KR20030014733A - 전기기계용 카본 브러시 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기기계용 카본 브러시에 관한 것으로서, 고체윤활제로서 이황화 몰리브덴 또는 이황화 텅스텐 등과, 연삭제로서 알루미나, 실리카, 탄화규소 등의 어느 하나를 함유하는 카본 브러시 기재의 정류자와의 접촉부를 제외한 주위 전체면에 전기양도성 금속을 피복하고, 또 정류자의 회전방향에 직각인 측면의 적어도 한쪽면의 일부 또는 전부는 전기양도성 금속피막이 형성되어 있지 않은 카본 브러시 기재가 노출되는 면인 것을 특징으로 한다.

Description

전기기계용 카본 브러시{CARBON BRUSH FOR ELECTRIC MACHINE}

정류자 전동기에 이용되는 전기기계용 카본 브러시(이하, 브러시라 함)는 근래 특히 소형화, 고출력화, 고속회전화가 진행되고 있다. 그 때문에, 고전류밀도의 상황하에서도 소형이고, 마모가 적고, 온도 상승이 작은 브러시가 요구되게 되었다.

그러나, 종래의 블러시에서는 고전류밀도, 고속회전의 상황하에서는 정류특성이 악화되고, 브러시 마모가 커지고, 브러시 온도도 상승하는 경향이 있었다. 그 때문에, 정류자의 소형화에 비해 브러시의 소형화는 그만큼 진행되고 있지 않은 것이 현상황이다.

일반적으로 알려져 있는 바와 같이, 정류자 전동기에 저항률이 높은 브러시를 사용하면 정류가 안정된다. 이는 저항이 큰 브러시를 사용하면 브러시를 경유하여 인접한 정류자편 간에 흐르는 단락전류가 억제되기 때문이다. 그러나, 저항이 큰 재질을 이용한 경우는 저항발열에 의해 브러시 자신이 발열하여 온도가 상승한다. 또, 전동기가 고출력, 소형화, 고속회전화하면, 정류자에 흐르는 전류가 커지고 정류자의 온도도 높아진다. 이 때문에, 피막과잉에 의해 스틱 슬립(stick-slip)이 생긴다. 이것에 의해 정류불꽃이 증대하고, 온도상승과 브러시 마모의 증대를 더욱 초래하고 있다.

또, 전기청소기 등과 같이 회전수가 높은 전동기에서는 고속회전시에 있어서도 정류가 양호하고, 또한 전기청소기 본체의 사용중에 브러시 교환을 하지 않아도 좋도록, 수명을 길게 하고자 하는 요구에서 흑연분을 수지 바인더로 결합시킨 레진본드계의 재질이 이용되는 일이 있다. 그러나, 장시간 사용하는 것에 의한 온도상승에 의해 브러시 자신의 윤활성이 저하하고, 또 온도가 상승한다고 하는 악순환도 생겨난다.

그래서, 본 발명자들은 브러시 기재주위의 외표면에 전기의 양도성(良導性) 금속, 예를 들면 니켈, 동, 금, 은 등의 피막을 형성하여 외관의 저항을 낮추고, 온도상승을 억제하는 기술을 일본 특개평 5-182733호 공보에서 개시했다. 이 일본 특개평 5-182733호 공보의 기술에 의해 어느 정도의 온도상승의 억제는 실행되게 되었지만, 근래의 고출력, 고속회전에 의한 온도상승에 대해서는 충분하다고는 할 수 없었다.

한편, 일본 특개평 2-51345호 공보에서는 브러시 온도가 상승한 고온시에서의 브러시의 윤활성을 유지하는 것을 목적으로, 브러시 기재에 고체윤활제로서 이황화 몰리브덴 또는 이황화 텅스텐과, 연삭제를 열경화성 수지로 분말을 굳혀 입자형상으로 하고, 첨가하여 제작하는 브러시의 제조방법이 개시되고 있다. 그러나,이 방법도 또한 근래의 고출력, 고속회전에 의한 온도상승에 대해서는 충분하다고는 할 수 없었다.

그래서, 본 발명은 온도상승이 작고, 내마모성이 우수한, 고출력, 고속회전이 요구되는 전기기계용 카본 브러시를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전기기계용 카본 브러시에 관한 것으로서, 특히 전기청소기나 전동공구 등의 정류자 전동기용으로, 고출력, 고속회전이 요구되는 전기기계용 카본 브러시에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 브러시가 사용되는 정류자 전동기의 개략 구성도의 사시도로서, 정류자가 회전하는 방향에 직교하는 브러시의 전체측면에 전기양도성 금속인 동피막이 형성되어 있는 것을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 브러시가 사용되는 정류자 전동기의 한 실시형태예의 개략 구성도의 사시도,

도 3은 본 발명의 브러시가 사용되는 정류자 전동기의 한 실시형태예의 개략구성도의 사시도,

도 4는 본 발명의 브러시가 사용되는 정류자 전동기의 한 실시형태예의 개략 구성도의 사시도,

도 5는 본 발명의 브러시가 사용되는 정류자 전동기의 한 실시형태예의 개략 구성도의 사시도,

도 6은 도 1에 나타낸 브러시의 단면도,

도 7은 본 발명의 실시예에 있어서 브러시의 특성값을 정리하여 나타낸 표, 및

도 8은 본 발명의 실시예에 있어서 브러시의 특성값을 정리하여 나타낸 표이다.

즉, 본 발명은 고체윤활제와 연삭제를 함유하는 카본 브러시 기재에 전기양도성 금속피막이 형성되어 있는 전기기계용 카본 브러시이다. 그리고, 이 카본 브러시 기재의 저항율이 100μΩ·m 이상인 것이 바람직하다. 또, 상기 전기양도성 금속피막 표면에 내산화막이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또, 도전성 회전체에 대해 눌러 닿는 전기기계용 카본 브러시에 있어서, 상기 카본 브러시의 카본 브러시 기재 표면에 전기양도성 금속피막이 형성되고, 상기 도전성 회전체의 회전방향에 직각인 측면의 적어도 한쪽 면의 일부 또는 전부가 상기 전기양도성 금속피막이 형성되어 있지 않은 카본 브러시 기재가 노출되는 면인 전기기계용 카본 브러시이다. 또, 상기 도전성 회전체의 회전방향에 직각인 측면의 양면의 일부 또는 전부가 카본 브러시 기재가 노출되는 면인 것이 바람직하다. 또, 상기 카본 브러시 기재가 노출되는 면은 상기 도전성 회전체에 직교하는 모든 면에 전기양도성 금속피막을 형성후, 상기 피막을 기계가공에 의해 제거하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 브러시는 고체윤활제로서 이황화 몰리브덴, 이황화 텅스텐, 불화흑연, 질화붕소 등 중, 한종 또는 이들을 조합하여 이용하기 때문에 고온에서의 윤활특성이 뛰어나다. 또 연삭제로서 알루미나, 실리카, 탄화규소 등 중, 한종 또는 이들을 조합하여 첨가하고 있다. 이 때문에, 정류자 등의 도전성 회전체 표면에 형성되는 절연성 피막의 두께 조정기능을 갖게 하는 것이 가능하게 되고, 마모율이 종래와 비교하여 매우 작은 브러시를 실현하는 것이 가능하게 되며, 장기간에 걸쳐 안정된 정류특성을 얻을 수 있다.

또, 브러시 표면에 전기양도성 금속, 예를 들면 니켈, 동, 금, 은 등의 피막이 형성되어 있기 때문에, 정류성능이 좋은 기재저항율 100μΩ·m 이상의 재질에 있어서도 금속질 피막의 효과에 의해 온도상승이 작다.

또, 브러시의 정류자 등의 도전성 회전체의 회전방향에 직각인 측면의 적어도 한쪽 측면의 금속질 피막이 제거되어 있기 때문에, 정류자의 회전방향에 맞춰서 브러시를 설치하여 이 피막이 박리하고, 정류자에 잠식해 들어가는 일이 없어지며, 정류자의 표면을 손상시키지 않고, 안정된 정류를 얻을 수 있고, 또한 정류 중의 불꽃의 발생을 억제할 수 있는 등, 정류자 수명의 연장 효과를 얻을 수 있다.

이하에 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태예를 설명한다. 도 1에는 전체 측면에 동피막을 형성한 브러시를 이용한 정류자 전동기의 일례의 사시도를 나타내고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 브러시의 한 실시형태예를, 도 6에서는 도 1의 브러시의 단면도를 나타낸다. 도면 중의 '1'은 브러시, '2'는 정류자, '3'은 브러시 슬라이딩면, '4'는 리드선, '5'는 리드선 매입부, '6'은 금속질피막, '7'은 브러시 기재를 나타낸다.

본 발명에 있어서, 브러시 기재(7)(도 6 참조)에 이용되는 흑연은 천연흑연, 팽창흑연, 인조흑연 등을 예시할 수 있다. 그 중에서도 결정화도가 그다지 높지 않은 인조흑연이 특히 바람직하다. 이 인조흑연을 이용하여 생성단계에 있어서 혼합조건이나, 소성조건 등을 조정하는 것에 의해 브러시 기재를 소망하는 저항율로 하는 것이 가능하게 된다.

고온에서의 윤활성을 안정적으로 유지하기 위해 고체윤활제로서 이황화몰리브덴이나 이황화 텅스텐 등을 첨가한다. 이들 첨가혼합하는 고체윤활제의 이황화 몰리브덴이나 이황화 텅스텐 등은 절연성이기 때문에, 단독으로 수지 등에 혼합하면 정전기 등의 영향에 의해 응집되기 쉬워 수지 내에 균등하게 분산되기 어렵다. 그러나, 본 발명에서는 최초에 통전성을 갖는 흑연원료와 혼합하기 때문에, 정전기에 의한 응집이 매우 적어진다. 또, 바인더를 첨가하여 혼날(混捏)하고나서 분쇄한다. 이 때문에, 메카노케미칼 효과에 의해 이들 고체윤활제는 완전히 분산되고, 바인더 및 흑연분과 단단하게 접착결합한다. 이와 같이 하여 얻게 된 흑연분을 주성분으로 하는 혼합분을 성형하고 소성하여 브러시 기재(7)로 한다.

그러나, 이들 고체윤활제의 이황화 몰리브덴이나 이황화 텅스텐 등을 포함하는 브러시는 사용중에 정류자 표면에 피막을 형성하기 쉽다. 이 피막이 너무 두꺼워지면, 박리되기 쉬워지고 부분적으로 박리 등을 일으킨 경우, 그 부분에 전류가 집중되어 버려 정류특성이 나빠진다. 경우에 따라서는 정류자 자신이 손상을 입어 부득이하게 교환을 하는 경우가 있다. 그 때문에, 첨가하는 고체 윤활제는 브러시 기재 전체의 0.5~10중량부가 바람직하다. 0.5중량부보다 적으면 윤활성이 발휘되지 않고, 또 10중량부보다 많으면 정류자 표면에 형성되는 피막이 과잉이 되어 정류특성이 나빠지기 때문이다.

또, 이 고체윤활제에 의해 정류자 표면에 형성되는 피막을 조정하기 위해,브러시 기재에 연삭제를 첨가한다. 이 연삭제에는 알루미나, 실리카, 탄화규소 등이 사용된다. 이 연삭제도 양이 많은 경우나, 입자지름이 너무 크거나, 균일하게 분산되지 않고 응집되거나 하는 경우에는 정류자 표면에 손상이 가는 원인이 된다. 그 때문에, 첨가하는 연삭제는 브러시 기재 전체의 0.1~1.5 중량부가 바람직하다. 0.1중량부보다 적으면 피막조정기능이 발휘되지 않고, 또 1.5중량보보다 많으면 정류자 표면을 손상시킬 가능성이 나오기 때문이다. 또, 이 연삭제의 입자지름이 100㎛보다도 너무 거칠면, 연삭작용이 강하고 정류자 표면이 거칠어지는데다 정류자 마모가 많아지고, 5㎛보다 가늘면 정류자 표면의 피막 제거작용이 낮아진다. 따라서, 입자지름은 5~100㎛ 범위가 바람직하다. 또, 이들 연삭제는 수지 등과의 친화성, 분산성이 높기 때문에, 이들의 첨가는 최초에 윤활제와 함께 첨가혼합해도 흑연분, 바인더 및 윤활제의 혼날, 분쇄 후에 첨가혼합해도 좋다.

브러시 기재(7)는 인조흑연분과, 이황화 몰리브덴이나 이황화 텅스텐 등의 고온윤활제를 혼합한다. 고온윤활제는 절연성으로 매우 부드럽기 때문에, 정전기 등으로 응집되기 쉬워 분산되기 어렵지만, 통전성이 있는 흑연분과 함께 혼합하면 비교적 분산되기 쉬워진다. 다음에 이 혼합분에 바인더로서 열경화성 수지를 부가하여 혼날한다. 그 후, 350㎛정도 이하의 분말형상으로 분쇄한다. 다음에, 이 혼합분에 연삭제를 혼합하고, 소정의 크기, 형상으로 성형하고 소성한다. 이것에 의해 고온윤활제, 연삭제는 바인더 수지 및 흑연분과 완전히 분산결합한다.

다음에 브러시(1)의 표면에 금속질 피막(6)을 형성한다. 금속질 피막(6)은 전해도금법, 무전해 도금법, 진공증착법, 이온플레이팅법, 클러스터이온빔법 등의각종 금속의 피복법의 적용이 가능하다. 그 중에서도, 본 발명의 브러시 기재와 같이, 양도체(良導體)인 탄소와, 비양도체인 수지부가 혼재하는 물질로서, 다공질인 탄소재의 표면에 금속질의 피막을 형성하려면 무전해 도금법이 특히 바람직하다.

무전해 도금의 방법은 문헌 등에 의한 공지방법이 널리 채용된다. 예를 들면, 「무전해 도금」(마키쇼텐, 고베 도쿠조 저(1986))에 상세하게 나와 있고, 본 발명에 관련된 브러시 기재에 대해 그 표면에 견고한 피막을 형성시킬 수 있다.

이와 같이 하여 피복되는 금속질 피막(6)의 두께는 너무 두꺼우면 슬라이딩시에 상대 슬라이딩면을 손상시키고, 브러시(1) 및 상대재(정류자(2))의 마모가 커지는 경향이 있다. 또, 반대로 극단적으로 얇으면, 브러시 기재의 피복효과가 적고, 브러시(1)의 저항이 그다지 낮아지지 않아 브러시(1)의 온도 상승을 억제하는 것이 곤란하게 된다. 따라서, 금속질피막(6)의 두께로서는 3~100㎛ 정도가 적합하다.

또, 이 금속질 피막(6)의 표면에는 내산화막을 형성해 두는 것이 바람직하다. 내산화막으로서는 아크릴수지, 불포화지방산, 주석산 등을 금속질피막(6)의 표면에 도포하여 형성할 수 있다. 이 내산화막의 형성은 후술하는 금속질피막(6)을 기계적으로 제거하기 전이어도 후여도 좋다.

또, 피복되는 금속질 피막(6)의 금속은 브러시 기재(7) 표면에 무전해 도금 또는 증착할 수 있는 금속이면 무엇이라도 좋은데, 제조비용과 피복의 용이성이라는 점에서 동, 은, 니켈 또는 금이 일반적으로 적합하다.

상기한 바와 같이 하여 형성되는 금속질 피막(6)은 필요에 따라서 브러시 슬라이딩면(3)에는 형성하지 않거나, 또는 전면에 피복한 후, 슬라이딩면(3)에 상당하는 면을 기계적으로 제거한다.

또, 도 2에 나타낸 바와 같이 정류자(2)의 회전방향(A방향, B방향)에 직각인 측면(1a, 1c) 중 어느 한쪽 면의 전부에 금속질피막(6)을 형성하지 않거나, 금속질피막(6)을 형성한 후, 기계가공에 의해 제거한다. 또, 도 3에 나타낸 바와 같이 측면(1a, 1c) 중 어느 한 측면의 각부(角部) 이외 또는 도시하지 않지만 이들 측면(1a, 1c)의 하반분 등의 일부에 대해서도 금속질피막(6)을 형성하지 않거나, 금속질피막(6)을 형성한 후, 기계가공에 의해 제거한다. 예를 들면 정류자(2)가 도 2에 있어서 A방향으로 회전하고 있는 경우, 금속질 피막(6)이 전체면에 실시되고 있는 경우, 브러시 기재(7)가 마멸하면, 금속질 피막(6)만 돌출하여 정류자(2)와 접촉하게 되고, 특히 정류자(2)의 회전방향(A방향)에 직각인 측면의 전면(1a) 쪽의 금속질 피막(6)이 정류자(2)의 회전에 말려들거나, 또 그 때의 충격 등으로 벗겨지기 쉬워진다. 이와 같은 경우에는 일부 벗겨진 금속질 피막(6)이 정류자(2)의 표면을 손상시키는 일이 있다. 이 때문에, 미리 기계적으로 상기 면(1a)의 일부 또는 전부를 제거해 두고, 탄소기재의 노출된 면으로 해 둬서 이와 같은 문제를 회피할 수 있다. 탄소기재의 노출면은 예를 들면, 금속피막형성시에 노출면으로 하고자 하는 부분에 마스킹을 하여 금속피막이 형성되지 않도록 하는 것에 의해 노출시켜도 좋다.

또, 정류자(2)가 B방향으로 회전하고 있는 경우, 정류자(2)의 회전방향(B방향)에 직각인 측면의 후면(1a)쪽은 정류가 불안정하게 되어 불꽃이 발생하기 쉬워진다. 그러나, 도 2에 나타낸 바와 같이, 정류자(2)의 회전방향(B방향)에 직각인 측면의 후면(1a)쪽 면의 금속질피막(6)을 미리 기계적으로 일부 또는 전부를 제거해 두고, 브러시 기재의 노출되는 면으로 해 두면, 후면(1a)쪽의 저항이 높아져서 정류가 안정된다. 그 때문에, 불꽃의 발생도 억제된다.

또, 경우에 따라서 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 면(1a)과 함께 면(1a)과의 반대쪽 면인 면(1c)에 대해서도 그 일부 또는 전부에 대해 금속질피막(6)을 형성하지 않거나, 형성한 후, 기계가공에 의해 제거한다. 이것에 의해 정류중에 금속질피막(6)이 박리되어 정류자(2)와의 사이에 들어가거나, 정류자(2) 표면을 손상시키는 것을 확실하게 회피할 수 있다. 또, 후면측에서의 정류도 안정되어 불꽃의 발생을 억제할 수 있다.

리드선(4)은 도 6에 나타낸 바와 같이, 리드선(4)의 장착용 구멍을 형성하고, 그 구멍에 매입하는 등, 임의의 방법으로 브러시 기재(7)에 매입하여 브러시 기재(7)와 일체화시킨다. 또, 이 리드선(4)의 장착구멍은 상기한 브러시 기재에 금속질 피막(6)을 형성하기 전에 형성해도 또는 금속질피막(6)을 형성후에 형성해도 좋다.

이하에 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명한다. 우선, 실시예 1 내지 실시예 3과, 비교예 1 내지 비교예 3에 의해 브러시 기재 중의 고체윤활제와 연삭제 함유량의 차이가 어떻게 브러시 특성에 영향을 미치는지에 대해 나타낸다.

(실시예 1)

평균입자지름 40㎛, 회분 0.2% 이하의 인조흑연분 70중량부와, 이황화 텅스텐 분말 4.7중량부와, 평균입자지름 50㎛의 탄화규소 03 중량부를 혼합하고, 이것에 레졸계 페놀수지 25중량부와, 메탄올을 부가하여 상온에서 2시간 혼날했다. 그 후 메탄올을 건조증발시키고, 입자지름이 40메시 이하가 되도록 분쇄하고, 200MPa의 압력으로 7×11×30mm 치수로 틀을 눌러 성형했다. 다음에 이 성형체를 질소분위기 중 600℃에서 5시간 소성하고, 저항율이 500μΩ·m의 브러시 기재를 얻었다. 이 브러시 기재를 수산화 나트륨과 주석산 칼륨을 부가하여 착화(錯化)한 황산동용액에 침지하고, 환원제로서 포르말린을 부가하여 기재표면에 동피막을 10㎛ 형성했다. 그리고, 정류자의 회전방향을 시계방향(A방향)으로 하면, 좌측면(1a)에 상당하는 면의 모든 동을 연삭하여 제거했다(도 2 참조). 이 브러시 기재에 리드선을 장착하고, 선단을 정류자의 직경에 맞도록 가공하고 공시체로 했다.

(실시예 2)

흑연분말로서, 평균입자지름이 15㎛, 회분이 0.5% 이하에서 배향성이 높고 성형성이 좋은 인조흑연분을 이용한 것 이외에는 실시예 1과 같이 하여 저항율이 100μΩ·m의 브러시 기재를 제작후, 이하 실시예 1과 같이 하여 공시체로 했다.

(실시예 3)

평균입자지름 40㎛의 인조흑연분 70중량부, 자기윤활제가 되는 이황화 몰리브덴 4.7중량부, 연삭제가 도는 탄화규소 분말 0.3중량부, 비스페놀계 에폭시 수지와 산무수물계 경화제 25중량부를 부가하여 130℃에서 1시간 혼날하고, 실시예 1과 같은 방법으로 성형후, 220℃에서 경화하고, 저항율이 2,000μΩ·m의 브러시 기재를 제작후, 이하 실시예 1과 같이 하여 공시체로 했다.

(비교예 1)

실시예 1과 같이 하여 브러시 기재를 제작했는데, 표면에는 동피막을 형성하지 않고 그대로 공시체로 했다.

(비교예 2)

탄화규소와 이황화텅스텐을 사용하지 않고 실시예 1과 같은 방법으로 브러시 기재를 제작하고, 이하 실시예 1과 같이 하여 공시체로 했다.

(비교예 3)

흑연분말로서 평균입자지름이 40㎛, 회분이 0.5% 이하의 실시예 2에 사용한 인조흑연분보다 성형성이 좋은(결정화도가 높은) 인조흑연분을 이용한 것 이외에는 실시예 1과 같은 방법으로 저항율이 60μΩ·m의 브러시 기재를 제작하고, 이하 실시예 1과 같이 하여 공시체로 했다.

실시예 1 내지 3과, 비교예 1 내지 3의 각각의 공시체에 대해 온도상승과 마모율의 측정을 실행했다. 또, 금속질피막을 형성한 브러시 전체의 저항율(외관 저항율)에 대해서도 측정했다.

(온도상승의 측정)

공시체의 리드선 설치면보다 정류자와의 접촉면에서 3mm의 깊이까지 작을 구멍을 내고, 가는 열전대(JIS-0.75급)를 삽입하고, 정격 220V, 1kW의 전기청소기용 모터에 장착하여 정격으로 운전하고, 그 사이의 온도상승을 측정했다.

(마모율의 측정)

열전대를 장착하고 있지 않은 공시체 브러시를 장착한 모터를 정격으로 100시간 운전하고, 운전후의 브러시 마모율을 측정했다.

(브러시 기재의 저항율 측정)

또, 브러시 기재의 저항율은 5×5×30mm의 시험편을 이용하여 다음 수학식에 의해 계산하고, 정수로 사사오입했다.

여기에서, ρ는 저항율(μΩ·m), V는 전압단자간의 전압(mV), I는 시험편에 흐르는 전류(A), A는 시험편의 단면적(㎡), L은 전압단자의 거리(m)이다.

(브러시의 외관 저항율의 측정)

브러시의 외관저항율은 시험편을 7×11×30mm의 치수로 하고, 상기 브러시 기재의 저항율 측정방법에 준했다.

(금속질피막의 막두께 측정)

금속질피막의 막두께는 브러시를 절단하고, 주사형 전자현미경(이하, SEM이라 한다)에서 브러시 기재와 금속과의 계면에서 피복층의 상단부까지의 두께를 측정했다.

이상의 측정결과를 표로 정리하여 도 7에 나타낸다.

도 7의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 이황화 텅스텐 또는 이황화 몰리브덴과 탄화 규소를 첨가하고, 표면에 동을 도금한 실시예 1~3에 관련된 브러시는 기재의 저항율이 높음에도 불구하고, 표면에 형성되어 있는 동피막에 의해 외관의 저향율이 작아지는 것을 알 수 있다. 또, 마모율도 작아 브러시의 내구성이 향상하는 것을 알 수 있다.

이에 대해, 이황화 텅스텐과 탄화규소를 첨가하고, 표면에 동을 도금하고 있지 않은 비교예 1의 공시체는 초기단계에서는 마모율은 작았지만, 시간의 경과와 함께 정류자의 표면이 거칠어져 점차 브러시의 마모율도 증대하여 리드선이 타는 일이 발생했다. 또, 실시예 1의 공시체에 비해 온도상승이 크고, 이것에서 동피막에 의해 브러시 온도의 상승을 억제하는 효과가 있는 것을 알 수 있다.

또, 고체윤활제인 이황화 몰리브덴이나 이황화 텅스텐과, 연삭제인 탄화규소를 첨가하지 않고, 동도금을 실시한 비교예 2의 공시체는 마모율이 실시예 1~3의 브러시와 비교하면 1.4~1.8배 커지고 있다.

비교예 3의 공시체 기재의 저항율은 실시예 1~3의 브러시 기재의 그것에 비해 낮고, 그 결과 정류특성이 다른 것에 비해 나쁘고, 마모율이 커졌다. 즉, 실시예 3에서는 절연물인 바인더 수지의 경화물이 존재하기 때문에 비교적 큰 저항율을 갖고, 정류특성도 좋아 마모율이 가장 작았다. 또, 이황화 몰리브덴을 고체윤활제로서 사용했는데, 이황화 텅스텐과 마찬가지로 브러시 마모율을 저감시키는 효과가 있는 것이 확인되었다.

또, 브러시 기재의 표면에 동피막을 형성한 브러시는 정류자의 회전방향으로 교차하는 전면 피막의 전부를 연삭하여 제거했기 때문에, 정류 중에 이들 피막이 박리되거나, 늘어지는 일이 없고, 정류자의 표면을 거칠게 하는 일도 없었다.

다음에 실시예 4 내지 실시예 7과, 비교예 4 내지 비교예 6에 의해 금속피막(6)의 형성면의 차이가 어떻게 브러시 특성에 영향을 미치는지에 대해 나타낸다.

(실시예 4)

평균입자지름 40㎛, 회분 0.2% 이하의 인조흑연분 70질량부에 비스페놀계 에폭시수지 25질량부와, 아세톤을 부가하여 상온에서 2시간 혼날했다. 그 후 아세톤을 건조증발시키고, 입자지름이 40메시 이하가 되도록 분쇄하고, 200MPa의 압력으로 7×11×30mm의 치수로 틀을 눌러 성형하고, 220℃에서 경화하고, 저항율이 500μΩ·m의 브러시 기재를 얻었다. 이 브러시 기재를 수산화나트륨과 주석산 칼륨을 부가하여 착화한 황산동용액에 침지하고, 환원제로서 포르말린을 부가하여 기재표면에 동피막을 10㎛ 형성했다. 그리고, 정류자의 회전방향에 직각인 측면의 한쪽 면의 모든 동을 연삭하여 제거했다. 그리고, 동피막을 제거한 면이 도 2에 있어서, 정류자(2)가 A방향으로 회전하는 경우의 면(1a)이 되도록 브러시(1)를 설치했다.

(실시예 5)

실시예 4와 마찬가지로 하여 저항율이 500μΩ·m의 브러시 기재를 제작하고, 마찬가지로 기재 표면에 동피막을 10㎛ 형성하고, 정류자의 회전방향에 직각인 측면의 한쪽 면의 모든 동을 연삭하여 제거했다. 그리고, 동피막을 제거한 면이 도 2에 있어서, 정류자(2)가 B방향으로 회전하는 경우의 면(1a)이 되도록 브러시(1)를 설치했다.

(실시예 6)

실시예 4와 마찬가지로 하여 저항율이 500μΩ·m의 브러시 기재를 제작하고, 마찬가지로 기재 표면에 동피막을 10㎛ 형성하고, 정류자의 회전방향에 직각인 측면의 양쪽 면의 모든 동을 연삭하여 제거했다. 그리고, 도 4에 나타낸 바와 같이 브러시(1)를 설치했다.

(실시예 7)

평균입자지름 40㎛의 인조흑연분 70질량부, 자기윤활제가 되는 이황화 몰리브덴 4.7질량부, 연삭제가 되는 탄화규소분말 0.3 질량부, 비스페놀계 에폭시 수지와 산무수물계 경화제 25질량부를 부가하여 130℃에서 1시간 혼날하고, 실시예 4와 같은 방법으로 성형후, 220℃로 경화하고, 저항율이 500μΩ·m의 브러시 기재를 제작후, 이하 실시예 6과 같이 기재 표면에 동피막을 10㎛ 형성하고, 정류자의 회전방향에 직각인 측면의 양쪽 면의 모든 동을 연삭하여 제거했다. 그리고, 도 4에 나타낸 바와 같이 브러시(1)를 설치했다.

(비교예 4)

실시예 4와 같이 하여 브러시 기재를 제작했는데, 표면에는 동피막을 형성하지 않고, 그대로 브러시(1)로 했다.

(비교예 5)

실시예 4와 같이 하여 브러시 기재를 제작하고, 그 기재표면의 전면에 동피막을 형성후, 형성한 동피막을 제거하지 않고 브러시(1)로 했다.

(비교예 6)

흑연분말로서 평균입자지름이 40㎛, 회분이 0.5% 이하의 성형성이 좋은(결정화도가 높은) 인조흑연분을 이용한 것 이외에는 실시예 4와 같은 방법으로 저항율이 60μΩ·m의 브러시 기재를 제작하고, 이하 실시예 6과 같이 기재표면에 동피막을 10㎛ 형성하고, 정류자의 회전방향에 직각인 측면의 양쪽 면의 모든 동을 연삭하여 제거했다. 그리고, 도 4에 나타낸 바와 같이 브러시(1)를 설치했다.

실시예 4 내지 실시예 7과, 비교예 4 내지 비교예 6의 각각의 브러시에 대해 상술한 바와 같이 하여 온도상승과 마모율의 측정을 실행했다. 또, 금속질피막을 형성한 브러시 전체의 저항율(외관 저항율)에 대해서도 측정했다.

이상의 측정결과를 표로 정리하여 도 8에 나타낸다.

이상의 결과로부터 실시예 4의 브러시는 마모시에 정류자와 브러시의 슬라이딩면에 금속피막층이 맞물려 정류자의 표면을 거칠게 하고, 또한 브러시의 마모율이 증대하는 것을 방지할 수 있는 것이었다.

실시예 5의 브러시는 정류자의 회전방향에 직각인 측면의 후면측 금속질피막이 형성되어 있지 않기 때문에, 그 부분의 저항율이 높아져서 정류자편간의 단락전류를 억제할 수 있어 정류가 좋고 불꽃의 발생이 적은 것이었다.

실시예 6의 브러시는 전체면에 금속질피막이 형성되어 있는 비교예 5의 것에 비교하여 외관의 저항율이 크고, 브러시 온도는 높지만, 브러시 후면측 면의 금속질피막이 없고, 저항율이 높기 때문에, 정류자의 단락전류가 억제되어 정류가 좋고 불꽃이 작다. 또, 브러시의 전면측의 금속질피막도 없기 때문에, 브러시 마모시에 금속막이 브러시와 정류자 사이에 맞물려 정류자를 거칠게 하고, 또한 마모가 증대하는 것을 방지할 수 있는 것이었다.

실시예 7의 브러시는 실시예 6에 대해 윤활제를 첨가한 결과, 정류자에 윤활피막을 형성하는 작용이 촉진되고, 또 연마제를 첨가하고 있기 때문에 적정한 윤활피막으로 조정하는 작용이 강화되어 폭넓은 조건하에서 양호한 슬라이딩과, 낮은 마모율을 얻을 수 있었다.

비교예 4의 브러시는 표면에 금속질피막이 형성되어 있지 않기 때문에 외관저항이 크고, 온도상승도 금속질피막이 형성된 실시예 4 내지 7의 브러시에 비해 높아졌다.

비교예 5의 브러시는 전체면에 금속질피막이 형성되어 있기 때문에, 외관저항이 작고, 브러시의 온도상승도 작은 것이었지만, 브러시가 마모할 때에 금속질피막이 브러시와 정류자의 슬라이딩부에 맞물려 정류자 표면을 거칠게 하고, 또한 브러시 마모가 증대했다. 또, 금속질피막이 브러시 선단에 잔존하여 정류자편간의 단락이 발생했다.

비교예 6의 브러시는 브러시 기재의 저항율이 실시예의 브러시에 비교하여 매우 작기 때문에, 금속질 피막을 형성해도 그 효과가 충분히 나오지 않았다. 또, 기재의 저항율이 작기 때문에, 정류자의 단락전류를 억제할 수 없어 정류가 나쁘고 브러시 마모가 컸다.

본 발명은 이상과 같이 구성되어 있고, 고체윤활제와 흑연분을 최초에 배합하고, 그 후 열경화성 수지 등의 바인더와 혼합하는 것에 의해 고체윤활제를 바인더 중에 균일하게 분산할 수 있다. 저항율을 100~200μΩ·m로 하고, 또 브러시 표면에 전기양도성 금속피막을 형성하고 있기 때문에, 브러시 온도의 상승을 억제하는 것이 가능했다. 이 때문에, 고출력, 고속회전에도 불구하고 안정된 정류를 장기간에 걸쳐 유지할 수 있다. 또, 비교적 거친 입자지름의 연삭제를 사용할 수 있기 때문에, 연삭제의 긁는 효과로 제동시의 브러시의 통전 포인트가 슬라이딩면 전체에서 안정되게 실행되기 때문에, 제동시에 있어서 브레이크 전류가 방해받지 않아 전동공구, 특히 전기 브레이크가 달린 전동공구에도 적합하다. 또, 표면에 형성된 전기양도성 금속피막의 표면에 내산화막이 형성되어 있기 때문에, 장기간에 걸쳐 이 전기양도성 금속피막의 효과를 유지할 수 있다. 또, 브러시의 정류자의 회전방향에 직각인 측면의 적어도 한쪽 측면의 금속질피막이 제거되어 있기 때문에, 정류자의 회전방향에 맞춰 브러시를 설치하여 정류자의 표면을 손상시키지 않고 안정된 정류를 얻을 수 있고, 또한 정류중의 불꽃의 발생을 억제할 수 있는 등, 정류자의 수명 연장 효과를 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. 고체윤활제와 연삭제를 함유하는 카본 브러시 기재에 전기양도성 금속피막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계용 카본 브러시.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 카본 브러시 기재의 저항율이 100μΩ·m 이상인 것을 특징으로 하는 전기기계용 카본 브러시.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 전기양도성 금속피막의 표면에 내산화막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계용 카본 브러시.
4. 도전성 회전체(2)에 대해 눌러 대어진 전기기계용 카본 브러시(1)에 있어서, 상기 카본 브러시(1)의 카본 브러시 기재 표면에 전기양도성 금속피막이 형성되고, 상기 도전성 회전체(2)의 회전방향에 직각인 측면(1a, 1c)의 적어도 한쪽면의 일부 또는 전부는 상기 전기양도성 금속피막이 형성되어 있지 않은 카본 브러시 기재가 노출된 면인 것을 특징으로 하는 전기기계용 카본 브러시.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 도전성 회전체(2)의 회전방향에 직각인 측면(1a, 1c)의 양면의 일부 또는 전부는 카본 브러시 기재가 노출된 면인 것을 특징으로 하는 전기기계용 카본 브러시.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 카본 브러시 기재가 노출된 면은 상기 도전성 회전체(2)에 직교하는 모든 면에 전기양도성 금속피막을 형성후, 상기 피막을 기계가공에 의해 제거하는 것을 특징으로 하는 전기기계용 카본 브러시.
7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 카본 브러시 기재의 저항율이 100μΩ·m 이상인 것을 특징으로 하는 전기기계용 카본 브러시.
8. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 전기양도성 금속피막의 표면에 내산화막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기계용 카본 브러시.