JP5542585B2

JP5542585B2 - レジンボンド質カーボンブラシ

Info

Publication number: JP5542585B2
Application number: JP2010191676A
Authority: JP
Inventors: 伸哉芦村; 重由関崎
Original assignee: Aupac Co Ltd
Current assignee: Aupac Co Ltd
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2030-08-30
Also published as: JP2012050276A

Description

本発明は、電動機等に用いられるレジンボンド質カーボンブラシに関する。

一般的に、例えば１００Ｖ以上の電圧で回転数が３万回転を超えるような整流が特に過酷なモータでは、レジンボンド質のカーボンブラシが使用されている。レジンボンド質のカーボンブラシは、ブラシ基材の抵抗率が高く、高い抵抗整流効果が得られるという特性を有する。

しかしながら、レジンボンド質のカーボンブラシは、ブラシ基材の抵抗率が高いことから、整流性能は向上するものの、ブラシ基材の発熱によるモータの効率低下や、発熱に伴うブラシ基材の耐久性の低下という弊害を生ずる。そのため、ブラシ基材の表面に電気良導性の金属皮膜を施したり、ブラシ基材の内部に銅等の電気良導性の電気導体を埋め込む対策が提案されている（特許文献１、２参照）。

特開平５−１８２７３３号公報特許第２８６６７６１号公報

ところで、上記レジンボンド質のカーボンブラシの対策は、ブラシ基材に対して後処理を施すものであるが、これらの後処理はブラシの摺動性能の低下を伴うものであり、ブラシ基材の持つ整流性能を十分に発揮させる事が出来ていない。そのため本質的なブラシ基材の構造自体を改良し、摺動性能やモータ効率低下を引き起こす事無く、カーボンブラシの耐久性を向上させることが求められている。

本発明は上記課題に鑑み提案するものであって、ブラシ基材の構造を改良し、ブラシ基材の発熱を抑制しつつ、整流性能を大幅に向上させることで、モータ効率の低下を発生させること無く、ブラシ寿命を飛躍的に向上させることが出来る、レジンボンド質のカーボンブラシを提供する事を目的とする。

本発明のレジンボンド質カーボンブラシは、低抵抗率層と高抵抗率層の異なる二層のレジンボンド質のカーボン材料でブラシ基材が構成され、整流子の回転方向入口側に前記低抵抗率層が配設され、前記整流子の回転方向出口側に前記高抵抗率層が配設され、前記整流子との摺動接触面における前記高抵抗率層の面積比率が、前記摺動接触面全体に対して３０％以下に設定され、前記低抵抗率層及び前記高抵抗率層の整流子軸と平行方向の抵抗率が、略電気通電方向の抵抗率に対して、それぞれ３倍以上であることを特徴とする。
この構成によれば、抵抗発熱によるブラシ発熱を低抵抗率側ブラシ材質で抑制することが出来ると共に、モータ効率低下を防止することが可能となる。また高抵抗率側ブラシ材質により整流性能を向上させることが出来る。またブラシ抵抗率に異方性を持たせることで、ブラシ発熱の抑制やモータ効率の低下防止効果を最大限に引き出すことが可能となり、ブラシの摺動安定性の向上にも寄与する。また、ブラシの発熱を抑制してブラシ寿命を飛躍的に向上させることができる。

本発明のレジンボンド質カーボンブラシは、通電用のリード線が前記低抵抗率層側に接続されていることを特徴とする。
この構成によれば、電気が流れ易くして通電性の向上を図ることができる。

本発明のレジンボンド質カーボンブラシは、前記低抵抗率層及び前記高抵抗率層が、それぞれ整流子軸と平行方向に加圧して成形されていることを特徴とする。
この構成によれば、低抵抗率層と高抵抗率層がそれぞれ整流子軸と平行方向に加圧して形成されていることにより、ブラシ基材の押し固めの方向を整流子の回転方向に倣うようにすることができ、摺動性能を飛躍的に向上することができ、ブラシ基材の持つ整流性能を最大限に発揮させる事が出来る。

本発明のレジンボンド質カーボンブラシの製造方法は、上記レジンボンド質カーボンブラシの製造方法であって、雌金型内に仕切板を挿入して仕切り、前記仕切板の一方側と他方側の雌金型内に低抵抗率層と高抵抗率層の原料粉末をそれぞれ充填する工程と、前記雌金型内から仕切板を抜き出す工程と、前記仕切板を抜き出した方向から前記低抵抗率層と前記高抵抗率層の原料粉末を加圧成形する工程と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、本発明の効果を有するレジンボンド質カーボンブラシを、簡単且つ確実に製造することができる。

本発明によれば、ブラシ基材の構造自体を積層構造に改良することにより、モータ効率やブラシ摺動性能の低下を伴う事無く、ブラシ基材の持つ整流性能や摺動性能を最大限に発揮させる事が可能となり、ブラシ寿命ひいてはモータ寿命を飛躍的に延ばす事が可能となる。

（ａ）は本発明による実施形態のレジンボンド質カーボンブラシの斜視説明図、（ｂ）はそのブラシ基材の断面図。実施形態のレジンボンド質カーボンブラシを整流子に接触させた状態を示す斜視説明図。実施例のレジンボンド質カーボンブラシを製造する金型を示す斜視図。（ａ）は図３の金型の雌金型への仕切板の挿入を説明する斜視説明図、（ｂ）はその仕切板が雌金型に挿入された状態の斜視説明図、（ｃ）はその断面説明図。（ａ）は仕切板が挿入された金型内に原料粉末を充填した状態を示す斜視図、（ｂ）はその断面説明図。（ａ）は図５の金型からの仕切板の取り外しを説明する断面説明図、（ｂ）は仕切板を取り外した雌金型への雄金型上パンチの挿入を説明する断面説明図、（ｃ）は金型で原料粉末を加圧成形した状態を示す断面説明図、（ｄ）は雄金型上パンチの取り外しを説明する断面説明図、（ｅ）は成形体の取り外しを説明する断面説明図、（ｆ）は実施例のレジンボンド質カーボンブラシを整流子に接触させた状態を示す斜視説明図。（ａ）は比較例１のレジンボンド質カーボンブラシを製造する金型を示す斜視図、（ｂ）は金型内に原料粉末を充填した状態を示す断面図、（ｃ）は金型で原料粉末を加圧成形した状態を示す断面説明図、（ｄ）は雄金型上パンチ及び成形体の取り外しを説明する断面説明図、（ｅ）は比較例１のレジンボンド質カーボンブラシを整流子に接触させた状態を示す斜視説明図。（ａ）は比較例２、３のレジンボンド質カーボンブラシを製造する金型を示す斜視図、（ｂ）は金型内に原料粉末を充填した状態を示す断面図、（ｃ）は金型で原料粉末を加圧成形した状態を示す断面説明図、（ｄ）は雄金型上パンチ及び成形体の取り外しを説明する断面説明図、（ｅ）は比較例２、３のレジンボンド質カーボンブラシを整流子に接触させた状態を示す斜視説明図。

〔実施形態のレジンボンド質カーボンブラシ〕
本発明による実施形態のレジンボンド質カーボンブラシについて図面を参照して説明する。図１（ａ）は実施形態のレジンボンド質カーボンブラシの斜視説明図、図１（ｂ）はそのブラシ基材の断面図、図２は実施形態のレジンボンド質カーボンブラシを整流子に接触させた状態を示す斜視説明図である。

本実施形態のレジンボンド質カーボンブラシ１は、図１に示すように、ブラシ基材２と、ブラシ基材２に取付けられて接続されている通電用のリード線３とを備える。ブラシ基材２は、低抵抗率層２１と高抵抗率層２２の異なる二層のレジンボンド質のカーボン材料で構成されており、リード線３は低抵抗率層２１に固定され接続されている。尚、リード線３は高抵抗率層２２に一部接触するなど、低抵抗率層２１側に接続される構成であれば適宜である。

レジンボンド質カーボンブラシ１は、図２に示すように、その摺動接触面４が円柱形の整流子１０の外周面１１に接触するように配置され、低抵抗率層２１が整流子１０の回転方向入口側に位置するように配設され、高抵抗率層２２が整流子１０の回転方向出口側に位置するように配設される。

摺動接触面４における低抵抗率層２１の面積比率は、摺動接触面４の全体に対して７０％以上１００％未満に設定され、摺動接触面４における高抵抗率層２２の面積比率は、摺動接触面４の全体に対して０％超３０％以下に設定されている。また、ブラシ基材２の全体の厚さに対する低抵抗率層２１の厚さは７０％以上１００％未満、好適には７０％以上９０％未満に設定され、高抵抗率層２２の厚さは０％超３０％以下、好適には１０％以上３０％以下に設定される。

低抵抗率層２１と高抵抗率層２２の各々は、例えば黒鉛粉を熱硬化性樹脂からなるバインダーで混錬し、乾燥・粉砕・成形後、熱硬化性樹脂が硬化され且つ炭素化されない温度で焼成されたものであり、それぞれが整流子軸と平行方向に加圧して成形されている（図２の加圧成形方向の一点鎖線矢印参照）。前記方向の加圧により、低抵抗率層２１及び高抵抗率層２２の整流子軸と平行方向の抵抗率は、低抵抗率層２１及び高抵抗率層２２の略電気通電方向の抵抗率に対して、それぞれ３倍以上になっている。

尚、抵抗率の測定は、低抵抗率層及び高抵抗率層をそれぞれ切断分離した後、個々に下記計算式（１）を用いて4端子法で測定した。
抵抗率(μΩ・ｃｍ)＝(V・S)／(I・L) …（１）
V：電圧降下(μV) S：断面積(ｃｍ²) I：電流値(A) L：測定距離(ｃｍ)

〔実施例のレジンボンド質カーボンブラシの実施例と比較例との対比〕
次に、実施例のレジンボンド質カーボンブラシ１及びその比較例との対比について説明する。

実施例１のレジンボンド質カーボンブラシ１の製造では、平均粒径８０μｍの人造黒鉛１００部にエポキシ樹脂と硬化剤２５部を混練し、その後乾燥し粉砕して、低抵抗率層２１の原料粉末Ａを得た。また、平均粒径３０μｍの人造黒鉛１００部にエポキシ樹脂と硬化剤２５部を混練し、その後乾燥し粉砕して、高抵抗率層２２の原料粉末Ｂを得た。そして、図３〜図５に示すように、金型３０の雌金型３１に原料粉末充填分の空間Ｓを作るようにして雄金型下パンチ３２の下死点を調整後、雌金型開口部３１１の面積で８：２の割合になるように雌金型３１のレール部３１２と係合して雌金型３１内に仕切板３３を挿入し、８の割合側に原料粉末Ａを、２の割合側に原料粉末Ｂをそれぞれ投入する。

その後、図６に示すように、仕切板３３を取り除き、雌金型３１の上側より雄金型上パンチ３４を雌金型３１に挿入し、両粉末を加圧成形した。雄金型上パンチ３４を抜き去った後、雄金型下パンチ３２を上昇させ、加圧成形され低抵抗率材と高抵抗率材が８：２の割合で一対となった原料粉末Ａと原料粉末Ｂの成形体を雌金型３１より取り出し二層成形体２５を得た。

この二層成形体２５を２００℃の硬化温度で熱処理をした後、所定の寸法となるよう切削加工を行い、摺動接触面４側と対極の面にリード線３を銅粉止めで取付けた。リード線取付け部は原料粉末Ａで成形された部位とし、これによって実施例１のレジンボンド質カーボンブラシ１を得た（図６（ｆ）の一点鎖線矢印は加圧成形方向）。

また、実施例２のレジンボンド質のカーボンブラシ１の製造は、雌型開口部３１１の面積に対して７：３の割合となるよう雌金型３１内に仕切板３３を挿入し、７の割合側に原料粉末Ａを、３の割合側に原料粉末Ｂをそれぞれ投入し、加圧成形され低抵抗率材と高抵抗率材が７：３の割合で一対となった原料粉末Ａと原料粉末Ｂの成形体を雌金型より取り出し二層成形体２５を得ること以外、実施例１と同様である。

また、実施例３のレジンボンド質のカーボンブラシ１の製造では、平均粒径８０μｍの人造黒鉛１００部にエポキシ樹脂と硬化剤を２５部を混練し、その後乾燥し粉砕して、低抵抗率層２１の原料粉末Ａを得た。また、平均粒径６０μｍの人造黒鉛１００部にエポキシ樹脂と硬化剤を２５部混練し、その後乾燥し粉砕して、高抵抗率層２２の原料粉末Ｃを得た。その他の製造工程は、原料粉末Ｂに代えて原料粉末Ｃとする以外、実施例１と同様にして、実施例３のレジンボンド質カーボンブラシ１を得た。

また、比較例１のレジンボンド質カーボンブラシの製造では、図７に示すように、雌金型３１に原料粉末充填分の空間Ｓを作る様、雄金型下パンチ３２の下死点を調整後、雌金型３１に低抵抗率層の原料粉末Ａを、その上方空間部に高抵抗率層の原料粉末Ｂを重量比で８：２となるように充填した。そして、雌金型３１の上側より雄金型上パンチ３４を挿入し、両粉末を加圧成形した。

雄金型上パンチ３４を抜き去った後、雄金型下パンチ３２を上昇させ、加圧成形され低抵抗率材と高抵抗率材が８：２の割合で一対となった原料粉末Ａと原料粉末Ｂの成形体を雌金型３１より取り出し二層成形体を得た。この二層成形体を２００℃の硬化温度で熱処理をした後、所定の寸法となるよう切削加工を行い、摺動面側と対極の面にリード線を銅粉止めで取付けた。リード線取付け部は原料粉末Ａで成形された部位とし、これによって比較例１のカーボンブラシを得た（図７（ｅ）の一点鎖線矢印は加圧成形方向）。

また、図８に示すように、比較例２のレジンボンド質カーボンブラシの製造では、雌金型３１に原料粉末充填分の空間Ｓを作る様、雄金型下パンチ３２の下死点を調整後、雌金型３１に低抵抗率層の原料粉末Ａを充填した。そして、雌金型３１の上側より雄金型上パンチ３４を挿入し、粉末を加圧成形した。雄金型上パンチ３４を抜き去った後、雄金型下パンチ３２を上昇させ、加圧成形された原料粉末Ａの成形体２６を得た。この成形体を２００℃の硬化温度で熱処理をした後、所定の寸法となるよう切削加工を行い、摺動接触面側と対極の面にリード線を銅粉止めで取付け比較例２のカーボンブラシを得た（図８（ｅ）の一点鎖線矢印は加圧成形方向）。

また、比較例３のレジンボンド質カーボンブラシの製造では、低抵抗率層の原料粉末Ａに代えて雌金型３１に高抵抗率層の原料粉末Ｂを充填すること以外、比較例２と同様である。

上記実施例１〜３及び比較例１〜３について、通電方向に対して平行方向の抵抗率、整流子軸に対して平行方向の抵抗率、ブラシ寿命、モータ効率を実験結果を表１に示す。表１から明らかなように、実施例１〜３は、低抵抗率層２１及び高抵抗率層２２の整流子軸と平行方向の抵抗率は、通電方向の抵抗率に対して、それぞれ３倍以上であると共に、ブラシ寿命が非常に長くなっており、耐久性に優れている。また、比較例１では、ブラシ寿命が短く、整流子軸と平行方向の抵抗率が略電気通電方向の抵抗率と同等では、高抵抗率層と低抵抗率層の積層ブラシであっても耐久性が向上しないことを示している。

〔実施形態の変形例等〕
本明細書開示の発明には、各発明や実施形態等の構成の他に、これらの部分的な構成を本明細書開示の他の構成に変更して特定したもの、或いはこれらの構成に本明細書開示の他の構成を付加して特定したもの、或いはこれらの部分的な構成を部分的な作用効果が得られる限度で削除して特定した上位概念化したものも含まれる。

本発明は、電動機等に用いられるカーボンブラシとして利用することができる。

１…レジンボンド質カーボンブラシ２…ブラシ基材２１…低抵抗率層２２…高抵抗率層３…リード線４…摺動接触面１０…整流子１１…外周面２５…二層成形体２６…成形体３０…金型３１…雌金型３２…雄金型下パンチ３１１…雌金型開口部３１２…レール部３３…仕切板３４…雄金型上パンチＳ…原料粉末充填空間

Claims

低抵抗率層と高抵抗率層の異なる二層のレジンボンド質のカーボン材料でブラシ基材が構成され、
整流子の回転方向入口側に前記低抵抗率層が配設され、
前記整流子の回転方向出口側に前記高抵抗率層が配設され、
前記整流子との摺動接触面における前記高抵抗率層の面積比率が、前記摺動接触面全体に対して３０％以下に設定され、
前記低抵抗率層及び前記高抵抗率層の整流子軸と平行方向の抵抗率が、略電気通電方向の抵抗率に対して、それぞれ３倍以上であることを特徴とするレジンボンド質カーボンブラシ。
通電用のリード線が前記低抵抗率層側に接続されていることを特徴とする請求項１記載のレジンボンド質カーボンブラシ。
前記低抵抗率層及び前記高抵抗率層が、それぞれ整流子軸と平行方向に加圧して成形されていることを特徴とする請求項１又は２記載のレジンボンド質カーボンブラシ。