JP2007159283A

JP2007159283A - 樹脂結合質カーボンブラシ

Info

Publication number: JP2007159283A
Application number: JP2005351725A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Ohira; 雅彦大平; Toshiyuki Asai; 俊行浅井
Original assignee: Fuji Carbon Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Fuji Carbon Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】本発明は、上記した従来技術の様々な問題点を解決するものであって、ブラシの抵抗損と摩擦損及び温度上昇が小さくて整流性能に優れ、モータの高出力化、高回転化に寄与する樹脂結合質カーボンブラシを提供すること。
【解決手段】カーボンを主原料とする第一層部たるブラシ基材２と、高導電性金属を主原料とする第二層部３と、リード線５が埋設された高導電性金属を主原料とする第三層部４とからなる三層構造とされていて、その第二層部３と第三層部４とが連続するように設けられ、かつ、それらブラシ基材２、第二層部３及び第三層部４が一体成形により押し固められて焼成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型モータ（掃除機用モータ、電動工具用モータ、家電用モータ）等に用いられるカーボンを主原料とする樹脂結合質カーボンブラシに関する。

近年、電動モータの小型化、大容量化、高出力化に伴い、小型ながら高入力に耐え、長寿命でモータ出力或いはモータ効率を高めるカーボンブラシ（以下、「ブラシ」と称する）が求められている。それらの要求を満たすためには、ブラシ本体、付属品や接触部における電気抵抗による損失（抵抗損）とブラシと整流子又はスリップリングとの間の摩擦仕事による損失（摩擦損）を減少させ、加えて、ブラシ温度を低下させて良好な整流性能を保持し得るブラシを開発する必要がある。

従来の黒鉛粉末を、熱硬化性合成樹脂をバインダーとして樹脂の硬化温度で熱処理して造られる樹脂結合質のブラシは、整流時の短絡電流をブラシと整流子間の接触抵抗を大きくして滅殺すること（抵抗整流）により整流性能を向上することができた。しかし、接触抵抗を大きくすると、モータの出力低下や効率低下が避けられない。従って、接触抵抗が高いほど整流性能は向上するがモータの出力や効率は低下し、接触抵抗が低いほどモータの出力や効率は向上するが整流性能は低下する、という相反する問題がある。さらに、樹脂結合質のブラシは本質的に抵抗率が高く、抵抗損によるモータ効率の低下に加えて、抵抗発熱によるリード線やそれを固定するための銅粉の酸化及び結合材の熱劣化の問題点も生じていた。

これらの問題点を解決するために、整流子に接触するブラシから発生する火花を抑制するブラシとして、高抵抗部と低抵抗部を一体成形により構成した積層ブラシ（例えば、特許文献１）、抵抗損と摩擦損が小さくて整流性能の優れたブラシとして、ブラシに形成した貫通孔に導電性粉末を埋め込んで固めたブラシ（例えば、特許文献２）、ブラシの摺動する回転方向に対して平行方向に電気良導性の層を形成させたブラシ（例えば、特許文献３）、カーボンを主原料とするブラシ基材に対して、主電流の流れる方向の全長に渡って１〜２００μｍの厚さの金属箔もしくは直径０．０１〜０．２ｍｍの素線からなる金属網の高導電性金属層を導電性接着剤を介して接合させたブラシ（例えば、特許文献４）、ブラシ基材の表面に銅などの金属メッキを施したブラシ（例えば、特許文献５）が提案されている。
特開平４−４６５４６号公報特開平５−３８０９９号公報特開平６−８６５０８号公報特開平１０−２３７１７号公報特開２００２−５６９４４号公報

特許文献１による技術では、高抵抗部と低抵抗部が整流子の同一面上を摺動するために、低抵抗部の導電性粉末により整流子面を荒し、さらに、低抵抗部で生ずる摩耗粉が高抵抗部の摺動面に入り込むことによってブラシの摩耗量を増加させる。特許文献２による技術では、導電性粉末間の接触抵抗がブラシ抵抗率に影響する問題を生じる。しかして、ブラシの摩擦損を低減するためには導電性粉末を詰める孔径を小さくすることが望ましいが、孔径を小さくするには限界があり、摩擦損の低減に限界がある。特許文献３による技術では、ブラシの抵抗損を低下させ、モータ効率を向上することができるが、電気良導性層をブラシ基材で挟み込む構造としているために電気良導性層の位置と厚さ寸法を一定に管理することが難しく、量産化をすることに問題がある。特許文献４による技術では、ブラシの抵抗損と摩擦損を低下させ、モータ効率を向上することができるが、ブラシ基材と高導電性金属層を導電性接着剤で結合させる工程が複雑でコスト的に高価になる。また、特許文献５による技術では、メッキ膜の酸化の問題やメッキ後に生ずる廃液を処理しなければならないという不都合を伴う。

本発明は、上記した従来技術の様々な問題点を解決するものであって、ブラシの抵抗損と摩擦損及び温度上昇が小さくて整流性能に優れ、モータの高出力化、高回転化に寄与する樹脂結合質カーボンブラシを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、カーボンを主原料とする第一層部たるブラシ基材と、高導電性金属を主原料とする第二層部と、リード線が埋設された高導電性金属を主原料とする第三層部とからなる三層構造とされていて、その第二層部と第三層部とが連続するように設けられ、かつ、それらブラシ基材、第二層部及び第三層部が一体成形により押し固められて焼成されていることを特徴とする。

同様の目的を達成するために請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の樹脂結合質カーボンブラシにおいて、前記第二層部は、高導電性金属粉と、カーボン粉末をバインダーで造粒したものとを混合したものであって、その厚さを０．１〜１．０ｍｍの範囲とすることを特徴とするものである。

同様の目的を達成するために請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の樹脂結合質カーボンブラシにおいて、前記第三層部は、高導電性金属粉と、カーボン粉末をバインダーで造粒したものとを混合したものであることを特徴とするものである。

本発明によれば、ブラシの抵抗損や摩擦損が小さく、ブラシの温度上昇を抑制することができ、モータ効率を向上させることが可能である。ブラシ基材に対する第二層部の適切な配置構成により、整流子やスリップリングを損傷することなく、優れた整流性能と長寿命が得られる。さらに、第三層部はブラシとして摺動しない部分であるので安価な原料を使用して製造できることから、製品を安価に提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は第１実施形態例のブラシの説明図、図２は第２実施形態例のブラシの説明図である。

図１及び図２において、１は本発明に係る樹脂結合質カーボンブラシである。２はカーボンを主原料とする第一層部たるブラシ基材である。３は小型モータの整流子の軸方向と直交する方向（図１）又は整流子の軸方向と同一方向（図２）に加圧成型により接合された第二層部である。４はリード線５の埋め込み部から第二層部３に電流を流れやすくしリード線取付抵抗を低下させるために、第二層部３に連続するように設けられた第三層部である。５はブラシ基材２の摺動面２ａと反対側の第三層部４に銅粉により埋設されたリード線である。

第二層部３については、銀粉末、金粉末、銅粉末又は銀、金でメッキ処理した銅粉末と、合成樹脂をバインダーとして処理した黒鉛粉末が好ましく、重量比で金属粉末８０〜９５％に対し黒鉛粉末２０〜５％を混合したものが好ましい。第二層部３の厚さについては、０．１〜１．０ｍｍの範囲とするのが好適である。その理由は、厚さが薄くなるほどブラシの見掛抵抗率が低下しにくく、厚くなるほど整流子等の表面を傷つけやすくなって結果的にブラシ摩耗が大きくなり、さらに、焼成時に生ずるブラシ基材２と第二層部３との膨張差によってブラシ１が反ってしまうからである。なお、上記「見掛抵抗率」とは、二層又は三層構造のブラシの抵抗率のことをいう。

第三層部５については、銀粉末、銅粉末、アルミニウム粉末、鉄粉末又はニッケル粉末と、合成樹脂をバインダーとして処理した黒鉛粉末が好ましく、重量比で金属粉末８０〜９５％に対し黒鉛粉末２０〜５％を混合したものが好ましい。上記金属粉末の中でも銅粉は安価で導電性に優れている。

以下、本発明の好適な実施例を比較例と共に具体的に説明する。
平均粒径４０μｍの人造黒鉛粉８５重量％にバインダーとしてフェノール樹脂１５重量％を加えて混練し、これを乾燥後粉砕してブラシ基材用粉末Ａを得た。

平均粒径４０μｍの人造黒鉛粉４０重量％と平均粒径２０μｍの人造黒鉛粉４５重量％にバインダーとしてフェノール樹脂１５重量％を加えて混練し、これを乾燥後粉砕してブラシ基材用粉末Ｂを得た。

平均粒径４０μｍの人造黒鉛粉７０重量％と平均粒径１０μｍの人造黒鉛粉１５重量％にバインダーとしてフェノール樹脂１５重量％を加えて混練し、これを乾燥後粉砕してブラシ基材用粉末Ｃを得た。

平均粒径２０μｍの銀メッキ銅粉８０重量％にフェノール樹脂をバインダーとして処理した人造黒鉛粉２０重量％を加えて混合することにより第二層部用混合粉末Ｄを得た。

平均粒径４０μｍの銅粉９０重量％にフェノール樹脂をバインダーとして処理した人造黒鉛粉１０重量％を加えて混合することにより第三層部用混合粉末Ｅを得た。

（実施例１）
ブラシ基材用粉末Ａ、第二層部用混合粉末Ｄ及び第三層部用混合粉末Ｅを用いて、第二層部の厚さが０．１ｍｍとなるように、図１に示す形態に３ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、２２０℃で熱処理を施して樹脂結合質の供試ブラシを作製した。

（実施例２）
ブラシ基材用粉末Ａ、第二層部用混合粉末Ｄ及び第三層部用混合粉末Ｅを用いて、第二層部の厚さが０．３ｍｍとなるように、図１に示す形態に３ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、２２０℃で熱処理を施して樹脂結合質の供試ブラシを作製した。

（実施例３）
ブラシ基材用粉末Ａ、第二層部用混合粉末Ｄ及び第三層部用混合粉末Ｅを用いて、第二層部の厚さが０．５ｍｍとなるように、図１に示す形態に３ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、２２０℃で熱処理を施して樹脂結合質の供試ブラシを作製した。

（実施例４）
ブラシ基材用粉末Ａ、第二層部用混合粉末Ｄ及び第三層部用混合粉末Ｅを用いて、第二層部の厚さが０．８ｍｍとなるように、図１に示す形態に３ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、２２０℃で熱処理を施して樹脂結合質の供試ブラシを作製した。

（実施例５）
ブラシ基材用粉末Ａ、第二層部用混合粉末Ｄ及び第三層部用混合粉末Ｅを用いて、第二層部の厚さが１．０ｍｍとなるように、図１に示す形態に３ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、２２０℃で熱処理を施して樹脂結合質の供試ブラシを作製した。

（実施例６）
ブラシ基材用粉末Ａ、第二層部用混合粉末Ｄ及び第三層部用混合粉末Ｅを用いて、第二層部の厚さが０．１ｍｍとなるように、図２に示す形態に３ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、２２０℃で熱処理を施して樹脂結合質の供試ブラシを作製した。

（実施例７）
ブラシ基材用粉末Ａ、第二層部用混合粉末Ｄを用いて、第二層部の厚さが０．１ｍｍとなるように、図３に示す形態に３ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、２２０℃で熱処理を施して樹脂結合質の供試ブラシ１０を作製した。

（比較例１）
ブラシ基材用粉末Ａのみを用いて図４に示す形態に３ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、２２０℃で熱処理を施して樹脂結合質の供試ブラシ２０ａを作製した。

（実施例８）
ブラシ基材用粉末Ｂ、第二層部用混合粉末Ｄ及び第三層部用混合粉末Ｅを用いて、第二層部の厚さが０．５ｍｍとなるように、図１に示す形態に３ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、２２０℃で熱処理を施して樹脂結合質の供試ブラシを作製した。

（比較例２）
ブラシ基材用粉末Ｂのみを用いて図４に示す形態に３ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、２２０℃で熱処理を施して樹脂結合質の供試ブラシ２０ｂを作製した。

（実施例９）
ブラシ基材用粉末Ｃ、第二層部用混合粉末Ｄ及び第三層部用混合粉末Ｅを用いて、第二層部の厚さが０．５ｍｍとなるように、図１に示す形態に３ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、２２０℃で熱処理を施して樹脂結合質の供試ブラシを作製した。

（比較例３）
ブラシ基材用粉末Ｃのみを用いて図４に示す形態に３ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、２２０℃で熱処理を施して樹脂結合質の供試ブラシ２０ｃを作製した。

（ブラシ見掛抵抗率とリード線取付抵抗の測定）
上記構成になる供試ブラシについて、図５に示す測定方法により見掛抵抗率を測定し、ブラシとリード線取付部に生ずる電気抵抗であるリード線取付抵抗を炭素協会規格（ＪＣＡＳ−１２−１９８６）に記載された方法（図６を参照）に準じて測定した。その結果を表１に示す。

表１の結果から明らかなように、実施例１〜６，８及び９では見掛抵抗率、リード線取付抵抗共に比較例１〜３より低い値となることが確認された。実施例７では見掛抵抗率のみが比較例１〜３より低い値となることが確認された。

（ブラシ温度の測定）
電気掃除機用モータ（入力１．５ｋｗ、１００Ｖ、６０Ｈｚ）を３５分間運転し、停止直後にブラシの整流子を接触する面から３ｍｍ離れた位置で熱電対を用いてブラシ温度を測定した。その結果を表２に示す。

表２の結果から明らかなように、本発明の実施例のブラシでは、比較例と比べて１５℃〜２０℃の温度低下が確認された。

（モータ効率とブラシ寿命の測定）
モータ効率は、日本工業規格（ＪＩＳＣ９１０８−１９９２）に準じて電気掃除機用モータ（入力１．５ｋｗ、１００Ｖ、６０Ｈｚ）の入力と空気力学的動力（吸込仕事率）を測定し、それからモータ効率を以下に示す数式により算出した。ブラシ寿命試験は、前記と同じモータを使用して１００Ｖにて連続運転し、ブラシ摩耗率を測定した。その結果を表3に示す。

表３の結果から明らかなように、モータ効率に関して、実施例３では比較例１と比べ２．９％の向上、実施例８では比較例２と比べ２．５％の向上、実施例９では比較例３と比べ２．９％の向上が確認された。また、実施例１〜５を比べることにより第二層部の厚さが増加するに伴いモータ効率も向上することが確認された。実施例１では実施例７と比べ０．８％の向上が確認された、このことは、リード線５が埋設された第三層部４と、第二層部３とを連続するように設けることによりモータ効率が向上することを意味している。

ブラシ寿命に関しては、比較例１と実施例１〜５、比較例２と実施例８及び比較例３と実施例９のブラシ摩耗率はほぼ同じであった。このことは、第二層部が整流子等の相手部品の表面を傷めず、かつ、ブラシ基材の整流性能を低下させないことを意味している。しかし、第二層部の方向が異なる実施例６においては整流子等の相手部品を傷め、かつ整流性能を低下させたために摩耗率は増加した。

第１実施形態例のブラシの説明図第２実施形態例のブラシの説明図実施例７の供試ブラシの説明図比較例１〜３の供試ブラシの説明図電圧降下法によるブラシの抵抗率測定方法を示す説明図リード線取付抵抗の測定方法を示す説明図

符号の説明

１・・・ブラシ（樹脂結合質カーボンブラシ）
２・・・ブラシ基材
３・・・第二層部
４・・・第三層部
５・・・リード線

Claims

カーボンを主原料とする第一層部たるブラシ基材と、高導電性金属を主原料とする第二層部と、リード線が埋設された高導電性金属を主原料とする第三層部とからなる三層構造とされていて、その第二層部と第三層部とが連続するように設けられ、かつ、それらブラシ基材、第二層部及び第三層部が一体成形により押し固められて焼成されていることを特徴とする樹脂結合質カーボンブラシ。
前記第二層部は、高導電性金属粉と、カーボン粉末をバインダーで造粒したものとを混合したものであり、その厚さを０．１〜１．０ｍｍの範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の樹脂結合質カーボンブラシ。
前記第三層部は、高導電性金属粉と、カーボン粉末をバインダーで造粒したものとを混合したものであることを特徴とする請求項１に記載の樹脂結合質カーボンブラシ。