专利名称：金属石墨质电刷的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对环绕在设于马达转子的芯体上的线圈供电的金属石墨质电刷。
背景技术：
在有电刷马达中，电刷与整流子滑动接触而进行供电。于是，整流子与环绕在设在转子中的芯体上的线圈连接，当对线圈进行通电时，由于与在外壳内部与转子相对配置的永久磁铁之间的吸引/排斥作用，转子进行旋转。
在具有上述结构的马达中，由于马达驱动时电刷和整流子进行滑动接触，在与整流子滑动接触面上会产生电刷的摩损的问题。以前，为了抑制马达驱动时电刷的磨损，研究通过改变电刷材质、调整电刷硬度，来抑制电刷的电气磨损/机械磨损、和马达驱动时在电刷的滑动接触面上产生的火花放电。
在车辆上使用有电刷马达时，作为车辆用马达的电刷，广为人知的是，其特征是与其他种类的电刷相比，其电刷中流过的电流密度大。因此利用粘接溶剂将石墨颗粒与铜颗粒混合后，再进行烧结制备，得到所谓的金属质石墨电刷(例如，参照专利文献1)。
作为金属石墨质电刷的制造方法的一个例子，公知有以天然石墨颗粒为基材，以溶解酚醛树脂为粘合剂，加入天然石墨颗粒而捏合天然石墨颗粒，在其中加入电解铜粉，另外为了提高滑动接触面的固体润滑性，作为固体润滑剂，加入少量的二硫化钼的粉体或二硫化钨的粉体，然后在富有含有氢气的氮气环境中，在从700℃至800℃的温度下进行烧结。此时，在石墨颗粒的表面形成的作为覆膜的溶解酚醛树脂由于烧结时的温度而发生热分解，溶解酚醛树脂碳化成非晶碳而残留下来。该非晶碳作为粘合剂，将石墨颗粒结合在一起。在该烧结工序中，因为溶解酚醛树脂溶液中的有机物质作为二氧化碳和水蒸气进行升华，所以在金属石墨质电刷的表面及内部形成许多气孔。还有，利用上述制造方法制造的金属石墨质电刷的流过电刷的电流密度由铜粉的混合比例决定。
当具有金属石墨质电刷的马达用于车辆时，马达越小，对于车辆的安装性能越好。因此，在马达输出相同的情况下，马达越小，其商品性能越好。所以，从实际安装性能的角度来看，金属石墨质电刷的尺寸受到制约，好的电刷应该具有较小的与整流子的接触面积，较短的沿转子径方向的长度。另一方面，用在车辆用马达上的金属石墨质电刷要向马达传输大电流，以转动搭载在车辆上的电子设备，因此需要电流密度大的电刷。
专利文献1JP特开2001-298913号公报(第1页)。
但是，在马达上安装现有的金属石墨质电刷时，由于金属石墨质电刷的动作，从金属石墨质电刷向整流子会产生电火花放电。从电火花放电的光谱的波长可知，放电中心的温度有时超过3000℃。此时，构成金属石墨质电刷的铜粉会优先升华。由于缺少部分铜粉，金属石墨质电刷内部将不断出现损伤，从而具有引起金属石墨质电刷的磨损现象的问题。
另外，在金属石墨质电刷中，铜粉的体积比例越高，越容易产生电火花放电，从而会促进金属石墨质电刷的磨损。这样，从马达所要求的金属石墨质电刷的安装性和磨损受命的角度，有时会限制具有金属石墨质电刷的马达用于车辆。
此外，具有金属石墨质电刷的马达中，在金属石墨质电刷出现电火花放电时，会发生电气噪声。在汽车上，由于马达附近安装有其他的车载电子设备，因此需要利用电容器或线圈吸收这些电火花产生的电气噪声。如果电火花放电产生的电气噪声信号的频率范围很广，则要在马达上安装多个电容器或线圈，以吸收电气噪声。这样，进一步降低了马达在车辆上的安装性，另外也出现了用于解决电气噪声的额外费用的问题。
上述现有的具有金属石墨质电刷的马达中，从金属石墨质电刷产生的电火花是产生上述各种问题的主要原因。
本发明为解决上述问题，目的在于提供难以产生电火花的金属石墨质电刷。
发明内容
本发明的金属石墨质电刷的第1特征结构为，其由在表面和内部具有气孔的烧结体组成，通过滑动接触面与和环绕在设在马达转子中的芯体上的线圈进行电气连接的整流子滑动接触，从而向上述线圈进行供电，其中，在上述气孔内具有乳浊液，该乳浊液含有在上述马达工作时根据与上述整流子的滑动接触摩擦热而升温气化的液体；与该液体的沸点相比具有高沸点并且使该液体分散的溶剂。
即，根据该结构，金属石墨质电刷在马达工作时由于与整流子的滑动接触摩擦而升温，分散在气孔内的溶剂中的液体先于溶剂进行气化，形成气球(balloon)。该气球在其内压达到大气压以上后，会伴随溶剂和不气化的其它成分移动到大气压的滑动接触面。于是，金属石墨质电刷与整流子的滑动接触面，由于局部存在的溶剂和不气化的其它成分等液状物体，能够形成以液体状物体为媒介的接触面，使得金属石墨质电刷与整流子的接触状态为面接触，接触电阻变低，因此能够抑制电火花的产生。此外，由于在滑动接触面形成液状的被膜，滑动接触面的摩擦系数降低，从而也可以降低构成金属石墨质电刷的石墨的凝集磨耗和疲劳磨耗。
这样，通过在金属石墨质电刷的气孔内存在乳浊液，只有当滑动接触面升温到规定温度以上时，液体才发生气化，靠近滑动接触面的气球优先移动到滑动接触面。由于存在于该气孔内的液体会自动移动，从而能够使存在于金属石墨质电刷的气孔内的有限量的乳浊液构成的液状物体在滑动接触面上得到高效利用，与只在气孔内浸渍液状物体的情况相比，能够延长液状物体的使用期间。另外，通过分别选择具有不同沸点的液体，可以任意设定液状物体在滑动接触面渗出的温度。此外，通过在溶剂中分散在不同温度下气化的多数种液体，从而也可以在大范围的温度领域，使液状物体存在于滑动接触面上。
本发明的金属石墨质电刷的第2特征结构为，上述乳浊液含有合成油。
即，根据该结构，由于在金属石墨质电刷与整流子之间形成有以含有合成油的液状物体为媒介的接触面，由此能够获得以合成油为媒介的液体的润滑作用，减少金属石墨质电刷的机械磨损。另外，由于合成油存在于滑动接触面上，能够防止在滑动接触面上形成水蒸气被膜，而该水蒸气被膜是导致滑动接触面的接触电阻增加的主要原因，进而能够减少金属石墨质电刷与整流子之间的电能损失。
本发明的金属石墨质电刷的第3特征结构为，上述合成油至少含有聚α烯烃、聚烯二醇油、多元醇酯、多元醇双酯、多元醇三酯中的一种。
即，根据该结构，由于上述合成油具有作为液体润滑剂所优选的性质、即粘度指数高、低温流动性好、高温时具有油膜保持能力、热稳定性好、氧化稳定性优良、对整流子表面的吸附性优良等，因此能够用作滑动接触面的优良的润滑剂。
本发明的金属石墨质电刷的第4特征结构为，上述乳浊液具有导电性。
即，根据该结构，由于能够使滑动接触面的电阻小于大气的电阻，从而能够降低金属石墨质电刷与整流子之间的接触电阻。这样，当电压加在金属石墨质电刷上时，由金属石墨质电刷所感应的电场强度降低，金属石墨所具有的π电子难以激发，从而能够使电火花难以产生，能够抑制金属石墨质电刷的电气损耗和电气噪声的产生。此外，与金属石墨质电刷与整流子之间的接触电阻的大小有关的电能损失也变小，电流能够有效地流向整流子侧。另外，由于滑动接触摩擦面的焦耳热也会大大降低，这样能够抑制滑动接触面的整流子的氧化现象，消除由于整流子氧化膜形成引起的电能损失，并且消除整流子表面氧化所引起的体积膨胀造成的整流子的破坏，其结果，能够消除由于整流子的滑动接触面的破坏所引起的滑动接触面的平坦度的劣化造成的金属石墨质电刷的研磨损耗。
本发明的金属石墨质电刷的第5特征结构为，上述乳浊液至少包括金属盐、金属碱、界面活性剂、离子性液体中的一种。
即，根据该结构，能够使乳浊液具有导电性。
本发明的金属石墨质电刷的第6特征结构为，上述液体为沸点在60℃-140℃的范围的醇类。
即，根据该结构，由于醇类的沸点低于马达工作时金属石墨质电刷与整流子之间的滑动接触面的最高到达温度，从而随着马达工作时的滑动接触摩擦热产生的升温，能够确实地保证使滑动接触面附近的液体气化。
本发明的金属石墨质电刷的第7特征结构为，上述醇类在上述马达工作时气化并形成气球，由于该气球的内压上升而移动到上述滑动接触面。
即，根据该结构，只有在滑动接触面升温到规定温度以上时，醇类才气化并形成气球，离滑动接触面近的气球优先移动到滑动接触面。这样，能够使存在于气孔内的有限量的乳浊液在滑动接触面上得到高效利用，与只在气孔内浸渍液状物体的情况相比，能够延长液状物体的使用期间。
本发明的金属石墨质电刷，由表面和内部具有气孔的烧结体组成，通过滑动接触面与和环绕在设在马达转子中的芯体上的线圈进行电气连接的整流子滑动接触，从而向上述线圈进行供电，其中，在上述气孔内具有乳浊液，该乳浊液含有在上述马达工作时根据与上述整流子的滑动接触摩擦热而升温气化的液体；与该液体的沸点相比具有高沸点并且使该液体分散的溶剂。即，金属石墨质电刷在马达工作时由于与上述整流子之间的滑动接触摩擦热而升温。与此同时，存在于电刷表面和内部的气孔也升温，特别是越靠近与整流子滑动接触的滑动接触面的气孔，升温越高，在分散在气孔内的溶剂中的液体由于其沸点低于溶剂的沸点，因此比溶剂先气化，形成气球。由于所形成的气球的热膨胀受到周围溶剂的抑制，因此随着气球内的温度上升，气球的内压也相应增加。于是，当气球内压到达大气压以上时，气球从金属石墨质电刷的气孔的开口部移动到金属石墨质电刷的滑动接触面。此时，溶剂和不气化的其它成分也与气球一起移动到滑动接触面。
这样，由于在金属石墨质电刷与整流子之间的滑动接触面上能够局部存在溶剂和不气化的其它成分等液状物体，使得金属石墨质电刷与整流子之间的滑动接触状态从现有的非常少的几个接触点和大部分是以大气为媒介的接触面组成的滑动接触状态，变为除极少的接触点和以大气为媒介的接触面之外，还加上以新形成的液状物体为媒介的接触面构成的滑动接触状态。由于形成以液状物体为媒介的接触面，金属石墨质电刷与整流子之间的接触状态为液状物体的面接触，其接触电阻低于以大气为媒介的接触电阻，因此能够抑制电火花的产生。此外，由于在滑动接触面形成液状物体的被膜，滑动接触面的摩擦系数降低，从而也可以降低构成金属石墨质电刷的石墨的凝集磨耗和疲劳磨耗。
这样，通过在气孔内存在乳浊液，只有当滑动接触面升温到规定温度以上时，液体才气化，靠近滑动接触面的气球优先移动到滑动接触面。这样，能够使存在于气孔内的有限量的乳浊液在滑动接触面上得到高效利用，与只在气孔内浸渍液状物体的情况相比，能够延长液状物体的使用期间。另外，通过分别选择具有不同沸点的液体，可以任意设定液状物体在滑动接触面渗出的温度。此外，通过在溶剂中分散在不同温度下气化的多种液体，从而也可以在大范围的温度领域，使液状物体存在于滑动接触面上。
还有，本发明的金属石墨质电刷优选乳浊液含有润滑油。作为润滑油，可以采用天然油、合成油、过去众所周知的润滑油，没有特别限制。从热分解温度高、难以氧化的角度，更优选采用合成油。即，只要合成油不因滑动接触摩擦热而变质，就可以保持合成油的润滑性。于是，如果采用这种合成油，由于在金属石墨质电刷与整流子之间的滑动接触面的局部充满含有合成油的液状物体，从而能够获得合成油的存在而产生的润滑作用，同时使金属石墨质电刷与整流子进行滑动接触。此时，由于在金属石墨质电刷与整流子之间形成有以合成油为媒介的接触面，由此可以得到以合成油为媒介的液体的润滑作用，能够减少金属石墨质电刷的机械磨损。另外，由于合成油存在于滑动接触面上，所以能够防止形成水蒸气被膜，而该水蒸气被膜是导致滑动接触面的接触电阻增加的主要原因，进而能够减少金属石墨质电刷与整流子之间的电能损失。
还有，本发明的金属石墨质电刷优选乳浊液具有导电性。这样，由于能够使滑动接触面的电阻小于大气的电阻，因此伴随滑动接触面的接触面积增加的效果，能够降低金属石墨质电刷与整流子之间的接触电阻。这样，当电压加在金属石墨质电刷上时，由金属石墨质电刷所感应的电场强度降低，金属石墨所具有的π电子难以激发，从而能够使电火花难以产生，能够抑制金属石墨质电刷的电气损耗和电气噪声的产生。此外，与金属石墨质电刷与整流子之间的接触电阻的大小有关的电能损失也变小，电流能够有效地流向整流子侧。另外，由于滑动接触摩擦面的焦耳热也会大大降低，这样能够抑制滑动接触面的整流子的氧化现象，消除由于整流子氧化膜形成引起的电能损失，并且消除整流子表面氧化所引起的体积膨胀造成的整流子的破坏，其结果，能够消除由于整流子的滑动接触面的破坏所引起的滑动接触面的平坦度的劣化造成的金属石墨质电刷的研磨损耗。
图1为表示采用本发明的一个实施方式的金属石墨质电刷的马达的结构的剖面图。
图2为表示金属石墨质电刷的组成的模式图。
图3为表示金属石墨质电刷的制造工序的工序图。
图中1金属石墨质电刷，2转子，4轴，7、13外壳，8整流子，9芯体，10马达，17线圈，19气孔，21浸渍剂，22烧结体。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的一个实施方式进行说明。图1为表示采用转子2供电的金属石墨质电刷(下面也简称“电刷”)1的马达10的结构的剖面图。参照该图1，简单说明马达10的结构。
图1所示的马达10形成为转子2在外壳7的里面进行旋转的结构。转子2被收容在圆筒状的金属制的外壳7里面，并能够自由旋转。收容转子2一侧的外壳7通过螺栓等紧固构件14被固定在外壳13上，与外壳13成为一体。转子2被轴4支持，轴4的一个端部(图1所示右端)上设有具备2个相互平行的面的二面槽。被驱动装置的被驱动轴16从轴向被插入到该二面槽，并与之结合，从而能够从被驱动轴16向外部输出马达10的旋转，如此而构成。
构成芯体9的多块铁板沿轴向叠放在转子2上，轴4被压入芯体9的中央，并与之成为一体，转子2与轴4一体化旋转。轴4的另一端被压入到轴承(第1轴承)12的内圈，而该轴承12被压入在外壳7的里面。轴4通过轴承12受到轴支撑，相对于外壳7自由旋转。另一方面，在圆筒状的外壳7的内面上，利用粘接剂将多个呈圆弧状的磁铁11沿周方向粘接在外壳7上。
还有，在安装有外壳7的外壳13上，在安装有转子2的马达安装面上形成有凹部13a。轴承5的外圈5a被压入安装在该凹部13a中，轴4通过轴承5受到轴支撑。对转子2进行轴支撑的轴4通过2个轴承5、12在两端受到轴支撑，并自由旋转。此时，与轴承12压入的方向相反一侧的轴4的另一端处，轴4被压入轴承5的内圈5b。该轴承5的外圈5a被压入设置在形成于外壳13上凹部13a的内径。另外，在外壳13内，马达10的外壳13与轴承5之间设置有弹簧3。
弹簧3由弹簧特性(弹簧系数)高的在平板上具有圆盘形状的金属构成，其中央具有贯穿轴4的孔3d。弹簧3从中心开始，在120度的位置上从外径向内径，沿周方向形成有3个狭缝，并相对轴向3维地弯曲，从支持部3a连续形成加压部3b。弹簧3的支持部3a在周方向与凹部13a的台阶部接触并被卡止，其加压部3b与轴承5的外圈5a的侧面接触，使轴承5沿轴向(图1所示左方向)受力。
另一方面，在轴承5的转子侧设置有支架6。支架6由树脂支撑，与外壳7同轴配置。另外，支架6具有与整流子8接触的2个电刷1(图1中只画出1个)，从该整流子8能够向环绕在设置在转子侧的芯体9上的线圈17进行供电。另外，支架6上一体化形成有从外部经由电刷1向转子侧供电的连接器15。该连接器15与图中未表示的外部连接器连接，从而能够经由电刷13向环绕在转子2的芯体9上的线圈17供电。当向线圈17供电时，转子2与磁铁11之间产生电磁吸引力/排斥力，转子2进行旋转。
下面详细说明具有这种结构和动作的马达10中的电刷1。该实施方式的电刷1如图2的模式图所示，由以天然石墨颗粒18为基体的烧结体22制成，烧结体22的表面和其内部具有许多气孔19。因此，参照图3，说明制造成为电刷1的烧结体22的制造工序的一个例子。
制造电刷1时，准备好天然石墨颗粒(粒径为5～150μm)，并准备好相对石墨颗粒以体积比例计为2～3重量％的粒状颗粒形成的酚醛结构(或可溶酚醛结构)的苯酚树脂(S1)。于是，利用醇类溶解酚醛结构(或可熔酚醛结构)的苯酚树脂，制备溶解苯酚树脂溶液(S2)。这里使用的醇类可以为例如甲醇。另外，此时即使不使用醇类溶解上述苯酚树脂，也可以使用酮类(例如丙酮等)。还有，在S2利用醇类进行溶解时，添加到石墨颗粒18的苯酚树脂的粘度确定了石墨颗粒表面形成的苯酚树脂的被膜的厚度。然后，通过喷雾法将利用醇类溶解了苯酚树脂的溶解树脂喷涂到天然的石墨颗粒18上(S3)。在S3的喷涂中，以在石墨颗粒18的表面形成均匀的溶解树脂的方式进行涂布。
然后，对表面喷涂有溶解树脂的石墨颗粒进行捏合(S4)。这里的捏合是指利用混炼装置对石墨颗粒18进行规定时间(例如3～5小时)的均匀混炼。然后，在大气中进行大约30分钟的自然干燥后，再挤压成规定形状、例如直径为0.5mm、长度为2mm左右的大小(S5)。
为了制作在马达10驱动时电刷1流过的电流量具有规定电流密度的电刷1，而在挤压成形得到的石墨颗粒(造粒石墨颗粒)中，根据电刷1中流过的电流量一起调配铜粉。另外，这里为了改善与整流子8之间的滑动性，也可以一起添加作为固体润滑剂的二硫化钼(S6)。通过这种制备工序，使铜粉和二硫化钼分别均匀混合(S7)。然后，利用冲压装置加压成形(例如，冲压成形)(S8)，而使电刷1形成为规定的形状。将冲压成形获得的成形品放入含有氢气的富氮气环境中，在700～800℃的温度下进行2～3小时的还原烧制(S9)。苯酚树脂被还原烧制后生成的非晶碳使石墨颗粒彼此结合在一起，得到电刷形状的烧结体22。这样得到的烧结体22的表面和内部中，如图2的模式图所示，在相邻的石墨颗粒18之间形成有许多气孔19。
为了在经过图3的工序得到的烧结体22中形成的气孔19中浸入浸渍剂21，例如，将金属石墨质电刷浸泡在装有浸渍剂21的容器中，在低于0.1个大气压的低压状态下，放置一定时间(例如，30分钟)后，从容器中取出金属石墨质电刷，从而能够在金属石墨质电刷的烧结体22的气孔19内浸入浸渍剂21。
浸入电刷1的气孔19内的浸渍剂21为乳浊液，该乳浊液含有在马达工作时随着与整流子之间的滑动接触摩擦热的升温而进行气化的液体、与其沸点高于该液体的沸点并使该液体分散的溶剂。这样，能够保证使浸入电刷1的液状物体渗出到电刷1与整流子8之间的滑动接触面上。
使用合成油时，没有特别限制，但优选在电刷1与整流子8的滑动接触面的温度下，合成油不会发生热分解，也不会发生氧化。此外，更优选合成油具有作为液体润滑剂的性质，如粘度指数高、低温流动性好、具有高温时的油膜保持能力、热稳定性好、氧化稳定性好、对整流子表面的吸附性好等。从此角度出发，可以选择聚α烯烃、聚烯二醇油、多元醇酯、多元醇双酯、多元醇三酯中的至少一种。这种合成油能够作为润滑剂使用。
另外，在合成油中能够添加各种添加剂。例如，在构成合成油的基体油中，可以添加1)作为防氧化剂的苯并三唑，2)作为防锈剂的苯并三唑，3)作为消泡剂的聚丙烯酸酯，4)作为极压剂的磷酸酯，5)作为磨耗防止剂的磷酸酯，6)作为油性剂的高级醇酯，7)作为粘度指数增加剂的星形聚合物，8)作为流动点下降剂的聚烷基丙烯酸酯，9)作为抗乳化剂的聚氧化乙烯等。这样，在合成油中可以分别附加以下各种功能，如1)抑制由于基体油的氧化引起的沉淀物、漆皮的产生，2)防止整流子表面出现化学吸附、引起整流子的腐蚀，3)通过在基体油中分散，当基体油进行发泡时，降低泡的表面张力，破坏泡的被膜，4)在滑动接触面的临界状态下，抑制整流子表面形成被膜，抑制凝集磨耗，5)抑制由于在整流子表面形成低熔点的吸附保护膜、整流子表面氧化造成的破坏，6)抑制低温时在整流子表面形成吸附膜、降低滑动摩擦系数、由于与整流子的滑动摩擦引起的凝集磨耗和疲劳磨耗，7)抑制高温时开放分子结构、与基体油进行结合、粘度下降，确保基体油的膜压，防止凝集磨耗和疲劳磨耗，8)抑制低温时在基体油中出现石蜡析出、结晶固化引起的流动性的下降，9)破坏混入水分时的乳液，将基体油与水分分离开来等。
合成油的动粘度没有特别限制，优选在40℃时在20cSt以下，在100℃时在4cSt以下。间隙的电阻为大气层形成的电阻与合成油层形成的电阻串联而成。合成油渗出到间隙，形成合成油层，并且大气层形成的电阻部分下降，合成油层形成的电阻部分增加。当合成油的比电阻低于大气的比电阻时，电阻随时间的经过而降低，当间隙形成连续的合成油层时，间隙的电阻为一定值。
另一方面，合成油的粘性太高时，渗出到电刷1与整流子8之间的间隙的合成油被电刷1与整流子8之间的滑动接触面以很大的粘接力粘接固定，合成油之间的粘接固定力也增大。因此，与低粘性情况相比，渗出的合成油的扩散状态相对难以变化。与低粘性情况相比，合成油充填满间隙整体所需的时间相对变迟。因此，与电阻较高时相比，间隙电阻较低时难以产生电火花，因此通过粘度低的合成油，可以缩短实现合成油渗出到滑动接触面、从而使电火花难以产生的状态的时间。
电火花产生后，一部分火花到达整流子8，使整流子8的一部分发生升华，整流子8的表面发生粗化。这样，整流子在与电刷1的滑动接触面上引起电刷1的研磨(abrasive)磨损。另外，滑动接触面粗化后，在滑动接触面容易发生电刷1的凝聚磨耗，所以会进一步使整流子8的表面发生粗化，更容易产生电火花放电。靠近凝聚磨耗发生的部位的合成油由于摩擦热而变质，降低了液体的润滑作用。这样促进了电刷1的电气磨耗，另外，增加了电气噪声的产生频度。
另外，在电刷1与整流子8之间的接触点附近，形成有合成油的被膜。该被膜越薄，其电阻越小。如果为单分子膜，则基本上不形成电阻。另外，被膜在滑动接触面上为面状形成，而不是点状形成。由于该滑动接触面的许多接触面上形成被膜，因此在电刷1与整流子8之间形成的电阻大幅度降低。合成油的粘性低时，接触点附近的合成油的被膜的厚度薄，从而对降低电阻有帮助。这样，电火花难以产生。
为了使乳浊液具有导电性，可以通过在液体或溶剂中溶解电解质、或混合导电性的液状物体来赋予导电性，没有特别的限制。在使电解质溶解时，作为电解质有金属盐、金属碱、界面活性剂等，没有特别的限制，但优选采用溶解度高的物体，因为其离子导电率也高，可以选择例如硫酸酯盐、磺酸盐、烷基苯磺酸盐、碳酸盐等阴离子界面活性剂、氨盐等阳离子界面活性剂等。具体来说，作为阴离子界面活性剂，有辛基硫酸钠、癸酸钾、癸酸钠、直链型十二烷基苯磺酸锂等。作为阳离子界面活性剂，有溴化癸三甲胺等。如果溶解这种电解质，能够获得1mS/cm左右或更高的离子导电性的溶液，从而是优选。
由于可以采用液体或者溶剂、或者部分采用液体或者溶剂，因此优选利用导电性的液状物质。作为导电性的液状物质，可以采用例如离子性液体。离子性液体中，作为阳离子，有吡啶阳离子、咪唑阳离子、脂肪族胺阳离子、脂环式胺阳离子等。作为阴离子，有氯离子、溴离子、碘离子等卤化物离子、硝酸离子、四氟化硼(BF4-)、六氟化磷(PF6-)、三氟甲基磺酸(TFSI)[(CF3SO2)2N-、(CF3SO2)3C-]、氯化铝[AlCl4-、Al2Cl7-]等。作为导电性材料使用离子性液体时，由于离子性液体本身在滑动接触面上也具有润滑作用，因此也能够降低电刷1与整流子8之间的滑动接触面的滑动摩擦系数，减少电刷1的机械磨耗。为了在滑动接触面上长期保持导电性和润滑性，优选离子性液体即使在250℃也难以热分解，且具有耐加水分解性。例如作为阴离子，可以举出TFSI。此外，优选离子性液体的导电性为1mS/cm左右或在其以上，更优选3mS/cm左右的导电性。在以TFSI为阴离子的离子性液体中，可以举出下面化学式所表示的5种N，N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)亚氨(三氟甲基磺酸)酰、N，N，N-三甲基-N-甲基-N-丙基亚氨(三氟甲基磺酸)酰、N-甲基-N-丙基亚哌叮(三氟甲基磺酸)酰、1-乙基-3-甲基亚咪唑(三氟甲基磺酸)酰、1-丁基-3-甲基亚咪唑(三氟甲基磺酸)酰。
[化学式2] [化学式3] [化学式4] 这种离子性液体的滑动接触面上的导电性依赖于离子的移动。当马达10驱动时，在施于电刷1与整流子8之间的电位的作用下，阳离子和阴离子发生移动。于是，由于滑动接触状态总是在变化，电刷1与整流子8的滑动接触面的阳离子和阴离子的排列随着时间发生变化。另外，当滑动接触瞬间断开或马达没有工作时，则解除排列。这样，由于电刷1与整流子8的滑动接触状态发生变化，滑动接触面上的阳离子和阴离子的排列随着时间发生变化，由于阳离子和阴离子的移动，保证离子导电性。另外，随着解除排列和重新排列，也能维持依赖离子移动的离子导电性。
本发明的金属石墨质电刷1中所使用的乳浊液没有特别限制，可以选择各种液体和溶剂。当采用合成油作为溶剂时，液体可以选择在马达工作时由于与电刷1与整流子8之间的滑动接触摩擦热的升温而进行气化的液体，并且具有与合成油的沸点相比低的沸点，在合成油中会进行乳浊化。此时，由于合成油为无极性的液体，作为分散合成油的液体则优选选择有极性的液体。作为有极性的液体，可以使用例如水、醇类等。
其中，醇类存在具有不同沸点的各种类型，可以根据电刷1的使用环境进行选择，在希望的温度下让合成油在滑动接触面上渗出。即，当电刷1的滑动接触面的平均温度为例如150℃附近时，可以选择沸点为130℃附近的醇类。当马达10连续工作、滑动接触面的平均温度比25℃的大气温度高50℃时，可以使用沸点为60℃附近的醇类。另外，滑动接触面的平均温度具有一定的温度范围、以一定频度形成温度区域时，可以根据温度范围，选择多种醇类，还可以根据温度频度按比例混合醇类。表1表示沸点从60℃到140℃的温度范围的醇类。可以根据滑动接触面的温度和温度频度来选择使用这些醇类。例如，滑动接触面的温度为从90℃到130℃的范围时，可以选择甲醇、1-丙醇、1-丁醇等三种。由于在该温度范围内，3种醇类中至少有一种会发生气化，因此能够在滑动接触面上渗出合成油。还有，由于通常马达工作时电刷1与整流子8之间的滑动接触面的温度会达到160℃，如果醇类的沸点处于上述范围内，则能够保证随着马达工作时的滑动接触的升温而进行气化。
表1
如上所述，利用合成油和醇类制作乳浊液时，即使只在合成油中混合醇类，该混合溶液加入到离心分离机中，使醇类在合成油中实现乳浊化，如果时间一长，乳浊化的醇类会再次汇集。为了稳定醇类的乳浊化液体，可以按2％重量比将疏水性的界面活性剂混合到醇类中，从而使醇类的微粒在合成油中稳定分散。界面活性剂只要疏水性高、且在滑动接触面的最高温度150℃下也不会热分解即可，因此没有必要选择具有特别性质的界面活性剂。
如此得到的气孔19的开口部的乳浊液的举动，由于气孔19的开口部是使乳浊液升温到最高温度的部位，所以乳浊液中的醇类升为压力最高的气球，被吐出到滑动接触面上。气球从气孔19的开口部被吐出到滑动接触面时，由于气球存在于合成油的内部，因此合成油也随着气球一起渗出到滑动接触面。如果吐出到滑动接触面上的气球的尺寸与气孔19的开口部相比较小时，气球会伴随更多的合成油吐出到滑动接触面上。
另一方面，如果吐出到滑动接触面上的气球的尺寸与气孔19的开口部相比较大时，气球会伴随更少的合成油吐出到滑动接触面上。实际上，电刷1的烧结体22的气孔19的开口部的尺寸具有1μm～30μm的范围。因此，如果气球的尺寸在30μm以上，合成油渗出量减少。另外，如果控制气球的尺寸为1μm～30μm之间的规定的尺寸，就可以根据气球的大小，控制渗出到滑动接触面上的合成油的量。此外，通过改变醇类的种类，可以改变吐出到滑动接触面的气球的温度特性。通过组合这些现象，组合乳浊液中的醇类微粒的尺寸、和醇类的种类，可以随着滑动接触面的温度范围和温度频度，自由设计渗出到滑动接触面的合成油的量。这样，根据通过马达10的使用方法所确定的电刷1的滑动接触面的温度范围和温度频度，确定乳浊液中的醇类微粒的尺寸、和醇类的种类。例如，可以预先确定离心分离机的旋转速度和旋转时间，使乳浊液中的醇类的微粒在30μm以下，而使醇类乳浊化。
当对采用合成油作为溶剂的乳浊液赋予导电性时，可以在液体中溶解电解质，或者采用离子性液体。当采用离子性液体时，由于离子性液体本身为液体，可以直接分散到合成油中。另外，当所使用的离子性液体在规定温度下难以气化时，也可以溶解于在规定温度下气化的醇类等中，再分散到合成油中。此外，当在大温度范围下使合成油和离子性液体渗出到滑动接触面时，也可以将离子性液体溶解到具有不同沸点的醇类等中。这样，可以随着各自的醇类的沸点，使使合成油和离子性液体渗出到滑动接触面。另外，当使用电解质时，通过将电解质溶解到醇类等中，可以得到同样的效果。特别是上述举例的电解质在溶解到醇类时，会生成离子，且相对于醇类的溶解度高，因此能够提高醇类溶液的离子传导性，所以优选。
另外，当将合成油用作乳浊液时，优选选择具有比合成油的沸点高的沸点、能够使合成油乳浊化、且在电刷1的滑动接触面的最高温度、例如150℃也不会热分解的溶剂。从此观点，对于无极性的合成油，可以使用例如具有耐热分解性、且是有极性溶剂的亲水性脂肪酸酯。这种乳浊液可以通过在合成油中混入离子性液体、或者混入溶解了电解质的醇类溶液，赋予导电性。此时，导电性的液状物质在合成油中乳浊化。这样使液体乳浊化后，可以使液体具有多种性质。
这种液体制成乳浊液时，添加利用上述方法预先在合成油中间乳分散了醇类溶液的乳浊液、亲水性脂肪酸酯、相对合成油的乳浊液的重量的2％左右的亲水性界面活性剂，利用离心分离机进行搅拌，从而可以使合成油的乳浊液微粒在脂肪酸酯中稳定分散。可以确定搅拌的旋转速度和旋转时间，从而使合成油的微粒尺寸为醇类大小的5倍至10倍左右。
下面基于实施例，说明在低压下将浸渍剂21分别浸入金属石墨电拴1的表面和内部的气孔19内、并将该电刷1安装在马达10上、让马达10进行运转时的情况。还有，试验采用的金属石墨质电刷1的尺寸为4.5mm×9.0mm，电刷1相对整流子8的载荷为78.5kPa，马达10的旋转线速度为3.6m/s。马达10进行旋转时，电刷1与整流子8之间流过的电流为10A。马达10在100℃的环境温度下连续旋转。
(实施例1)说明离子性液体采用N，N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)亚氨(三氟甲基磺酸)酰时的情况。该离子性液体按1∶1的体积比，与下列各种溶剂相溶三氯甲烷、甲醇、乙醇、丙酮、四氢呋喃、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、1-丙醇、1-丁醇、异戊醇。另外，离子导电性具有3×10-3S/cm左右的值，在离子性液体中具有最高的离子导电性。
本实施例中，以离子性液体的体积为1，混合体积比为0.2的甲醇、体积比为0.4的1-丁醇，得到离子性液体的醇类溶液。作为分散该离子性液体的醇类溶液的合成油，采用聚α烯烃，其在250℃的热分解性和加水分解性只有2～3％。其动粘度在100℃为4cSt，在40℃为17cSt，在-40℃为2500cSt。流动点为-70℃。粘度指数为122。以该聚α烯烃的体积为1，上述离子性液体的醇类溶液的体积比为0.4，进行混合。将混合液放入离心分离机进行搅拌，使离子性液体的醇类溶液成为1μm以下的乳浊液。
接着，将上述乳浊液移入容器，在该容器内对金属石墨质电刷1进行浸泡，然后利用真空泵减压到0.1个大气压并维持30分钟，从而得到将乳浊液作为浸渍剂21浸入气孔19内的电刷1。
利用该金属石墨质电刷1进行试验，其结果可知，电刷1经过3000小时连续运作，也仍然具有实用性。
(实施例2，3)作为浸渍剂21，采用的是在聚α烯烃中对甲醇进行乳浊化后，再分散在脂肪酸酯中(实施例2)的液体，以及在实施例2的甲醇中在25℃加入癸酸钾至饱和溶解度的液体。
其结果如表2所示。实施例2中，连续运转1000小时后，电刷1的磨耗速度没有大的变化，但在运转至2000小时的中途，电刷1发生磨耗，电刷夹具发生破坏。然而，实施例2中，在该负荷条件下，至少可以连续运转1000小时，从而能够用于许多车载马达10。
实施例3中，增加滑动接触面的导电性的效果明显，在该负荷条件下，电刷1连续运转3000小时，也仍然具有实用性。
另外，不管哪个实施例，其磨耗量都小于现行产品的电刷。
表2
如上所述，通过在本发明的金属石墨质电刷1的内部气孔19的整体都浸渍有具有合成油与导电性液体的浸渍剂21，除了液体的润滑作用，还能抑制滑动接触时产生电火花、以及液体的润滑作用的综合效果，从而可以降低金属石墨质电刷1的磨耗量。另外，由于能够降低电刷1与整流子8的接触电阻，因此也可以得到增加马达10的输出的效果。
具有本发明的金属石墨质电刷的马达可以用于驱动冷却车辆发动机的水泵的马达、转动冷却风扇的马达、驱动发动机油泵的马达等车辆用途，以及其它各种用途。
权利要求
1.一种金属石墨质电刷，由表面和内部具有气孔的烧结体构成，通过滑动接触面与和环绕在设于马达转子中的芯体上的线圈进行电气连接的整流子滑动接触，从而对上述线圈进行供电，其中，在上述气孔内具有乳浊液，该乳浊液含有在上述马达工作时由于与上述整流子的滑动接触而升温气化的液体、与该液体的沸点相比具有高的沸点并使该液体分散的溶剂。
2.根据权利要求1所述的金属石墨质电刷，其中，上述乳浊液含有合成油。
3.根据权利要求2所述的金属石墨质电刷，其中，上述合成油至少含有聚α烯烃、聚烯二醇油、多元醇酯、多元醇双酯、多元醇三酯中的一种。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的金属石墨质电刷，其中，上述乳浊液具有导电性。
5.根据权利要求4所述的金属石墨质电刷，其中，上述乳浊液至少包括金属盐、金属碱、界面活性剂、离子性液体中的一种。
6.根据权利要求1所述的金属石墨质电刷，其中，上述液体为沸点在60℃～140℃的范围的醇类。
7.根据权利要求6所述的金属石墨质电刷，其中，上述醇类在上述马达工作时发生气化并形成气球，由于该气球的内压上升而移动到上述滑动接触面。
全文摘要
本发明提供一种难以产生电火花的金属石墨质电刷。该金属石墨质电刷(1)，由表面和内部具有气孔(19)的烧结体组成，通过滑动接触面与和环绕在设在马达的转子(2)中的芯体(9)上的线圈(17)进行电气连接的整流子(8)滑动接触，从而向线圈(17)进行供电，其中，在气孔(19)内具有乳浊液，该乳浊液含有在马达工作时由于与整流子(8)之间的滑动接触而升温气化的液体、与其沸点高于该液体的沸点并使该液体分散的溶剂。
文档编号H01R39/20GK1897418SQ20061010155
公开日2007年1月17日 申请日期2006年7月12日 优先权日2005年7月15日
发明者小林博 申请人:爱信精机株式会社