TW201542645A - 樹脂結合之碳刷及其製造方法 - Google Patents

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TW201542645A
TW201542645A TW104111250A TW104111250A TW201542645A TW 201542645 A TW201542645 A TW 201542645A TW 104111250 A TW104111250 A TW 104111250A TW 104111250 A TW104111250 A TW 104111250A TW 201542645 A TW201542645 A TW 201542645A
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carbon
carbon material
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Yoshikazu Kagawa
Hidenori Shirakawa
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Toyo Tanso Co
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Abstract

本發明係藉由混練碳粉及黏結劑製作碳材料。以使碳材料之平均粒徑成為0.3mm以上之方式進行碳材料之造粒。藉由混合造粒後之碳材料與金屬粉而製作刷材料。金屬粉相對於刷材料總量之比例係調整為1重量%以上30重量%以下。對所製作之刷材料進行加壓成形，進而在不使刷材料中之樹脂碳化之溫度進行刷材料之熱處理。

Description

樹脂結合之碳刷及其製造方法
本發明係有關樹脂結合之碳刷及其製造方法。
作為馬達的刷，有包含碳且藉樹脂結合(resin bond)而成形之樹脂結合之碳刷(例如參考專利文獻1)。樹脂結合之碳刷具有適度柔軟性，相對於旋轉體之滑動性高。因此，樹脂結合之碳刷與旋轉體之間產生之摩擦聲比較小，藉由使用樹脂結合之碳刷可使馬達靜音化。如一般家庭所用之要求靜音性之電氣設備的馬達係使用樹脂結合之碳刷。
[專利文獻1]日本特開2012-50276號公報
樹脂結合之碳刷由於樹脂含量多，故電阻率比較高。為了提高馬達輸出，而要求減低樹脂結合之碳刷的電阻率。
本發明之目的係提供電阻率降低之樹脂結合之碳刷及其製造方法。
(1)依據本發明之一方面之樹脂結合之碳刷，係含有碳及樹脂之碳材料，與配置於前述碳材料之粒子間之金屬粉，前述碳材料之平均粒徑為0.3mm以上，前述金屬粉相對於前述碳材料及前述金屬粉全體之比例為1重量%以上30重量%以下。
該樹脂結合之碳刷中，藉由於碳材料之粒子間配置金屬粉而提高導電性，並使電阻率減低。該情況下，由於碳材料之平均粒徑為0.3mm以上，故於碳材料之粒子間，金屬粉不分散而集中配置。藉此形成金屬之3次元網狀連接。結果有效地使電阻率降低。
且，由於金屬粉相對於碳材料及金屬粉全體之比例為1重量%以上，故充分確保金屬粉之導電性。進而，由於金屬粉相對於碳材料及金屬粉全體之比例為30重量%以下，故可防止碳材料之粒子間之結合力降低。
(2)碳材料之平均粒徑亦可為2.5mm以下。該情況下，電阻率降低並且可容易地進行樹脂結合之碳刷的成形。
(3)金屬粉亦可為銀粉。該情況下，抑制了金屬粉之氧化並且藉由使用本來電阻率較低之銀，而有效地降低電阻率。
(4)亦可藉由配置在碳材料之粒子間之金屬粉形成金屬層，金屬層厚度為1μm以上20μm以下。該情況下，由於形成金屬層之3次元金屬相連，故有效地降低電阻率。
(5)依據本發明另一方面之樹脂結合之碳刷之製造方法，係具備下列步驟：藉由混合碳粉及樹脂而製作碳材料之步驟，將所製作之碳材料之平均粒徑調整為0.3mm以上之步驟，藉由混合經調整平均粒徑之碳材料與金屬粉而製作刷材料之步驟，使所製作之刷材料成形之步驟，在不使碳材料中所含之樹脂碳化之溫度下，對經成形之刷材料進行熱處理之步驟，且混合碳材料與金屬粉之步驟中，將金屬粉相對於碳材料及金屬粉全體之比例調整成1重量%以上30重量%以下。
依據該製造方法，藉由於碳材料之粒子間配置金屬粉而提高導電性，並使電阻率減低。該情況下，由於碳材料之平均粒徑為0.3mm以上，故於碳材料之粒子間，金屬粉不分散而集中配置。藉此形成金屬之3次元網狀連接。結果有效地使電阻率降低。
且，由於金屬粉相對於碳材料及金屬粉全體之比例為1重量%以上，故充分確保金屬粉之導電性。進而，由於金屬粉相對於碳材料及金屬粉全體之比例為30重量%以下，故可防止碳粒子P1間之結合力降低。
(6)製作刷材料之步驟亦可在前述碳材料之樹脂未硬化之狀態下進行。該情況下，由於金屬粉易附著於碳材料上，故可有效率地形成金屬之3次元網狀連接。
(7)製作刷材料之步驟中，金屬粉之平均粒徑亦可為0.5μm以上20μm以下。該情況下，藉由金屬之3次元網狀連接而有效地使電阻率降低。
依據本發明，可降低樹脂結合之碳刷之電阻率。
1‧‧‧刷
2‧‧‧旋轉體
4‧‧‧引線
10‧‧‧交流馬達
G‧‧‧旋轉軸
P1‧‧‧碳粒子
P2‧‧‧金屬粒子
圖1係使用本實施形態之樹脂結合之碳刷的交流馬達之示意立體圖。
圖2(a)~(b)係用以說明碳材料之平均粒徑與電阻率之關係的圖。
圖3係顯示利用顯微鏡觀察之實施例1之碳粒子表面之圖。
圖4係顯示利用顯微鏡觀察之實施例2之碳粒子表面之圖。
圖5係顯示利用顯微鏡觀察之實施例3之碳粒子表面之圖。
圖6係顯示利用顯微鏡觀察之比較例1之碳粒子表面之圖。
圖7係顯示利用顯微鏡觀察之實施例1之刷基材之剖面之圖。
圖8係顯示利用顯微鏡觀察之實施例2之刷基材之剖面之圖。
圖9係顯示利用顯微鏡觀察之實施例3之刷基材之剖面之圖。
圖10(a)~(b)係顯示第1馬達之測定結果之圖。
圖11(a)~(b)係顯示第2馬達之測定結果之圖。
以下針對本發明之一實施形態之樹脂結合之碳刷參考圖式加以說明。
(1)刷構成
圖1係使用本實施形態之樹脂結合之碳刷(以下僅稱為刷)的交流馬達之示意立體圖。圖1之交流馬達10包含刷1及旋轉體2。旋轉體2係整流子，設為可繞旋轉軸G旋轉。於刷1上連接引線4。以使刷1的一端接觸旋轉體2之外周面之方式，藉由未圖示之刷彈簧對刷1施力。自未圖示之電源透過引線4對刷1供給電流。藉由將該電流自刷1供給至旋轉體2，而使旋轉體2繞著旋轉軸G旋轉。藉由刷旋轉體2旋轉，使刷1相對於旋轉體2滑動。
又，本實施形態中，係對交流馬達10使用刷1，但不限於此，亦可對直流馬達使用刷1。
(2)刷之製造方法
針對刷1之製造方法加以說明。首先，藉由混練碳粉及黏合劑而製作碳材料。作為碳粉較好使用石墨粉。作為 石墨粉，可使用天然石墨粉、人造石墨粉或膨脹石墨粉等，亦可混合使用該等中之複數種。作為黏合劑可使用合成樹脂，亦可使用熱硬化性合成樹脂或熱可塑性合成樹脂，且亦可混合該等而使用。
作為黏合劑，較好使用環氧樹脂、酚樹脂、聚酯樹脂、乙烯酯樹脂、呋喃樹脂、聚醯胺樹脂或聚醯亞胺樹脂。又，該等黏合劑亦可溶解於丙酮等酮類、或甲醇或乙醇等醇類等之溶劑中，將該溶解液與碳粉混練。
碳粉相對於碳粉及黏合劑之總量的比例為例如5重量%以上95重量%以下，較好為50重量%以上90重量%以下。
碳粉及黏合劑之混練時，亦可添加鎢、碳化鎢、鉬及該等之硫化物中之1種或複數種。添加劑相對於碳粉及黏合劑之總量的比例為例如0.1重量%以上10重量%以下，較好為1重量%以上5重量%以下。
接著，以使碳材料之平均粒徑成為0.3mm以上之方式，進行碳材料之造粒。該情況下，可藉由混練進行造粒，或亦可使用篩對造粒粉進行整粒。或者亦可藉由粉碎碳材料等之其他方法進行造粒。造粒後之碳材料之平均粒徑較好為0.3mm以上2.5mm以下，更好為0.8mm以上2.0mm以下。
接著，使造粒後之碳材料與金屬粉混合而製作刷材料。金屬粉相對於刷材料總量之比例經調整為1重量%以上30重量%以下，較好為2.5重量%以上10重量%以下。 作為金屬粉係使用例如銀粉或銅粉。使用銀粉作為金屬粉時，銀粉之表觀密度較好為0.5g/cm3以上0.8g/cm3以下。且，金屬粉之平均粒徑越小，越易形成金屬之3次元網狀連接(以下稱為金屬之網絡)。另一方面，金屬粉之平均粒徑過小時，金屬粉之操作變困難。因此，金屬粉之平均粒徑較好為0.5μm以上20μm以下，更好為2μm以上10μm以下。
碳材料與金屬粉混合時，較好碳材料中所含之樹脂為未硬化狀態。由於金屬粉易於附著在未硬化之樹脂上，故可於碳材料表面均一附著金屬粉。藉此，可有效率地形成金屬之網絡。又，亦可於樹脂為未硬化之狀態且殘存黏合劑之溶劑之狀態混合碳材料與金屬粉。
其次，使所製作之刷材料加壓成形。接著，對成形後之刷材料在不使樹脂碳化之溫度進行熱處理。藉此使刷材料中之樹脂硬化及結合，而製作樹脂結合質之刷基材。熱處理溫度為不使刷材料中之樹脂碳化之溫度，例如為150℃以上250℃以下。熱處理較好在氮氣環境下、氨還原環境下或真空下進行。該情況下，可抑制金屬粉之氧化。自所製作之刷基材製作具有所需尺寸及形狀之刷1。
圖2係用以說明碳材料之平均粒徑與電阻率之關係的圖。圖2(a)中，顯示碳材料之平均粒徑較小時之碳材料之粒子與金屬粒子之狀態。圖2(b)中，顯示碳材料之平均粒徑較大時之碳材料之粒子與金屬粒子之狀態。以下將造粒後之碳材料粒子稱為碳粒子。
碳材料之平均粒徑小於0.3mm例如約0.1mm時，如圖2(a)所示，複數之碳粒子P1及複數之金屬粒子P2分別分散配置。因此，複數金屬粒子P2不易相互接觸，而使刷1之電阻率變高。
另一方面，碳材料之平均粒徑為0.3mm以上時，如圖2(b)所示，複數金屬粒子P2集中於在複數碳粒子P1間所形成之間隙中並連續配置，而形成金屬網絡。藉此，藉由複數金屬粒子P2而確保導電性，並使刷1之電阻率降低。
由複數碳粒子P1間之金屬粒子P2所形成之金屬層厚度較好為1μm以上20μm以下。該情況下，因金屬網絡而有效地使電阻率降低。
又，碳材料之平均粒徑調整為大於2.5mm時，難以使刷1成形。因此，藉由將碳材料之平均粒徑調整為2.5mm以下，可降低刷1之電阻率並且容易進行刷1之成形。
且，由於刷材料中之金屬粉比例調整為1重量%以上，故由複數金屬粒子P2確保導電性。另一方面，由於刷材料中之金屬粉比例調整為30重量%以下，故不會使碳粒子P1表面全體被金屬粒子P2覆蓋。因此，可防止複數碳粒子P1間之結合力降低。因此，確保刷1之彎曲強度。又，由於金屬比例不會過大，故可防止對滑動特性之不良影響。
為了降低刷1之電阻率，亦可代替於碳材料中添加金 屬粉，而考慮對刷1表面進行金屬鍍敷(例如銅鍍敷)。然而，刷1之電阻率因鍍敷層厚度差異而易於產生偏差。且發生鍍敷層剝離時，刷1之電阻率會較大變化。因此，依狀況而定而有刷1之電阻率不安定之虞。
相對於此，本實施形態中，於加壓成形及熱處理之前，由於將碳材料之平均粒徑及刷材料中之金屬粉比例調整至一定範圍，故刷1之電阻率不易產生偏差。又，刷1之電阻率亦幾乎不會有太大變化。進而，由於導電性高的部分不會偏向存在於刷1表面，故因碳材料所致之電阻率變動小。因此，可有效地降低電阻率。
(3)效果
如此，本實施形態中，以使碳材料之平均粒徑成為0.3mm以上之方式使碳材料造粒後，將碳材料與金屬粉混合。隨後，使碳材料與金屬粉所構成刷材料進行加壓成形及熱處理。
藉此，由於在碳材料粒子間配置金屬粉，故導電性提高，電阻率變低。該情況下，由於碳材料之平均粒徑為0.3mm以上，故碳材料之粒子間金屬粉不分散而集中配置。藉此，有效地使電阻率降低。
又，本實施形態中，由於金屬粉相對於碳材料與金屬粉全體之比例調整為1重量%以上，故充分確保金屬粉所致之導電性。再者，由於金屬粉相對於碳材料與金屬粉全體之比例調整為30重量%以下，故防止碳材料之粒子間 之結合力降低。因此，確保刷1之彎曲強度等之機械強度。
(4)實施例及比較例
(4-1)實施例1
使用結晶度高的人造石墨粉作為碳粉，將溶解於丙酮中之環氧樹脂作為黏合劑添加於碳粉中，使該等在常溫混練而製作碳材料。混練前之碳粉平均粒徑為50μm。又，相對於80重量份之碳粉使用20重量份之環氧樹脂。
接著，藉由混練進行碳材料之造粒，使用篩進行粒徑調整將碳材料之平均粒徑調整為0.8mm。於粒徑調整後之碳材料中添加具有5.6μm平均粒徑之銀粉，藉由粉體混合機混合該等而製作刷材料。該情況下，調整碳材料及金屬粉之量以使刷材料中之碳材料比例成為97.5重量%，金屬粉比例成為2.5重量%。所製作之刷材料以2t/cm2之壓力加壓成形，在200℃對成形後之刷材料進行熱處理，製作刷基材。
(4-2)實施例2
除了將刷材料中之碳材料及金屬粉之比例分別調整為95.0質量%及5.0質量%以外，與實施例1同樣地製作刷基材。
(4-3)實施例3
除了將刷材料中之碳材料及金屬粉之比例分別調整為90.0質量%及10.0質量%以外，與實施例1同樣地製作刷基材。
(4-4)實施例4
除了進行碳材料之粒徑調整使平均粒徑成為2.0mm以外，與實施例1同樣地製作刷基材。
(4-5)實施例5
除了進行碳材料之粒徑調整使平均粒徑成為1.5mm以外，與實施例1同樣地製作刷基材。
(4-6)實施例6
除了進行碳材料之粒徑調整使平均粒徑成為1.0mm以外，與實施例1同樣地製作刷基材。
(4-7)實施例7
除了進行碳材料之粒徑調整使平均粒徑成為0.5mm以外，與實施例1同樣地製作刷基材。
(4-8)比較例1
除下述方面以外，與實施例1同樣地製作刷基材。混練碳粉與黏合劑而製作碳材料後，藉由熱風乾燥機使碳材料乾燥，以粉碎機將碳材料粉碎使平均粒徑成為 0.25mm。隨後，不添加銀粉，進行碳材料之加壓成形及熱處理，而製作刷基材。
(4-9)比較例2
除了藉由濕式造粒機進行碳材料之粒徑調整使平均粒徑成為0.8mm以外，與比較例1同樣地製作刷基材。
(4-10)比較例3
除了於碳材料中添加銀粉以使刷材料中之碳材料及金屬粉之比例分別調整為97.5質量%及2.5質量%以外，與比較例1同樣地製作刷基材。
(5)評價
(5-1)碳材料之粒子表面
針對實施例1~3及比較例1，以顯微鏡觀察加壓成形前之碳粒子表面。圖3係顯示利用顯微鏡觀察之實施例1之碳粒子表面之圖。圖4係顯示利用顯微鏡觀察之實施例2之碳粒子表面之圖。圖5係顯示利用顯微鏡觀察之實施例3之碳粒子表面之圖。圖6係顯示利用顯微鏡觀察之比較例1之碳粒子表面之圖。
如圖3~圖5所示，實施例1~3中，於碳粒子表面大致均一地附著銀粉。因此，藉由對該等碳材料(刷材料)進行加壓成形及熱處理而製作刷1之情況下，銀粉集中配置於複數之碳粒子間而使刷1之電阻率降低。
又，相較於圖3所示之實施例1，圖4所示之實施例2在碳材料粒子表面附著之銀粉量較多。再者，相較於圖4所示之實施例2，圖5所示之實施例3在碳材料粒子表面附著之銀粉量較多。因此，對應於實施例2之刷1的電阻率比對應於實施例1之刷1的電阻率低，對應於實施例3之刷1的電阻率比對應於實施例2之刷1的電阻率低。
另一方面，如圖6所示，比較例1中，碳材料粒子表面之銀粉附著較少。因此，對該碳材料進行加壓成形及熱處理而製作刷1時，刷1之電阻率亦未降低。
(5-2)剖面
針對實施例1~3，以顯微鏡觀察所製作之刷基材之剖面。圖7係顯示利用顯微鏡觀察之實施例1之刷基材剖面之圖，圖8係顯示利用顯微鏡觀察之實施例2之刷基材剖面之圖，圖9係顯示利用顯微鏡觀察之實施例3之刷基材剖面之圖。
如圖7~圖9所示，可知實施例1~3中，銀粉集中配置於碳材料之複數粒子間。尤其圖9之實施例3中，明確看到銀粉以線狀延伸配置。
(5-3)體積密度、硬度、電阻率及彎曲強度
自實施例1~7及比較例1~3所製作之刷基材製作具有6×6×42mm之尺寸的棒狀試驗片，測定該試驗片之體積密度、硬度、彎曲強度及電阻率。硬度係使用蕭氏硬度計之 C型測定。
表1中，顯示實施例1~7及比較例1~3之銀含有率及碳材料之平均粒徑，並且顯示該等之體積密度、硬度、彎曲強度及電阻率之測定結果。
如表1所示，相較於比較例1及比較例2，實施例1~7之電阻率較低。藉此可知，相較於僅由碳材料製作刷基材之情況，藉由自包含銀粉及碳材料之刷材料製作刷基材之電阻率降低。且，相較於比較例3，實施例1~7之電阻率較低。藉此可知，相較於碳材料之平均粒徑小於0.3mm之情況，藉由使碳材料之平均粒徑為0.3mm以上而使電阻率變低。再者，實施例2之電阻率亦比實施例1 低，實施例3之電阻率亦比實施例2低。藉此可知於碳材料之平均粒徑相同之情況，銀含有率越高，電阻率越高。
且，關於銀含有率相同之實施例1及實施例4~7，即使碳材料之平均粒徑在0.5mm以上2.0mm以下之範圍而不同，電阻率亦無太大差異。
且，實施例1~7之彎曲強度在12.3MPa以上14.5MPa以下之範圍內，可知落於作為圖1之馬達10所用之刷1之彎曲強度而適當之範圍。且，關於體積密度及硬度，實施例1~7與比較例1~3間無太大差異。
(5-4)馬達效率
自實施例1~7與比較例1~3所製作之刷基材製作具有6.1×9×20mm之尺寸的刷1，將該刷1使用於吸塵器之馬達10，測定馬達效率。此處，所謂馬達效率係馬達10所輸出之機械能相對於輸入馬達10之電能的比率。刷1之電阻率越低，馬達效率越高。馬達效率之測定係依據DIN(德國工業規格)44959「吸塵器吸入功率測定方法」進行。
本測定係使用2台馬達10。於一馬達10(以下稱為第1馬達10)使用與實施例1~3、比較例1及比較例2對應之刷1，調查刷基材中之銀含有率與馬達效率之關係。另一馬達10(以下稱為第2馬達10)使用與實施例4~7、比較例1及比較例3對應之刷1，調查碳材料之平均粒徑與馬達效率之關係。關於任一馬達10，額定電壓及電源電壓均 為100V，頻率均為60Hz，自刷1對旋轉體2(圖1)施加之壓力為40KPa。且吸入口縮徑設為19mm。且，引擎進行20分鐘直至馬達10之動作安定之後，進行馬達效率之測定。
圖10係顯示第1馬達10之測定結果的圖。圖11係顯示第2馬達10之測定結果的圖。圖10(a)及圖11(a)顯示所測定之馬達效率。圖10(b)及圖11(b)顯示使用對應於比較例1之刷1時之馬達效率與使用對應於其他例之刷1時之馬達效率之差(效率差)。
第1馬達10中，如圖10所示，使用對應於比較例1及比較例2之刷1之情況的馬達效率為46.7~46.8%。另一方面，使用對應於實施例1~實施例3之刷1之情況的馬達效率為47.3~48.8%。
如此，相較於使用對應於比較例1及比較例2之刷1之情況，使用對應於實施例1~3之刷1之情況的馬達效率較高。藉此可知，相較於僅由碳材料製作刷基材之情況相比，藉由自包含銀粉及碳材料之刷材料製作刷基材，馬達效率提高。
且，使用對應於實施例2之刷1之情況的馬達效率高於使用對應於實施例1之刷1之情況，使用對應於實施例3之刷1之情況的馬達效率高於使用對應於實施例2之刷1之情況。藉此可知，於碳材料之平均粒徑相同時，銀含有率越高，馬達效率越高。
第2馬達10中，如圖11所示，使用對應於比較例1 及比較例3之刷1之情況的馬達效率分別為48.4%。另一方面，使用對應於實施例4~7之刷1之情況的馬達效率為48.8~48.9%。
如此，相較於使用對應於比較例3之刷1之情況，使用對應於實施例4~7之刷1之情況的馬達效率較高。藉此可知，藉由使碳材料之平均粒徑為0.5mm以上，相較於碳材料之平均粒徑小於0.5mm之情況，馬達效率變高。
[產業上之可利用性]
本發明可有效地利用於各種馬達。
1‧‧‧刷
2‧‧‧旋轉體
4‧‧‧引線
10‧‧‧交流馬達
G‧‧‧旋轉軸

Claims (7)

  1. 一種樹脂結合之碳刷，其含有含有碳及樹脂之碳材料，與配置於前述碳材料之粒子間之金屬粉，前述碳材料之平均粒徑為0.3mm以上，前述金屬粉相對於前述碳材料及前述金屬粉全體之比例為1重量%以上30重量%以下。
  2. 如請求項1之樹脂結合之碳刷，其中前述碳材料之平均粒徑為2.5mm以下。
  3. 如請求項1或2之樹脂結合之碳刷，其中前述金屬粉為銀粉。
  4. 如請求項1或2之樹脂結合之碳刷，其係藉由配置於前述碳材料之粒子間之金屬粉形成金屬層，且前述金屬層之厚度為1μm以上20μm以下。
  5. 一種樹脂結合之碳刷之製造方法，其具備下列步驟：藉由混合碳粉及樹脂而製作碳材料之步驟，將所製作之碳材料之平均粒徑調整為0.3mm以上之步驟，藉由混合經調整平均粒徑之碳材料與金屬粉而製作刷材料之步驟，使所製作之刷材料成形之步驟，在不使碳材料中所含之樹脂碳化之溫度下，對經成形之刷材料進行熱處理之步驟，且 混合碳材料與金屬粉之步驟中，將金屬粉相對於碳材料及金屬粉全體之比例調整成1重量%以上30重量%以下。
  6. 如請求項5之樹脂結合之碳刷之製造方法，其中製作前述刷材料之步驟係在前述碳材料之樹脂未硬化之狀態下進行。
  7. 如請求項5或6之樹脂結合之碳刷之製造方法，其中製作前述刷材料之步驟中，前述金屬粉之平均粒徑為0.5μm以上20μm以下。
TW104111250A 2014-04-23 2015-04-08 樹脂結合之碳刷及其製造方法 TW201542645A (zh)

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