JP4925466B2

JP4925466B2 - カーボンブラシ、カーボンブラシの製造方法および電動モータ

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Publication number: JP4925466B2
Application number: JP2007544121A
Authority: JP
Inventors: 巌柳澤
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2026-11-06
Also published as: CN101297462A; US8004143B2; WO2007055164A1; US20090230814A1; CN101297462B; JPWO2007055164A1

Description

本発明は、電動モータのアーマチュアに巻装されたコイルに給電するためのカーボンブラシ、カーボンブラシの製造方法および電動モータの技術分野に属するものである。

一般に、電動モータのなかには、永久磁石が配されたヨークに、コイルが巻装されたアーマチュアのアーマチュア軸を回転自在に軸承するとともに、前記アーマチュア軸に、アーマチュアに巻装されるコイルが電気的に接続するコンミテータを設け、前記コンミテータに、外部電源が接続されたブラシを摺接させることでコイルへの給電をし、コイルを励磁せしめ、これによって、アーマチュアを回転させるようにしたものがある。このようなものにおいて、前記ブラシをカーボン製（黒鉛質ブラシ）としたものがあり、この場合では、ブラシがコンミテータに対して摺動したとき、コンミテータとの摺接面（摺動面）に電気的摩耗と機械的摩耗、さらには、整流性の悪化による火花放電を発生して耐久性を低減させるという問題があり、このため、摩耗や整流性の悪化を抑制することが課題となっている。

ところで、黒鉛質ブラシは、コンミテータとの摺接部周辺の空気やブラシに内在する気孔中の空気等により摺接面にカーボン被膜が形成され、該カーボン被膜が摩耗や整流性の悪化を抑制する一因子となるが、前記カーボン被膜の形成状態は、ブラシとコンミテータとの摺接部における使用環境、即ち、温度や湿度等の影響を強く受けることが知られおり、摺接部における雰囲気温度が高温となったような場合では、適度なカーボン被膜の形成が損なわれてしまい、ブラシとコンミテータとの摺接状態が悪化し、火花の発生が増加して耐久性が劣るという問題が生じる。
そこで、カーボン被膜の形成状態を、使用環境に合わせて制御できるように構成することが、電動モータの整流性能、耐久性を向上させることになると考えられ、その一方法として、天然系黒鉛を原材料とし、バインダー、添加剤、銅を加え、プレス成形、焼結加工することによりブラシを形成し、該形成されたブラシの内部に形成される気孔に、水の沸点よりも高い沸点を有する液体を含浸したブラシが提唱されている。そして、このように構成することにより、高温（摺接部温度が１００度以上）の環境下において、気孔に含浸された液体によりカーボン被膜の形成がなされ、これによって、前記高温度域におけるブラシやコンミテータの摩耗が低減され、耐久性の向上が図れるようにしている。
特開２００４−１７３４８６

しかるに、前記従来のものでは、ブラシは、天然系黒鉛を用いてプレス成形、焼結加工してブラシを形成した後、水の沸点よりも高い沸点を有する液体を含浸させる構成としている。このため、工程数が増えて煩雑になるという問題があるばかりでなく、含浸加工が難しく、生産性が劣るためコストアップを招来するという問題がある。
一方、近年、車両に搭載される電動モータのように、複数の電動モータを用いてアクチュエータを構成することがあり、この場合に、電動モータをコンパクト化するとともに高電圧化することが要求される。このように、コンパクト化、および、高電圧化したものでは、コンパクト化されたブラシとコンミテータとの摺動面に高電圧が作用するため整流性が悪化し、火花の発生が増加してブラシやコンミテータの摩耗が一層顕著になることが想定され、これに対応するには、カーボン被膜の形成状態を制御するだけでは充分でなく、これらに本発明の解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、カーボンブラシであって、結晶子の形状が鱗状または鱗片状であり、平均粒径が２０〜２００μｍの天然系黒鉛に、結晶子の形状がフレーク状であり、平均粒径が１０〜１００μｍの人造系黒鉛を混合した原材料を含むものであって、前記人造系黒鉛は、少なくとも２０〜８０重量パーセント混合されている、カーボンブラシである。
請求項２の発明は、前記人造系黒鉛は、５０重量パーセント混合されている、請求項１に記載のカーボンブラシである。
請求項３の発明は、電動モータの回転子に巻装されるコイルに給電するカーボンブラシの製造方法であって、結晶子の形状が鱗状または鱗片状であり、平均粒径が２０〜２００μｍの天然系黒鉛に、結晶子の形状がフレーク状であり、平均粒径が１０〜１００μｍの人造系黒鉛を混合して、前記人造系黒鉛が少なくとも２０〜８０重量パーセント混合されるステップと、該混合した黒鉛をプレス成形するステップと、該成形した黒鉛を焼結加工してカーボンブラシを形成するステップとを含むカーボンブラシの製造方法である。
請求項４の発明は、電動モータであって、回転子と、該回転子に巻装されたコイルと、該コイルに給電するカーボンブラシとを含む電動モータにおいて、前記ブラシは、結晶子の形状が鱗状または鱗片状であり、平均粒径が２０〜２００μｍの天然系黒鉛に、結晶子の形状がフレーク状であり、平均粒径が１０〜１００μｍの人造系黒鉛を混合した原材料を用いて形成され、前記人造系黒鉛は、少なくとも２０〜８０重量パーセント混合されている、電動モータである。

請求項１乃至３の発明とすることにより、高電圧対応型の電動モータに採用した場合であっても、整流状態を広い範囲の温度条件下で良好にすることができる。
請求項４の発明とすることにより、原材料として天然系黒鉛に人造系黒鉛を混合したものを用意し、通常のブラシの成形工程で形成することにより、整流状態のよいブラシを提供することができる。

電動モータの一部断面側面図である。図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ天然系ブラシの温度変化に対するブラシとコンミテータの摩耗速度の変化を示すグラフ図、人造系ブラシの温度変化に対するブラシとコンミテータの摩耗速度の変化を示すグラフ図である。図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ混合ブラシの配合比に基づくブラシの摩耗速度の変化を温度変化に対して測定したグラフ図、混合ブラシの配合比に基づくコンミテータの摩耗速度の変化を温度変化に対して測定したグラフ図である。混合ブラシの形成手順を説明するフローチャート図である。

符号の説明

１電動モータ
４コンミテータ
７ブラシホルダステー
Ｂブラシ
ＮＢ天然系ブラシ
ＡＢ人造系ブラシ
Ｂ１混合ブラシ

つぎに、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図面において、１は、高電圧対応型に構成されたファンモータとして機能する電動モータ（回転電機）であって、該電動モータ１のモータ軸（アーマチュア軸）１ａは、一端が有底筒状のヨーク２の底部２ａに軸受２ｂを介して軸承され、ヨーク底部２ａから外方に突出する突出先端部に負荷が設けられるように構成されている。そして、モータ軸１ａの他端は、ヨーク２の開口端を覆蓋するエンドブラケット３に軸受け３ａを介して軸承されている。前記モータ軸１ａは、エンドブラケット３側に位置してコンミテータ４が一体的に外嵌され、該コンミテータ４よりヨーク底部２ａ側部位に複数枚の鉄心５が外嵌されており、これら鉄心５の外周に複数のコイル５ａが巻装されている。前記コンミテータ４は、樹脂材からなる筒状の嵌合部４ａの外周面に、周回り方向複数の導電性の整流子片４ｂが一体的に設けられており、これら整流子片４ｂの一端側には、外径側に折り返し折曲されたライザ片４ｃがそれぞれ形成され、これらライザ片４ｃに、所定のコイル５ａをそれぞれ電気的に接続することにより回転子（アーマチュア）６が形成されている。因みに、このものでは、アーマチュア６を構成する鉄心５を、軸方向両端部位のものは大径のリング状体として、モータ軸１ａ外周にスペースを形成し、ここに、コンミテータ４の嵌合部４ａの一端を配設することにより、軸長方向のコンパクト化が図られている。

７はブラシホルダステーであって、該ブラシホルダステー７は、外周部７ａが、モータ軸１ａの他端を軸承するエンドブラケット３とヨーク２開口端とのあいだに挟持状に支持されている。前記ブラシホルダステー７の一端側面には、周回り方向にブラシホルダ７ｂが形成されており、これらブラシホルダ７ｂに、本発明が実施されたブラシＢがそれぞれ径方向に摺動自在に内装されている。さらに、各ブラシホルダ７ｂには、ブラシＢを内径方向（モータ軸１ａの軸芯方向）に向けて押圧するための弾機８がそれぞれ配設されており、これによって、各ブラシＢは先端面がコンミテータ４の整流子片４ｂに押圧状に摺接するように設定されている。そして、ブラシＢから引き出される図示しないピグテールを介してブラシＢに外部電源を供給することにより、コンミテータ４を介してコイル５ａへの通電がなされ、該通電に基づいてコイル５ａが励磁されることに基づいて、ヨーク２の内周面に固着された永久磁石２ｃにより形成される磁界に対してアーマチュア６が回転するように設定されている。

そして、前記電動モータ１には、後述するように、天然系黒鉛と人造系黒鉛とを混合した原材料を用いて形成した混合ブラシＢが用いられており、これによって、電動モータ１が駆動する過程で、混合ブラシＢとコンミテータ４（整流子片４ｂ）との摺動部における雰囲気温度が常温雰囲気下、高温雰囲気下のいずれにおいても摩耗速度を抑制して、安定した整流状態となるようにし、これによって、耐久性の向上が図れるようにしている。

さて、ブラシのなかには、原材料を天然系黒鉛とする天然系ブラシＮＢと、原材料を人造系黒鉛とする人造系ブラシＡＢとの両者が汎用されている。本発明者等は、天然系黒鉛と人造系黒鉛の特性として結晶子の形状や大きさ、電気的抵抗に着目し、各黒鉛により形成されたブラシＮＢ、ＡＢを、前述した高電圧対応型の電動モータ１にそれぞれ組み込んだ場合の整流状態を考察した。

天然系、人造系ブラシＮＢ、ＡＢを、前記電動モータ１にそれぞれ組み込み、整流状態を確認するべく、天然系ブラシＮＢとコンミータ４との摺接部と、人造系ブラシＡＢとコンミテータ４との摺接部とにおいて、ブラシＮＢ、ＡＢ、コンミテータ４のそれぞれの摩耗速度（μｍ／ｈ）を測定した。尚、摩耗速度は、常温雰囲気（摺接部における雰囲気温度が２０℃前後）と高温雰囲気（摺接部における雰囲気温度が８０℃前後）との各条件下において電動モータ１を駆動させることに基づいて測定し、それぞれの温度条件下における摩耗速度を測定した。その結果を図２（Ａ）、（Ｂ）のグラフ図にそれぞれ示す。

これによると、天然系ブラシＮＢを用いた場合では、常温雰囲気下ではブラシＮＢ、コンミテータ４ともに摩耗があり、高温雰囲気下になるとコンミテータ４の摩耗速度が増加することが確認された。一方、人造系ブラシＡＢを用いた場合では、常温雰囲気下では、ブラシＡＢ、コンミテータ４ともに摩耗があるが、特にブラシＡＢの摩耗が著しく速くなっており、高温雰囲気下になるとブラシＡＢの摩耗速度が低減することが確認された。
これは、天然ブラシＮＢについて考察すると、常温雰囲気下では、摺動面にカーボン被膜が形成されにくいが、結晶子の形状が鱗状または鱗片状をしていることから滑り性がよく、このことにより、コンミテータ４の摩耗速度を抑制することができると考えられる。しかしながら、天然系ブラシＮＢは比抵抗が小さいことから整流性が悪化し、ブラシＮＢの摩耗を促進していると考えられる。これに対し、高温雰囲気下では、天然系黒鉛の結晶子が大きいことから、カーボン被膜が不足し、コンミテータ４の摩耗が促進されると考えられる。
一方、人造系ブラシＡＢについて考察すると、人造系黒鉛は結晶子が小さく、このため、常温雰囲気下において、天然系ブラシＮＢよりもカーボン被膜が一層形成されにくくなっており、このため、ブラシＡＢの摩耗を促進していると考えられる。これに対し、高温雰囲気下では、カーボン被膜が形成されやすくなり、ブラシＡＢ、コンミテータ４ともに摩耗速度を抑制した状態にできると考えられる。

一方、カーボン被膜の形成は、カーボンの微細な単結晶の表面にある水蒸気等の吸着膜が臨界温度に達したときに、コンミテータに形成される（付着する）と考えられている。そのため、結晶子が大きい天然黒鉛は、結晶子の比表面積が小さいため、高温雰囲気下ではカーボン被膜が形成されにくい。それに対し、人造系黒鉛は結晶子が小さく、結晶子の比表面積が大きくなり、カーボン被膜の形成がされやすいと考察される。
この考察と、前記観測結果に基づく考察とにより、本発明者等は、天然系黒鉛と人造系黒鉛との両者を混合した混合ブラシＢとすることにより、整流状態が悪化することが想定される高電圧対応型の電動モータのブラシとしても整流状態のよい優れたブラシを形成することができると判断した。
そして、これらの混合割合を種々変化させた四種類の混合ブラシＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４を用意し、これら混合ブラシＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４をそれぞれ高電圧対応型である前記電動モータ１に組み込み、各混合ブラシＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４とコンミータ４との摺接部において、混合ブラシＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、および、コンミテータ４における摩耗速度をそれぞれ測定した。
尚、摩耗速度は、常温雰囲気（摺接部における雰囲気温度が２０℃前後）と高温雰囲気（摺接部における雰囲気温度が８０℃前後）との各条件下において電動モータ１を駆動させることに基づいて測定し、その結果を図３（Ａ）、（Ｂ）のグラフ図にそれぞれ示す。
ここで、前記グラフ図において、横軸に天然系黒鉛に対する人造系黒鉛の配合比（重量パーセント、ｗｔ％）を示しており、混合ブラシＢ１は天然系黒鉛を７５重量パーセントと人造系黒鉛を２５重量パーセントとを混合して形成したものであり、混合ブラシＢ２は天然系黒鉛を６０重量パーセントと人造系黒鉛を４０重量パーセントとを混合して形成したものであり、混合ブラシＢ３は天然系黒鉛を５０重量パーセントと人造系黒鉛を５０重量パーセントとを混合して形成したものであり、混合ブラシＢ４は天然系黒鉛を２５重量パーセントと人造系黒鉛を７５重量パーセントとを混合して形成したものである。
尚、前記グラフ図において、人造黒鉛配合比０重量パーセントのブラシは天然系ブラシＮＢであり、人造黒鉛配合比１００重量パーセントのブラシは人造系ブラシＡＢであり、これらのブラシＮＢ、ＡＢについて、前記同様の測定値がそれぞれ示されている。

前記図３（Ａ）のグラフ図から、ブラシの摩耗状態は、天然系黒鉛と人造系黒鉛とを混合した混合ブラシＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４とすることにより、常温雰囲気下、高温雰囲気下の両者において摩耗速度が抑制されることが確認された。特に、天然系黒鉛に対する人造系黒鉛の配合比を５０重量パーセントとしたブラシＢ３の抑制率が一番優れていると判断された。
一方、図３（Ｂ）のグラフ図から、コンミテータ４の摩耗状態は、天然系黒鉛と人造系黒鉛とを混合したブラシＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４を用いることにより、常温雰囲気下、高温雰囲気下の両者において摩耗速度が抑制されることが確認されたが、コンミテータ４の摩耗は、特に高温雰囲気下における抑制率の低下が顕著であることが観測された。

これらの観測結果から、常温雰囲気下では、天然系黒鉛の持つ滑り性のよさが出現するとともに、混合ブラシＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４の比抵抗が天然系ブラシＮＢの比抵抗よりも上昇することにより、混合ブラシＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、の摩耗を抑制できるものと考察される。
これに対し、高温雰囲気下では、人造系黒鉛の結晶子が小さいことから、高温になってカーボン被膜ができやすくなり、混合ブラシＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、さらには、コンミテータ４の摩耗を抑制できると考察される。これらのことから、天然系黒鉛に人造系黒鉛を混合した混合ブラシＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、つまり、天然系黒鉛に対し、人造系黒鉛を２０〜８０重量パーセントを混合したものを原材料としたブラシＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、特に好ましくは、５０重量パーセントを混合したた混合ブラシＢ３を用いることで、高電圧対応型の電動モータ１において、常温雰囲気から高温雰囲気に至る広い温度範囲で混合ブラシＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４及びコンミテータ４の摩耗速度が抑制された、整流状態のよい電動モータ１とすることができると考えられ、これによって、耐久性の向上が図れるものと判断する。

次に、天然系黒鉛と、人造系黒鉛との混合物を原材料とした混合ブラシの形成手順について、図４のフローチャート図に基づいて説明する。
混合ブラシの原料として、結晶子の形状が鱗状または鱗片状であり、平均粒径が２０〜２００マイクロメータ（μｍ)、好ましくは１００μｍの天然系黒鉛、および、結晶子の形状がフレーク状であり、平均粒径が１０〜１００μｍ、好ましくは５０μｍの人造系黒鉛を、適宜割合、本実施の形態では５０重量パーセントづつを混合し、ここに、天然系黒鉛と人造系黒鉛との総重量に対し、１０〜５０重量パーセント、好ましくは３０重量パーセントのバインダー（フェノール樹脂またはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂）を加え、このものを、２０〜８０度、好ましくは５０度の温度条件下で１時間混練する。

つぎに、前記混練したものを乾燥、粉砕し、粒度選別することにより、粒径が１０〜４００μｍ、好ましくは２００μｍの黒鉛粒子とし、ここに、皮膜調整用として添加剤を加える。ここで、添加剤は、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等の化合物からなり、平均粒径２〜５０μｍ、好ましくは、約１０μｍとし、前記粒度選別された黒鉛の総重量に対し、０．１〜５重量パーセント、好ましくは２重量パーセントを加える。さらに、ブラシの抵抗を調整するため、平均粒径が１０〜５０μｍ、好ましくは３０μｍの電解銅粉を加えるが、電解銅粉は、前記粒度選別された黒鉛の総重量に対し、１〜５０重量パーセントを加え、これら黒鉛粒子、添加剤、電解銅粉とをよく混合する。

そして、前記混合したものを、所定の成形用型枠に移し、１平方ミリメートルあたり１００〜３００ニュートン、好ましくは２００ニュートン（Ｎ／ｍｍ^２）の成形圧力を作用してプレス成形し、該プレス成形したものを、２００〜８００度、好ましくは５００度の温度条件下で、２時間焼成することにより焼結体が得られ、該焼結体を適宜形状に加工することにより、混合ブラシ（Ｂ３）が形成されるように構成されている。
このように、混合ブラシの形成手順は、原材料として天然系黒鉛と人造系黒鉛とを混合すること以外は、全て汎用の黒鉛ブラシを形成する手順に基づいてなされるものであり、これによって、特別な工程を加えることなく、高電圧対応型の電動モータに用いても広い温度範囲において整流状態をよい状態に維持できる混合ブラシを形成することが可能となっている。

叙述の如く構成された本形態において、電動モータ１の回転子６のコイル５ａには、外部電源がブラシＢからコンミテータ４を介して供給されるが、この場合に、コンミテータに摺接するブラシＢとしては、天然系黒鉛と人造系黒鉛とが混合された黒鉛を原材料とする混合ブラシＢが設けられている。このため、常温雰囲気、高温雰囲気の両条件下において、ブラシＢあるいはコンミテータ４の摩耗速度を低減することができ、高電圧対応型の電動モータ１に採用しても整流状態をよいものにできて、耐久性の向上を図ることができる。

そのうえ、このものでは、混合ブラシＢを形成する場合に、原材料として天然系黒鉛に人造系黒鉛を混合するだけで、従来通りの汎用の形成手順に基づいて混合ブラシＢを形成することができ、何ら面倒な工程を必要とすることがなく、コストアップを回避した状態で、高電圧対応型の電動モータ１にも対応できるブラシＢ提供することができる。

尚、本発明は前記実施の形態に限定されないことは勿論であって、混合ブラシを、汎用の電動モータに適用した場合であっても、常温雰囲気から高温雰囲気にわたる広い温度範囲において、整流状態を良好にすることが可能である。

本発明は、電動モータのアーマチュアに巻装されたコイルに給電するための電動モータのカーボンブラシおよびカーボンブラシの製造方法に有用であって、天然系黒鉛に人造系黒鉛を混合した原材料を用いたカーボンブラシは、通常のブラシの成形工程で形成することができ、さらに、天然系黒鉛のみで形成されたカーボンブラシでは磨耗や整流性の悪化が顕著となる高電圧対応型の電動モータに採用した場合であっても、広い範囲の温度条件下で磨耗が抑制され整流状態を良好にすることができるため、耐久性の向上を図ることができる。

Claims

カーボンブラシであって、
結晶子の形状が鱗状または鱗片状であり、平均粒径が２０〜２００μｍの天然系黒鉛に、結晶子の形状がフレーク状であり、平均粒径が１０〜１００μｍの人造系黒鉛を混合した原材料を含むものであって、前記人造系黒鉛は、少なくとも２０〜８０重量パーセント混合されている、カーボンブラシ。
前記人造系黒鉛は、５０重量パーセント混合されている、請求項１に記載のカーボンブラシ。
電動モータの回転子に巻装されるコイルに給電するカーボンブラシの製造方法であって、
結晶子の形状が鱗状または鱗片状であり、平均粒径が２０〜２００μｍの天然系黒鉛に、結晶子の形状がフレーク状であり、平均粒径が１０〜１００μｍの人造系黒鉛を混合して、前記人造系黒鉛が少なくとも２０〜８０重量パーセント混合されるステップと、
該混合した黒鉛をプレス成形するステップと、
該成形した黒鉛を焼結加工してカーボンブラシを形成するステップとを含むカーボンブラシの製造方法。
電動モータであって、
回転子と、
該回転子に巻装されたコイルと、
該コイルに給電するカーボンブラシとを含む電動モータにおいて、前記ブラシは、結晶子の形状が鱗状または鱗片状であり、平均粒径が２０〜２００μｍの天然系黒鉛に、結晶子の形状がフレーク状であり、平均粒径が１０〜１００μｍの人造系黒鉛を混合した原材料を用いて形成され、前記人造系黒鉛は、少なくとも２０〜８０重量パーセント混合されている、電動モータ。