JP4477934B2 - 黒鉛質ブラシおよび黒鉛質ブラシを備えたモータ - Google Patents
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Description
本発明は、モータのロータに給電を行う黒鉛質ブラシ、特に黒鉛質ブラシの使用温度が、１００℃以上の高温になっても黒鉛質ブラシが磨耗し難く、高寿命化に対応する黒鉛質ブラシ、および黒鉛質ブラシを備えたモータに関する。
ブラシ付きのモータは、ブラシが整流子に摺接して給電がなされるものである。そして、整流子には、ロータに設けられるコアに巻回されたコイルが接続され、コイルに対して通電がなされると、ロータはハウジング内部にロータと対向して配設された永久磁石との吸引／反発力によって回転する。
上記構成を有するモータでは、モータ駆動時にはブラシと整流子とが摺接することから、その摺接面において磨耗が発生するという問題があり、これまで、モータ駆動時のブラシに対する磨耗を抑えることを目的として、ブラシの材質の変更や、ブラシの硬さの調整によって、ブラシの電気的／機械的磨耗やモータ駆動時にブラシの摺接面に発生する火花放電を抑制することが検討されている。
一方、ブラシ付きのモータを車両用として適用する場合には、モータのブラシとして、黒鉛粒子と銅粒子とを接合溶剤を用いて混合し、焼成する黒鉛質ブラシが知られている（例えば、特許文献１参照）。
黒鉛質ブラシの製造方法の一例としては、天然の黒鉛粒子をベース、溶解フェノール樹脂溶液をバインダーとして捏和し、二硫化モリブデンを潤滑材として加えて、窒素雰囲気中で７００〜８００℃で焼結することが知られている。この場合、黒鉛粒子の表面に被膜として形成した溶解フェノール樹脂は、焼結によって炭化して非晶質炭素になり、非晶質炭素がバインダーとなって黒鉛粒子を結合させる。そして、この焼結によって溶解フェノール樹脂溶液の有機物質は二酸化炭素や水蒸気として昇華するため、黒鉛質ブラシの表面および内部には多数の気孔が形成される。上記製法により作製された黒鉛質ブラシは、ブラシを形成する黒鉛粒子の吸湿性によって、大気中に存在する水分を気孔内に取り込むことが出来る。
このような黒鉛質ブラシをモータに取り付けた場合、黒鉛質ブラシが動作すると、黒鉛質ブラシと整流子との摺接面が昇温され、黒鉛質ブラシの摺接面に近い内部気孔から水分が蒸発する。そして、蒸発した水蒸気が黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に介在することによって滑り摩擦係数が小さくなるという、所謂気体潤滑作用により、黒鉛質ブラシの磨耗量を低減させることが出来る。
上記黒鉛質ブラシ付きのモータを車両用に適用する場合には、車両のエンジンルームではエンジンの発熱等の影響により、モータの駆動時には黒鉛質ブラシと整流子との摺接面が１００℃以上の高温に達することがある。この場合、黒鉛質ブラシの気孔内に取り込まれた水分は常温時に比べ、非常に速く蒸発するため、モータは、黒鉛質ブラシと整流子との摺接面を介在する水蒸気がない状態で動作することになる。このため、摺接面の滑り摩擦係数は大きくなり、黒鉛質ブラシが磨耗し易くなる。
したがって、前記従来の黒鉛質ブラシは、高温下で使用する場合には、常温下で使用する場合に比べ、使用時間当たりの磨耗量が大きくなり、その結果として、ブラシ付きモータの寿命が短くなるという問題がある。
本発明は上記問題に鑑み案出されたものであり、使用する温度に関わらず、磨耗し難く、高寿命化に対応する黒鉛質ブラシおよび黒鉛質ブラシを備えたモータを提供することを解決すべき課題とするものである。
本発明の黒鉛質ブラシの第１特徴構成は、モータのロータに設けられるコアに巻回されたコイルに対して、給電を行う黒鉛質ブラシにおいて、該黒鉛質ブラシは、表面および内部に気孔を有する焼結体からなり、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有し、アルキレンオキサイド構造単位の数が異なる複数種類のグリコールエーテルを含む液体を含浸した点にある。
つまり、この構成によれば、モータの使用温度（つまり、モータ駆動時における温度）が１００℃以上になっても、黒鉛質ブラシの気孔内の液体は完全に蒸発することがなく、黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に介在する液体の蒸気がなくならない。このため、摺接面の滑り摩擦係数を小さくでき、従来の黒鉛ブラシに比べ、磨耗量を減らすことが出来る。
また、グリコールエーテルは、アルキレンオキサイド構造単位の数によって分子量が異なる。このため、液体は蒸気圧特性が異なる複数種類のグリコールエーテルを有することとなり、幅広い温度範囲で使用しても、常に黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に液体の蒸気を介在させることが出来る。
したがって、本発明に係る黒鉛質ブラシは、幅広い使用温度においてその磨耗量を小さくすることが出来る。
したがって、本発明に係る黒鉛質ブラシは、幅広い使用温度においてその磨耗量を小さくすることが出来る。
本発明の黒鉛質ブラシの第２特徴構成は、前記アルキレンオキサイド構造単位は、エチレンオキサイド及びプロピレンオキサイドのうち少なくともいずれか一方を有する点にある。
つまり、この構成によれば、エチレンオキサイド構造単位及びプロピレンオキサイド構造単位のうち少なくともいずれか一方を有するグリコールエーテルの沸点は、通常のモータの使用温度範囲内に分布している。このため、モータの駆動時には、常に黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に液体の蒸気を介在させることが出来、黒鉛質ブラシの磨耗を抑えることが出来る。
本発明の黒鉛質ブラシの第３特徴構成は、前記液体は、前記黒鉛質ブラシと前記コイルに給電を行う整流子との摺接面の前記モータ駆動時の最高温度より高い温度で分解する点にある。
つまり、この構成によれば、モータの駆動時の温度が高温であっても、液体は熱分解することがなく、所定の温度で蒸発させることが出来る。このため、黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に蒸気を介在させることが出来る。
本発明の黒鉛質ブラシの第４特徴構成は、前記液体は、前記黒鉛質ブラシと前記コイルに給電を行う整流子との摺接面の前記モータ駆動時の温度より低い温度で蒸発可能なグリコールエーテルを含有する点にある。
つまり、この構成によれば、液体は、黒鉛質ブラシと整流子との摺接面のモータ駆動時における温度より低い温度で蒸発するグリコールエーテルを含有するため、幅広い温度範囲において蒸気を介在させることが出来る。
本発明の黒鉛質ブラシを備えたモータの特徴構成は、ハウジングと、ハウジング内に配設されるマグネットと、該マグネットに対向して配設され、コアに巻回されたコイルを有し、ハウジング内で回転自在なロータと、該ロータを前記ハウジングに対して支持するシャフトと、前記ロータに設けられ、前記コイルに対して給電を行う整流子と、該整流子に摺接する黒鉛質ブラシと、を備えたモータにおいて、前記黒鉛質ブラシを、表面および内部に気孔を有する焼結体で構成し、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有し、アルキレンオキサイド構造単位の数が異なる複数種類のグリコールエーテルを含む液体を含浸してある点にある。
つまり、この構成によれば、モータの使用温度が１００℃以上になっても、黒鉛質ブラシの気孔内の液体は完全に蒸発することがなく、黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に介在する液体の蒸気が無くならないため、摺接面の滑り摩擦係数を小さくでき、磨耗量を減らすことが出来る。このため、黒鉛質ブラシを備えたモータの寿命を長くすることが出来る。
また、グリコールエーテルは、アルキレンオキサイド構造単位の数によって分子量が異なる。このため、液体は蒸気圧特性が異なる複数種類のグリコールエーテルを有することとなり、液体の蒸気は、幅広い温度範囲において黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に介在することが出来る。
したがって、本発明に係る黒鉛質ブラシは、幅広い使用温度において磨耗量を小さくすることが出来るため、黒鉛質ブラシを備えたモータの寿命を長くすることが出来る。
したがって、本発明に係る黒鉛質ブラシは、幅広い使用温度において磨耗量を小さくすることが出来るため、黒鉛質ブラシを備えたモータの寿命を長くすることが出来る。
本発明に係る黒鉛質ブラシは、モータのロータに設けられるコアに巻回されたコイルに対して、給電を行う黒鉛質ブラシにおいて、該黒鉛質ブラシは、表面および内部に気孔を有する焼結体からなり、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有し、アルキレンオキサイド構造単位の数が異なる複数種類のグリコールエーテルを含む液体を含浸したものである。これにより、モータの使用温度が１００℃以上になっても、黒鉛質ブラシの気孔内の液体は完全に蒸発することがなく、黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に介在する液体の蒸気がなくならない。このため、摺接面の滑り摩擦係数を小さくでき、従来の黒鉛ブラシに比べ、磨耗量を減らすことが出来る。また、グリコールエーテルは、アルキレンオキサイド構造単位の数によって分子量が異なる。このため、液体は蒸気圧特性が異なる複数種類のグリコールエーテルを有することとなり、幅広い温度範囲で使用しても、常に黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に液体の蒸気を介在させることが出来る。
したがって、本発明に係る黒鉛質ブラシは、幅広い使用温度においてその磨耗量を小さくすることが出来る。
したがって、本発明に係る黒鉛質ブラシは、幅広い使用温度においてその磨耗量を小さくすることが出来る。
前記アルキレンオキサイド構造単位としては、任意のものが選択可能であるが、特に、エチレンオキサイド及びプロピレンオキサイドのうち少なくともいずれか一方を有することが好ましい。すなわち、エチレンオキサイド構造単位及びプロピレンオキサイド構造単位のうち少なくともいずれか一方を有するグリコールエーテルは取扱いが容易であり、それらの沸点は、通常のモータの使用温度範囲内に分布している。このため、モータの使用時には、常に黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に液体の蒸気を介在させることが出来、黒鉛質ブラシの磨耗を抑えることが出来る。
そして、本発明に係る黒鉛質ブラシを備えたモータは、ハウジングと、ハウジング内に配設されるマグネットと、該マグネットに対向して配設され、コアに巻回されたコイルを有し、ハウジング内で回転自在なロータと、該ロータを前記ハウジングに対して支持するシャフトと、前記ロータに設けられ、前記コイルに対して給電を行う整流子と、該整流子に摺接する黒鉛質ブラシと、を備えたモータにおいて、前記黒鉛質ブラシを、表面および内部に気孔を有する焼結体で構成し、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有し、アルキレンオキサイド構造単位の数が異なる複数種類のグリコールエーテルを含む液体を含浸してあるものである。これにより、モータの使用温度が１００℃以上になっても、黒鉛質ブラシの気孔内の液体は完全に蒸発することがなく、黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に介在する液体の蒸気が無くならないため、摺接面の滑り摩擦係数を小さくでき、磨耗量を減らすことが出来る。このため、黒鉛質ブラシを備えたモータの寿命を長くすることが出来る。また、グリコールエーテルは、アルキレンオキサイド構造単位の数によって分子量が異なる。このため、液体は蒸気圧特性が異なる複数種類のグリコールエーテルを有することとなり、液体の蒸気は、幅広い温度範囲において黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に介在することが出来る。
したがって、本発明に係る黒鉛質ブラシは、幅広い使用温度において磨耗量を小さくすることが出来るため、黒鉛質ブラシを備えたモータの寿命を長くすることが出来る。
したがって、本発明に係る黒鉛質ブラシは、幅広い使用温度において磨耗量を小さくすることが出来るため、黒鉛質ブラシを備えたモータの寿命を長くすることが出来る。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、ロータ２に対して給電を行う黒鉛質ブラシ（以下、単にブラシと称す）１を用いたモータ１０の構造を示す断面図であり、この図１を参照して、最初に、モータ１０の構成について簡単に説明する。
図１に示すモータ１０は、ハウジング７の中でロータ２が回転を行う構成となっている。ロータ２は円筒状を呈する金属製のハウジング７の中に回転自在に収められ、ハウジング７はハウジング１３に対してボルト等の締結部材１４により固定されハウジング１３と一体となっている。ロータ２はシャフト４によって支持され、シャフト４の一方の端部（図１に示す右側）には２つの平行な面を互いに有する二面幅が設けられている。この二面幅に対して、被駆動装置の被駆動シャフト１６が軸方向から挿嵌されて結合されており、モータ１０の回転を被駆動シャフト１６から外部出力できる構成となっている。
ロータ２には、コア９を構成する複数の鉄板が軸方向に積層された状態で、コア９の中央にシャフト４が圧入されて一体で取り付けられ、ロータ２とシャフト４とは一体回転する。シャフト４の他端は、ハウジング７の奥に圧入されたベアリング（第１ベアリング）１２の内輪に圧入され、ハウジング７に対してベアリング１２によって回転自在に軸支される。一方、円筒状となったハウジング７の内面には、周方向において複数の円弧状を呈するマグネット１１が、接着剤等によって貼り付けられている。
また、ハウジング７が取り付けられるハウジング１３には、ロータ２が取り付けられるモータ取付け面に凹部１３ａが形成されている。この凹部１３ａにベアリング５の外輪５ａが圧入により取り付けられ、シャフト４はベアリング５を介して軸支される。これにより、ロータ２を軸支するシャフト４は、２つのベアリング５，１２によって、両持ちで回転自在に軸支される。この場合、ベアリング１２が圧入される方向とは反対側のシャフト４の他端には、ベアリング５の内輪５ｂにシャフト４が圧入されている。このベアリング５の外輪５ａは、ハウジング１３に形成された凹部１３ａの内径に圧入されて配設される。また、ハウジング１３内において、モータ１０のハウジング１３とベアリング５との間には、スプリング３が配設される。
スプリング３は、バネ性（バネ定数）の高い平板上の円盤形状を呈する金属から成り立っており、中央にシャフト４が貫通する孔３ｄを有する。スプリング３は中心から１２０度の位置より外径から内径に向かって周方向に３つのスリットが形成され、軸方向に対して三次元的に曲げられ、支持部３ａから連続的に付勢部３ｂが形成されている。スプリング３は支持部３ａにて凹部１３ａの段部に周状に当接して係止され、付勢部３ｂにてベアリング５の外輪５ａの側面に当接して、ベアリング５を軸方向（図１に示す左方向）に付勢する。
一方、ベアリング５のロータ側にはホルダ６が配設される。ホルダ６は樹脂より成り、ハウジング７と同軸で配設される。また、ホルダ６はロータ側に設けられたコア９に巻回されるコイル１７に対して整流子８から給電が成され、この整流子８に当接するブラシ１を２つ有する（図１では一つのみ表わす）。また、ホルダ６には外部からブラシ１を介してロータ側に給電を行うコネクタ１５が一体で形成される。このコネクタ１５に対し、図示しない外部コネクタを接続することにより、ブラシ１３を介してロータ２のコア９に巻回されたコイル１７に給電を行うことが出来る。コイル１７に給電が行われると、ロータ２とマグネット１１との間で電磁的な吸引／反発力が働き、ロータ２が回転する。
この様な構成および動作を成すモータ１０における、ブラシ１について、以下に詳しく説明する。この実施形態におけるブラシ１は、図２の模式図に示す如く、天然黒鉛粒子１８をベースにした焼結体２２から成り立っており、焼結体２２の表面およびその内部に多数の気孔１９を有するものを用いている。そこで、図３を参照して、ブラシ１となる焼結体２２の製造工程の一例について、最初に説明する。
ブラシ１の製造では、ブラシ１に天然の黒鉛粒子１８（粒径：５〜５０μｍ）を用意し、黒鉛粒子１８に対して体積比率で２〜３重量％の粒状ペレットから成るノボラック構造（または、レゾール構造）のフェノール樹脂を用意する（Ｓ１）。そして、ノボラック構造（レゾール構造）のフェノール樹脂をアルコール類によって溶解させ、溶解フェノール樹脂溶液を作る（Ｓ２）。ここで使用するアルコール類は、例えば、メチルアルコールを使用すると良い。この場合、上記したフェノール樹脂の溶解にアルコール類を用いなくても、ケトン類（例えば、アセトン等）を用いても良い。即ち、Ｓ２におけるアルコールによる溶解では、黒鉛粒子１８に対して加える溶解フェノール樹脂の粘度によって黒鉛粒子１８の表面に形成されるフェノール樹脂の皮膜の厚さが決定される。その後、天然の黒鉛粒子１８に対して、アルコールにてフェノール樹脂が溶解した溶解樹脂をスプレー塗装する（Ｓ３）。Ｓ３におけるスプレー塗装では、黒鉛粒子１８の表面に均一な溶解樹脂による皮膜が得られる様、塗布が行われる。
そして、表面に溶解樹脂が塗布された黒鉛粒子１８を捏和する（Ｓ４）。ここでの捏和は、黒鉛粒子１８を混練装置によって、所定時間の間（例えば、３〜５時間程）均一に混練する。その後、大気中にて３０分程の間、自然乾燥させる（Ｓ５）。
そして、乾燥により得られた黒鉛粒子（黒鉛造粒粒子）１８に対して、モータ駆動時にブラシ１に流す電流量を所定の電流密度に抑える為、ブラシ１に流す電流量に応じて銅粉を一緒に配合する（Ｓ６）。また、ここで、整流子８との滑りを良くする為に、二硫化モリブデンの配合も一緒に行うと良い。この様な工程により、銅粉および二硫化モリブデンがそれぞれ均一になる様、混合される（Ｓ７）。その後、プレス装置により加圧成形（例えば、プレス成形）が行われ（Ｓ８）、ブラシ１の所望形状となる様に成形される。そして、プレス成形により得られた成形品を窒素雰囲気中で７００〜８００℃の温度で２〜３時間の間、焼結を行う（Ｓ９）ことによって、ブラシ形状をした焼結体２２が出来上がる。この様にして出来上がった焼結体２２の表面および内部には、図２の模式図に示す如く、隣接する黒鉛粒子１８との間に多数の気孔１９が形成される。
次に、図４を参照して、図３の様な工程を経て出来上がった焼結体２２に形成される気孔１９に液体２１を含浸させる工程の一例について、以下に説明する。
ブラシ１である焼結体２２の気孔１９内に、複数種類のグリコールエーテルを含む液体２１を含浸させるには、最初に液体２１を構成する複数種類のグリコールエーテルを用意する（Ｓ１１）。次に、焼結により作られたブラシ１となる焼結体２２を用意し（Ｓ１２）、グリコールエーテル中に浸漬させる（Ｓ１３）。そして、焼結体２２を浸漬させた状態で、１３３Ｐａ程度の減圧下で、所定時間（例えば、１〜２分程度）放置して、気孔内の大気を吸引して容器外に放出した後、気孔内の大気をグリコールエーテルで置換して、気孔内へグリコールエーテルを含浸させる（Ｓ１４）。焼結体２２の気孔１９の内部に入り込んでいた水分を含む大気を完全にグリコールエーテルの溶液と置換した後に常圧に戻すことによって、焼結体２２の表面および内部の気孔１９内にグリコールエーテルが含浸した本発明の黒鉛質のブラシが完成する（Ｓ１５）。
上記した工程の如く、液体２１をブラシ１の焼結体２２に形成された気孔１９の内部に含浸させて、焼結体２２の内部に形成された気孔１９内に保持させることによって、液体２１が焼結体の気孔１９に大気に置き換わって形成される。上記工程では、グリコールエーテルのみによって構成される液体２１を含浸させる場合について説明したが、液体２１は、グリコールエーテルのみによって構成されるものに限らず、他種類の化合物を含有していても良く、その場合であっても、同様の工程で含浸させることが出来る。すなわち、Ｓ１１において、他の種類の化合物を含有する液体２１を用意することによって、本発明の黒鉛質ブラシ１を作製することが出来る。
本発明の黒鉛質ブラシ１を使用することによって、モータ駆動時（つまり、ブラシの摺接時）には、ブラシ１と整流子８との摺接面に液体２１の蒸気が介在することによって、摺接面の滑り摩擦係数を下げることが出来る。そして、ブラシ１が１００℃を越える動作状態になっても、液体２１の沸点以下では、液体２１は完全に蒸発することがなく、摺接面に介在する液体２１はなくならない。このため、従来のように、滑り摩擦係数が増大してブラシ１の磨耗量が増加することを防ぐことができ、結果として、モータ１０の寿命を大幅に延ばすことが出来る。
一方、モータ１０は自動車の電動化に伴い、機関系部品や制動系部品にも使用されており、特に、ウォータポンプやオイルポンプ等のような機関系部品は、電動ウィンドウシステム等の車体系部品に比べ、モータ１０の連続動作時間が著しく長く、連続動作時間は数時間にまで及ぶ。このモータ１０の連続動作時間の延長によって、ブラシ１の摺接面における平均温度が１５０℃から２５０℃近辺まで上昇する可能性がある。そして、モータ１０をどの温度雰囲気下で使用したとしても、摺接面には液体２１の蒸気が存在することが好ましい。
しかし、一般的に沸点をもつ液体は、沸点に近い温度になるとその液体の蒸気圧は急激に上昇し、沸点において１気圧の蒸気圧をもつ。このためブラシ１の気孔１９内に低圧含浸された液体２１は、ブラシ１の摺接面に近い気孔１９の温度が、液体２１の沸点に近い温度にならないと、多くの量の蒸気が蒸発しない。また、沸点に近い温度で使用した場合は、蒸気圧が大きいため液体２１の消費量が多く、長時間に亘って蒸気をブラシ１の摺接面に供給できない。
そこで、ブラシ１の気孔１９内に含浸させる液体２１として、水の沸点（１００℃）より高い沸点を有し、アルキレンオキサイド構造単位の数が異なる複数種類のグリコールエーテルを含む液体を用いる。すなわち、グリコールエーテルはアルキレンオキサイド構造単位の数や種類によって、沸点が異なるものである。特にアルキレンオキサイド構造単位の数が多くなる程、グリコールエーテルの分子量は大きくなり、沸点は高くなる。このため、幅広い沸点の分布を有するものを含浸することが出来る。特に、液体２１として、アルキレンオキサイド構造単位の数のみが異なる複数種類のグリコールエーテルを含有するものを含浸すると、アルキレンオキサイド構造単位の数の増加に伴い、段階的にグリコールエーテルの沸点が高くなるため、より幅広い温度範囲において液体２１の蒸気を摺接面に介在させることが出来る。
エーテル構造単位としては、特に限定されず、例えば、モノメチル、モノエチル、モノプロピル、モノイソプロピル、モノブチル、モノイソブチル、モノフェニル等や、それらの組合わせ等、任意に選択可能である。また、エーテル構造単位を同一とすることにより、相溶性を高めることも出来る。
例えば、アルキレンオキサイドがエチレンオキサイドであるとすると、エチレンオキサイド構造単位を１つ有するエチレングリコールモノメチルエーテルでは、沸点は１２４．５℃であり、エチレンオキサイド構造単位が２つ有するジエチレングリコールモノメチルエーテルでは、１９４．０℃、エチレンオキサイド構造単位が３つのトリエチレングリコールモノメチルエーテルでは、２４９．０℃である。このようにエチレンオキサイド構造単位の数が増加することによって、段階的に沸点が高くなっている。このような混合物を含浸することにより、所定の温度範囲において、温度の切れ目なく気体潤滑作用効果を発揮することが出来る。
なお、液体２１は、特に黒鉛質ブラシ１とコイル１７に給電を行う整流子８との摺接面のモータ駆動時の最高温度より高い温度で分解することが好ましく、また前記摺接面のモータ駆動時の最高温度より高い沸点を有するグリコールエーテルを含有することが好ましい。また、液体２１は、摺接面付近のモータ駆動時の温度より低い温度で蒸発可能なグリコールエーテルを含有することが好ましい。これにより、ブラシ１と整流子８との摺接面の温度が幅広い範囲で変化しても、モータ１０の使用温度範囲においては、液体２１は熱分解することがなく、液体２１の蒸気を介在させることが出来る。
一方、従来の黒鉛質ブラシ１は、連続１００時間動作させた場合、摺接面の平均温度が８０℃までは略一定の磨耗速度で磨耗するものの、摺接面の平均温度が８０℃を越えた温度付近から、温度が上昇するにしたがって磨耗速度が増大し始める。これは、８０℃を越えると水分の時間当たりの消費量が増大し、１００時間に達する前に、気孔１９内の水分が枯渇したためであると考えられる。つまり、黒鉛質ブラシ１の摺接面の平均温度が高温になる程、黒鉛粒子１８が吸湿した水分の、摺接面に蒸発する量が増加し、この結果、黒鉛質ブラシ１の磨耗を抑えるために必要な水蒸気の量が、ある連続動作時間によってなくなり、この後に動作することによって、黒鉛質ブラシ１の磨耗が進行したためである。
したがって、８０℃までは水によって黒鉛質ブラシ１の磨耗量を抑えることが出来ることが分かっているため、本発明の黒鉛質ブラシにおいても、８０℃までの低温領域で蒸発する液体としては水を用いることが好ましい。水を用いる場合、モータ１０が動作すると、ブラシ１の摺接面の温度が昇温するにしたがって液体２１の水溶液から水が先行して蒸発し、消費されるが、モータ１０が停止してブラシ１が常温付近まで低下すると、ブラシ１は再び、大気中の水分を気孔１９内に取り込んで、補給することが可能となる。このような観点から、液体２１を構成するそれぞれの液体は、水溶性であることが好ましく、また、液体２１は水溶液として含浸させることが好ましい。さらには、大気中からの水分の取り込みの効率をより向上させるため、液体２１を構成するグリコールエーテルのうち少なくとも１種類は吸湿性を有することが好ましい。液体２１に吸湿性を有するものを含むことによって、水については大気中から供給することで、ブラシ１の焼結体２２の気孔１９内に予め含浸する水の量を少なくしたり、無くすことも可能となる。
黒鉛質ブラシ１に含浸する液体２１の好ましい一例を示すと、下記式の通りアルキレンオキサイド構造単位がエチレンオキサイド構造単位であるモノメチルエーテルを適用することが出来る。
これは、メタノールを原料とし、触媒を用いてエチレンオキサイドを付加させ、蒸留することにより得ることが出来る。この方法により、得られるポリエチレングリコールモノメチルエーテルは、組成割合が、ｎ＝３が約５％、ｎ＝４が約６８％、ｎ＝５が約２２％、ｎ＝６が約５％、である混合物であり、平均分子量は約２２０である。蒸気特性からは、ｎ＝３が２〜８％、ｎ＝５が２０〜２５％、ｎ＝６が２〜８％、残りがｎ＝４であることが好ましい。
このポリエチレングリコールモノメチルエーテルは、図５に示すように、黒鉛質ブラシ１の内部気孔１９に含浸して蒸発特性を調べたところ、２００℃、２時間後においても揮発残分を５．６％有している。このため、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルは、１００℃〜２００℃の幅広い温度範囲で、蒸気を摺接面に介在させることが出来る。
また、上記結果に基づき、低沸点分から順に蒸発すると仮定した場合の、各温度で蒸発する成分量を図６、７に示した。図６は１時間放置後、図７は２時間放置後の成分量であり、各温度間の揮発残分量の差と低沸点分順の含有量の和が等しくなるようにし、各温度で蒸発する主成分を予測した結果である。これによれば、温度によって蒸発する成分が異なる。したがって、例えば、温度が１５０℃であれば付加モル数が３、４の成分が蒸発し、温度が２００℃であれば付加モル数４、５の成分が蒸発するため、幅広い温度範囲において液体２１を蒸発させることが出来る。しかも、モータ１０の使用温度に応じて、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルを構成する付加モル数の成分を変えることによって、温度に対する蒸気特性を制御することも可能である。
また、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルは、図８に湿度５０％ＲＨで温度と時間とを変えた時の液水分の変化について示すように吸湿性を有している。そして、熱重量分析（ＴＧＡ）特性の測定では、熱分解温度は２４６.１℃であり、２９４℃における熱分解試験でも重量変化は０．５５％であった。
したがって、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルは、吸湿性を有し、熱分解についても２９４℃までは考慮する必要がないため、液体２１として好ましく適用可能である。
したがって、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルは、吸湿性を有し、熱分解についても２９４℃までは考慮する必要がないため、液体２１として好ましく適用可能である。
また、液体２１の別の一例を示すと、下記式の通りアルキレンオキサイド構造単位がエチレンオキサイド構造単位及びプロピレンオキサイド構造単位であるモノメチルエーテルを適用することが出来る。
これは、メタノールを原料とし、触媒を用いてエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとをランダムに付加させ、低沸点成分留去等をすることにより得ることが出来る。この方法により、得られるポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルは、組成割合が、ｎ＝１が約１％、ｎ＝２が約８％、ｎ＝３が約２２％、ｎ＝４が約２４％、ｎ＝５が約２０％、ｎ＝６が約１３％、ｎ＝７が約７％、ｎ＝８が約３％、ｎ＝９が約２％、である混合物であり、平均分子量は約２００である。組成割合は特に限定されないが、蒸気特性からは、ｎ＝１が０〜２％、ｎ＝２が７〜１０％、ｎ＝３が２０〜２５％、ｎ＝５が２０〜２５％、ｎ＝６が１０〜１５％、ｎ＝７が７〜１０％、ｎ＝８が２〜５％、ｎ＝９が０〜２％、残りがｎ＝４であることが好ましい。
このポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルは、図９に示すように、黒鉛質ブラシ１内部気孔１９に含浸して蒸発特性を調べたところ、２００℃、２時間後においても揮発残分を１０％有している。このため、ポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルは、前記ポリエチレングリコールモノメチルエーテルよりも幅広い温度範囲で、蒸気を摺接面に介在させることが出来る。
また、上記結果に基づき、前記ポリエチレングリコールエーテルを用いた場合と同様に、低沸点分から順に蒸発すると仮定した場合の、各温度で蒸発する成分量を図１０、１１に示した。図１０は１時間放置後、図１１は２時間放置後の成分量であり、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとの合計数をアルキレンオキサイドの付加モル数とした。これによれば、例えば、２時間放置後では、温度が１５０℃であれば付加モル数が３、４の成分が蒸発し、温度が２００℃であれば付加モル数４〜７の成分が蒸発し、温度が２５０℃であれば付加モル数７〜９の成分が蒸発するため、幅広い温度範囲において液体２１を蒸発させることが出来る。
また、ポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルは、図１２に湿度５０％ＲＨで温度と時間とを変えた時の液水分の変化について示すように吸湿性を有している。そして、熱重量分析（ＴＧＡ）特性の測定では、熱分解温度は２１４．７℃であり、２５６℃における熱分解試験でも重量変化は０．２７％であった。
したがって、ポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルは、吸湿性を有し、熱分解についても２５６℃までは考慮する必要がないため、液体２１として好ましく適用可能である。
したがって、ポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルは、吸湿性を有し、熱分解についても２５６℃までは考慮する必要がないため、液体２１として好ましく適用可能である。
以下、本発明の黒鉛質ブラシ１を備えたスリップリングを用いた連続動作試験の実施例について説明する。スリップリングの動力源として用いるインダクションモータの回転シャフトに無酸素銅からなる円筒形状のスリップリングを固定し、このスリップリングに対峙させてブラシホルダーを固設し、このブラシホルダーに評価用のブラシ１を装着して、インダクションモータを駆動させることによって、スリップリングと黒鉛質ブラシ１を摺接させ、黒鉛質ブラシ１の磨耗量を評価した。
なお、動作試験は、温度を８０℃、１２０℃、１５０℃、１８０℃、２２０℃に設定し、８ｍｍ×５ｍｍ×１２ｍｍの大きさの黒鉛質ブラシ１を用い、黒鉛質ブラシ１のスリップリングに対する荷重を８００ｇf/ｃｍ２に設定し、回転周速度を３．９ｍ／ｓとして、一定温度で連続１００時間動作した後の黒鉛質ブラシ１の磨耗量を調べた。
なお、動作試験は、温度を８０℃、１２０℃、１５０℃、１８０℃、２２０℃に設定し、８ｍｍ×５ｍｍ×１２ｍｍの大きさの黒鉛質ブラシ１を用い、黒鉛質ブラシ１のスリップリングに対する荷重を８００ｇf/ｃｍ２に設定し、回転周速度を３．９ｍ／ｓとして、一定温度で連続１００時間動作した後の黒鉛質ブラシ１の磨耗量を調べた。
また、ブラシ１の摺接面から３ｍｍ上方に熱電対を埋め込み、ブラシ動作時の温度を測定したところ、ブラシ１を８０℃の温度雰囲気下で動作させると、摺接面から３ｍｍ上方の温度は１３０℃まで昇温し、１２０℃、１５０℃、２２０℃の温度雰囲気下では、それぞれ１７５℃、１８０℃、２５０℃まで昇温した。すなわち、ブラシ１の摺接面近辺の温度は、ブラシ１の動作時の雰囲気の温度よりも３０℃から３５℃程度高くなることが分かった。
（実施例１）
液体２１として、前記ポリエチレングリコールモノメチルエーテルを含浸させた黒鉛質ブラシ１を用いて、スリップリングの連続動作試験を行った。その結果、図１３に示すようにスリップリングの動作温度が１２０℃から２００℃辺りまでは、磨耗量を抑えることができ、それ以上の温度では、連続動作時間が長くなると磨耗量が増大した。
また、８０℃から１５０℃辺りまでは、連続動作温度の違いによる磨耗量の増加は少なかった。すなわち、ブラシ１の動作温度が８０℃から１５０℃辺りまでの温度領域では、温度の上昇とともにポリエチレングリコールモノメチルエーテルの蒸気のブラシの摺接面に介在する量が増大し、ブラシの磨耗量を抑えることが出来た。そして、温度が１８０℃を越えた辺りからは、温度の上昇とともにポリエチレングリコールモノメチルエーテルの蒸気の消費速度が速くなり、動作時間の増加により磨耗量の低減の効果が小さくなった。
したがって、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルを含浸させた黒鉛ブラシ１は、１２０℃から１８０℃辺りまでの温度で動作させても、ブラシ１の磨耗量を０．３ｍｍ程度に抑えることが出来、また、ブラシ１の磨耗量を０．５ｍｍ程度に抑える場合には、８０℃から２５０℃の幅広い温度範囲で動作可能であることが分かった。
液体２１として、前記ポリエチレングリコールモノメチルエーテルを含浸させた黒鉛質ブラシ１を用いて、スリップリングの連続動作試験を行った。その結果、図１３に示すようにスリップリングの動作温度が１２０℃から２００℃辺りまでは、磨耗量を抑えることができ、それ以上の温度では、連続動作時間が長くなると磨耗量が増大した。
また、８０℃から１５０℃辺りまでは、連続動作温度の違いによる磨耗量の増加は少なかった。すなわち、ブラシ１の動作温度が８０℃から１５０℃辺りまでの温度領域では、温度の上昇とともにポリエチレングリコールモノメチルエーテルの蒸気のブラシの摺接面に介在する量が増大し、ブラシの磨耗量を抑えることが出来た。そして、温度が１８０℃を越えた辺りからは、温度の上昇とともにポリエチレングリコールモノメチルエーテルの蒸気の消費速度が速くなり、動作時間の増加により磨耗量の低減の効果が小さくなった。
したがって、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルを含浸させた黒鉛ブラシ１は、１２０℃から１８０℃辺りまでの温度で動作させても、ブラシ１の磨耗量を０．３ｍｍ程度に抑えることが出来、また、ブラシ１の磨耗量を０．５ｍｍ程度に抑える場合には、８０℃から２５０℃の幅広い温度範囲で動作可能であることが分かった。
（実施例２）
液体２１として、前記ポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルを含浸させた黒鉛質ブラシ１を用いて、実施例１と同様にスリップリングによる連続動作試験を行った。その結果、図１４に示すようにスリップリングの動作温度が１２０℃から２２０℃辺りまでは、磨耗量を抑えることができ、それ以上の温度では、連続動作時間が長くなると磨耗量が増大した。
また、８０℃から１８０℃辺りまでは、連続動作温度の違いによる磨耗量の増加は少なかった。すなわち、ブラシ１の動作温度が８０℃から１８０℃辺りまでの温度領域では、温度の上昇とともにポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルの蒸気のブラシ１の摺接面に介在する量が増大し、ブラシの磨耗量を抑えることが出来た。そして、温度が２２０℃を越えた辺りからは、温度の上昇とともにポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルの蒸気の消費速度が速くなり、動作時間の増加により磨耗量の低減の効果が小さくなった。
したがって、ポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルを含浸させた黒鉛ブラシ１は、１２０℃から２２０℃辺りまでの温度で動作させても、ブラシ１の磨耗量を０．３ｍｍ程度に抑えることが出来、また、ブラシ１の磨耗量を０．５ｍｍ程度に抑える場合には、８０℃から２５０℃の幅広い温度範囲で動作可能であることが分かった。
液体２１として、前記ポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルを含浸させた黒鉛質ブラシ１を用いて、実施例１と同様にスリップリングによる連続動作試験を行った。その結果、図１４に示すようにスリップリングの動作温度が１２０℃から２２０℃辺りまでは、磨耗量を抑えることができ、それ以上の温度では、連続動作時間が長くなると磨耗量が増大した。
また、８０℃から１８０℃辺りまでは、連続動作温度の違いによる磨耗量の増加は少なかった。すなわち、ブラシ１の動作温度が８０℃から１８０℃辺りまでの温度領域では、温度の上昇とともにポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルの蒸気のブラシ１の摺接面に介在する量が増大し、ブラシの磨耗量を抑えることが出来た。そして、温度が２２０℃を越えた辺りからは、温度の上昇とともにポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルの蒸気の消費速度が速くなり、動作時間の増加により磨耗量の低減の効果が小さくなった。
したがって、ポリエチレンポリプロピレングリコールモノメチルエーテルを含浸させた黒鉛ブラシ１は、１２０℃から２２０℃辺りまでの温度で動作させても、ブラシ１の磨耗量を０．３ｍｍ程度に抑えることが出来、また、ブラシ１の磨耗量を０．５ｍｍ程度に抑える場合には、８０℃から２５０℃の幅広い温度範囲で動作可能であることが分かった。
（比較例）
比較例として、従来の黒鉛質ブラシ１について、同様にスリップリングの連続動作試験を行った。その結果、図１５に示すように８０℃を越えた辺りから黒鉛質ブラシ１の磨耗量は動作温度の上昇とともに大きくなり、さらに連続動作時間が長い場合には動作温度の上昇による磨耗量の増大は更に大きくなった。これは、前述の通り、温度が高くなると、水分が枯渇するまでの時間が早くなったためであることを示している。ブラシの磨耗量を０．５ｍｍ以内に抑えるためには、連続１００時間動作であっても８０℃以下の温度にしなければならない。
比較例として、従来の黒鉛質ブラシ１について、同様にスリップリングの連続動作試験を行った。その結果、図１５に示すように８０℃を越えた辺りから黒鉛質ブラシ１の磨耗量は動作温度の上昇とともに大きくなり、さらに連続動作時間が長い場合には動作温度の上昇による磨耗量の増大は更に大きくなった。これは、前述の通り、温度が高くなると、水分が枯渇するまでの時間が早くなったためであることを示している。ブラシの磨耗量を０．５ｍｍ以内に抑えるためには、連続１００時間動作であっても８０℃以下の温度にしなければならない。
本発明の黒鉛質ブラシを備えたモータは、車両のエンジンを冷却するウォータポンプを駆動するモータ、冷却ファンを廻すモータ、エンジンのオイルポンプを駆動するモータ等の車両用途や、その他さまざまな用途に適用出来る。
１ 黒鉛質ブラシ（ブラシ）
２ ロータ
４ シャフト
７，１３ ハウジング
８ 整流子
９ コア
１０ モータ
１７ コイル
１９ 気孔
２１ 液体
２２ 焼結体
２ ロータ
４ シャフト
７，１３ ハウジング
８ 整流子
９ コア
１０ モータ
１７ コイル
１９ 気孔
２１ 液体
２２ 焼結体
Claims (5)
- モータのロータに設けられるコアに巻回されたコイルに対して、給電を行う黒鉛質ブラシにおいて、
該黒鉛質ブラシは、表面および内部に気孔を有する焼結体からなり、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有し、アルキレンオキサイド構造単位の数が異なる複数種類のグリコールエーテルを含む液体を含浸した黒鉛質ブラシ。 - 前記アルキレンオキサイド構造単位は、エチレンオキサイド及びプロピレンオキサイドのうち少なくともいずれか一方を有する請求項１に記載の黒鉛質ブラシ。
- 前記液体は、前記黒鉛質ブラシと前記コイルに給電を行う整流子との摺接面の前記モータ駆動時の最高温度より高い温度で分解する請求項１または２に記載の黒鉛質ブラシ。
- 前記液体は、前記黒鉛質ブラシと前記コイルに給電を行う整流子との摺接面の前記モータ駆動時の温度より低い温度で蒸発可能なグリコールエーテルを含有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の黒鉛質ブラシ。
- ハウジングと、
ハウジング内に配設されるマグネットと、
該マグネットに対向して配設され、コアに巻回されたコイルを有し、ハウジング内で回転自在なロータと、
該ロータを前記ハウジングに対して支持するシャフトと、
前記ロータに設けられ、前記コイルに対して給電を行う整流子と、
該整流子に摺接する黒鉛質ブラシと、
を備えたモータにおいて、
前記黒鉛質ブラシを、表面および内部に気孔を有する焼結体で構成し、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有し、アルキレンオキサイド構造単位の数が異なる複数種類のグリコールエーテルを含む液体を含浸してある黒鉛質ブラシを備えたモータ。
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