を行った。
なお、上記ブラシ4を低抵抗層41及び高抵抗層42から構成する場合でも、本例と同様の結果が得られると考える。
本例は、窒化ホウ素(BN)及び黒鉛にバインダを添加してなる高抵抗材料によって構成した高抵抗層62の気孔率を小さくしたことによる効果を確認するために、この高抵抗層62を形成するためのサンプルの気孔率(%)と固有抵抗値(%)との関係を調べた例である。
本例のサンプル(高抵抗層62)は、六方晶窒化ホウ素(h−BN)を75wt%含有し、残部が黒鉛からなる混合原料に、フェノール樹脂からなるバインダを添加してなるものである。また、本例においては、気孔率が互いに異なるサンプルを複数準備し、各サンプルをガソリン中に浸漬させ、各サンプルに0.1Aの電流を流しておき、浸漬時間の経過に伴ってサンプルの固有抵抗値がどれだけ変化したかを測定した。
図14は、本例の測定結果に基づいて、サンプル(高抵抗層62)の気孔率(%)を横軸にとり、ガソリン中に浸漬してから250時間経過した時点におけるサンプルの固有抵抗値の上昇率(%)を縦軸にとって、両者の関係を示したグラフである。同図において、気孔率が大きくなると固有抵抗値も大きくなることがわかる。
また、高抵抗層62の気孔率は、高抵抗層62を成形する際の成形圧力を高くすることによって容易に小さくすることができる。
本例は、上記低抵抗層61と高抵抗層62とから構成した整流子片6と接触するブラシ4を、カーボンファイバ(CF、炭素繊維)を含む黒鉛に、フェノール樹脂からなるバインダを添加して構成した場合の耐久性を確認した例である。
この耐久性の確認は、直流電動機(回転電機)の使用時間(Hr)の経過に対して、整流子片6の表面に生ずる凹凸量(mm)の変化を測定して行った。
また、整流子片6における低抵抗層61を構成する低抵抗材料は、黒鉛に、フェノール樹脂からなるバインダを添加してなる。また、整流子片6における高抵抗層62を構成する高抵抗材料は、六方晶窒化ホウ素(h−BN)を75wt%含有し、残部が黒鉛からなる混合原料に、フェノール樹脂からなるバインダを添加してなる。
同図において、発明品1〜3について、それぞれ2つのサンプルについて測定を行った。発明品1〜3について、時間の経過と共に凹凸量が増加したものの、極端な増加はなく、長時間使用しても整流子片6の表面をできるだけ平滑に保つことができることがわかった。
なお、カーボンファイバの含有量を多くしすぎると、整流子片6の表面を必要以上に研削してしまうと考えられるため、カーボンファイバの含有量は10wt%以下とすることが好ましい。
2 ステータ
3 ロータ
4 ブラシ
41 低抵抗層
42 高抵抗層
5 整流子
6 整流子片
61 低抵抗層
62 高抵抗層
Claims (14)
- 整流子における整流子片と接触するブラシであって、
該ブラシは、低抵抗材料からなる低抵抗層と、上記低抵抗材料よりも固有抵抗値が高い高抵抗材料からなる高抵抗層とを有しており、
上記高抵抗材料は、その全量に対して、上記低抵抗材料よりも固有抵抗値が高い無機物質を20wt%より多く含有していることを特徴とするブラシ。 - 請求項1において、上記低抵抗材料は、カーボン材料及びバインダを含有してなり、上記高抵抗材料は、カーボン材料、バインダ及び上記無機物質を含有してなることを特徴とするブラシ。
- 請求項1において、上記低抵抗材料は、銅メッキ被膜を有する黒鉛粒子を含有してなることを特徴とするブラシ。
- 請求項1〜3のいずれか一項において、上記無機物質は、窒化ホウ素であることを特徴とするブラシ。
- 請求項4において、上記高抵抗材料は、上記窒化ホウ素を65〜85wt%含有し残部がカーボン材料からなる混合原料に、バインダを添加してなることを特徴とするブラシ。
- 請求項4又は5において、上記窒化ホウ素を含有した上記高抵抗材料からなる上記高抵抗層は、その気孔率が30%以下であることを特徴とするブラシ。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載のブラシと、カーボンファイバを含む黒鉛を含有してなる整流子片とを備えたことを特徴とする整流機構。
- ブラシと接触する整流子片を複数有する整流子であって、
上記整流子片は、低抵抗材料からなる低抵抗層と、上記低抵抗材料よりも固有抵抗値が高い高抵抗材料からなる高抵抗層とを有しており、
上記高抵抗材料は、その全量に対して、上記低抵抗材料よりも固有抵抗値が高い無機物質を20wt%より多く含有していることを特徴とする整流子。 - 請求項8において、上記低抵抗材料は、カーボン材料及びバインダを含有してなり、上記高抵抗材料は、カーボン材料、バインダ及び上記無機物質を含有してなることを特徴とする整流子。
- 請求項8において、上記低抵抗材料は、銅メッキ被膜を有する黒鉛粒子を含有してなることを特徴とする整流子。
- 請求項8〜10のいずれか一項において、上記無機物質は、窒化ホウ素であることを特徴とする整流子。
- 請求項11において、上記高抵抗材料は、上記窒化ホウ素を65〜85wt%含有し残部がカーボン材料からなる混合原料に、バインダを添加してなることを特徴とする整流子。
- 請求項11又は12において、上記窒化ホウ素を含有した上記高抵抗材料からなる上記高抵抗層は、その気孔率が30%以下であることを特徴とする整流子。
- 請求項8〜13のいずれか一項に記載の整流子と、カーボンファイバを含む黒鉛を含有してなるブラシとを備えたことを特徴とする整流機構。
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