JP2007060861A - ブラシ付き回転電機及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 騒音低減化を図れるブラシ付き回転電機を得る。
【解決手段】 整流子１と接触する複数のブラシ２を備えている。複数のブラシ２は、造粒された黒鉛と銀の粒子との焼結体によって構成する。複数のブラシ２は、すべてのブラシ２の重量に対する銀の含有量が７０±５重量％である。しかも銀の焼結部２ｂがブラシ２全体に偏りなく分散している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ブラシ付き回転電機及びその製造方法に関するものである。

一般的なブラシ付き回転電機であるブラシ付き電動機では、図３に示すように、整流子１に１対のブラシ２を接触させて直流電源３より給電している。このような従来のブラシ付き回転電機においては、整流子１の表面に適度な酸化皮膜が形成されていることにより、ブラシ２と整流子１の摩耗寿命が延びることが一般に知られている。

しかし、整流子１の表面の温度や湿度などの条件によっては過剰な酸化皮膜が整流子１の表面に形成される場合がある。この場合には、過剰な酸化皮膜が抵抗となり、ブラシ２と整流子１との間における接触抵抗が増加する。この接触抵抗の増加は、ブラシを通して微少な電流が流れるときに発生する接触電圧降下を不安定化させる要因となる。この不安定化した接触電圧降下は、不安定な整流火花を発生する。そしてこの整流火花は、ブラシ騒音を発生させる。

最近、ブラシ付きモータの如きブラシ付き回転電機において、その使用状況に応じて低騒音化が強く要求される場合がある。

そこで本発明者らは、この要求に答える解決策を得るために、ブラシ２の構造について検討した。最近、一般的に使用されているブラシ２は、造粒された黒鉛と銀の如き金属の粒子とバインダー（例えばフェノール樹脂）を攪拌して焼結した焼結体によって構成されている（例えば、特許文献１参照。）。

図４は従来のブラシ２における断面の焼結状態を示す顕微鏡写真である。この写真の中、白い部分は銀からなる金属の焼結部、黒の部分は黒鉛の焼結部、白と黒の中間色の部分はバインダーと黒鉛がミックスされた部分の焼結部である。従来、回転電機に使用されているブラシ２の場合、銀含有率は多くても質量比で約５０％であった。
特開平４−８１４５号公報

しかしながら、このような配合比率及び焼結構造の従来のブラシ２を用いたモータの騒音は、５０ｄＢ（Ａ）を超えるものが多かった。

本発明の目的は、従来のブラシ付き回転電機よりも騒音を低減化できるブラシ付き回転電機及びその製造方法を提供することにある。

黒鉛は銀に比べて軟質であるため、ブラシ２が整流子１に接触している状態がある程度続くと、黒鉛の焼結部が摩耗して銀の焼結部が露出し、該銀の焼結部が整流子１の表面の酸化皮膜を研磨して接触抵抗を減少させているものと予想される。しかし従来使用されているブラシでは、図４に示すように銀の焼結部の分散は一様とはいえず、不均等なものである。また従来のブラシの銀含有率では、銀の焼結部による酸化皮膜の研磨効果が低く、また銀の焼結部の分散割合が低い箇所が接触箇所になった場合には銀の焼結部による整流子１の表面の酸化皮膜の研磨効果が期待できない。そのために、回転電機の騒音低減化に限界があったものと考える。

そこで本発明では、整流子と接触する複数のブラシを備え、複数のブラシが造粒された黒鉛と金属の粒子との焼結体によって構成されているブラシ付き回転電機を次のように改良する。すなわち本発明のブラシ付き回転電機では、使用する複数のブラシとして、すべて、ブラシの重量に対する金属の含有量が７０±５重量％であり、しかも金属の焼結部がブラシ全体に偏りなく分散しているものを用いる。

このようなブラシをブラシ付き回転電機で使用する複数のブラシのすべてに用いると、ブラシ中における金属の焼結部の分散割合が従来に比べて多くなるために、使用中におけるすべてのブラシの先端部における金属の焼結部の露出数が増えるだけでなく、すべてのブラシの先端における金属の焼結部の露出割合を常時同様の状態に維持できる。その結果、本発明によれば、従来のブラシの先端部における金属の焼結部よりも多くの金属の焼結部が整流子の表面の酸化皮膜に食い込んで酸化皮膜を研磨し、接触抵抗を減少させた上で、不安定な整流火花の発生を抑制し、回転電機の騒音低減化を図ることができる。特に回転電機で使用するすべてのブラシが、上記条件を満たすことにより、ブラシから発生する騒音をバラツキなく且つ最も小さくすることができる。ブラシの重量に対する金属の含有量が７５重量％より多くなると、整流子表面が荒れ、騒音が多くなって好ましくない。またブラシの重量に対する金属の含有量が６５重量％より少ない場合には、整流子の表面に酸化皮膜が残る率が高くなり、整流子不良による騒音が増えて好ましくない。

使用する複数のブラシは、造粒された黒鉛と金属の粒子とを焼結してなる焼結母体から切り出されたものである。焼結母体は、金属の焼結部が表面側に偏って存在する表面部と、表面部の内側に位置して金属からなる複数の焼結部が偏りなく分散している芯部とを備えている。そこで本発明では、使用する複数のブラシとして、すべて芯部から切り出されたものを使用する。焼結母体の芯部では、全体的に金属の焼結部の含有率が高く、しかもブラシ全体に金属の焼結部が偏りなく分散しているため、この芯部から切り出したブラシであれば、本発明の条件を満たす。なお複数の金属の焼結部の大きさは、整流子の表面に形成される酸化皮膜の平均厚みが１０μｍ〜５０μｍになるように整流子の酸化皮膜を研削する能力を発揮する大きさをそれぞれ有しているのが好ましい。

金属は、導電率を考えると、金、銀または銅のいずれかであることが好ましい。これらの金属は導電率が高く、しかも黒鉛よりも硬いので、黒鉛の摩耗により露出し易く、整流子表面の酸化皮膜の研磨を容易に行わせることができる。

金属として銀を用いると、研磨能力が高いブラシを妥当な価格で得ることができるので、回転電機の価格を下げることができる。

また本発明は、整流子と接触する複数のブラシを、すべて造粒された黒鉛と金属の粒子との焼結体によって形成してなるブラシ付き回転電機の製造方法を改良の対象とする。

本発明のブラシ付き回転電機の製造方法では、複数のブラシを、該ブラシの重量に対する金属の含有量が７０±５重量％になる配合比で造粒された黒鉛と金属の粒子とを混合して混合物を作る工程と、該混合物を所定の形状に焼結して焼結母体を造る工程と、焼結母体から金属の焼結部が表面側に偏って存在する表面部を除くことにより残った、金属の焼結部が偏りなく分散している芯部から焼結体の原材料を切り出す工程と、原材料を所定の形状に仕上げる工程とからすべて形成することを特徴とする。

このようなブラシ付き回転電機の製造方法によれば、すべてのブラシについて、全体的に金属の焼結部の含有率が高く、しかもブラシ全体に金属の焼結部が偏りなく分散しているものを、安定的に容易に製造することができる。

この場合、金属が銀で、該銀の粒子として、アンダー２００メッシュの（２００メッシュの篩を通過する）粒子径寸法を有するものを用いると、良好に整流子表面の酸化皮膜の研磨を行うことができるブラシの製造を行うことができる。

また銀の粒子は、平均粒子径寸法が５０μｍ〜２００μｍであると、良好に整流子表面の酸化皮膜の研磨を行うことができるブラシの製造を行うことができる。

本発明のブラシ付き回転電機では、複数のブラシが、すべて、ブラシの重量に対する金属の含有量が７０±５重量％で、しかも金属の焼結部がブラシ全体に偏りなく分散しているので、回転電機のすべてのブラシについて金属の焼結部の分散割合が従来に比べて多くなり、しかも金属の焼結部がブラシ全体に偏りなく分散しており、使用中にすべてのブラシの先端での金属の焼結部の露出数が増え、これらが整流子の表面の酸化皮膜に食い込んで酸化皮膜を研磨し、接触抵抗を減少させ、不安定な整流火花の発生を抑制し、回転電機の騒音低減化を図ることができる。

本発明のブラシ付き回転電機の製造方法では、全体的に金属の焼結部の含有率が高く、しかもブラシ全体に金属の焼結部が偏りなく分散しているブラシを備えた回転電機を、安定的に容易に製造することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、本発明に係るブラシ付き回転電機の一種であるブラシ付きモータについて説明する。このブラシ付きモータでは、図３に示しものと同様に、整流子１と接触する複数（本例では、１対）のブラシ２を備えている。これらブラシ２が、造粒された黒鉛と金属の粒子との焼結体によって構成されている点も、従来と同様である。

本例のブラシ付きモータで使用する１対のブラシ２は、すべて、ブラシ２の重量に対する金属の含有量が７０±５重量％であり、しかも金属の焼結部がブラシ全体に偏りなく分散している。金属は本例では銀であって、複数の銀の焼結部の大きさは、整流子１の表面に形成される酸化皮膜の平均厚みが１０μｍ〜５０μｍになるように整流子１の酸化皮膜を研削する能力を発揮する大きさをそれぞれ有している。

このような１対のブラシ２は、造粒された黒鉛と銀の粒子とを焼結してなる焼結母体から切り出されたものである。この焼結母体は、銀の焼結部が表面側に偏って存在する表面部と、表面部の内側に位置して銀からなる複数の焼結部が偏りなく分散している芯部とを備えている。各ブラシ２は、すべて芯部から切り出されたものである。

図１は本例のブラシ付きモータで使用する、焼結母体の芯部から切り出されたブラシ２の断面の焼結状態を示す顕微鏡写真である。この写真の中、白い部分は銀からなる金属の焼結部、黒の部分は黒鉛の焼結部、白と黒の中間色の部分はバインダーと黒鉛がミックスされた部分の焼結部である。この写真から明らかなように、本実施の形態で使用するブラシでは、銀の焼結部の分散割合が図４に示した従来のブラシに比べて多い。また銀の焼結部がブラシ全体に偏りなく分散している。

本例のブラシ付きモータでは、１対のブラシ２が、すべて該ブラシ２の重量に対する銀の含有量が７０±５重量％で、しかも銀の焼結部がブラシ全体に偏りなく分散しているので、モータのすべてのブラシ２について銀の焼結部の分散割合が従来に比べて多くなり、しかも銀の焼結部がブラシ全体に偏りなく分散している。それゆえ、図２に模式的に示すように、このブラシ２を整流子１に接触させて使用した場合、ブラシ２は整流子１を構成する整流子本体１ａの表面の酸化皮膜１ｂに接触して給電する。このような使用状態で、ブラシ２を構成している相対的に軟質の黒鉛の焼結部２ａが摩耗して相対的に硬質の銀の焼結部２ｂが複数露出する。露出した各銀の焼結部２ｂは整流子１の酸化皮膜１ｂに食い込んで該酸化皮膜１ｂを研磨する。これにより、ブラシ２の整流子１に対する接触抵抗が減少し、不安定な整流火花の発生を抑制し、ブラシ付きモータの騒音低減化を図ることができる。

ブラシ付きモータで使用するすべてのブラシ２がこのような条件を満たすと、使用するブラシ２から発生するブラシ騒音を最小のものとすることができ、ブラシ付きモータの騒音低減化を容易に図ることができる。

騒音レベルについて、従来のブラシを用いたブラシ付きモータと、本例のブラシを用いたブラシ付きモータとについて比較実験を行ったところ、下記のような結果が得られた。

従来ブラシの銀含有率質量比 ：５０％
従来ブラシを用いた直流モータのブラシ騒音レベル ：５２ｄＢ（Ａ）
本例のブラシの銀含有率質量比 ：７０％
本例のブラシを用いた直流モータのブラシ騒音レベル：３９ｄＢ（Ａ）
この実験により、質量比銀含有率７０％付近が最も騒音が低減化できる範囲であることが確認された。なおブラシ２の重量に対する銀の含有量が７５重量％より多くすると、整流子表面が荒れ、騒音が多くなること、またブラシ２の重量に対する銀の含有量が６５重量％より少なくすると、整流子１の表面に酸化皮膜が残る率が高くなって、整流子不良による騒音が増えることが、試験により確認されている。したがって、後述する数値範囲は、臨界的な意味を有するものである。

銀は導電率が高く、しかも黒鉛よりも硬いので、黒鉛の摩耗により露出し易くなり、整流子表面の酸化皮膜１ｂの研磨を容易に行うことができる。

次に、ブラシ付きモータの製造方法の特徴点である各ブラシ２の製造方法について、説明する。

本例における各ブラシ２の製造方法の一例は、次のとおりである。

まず、ブラシ２の重量に対する銀の含有量が７０±５重量％になる配合比で造粒された黒鉛と銀の粒子とを混合して混合物を作る。銀の粒子として，アンダー２００メッシュの（２００メッシュの篩を通過する）粒子径寸法を有するものを用いる。なお銀の粒子は、平均粒子径寸法が５０μｍ〜２００μｍであると、良好に整流子１の表面の酸化皮膜１ｂの研磨を行うことができるブラシ２の製造を行うことができる。造粒された黒鉛の粒子は、アンダー１００〜２００メッシュの（１００〜２００メッシュの篩を通過する）粒子径寸法を有するものを用いる。

次に、該混合物を所定の形状に焼結して焼結母体を造る。焼結母体を焼成する際の焼成温度は、約８００℃であった。

次に、該焼結母体から銀の焼結部が表面側に偏って存在する表面部を除くことにより残った、銀の焼結部が偏りなく分散している芯部から焼結体の原材料を切り出す。

しかる後、得られた原材料を所定のブラシ形状に仕上げてブラシ２を得る。

このようにして、総てのブラシ２を同様にして製造する。

このようなブラシ付きモータの製造方法によれば、モータが必要とするすべて（本例では、１対）のブラシ２について、全体的に銀の焼結部２ｂの含有率が高く、しかもブラシ２の全体に銀の焼結部２ｂが偏りなく分散しているものを、安定的に容易に製造することができる。

上記例では、金属として銀を用いた例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、金または銅等も用いることができる。この場合も、含有量は銀と同じでよい。

また、ブラシ付き回転電機として、ブラシ付きモータについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えばタコメータジェネレータ付き直流モータ等にも適用することができる。この場合に、モータ部とタコメータジェネレータ部のぞれぞれの複数のブラシを、すべて上述のブラシ２と同じ性能を有するものを用いると、ブラシ騒音を大幅に低減化することができ、モータの商品価値を向上させることができる。また発電機にも本発明を適用できるのは勿論である。

本発明のブラシ付きモータで、焼結母体の芯部から切り出されたブラシの断面の焼結状態を示す顕微鏡写真である。 本発明で用いるのブラシを整流子に接触させて使用した状態を示す拡大断面図である。 ブラシ付きモータでブラシを整流子に接触させた状態を示す説明図である。 従来のブラシ付きモータで、ブラシの断面の焼結状態を示す顕微鏡写真である。

符号の説明

１ 整流子
１ａ 整流子本体
１ｂ 酸化皮膜
２ ブラシ
２ａ 黒鉛の焼結部
２ｂ 銀の焼結部
３ 直流電源

Claims (7)

1. 整流子と接触する複数のブラシを備え、前記複数のブラシが造粒された黒鉛と金属の粒子との焼結体によって構成されているブラシ付き回転電機であって、
   前記複数のブラシは、すべて前記ブラシの重量に対する前記金属の含有量が７０±５重量％であり、しかも前記金属の焼結部が前記ブラシ全体に偏りなく分散していることを特徴とするブラシ付き回転電機。
2. 前記複数のブラシは、前記造粒された黒鉛と前記金属の粒子とを焼結してなる焼結母体から切り出されたものであり、
   前記焼結母体は、前記金属の焼結部が表面側に偏って存在する表面部と、前記表面部の内側に位置して前記金属からなる複数の焼結部が偏りなく分散している芯部とを備えており、
   前記複数のブラシは、すべて前記芯部から切り出されたものであることを特徴とする請求項１に記載のブラシ付き回転電機。
3. 前記金属は、金、銀または銅のいずれかである請求項１または２に記載のブラシ付き回転電機。
4. 前記金属は銀であり、
   前記銀の前記複数の焼結部は、前記整流子の表面に形成される酸化皮膜の平均厚みが１０μｍ〜５０μｍになるように前記酸化皮膜を研削する能力を発揮する大きさをそれぞれ有している請求項１に記載のブラシ付き回転電機。
5. 整流子と接触する複数のブラシを、すべて造粒された黒鉛と金属の粒子との焼結体によって形成してなるブラシ付き回転電機の製造方法であって、
   前記複数のブラシを、前記ブラシの重量に対する前記金属の含有量が７０±５重量％になる配合比で前記造粒された黒鉛と前記金属の粒子とを混合して混合物を作る工程と、該混合物を所定の形状に焼結して焼結母体を造る工程と、前記焼結母体から前記金属の焼結部が表面側に偏って存在する表面部を除くことにより残った、前記金属の焼結部が偏りなく分散している芯部から前記焼結体の原材料を切り出す工程と、前記原材料を所定の形状に仕上げる工程とからすべて形成することを特徴とするブラシ付き回転電機の製造方法。
6. 前記金属は銀であり、
   前記銀の粒子として，アンダー２００メッシュの粒子径寸法を有するものを用いることを特徴とする請求項５に記載のブラシ付き回転電機の製造方法。
7. 前記銀の粒子は、平均粒子径寸法が５０μｍ〜２００μｍである請求項６に記載のブラシ付き回転電機の製造方法。