JP2006345593A

JP2006345593A - 積層樹脂ブラシ

Info

Publication number: JP2006345593A
Application number: JP2005166501A
Authority: JP
Inventors: Noriteru Maeda; 憲輝前田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: JP4802558B2

Abstract

【課題】高電圧ブラシ付きモータにおいて、ブラシ磨耗の原因である短絡子片間に働く逆起電力の発生が大きくなり、高抵抗ブラシでも整流性能が改善できず、ブラシ損失（抵抗損失＋発熱損失＋摺動損）が大きくなり、高効率、長寿命を実現することができなかった。
【解決手段】本発明の積層樹脂ブラシ1は、高抵抗部２の層とカーボンナノチューブやカーボンファイバーを含有させ形成した低抵抗部３の層とピグテール線４から構成し、各抵抗層の積層幅を整流子片間の幅以下に積層したことを特徴とすることにより、ブラシ付きモータの高効率、長寿命を行うことができた。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、電動送風機などに利用されるブラシ付き電動機に関し、特にそれらの電動機に使用される回転電機用積層樹脂ブラシに関する。

近年のブラシ付き電動機は、それが利用される電動送風機などの製品がより高速化、高効率化、高電圧化を図って小型軽量化が一層進んでいる。ところで、この種の電動機は、低抵抗ブラシを用いると整流性能が悪くなり、逆に高抵抗ブラシを用いると整流性能は良くなるが、抵抗損失により効率が低下し、電動機の出力が得られない課題がある。

特に高電圧電動機に用いられるブラシは、電流密度が高いために、スパーク（接点火花）が発生しやすく、そのためブラシ摩耗も増加して騒音を発生し、製品寿命（耐久性）が短くなっているのが現状である。

そこで、騒音低減特性に重要な要素である摩擦係数と、出力特性に重要な要素である低抗率を低減させるために、金属黒鉛質ブラシの製造において、特定量の天然黒鉛紛と、電解銅粉と、添加剤としての二硫化モリブデンおよびノボラック型フェノール樹脂、フルフラール樹脂等を特定割合で混合して成形した金属黒鉛質ブラシが提案されている（特許文献１参照）。

しかし、高速、高効率化に伴い、これらを解決するためには、ブラシ素材の性能向上だけでは限界があるため、ブラシの構造を工夫して対応している。その一つとしてブラシ単体の形態から積層ブラシで解決している（特許文献２参照）。

この種の積層ブラシは、低抵抗のブラシ材料と高抵抗のブラシ材料を２分割又は３分割に積層して、モータの出力向上とブラシの耐久性を図っている。

図４は特許文献２の積層ブラシが使用されている模式図である。そして、高抵抗層１２と低抵抗層１３から構成されるブラシ１１が、整流子１５片上を方向１７に摺動したとき、ブラシ内部を通過して短絡電流１６が流れる。特に、低抵抗層１３が整流子間に存在する場合、ブラシ抵抗が低いためにスパークが発生してブラシの磨耗、耐久性に問題が発生する。
特開平０７−２１３０２２号公報特公平０６−００７５０５号公報

このように、従来の積層ブラシにおいても電動機を長時間運転していると整流子表面が黒化して、時間の経過にしたがってスパークを十分に抑制することはできず、ブラシ磨耗が発生して結果的に耐久性に影響を及ぼす。

すなわち、図４のように当該積層ブラシの全体の厚みを５ｍｍ、各層の厚みＡを１．２５ｍｍの４相構造とし、当該積層ブラシが用いられる電動モータに設けられた整流子片間の幅Ｂを０．５５ｍｍとした場合、Ａ＞Ｂになり、ブラシ内部を通過して短絡電流が流れ、積層ブラシと整流子片間におけるスパーク現象が発生する。

本発明は、ブラシ材料の最適化とブラシの構造によって上記課題を解決すること目的とする積層樹脂ブラシである。

本発明の積層樹脂ブラシは、エポキシ樹脂を主成分とした高抵抗層の積層体と、カーボンナノチューブおよびエポキシ樹脂を主成分とした低抵抗層の積層体とを、交互に少なくとも４層以上に積層したことにより、積層樹脂ブラシの寿命を向上させ、さらにモータの整流子の磨耗を低減できる。

また、本発明の積層樹脂ブラシは、エポキシ樹脂を主成分とした高抵抗層の積層体とカーボンナノチューブを主成分とした低抵抗層の積層体とを交互に少なくとも４層以上に積層した積層樹脂ブラシであって、当該積層樹脂ブラシの各層の厚み（Ａ）が、当該積層樹脂ブラシが用いられる電動モータに設けられた整流子片間の幅（Ｂ）との関係において、Ａ＜Ｂとすることにより、積層樹脂ブラシと整流子片間におけるスパーク現象を低減することができる。

本発明の積層樹脂ブラシは、高抵抗層と低抵抗層とを交互に多数積層させ、また、整流子間に発生する逆起電力に伴う電流を遮蔽する構造にすることにより、スパーク現象を低減することができるために、効率を低下させることがなく、ブラシ寿命および整流子の磨耗を改善することができる。

本発明の積層樹脂ブラシは、エポキシ樹脂を主成分とした高抵抗層の積層体と、カーボンナノチューブおよびエポキシ樹脂を主成分とした低抵抗層の積層体とを、交互に少なくとも４層以上に積層したことを特徴とする積層樹脂ブラシである。この構成により、積層樹脂ブラシの寿命を向上させ、さらにモータの整流子の磨耗を低減できる。

さらに、エポキシ樹脂を主成分とした高抵抗層の積層体とカーボンナノチューブを主成分とした低抵抗層の積層体とを交互に少なくとも４層以上に積層した積層樹脂ブラシであって、当該積層樹脂ブラシの各層の厚み（Ａ）が、当該積層樹脂ブラシが用いられる電動モータに設けられた整流子片間の幅（Ｂ）との関係において、Ａ＜Ｂとすることにより、積層樹脂ブラシとモータの整流子片間におけるスパーク現象を低減できる。

また、上記低抵抗層と高抵抗層には、固体潤滑剤として二硫化モリブデンを含有することにより、高温時の摺動特性が改善されブラシ寿命に効果がある。

以下、本発明の実施例を説明する。

（実施例１）
平均径が５００ｎｍのカーボンナノチューブ5重量％及び黒鉛35％、エポキシ樹脂６０重量％を混練、乾燥、粉砕して平均粒径が１５０μｍの樹脂混合粉を得た。この樹脂混合黒鉛粉に二硫化モリブデンを３重量％に秤量し、これらを混合機で１時間二次混合して低抵抗部混合粉を得た。

低抵抗部混合粉を所定の金型に充填し、１８０℃、１００ＭＰａの圧力で成形（加熱圧縮成形）し、厚み０．４ｍｍに成形した。さらにこの各成形体表面に熱硬化型接着剤（エポキシ樹脂１００％）を塗布し、接着層を０．１ｍｍ形成し、低抵抗部を接着層により交互に張り合わせを行い、２３０℃で硬化を行った。この接着層を高抵抗層としての役割を果たすようにした。そして所定の位置にピグテール線を設置した後次いで層数２０層の積層樹脂ブラシが３２ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ５ｍｍの寸法になるように外形を機械加工した（以下の実施例及び比較例についても同様の寸法のブラシを得た）。

（実施例２）
平均粒径が１００μｍの人造黒鉛２０重量％及びエポキシ樹脂８０重量％を混練、乾燥、粉砕して平均粒径が１５０μｍの樹脂混合黒鉛粉を得た。樹脂混合黒鉛粉に平均粒径が５μｍの二硫化モリブデンを３重量％加え、これらを混合機で１時間二次混合して高抵抗部混合粉を得た。

平均径が５００ｎｍのカーボンナノチューブ４０重量％及びエポキシ樹脂６０重量％を混練、乾燥、粉砕して平均粒径が１５０μｍの樹脂混合粉を得た。樹脂混合黒鉛粉及び平均粒径が５μｍの二硫化モリブデンを３重量％に秤量し、これらを混合機で１時間二次混合して低抵抗部混合粉を得た。

次に、所望するブラシの形状に合わせ、粉体成形金型に上記で得た高抵抗部混合粉及び低抵抗部混合粉を所定の位置に別々に充填し、さらに所定の位置にピグテール線を設置した後常温、１５０ＭＰａの圧力で成形（冷間圧縮成形）した後、２３０℃で焼成した。各形成層は、０．４ｍｍの厚みとした。次いで層数１２層の積層樹脂ブラシが３２ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ５ｍｍの寸法になるように外形を機械加工した。

（実施例３）
平均粒径が１００μｍの人造黒鉛２０重量％及びエポキシ樹脂８０重量％を混練、乾燥、粉砕して平均粒径が１５０μｍの樹脂混合黒鉛粉を得た。樹脂混合黒鉛粉及び平均粒径が５μｍの二硫化モリブデンを３重量％に秤量し、これらを混合機で１時間二次混合して高抵抗部混合粉を得た。

次に、所望するブラシの形状に合わせ、粉体成形金型に上記で得た高抵抗部混合粉及び低抵抗部混合粉を所定の位置に別々に充填し、さらに所定の位置にピグテール線を設置した後１８０℃、１００ＭＰａの圧力で成形（加熱圧縮成形）し、還元性雰囲気中２３０℃で焼成した。次いで層数１２層の積層樹脂ブラシが３２ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ５ｍｍの寸法になるように外形を機械加工した。

実施例１〜３において、図１のように高抵抗層２と低抵抗層３およびピグテール線４から構成される積層樹脂ブラシ１を製造した。図２は本発明の積層ブラシが使用されている模式図である。高抵抗層２と低抵抗層３から構成されるブラシ１が、整流子５片上を方向７に摺動したとき、ブラシ内部を通過して微弱ながら短絡電流が６が流れる状況を示している。

なお、通常は実施例２のように冷間圧縮成形を実施しているが、実施例１または３のように加熱加圧法により上記積層樹脂ブラシを成形することによって、カーボンナノチューブの配向性を整える効果があり、整流性能を損なうことなく、効率を向上させることができる。

（比較例１）
図３に示すように、平均粒径が１００μｍの人造黒鉛８４重量％及びエポキシ樹脂１６重量％を混練、乾燥、粉砕して平均粒径が１５０μｍの樹脂混合黒鉛粉を得た。次に、所望するブラシの形状に合わせ、粉体成形金型に上記で得た混合粉を所定の位置に充填し、さらに所定の位置にピグテール線４を設置した後、常温下２００ＭＰａの圧力で成形し、還元性雰囲気中２３０℃で焼成した。次いでブラシが３２ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ５ｍｍの寸法になるように外形を機械加工して単層ブラシ２０を得た。

次に、実施例１〜３で得られた積層樹脂ブラシ及び比較例１で得られた単層ブラシを用いて掃除機用ブロアモータの実機耐久試験（ブラシ寿命、出力劣化率、整流子摩耗）を行った。その結果を合わせて表１に示す。なお、各々の評価は下記の通りである。

また、掃除機用モータの実機耐久試験は、１００Ｖ、１３００Ｗのブロアモータを連続運転し、ブラシ寿命は、試験前寸法に対する試験後の寸法の差から算出し、効率は、初期効率で比較した。整流子摩耗は、上記の寿命試験前後の摩耗差から求めた値である。

表１に示されるように、試験結果において比較例と実施例３を比較すると、寿命は４８２時間に対し５３６時間で１１％増、効率は４８．３％に対し５０．１％で１．８％増、摩耗は１９０μｍに対し９０μｍで半分強減少となり寿命、出力効率、整流子の摩耗のすべての評価項目で性能が向上している。

実施例１および実施例２においても同様に、積層樹脂ブラシは比較例の単層ブラシよりもブラシ寿命が伸び、及び出力効率に優れ、また整流子の摩耗が少なく全て評価結果となっている。

なお、実施例１〜３において、摺動性を確保するためには、低抵抗層にカーボンナノチューブを含有させている。これらのカーボンチューブの繊維径においては効率向上や機械的強度向上の点で平均径が０．１μｍ以下を用いることが好ましい。

更に、図２に示すように積層樹脂ブラシの各層の厚みＡ（０．４ｍｍ）が、当該積層樹脂ブラシが用いられる電動モータに設けられた整流子片間の幅Ｂ（０．５５ｍｍ）との関係において、Ａ＜Ｂとすることにより、短絡電流を抑えることができるので積層樹脂ブラシとモータの整流子片間におけるスパーク現象を低減できる。

更に、高温時の摺動特性を改善するために固体潤滑剤としては、二硫化モリブデンの他に、二硫化タングステン等を用いてもよい。

更に、バインダーとしての樹脂は、エポキシ樹脂を用いても良いが、フェノール樹脂を用いてもよい。

更に、図２に示すように、ピグテール線４の取り付け方向は、整流突入面方向７から垂直に取り付けた方が、整流性能を向上させることができる。これは、各層間に等しく電流が流れるためには必要である。

本発明の積層樹脂ブラシは、耐摩耗性に優れ、ブラシの寿命が向上するのと合わせ、モータの整流子の寿命も向上することができ、電動送風機や自動車用電動機などの幅広いブラシ付きモータに利用できる。

本発明の一実施例における積層樹脂ブラシの斜視図同積層樹脂ブラシと整流子片幅の模式図同積層樹脂ブラシの実機耐久試験に用いる比較例としての単層ブラシの斜視図従来の積層ブラシと整流子片幅の模式図

符号の説明

１積層樹脂ブラシ
２高抵抗部
３低抵抗部
４ピグテール線
５整流子片
６短絡電流
７整流子回転方向
Ａブラシ各層の幅
Ｂ整流子片間の幅

Claims

エポキシ樹脂を主成分とした高抵抗層の積層体と、カーボンナノチューブおよびエポキシ樹脂を主成分とした低抵抗層の積層体とを、交互に少なくとも４層以上に積層したことを特徴とする積層樹脂ブラシ。
エポキシ樹脂を主成分とした高抵抗層の積層体とカーボンナノチューブを主成分とした低抵抗層の積層体とを交互に少なくとも４層以上に積層した積層樹脂ブラシであって、当該積層樹脂ブラシの各層の厚み（Ａ）が、当該積層樹脂ブラシが用いられる電動モータに設けられた整流子片間の幅（Ｂ）との関係において、Ａ＜Ｂとなることを特徴とする積層樹脂ブラシ。
上記低抵抗層と高抵抗層には、固体潤滑剤として二硫化モリブデンが含有されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の積層樹脂ブラシ。