专利名称：微型电机的碳刷及其制造方法
技术领域：
本发明一般涉及具有永久磁场的微型电机的碳刷，特别涉及镀敷金属的石墨刷。这种镀敷金属的石墨刷的生成过程是先在已镀敷了金属层的石墨粉末所形成的镀敷金属的石墨粉末里加入纤维材料，然后给镀敷金属的石墨粉末与纤维材料的混合物加压成形和使其烧结。
迄今，业已制造了大量的微型电机碳刷，其生产过程是，在纯度约为98%或99.5%的石墨粉末里加入粘结料，研磨该固体化的混合物并使其过筛，在金属化粉末里掺入土和筛选混合物以得到需要的导电率，然后给由此得出的混合物加压成形并使其烧结。
又，为免除使用粘结料，一种所谓“镀敷铜的石墨刷”已为众所周知。这种镀敷铜的石墨刷的生产过程是先将纯度约为99%的石墨粉末颗粒镀敷铜，然后对镀敷铜的石墨粉末不加入粘结料而加压成形并使之烧结。
在上述任一种情况中，在石墨粉末内时常含有诸如SiO2、Al2O3、Fe2O3、MnO、MgO和TiO之类的颗粒大小为1至500微米的灰尘。
图7示出主要由石墨粉末中所含的SiO2构成的灰尘的粒子结构的显微图。该显微图示明该灰尘具有不同的颗粒大小，甚至具有大的颗粒。
在电机运转期间，在灰尘进入碳刷与整流子之间时，含有颗粒大于50微米的灰尘的碳刷会使整流特性变坏，在极端的情况下导致电机毁坏。
为了解决这个问题，本申请人早就提出过使用包括净化工艺过程(石墨粉末被净化到灰尘含量低于0.05重量%)在内的制造方法所制造的微型电机碳刷及其制造这种碳刷的方法。
在测试中展示用上述净化工艺过程净化的石墨粉末先镀敷金属然后加压成形并烧结而制造的微型电机碳刷(日本专利申请103201/1989)在降低机械噪声和改进整流特性方面有优越性，但它易于受到严重磨损，如图3(测试号1)所示，这将在下文描述。
为了改进耐磨性，本申请人提出一种微型电机的碳刷及其制造方法(日本专利申请103201/1989)，其中在净化过程中已净化的石墨粉末中加入氧化物;还提出一种微型电机的碳刷及其制造方法(日本专利申请247114/1989)，其中以相同的方式加入导电性材料。
在这些测试中展示了上面提到的，加入氧化物或导电性材料的碳刷尚已改进其耐磨性，但它们的形状稳定性很差。
本发明试图解决这些问题，为达此目的，本发明的微型电机碳刷是使用灰尘含量净化到低于0.05重量%的石墨粉末并在该石墨粉末中加入0.1重量%到12.0重量%的纤维材料(具有颗粒大小小于40微米、长度小于50微米)而形成的。
图1(A)示出体现本发明的微型电机碳刷原理的示意图;
图1(B)示出有助于解释本发明的制造方法的作业图;
图2示出用于本发明净化过程的净化炉的概括图;
图3示出有助于解释添加剂类型和磨损度之间关系的表格。
图4示出有助于解释本发明中添加纤维材料的数量与磨损度之间关系的表格;
图5示出填加到本发明碳刷中的玻璃纤维的粒子结构的显微图;
图6示出有助于解释本发明另一实施例的作业图;
图7示出主要由石墨粉末中所含的SiO2构成的灰尘的粒子结构的显微图。
图1示出本发明的原理图，其中图1(A)示出说明本发明原理的示意图，图1(B)是制造过程图。
在图1(A)中，标号1表示整流子，标号2表示整流片，标号3表示转子，标号4表示碳刷，标号5表示碳刷弹性部件。
在图1(B)中，标号20表示净化到例如约为99%的石墨粉末;标号21表示本发明的净化过程;标号22表示纤维材料掺和过程，其中加入0.1重量%到12.0重量%的纤维材料(玻璃纤维、矾土纤维、硅石纤维、氧化锆纤维、碳纤维、胡须等)，其颗粒大小小于40微米、其长度小于50微米;标号23表示金属镀敷过程;标号25表示烧结过程。
碳刷4由导电性的、碳刷弹性部件5夹持与整流片2、2和2滑动接触。碳刷4被烧结成为具有由碳刷弹性部件5支持的塞头和倒T字形状，如图1(A)的图A-1的碳刷透视图所示。倒T字形状的底部表面形成得稍弯曲状以滑动接触整流片2。
如图1(B)所示，碳刷的制造过程是执行净化过程21、纤维材料掺和过程22、金属镀敷过程23、加压成形过程24、在石墨粉末20的烧结过程25。
通过在石墨粉末上镀敷铜而制造的镀敷铜的石墨碳刷已为公知。本发明的特征在于在净化过程21中石墨粉末净化到其灰尘含量低于0.05重量%，这就使已生产的碳刷4的灰尘含量低于0.05重量%。也就是说，本发明的碳刷由于碳刷的灰尘含量极低而具有优良的整流特性。
在纤维材料掺和过程22中，加入0.1重量%到12.0重量%的上面提到的纤维材料，其颗粒大小小于40微米、长度小于50微米有助于改进形状稳定性和抗磨损性。
在图1(B)所示的金属镀敷过程23、加压成形过程24和烧结过程25中，执行与先有技术中相应过程几乎相同的处理。
图2示出在本发明的净化过程中使用的净化炉的概括图。图中标号20表示石墨粉末，标号30表示净化炉，标号31表示变压器，标号32表示卤素管，标号33表示加热器。
在净化过程21中，利用诸如CCl4或CCl2f2之类的卤素游离物质(这种物质在诸如氮气或氩气之类的惰性气体中在高温时容易释放卤素)使灰尘从石墨粉末20中排除。也就是说，当石墨粉末20装入净化炉30中时在炉内的卤素进气管32就置于石墨粉末20之中。随着加热器33使炉温升高到约为1800℃时，在惰性气体中饱和的CCl经过卤素进气管32供给。在这种状态下，假设在净化炉内发生以下化学反应
当温度进一步升高到1900℃时，CCl4由Cl2F2替代，而在2500℃以上时，净化处理持续4小时以上。在随后的冷却过程中，保持注入诸如氮气或氩气之类的惰性气体以防止灰尘含量反向蔓延和排除卤素。
在净化过程中得到的石墨纯度超过99.95%，其灰尘含量低于0.05重量%。
本申请人使用以下方法制造过渡敷铜的石墨刷，除了净化过程以外，都会改进在镀敷金属的石墨刷中使用的石墨的纯度，并对电机(包括这些刷在内)进行了测试。
(1)物理提纯使用浮选法根据固体颗粒的表面物理化学性质的差别使石墨与灰尘分离。物理提纯过程处理的颗粒大小约为300微米。可以利用石墨可用空气泡进行分离的事实，将石墨粉末注入油与空气泡的混合物内，通过使石墨颗粒附着于漂浮的空气泡上来进行收集。在这个过程中，可以得到的纯度不低于98%但低于99.5%，也就是说，在该石墨粉末中含有0.5%到2.0%灰尘。
(2)化学提纯石墨粉末的灰尘含量溶解于高浓度的酸和碱溶液中并将该溶液加热(到160°至170℃)，还加压(到5至6大气压)。这种处理通常称为“热压过程”。这个过程主要包括如下反应
通过这样的化学处理，可以得到的纯度不低于99%而低于99.9%，在石墨粉末内仍然残留不低于0.05%和接近1.0%的杂质。
图3示出在碳刷上进行测试的结果。这些碳刷包括其内添加氧化物的刷、其内添加导电材料的刷、无添加剂的刷、以及本发明的刷。所有碳刷都是按本说明书开头提到的、具有净化过程的制造方法制造的，以净化石墨粉末使其灰尘含量低于0.05重量%。1号测试代表对无添加剂碳刷的测试结果，2号测试代表对添加了导电性材料(SiO2)微细颗粒的碳刷的测试结果，3号测试代表对添加了导电性材料(TiC)微细颗粒的碳刷的测试结果，4号测试代表对添加了纤维材料(玻璃纤维)的本发明的碳刷的测试结果。图3示出10个碳刷其中每个都对应于1号至4号测试在最长达80小时运行测试所得出的测试结果。SiO2和TiC的添加量各为1.0重量%，选出的颗粒大小都小于40微米。而在4号测试的情况下，添加了1.0重量%玻璃纤维，其颗粒大小均小于40微米、长度小于50微米。图3中的“到电机损坏时的服务时间”一栏表明1号至4号测试的碳刷连续经历长达80小时的测试。正如在“磨损度”栏中在长达80小时测试结束时所示的，在磨损度方面在显著的区别，亦即，1号测试的磨损度最严重，2号和3号测试有所改善，而4号测试(本发明的碳刷)的磨损度得到大幅度地改善。
又，本申请人所进行的这些测试还揭示了磨损度与纤维材料的添加量有密切的关系。磨损度与纤维材料(玻璃纤维)添加量的关系如图4所示。在测试中所使用的碳刷中添加的玻璃纤维其颗粒大小均小于40微米、其长度均小于50微米。图4中示出的测试结果表明相应于各测试号的10个碳刷的每一个上进行的测试，它们都经历了长达80小时的运行。“X”记号表示碳刷损坏时的时间。
从图4可以明显看出，玻璃纤维的添加量必须保持在0.1重量%(1号测试)到12.0重量%(7号测试)的范围内，以减少磨损度。这就是说，在添加量为15.0重量%(8号测试)的情况下，所有碳刷都经不起长达80小时的运行，而在平均服务时间为64小时时损坏。
图5示出在本发明碳刷的制造过程期间添加的玻璃纤维的粒子结构显微图。正如从显微图可以显而易见的，本发明使用的玻璃纤维的颗粒在形状和大小上都是均匀的。如上所述，该玻璃纤维的颗粒大小均小于40微米、其长度均小于50微米。
在前面已经描述了用图1(B)所示的制造方法制造的本发明碳刷。然而，本发明并非受它的限制。图1(B)所示的制造过程的顺序也可以是净化过程21→镀敷金属过程23→纤维材料掺和过程22→加压成形过程24→烧结过程25。在这种情况下，可以得到与图1(B)所示加工方法制造的碳刷所得到的效果相同。
下面，参照图6来描述本发明碳刷的另一种制造方法。图中标号26表示粘结处理过程，经净化过程净化的石墨粉末在此过程中用粘结剂来固化，标号27表示研磨和筛选过程，已在粘结处理过程26中用粘结剂固化的石墨材料在研磨和筛选过程中进行研磨和筛选。其他的标号对应于图1(B)中相同的标号。
在图6中，石墨粉末20是在净化过程21中净化。已净化的石墨粉末20在粘结处理过程26中用粘结剂固化。固化的石墨材料在研磨和筛选过程27中进行研磨和筛选。
接着，在纤维材料掺和过程22中添加颗粒大小小于40微米、长度小于50微米的、0.1重量%到12.0重量%的纤维材料，并与研磨和筛选的石墨材料掺和。然后使石墨材料经历加压成形过程24和烧结过程25来制造出碳刷4。在图6的纤维材料掺和过程22也可与粘结处理过程26结合，亦即，在净化过程21中净化后的石墨粉末，可以在添加纤维材料且与石墨粉末掺和之后经历粘结处理。
上面参照图6已描述了本发明碳刷的另一种制造方法。用图6所示的制造方法所制造的碳刷可以达到用图1(B)所示的制造方法制造碳刷所得到的效果相同。
如上所述，本发明能够通过净化石墨粉末使石墨粉末中所含的作为杂质的灰尘小于0.05重量%;在石墨粉末中添加颗粒大小小于40微米、长度小于50微米的0.1重量%到12.0重量%的纤维材料，来提供一种具有改进形状稳定性和抗磨损的碳刷。
权利要求
1.一种微型电机用的碳刷，该微型电机包括一个利用永久磁铁作为磁场的定子和一个其上缠绕了一个转子绕组的转子，并且具有一个用以向上述转子绕组馈送电流的整流子和通过粘结石墨粉末而形成的、用以与上述整流子产生滑动接触的碳刷，其特征在于，一种镀敷金属的石墨刷被形成经过以下步骤在通过给石墨粉末涂敷一层金属化层而形成的镀敷金属的石墨粉末里添加其颗粒大小小于40微米和长度小于50微米的、0.1重量%到12.0重量%的纤维材料；对其内添加上述纤维材料的上述石墨粉末加压成形并烧结，所述的石墨粉末含灰尘量小于0.05重量%。
2.一种微型电机用的碳刷，该微型电机包括一个利用永久磁铁作为磁场的定子和一个其上缠绕一个转子绕组的转子，并具有一个用以向上述转子绕组馈送电流的整流子和通过粘结石墨粉末而形成的、用以与上述整流子产生滑动接触的碳刷，其特征在于，在已净化到上述石墨粉末内含有作为杂质的灰尘小于0.05重量%的石墨粉末中添加其颗粒大小小于40微米和长度小于50微米的、0.1重量%到12.0重量%的纤维材料，并对上述石墨粉末与上述纤维材料的混合物加压成形和烧结。
3.一种制造微型电机用的碳刷的方法，该微型电机包括一个利用永久磁铁作为磁场的定子和一个其上缠绕一个转子绕组的转子，并具有一个用以向上述转子绕组馈送电流的整流子和通过粘结石墨粉末而形成的、用以与上述整流子产生滑动接触的碳刷，其特征在于所述的碳刷制造方法包括一个净化过程，用以利用囟素游离物质在高温的惰性气体环境里净化石墨粉末;一个纤维材料掺和过程，用以对上述净化过程中净化的上述石墨粉末添加其颗粒大小小于40微米和长度小于50微米的、0.1重量%到12.0重量%的纤维材料;一个镀敷金属过程，用以对经历上述纤维材料掺和过程的上述石墨粉末和上述纤维材料粉末浮敷一层金属层;一个加压成形过程，用以对上述镀敷金属的粉末加压成形，以及一个烧结过程，用以对经历上述加压成形过程的加压成形片烧结。
4.一种制造微型电机用的碳刷的方法，该微型电机包括一个利用永久磁铁作为磁场的定子和一个其上缠绕一个转子绕组的转子，并具有一个用以向上述转子绕组馈送电流的整流子和通过粘结石墨粉末而形成的、用以与上述整流子产生滑动接触的碳刷，其特征在于，上述碳刷是通过以下步骤而制造的一个粘结处理过程，用一种粘结剂使经历上述净化过程的上述石墨粉末固化;一个研磨和筛选过程，用以对由上述粘结剂固化的上述墨材料研磨和筛选;一个加压成形过程，用以对经历上述研磨和筛选过程的上述粉末加压成形;以及一个烧结过程，用以对经历上述加压成形过程的加压成形片烧结;以及在上述粘结处理过程或上述研磨和筛选过程中添加其颗粒大小小于40微米和长度小于50微米的、0.1重量%到12.0重量%的纤维材料。
5.根据权利要求3或4所述的制造微型电机所用的碳刷的一种方法，其特征在于，所述的净化过程涉及到用高浓度的酸或碱溶解石墨粉末中含的灰尘并将上述石墨粉末加热。
6.根据权利要求3或4所述的制造微型电机所用的碳刷的一种方法，其特征在于，所述的纤维材料至少是玻璃纤维、矾土纤维、硅石纤维，氧化锆纤维、碳纤维、胡须中的一种以上。
7.根据权利要求3所述的制造微型电机所用的碳刷的一种方法，所述的净化过程其特征在于，在炉温处于第一等级时CCl在惰性气体内饱和，在炉温处于第二等级时CCl4被CCl2F2代替，在炉温处于第三等级时连续进行净化提纯。
8.根据权利要求3所述的制造微型电机所用的碳刷的一种方法，其特征在于，在净化过程之后进行镀敷金属，然后添加上述纤维材料。
9.根据权利要求4所述的制造微型电机所用的碳刷的一种方法，其特征在于，上述纤维材料掺加过程和上述粘结处理过程是同时进行的。
全文摘要
微型电机的碳刷，该电机包括用永久磁铁作为磁场的定子和其上缠绕了转子绕组的转子，并有用以向转子绕组供电流的整流子和通过粘结石墨粉形成的、用以与整流子滑动接触的刷，该刷是在通过给石墨粉涂敷金属化层而构成的镀敷金属的石墨粉里添加其颗粒大小小于40微米和长度小于50微米的、0.1重量％到12.0％重量％的纤维材料且对镀敷金属的石墨粉和纤维材料的混合物加压成型和烧结形成的镀敷金属的石墨刷；石墨粉含灰小于0.05重量％，及制造这种碳刷的方法。
文档编号H01R39/18GK1054855SQ9110167
公开日1991年9月25日 申请日期1991年3月16日 优先权日1990年3月7日
发明者涩谷功 申请人:马渊马达株式会社