JP7279430B2

JP7279430B2 - 直流モータ

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Publication number: JP7279430B2
Application number: JP2019046304A
Authority: JP
Inventors: 崇平林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: JP2020005490A

Description

本発明は、エンジンを始動させるスタータに用いられる直流モータに関するものである。

近年、アイドリングストップ車が普及し、車両のエンジンをスタータによって始動させる回数が増えている。そのため、スタータに用いる直流モータのブラシの長寿命化が望まれており、ブラシの摩耗対策として種々の方法が開発されている。また、ブラシの摺動相手である整流子においても摩耗対策として、整流子の表面硬さを硬くすることが望まれている。例えば、特許文献１には、整流子の表面に、スパッタリング法やイオンプレーティング法により、ＴｉやＴａの窒化物又は炭化物を主成分とする１μｍ～２μｍの厚さの硬質被覆層を形成する技術が開示されている。

特開昭５９－１８５１３８号公報

上記特許文献１の整流子の表面には、１μｍ～２μｍの硬質被覆層が形成されているものの、耐久性に乏しく、長期間に亘って硬質被覆層を維持し続けることができない。つまり、ブラシだけでなく、整流子側の摩耗も課題となる。また、スパッタリング法やイオンプレーティング法では、生産性が低く、材料費が高いため、生産コストが高くなってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、整流子の摩耗を抑制することができる直流モータを提供することにある。

第１の手段は、エンジンを始動させるスタータ（Ｓ）に用いられる直流モータ（４０）であって、銅又は銅９９％以上の銅合金で形成された整流子（２０）と、前記整流子の表面（２０Ａ）に摺接するブラシ（３０）と、を備え、前記ブラシは、黒鉛と、銅粉と、金属硫化物固体潤滑剤とを含んだ焼結体によって構成されており、前記焼結体に含まれる前記銅粉の量は、該焼結体の３０～７０質量％であり、前記金属硫化物固体潤滑剤として、二硫化タングステンを前記焼結体の６．５質量％以上含んでいる。

従来、整流子とブラシとの間の摺動によって、ブラシの黒鉛を整流子に転写させ、整流子の表面に黒鉛被膜を形成するようにしたスタータが知られている。この黒鉛被膜は、ブラシと整流子の間の火花の発生を抑制している。しかしながら、従来の黒鉛被膜自体の硬さはさほどないことから、整流子を摩耗から防ぐためにはあまり役に立っていない。

また、ブラシと整流子の間の摺動性を向上させるための潤滑剤として、二硫化タングステン等の金属硫化物固体潤滑剤が用いられている。しかしながら、潤滑剤として金属硫化物固体潤滑剤を用いる場合には、ブラシの５質量％以下しか添加していない。なぜなら、一般的な技術常識では、潤滑剤としての性能を金属硫化物固体潤滑剤に発揮させるためには、その添加量がブラシの５質量％以下で十分であるとされているからである。

本願の発明者は、より摩耗耐性を上げるための実験を繰り返した結果、二硫化タングステンを従来では想定しなかった割合以上配合することで、黒鉛被膜の硬さが黒鉛等の転写だけではない硬さになることに気が付いた。具体的には、二硫化タングステンを焼結体の６．５質量％以上配合してブラシを構成することとした。この状態で、直流モータを作動させると、通電による発熱や摺動によって、二硫化タングステンがタングステンカーバイドという硬質化合物に変化する。その結果、黒鉛被膜にタングステンカーバイドが含まれることになり、従来にはない硬さの黒鉛被膜が形成される。

この黒鉛被膜は、予め整流子に形成するものではなく、直流モータの作動により形成されるものである。そのため、低コストで形成することができる。また、ブラシと整流子との摺動により形成され続けるため、ブラシ寿命になるまで黒鉛被膜を維持することができる。

また、ブラシからの転写により形成された黒鉛被膜の主成分は黒鉛で、潤滑剤である二硫化タングステンのままの状態のものも存在している。そのため、形成された黒鉛被膜は潤滑性にも優れている。このように、硬さと潤滑性を有する黒鉛被膜が直流モータの作動により形成されることで、整流子の摩耗を抑制することができ、整流子の寿命を向上することができる。また、整流子の摩耗を抑制することで、整流子の偏摩耗による形状精度、すなわち、円筒整流子の場合には、真円度、フェイス整流子の場合には平面度の悪化も抑制できる。そのため、形状精度悪化による火花を抑制できるため、ブラシ側の寿命を延ばすこともできる。

第２の手段は、前記金属硫化物固体潤滑剤として、前記二硫化タングステンを前記焼結体の７質量％以上含んでいる。

二硫化タングステンの割合を焼結体の７質量％以上に増加させることで、さらに硬質化物質の生成を促進し、黒鉛被膜の硬さを上げることができる。そのため、整流子の摩耗をさらに抑制できる。

第３の手段は、前記金属硫化物固体潤滑剤として、二硫化モリブデンを前記焼結体の２質量％以上含んでいる。

焼結体に二硫化タングステンを所定割合以上含んだ状態で、二硫化モリブデンをさらに所定割合以上含むと、整流子とブラシとの摺動によりモリブデンカーバイドも生成される。二硫化モリブデンによってモリブデンカーバイドが生成される場合には、二硫化タングステンだけの場合よりも、より硬質な黒鉛被膜が整流子表面に形成される。そのため、整流子の摩耗をさらに抑制できる。

第４の手段は、前記焼結体は、さらに亜鉛を含んでおり、前記焼結体の銅量が４５質量％以下であり、かつ前記亜鉛の質量％を前記金属硫化物固体潤滑剤の総質量％で割った値が０．３以上になっている。

従来、高温・高湿度環境下での銅の酸化を防ぐために、亜鉛を含む黄銅を添加することが行われている。その場合の黄銅の添加量は、一般的に５～６質量％程度である。ところで、第１の手段のように、金属硫化物固体潤滑剤の含有量が多くなると、高温・高湿度環境下での金属硫化物固体潤滑剤に含まれる硫黄分による銅の硫化が顕著になる。特に、銅量が少ない場合（４５質量％以下の場合）には、硫化によってブラシ抵抗が大幅に増加する。

そこで、銅量が４５質量％以下の場合には、亜鉛の質量％を金属硫化物固定潤滑剤の総質量％で割った値が０．３以上になる、つまり亜鉛の質量％が金属硫化固定潤滑剤の総質量％の０．３倍以上になるように、亜鉛を配合している。銅よりも亜鉛の方が硫化されやすいため、亜鉛を所定以上加えることで、銅量が４５質量％以下の場合であっても、銅の硫化による抵抗の増加を抑制できる。そのため、ブラシの抵抗が増加することを抑制しつつ、整流子の摩耗を抑制することができる。

第５の手段は、前記焼結体は、さらに黄銅を含んでおり、前記焼結体の銅量が４５質量％以下であり、かつ前記黄銅の質量％を前記金属硫化物固体潤滑剤の総質量％で割った値が０．８以上になっている。

金属硫化物固体潤滑剤の含有量が多く、かつ、銅量が少ない場合（４５質量％以下の場合）には、硫化によってブラシ抵抗が大幅に増加する。そのため、そこで、銅量が４５質量％以下の場合には、黄銅の質量％を金属硫化物固定潤滑剤の総質量％で割った値が０．８以上になる、つまり黄銅の質量％が金属硫化固定潤滑剤の総質量％の０．８倍以上になるように、黄銅を配合している。黄銅に含まれる亜鉛の方が、銅よりも硫化されやすいため、銅量が４５質量％以下の場合であっても、銅の硫化による抵抗の増加を抑制できる。そのため、ブラシの抵抗が増加することを抑制しつつ、整流子の摩耗を抑制することができる。

第６の手段は、前記ブラシは、前記整流子の回転方向に並べて配置された第１層（３１）と第２層（３２）とを有する多層ブラシであって、前記第１層は、前記二硫化タングステンを６．５質量％以上含む前記焼結体であって、前記第２層は、前記第１層より薄く、前記銅量の割合が小さくなっており、前記二硫化タングステンを含んでいない。

火花の発生を抑えるため、他の層に比べて銅量の少ない第２層が用いられている。二硫化タングステンは二硫化モリブデンに比べて吸水性が高いため、銅量が少なく薄い第２層に二硫化タングステンを含有させると、高湿度環境下では、第２層内への吸水量がより多くなる。そして、高抵抗である第２層の通電発熱により第２層内の水分が急激に水蒸気化した場合に、ブラシの割れに繋がることがある。そこで、第２層には、二硫化タングステンを含まないものとした。このように、第２層には二硫化タングステンを含有しなくても、第１層で十分な硬質化合物を形成できるため、整流子を摩耗から保護できる。

スタータの一部切欠断面図整流子の部分拡大断面図直流モータへ結線される始動回路の構成例を示す図ブラシと整流子との摺動状態を示す模式図整流子表面及びブラシの含有成分を示す模式図ＳＥＭによる整流子表面及び黒鉛被膜の断面写真ＴＥＭによる黒鉛被膜の拡大断面写真被膜表面からの深さと硬度の関係を示す図二硫化タングステン含有量と黒鉛被膜硬度の関係を示す図二硫化モリブデン含有量と黒鉛被膜硬度の関係を示す図高温・高湿度環境下に放置後の銅量とブラシ抵抗の関係を示す図黄銅添加量比率とブラシ抵抗の関係を示す図スタータの作動回数と表面硬度との関係を示す図

以下、車両のエンジンを始動するスタータとして具体化した構成について、図面に基づいて説明する。本実施形態のスタータは、アイドリングストップシステムを搭載した車両に用いられることが想定されている。

図１は、スタータＳの概略構成図である。スタータＳは、直流モータ４０と、直流モータ４０の回転を減速してピニオンギヤ７３に伝達する減速部５０と、直流モータ４０への電力の供給のスイッチとなるマグネットスイッチ６０とを備えている。減速部５０は、例えば、遊星歯車機構等により構成されている。

マグネットスイッチ６０は、励磁コイルと、励磁コイルの内周に摺動自在に設けられたプランジャと、固定鉄心と、プランジャに保持された可動接点と、蓄電池端子６１及びもう一方の端子のそれぞれのマグネットスイッチ６０内側に設けられた１組の固定接点とを備えている。励磁コイルは、例えばユーザのキー操作によってＩＧスイッチがオン操作されることにより、スタータＳの外部の蓄電池８０から図示されていないスイッチ端子に給電されてソレノイドに通電する。ソレノイドに通電されると、プランジャが固定鉄心に吸引されてシフトレバー７１がピニオンギヤ７３を直流モータ４０とは反対側に押し出して、エンジンのリングギヤとピニオンギヤ７３とが噛合う。また、プランジャが吸引されることで、可動接点が一組の固定接点に当接する。可動接点と固定接点とが当接すると、蓄電池端子６１及びもう一方の端子を経由して直流モータ４０にも通電され、直流モータ４０の回転が、減速部５０及びワンウェイクラッチ７２を介してピニオンギヤ７３に伝達される。

直流モータ４０は、電機子である回転子１０を備えており、回転子１０には、その中心に設けられた回転軸１２と、回転軸１２を中心としてコイル１５が設けられている。回転軸１２には、コイル１５に接続される整流子２０が設けられている。また、直流モータ４０の界磁方式は、磁石界磁式となっており、界磁のための磁石１６がヨークの内周面に固定されている。そして、磁石１６の内側に回転子１０のコイル１５が配置されている。

図１及び図２を用いて、整流子２０について説明する。図２は、整流子２０の部分拡大断面図である。整流子２０には、周方向に等間隔で複数のセグメント２１が設けられており、各セグメント２１が各コイル１５に接続されている。また、整流子２０は、銅又は銅９９％以上の銅合金で形成されている。より具体的には、銀入り銅やリン脱酸銅により形成されている。なお、整流子２０は、その露出する表面２０Ａ及びその導通に係る部分が、銅又は銅合金で形成されていればよい。

整流子２０の表面２０Ａには、ブラシ３０が摺接している。整流子２０のブラシ３０との摺動面には、凹凸形状を有する凹凸部２２が設けられている。凹凸部２２は、ブラシ３０の摺動方向と平行に形成されており、凹凸部２２によって、ブラシ３０の摺動接触状態を安定させることができ、火花の発生を抑制することができる。

整流子２０には、ブラシ３０を介して蓄電池８０から電力が供給されており、ブラシ３０から供給された電力をコイル１５に供給する。コイル１５に電力が供給されることにより、回転子１０が回転する。この直流モータ４０は、例えば無負荷運転時における整流子２０が３０ｍ／ｓよりも速い周速で回転する。

次に、図３を用いて、直流モータ４０への電力供給のための回路について説明する。図３は、マグネットスイッチ６０を経由して直流モータ４０へ結線される始動回路８１の構成を示す図である。従来、スタータＳへの電力供給は、１個の鉛蓄電池を用いることが多かった。１個の鉛蓄電池を用いた始動回路では、開放電圧が１１～１４Ｖの範囲で、配線抵抗及び蓄電池の内部抵抗を合わせた回路抵抗は、６～８ミリΩ程度が主流である。

一方、近年では、軽量化や充電効率を向上するために、蓄電池８０として、リチウムイオン蓄電池等を用いている。例えば、蓄電池８０として、図３（ａ）のようにリチウムイオン蓄電池（ＬｉＢ）を有する構成、図３（ｂ）のように２個の鉛蓄電池（ＰｂＢ）を並列に接続した構成、図３（ｃ）のようにリチウムイオン蓄電池と鉛蓄電池を並列に接続した構成等が用いられている。これらの蓄電池８０では、開放電圧が１１～１４Ｖの範囲で、配線抵抗Ｒｗ及び蓄電池８０の内部抵抗Ｒｂを合わせた回路抵抗Ｒが５ｍΩ未満となる。そのため、これらの蓄電池８０を用いると、直流モータ４０への印加電圧が大きくなり、直流モータ４０の回転速度も上昇する。本実施形態の直流モータ４０として、例えば、常温始動時の印加電圧が１２Ｖ程度で、直流モータ４０作動時の電流として１００Ａ以上流れることがあるものを使用している。

本実施形態の直流モータ４０では、火花による摩耗が発生しやすいおそれがある。一般的に、巻線磁界式よりも、本実施形態の直流モータ４０のような磁石磁界式の方が、整流子２０とブラシ３０との間の火花発生が多くなり、摩耗も多くなる。また、リチウムイオン蓄電池等を用いる始動回路８１では、直流モータ４０の回転速度が上昇するため、整流子２０とブラシ３０との間の火花発生が多くなり、摩耗も多くなる。

また、火花発生が多くなることによって、凹凸部２２が削れやすくなるおそれがある。一般的に、凹凸部２２は、整流子２０とブラシ３０との間の摺動によって、凹凸部２２が徐々に損耗し、それに伴いブラシ３０の摺動接触安定化の効果も徐々に低下する。特に、本実施形態のように、火花が発生しやすい構成では、早期に凹凸形状が損耗してしまい、ブラシ３０の摺動接触安定化の効果が早期に失われる。

そこで、本実施形態では、整流子２０とブラシ３０との摺動により、整流子２０の表面２０Ａに硬質化物質を含有する黒鉛被膜２５が形成されるようなブラシ３０の構成としている。図４及び図５を用いて、ブラシ３０の構成について説明する。図４は、ブラシ３０と整流子２０との摺動状態を示す模式図であり、図５は、整流子２０の表面２０Ａ及びブラシ３０の含有成分を示す模式図である。図４及び図５の矢印は、ブラシ３０に対する整流子２０の摺動方向を示している。

ブラシ３０は、黒鉛及び銅等を含んだ焼結体によって構成されている。ブラシ３０は、その側面に外部に接続するピグテール３５が埋め込まれている。ブラシ３０は、整流子２０の回転方向に並べて配置された第１層３１と第２層３２とを有する多層ブラシである。整流子２０の回転時には、各セグメント２１に対して、第１層３１が先に接触し、それに続いて第２層３２が接触するようになっている。その場合に、各セグメント２１に第２層３２が最後に接触するようになっている。第１層３１は、銅の含有率が高く抵抗値が低い層である一方、第２層３２は、銅の含有率が第１層３１よりも低く第１層３１よりも抵抗値が高い層となっており、第２層３２は第１層３１よりも薄くなっている。具体的には、第１層３１の銅粉の量（以下、「銅量」と記す）が焼結体の３０～７０質量％である一方、第２層３２の銅量が、焼結体の１０～３０質量％である。

ブラシ３０の第１層３１は、金属硫化物固体潤滑剤として、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）及び二硫化タングステン（ＷＳ２）を含有していることが望ましい。なお、第２層３２は、金属硫化物固体潤滑剤として、二硫化モリブデンを含有し、かつ二硫化タングステンを含有していないことが望ましい。

黒鉛と二硫化タングステン及び二硫化モリブデンを含有したブラシ３０の第１層３１を整流子２０に摺動すると、整流子２０の表面２０Ａに、黒鉛を主成分とした黒鉛被膜２５が形成される。この黒鉛被膜２５は、ブラシ３０と整流子２０との間の火花の発生を抑制可能であって、摩耗を抑制する硬さを有している。具体的には、黒鉛被膜２５には、黒鉛の他に、金属硫化物固体潤滑剤である二硫化タングステン及び二硫化モリブデンが転写されて含まれている。また、金属硫化物固体潤滑剤である二硫化タングステン及び二硫化モリブデンが黒鉛と反応して形成された硬質化合物、具体的には、モリブデンカーバイド（Ｍｏ２Ｃ），タングステンカーバイド（Ｗ２Ｃ）等の炭化物が黒鉛被膜２５には含まれている。

図６は、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）による整流子２０の表面２０Ａ及び黒鉛被膜２５の断面写真である。図６に示すように、直流モータ４０が作動した後の状態では、整流子２０の表面２０Ａに黒鉛被膜２５が形成されていることがわかる。

また、図７は、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）による黒鉛被膜２５の拡大断面写真である。図７において、破線で囲った「Ｉ」は、硬質化物質であるモリブデンカーバイドやタングステンカーバイドを示している。実線で囲った「ＩＩ」は、金属硫化物固体潤滑剤である二硫化モリブデンや二硫化タングステンを示している。一点鎖線で囲った「ＩＩＩ」は、整流子２０の母材又はブラシ３０由来の銅を示している。この断面写真に示すように、黒鉛被膜２５には、黒鉛の他に、硬質化物質、金属硫化物固体潤滑剤、銅等が含有されている。また、図７に示すように、黒鉛被膜２５の主成分は黒鉛で、潤滑剤である二硫化タングステンのままの状態のものも存在している。そのため、形成された黒鉛被膜２５は潤滑性にも優れている。

次に、整流子２０の表面２０Ａに形成された黒鉛被膜２５について、被膜表面２５Ａからの深さと硬度との関係について説明する。図８は、黒鉛被膜２５の被膜表面２５Ａからの深さと硬度との関係を示す図である。図８で、実線は、本実施形態による硬質化合物を含有する黒鉛被膜２５の硬度を示し、破線は、黒鉛被膜２５が形成されていない整流子２０の硬度を示している。また、二点鎖線は、硬質化合物単体での硬度を示している。

ここで、図８に示す黒鉛被膜２５の硬度の測定方法について説明する。黒鉛被膜２５の硬度は、ナノインデンテーション測定の連続剛性測定方法（装置：Nano Indenter XP、MTS system社）により評価された。具体的には、被膜表面２５Ａにダイヤモンド製三角錐型圧子（バーコビッチ圧子）が、歪み速度一定０．０５／ｓ、Ｚ方向圧子振動周波数４５Ｈｚで押し込まれた際の荷重変位曲線を解析し、硬度の深さ方向プロファイルが得られた。なお、黒鉛被膜２５の硬度評価前に標準資料である融解石英で測定を実施し、深さ１００ｎｍ以上にて硬度９．５ＧＰａ±５％の解析結果が得られることが確認された。

押し込みが深くなるに従って整流子２０の母材である銅の硬度が検出され、硬度が低下するため、押し込みが浅い領域に現れる硬度平坦域の値を黒鉛被膜２５の硬度として検出した。測定は、整流子２０の１つのセグメント２１の黒鉛被膜２５の堆積部における摺動方向における前方（セグメント２１の幅の前半部分）の中で、縦横所定以上の間隔（例えば、縦横５００μｍ以上の間隔）をあけて、１試料につき数十箇所（例えば、２０箇所から５０箇所程度）で実施された。全測定データは、所定深さ（例えば、１５０ｎｍ）における硬度のばらつきの幅が最も小さくなるように所定数まで順次除かれ、さらに平均化処理された。

硬質化合物を含有する黒鉛被膜２５の硬度は、従来の黒鉛のみの黒鉛被膜の硬度や整流子２０の母材の硬度よりも高く、硬質化合物自体の硬度よりも低い。また、黒鉛被膜２５の硬度は、深さがますにつれ、整流子２０の母材である銅の硬度に漸近する。

次に、ブラシ３０の第１層３１を形成する焼結体の配合割合について、図９から図１２を用いて説明する。図９は、二硫化タングステン含有量と黒鉛被膜２５の硬度の関係を示す図であり、図１０は、二硫化タングステンを所定割合含有させた状態で、二硫化モリブデン含有量と黒鉛被膜２５の硬度の関係を示す図である。図１１は、高温・高湿度環境下に放置後の銅量とブラシ抵抗の関係を示す図であり、図１２は、高温・高湿度環境下に放置後の黄銅添加量比率とブラシ抵抗の関係を示す図である。

従来、ブラシ３０と整流子２０の間の摺動性を向上させるための潤滑剤として、二硫化タングステン等の金属硫化物固体潤滑剤が用いられている。しかしながら、潤滑剤として金属硫化物固体潤滑剤を用いる場合には、ブラシの５質量％以下しか添加していない。なぜなら、一般的な技術常識では、潤滑剤としての性能を金属硫化物固体潤滑剤に発揮させるためには、その添加量がブラシの５質量％以下で十分であるとされているからである。

しかしながら、図９に示すように、従来からの金属硫化物固体潤滑剤としての二硫化タングステンの添加量では、黒鉛被膜の硬度の向上には寄与していない。一方、本実施形態のように、二硫化タングステンを第１層３１の焼結体の６．５質量％以上、より好ましくは、７質量％以上配合する。この状態で、直流モータ４０を作動させると、通電による発熱や摺動によって、二硫化タングステンが黒鉛と反応してタングステンカーバイドという硬質化合物に変化する。その結果、黒鉛被膜に硬質なタングステンカーバイドが含まれることになり、従来にはない硬さの黒鉛被膜が形成される。

また、図１０に示すように、二硫化タングステンを所定割合、具体的には７．２質量％配合した状態で、二硫化モリブデンを添加した場合について説明する。二硫化モリブデンを第１層３１の焼結体の２質量％以上配合する。この状態で、直流モータ４０を作動させると、通電による発熱や摺動によって、二硫化モリブデンが黒鉛と反応してモリブデンカーバイドという硬質化合物に変化する。その結果、黒鉛被膜にタングステンカーバイドに加えてモリブデンカーバイドが含まれることになり、タングステンカーバイドだけを含んだ黒鉛被膜よりも硬質な黒鉛被膜が形成される。なお、図１０において、二硫化タングステンを所定割合配合しているため、二硫化モリブデンの含有量が２質量％より小さい領域であっても、黒鉛被膜に必要な硬度は確保できている。また、二硫化タングステンの質量は二硫化モリブデンの質量よりも多い方が望ましく、二硫化タングステンの質量は、二硫化モリブデンの質量の３倍程度になるのがさらに望ましい。また、金属硫化物固定潤滑剤の総質量は、黒鉛の総質量よりも少ない方が望ましい。

本実施形態のように、ブラシ３０における金属硫化物固体潤滑剤の含有量が多くなると、ブラシ３０の抵抗値が増大する懸念がある。近年、アイドリングストップシステムに用いられるスタータＳの直流モータ４０では、ブラシ３０から直流モータ４０に流れる電流量を制限するため、ブラシ３０の銅含有量を減少させることが行われている。このような銅量を制限した状態では、銅の酸化等による抵抗値の増大の影響が大きい。そこで、高温・高湿度環境下での銅の酸化を防ぐために、亜鉛を含む黄銅を添加することが行われている。その場合の黄銅の添加量は、一般的に５～６質量％程度である。

また、ブラシ３０内に金属硫化物固体潤滑剤の含有量が多いと、銅が硫化して、ブラシ３０の抵抗値が増加するおそれがある。そこで、金属硫化物固体潤滑剤の含有量が７．２％で、黄銅含有量５．４質量％のブラシにおける銅量を変化させて、高温・高湿度環境下で長時間放置後、具体的には、８０℃、湿度９０％環境下で２５０時間放置後のブラシ抵抗を測定した。その測定結果を図１１に示している。図１１に示すように、銅量が４５質量％以下の場合には、銅の硫化の影響が大きくなり、抵抗値が増加している。また、この場合に従来の黄銅、つまり亜鉛の添加量では、硫化が防げていないことがわかる。

そこで、銅量４５質量％で、金属硫化物固体潤滑剤の含有量が７．２質量％のブラシにおいて、黄銅の量を変化させて、高温・高湿度環境下で長時間放置後、具体的には、８０℃、湿度９０％環境下で２５０時間放置後のブラシ抵抗を測定した。その測定結果を図１２に示している。図１２に示すように、黄銅質量％を金属硫化物固体潤滑剤の総質量％で割った値が、０．８以上になると、銅量が４５質量％以下であっても、ブラシ抵抗の増大が抑制できている。例えば、銅量が４５質量％で、二硫化タングステン７．２質量％で、二硫化モリブデン２．１質量％、つまり金属硫化物固体潤滑剤の総質量が９．３質量％の時に、黄銅を７．５質量％添加すると、抵抗値の増大を抑制することができる。なお、この場合に、黄銅に含まれる銅量は、焼結体の銅量には加えていない。

黄銅のうち、亜鉛の成分が銅よりも硫化されやすいため、銅の酸化抑制及び硫化抑制に寄与している。このため、黄銅ではなく、亜鉛の添加量によって、図１２の測定結果を定義することもできる。具体的には、本測定に用いた黄銅における亜鉛の量は、黄銅に対して、約５分の２であった。このため、亜鉛の添加量として定義しなおすと、亜鉛質量％を金属硫化物固体潤滑剤の総質量％で割った値が、０．３以上になると、銅量が４５質量％以下であっても、ブラシ抵抗の増大が抑制できる。

なお、ブラシ３０には、図４に示すように、第１層３１よりも銅量の少ない第２層３２が整流子２０の摺動方向に対して後になるようにして設けられている。抵抗値が高い第２層３２が、整流子２０のセグメント２１との接触が切れる側に配されていることで、火花の発生を抑制することができる。そして、銅量が少なく薄い第２層３２の配合については、第１層３１の配合とは異なっている。第２層３２には、銅量が１０～３０質量％で、潤滑剤として二硫化モリブデンが５質量％程度配合されている。第２層３２には、二硫化タングステンが含有されていない。二硫化モリブデンに対して二硫化タングステンは吸水性が高いため、銅量が少なく薄い第２層３２に二硫化タングステンを含有させると、高湿度環境下では、第２層３２の給水量がより多くなる。そして、高抵抗である第２層３２の通電発熱により第２層３２内の水分が急激に水蒸気化した場合に、ブラシ３０の割れに繋がることがある。このように第２層３２に二硫化タングステンを含有していなくても、第１層３１に含有された二硫化タングステン等で十分な硬質化合物を形成することができる。

次に、以上のような配合で形成されたブラシ３０の第１層３１を用いた場合に、直流モータ４０の作動回数によって、整流子２０の表面硬度がどのように変化するか説明する。図１３は、直流モータ４０の作動回数と整流子２０の表面硬度との関係を示す図である。

スタータＳの作動耐久試験において、数千回作動後に、硬質化合物を含む黒鉛被膜２５が形成されていることが確認された。図１３に示すように、直流モータ４０の作動回数が増加するにつれ、整流子２０の表面に黒鉛被膜２５が形成され、黒鉛被膜２５が形成された整流子２０の表面硬度が徐々に増加すると推定される。このように、直流モータ４０の作動により黒鉛被膜２５が形成されるため、低コストで整流子２０を保護する黒鉛被膜２５を形成することができる。また、ブラシ３０側に黒鉛被膜２５の材料が含まれており、直流モータ４０の作動により黒鉛被膜２５が形成されていくため、ブラシ寿命になるまで黒鉛被膜２５を維持することができる。

このように、硬さと潤滑性を有する黒鉛被膜２５が直流モータ４０の作動により形成されることで、整流子２０の摩耗を抑制することができ、整流子２０の寿命を向上することができる。また、整流子２０の摩耗を抑制することで、整流子２０の偏摩耗による形状精度、すなわち、円筒整流子の場合には、真円度、フェイス整流子の場合には平面度の悪化も抑制できる。そのため、形状精度悪化による火花を抑制できるため、ブラシ３０側の寿命を延ばすこともできる。

また、硬質化合物を含有した黒鉛被膜２５が整流子２０の表面２０Ａに形成されている。そのため、整流子２０の凹凸部２２の凹凸形状の損耗が大幅に抑制され、ブラシ３０の摺動接触安定化の効果を長期間維持することが可能となる。ブラシ３０の寿命向上効果も長期間維持することができる。

なお、ブラシ３０の第１層３１を構成する実施例として、以下の配合が好ましい。ブラシ３０の第１層３１は、銅量４０質量％、二硫化タングステン７．８質量％、二硫化モリブデン２．６質量％、黄銅１０．４質量％、残りが黒鉛と研磨剤等の添加剤による焼結体として構成されることが好ましい。このようなブラシ３０を、常温始動時の印加電圧が１２Ｖ程度で、作動時の電流として１００Ａ以上流れることがある直流モータ４０で用いると、整流子２０の表面２０Ａに良好な黒鉛被膜２５を得ることができた。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

本実施形態では、二硫化タングステンを焼結体の６．５質量％以上配合してブラシ３０の第１層３１を構成している。この状態で、直流モータ４０を作動させると、通電による発熱や摺動によって、二硫化タングステンがタングステンカーバイドという硬質化合物に変化する。その結果、黒鉛被膜２５にタングステンカーバイドが含まれることになり、従来にはない硬さの黒鉛被膜２５が形成される。

この黒鉛被膜２５は、予め整流子２０に形成するものではなく、直流モータ４０の作動により形成されるものである。そのため、低コストで形成することができる。また、ブラシ３０と整流子２０との摺動により形成され続けるため、ブラシ３０の寿命になるまで黒鉛被膜２５を維持することができる。

また、ブラシ３０からの転写により形成された黒鉛被膜２５の主成分は黒鉛で、潤滑剤である二硫化タングステンのままの状態のものも存在している。そのため、形成された黒鉛被膜２５は潤滑性にも優れている。このように、硬さと潤滑性を有する黒鉛被膜２５が直流モータ４０の作動により形成されることで、整流子２０の摩耗を抑制することができ、整流子２０の寿命を向上することができる。また、整流子２０の摩耗を抑制することで、整流子２０の偏摩耗による形状精度、すなわち、円筒整流子の場合には、真円度、フェイス整流子の場合には平面度の悪化も抑制できる。そのため、形状精度悪化による火花を抑制できるため、ブラシ３０側の寿命を延ばすこともできる。

また、第１層３１の二硫化タングステンの割合は、焼結体（第１層３１）の７質量％以上とすることが望ましい。二硫化タングステンの割合を焼結体の７質量％以上に増加させることで、さらに硬質化物質の生成を促進し、黒鉛被膜２５の硬さを上げることができる。そのため、整流子２０の摩耗をさらに抑制できる。

焼結体（第１層３１）に二硫化タングステンを所定割合以上含んだ状態で、二硫化モリブデンをさらに所定割合以上含むと、整流子２０とブラシ３０との摺動によりモリブデンカーバイドも生成される。二硫化モリブデンによってモリブデンカーバイドが生成される場合には、二硫化タングステンだけの場合よりも、より硬質な黒鉛被膜２５が整流子２０の表面２０Ａに形成される。そのため、整流子２０の摩耗をさらに抑制できる。

本実施形態のように、金属硫化物固体潤滑剤の含有量が多くなると、高温・高湿度環境下での金属硫化物固体潤滑剤に含まれる硫黄分による銅の硫化が顕著になる。特に、銅量が少ない場合（４５質量％以下の場合）には、硫化によってブラシ抵抗が大幅に増加するおそれがある。

そこで、銅量が４５質量％以下の場合には、亜鉛の質量％を金属硫化物固定潤滑剤の総質量％で割った値が０．３以上になる、つまり亜鉛の質量％が金属硫化固定潤滑剤の総質量％の０．３倍以上になるように、亜鉛を配合している。銅よりも亜鉛の方が硫化されやすいため、亜鉛を所定以上加えることで、銅量が４５質量％以下の場合であっても、銅の硫化による抵抗の増加を抑制できる。そのため、ブラシ３０の抵抗が増加することを抑制しつつ、整流子２０の摩耗を抑制することができる。

本実施形態では、火花の発生を抑えるため、第１層３１に比べて銅量の少ない第２層３２が整流子２０の各セグメント２１と最後に接触する層になっている。二硫化タングステンは二硫化モリブデンに比べて吸水性が高いため、銅量が少なく薄い第２層３２に二硫化タングステンを含有させると、高湿度環境下では、第２層３２の給水量がより多くなる。そして、高抵抗である第２層３２の通電発熱により第２層３２内の水分が急激に水蒸気化した場合に、ブラシの割れに繋がることがある。そこで、第２層３２には、二硫化タングステンを含まないものとした。このように、第２層３２には二硫化タングステンを含有しなくても、第１層３１で十分な硬質化合物を形成できるため、整流子２０を摩耗から保護できる。

２０…整流子、２０Ａ…表面、２５…黒鉛被膜、３０…ブラシ、３１…第１層、３２…第２層、４０…直流モータ、Ｓ…スタータ。

Claims

エンジンを始動させるスタータ（Ｓ）に用いられる直流モータ（４０）であって、
銅又は銅９９％以上の銅合金で形成された整流子（２０）と、
前記整流子の表面（２０Ａ）に摺接するブラシ（３０）と、を備え、
前記ブラシは、前記整流子の回転方向に並べて配置された第１層（３１）と第２層（３２）とを有する多層ブラシであり、
前記第１層は、黒鉛と、銅粉と、金属硫化物固体潤滑剤とを含んだ焼結体によって構成されており、前記焼結体に含まれる前記銅粉の量は、該焼結体の３０～７０質量％であり、かつ前記金属硫化物固体潤滑剤として、二硫化タングステンを前記焼結体の６．５質量％以上含んでおり、
前記第２層は、前記第１層及び前記第２層の積層方向において前記第１層より薄く、前記銅粉の量の割合が小さくなっており、前記二硫化タングステンを含んでいない直流モータ。
前記第１層の前記焼結体は、前記金属硫化物固体潤滑剤として、前記二硫化タングステンを前記焼結体の７質量％以上含んでいる請求項１に記載の直流モータ。
前記第１層の前記焼結体は、前記金属硫化物固体潤滑剤として、前記二硫化タングステンに加えて、二硫化モリブデンを前記焼結体の２質量％以上含んでいる請求項１又は請求項２に記載の直流モータ。
前記第１層の前記焼結体は、さらに亜鉛を含んでおり、
当該焼結体の銅量が３０～４５質量％であり、かつ前記亜鉛の質量％を前記金属硫化物固体潤滑剤の総質量％で割った値が０．３以上になっている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の直流モータ。
前記第１層の前記焼結体は、さらに黄銅を含んでおり、
当該焼結体の銅量が３０～４５質量％であり、かつ前記黄銅の質量％を前記金属硫化物固体潤滑剤の総質量％で割った値が０．８以上になっている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の直流モータ。
エンジンを始動させるスタータ（Ｓ）に用いられる直流モータ（４０）であって、
銅又は銅９９％以上の銅合金で形成された整流子（２０）と、
前記整流子の表面（２０Ａ）に摺接するブラシ（３０）と、を備え、
前記ブラシは、黒鉛と、銅粉と、金属硫化物固体潤滑剤と、黄銅とを含んだ焼結体を有しており、
前記焼結体に含まれる前記銅粉の量は、該焼結体の３０～４５質量％であり、
前記金属硫化物固体潤滑剤として、二硫化タングステンを前記焼結体の６．５質量％以上含んでおり、
かつ前記黄銅の質量％を前記金属硫化物固体潤滑剤の総質量％で割った値が０．８以上になっている直流モータ。