JP4678478B2 - 電刷子 - Google Patents

Description

本発明は回転電機などに用いられる電刷子に関する。

回転電機などに用いられる電刷子の電気的損失は、回転電機全体の効率に大きな影響を及ぼす。そのため、高出力及び高効率が求められる回転電機においては、電刷子の電気的損失は極力低い方が望ましいとされている。

電刷子の電気的損失を低減する手段としては、電刷子中の金属含有量を増加し、電刷子本体の抵抗率を下げることが有効である。ところが、電刷子は摺動材料であるため潤滑性に乏しい金属の含有量を増加すると摩耗速度が増大（摺動特性が悪化）し、回転電機の寿命が短くなるという問題がある。即ち、従来の電刷子では特許文献１、２等に示されるように単層（１層）構造のため、電気的損失を低減すると摩耗速度が増大するという問題が生じていた。

実開昭５７−０２７８６７号公報 特開昭５７−２１１９５４号公報

この電気的損失の低減と摩耗速度の低減という相反する要求特性を両立する手段としては、特許文献３に示されるように、電刷子を高抵抗層と低抵抗層の電気抵抗が異なる複数の層で構成することにより流性能を向上させ、火花発生量を減らし、整流子との接触電圧降下を増加させることなく摩耗速度を低減させるか又は特許文献４に示されるように電刷子を高抵抗層と低抵抗層の層から構成し、そしてリード線を高抵抗層に触れることなく低抵抗層に埋設することで、電刷子の電気的損失を低減する、詳しくはリード線挿入部の電圧降下の増加を低減する方法がある。

特開平０９−０４９４７８号公報 特表平０４−５００５８０号公報

しかしながら、上記に記載されているような方法では、高温多湿雰囲気中に放置後の電刷子の電気的損失低減は、摺動特性とのバランスに制約を受けるという点で本質的には変わっていない。
そこで、本発明者らは上記に換わるものとして特許文献５に示す電刷子を出願したがまだ満足すべきものではなかった。
特願２００４−１１６６９３号

本発明は、摺動特性を損なうことなく高温多湿雰囲気中に放置後の電気的損失が低減でき、特にリード線埋め込み部の電圧降下を増加させることなく、摩耗速度を低減する電刷子を提供するものである。

本発明は、摺動面が高抵抗層及び低抵抗層の２層構造又は摺動面が高抵抗層及び中抵抗層で上部が低抵抗層の３層構造からなり、かつ摺動面とは反対側の上部に形成されたリード線挿入孔にリード線が挿入された電刷子において、リード線挿入孔の周壁面に金属層又は合金層を形成してなる電刷子に関する。
また、本発明は、金属層又は合金層が、メッキ処理及び／又は溶射を施して形成したものである電刷子に関する。
また、本発明は、金属層又は合金層が、銀層又は銀合金層である電刷子に関する。
さらに、本発明は、リード線挿入後のリード線挿入孔の上面が、樹脂で被覆したものである電刷子に関する。

本発明になる電刷子は、摺動特性を損なうことなく高温多湿雰囲気中に放置後の電気的損失が低減でき、特にリード線埋め込み部の電圧降下を増加させることなく、摩耗速度を低減することができ、工業的に極めて好適である。

本発明になる電刷子は、摺動面が高抵抗層及び低抵抗層の２層構造又は摺動面が高抵抗層及び中抵抗層で上部が低抵抗層の３層構造からなり、かつ摺動面とは反対側の上部に形成されたリード線挿入孔にリード線が挿入され、リード線挿入孔の周壁面に金属層又は合金層が形成され、さらにリード線挿入孔にリード線を挿入後、銀メッキ銅粉を充填、圧着したものから構成されている。各層における抵抗率は、高抵抗層＞低抵抗層の関係又は高抵抗層＞中抵抗層＞低抵抗層を満足していれば抵抗率に制約はないが、これらの抵抗率の関係を満足するには、高抵抗層及び低抵抗層の２層構造の場合、例えば高抵抗層の抵抗率は低抵抗層の抵抗率の２〜２０倍程度が好ましく、４〜１６倍程度がより好ましく、８〜１２倍程度がさらに好ましい。

また、高抵抗層及び中抵抗層で上部が低抵抗層の３層構造の場合、例えば高抵抗層の抵抗率は中抵抗層の抵抗率の２〜２０倍程度が好ましく、４〜１６倍程度がより好ましく、８〜１２倍程度がさらに好ましい。そして低抵抗層の抵抗率は中抵抗層の抵抗率の２／３以下が好ましく、１／２以下がより好ましく、１／３以下がさらに好ましい。

なお、抵抗率は、使用される回転電機の要求特性に合わせて設定されるが、一般的には０．１〜３０μΩ・ｍ程度の値である。これら各層の抵抗率は、主に黒鉛を主成分とした電刷子に含有される金属量を調整して適宜選定する。電刷子に含有させる金属としては、銅、銀等の粉末が挙げられる。

本発明において、リード線挿入孔の周壁面に形成する金属層又は合金層は、その形成方法については特に制限はないが、メッキ処理及び／又は溶射を施して形成することが好ましい。該金属層を形成する金属としては銀を用いることが好ましく、一方、合金層を形成する合金としては銀と銅の合金を用いることが好ましい。
また、本発明においては、リード線挿入後のリード線挿入孔の上面は、樹脂で被覆することが好ましい。被覆する樹脂の種類については特に制限はないが、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。

以下、本発明の実施例について図面を引用して説明する。
実施例１
平均粒径が５０μｍの天然黒鉛（日本黒鉛工業(株)製、商品名ＣＢ−１５０）８０重量部及びレゾール型フェノール樹脂（日立化成工業(株)製、商品名ＶＰ１１Ｎ）２０重量部を混練した後、６５℃で１６時間乾燥し、その後粉砕して平均粒径が１５０μｍの樹脂処理黒鉛粉を得た。

次に、この樹脂処理黒鉛粉４５重量部及び平均粒径が３５μｍの電解銅粉（福田金属箔工業(株)製、商品名ＣＥ−２５）５５重量部を混合して低抵抗層用の粉体を得た。一方、上記で得た樹脂処理黒鉛粉６５重量部及び上記で用いた電解銅粉３５重量部を混合して高抵抗層用の粉体を得た。

上記で得た各々の粉体を金型の所定の位置にそれぞれ別々に充填し、成形プレスで３９２ＭＰａの圧力で一体成形し、その後還元雰囲気中で７００℃まで３時間で昇温し、７００℃で１時間焼結し、次いで所定の形状に機械加工して、図１に示す高抵抗層１、低抵抗層２及びリード線挿入孔３を形成した成形体を得た。

次いで、リード線挿入孔３の周壁面に銀メッキ処理をして銀メッキ層５を形成した後、このリード線挿入孔３にリード線４を挿入し、さらにリード線の周囲に銀メッキ銅粉６を充填し、充填後スタンピンク作業により銀メッキ銅粉を加圧してリード線４を固定した。その後、リード線挿入孔３の上面にレゾール型フェノール樹脂（日立化成工業(株)製、商品名ＶＰ１１Ｎ）７で被覆して寸法が１６×７×１５ｍｍの電刷子を得た。
得られた電刷子の抵抗率を測定したところ、高抵抗層１は３．５μΩ・ｍ及び低抵抗層２は０．２μΩ・ｍであった。

なお、抵抗率の測定は、各々の粉体を単独で上記と同様の条件で成形、焼結後、機械加工して５×５×２０ｍｍの寸法に試験片を作製し、２０ｍｍの方向に１Ａの電流を流した際の１０ｍｍ間の電圧降下を測定し、次式により算出した。ここで、測定用試験片は２０ｍｍ方向を成形加圧直角方向とした。

比較例１
実施例１で得た成形体のリード線挿入孔３の周壁面に銀メッキをせずに、リード線挿入孔 にリード線４を挿入し、以下実施例１と同様の工程を経て実施例１と同形状の電刷子を得た。得られた電刷子の抵抗率を測定したところ、高抵抗層１は３．５μΩ・ｍ及び低抵抗層２は０．３μΩ・ｍであった。

次に、実施例１で得た電刷子と比較例１で得た電刷子の製造直後（０時間のとき）のリード線埋め込み部の電圧降下値及び温度８０℃、湿度９０％の条件で２５０時間後の、リード線埋め込み部の電圧降下値の経時変化を調べた。その結果を図３に示すが、図３中の０時間の値は、製造直後の値である。なお、リード線埋め込み部の電圧降下値は、図４に示すようにＡ−Ｂ間に２００Ａの電流を流したときのＣ−Ｄ間の電圧降下を測定した値である。

図３に示されるように、本発明になる実施例１の電刷子は、比較例１の電刷子に比較してリード線挿入部の電圧降下値が約２６％低減していることが明らかである。なお、実施例１の電刷子と比較例１の電刷子とは摺動部成分は同一であることから摺動特性に差はなく、これにより実施例１の電刷子は比較例１の電刷子に対し、摺動特性を損なわずに高温多湿雰囲気中に放置後の電気的損失が低減されていることが明らかである。

リード線挿入孔を形成した成形体の断面図である。 本発明の実施例になる電刷子の断面図である。 放置時間とリード線埋め込み部の電圧降下との関係を示すグラフである。 リード線埋め込み部の電圧降下の測定法を示す概略図である。

符号の説明

１ 高抵抗層
２ 低抵抗層
３ リード線挿入孔
４ リード線
５ 銀メッキ層
６ 銀メッキ銅粉
７ レゾール型フェノール樹脂

Claims (4)

1. 摺動面が高抵抗層及び低抵抗層の２層構造又は摺動面が高抵抗層及び中抵抗層で上部が低抵抗層の３層構造からなり、かつ摺動面とは反対側の上部に形成されたリード線挿入孔にリード線が挿入された電刷子において、リード線挿入孔の周壁面に金属層又は合金層を形成してなる電刷子。
2. 金属層又は合金層が、メッキ処理及び／又は溶射を施して形成したものである請求項１記載の電刷子。
3. 金属層又は合金層が、銀層又は銀合金層である請求項１又は２記載の電刷子。
4. リード線挿入後のリード線挿入孔の上面が、樹脂で被覆したものである請求項１、２又は３記載の電刷子。
   

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