CN101297462B - 电动机的碳刷及碳刷的制造方法 - Google Patents

Abstract

即使在将电刷应用于针对高电压型的电动机的情况下，也形成良好的整流状态。利用将人造石墨混合到天然石墨中的原材料，通过压力成形、烧结加工形成电刷(B)，混合到天然石墨中的人造石墨的量至少为20～80重量百分比，特别优选地，混合50重量百分比，在将该电刷装入到针对高电压型的电动机(1)中时，在从常温气氛到高温气氛的很宽的温度条件下，抑制电刷(B)及整流子(4)的磨损速度，形成良好的整流状态。

Description

电动机的碳刷及碳刷的制造方法

技术领域

本发明涉及用于向卷绕到电动机的电枢上的线圈供电的电动机的碳刷及碳刷的制造方法的技术领域。

背景技术

一般地，在电动机中，卷绕有线圈的电枢的电枢轴，被可以自由旋转地支承在配置有永磁体的磁轭上，同时，在前述电枢轴上，设置与卷绕在电枢上的线圈电连接的整流子，通过使连接了外部电源的电刷与前述整流子滑动接触，向线圈供电，使线圈激磁，借此，使电枢旋转。在这种结构中，前述电刷有的是用碳制造的(石墨质电刷)，在这种情况下，存在着当电刷相对于整流子滑动时，与整流子的滑动接触面(滑动面)产生电磨损和机械磨损，进而产生由整流性能恶化引起的火花放电、使耐久性降低的问题，因此，抑制磨损及整流性能恶化成为需要解决的课题。

对于石墨质电刷，借助与整流子滑动接触部周边的空气、存在于电刷内部的气孔中的空气等在滑动接触面上形成碳保护膜，该碳保护膜成为抑制磨损及整流性能恶化的一个因素，但是已知，前述碳保护膜的形成状态受到电刷与整流子的滑动接触部处的使用环境、即温度及湿度等的强烈的影响，在滑动接触部的气氛温度成为高温的情况下，存在着会损害适当的碳保护膜的形成，电刷与整流子的滑动接触状态恶化，增加火花的发生，耐久性恶化的问题。

因此，考虑能够与使用环境相一致地控制碳保护膜的形成状态，以提高电动机的整流性能、耐久性，作为其中的一个方法，提出了这样的电刷，即，利用天然石墨作为原材料，添加粘结剂、添加剂、铜，通过压力成形、烧结加工形成电刷，在这样形成的电刷的内部生成的气孔中，浸渍沸点比水的沸点高的液体。并且，通过这样的结构，在高温(滑动接触部的温度在100度以上)的环境下，利用浸渍在气孔内的液体形成碳保护膜，借此，降低在前述高温度区域中的电刷、整流子的磨损，提高耐久性。

专利文献1：特开2004-173486

发明内容

然而，在前述现有的制品中，通过利用天然系石墨进行压力成形、烧结加工形成电刷后，浸渍沸点比水的沸点高的液体，从而构成电刷。因此，不仅存在着增加工序数而且繁杂的问题，而且还存在着浸渍加工难，以及由于生产率差导致的成本上升的问题。

另一方面，近年来，像搭载在车辆上的电动机那样，存在利用多个电动机构成驱动装置的情况，在这种情况下，要求将电动机紧凑化，同时要求高电压化。这样，可以设想，在紧凑化及高电压化的制品中，由于高电压作用到紧凑化的电刷与整流子的滑动面上，整流性能恶化，增加火花的发生，电刷及整流子的磨损变得更加显著，为了应对这种情况，只控制碳保护膜的形成状态是不够的，这些就是本发明所要解决的课题。

本发明是鉴于上述情况，以解决这些课题为目的做出的，方案1所述的发明是一种电动机的碳刷，所述碳刷是向卷绕在电动机的转子上的线圈供电的电刷，该电刷是利用将人造石墨混合到天然石墨中的原材料形成的。

方案2所述的发明，在方案1所述的电动机的碳刷中，至少混合20～80重量％的人造石墨。

方案3所述的发明，在方案1或2所述的电动机碳刷中，混合50重量％的人造石墨。

方案4所述的发明是一种电动机的碳刷的制造方法，所述碳刷是向卷绕在电动机的转子上的线圈供电的电刷，其特征在于，将人造石墨混合到天然石墨中，然后，进行压力成形、烧结加工，形成该电刷。

根据方案1至3的发明，即使在采用针对高电压型的电动机的情况下，也可以在很宽范围的温度条件下，保持良好的整流状态。

根据方案4所述的发明，作为原材料，准备将人造石墨混合到天然石墨中的材料，通过利用通常的电刷成形工艺来形成，可以提高整流状态良好的电刷。

附图说明

图1是电动机的部分剖视侧视图。

图2(A)、(B)分别是表示相对于天然类电刷的温度变化而言、电刷与整流子的磨损速度的变化的曲线图，以及表示相对于人造类电刷的温度变化而言、电刷与整流子的磨损速度的变化的曲线图。

图3(A)、(B)分别是表示根据混合电刷的配合比、电刷的磨损速度的变化相对于温度变化所测定的曲线图，根据混合电刷的配合比、整流子的磨损速度的变化相对于温度变化所测定的曲线图。

图4是说明混合电刷的形成步骤的流程图。

符号说明

1    电动机

4    整流子

7    刷握撑条

B    电刷

NB   天然类电刷

AB   人造类电刷

B1   混合电刷

具体实施方式

下面，根据附图说明实施本发明的实施形式。

在图中，1是构成具有针对高电压型的电枢的功能的电动机(旋转电机)，该电动机1的电动机轴(电枢轴)1a的一端经由轴承2b支承在有底筒状的磁轭2的底部2a，在从磁轭底部2a向外突出的突出前端部设置负载。并且，电动机轴1a的另一端经由轴承3a支承在覆盖磁轭2开口端的端部托架3上。前述电动机轴1a位于端部托架3侧，成一整体地外嵌在整流子4上，利用该整流子4，在磁轭底部2a侧部位外嵌有多个铁心5，在这些铁心5的外周卷绕多个线圈5a。前述整流子4在由树脂材料构成的筒状的配合部4a的外周面上成一整体地设置有周向方向的多个导电性的整流子片4b，在这些整流子片4b的一端侧，分别形成向外径侧折回弯曲的竖片4c，通过在这些竖片4c上分别电连接规定的线圈5a，形成转子(电枢)6。顺便提及，其中，对于构成电枢6的铁心5，轴向方向两端部位的铁心为大直径的环形体，在电动机轴1a的外周形成空间，通过将整流子4的配合部4a的一端配置在该空间内，以图轴长度方向的紧凑化。

7是刷握撑条，该刷握撑条7的外周部7a呈夹持状被支承用于支承电动机轴1a的另一端的端部托架3与磁轭2开口端之间。在前述刷握撑条7的一端侧面沿着周向方向形成刷握7b，在这些刷握7b中分别沿径向方向可自由滑动地内装有实施了本发明的电刷B。进而，在各个刷握7b上分别配置有将电刷B向内径方向(电动机轴1a的轴心方向)推压用的弹簧8，借此，各个电刷B被设定成前端面呈推压状与整流子4的整流子片4b滑动接触。并且，通过经由从电刷B引出的图中未示出的柔韧铜辫向电刷B供应外部电源，经由整流子4向线圈5a通电，根据该通电，线圈5a被激磁，基于此，电枢6相对于由固定到磁轭2的内周面上的永磁体2c形成的磁场旋转。

并且，对于前述电动机1，如后面所述，使用由混合天然石墨和人造石墨的原材料形成的混合电刷B，借此，在电动机1驱动的过程中，在混合电刷B和整流子4(整流子片4b)的滑动部处的气氛温度在常温气氛、高温气氛任何一种气氛下，均抑制磨损速度，成为稳定的整流子状态，借此，提高耐久性。

进而，在电刷中，原材料为天然石墨的天然类电刷NB，原材料为人造类石墨的人造电刷AB两者是通用的。本发明者等人，着眼于作为天然石墨和人造石墨的特性的微晶的形状、大小、电阻，考察了将利用各种石墨形成的电刷NB、AB分别装入到前述针对高电压型的电动机1中的情况下的整流状态。

为了将天然类、人造类电刷NB、AB分别装入到前述电动机1中、确认整流状态，在天然类电刷NB和整流子4的滑动接触部、人造类电刷AB和整流子4的滑动接触部，测定电刷NB、AB、整流子4各自的磨损速度(μm/h)。另外，通过在常温气氛(滑动接触部的气氛温度在20℃左右)和高温气氛(在滑动接触部的气氛温度在80℃左右)的各条件下驱动电动机1，测定磨损速度，测定在各个温度条件下的磨损速度。其结果分别示于图2(A)、(B)的曲线图中。

借此确认，在利用天然类电刷NB的情况下，在常温气氛下，与电枢NB、整流子4一起磨损，在高温气氛下，整流子4的磨损速度增加。另一方面，确认在采用人造类电刷AB的情况下，在常温气氛下，虽然存在与电枢AB、整流子4一起的磨损，但是，特别是，电刷AB的磨损显著地快，在高温气氛下，电枢AB的磨损速度降低。

这被认为是：当对于天然电刷NB进行考察时，在常温气氛下，在滑动面上难以形成碳保护膜，而由于微晶的形状形成鳞状或者鳞片状，滑动性优异，从而，可以抑制整流子4的磨损速度。但是，可以认为，由于天然类电刷NB的电阻率小，因而整流性能差，促进电刷NB的磨损。与此相对，可以认为，在高温气氛下，由于天然石墨的微晶大，碳保护膜不足，促进了整流子4的磨损。

另一方面，可以认为，当对于人造类电刷AB进行考察时，人造石墨的微晶小，因此，在常温气氛下，与天然类电刷NB相比，更难形成碳保护膜，所以促进了电刷AB的磨损。与此相对，可以认为，在高温气氛下，容易形成碳保护膜，可以形成与电刷AB、整流子4一起抑制磨损速度的状态。

另一方面，可以认为，对于碳保护膜的形成，当位于碳的微细的单晶的表面上的水蒸气等的吸附膜达到临界温度时，形成(附着)在整流子上。因此，微晶大的天然石墨，由于微晶的比表面积小，所以，在高温气氛下难以形成碳保护膜。与此相对，人造石墨微晶小，微晶的比表面积大，容易形成碳保护膜。

根据这种研究以及基于前述观测结果进行的研究，本发明人等判断，通过制成将天然石墨和人造石墨两者混合起来的混合电刷B，即使作为被设想为整流状态恶化的针对高电压型的电动机的电刷，也可以形成整流状态优异的电刷。

并且，准备使它们的混合比例进行各种变化的四种混合电刷B1、B2、B3、B4，将这些混合电刷B1、B2、B3、B4分别装入针对高电压型的前述电动机1中，在各个混合电刷B1、B2、B3、B4与整流子4的滑动接触部，分别测定混合电刷B1、B2、B3、B4以及整流子4处的磨损速度。

另外，通过在常温气氛(滑动接触部的气氛温度在20℃左右)和高温气氛(在滑动接触部的气氛温度在80℃左右)的各条件下，驱动电动机1，测定磨损速度，其结果分别示于图3(A)、(B)的曲线图中。

这里，在前述曲线图中，横轴表示人造石墨相对于天然石墨的配合比(重量百分比，wt％)，混合电刷B1是通过混合75重量百分比的天然石墨和25重量百分比的人造石墨而形成的，混合电刷B2是通过混合60重量百分比的天然石墨和40重量百分比的人造石墨而形成的，混合电刷B3是通过混合50重量百分比的天然石墨和50重量百分比的人造石墨而形成的，混合电刷B4是通过混合25重量百分比的天然石墨和75重量百分比的人造石墨而形成的。

另外，在前述曲线图中，人造石墨配合比为0重量百分比的电刷是天然类电刷NB，人造石墨配合比为100重量百分比的电刷是人造类电刷AB，对于这些电刷NB、AB分别示出前述同样的测定值。

从前述图3(A)的曲线图确认电刷的磨损状态为：通过制成混合天然石墨和人造石墨的混合电刷B1、B2、B3、B4，在常温气氛、高温气氛两种气氛下，磨损速度得到了抑制。特别是判断出：人造石墨相对于天然石墨的配合比为50重量百分比的电刷B3的抑制率更加优异。

另一方面，从图3(B)的曲线图确认整流子4的磨损状态为：通过使用混合天然石墨和人造石墨的电刷B1、B2、B3、B4，在常温气氛、高温气氛两种气氛下，磨损速度受到抑制，但是观测到整流子4的磨损特别是在高温下的抑制率下降显著。

从这些观测结果可以认为：在常温气氛下，出现天然石墨具有的滑动性的优越性，同时，与天然类电刷NB的电阻率相比，混合电刷B1、B2、B3、B4的电阻率上升，从而，可以抑制混合电刷B1、B2、B3、B4的磨损。

与此相对，可以认为，在高温气氛下，由于人造石墨的微晶小，在高温下容易生成碳保护膜，可以抑制混合电刷B1、B2、B3、B4的磨损，进而抑制整流子4的磨损。由此，在天然石墨中混合人造石墨的混合电刷B1、B2、B3、B4，即，通过使用相对于天然石墨混合20～80重量百分比的人造石墨的材料作为原材料的电刷B1、B2、B3、B4，特别优选地，通过使用混合50重量百分比的混合电刷B3，在针对高电压型的电动机1中，可以制成在从常温气氛到高温气氛的很宽的温度范围内，混合电刷B1、B2、B3、B4及整流子4的磨损速度受到抑制的整流状态良好的电动机1，借此，判断出耐久性的提高。

其次，根据图4流程图，说明对于以天然石墨和人造石墨的混合物作为原材料的混合电刷的形成步骤。

作为混合电刷的原料，将微晶的形状为鳞状或者鳞片状、平均粒径为20～200微米(μm)、优选为100μm的天然石墨，以及微晶的形状为片状、平均粒径10～100μm、优选为50μm的人造石墨，以适当的比例，在本实施形式中，混合各50重量百分比，添加相对于天然石墨和人造石墨的总重量为10～50重量百分比、优选为30重量百分比的粘结剂(酚醛树脂或者环氧树脂等热固化性树脂)，将其在20～80度、优选为50度的温度条件下混炼1小时。

接着，将前述混炼的材料干燥、粉碎，通过粒度分选，制成粒径10～400μm、优选为200μm的石墨粒子，向其中添加保护膜调整用的添加剂。这里，添加剂由钼(Mo)、钨(W)、硅(Si)、铝(Al)等的化合物构成，平均粒径为2～50μm，优选约为10μm，添加相对于前述粒度分选的石墨的总重量为0.1～5重量百分比、优选为2重量百分比的粘结剂。进而，为了调整电刷的电阻，添加平均粒径为10～50μm、优选为30μm的电解铜粉，电解铜粉，相对于前述粒度分选的石墨的总重量添加1～50重量百分比的粘结剂，将这些石墨粒子、添加剂、电解铜粉很好地混和。

然后，将前述混合的材料移入到规定的成形用型箱，作用1平方毫米100～300牛顿、优选为200牛顿(N/mm²)的成形压力，进行压力成形，将该压力成形的制品，在200～800度、优选500度的温度条件下，通过2小时的烧结，获得烧结体，通过将该烧结体加工成适当的形状，形成混合电刷(B3)。

这样，混合电刷的形成步骤，除作为原材料混合天然石墨和人造石墨之外，其余全部根据形成通用的石墨电刷的步骤进行，从而，无需增加特别的工序，即使在用于针对高电压型的电动机时，也能够形成在很宽的温度范围内保持良好的整流状态的混合电刷。

在前面所述的结构的本形式中，经由整流子4从电刷B向电动机1的转子6的线圈5a供应外部电源，在这种情况下，作为与整流子滑动接触的电刷B，设置将天然石墨和人造石墨混合的石墨作为原材料的混合电刷B。因此，在常温气氛、高温气氛的两种条件下，可以降低电刷B或者整流子4的磨损速度，即使应用于针对高电压型的电动机1，也可以形成良好的整流状态，可以提高耐久性。

而且，其中，在形成混合电刷B的情况下，作为原材料，只通过将人造石墨混合到天然石墨中，就可以根据现有技术中通用的形成步骤形成混合电刷B，不需要任何复杂的工序，在避免成本增加的状态下，可以提供能够适用于针对高电压的电动机1的电刷B。

另外，不言而喻，本发明并不局限于前述实施形式，即使在将混合电刷应用于通用的电动机的情况下，在从常温气氛到高温气氛的很宽的温度范围内，可以形成良好的整流状态。

工业上的利用可能性

本发明对于用于向卷绕到电动机的电枢上的线圈供电的电动机的碳刷及碳刷的制造方法是有用的，采用将人造石墨混合到天然石墨中的原材料的碳刷，可以利用通常的碳刷成形工艺形成，进而，在只用天然石墨形成的碳刷中，即使在应用于磨损及整流性能的恶化显著的针对高电压型的电动机中的情况下，也能够在很宽范围的温度条件下抑制磨损，形成良好的整流状态，所以，可以提高耐久性。

Claims (3)

1.一种电动机的碳刷，是用于向卷绕在电动机的转子上的线圈供电的电刷，其中，该电刷是利用将微晶形状为片状且平均粒径为10～100μm的人造石墨混合到微晶形状为鳞状或者鳞片状且平均粒径为20～200μm的天然石墨中的原材料形成的，被混合的所述人造石墨为20～80重量百分比。

2.如权利要求1所述的电动机的碳刷，其特征在于，混合有50重量％的人造石墨。

3.一种电动机的碳刷的制造方法，是用于向卷绕在电动机的转子上的线圈供电的电刷的制造方法，其中，将微晶形状为片状且平均粒径为10～100μm的人造石墨混合到微晶形状为鳞状或者鳞片状且平均粒径为20～200μm的天然石墨中，被混合的所述人造石墨为20～80重量百分比，然后，进行压力成形、烧结加工，形成该电刷。

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