JPH0140592B2

JPH0140592B2 -

Info

Publication number: JPH0140592B2
Application number: JP1009082A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kotani; Shuichi Okamoto; Yoshiaki Pponda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-01-27
Filing date: 1982-01-27
Publication date: 1989-08-30
Also published as: JPS58130743A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は充電用交流発電機に係り、特にブラシ
と組み合わせる集電環の材質に関する。充電用交流発電機などの回転している界磁巻線
と固定側のブラシとの電気的な接続は、一般に特
開昭51−105416号公報に開示されているような集
電環（スリツプリング）を介して行なわれる。そ
して、ブラシ材質と集電環材質との組合わせの代
表的なものは、次の３通りのものが知られてい
る。 (1) カーボン（黒鉛のみ）ブラシとJIS規格
H3100に示される合金番号C1020で特定される
無酸素銅（銅が99.96％以上を占める銅）製の
集電環、 (2) 銅粉を混合した金属黒鉛ブラシとステンレス
鋼製の集電環、 (3) 銅粉を混合した金属黒鉛ブラシと上記無酸素
銅製の集電環。この種充電用交流発電機では、ブラシと集電環
との間の電気的接触抵抗が小さいこと、ブラシ及
び集電環共に摩耗が少ないこと、安価であること
が要求される。第１図はブラシ中に含有される銅の量と集電環
の種類による接触抵抗の違いを示すデータであ
る。尚、このデータは、電機子外径128mmで定格
12V、60Aの仕様の発電機の界磁巻線に2.5Aの電
流を流しながら、電機子を5000rpmで回転させた
時のブラシと集電環との接触抵抗に基づく電圧降
下を示すものである。この種発電機は、自分の発電した電力で界磁巻
線を励磁する自励式のため、ブラシと集電環との
間の接触抵抗が大きいと界磁巻線へ流れる電流が
減少して所望の発電機出力が得られない。発電機の仕様によつても異なるが、通常はこの
接触抵抗による電圧降下が最大でも1.2Vを越え
ないように設計することが要求されている。この要求を満足する為にはブラシとして銅粉を
10％以上含有する金属黒鉛ブラシを用い、集電環
として無酸素銅製のものを用いるか、ブラシとし
て銅粉を30％以上含有する金属黒鉛ブラシを用
い、集電環としてステンレス鋼製のものを用いる
ことが考えられる。しかし、第７図に実線で示す如く、無酸素銅製
集電環を用いた場合、ブラシの磨耗量がブラシ中
の銅の含有率が45％を越えると急に増大し、また
第７図に破線で示す如く、ステンレス鋼製集電環
を用いた場合は同じく50％を越えると急に増大す
るので、銅の含有率はこれを越えない範囲とする
必要がある。ここで、両者の特性に偏曲点が生じるのは、無
酸素銅製集電環の場合、集電環中の銅とブラシ中
の銅との間の研削性が増大すること、ブラシ自体
のもろさが増大することの相乗作用によるものと
考えられ、またステンレス製集電環の場合、研削
性は前者ほど高くならないので、ブラシ自体のも
ろさが増大することによるものと考えられる。尚、第７図は第１図のデータを得たのと同じ定
格の発電機を周囲温度100℃の状態で且つ、
10000rpmで回転させ、界磁巻線に2.5Aの電流を
流した時の100時間後のブラシの磨耗量を示すも
のである。またブラシと集電環との摺動面積は５mm×７
mm、ブラシの長さは18mm、ブラシ押圧ばね力は
300ｇとした。第８図は第７図のデータの測定に用いた各金属
黒鉛ブラシの抵抗値を比抵抗値として測定したも
のである。ブラシ中に混入する銅粉は
JISH2114KE―２種に規定される純度99.5％以上
の電解銅粉を使用した。尚、比抵抗値は断面積が５mm×７mmのブラシの
単位長さ当たりの抵抗値のことである。このように、ブラシ中の銅の含有率が10％以下
になると、ブラシ自体の抵抗値が急に増大する。
その理由は、第９図に示すように、●は粒径約
35μｍの銅粉で、〇は粒径40〜500μｍのカーボン
粉であり、10％近辺が銅粉粒子の連続接触状態が
存在の限界で、それ以下ではこの確率が実質的に
零になり、従つて銅粉の連続接触の生じない10％
以下では、ブラシの比抵抗はカーボン粒子の抵抗
に支配されるからである。これによつても電圧降
下が増大する為、ブラシ中の銅の含有率はこれを
下限とするのが好ましい。ところで、ステンレス鋼製の集電環は鍛造がで
きない為、切削加工で製造される。この為、コス
トが無酸素銅製の集電環に対し、1.5〜２倍にな
る欠点がある。更に、ブラシ中に許容される銅の含有率が30〜
45％と狭い範囲に規制される為、銅粉が黒鉛と均
一に混合していない部分が生じた場合、その部分
が簡単に許容範囲外になる可能性が極めて高く、
量産したブラシの中で接触抵抗に基づく電圧降下
が1.2V以下の条件を満足できないものが多発す
る問題がある。更に集電環として無酸素銅製のものを用いた場
合、第６図に示す如く、集電環部の温度が100℃
を越えると集電環自体の硬度が急に低下し、結果
的にブラシ中の銅に削られて集電環の磨耗が急増
する欠点がある。車両の発電機ではエンジンの発生する熱で発電
機の周囲温度は100℃以上になることがあり、こ
の時の集電環部の温度は200℃に達する。この条
件下では、上記無酸素銅製集電環の磨耗は急増す
る。尚、第６図のデータが、無酸素銅及び燐脱酸銅
製のテストピースの表面の温度を０〜500℃に変
化させた時のいくつかの温度点における表面の硬
度をビツカース硬度で測定したものである。以上の従来例の長所・短所をまとめると以下の
表の通りである。

【表】本発明の目的は、上記の欠点を解消し、上の表
の右端に示す如く、ブラシと集電環との接触抵抗
が、金属黒鉛ブラシと無酸素銅集電環の組合せと
同程度に低く、コストも安価で、しかもブラシ及
び集電環の摩耗量が金属黒鉛ブラシとステンレス
鋼製集電環の組合せと同程度に少ない充電用交流
発電機を提供することにある。本発明は、集電環の材質にJIS規格H3100に記
載された合金番号C1220の銅が99.90％以上で燐含
有率0.015〜0.04％の銅である燐脱酸銅を使用し、
ブラシの材質として銅の含有率10〜45％の金属黒
鉛を使用することにより、上記の目的を達成する
ものである。以下本発明の一実施例を図面に従つて説明す
る。第２図は本発明の充電用交流発電機の一実施例
を示し断面図である。フロント側ブラケツト１と
リヤ側ブラケツト２との間に電機子３が挾持固定
されている。この電機子３には電機子コイル４が
巻装され、また、この電機子３の内側には所定の
間隙を介して磁極５が配置されている。この磁極
５は回転軸６に固定され、更にこの回転軸６には
集電環７Ａ，７Ｂ、プーリ８及びフアン９が固定
されている。この回転軸６は、フロント側ブラケ
ツト１に固定されているフロント側回転軸受１０
と、リヤ側ブラケツト２に固定されているリヤ側
回転軸受１１とにより回転自在に軸承されてい
る。集電環７Ａ，７Ｂにはブラシ保持器１２に取
付けられているブラシ１３Ａ，１３Ｂが摺動接触
しており、前記ブラシ保持器１２はリヤ側ブラケ
ツト２に固定されている。更に、集電環７Ａ，７
Ｂは集電環端子１４Ａ，１４Ｂにより磁極５内の
図示されない界磁コイルと電気的に接続れてい
る。なお、前記電機子３に巻装された電機子コイ
ル４の口出線はリヤ側ブラケツト２に固定されて
いる整流器１５に接続されている。第３図は第２図に示した集電環部の拡大断面図
であり、集電環７Ａ，７Ｂはモールドベース１６
に圧入された集電環端子１４Ａ，１４Ｂに圧接さ
れている。なお集電環端子１４Ａは絶縁チユーブ
１７により被覆されていて、集電環７Ｂとの絶縁
がなされている。磁極５に巻装された図示されない界磁コイルへ
の励磁電流は、プラス側のブラシ１３Ａから、集
電環７Ａ、集電環端子１４Ａ、界磁コイル、集電
環端子１４Ｂ、集電環７Ｂ、マイナス側のブラシ
１３Ｂの順に流れる。ブラシ１３Ａ，１３Ｂと集電環７Ａ，７Ｂの材
質としては、接触抵抗が小さく、且つ材料が安価
な組合わせとして、銅の含有率10〜45％の金属黒
鉛ブラシを使用し、集電環７Ａ，７Ｂに、燐含有
率0.015〜0.04％の銅である燐脱酸銅を使用して
いる所に特徴がある。なお、これ以外の構成は従
来のものと同様である。この様に構成した本実施例によれば、第６図に
示す如く、従来の無酸素銅が高温（約250℃）に
なると硬度が急低下するのに対し、燐脱酸銅は高
温になつても硬度の低下がほとんどない。このた
め、この燐脱酸銅製の集電環７Ａ，７Ｂの磨耗は
ほとんどない。この様に集電環７Ａ，７Ｂが磨耗
しないので、ブラシ１３Ａ，１３Ｂとの接触状態
に変化がなく、従つてブラシ１３Ａ，１３Ｂの磨
耗量も少なくなる。また、燐脱酸銅も無酸素銅も
純度99％以上の銅であるので組合わされる金属黒
鉛ブラシ中の銅の含有量が同じであれば、燐脱酸
銅製の集電環７Ａ，７Ｂと金属黒鉛のブラシ１３
Ａ，１３Ｂとの接触抵抗は、無酸素銅製の集電環
の場合と略同じになる。第４図はブラシ材の銅の含有率と集電環の磨耗
量との関係を示した線図であり、集電環材として
無酸素銅を使用したＡに比べて、本実施例のよう
に燐脱酸銅を使用したＢの方が明らかに磨耗量が
少ないことが分る。第５図はブラシ材の銅の含有率とブラシ磨耗量
との関係を示した線図である。集電環が従来の無
酸素銅を使用したＡに比べて本実施例のように燐
脱酸銅を使用したＢはブラシ磨耗量も非常に少な
いことが分る。なお第４図及び第５図のデータは、前述の定格
の発電機を常温、5000rpmで、電気負荷45A状態
を５分間、電気負荷5A以下の状態を５分間のサ
イクルで切換えて600時間運転した後の各磨耗量
を示すデータである。本実施例によれば、集電環７Ａ，７Ｂを燐含有
率0.015〜0.04％の銅である燐脱酸銅製とすると
共にブラシを銅の含有率10〜45％の金属黒鉛ブラ
シとすることにより、ブラシ１３Ａ，１３Ｂとの
接触抵抗を金属黒鉛ブラシと無酸素銅製集電環と
の組合せの場合と同程度に低下させることができ
た。また高温時の集電環の硬度低下が少なく、従
つて集電環７Ａ，７Ｂの磨耗を集電環にステンレ
ス鋼を用いた場合と同程度に抑える効果が得ら
れ、それによつてブラシ１３Ａ，１３Ｂの磨耗量
も少なくでき、結果的に集電環７Ａ，７Ｂとブラ
シ１３Ａ，１３Ｂの寿命を長くできる効果が得ら
れる。かくして、充電用交流発電機の耐久性を損
うことなく、その出力を増大し得る効果が得られ
る。なお、本実施例のブラシと集電環との組合わ
せは、価格的に略等しい銅の含有率10〜45％の金
属黒鉛ブラシと無酸素銅製集電環との従来の組合
わせに対し、1000時間運転で比較すると、集電環
の摩耗量は35μｍから略零に減少し、ブラシの磨
耗量は１／２に減少させることができた。以上記述した如く本発明の充電用交流発電機に
よれば、ブラシと集電環との接触抵抗が低く、し
かもブラシ及び集電環の磨耗量を少なくすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はブラシの銅の含有率とブラシと集電環
との接触抵抗に基づく電圧降下との関係を示した
線図、第２図は本発明の充電用交流発電機の一実
施例を示す断面図、第３図は第２図の集電環部の
拡大断面図、第４図はブラシ材の銅の含有率と集
電環磨耗量との関係を示した線図、第５図はブラ
シ材の銅の含有率とブラシ磨耗量との関係を示し
た線図、第６図は無酸素銅及び燐脱酸銅の温度と
硬さの関係を示した線図、第７図は高温高速時に
おけるブラシ中の銅の含有率とブラシの磨耗量と
の関係を示す線図、第８図はブラシ中の銅の含有
率とブラシ自体の比抵抗の値との関係を示す線
図、第９図はブラシの粒子構造図である。３…電機子、５…磁極、６…回転軸、７Ａ，７
Ｂ…集電環、１３Ａ，１３Ｂ…ブラシ。

Claims

【特許請求の範囲】

１回転軸に、電機子の内側を回転する磁極と、
該磁極に巻装された界磁コイルに電気的に接続さ
れる集電環とを固定し、前記集電環と摺動接触す
るブラシを有し、該ブラシから集電環を経て界磁
コイルに励磁電流を供給する充電用交流発電機に
おいて、前記ブラシとして銅量10〜45％、残余部
が実質的に黒鉛から成る金属黒鉛ブラシを使用す
ると共に、集電環の材質として銅が99.90％以上
で燐が0.015〜0.04％の範囲にある燐脱酸銅から
なる銅材を用いたことを特徴とする充電用交流発
電機。