JP5491290B2 - 炭素ブラシ - Google Patents

Description

本発明は、炭素ブラシに関する。この炭素ブラシは、炭素ブラシに対して相対的に動く接触構造体、特に電動機の整流子が、炭素含有材料から構成されたブラシボディに電気的に接触されるものである。このブラシボディの、接触構造体側の接触面には、研磨機構が設けられている。本発明はまた、このような炭素ブラシの製造方法に関する。

冒頭に記載した種類の炭素ブラシ、特に、炭素ブラシに対して相対的に動く、例えば電動機の整流子といった電気的な接触構造体が、炭素ブラシの接触面と整流子の接触表面との間の摩擦接触によって、電気的に接触される構成である炭素ブラシが、よく知られている。また、この独特な種類の電気接触によって生じる不利な作用についても知られている。これらの不利な作用は、それぞれ、別々の原因に起因するものである。

つまり、接触面同士を一致させることは、電動機の最初の馴らし運転段階の後に初めて、調節および実施される。そのため、最初は、炭素ブラシと接触構造体との間に、不十分な接触しか形成されないことが多い。このため、電動機は、取り付けが完了した後にすぐ納品することができず、まず、別の馴らし運転工程にて「馴らし運転」を行ってから、電動機が欠陥無く運転するために十分な程度にまで、炭素ブラシの前面と接触構造体の表面との間の面同士の接触を実現する必要がある。ここで、不十分な接触面が形成されることは、炭素ブラシの接触面が理想的に形成されていないことが原因となり得るだけでなく、接触構造体の表面に青さびがあること、または、接触構造体の表面に凹凸があることも原因となり得る。

このような、接触構造体の表面の青さびまたは凹凸を除去するために、接触面が形成される炭素ブラシの前面に、研磨機構を設けることが知られている。特許文献１には、炭素ブラシの前面に形成された収容溝の中に収容された研磨素子を備える炭素ブラシの構成が開示されている。この研磨素子は、炭素ブラシの前面と接触構造体の接触面との形状の差異が著しい、接触構造体内の箇所を研削すること、または、表面を腐食させることによって、該差異を除去するように機能する。

独国特許出願公開第２７３４７４９号明細書

実際には、このような、ブラシボディ内に収容された研磨素子を有する炭素ブラシの製造は、極めて手間がかかることが分かっている。なぜなら、研磨素子をブラシボディの中に配置するためには、ブラシボディを製造した後に、ブラシボディを切削する処理をさらに施して、研磨素子用の収容溝を形成しなければならないからである。

従って、本発明の課題は、研磨機構が一体化された炭素ブラシであって、容易に製造可能であり、特に、研磨素子を形成する工程をブラシボディを製造する製造方法に容易に組み込むことが可能な炭素ブラシを提案することにある。

本発明に係る炭素ブラシでは、研磨機構は、接合剤と分布された砥粒とを有している。この砥粒は、接合剤によって、接触面の上に配置されている。

このため、本発明に従って構成された炭素ブラシでは、従来の製造方法にて、ブラシボディの端部に、既に接触構造体との接触に適した形状を有する接触面が設けられたブラシボディを製造することが可能である。研磨機構を炭素ブラシの前面に配置することは、接合剤によって実現される。この接合剤は、例えば軽石粉などの砥粒と上記前面との間に機械的な結合を形成する。

このように、ブラシボディの接触面が接触構造体の表面に応じて構成されているため、ブラシボディの接触面の形状が、研磨機構によって阻害されることはない。このため、特に、接触構造体との摩擦接触によって摩耗する研磨機構を使い切った後、ブラシボディの接触面は、接触構造体と、最初から全表面で接触することになる。従って、ブラシボディの接触面と接触構造体とが最初に接触する時には既に、炭素ブラシの全断面を、接触構造体に電流を流すために使用することが可能であり、接触面の面積が小さいことにより接触抵抗が生じることはない。さらに、研磨機構は、接合剤によって接触面の上に付着されると共に分布された砥粒を有している。このため、ブラシボディの接触面と接触構造体との間が最初に接触した後には、ブラシボディの製造に用いられる炭素含有材料の電気的な特性が、全面的に利用可能であるということが保証される。前面と最初に接触した後に、ブラシボディ内の何らかの研磨用添加剤が、上記電気的な特性を悪化させることはあり得ない。

実験では、本発明に係る研磨機構が設けられた炭素ブラシの寿命は、研磨機構によって特徴付けられる馴らし運動のため、従来の炭素ブラシと比べて大幅に長いことが明らかになった。

炭素ブラシの好ましい一実施形態によれば、接合剤は、砥粒の配置を空間的に規定するための、位置決め構造体として機能する。この場合、砥粒は、分布された状態で、直接接合剤の中に収容されるため、砥粒の材料を、その位置を規定し、かつ、分布させて配置するための、別の基板は必要ない。

炭素ブラシの他の一実施形態では、接合剤は、砥粒の材料の配置を空間的に規定する位置決め構造体と、接触面とを結合するように機能する。従って、接合剤と位置決め構造体との間を機能的に区別することが可能である。そのため、接合剤をその材料特性だけに基づいて構成することが可能であり、接合剤として、例えば懸濁の形態などの、砥粒が空間的に均一に分布された配置が製造可能な材料を選択することを考慮する必要はない。このため、位置決め構造体を形成するための材料は、接合剤と無関係に選択してもよい。例えば、位置決め構造体としては、繊維構造を有する基板、または、不織布から成る基板を選択してもよい。この基板の上には、所定の粒径の砥粒が、所定の粒子分布で配置されている。

接合剤自体が位置決め構造体として機能するか、または、接合剤が位置決め構造体と上記前面とを結合するようにのみ機能するかに応じて、接合剤および／または位置決め構造体が導電性を有する構成であることが好ましい。こうすることによって、場合によっては生じ得る電気的な特性とは無関係に、砥粒を選択することが可能である。特に、砥粒としては、研磨の特性に関してのみから選択が可能な、不導体を用いてもよい。

導電性を有する接合剤または位置決め構造体を構成するために、接合剤または位置決め構造体に、導電性の添加剤が備えられていることが好ましい。添加剤の例には、接合剤または位置決め構造体の中に埋め込まれた炭素繊維が挙げられる。

砥粒の研磨作用の種類および程度によっては、接合剤を、接触面全体でなく、部分的に接触面に塗布するだけで十分な場合もある。この場合、砥粒は、対応する領域だけに設けられ、前面に形成された研磨機構は、完全に平面状でなく、構造化して形成される。

本発明に係る炭素ブラシの製造方法では、最初に炭素含有材料から構成されるブラシボディを用意する工程を行う。この工程には、接触面を形成することが含まれる。その後、接触面の上に塗布された接合剤によって、接触面の上に、砥粒の材料を有する研磨機構を配置する工程が続く。

この本発明に係る方法では、第１の方法段階において、ブラシボディを製造することが可能である。該ブラシボディは、炭素ブラシに応じて、この簡素な製造段階の後に行われる定常運転のために構成された接触面を既に有している。本発明に係る製造方法では、研磨機構が、接触面の構成に影響を与えたり、阻害したりすることはない。特に、本発明に係る研磨機構を備える炭素ブラシの製造方法は、従来の炭素ブラシを製造するための方法に基づいて容易に構成可能であり、接触面を後で加工する必要はない。

ブラシボディ上に形成される研磨機構は、接合剤を接触面の上に塗布する前に、砥粒を接合剤に供給することによって製造する場合が、特に有効である。このため、研磨機構は、例えば、接合剤を接触面の上に塗布する前に砥粒を接合剤に供給して、懸濁を作成することといった、砥粒の分布を接合剤の中に生成することで容易に作成可能である。他の方法では、第１の工程において、ブラシボディの接触面の上に接合剤を塗布し、次の工程において、砥粒を接合剤に結合してもよい。

この場合、砥粒を接合剤に結合することを、砥粒の材料の容器から砥粒の材料を取り出すことによって行う場合が特に有効である。これはすなわち、例えば、その接触面が接合剤によって濡らされているブラシボディを、砥粒の材料の容器中に浸し、これによって、研磨機構を、接合剤に付着した砥粒の材料によって構成する場合である。

あるいは、砥粒の材料を備える基板を接合剤の上に載せるように、研磨機構を、ブラシボディの接触面の上に配置してもよい。

図１は、第１の実施形態における炭素ブラシを示す図である。 図２は、第２の実施形態における炭素ブラシを示す図である。 図３は、第３の実施形態における炭素ブラシを示す図である。 図４は、第４の実施形態における炭素ブラシを示す図である。 図５は、接合剤層を、ブラシボディの接触面の上に載せるための装置を示す図である。 図６は、砥粒から構成される層を、接合剤層の上に載せるための装置を示す図である。 図７は、砥粒を接合剤層の上に載せた後の、ブラシボディの接触面の上に形成された研磨機構を示す図である。 図８は、研磨機構を備える炭素ブラシの他の実施形態を示す図である。 図９は、研磨機構を備える炭素ブラシの他の実施形態を示す図である。 図１０は、研磨機構を備える炭素ブラシの他の実施形態を示す図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながらより詳細に説明する。

図１は、炭素含有材料、特に黒鉛から構成されるブラシボディ２１を備える炭素ブラシ２０を示している。本実施形態では、ブラシボディ２１は、ブラシボディ２１の、リッツ線２２を有する接続端部２３の反対側に、この図では凹状に形成された接触面２４を有している。この接触面２４には、研磨機構２５が設けられている。

図１に示した炭素ブラシ２０の接触面２４は、この図には詳細に示していない、円筒形の表面を有する電動機の整流子装置と、導電性の摩擦接触を形成するためのものである。接触面２４が凹状に形成されているため、接触面２４の上に配置された研磨機構２５が摩耗した後、接触面２４と整流子の表面に形成された接触構造体との間に、密着した接触が形成される。

研磨機構２５は、接合剤２６を有している。接合剤２６は、適した接着剤または糊、例えばエポキシ樹脂から構成されており、規定の分布の砥粒２７を、位置決めしながら収容している。砥粒２７は、様々な材料から構成されていてよく、この場合、砥粒２７の研磨作用が優先される。例えば、砥粒２７は、専門用語で一種の「軽石粉」と呼ばれる材料であってよい。例えば、砥粒２７は、どの鉱物粒子も規定の粒径を有しており、特に、選択された粒径画分、すなわち、所望の研磨作用に応じて粒径が取り得る許容範囲の境界が選択される。上述の「軽石粉」に加えて、十分な研磨特性を有する、炭化珪素、酸化アルミニウム、酸化鉄、二酸化珪素、水晶、炭化物、プラスチック粒子などの材料、およびここに例示した材料の組み合わせも使用可能である。粒径は、所望の研磨作用に応じて、０．１〜１５０μｍの間であってよい。

特に図１に示した炭素ブラシ２０の実施形態に関しては、接合剤にエポキシ樹脂が選択されたが、これとは異なり、砥粒を接触面２４に付着させることが可能な、例えばペースト、脂質、油、塗料、および樹脂の、他の物質も考慮の対象となる。

図１に示した実施形態では、砥粒２７は、分布された状態で、接合剤２６内に収容されている。このため、接合剤２６は、砥粒２７と接触面２４との間の機械的結合を形成するだけでなく、砥粒２７を接触面２４に対して位置決めして配置するための位置決め構造体を形成するように機能する。ここで、接合剤２６の選択または種類には、砥粒２７を接触面２４上で保持する剪断強度が重要な要素となる。

図２は、他の一実施形態における炭素ブラシ２８を示す図である。炭素ブラシ２８は、炭素ブラシ２０と同一のブラシボディ２１を有している。ブラシボディ２１の接触面２４には、研磨機構２９が備えられている。

研磨機構２９は、図１に示した炭素ブラシ２０の研磨機構２５と異なり、接触面２４に対して平面平行に形成された摩擦接触面３０を有している。このため、摩擦接触面３０は、平坦に構成された炭素ブラシ２０の摩擦接触面３１と異なり、整流子が円筒状に構成されている場合に、整流子の接触表面と、最初から面全体で噛み合うようになる。

図３は、他の一実施形態としての、炭素ブラシ３２を示す図である。本実施形態の炭素ブラシ３２は、炭素ブラシ２０（図１）および炭素ブラシ２８（図２）と同一のブラシボディ２１を有しており、ブラシボディ２１の接触面２４には研磨機構３３が備えられている。研磨機構３３は、砥粒２７が直接位置決めされて接合剤３４内に収容されていない点において、研磨機構２５または２９と異なる構成を有している。砥粒２７が位置決めされて接合剤３４内に収容されていないので、砥粒２７を接触面２４上に対して位置決めするために、接合剤３４とは無関係に構成された位置決め構造体３５が役立っている。位置決め構造体３５は、基板の形をした支持部材、例えば、不織布、特に紙から形成された支持板から構成されていてもよい。この支持板の表面には、砥粒２７が接着材料３６の中に埋め込まれた状態で配置されている。

図３に示した炭素ブラシ３２の実施形態は、位置決め構造体３５を、位置決め構造体３５の上に付着した砥粒２７と一緒に、別個に操作可能なユニットとして事前に組み立て可能であるという利点を有している。この別個に操作可能なユニットは、例えば、接触面２４の上に接合剤３４によって配置される、いわゆる「研磨紙」にも当てはまる。

図４は、炭素ブラシ３７を示す図である。炭素ブラシ３７は、炭素ブラシ３２と比べると、異なる研磨機構５７を有している。研磨機構５７は、位置決め構造体３５と接合剤３４との結合が行われる結合面３８が、ブラシボディ２１の接触面２４に対して平面平行に構成されている点で異なっている。結合面３８が、ブラシボディ２１の接触面２４に対して平面平行に構成されているため、接触面３４に対応して凹状に形成された摩擦接触面３９が生成される。

図５〜図７には、図４に示した炭素ブラシ３７の実施形態に関して、例示的に、ブラシボディ２１の接触面２４の上に研磨機構５７を作成する方法が示されている。ここで用いられる装置には、図５に示すように、塗布ローラー４０が含まれる。塗布ローラー４０は、ローラー表面４１の上に接合剤の膜４２が形成されるように、ここには詳細に示していない接合剤槽の中を回転する。接合剤の膜４２として塗布ローラー４０の上に配置された、接合剤３４を移転するために、ブラシボディ２１を送り軸５８の方向に送る運動が行われる。そして、接触面２４が接合剤の膜４２と接触した後、これに対応して、接触面２４の上に接合剤の膜４２が移転される。

図６から明らかなように、接触面２４の上に配置された接合剤の膜４２の上に砥粒２７を配置するために、第２の塗布ローラー４３が設けられている。この塗布ローラー４３は、ここには詳細に示していない、小さな球の形をした砥粒２７が充填された容器の中を回転して、接着層４４を得る。砥粒２７を、塗布ローラー４３から接触面２４の上に配置された接合剤の膜４２の上へと移転するために、図６に示した送り軸５８の方向において、接合剤の膜４２を備える接触面２４と、塗布ローラー４３のローラー表面４５との間を接触させる。その結果、図７に示した、砥粒２７が付着した接合剤の膜４２の構成が形成される。

図８〜図１０には、構成可能な他の実施形態である炭素ブラシ４６、４７、および４８が示されている。これらの炭素ブラシは、ブラシボディ５９の接触面５２の上に、異なって構成された研磨機構４９、５０、および５１を有している。

図８〜図１０に示された炭素ブラシ４６〜４８は、平坦な接触面５２を有して構成されており、このため特に、円盤形の整流子装置との接触に適している。

図８に示す研磨機構４９は、図中の平面に対して垂直に伸びる、接合剤５４の帯状の構造体５３を有している。ここでは、帯状の構造体５３は、等距離に配置された接合剤の帯５５を有している。砥粒２７は、接合剤５４の帯状の構造体５３とは異なり、面全体に分布された状態で接触面５２の上方に配置されている。図８から明らかなように、研磨機構４９が摩耗すると、これによって、最初は面全体において摩擦接触が生じ、その後、接触面５２に接して、接合剤の帯５５の間の研磨隙間５６によって形成される帯状の摩擦接触が生じる。

図９は、研磨機構５０を示している。研磨機構５０では、図８と同じ様に、接合剤５４が接合剤の帯５５の形に配置されている。図８に示した実施形態と異なる点は、砥粒２７が、接合剤の帯５５の上だけに配置されており、接合剤の帯５５の間には配置されていないことである。このため、研磨機構５０と整流子との間の摩擦接触が始まるとすぐに、帯状の摩擦接触が行われる。

最後に、図１０は研磨機構５１を示している。研磨機構５１では、接合剤５４が、同時に、砥粒２７を空間的に規定して配置するための位置決め構造体を形成するように機能する。

２０，２８，３２，３７，４６，４７，４８ 炭素ブラシ
２１ ブラシボディ
２４，５２ 接触面
２５，２９，３３，４９，５０，５１，５７ 研磨機構
２６，３４，４２，５４ 接合剤
２７ 砥粒
３５ 位置決め構造体

Claims (11)

1. 炭素ブラシ（２０，２８，３２，３７，４６，４７，４８）であって、上記炭素ブラシは、上記炭素ブラシに対して相対的に動く接触構造体、特に電動機の整流子が、炭素含有材料から構成されたブラシボディ（２１）に対して電気的に接触されるものであり、上記ブラシボディの、上記接触構造体側の接触面（２４，５２）には、研磨機構（２５，２９，３３，４９，５０，５１，５７）が設けられており、
   上記研磨機構は、接合剤（２６，３４，４２，５４）と、分布された砥粒（２７）と、を有しており、上記砥粒は、上記接合剤によって、上記接触面の上に配置され、
   上記研磨機構は、上記ブラシボディ（２１）の製造後に、上記ブラシボディの端面上に配置されていることを特徴とする、炭素ブラシ。
2. 上記接合剤（２６，４２）は、上記砥粒（２７）の配置を空間的に規定するための、位置決め構造体として機能することを特徴とする、請求項１に記載の炭素ブラシ。
3. 上記接合剤（３４）は、上記砥粒の配置を空間的に規定する位置決め構造体（３５）と、上記接触面（２４，５２）とを結合するように機能することを特徴とする、請求項１に記載の炭素ブラシ。
4. 少なくとも上記接合剤または上記位置決め構造体は、導電性を有して構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素ブラシ。
5. 少なくとも上記接合剤または上記位置決め構造体には、導電性の添加剤が備えられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素ブラシ。
6. 上記接合剤（５４）は、上記接触面（５２）の上の一部にのみ塗布されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭素ブラシ。
7. 炭素含有材料から構成されるブラシボディ（２１）を用意する工程と、
   上記ブラシボディの接触面（２４，５２）に、上記接触面の上に塗布された接合剤（２６，３４，４２，５４）によって、分布された砥粒（２７）を有する研磨機構（２５，２９，３３，４９，５０，５１，５７）を配置する工程とを有し、
   上記研磨機構は、上記ブラシボディ（２１）の製造後に、上記ブラシボディの端面上に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の炭素ブラシの製造方法。
8. 上記接合剤（２６）を上記接触面（２４，５２）の上に塗布する前に、上記砥粒（２７）を上記接合剤（２６）に供給することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 第１の工程において、上記ブラシボディ（２１）の接触面（２４）の上に上記接合剤（４２）を塗布し、次の工程において、上記砥粒（２７）を上記接合剤（４２）に結合することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
10. 上記砥粒（２７）を上記接合剤（４２）に結合する上記工程を、上記砥粒を砥粒容器から取り出すことによって行うことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 上記砥粒（２７）を上記接合剤（３４）に結合するために、空間的に規定された配置で上記砥粒を有する位置決め構造体（３５）を、上記接合剤の上に載せることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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