JPS6013382B2

JPS6013382B2 - 回転電機用カ−ボンブラシの製造法

Info

Publication number: JPS6013382B2
Application number: JP12538878A
Authority: JP
Inventors: 信行山下; 正二茂木; 康之杉浦; 雄次斉藤
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1978-10-12
Filing date: 1978-10-12
Publication date: 1985-04-06
Also published as: JPS5553155A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、回転電機用カーボンブラシの製造法に係り、
特に小形整流子電動機等に用いる場合、カーボンブラシ
によって、適正な皮膜調整作用をなし高速回転でも安定
したすり特性を得ることができる回転電機用カーボンブ
ラシの製造法に関する。

最近の回転電機は、小形軽量、高速化を図っている。

特にブラシを使用する回転電機が高速化すると、機械の
振動などによりブラシのすり特性が不安定となり整流悪
化の要因となっている。またブラシの素材が高速回転に
不適な場合にも同様の現象となる。これらの対策として
機械の振動を小さくすることは言うまでもなく、ブラシ
保持具等の選定にも注意しなければならない。しかしな
がら、基本的にはブラシ素材が高速回転でも常に安定し
たすり特性を示すことが必要である。その条件として、
ブラシの摩擦係数が小さく、その変動も小さくしなけれ
ばならない。これらはブラシ素材によってほとんど決定
されるが、ブラシ素材だけでは摩擦係数及びその変動を
要求限度以下にすることは困難である。そこで、これら
を解決するために、油性の潤滑剤をブラシに含浸する方
法がとられている。

しかしこの場合は、高速でしかも温度が高くなると比較
的低温で溶融しやすい潤滑剤が流出してしまいその効果
がわろくなる。一方カーボン（黒鉛母費）ブラシを用い
てすり接触摺勢する高速回転電気機械においては、運転
時間経過と共に過剰な表皮膜が該機の整流子面に生０成
厚着するので、該表皮膜の生成厚着程度にほぼ比例して
ブラシの摩擦力が増大する。

このため接触摺動における接触障害度が増大して、ブラ
シ火花を発生するようになり、過大摩耗現象にいたる。
その際整流子表面に高温の為生じた微細な炭素粒子とブ
ラシ材中に含まれている不純物により生じた強い不導電
性皮膜を除去して、難出し作用あるいは研磨作用を強め
るため添加剤として炭化珪素粉（以下ＳＩＣ粉と呼ぶ）
を含有するブラシが用いられてきている。しかし、ＳＩ
Ｃ粉は含有量によって研磨作用が顕著になる。このよう
な場合は、長期にわたって運転すると整流予面を清浄に
保つが条痕が除々に発生し、摩擦係数も大きくなる。そ
のため、安定摺動接触が保持できなくなり、ブラシは機
械摩耗ばかりでなく火花等の電気摩耗が大きくなってそ
の寿命を著しく短くする。またブラシ摺敷状態を安定に
保持するためにブラシ素材中に粒状の特殊金属粉、例え
ばアルミニウム粉を適量混入して成形し、酸素遮断雰囲
気中で所定の温度で加熱焼成したブラシがある。

しかし、これらの金属粉は、その性質上多量に混入する
と研磨性が大きくなるばかりでなく、例えばアルミニウ
ム粉の場合ブラシ中のアルミニウム粉が酸化し、その酸
化膜が整流子表面に生成され接触抵抗が大きくなる。そ
のためブラシの摩擦係数及びその変動は徐々に大きくな
り特に高速回転電機では整流子に対するブラシの座乗性
が不安定となり、整流性能がわろくなる。このようにｔ
整流子表面の皮膜調整剤を単種類混入したブラシ材は、
その皮膜調整作用のみが強調されるのが、配合量などを
適切に行なう必要がある。

、一方、上記綾触抵抗の増大はブラシの電気損ｔ又摩擦
係数及びその変動の増大はブラシの摩擦損（機械損）と
なって電動機となって電動機の効率向上を阻害する。

従来、電気掃除機、電動工具等の小形電動機においては
、電動機の全損失に対する前記ブラシ損の占める割合は
大きく４０〜６０％にも達していた。これを３０％以下
にして電動機の効率を向上させるためにもこれらブラシ
損を小さく、即ち摩擦係数を０．２以下（従来は約０．
２１）、接触電圧降下（接触抵抗）を１．５Ｖ以下（従
来は約１．８Ｖ）にすることが望まれていた。本発明は
、かかる問題点を解消する回転電機用カーボンブラシの
製造法を提供するためになされたものである。

本発明は、灰分量が０．箱重量％以下の高純度黒鉛粉を
主原料とし、熱硬化性樹脂を結合剤とした回転電機用カ
ーボンブラシの製造法において、前記カーボンブラシの
主原料に対し２００メッシュ以下の粒子が９塁重量％を
越える粒状アルミニウム（Ａそ）粉０．５〜５．の重量
％、１００〜６００メッシュのＳＩＣ粉０．０５〜０．
５重量％を、前記Ａ〆粉及びＳＩＣ粉の量を比例させて
同時に混入し、加圧成形しついで１５０℃以上３５〜℃
以下の温度で加熱焼成する回転電機用カーボンブラシの
製造法に関する。本発明において高純度黒鉛粉は灰分量
が０．３重量％以下のものが用いられる。これは灰分量
が０．丸重量％を越えると整流子研削、ブラシ振動が発
生する等の欠点を生じる為である。なお灰分量は下記の
式により求められる。

ａ＝帯Ｘｌｏｏ（％）ａ：灰分量（重量％）Ｗ：試料の初期重さ（のＷ′：７５０℃で加熱し灰化した後の試料の重さ（夕）
結合剤として使用される熱硬化性樹脂は、ェポキシ樹脂
、フェノール樹脂、フラン樹脂等が使用され特に制限は
ない。

また添加する量は使用目的に応じ適宜選定すればよく特
に制限はない。通常黒鉛に対し重量で１０〜４０％添加
する。また焼成温度は１５０ｑｏ以上３５０こ○以下と
される。

３５０午０を越える温度で焼成した場合、樹脂の硬化が
異常に進み、異常に硬くなり、さらに温度が高くなると
樹脂が炭化して急速に結合が弱くなり、ぼろぼろになる
欠点が生じる。

焼成温度が１５〜℃未満では樹脂が十分に硬化しない。
その他の焼成条件は特に汰限はないが、酸素遮断雰囲気
中で焼成を行なって方が好ましい。本発明のブラシ材の
組成について以下詳細に説明する。

主原料には灰分０．３重量％以下の高純度黒鉛粉を用い
、結合剤に熱硬化性樹脂を用いる。そして、本発明では
前述の原料と同時にアルミニウム粉と研磨材のＳＩＣ粉
とを適量混入し程合する。ここで重要なことは、アルミ
ニウム粉とＳＩＣ粉にどのようなものを用いるか、その
形状、大きさ、量をどの位にすべきかである。先ず、ア
ルミニウム粉の選定について述べる。

一般にアルミニウム粉は、粒状、鱗片状に大別できる。
ブラシ材として利用するには、ブラシ材の主原料、結合
剤と良く混合でき、しかも結合性が良いことが必要条件
である。鱗片状のアルミニウム粉をブラシに混入すると
、酸化しやすく接触抵抗が大きくなり、しかも整流子を
荒損させやすい欠点が生じる。これらを考慮に入れると
鱗片状のものより球形の粒状のアルミニウム粉が、主源
料と混合しやすく樹脂とのなじみも良く適する。また、
粒状のアルミニウム粉の粒度は９箱重量％を越える量が
２００メッシュ（７４ムｍ）以下で、２００メッシュよ
り大きい粒径の粒子は１重量％までである。この要件を
満足しないとブラシ村中にアルミニウム粉が偏在するこ
ととなる。好ましい粒径の範囲は３０〜８０Ａｍである
。３０仏ｍ未満では接触障害度が大きくなり易くへ８０
山ｍを越えると均等に配置せずかたより易い。

例えば第１表の粒度分布のものを使用する。第１表次にＳＩＣ粉の選定について説明する。

珪素（Ｓｉ）は酸素や炭素と化合し、Ｓｉ０，Ｓｉ０２
，ＳＩＣとなる。

ブラシ材の研磨剤として多用されているのは主にＳＩＣ
である。この物質は粒状であり、その粒径は数仏ｍから
３００仏ｍと広い領域の分布を示す。従って、ブラシ材
にどのような大きさのものを用いるかは重要な要素とな
る。我々の実験例では５０〜２０００メッシュ（８〜３
００ムｍ）のものであればブラシ材の研磨剤として適用
できることがわかり、本発明では１００〜６００メッシ
ュ（３０〜１５０Ａｍ）とした。３０仏ｍより粒径の４
・さなものを使用すると接触障害度（火花発生等が生じ
る）が大きく、また１５０山ｍより粒径の大きいものを
使用するとＳＩＣと黒鉛粉の混合時、均等に配置せずに
かたよって配置されるため、ブラシとした場合のＳＩＣ
粉の群と、ＳＩＣ粉の全くない場所と局部的に偏在する
。

本発明ではブラシ原料粉と結合剤とを混合する際にアル
ミニウム粉とＳＩＣ粉とを同時に混入し、以下操合「成
形、焼成する。

即ち、アルミニウム粉によって生じ易い高抵抗過剰皮膜
をＳＩＣ粉の有する研磨性で調整する、換言すればＳＩ
Ｃ粉の研磨性による摩擦係数の上昇をアルミニウム粉の
皮膜生成作用により摩擦係数及び接触電圧降下を低下さ
せてブラシの糟勤状態を安定にするためである。本発明
では、ブラシのすり特性の安定性を考慮に入れ、カーボ
ンブラシ主原料に対し上記の粒径の粒状アルミニウム粉
を０．５〜５．の重量％、ＳＩＣ粉を０．０５〜０．５
重量％混入させる。

アルミニウム粉及びＳＩＣ粉の混入量が上記上限値を越
えるとブラシの研磨性が大きくなり摩擦係数、接触電圧
際下とも高くなる。更にアルミニウムの過剰な混入は前
述したようにブラシの使用中にアルミニウムが酸化して
酸化膜が生成し接触抵抗の増大を助長する。アルミニウ
ム粉及びＳＩＣ粉の混入量が上記下限値未満の場合は整
流子に対する皮膜調整作用が不十分となり、やはり摩擦
係数及び薮触電圧降下の増大をもたらす。またアルミニ
ウム粉、ＳＩＣ粉のいずれかを多くまたは少なく混合す
るとそれぞれの特徴が強調されて前述と同様の障害を生
じ易いのでアルミニウム粉及びＳＩＣ粉の量を比例させ
て則ちアルミニウム粉が少ないときはＳＩＣ粉も少なく
してバランスよく混入させる。例えば第１図に示すよう
にアルミニウム粉０．５重量％のときはＳＩＣ粉０．０
５重量％、アルミニウム粉５重量％のときはＳＩＣ粉０
．５重量％のようにＳＩＣ粉はアルミニウム粉の１／ｉ
の亀‘こなるようにして、アルミニウム粉０．５重量％
のように少ないときはＳＩＣ粉を０．５重量％のように
多くしない組合せとする。このようにして前述主原料、
結合剤、アルミニウム粉及びＳＩＣ粉を適量配合後程合
し、そしてその粉砕粉を、成形型に入れ加圧成形して、
さらに３５ぴ○以下の温度で加熱焼成することにより座
乗性がよく、ブラシ損も少なくしたブラシ材を得る。

以下、実施例により本発明を説明する。

ブラシの主原料である高純度黒鉛粉に対して第１表に示
す粒度分布の粒状アルミニウム粉を０〜１の重量％、１
００〜６００メッシュのＳＩＣ粉を０〜１．０重量％を
第２表に示す組合せで、それに結合剤としてフェノール
樹脂を同時に混入し、加圧成形ついで３００℃の温度で
加熱焼成して各種のブラシ材を得た。

第２表Ａ：粒状アルミニウム粉の重量％Ｓ：ＳＩＣ粉の重量％ィ：実施例ロ：比較例この各種のブラシ材を用いて公知の方法で加工して得た
ブラシについて摩擦特性及び接触電圧降下値を測定し第
１図のような結果を得た。

第１図はアルミニウム粉及びＳＩＣ粉の混入量と接触電
圧降下及び摩擦係数との関係を示し、第１図から明らか
な如くアルミニウム粉の量が０．５〜５．０重量％「Ｓ
ＩＣ粉が０．０５〜０．５重量％の間では長期間運転時
の特性は摩擦係数が０．１８〜０．１９接触電圧降下が
１．２〜１．４Ｖであるのに対し、アルミニウム粉及び
ＳＩＣ粉が全く混入しないものは摩擦係数が０．２１及
び接触電圧降下が１．８Ｖであり、上記アルミニウム粉
及びＳＩＣ粉が適量混入したブラシは全く混入しないブ
ラシに比較して摩擦係数で約１０％、接触電圧降下で約
２０％改善された。従って、ブラシのすり特性安定領域
は第２図の斜線範囲内であることが確認された。上記実
施例の結果から、本発明のブラシは従来のブラシ（アル
ミニウム粉、ＳＩＣ粉を同時に混入していないブラシ）
に比して摩擦係数が約１０％４・さくなり、その変動も
著しく小さくなった。

しかも接触電圧降下は２０％低減でき、接触状態も安定
しているため整流性能も従来品に比し良好に保持できる
ばかりでなく電気損、摩擦損（機械損）が低減できる。
本発明によれば、ブラシの主原料及び結合剤にアルミニ
ウム粉とＳＩＣ粉とを混入し程合後成形焼成してブラシ
を製造することによって主原料のもつ良好なすり特性と
アルミニウム粉の皮膜生成作用とＳＩＣ粉の研磨性とが
適度に作用して該回転電機の前記整流子面の表皮層の生
成の過剰になるのを押えてブラシの座乗９性を良好にし
て摩擦係数を小さく、しかもその変動を小さくして高速
回転でも良好なブラシを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はアルミニウム粉及びＳＩＣ粉の混入量と摩擦係
数及び接触電圧降下の関係を示すグラフ、第２図はアル
ミニウム粉及びＳＩＣ粉の混入量に対するブラシのすり
特性安定領域を示すグラフである。第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

１灰分量が０．３重量％以下の高純度黒鉛粉を主原料
とし、熱硬化性樹脂を結合材としたカーボンブラシの製
造法において、前記カーボンブラシの主原料に対し２０
０メツシユ以下の粒子が９９重量％を越える粒状アルミ
ニウム粉（Ａｌ粉）０．５〜５．０重量％，１００〜６
００メツシユの炭化珪素粉（ＳｉＣ粉）０．０５〜０．
５重量％を前記Ａｌ粉及びＳｉＣ粉の量を比例させて同
時に混入し、加圧成形しついで１５０℃以上３５０℃以
下の温度で加熱焼成することを特徴とする回転電機用カ
ーボンブラシの製造法。