JP2021508914A - カーボンブラシ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、カーボンブラシに対して移動する接点構造、特に電気機械の整流子又は集電環に電気的に接続するためのカーボンブラシ及びカーボンブラシの製造方法に関する。カーボンブラシのブラシ本体は、原料混合物をプレスし硬化することにより得られる。原料混合物は、グラファイト粉末を硬化性樹脂及び添加剤と混合することにより得られる。添加剤としてグラフェンが用いられる。
【選択図】なし

Description

本発明は、カーボンブラシに対して移動する接点構造（接触構造体）、特に電気機械の整流子又は集電環（集電リング、スリップリング）に電気的に接続するためのカーボンブラシ及びその製造方法に関する。

一般に、カーボンブラシは、ブラシ本体又はピグテールが取り付けられたブラシ本体、減衰要素（制振部材）などからなる。ブラシ本体は、整流子又は集電環などの移動（可動）する接点構造に電気的に接続（接触）するための接触面を形成している。ブラシ本体を製造するには、グラファイト（黒鉛）粉末の形態のカーボン（炭素）を結合剤（バインダー）と混合し、それを圧縮成形法で処理してブラシ本体を形成する方法が知られている。結合剤としては樹脂が一般に用いられており、カーボンブラシの所望の物理的特性を設定するための添加剤として、固体潤滑剤や洗浄剤などの補助材料、さらには金属粉末を、グラファイト粉末及び樹脂で形成された原料（材料）混合物に添加できる。

特許文献１には、金属粉末をカーボン粉末及び熱可塑性結合剤で形成された混合粉末に添加し、その混合粉末を圧縮成形法で処理してブラシ本体を形成するカーボンブラシの製造方法が開示されている。従来のカーボン複合材料では、カーボンブラシの材料抵抗に影響を与えるために、金属粉末がカーボンに添加される。

結合剤として樹脂を用いれば、樹脂はブラシ本体のプレス成形体を熱処理する過程で炭化され、実質的に完全にカーボンに変化する。一方、樹脂を炭化又は熱分解せずに、単に樹脂を硬化させることも有利である。この場合、樹脂の良好な減摩特性によってカーボンブラシの耐用期間（寿命）を延ばすことができる。酸化銅及びブラシグリットで形成され、樹脂の一部を含有する中間層は、カーボンブラシ、即ちつまりブラシ本体の接触面と、接点構造つまり整流子又は集電環との間に規則的に形成される。この樹脂の一部によって電気遷移抵抗が増加し、整流が改善する。したがって、誘導短絡電流は、整流子の２つの隣接するスラットを介して中間層を２回通過する必要がある。

欧州特許出願公開第１７１３１４８号明細書

しかしながら、ブラシ本体の樹脂マトリクスは、樹脂の電気的特性によって、カーボンを含む（炭素質、カーボンで形成された）マトリクスに対して、ブラシ本体の比抵抗（固有抵抗）が大きくなる要因となる。マトリクス材料として、樹脂は導電した状態で互いに部分的にのみ接続されたグラファイト粉末の粒子を取り囲んでいる。このグラファイト粉末の粒子が樹脂マトリクス中で強固に固定されることで、カーボンブラシの耐用期間は長くなるが、火花が発生すると安定性は低下する。

したがって、本発明の目的は、樹脂マトリクスを含み比抵抗が低いカーボンブラシの製造方法及びカーボンブラシを提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴を備えた方法と、請求項１４の特徴を備えたカーボンブラシによって達成される。

本発明による、接点構造、特にカーボンブラシに対して移動する電気機械の整流子又は集電環、と電気的に接続するためのカーボンブラシの製造方法では、カーボンブラシのブラシ本体は、グラファイト粉末を硬化性樹脂及び添加剤と混合して得られた原料混合物をプレス（加圧、圧縮）して硬化することにより得られ、添加剤としてグラフェンが用いられる。

原料混合物は、例えば押出機によって得られる。例えば、マトリクス材料（母材）として機能する樹脂を硬化させることにより、ブラシ本体を形成するための原料混合物を硬化させる。

グラファイト粉末としては、天然グラファイト、人造（合成）グラファイト又は電気グラファイトを用いることができる。

グラフェンは、各炭素原子が１２０度の角度で他の３つの原子に囲まれた２次元構造を有する炭素（カーボン）を改質（変形）したものである。

層やその他のパラメータは、用途（適用される分野）に応じて広い範囲で選択される。特に、グラフェンの２次元構造によって、異なる種類の添加剤の比較的大きな３次元粒子を用いた場合のように、樹脂で充填されたグラファイト粉末の粒子間の隙間（空間）を拡大することなく、これらの空間を、少なくとも部分的にグラフェン粒子で橋渡し（架橋）することが可能になる。グラフェン粒子は、有利には、グラファイト粒子間の距離を拡大することなく、グラファイト粒子の周囲に０．１〜１μｍの厚さの樹脂層を分散させることができる。これにより、ブラシ本体の導電性が大幅に向上し、比抵抗を低減できる。また、樹脂相によって生じる摩擦への寄与が低減されるため、特にブラシからの騒音（ブラッシングノイズ）が低減される。さらに、このようにして得られたブラシ本体の機械的特性も大幅に向上する。

グラフェンを添加することによって、例えば、穴あけ加工や切削加工によってプレス加工又は機械加工を行うときに、ブラシ本体に割れが発生することを効果的に防止できる。その結果、ブラシ本体の安定性及び熱伝導率をさらに高めることができる。このように、ブラシ本体及びカーボンブラシの導電性を向上することに加えて、例えば、ブラシ本体の破損などのカーボンブラシの故障が動作（作動）時間中に起きる可能性を最小限にすることができる。火花が発生しても、耐用期間や摩耗への悪影響が少ないため、カーボンブラシの適用分野が拡大される。

カーボンブラシ及びブラシ本体は、樹脂の硬化とほぼ同時に得られる。硬化は５００℃以下の温度で行うことができる。これにより、樹脂の熱分解又は樹脂の炭素への変化が防止されるため、冒頭で説明した樹脂の優れた特性が維持される。したがって、樹脂の炭化又は熱分解は、本発明の方法の範囲では意図されていない。

ブラシ本体は、グラフェンを０．０１〜５重量％未満、好ましくは０．０１〜３重量％未満、特に好ましくは０．０１〜２重量％未満の割合で含有できる。驚くべきことに、この割合のグラフェンで、カーボンブラシの性能を大幅に向上できる。したがって、少量のグラフェンを原料混合物に添加するだけでよいため、カーボンブラシの性能向上を低コストで実現できる。

原料混合物は、有利には、主にグラファイト粉末で形成される。即ち、原料混合物は、グラファイトを、５０重量％を超える割合、好ましくは９０重量％を超える割合で含有できる。また、原料混合物は、固体潤滑剤、研磨剤、及び／又は金属粉末などの他の材料も含むことができる。これにより、カーボンブラシ及びブラシ本体の特性を、それぞれ所望の用途に適合させることができる。

樹脂は、液体（液状、液体樹脂）であってもよい。グラフェンは粒子状で液体樹脂に添加した後に、グラファイト粉末と混合してもよい（粒子状のグラフェンをグラファイト粉末と混合する前に液体樹脂に添加してもよい）。一般に、樹脂は、粉末状であってもよいが、グラフェンが液体樹脂と良好に混合できるため、樹脂が液体であることは特に有利である。

グラフェンは、粉末の一種である粒子状のものを用いることができ、この粒子は２次元構造を有する板状（プレート状）である。グラフェンの製造方法によっては、２次元構造のプレートが積層されていてもよく、積層されていなくてもよい。少なくとも、グラフェン粒子は球体（球状）を形成していない。

原料混合物は、液体樹脂を溶媒、好ましくはアセトンで希釈する場合、特に容易に得られる。熱処理によりプレス後又はプレス中に溶媒を除去でき、樹脂を硬化できる。溶媒で希釈することにより、特に均一な原料混合物が得られ、この原料混合物を例えば押出機で容易に加工できる。これにより、グラフェンは樹脂と特に良好に混合できる。樹脂は、熱処理によって溶媒が気化することで硬化され、原料混合物及びこのようにして実現されたブラシ本体から溶媒を除去できる。溶媒を熱処理又は気化する場合には、樹脂の硬化工程が開始されるような温度を選択できる。

これに代えて、樹脂は、固体であり、固体状の樹脂を溶媒で液化した樹脂（液体樹脂）であってもよい。この場合、粒子状のグラフェンをグラファイト粉末と混合する前に当該液体樹脂に添加し、樹脂を硬化させて粉末状に加工し、この粉末をグラファイト粉末と混合できる。加工された粉末は、押し出し法でグラファイト粉末と混合できる。

有利には、グラフェンと樹脂が均一に分散していてもよい。これにより、この分散液をグラファイト粉末に混合するだけで、グラフェンが原料混合物内に、即ちブラシ本体内に容易に均一に分散される。

平均粒子径が２μｍ以下のグラフェンを用いた場合、ブラシ本体の導電性が特に高くなる。

樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック、シロキサンを用いることができる。シロキサンは、ジオルガノポリシロキサンであってもよい。

グラフェンとして、酸化グラフェン（ＧＯ）、還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）、グラフェンナノプレートレット（ＧＮＯ）、及び／又はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いることができ、それぞれ単層又は多層であってもよい。用いられるグラフェンは、その製造方法の機能として特に機能を持たせてもよい。特定のグラフェンを用いることで、カーボンブラシの特性を有利に調整することが可能になる。

単層又は多層のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンブラック及び／又は他の改質されたグラフェンを添加剤に添加すると、カーボンブラシの特性をさらに有利に導出（改変）できる。カーボンブラックに関しては、粒子径が比較的小さいことが特に重要である。グラファイト粉末の粒子のサイズ分布によっては、カーボンブラック粒子がグラファイト粉末の粒子間のより大きな空間を有利に埋めることができる。

ブラシ本体は、多層であってもよく、好ましくは２層又は３層である。ブラシ本体の少なくとも一つの層は、添加剤を有し、接点構造と電気的に接続するための接触面を有するように形成される。接点構造と反対側に面する（接点構造から離れて向き合う）ブラシ本体の層は、例えば、異なる割合のグラフェンを有する層であってもよく、又はグラフェンを含まない層であってもよい。上述した各層は、グラファイト粉末及び／又は金属粉末を異なる割合で含有する点で相違していてもよい。これにより、接触面において特に優れた電気的接触が可能で、同時に接触面と反対側の端部において撚り線を簡単に固定（取り付け）できるブラシ本体が得られる。

本発明に係るカーボンブラシは、カーボンブラシに対して移動する接点構造、特に電気機械の整流子又は集電環に電気的に接続するためのものである。このカーボンブラシは、ブラシ本体で形成されている。ブラシ本体は、硬化した樹脂及び粒子状の添加剤を含有するグラファイト粉末で形成された硬化した原料混合物で構成される。添加剤はグラフェンである。本発明に係るカーボンブラシの利点（有利な効果）については、本発明に係る方法の利点の説明が参照される。カーボンブラシのさらに有利な実施形態は、請求項１に係る方法を参照する従属請求項から導き出される。

Claims (14)

1. カーボンブラシに対して移動する接点構造、特に電気機械の整流子又は集電環に電気的に接続するためのカーボンブラシを製造する方法であって、
   前記カーボンブラシのブラシ本体は、原料混合物をプレスし硬化することにより得られ、
   前記原料混合物は、グラファイト粉末を硬化性樹脂及び添加剤と混合することにより得られ、
   前記添加剤としてグラフェンが用いられることを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
2. 請求項１において、
   前記カーボンブラシは前記樹脂を硬化することにより得られ、該硬化は５００℃以下の温度で行うことを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
3. 請求項１又は２において、
   前記ブラシ本体は、グラフェンを０．０１〜５重量％、好ましくは０．０１〜３重量％、特に好ましくは０．０１〜２重量％の割合で含有することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
   前記原料混合物は主にグラファイト粉末で形成されていることを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、
   前記樹脂は液体樹脂であり、
   粒子状のグラフェンをグラファイト粉末と混合する前に前記液体樹脂に添加することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
6. 請求項５において、
   前記液体樹脂を溶媒、好ましくはアセトンで希釈し、熱処理によりプレス後又はプレス中に該溶媒を除去し、該樹脂を硬化することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
7. 請求項１〜４のいずれか１項において、
   前記樹脂は固体であって液化した液体樹脂であり、
   粒子状のグラフェンをグラファイト粉末と混合する前に前記液体樹脂に添加し、
   前記樹脂を硬化し、粉砕して粉末にし、該粉末をグラファイト粉末と混合することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
8. 請求項５〜７のいずれか１項において、
   グラフェン及び樹脂が均一に分散していることを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項において、
   平均粒子径が２μｍ以下のグラフェンを用いることを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
10. 請求項１〜９のいずれか１項において、
    前記樹脂として、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂、好ましくはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック又はシロキサンを用いることを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項において、
    グラフェンとして、酸化グラフェン（ＧＯ）、還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）、グラフェンナノプレートレット（ＧＮＯ）、及び／又はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いることを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項において、
    単層又は多層のカーボンナノチューブ及び／又はカーボンブラックを前記添加剤に添加することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項において、
    前記ブラシ本体は、多層、好ましくは２層又は３層であり、
    少なくとも一つの層は、前記添加剤を含み、前記接点構造に電気的に接続するための接触面を有することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
14. カーボンブラシに対して移動する接点構造、特に電気機械の整流子又は集電環に電気的に接続するためのカーボンブラシであって、
    前記カーボンブラシは、硬化した樹脂及び粒子状の添加剤を含有するグラファイト粉末で形成された硬化した原料混合物で構成されたブラシ本体で形成され、
    前記添加剤はグラフェンであることを特徴とするカーボンブラシ。