金属石墨电刷以及包括该金属石墨电刷的电动机的制作方法

专利名称：金属石墨电刷以及包括该金属石墨电刷的电动机的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种用于向电动机转子供电的金属石墨电刷，以及包括该金属石墨电刷的电动机。更具体地讲，本发明关于一种金属石墨电刷，该电刷即使在等于或高于100摄氏度的高温条件下工作也不会磨损，由此延长了该电刷以及包括该电刷的电动机的使用寿命。
背景技术：
对于具有电刷的电动机而言，供电是通过与换向器滑动接触的电刷进行的。卷绕在转子芯上的线圈与该换向器相连接。当向线圈供电时，转子由于受到设置在电机外壳内且面对转子的永磁铁的吸引和排斥力而开始转动。
在具有上述结构的电动机中，当电动机运转时，电刷相对于与之接触的换向器滑动。在此情况下，电刷和换向器的滑动接触表面趋于磨损，该现象易于导致故障。为了限制电刷磨损程度，通常改变用于制造电刷的材料，或者控制电刷的硬度以限制电动机运转时或者在电磨损或机械磨损时滑动接触表面处发生的火花放电。
另一方面，在用于车辆并具有电刷的电动机中，由烧结混合在粘结剂中的石墨颗粒和铜颗粒而制造金属石墨电刷的工艺已经公开(JP2001-298913A)。
制造金属石墨电刷的传统方法如下首先，以天然石墨颗粒作为基本原料，以酚树脂溶液作为粘结剂，将二者混合。然后，将润滑剂，例如二硫化钼，加入到混合物中。随后，将混合物在700-800℃的富氮气氛中烧结。此时，溶解的酚树脂在石墨颗粒表面上形成的薄膜经烧结而炭化，进而形成无定形石墨。该无定形石墨作为粘结剂将石墨颗粒相互粘结。此外，由于最初包含在酚树脂溶液内的部分有机物质升华为二氧化碳或水蒸气，因此在金属石墨电刷的表面和内部形成大量松孔。由于形成金属石墨电刷的石墨颗粒具有吸湿性，因此所有根据上述方法制造的金属石墨电刷只要放置在空气中就可吸收空气中的水分。
如果上文所述的金属石墨电刷被用于电动机中，当金属石墨电刷运转时，金属石墨电刷和换向器之间的滑动接触表面的温度会升高。因此，最初包含在接近金属石墨电刷的滑动接触表面的内部松孔中的水分开始蒸发。随后，蒸发的水分供应到金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间。因此，由于金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间的滑动摩擦系数降低，或者说由于气体润滑剂的影响，而使得金属石墨电刷的磨损程度降低。
如果包括上述金属石墨电刷的电动机被用于车辆，则由于安装在车辆引擎室内的引擎发热的影响，金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面的温度在电机运转时有时可能升至100℃或更高。在这种条件下，最初被吸收在金属石墨电刷松孔内的水分易于以比室温下的蒸发速度高的速度而被蒸发。因此，电动机开始在金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间缺少蒸汽的条件下运转。因此，金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间的滑动摩擦系数增大，这种现象使金属石墨电刷容易被磨损。
因此，当上述的传统的金属石墨电刷被用于高温条件下，与用于室温环境的情况相反，单位操作时间内的磨损增加。结果，具有上述金属石墨电刷的电动机的使用寿命受到不利的影响。
因此需要一种金属石墨电刷，其难于被磨损，并且具有长的使用寿命，以及一种包括这种金属石墨电刷的电动机。鉴于上述问题，本发明正是提供这样的金属石墨电刷和电动机。

发明内容
根据本发明的一个方面，用于向卷绕在设置于电动机(10)的转子(2)处的芯(9)上的线圈(17)供电的金属石墨电刷(1)的特点是，该金属石墨电刷是由在其表面或内部具有松孔(19)的烧结材料(22)所制造的。含有多种乙二醇醚的液体(21)渗入该金属石墨电刷，上述乙二醇醚具有不定数量的烯化氧结构单元。该液体的沸点高于水的沸点。
根据本发明的另一个方面，电动机(1)包括外壳(7，13)、设置在外壳内的磁铁(11)、可旋转地设置在壳体内并朝向磁铁的转子(2)、以及缠绕在转子芯(9)上的线圈(17)、用于将转子支承到壳体上的轴(4)、设置在转子上用于向线圈供电的换向器(8)、以及与换向器相接触的金属石墨电刷(1)。该电动机的特点在于，金属石墨电刷由其表面和内部具有松孔(19)的烧结材料(22)制造。含有多种乙二醇醚的液体(21)渗入该金属石墨电刷，上述乙二醇醚具有不定数量的烯化氧结构单元。该液体的沸点高于水的沸点。
根据本发明的一个方面，即使电动机使用时的温度(或者说电动机的运转温度)升高到高于100℃，渗入到金属石墨电刷松孔中的液体也不会完全汽化，并且在金属石墨电刷和换向器的接触表面之间的由上述液体产生的蒸汽也不会消失。其结果是，金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面间的滑动摩擦系数被降低，金属石墨电刷的磨损程度也被降低。
此外，乙二醇醚的分子量随着烯化氧结构单元的数量而相匹配地变化。结果，上述液体的蒸汽包含多种具有不同蒸汽压特性的乙二醇醚。因此，在该金属石墨电刷所运行的宽的温度范围内，该液体的蒸汽可以供给到金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间。从而，根据本发明该方面的金属石墨电刷，在其应用的宽温度范围内其磨损程度可被降低。


通过参照下列附图详细说明本发明的上述的以及其他的特征及特点，其中附图1是表示电动机构造的剖视图，该电动机使用根据本发明实施例的金属石墨电刷。
附图2是表示金属石墨电刷组成的图案视图。
附图3是表示制造金属石墨电刷工艺的流程图。
附图4是向金属石墨电刷渗入液体的工艺流程图。
附图5是表示聚乙二醇一甲醚的汽化特性的图表。
附图6表示在不同温度下被汽化的聚乙二醇一甲醚的组成比。
附图7表示在不同温度下被汽化的聚乙二醇一甲醚的组成比。
附图8表示聚乙二醇一甲醚的吸湿性。
附图9是表示聚乙二醇聚丙二醇一甲醚的汽化特性的图表。
附图10表示在不同温度下被汽化的聚乙二醇聚丙二醇一甲醚(polyethylene polypropylene glycol monomethyl ether)的组成比。
附图11表示在不同温度下被汽化的聚乙二醇聚丙二醇一甲醚的组成比。
附图12表示聚乙二醇聚丙二醇一甲醚的吸湿性。
附图13表示实例1中金属石墨电刷运行温度与金属石墨电刷的磨损程度之间的关系。
附图14表示实例2中金属石墨电刷运行温度与金属石墨电刷的磨损程度之间的关系。
附图15表示比较例中金属石墨电刷运行时的温度与金属石墨电刷的磨损程度之间的关系。
具体实施例方式
下文将说明本发明的实施例。本发明的金属石墨电刷向围绕在电动机转子芯上的线圈供电。该金属石墨电刷由烧结材料制造，在该烧结材料的表面和内部均具有松孔。向该松孔中渗入液体，该液体的沸点高于水的沸点并且包含多种乙二醇醚，该乙二醇醚则含有不定数量的烯化氧结构单元。此处的术语“烯化氧结构单元”是指源于烯化氧的结构单元，但并不局限于此。该术语“烯化氧结构单元”还包括通过其他反应或合成而获得的与上述结构单元相应的结构单元。因此，即使当电动机的温度升至100摄氏度或更高时，渗入金属石墨电刷的松孔中的液体并不完全汽化。由此，存在于金属石墨电刷以及换向器的滑动接触表面之间的蒸汽不会消失。这使得金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间的滑动摩擦系数降低，相比于传统的金属石墨电刷的磨损程度，本发明的金属石墨电刷的磨损程度有所降低。此外，乙二醇醚的分子量随着所包含的烯化氧结构单元的数量而变化。换句话说，上述的液体包含多种具有不同蒸汽压特性的乙二醇醚。因此，即使当金属石墨电刷被用于较宽的温度范围内，也可以向金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间提供由上述液体产生的蒸汽。从而，根据本发明实施例的金属石墨电刷，即使金属石墨电刷被用于较宽的温度范围内也可以降低其磨损程度。
如上文所述的烯化氧结构，可以使用任何一种烯化氧结构。特别是，由于包含至少环氧乙烷结构单元或氧化丙烯结构单元之一的乙二醇醚容易控制，因此优选烯化氧结构单元包含至少环氧乙烷结构单元或氧化丙烯结构单元之一。此外，可以通过这些乙二醇醚在电动机通常被使用的温度范围内获得足够的蒸汽压。因此，当电动机运行时，可以始终向金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间提供由上述液体产生的蒸汽。这使得金属石墨电刷的磨损程度被限制在低水平上。
根据本发明实施例的具有金属石墨电刷的电动机包括外壳；设置在外壳内的磁铁；可旋转地设置在外壳内并面向磁铁的转子，该转子具有缠绕芯的线圈；用于相对于该外壳支撑转子的轴；用于向线圈供电的换向器；以及与该换向器滑动接触的金属石墨电刷。该金属石墨电刷由烧结材料制造，在其表面和内部均有松孔。向该松孔中渗入液体，该液体的沸点高于水的沸点并且包含多种乙二醇醚，该乙二醇醚则含有不定数量的烯化氧结构单元。因此，即使当电动机在100摄氏度或更高的温度条件下运行时，渗入金属石墨电刷的松孔中的液体不会完全汽化，并且存在于金属石墨电刷与换向器的滑动接触表面之间的由上述液体所产生的蒸汽不会消失。这使得金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间的滑动摩擦系数降低，并且金属石墨电刷的磨损程度有所减轻。其结果是，具有该金属石墨电刷的电动机的使用寿命被延长。此外，乙二醇醚的分子量随着所包含的烯化氧结构单元的数量而相匹配地变化。换句话说，上述的液体所产生的蒸汽含有多种具有不同蒸汽压特性的乙二醇醚。因此，在金属石墨电刷所运行的宽温度范围内，可以向金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间提供由上述液体产生的蒸汽。从而，根据本发明实施例的金属石墨电刷。这样，在根据本发明实施例的金属石墨电刷中，由于在该金属石墨电刷运行的宽温度范围内其磨损程度可被降低，因此导致具有该金属石墨电刷的电动机的使用寿命被延长。
下文将参照

本发明的实施例。附图1是表示电动机10的构造的剖视图，该电动机包括用于向转子2供电的金属石墨电刷1(下文简称其为电刷)。首先参照附图1简要说明电动机10的构造。
在附图1所示的电动机10中，转子2在外壳7中旋转。该转子2可旋转地设置在外壳7内，其为圆柱形并且由金属制造。该外壳7通过螺栓等紧固件14被紧固到外壳13上，并与外壳13结合为整体。该转子2由轴4支承，该轴4在其一端具有两个平行的平面(附图1中右侧所示)。该轴4沿轴向与从动轴16相连，轴4的两个平行平面被插入设置在从动机械的从动轴16的一端处的大致矩形的孔内。由此，该轴4被连接到从动轴16上，从而使转子10的旋转通过从动轴16被向外部传送。
转子2的芯9通过沿轴向层叠多层金属板而制得。通过按压，轴4穿过芯9的中心并与芯9结合为整体。因此，转子2和轴4作为整体一同旋转。轴4的另一端被插入轴承(第一轴承)12的内环中，进而被压入并被装配到外壳7的一端，并由此通过轴承12可旋转地支承在外壳7内。另一方面，沿圆柱形外壳7的内表面，通过粘结剂或类似手段沿圆周方向将多个弧形的磁铁11连接。
此外，与外壳7相连的外壳13在其用于安装转子2的电动机安装表面处设有凹入部13a，轴承5的外环5a被压入该凹入部13a。该轴4被轴承5所支承。由此，用于支承转子2的轴4被其两端的两个轴承5、12可转动地支承。在这种情况下，轴4的与压入轴承12的位置相对的相对端被压入轴承5的内环5b内。轴承5的外环5a被压入外壳13的凹入部13a的内侧，并由此沿凹入部13a的内径设置。此外，在电动机10的外壳13和轴承5之间设置弹簧3。
该弹簧3由具有高弹性(高弹性系数)的碟形金属板制成。该碟形板具有中心孔3d。轴4穿过该孔3d。该碟形板具有沿其径向相隔120°设置的三条狭缝。每个狭缝具有沿碟形板的圆周方向顺时针(或逆时针)延伸的狭缝延伸部。该碟形板沿轴向被弯曲成三维形状并形成与支撑部3a相邻接的偏压部3b。弹簧3的所述支撑部3a与凹入部13a的周向台阶部相接触以致与之相啮合。弹簧3的所示偏压部3b与轴承5的外环5a的侧面相接触，以沿轴向(附图1中的左向)偏压轴承5。
另一方面，在轴承5附近设置保持件6并与转子2面对。该保持件6由树脂制造，并且设置成与外壳7共轴。此外，该保持件6包括两个电刷1(附图1中仅示出一个电刷)，用于通过与换向器8接触从换向器8向卷绕在设置于转子2处的芯9上的线圈17供电。此外，用于从外部经电刷1向转子2供电的连接器15设置在保持件6处，并与保持件6形成一整体。如果外部的连接器(未示出)与连接器15相连接，则可通过电刷1向卷绕在转子2的转子芯9上的线圈17供电。当向线圈17供电时，在转子2和磁铁11之间会产生吸引及排斥的电磁力，从而使转子2转动。
以下将对用于具有上述构造和运行方式的电动机10中所使用的该电刷1进行详细说明。根据本发明实施例的电刷1由烧结材料22所制造，该烧结材料具有天然石墨颗粒18的基体，如附图2所示。该烧结材料22在其表面和内部均具有大量松孔19。首先参照附图3说明可用于制造电刷1的烧结材料22的制造方法。
为了制造电刷1，首先准备天然石墨颗粒18(颗粒直径大约从5μm至50μm)以及以石墨颗粒18为100％计占2-3％重量的线型酚醛清漆型(或甲阶酚醛(resoll)型)酚树脂颗粒(步骤S1)。随后，将线型酚醛清漆型(或甲阶酚醛型)酚树脂溶解于醇中以制得酚树脂溶液(步骤S2)。甲醇或类似物质也可作为醇溶剂用于该步骤。此外，溶剂也并不限于醇。为溶解酚树脂，也可使用酮，例如丙酮。换句话说，在溶解酚树脂的这一步骤中，形成在石墨颗粒表面上的薄膜的厚度与加到石墨颗粒18上的被溶解酚树脂的粘度相匹配地变化。随后，被溶解的树脂，或者说溶解于乙醇的酚树脂被喷洒在天然石墨颗粒上(步骤S3)。在该喷洒步骤(S3)中，被溶解树脂被喷洒在石墨颗粒上以致于在石墨颗粒18的表面形成被溶解树脂的均匀薄膜。
随后，混合该石墨颗粒18和已经被喷洒在石墨颗粒表面上的被溶解树脂(步骤S4)。在该混合步骤中，使用混合设备并按预定时间(例如，大约3-5小时)混合石墨颗粒18，致使石墨颗粒18混合均匀。然后将已经混合均匀的石墨颗粒置于大气环境中30分钟以使其干燥(步骤S5)。
随后，通过前述干燥步骤所获得的石墨颗粒(粒化的石墨颗粒)18与铜粉相混合，用以将电动机运行时流入电刷1的电流大小限制在预定的电流强度内，该预定的电流强度与预计提供给电刷1的电流大小相应(步骤S6)。同时，为了改善与换向器8之间的滑动性能，优选混入固体润滑剂，例如二硫化钼。通过这些步骤，铜粉以及二硫化钼被混合并被匀化(步骤S7)。然后，通过压制和类似手段，使用压制设备成型具有所需形状的电刷1(步骤S8)。随后，在700-800℃温度下并在富氮气氛中烧结由上述压制步骤所获得的产品约2-3小时(步骤S9)。由此，制得具有电刷形状的烧结材料22。通过上述步骤，如附图2所示的流程图所制得的烧结材料22在其表面和内部，在相邻的石墨颗粒之间形成大量的松孔19。
下面将参照附图4说明向由附图3所述步骤制得的烧结材料22上形成的松孔19中渗入液体21的步骤。
用于将含有多种乙二醇醚的液体21渗入作为电刷1的烧结材料22的松孔19的步骤如下。首先，准备多种乙二醇醚用以制备液体21(S11)。然后，准备由烧结步骤所制得并用于制备电刷1的烧结材料22(S12)，并且将该烧结材料放入乙二醇醚中(S13)。随后，将浸泡在乙二醇醚中的烧结材料22置于大约133Pa的低压环境中一段预定时间(例如1-2分钟)，以去除存原始贮存在松孔19中的空气，取而代之向所述松孔中渗入乙二醇醚。由此，乙二醇醚被渗入松孔19中(S14)。当烧结材料22的松孔19内的含有潮气的空气被乙二醇醚溶液完全取代之后，使浸泡在乙二醇醚中的烧结材料22恢复到大气压力条件。由此制得根据本发明实施例的金属石墨电刷，其中烧结材料22的表面及内部的松孔中均已渗入乙二醇醚(S15)。
在上述步骤中，在向电刷1的烧结材料22的松孔19中渗入液体21时，以及在保持烧结材料22的松孔19中的液体21时，原始贮存在烧结材料22的松孔19内的空气被液体21所取代。在上述的步骤中，只有包含乙二醇醚的液体21被渗入到松孔中。但是，该液体21并不局限于上述仅含乙二醇醚的一种液体。该液体21可以包含其他种类的物质。即使在这种情况下，也可以利用类似步骤渗入液体21。或者说，通过在上述的步骤S11中准备含有其他种类物质的液体21，也可以根据本发明实施例制得金属石墨电刷1。
使用根据本发明实施例的金属石墨电刷1时，当电动机运行(或者说电刷滑动接触)时，滑动接触表面之间的滑动摩擦系数可以借助电刷1和换向器8的滑动接触表面之间由液体21所产生的蒸汽而被降低。此外，即使电刷1在其自身温度高于100℃的条件下运行时，如果温度低于液体21的沸点，则液体21不会完全汽化，并且电刷1与换向器8的滑动接触表面之间的液体21也不会完全消失。因此，与传统电刷不同，本发明的电刷能够避免增大滑动摩擦系数，进而避免磨损程度加剧。其结果，电动机10的使用寿命可以被充分地延长。
另外，随着电动车辆的兴起，电动机10已逐渐用作引擎系统的一部分，并用于车辆的控制系统。特别是当准备以电动机取代引擎零部件，如水泵或油泵时，电动机必须比其他车体零件(例如电动车窗)的连续运行时间长得多。连续运行时间在有些情况下可以长达几小时。由于电动机10的连续运行时间增长，电刷1的滑动接触表面的温度有上升到150℃甚至到大约250℃的危险。在这种条件下，优选的是，即使电动机10工作在任何大气温度下，在滑动接触表面之间也要存有由液体21所产生的蒸汽。
但是，像具有沸点的液体所共有的那样，当液体温度升高到接近沸点时，液体的蒸汽压会突然升高，并且在沸点时液体21的蒸汽压变成1个大气压。因此，大部分渗入电刷1的松孔19内的液体21在低压条件下不会汽化，除非接近电刷1的滑动接触表面的松孔19的温度达到液体21的沸点。此外，如果电刷1在接近沸点的温度下工作，由于蒸汽压较大而导致大量液体21被消耗，无法长时间将向电刷1的滑动接触表面供给足够的蒸汽。
为了克服上述的缺陷，作为渗入电刷1的松孔19内的液体21，其包含多种乙二醇醚，该乙二醇醚具有各种烯化氧结构单元，并且具有比水(100℃)的沸点高的多种沸点。换句话说，该乙二醇醚的沸点随着烯化氧结构单元的数量或种类而变化。具体而言，烯化氧结构单元的数量越高，乙二醇醚的分子量越大，进而导致乙二醇醚的沸点越高。其结果，沸点分布在较宽温度范围内的乙二醇醚可作渗入用。具体而言，如果一种混合物，其包含多种乙二醇醚并具有各种数量的烯化氧结构单元，被用作液体21，由于乙二醇醚的沸点随着烯化氧结构单元的数量增加而相匹配地变化，则可以在较宽的温度范围内向滑动接触表面之间提供液体21的蒸汽。
该醚结构单元并不受限。蒸发特性适合于滑动接触表面的温度范围的任何醚结构单元均适用。例如，可以任意地从一甲基醚、一乙基醚、一丙基醚、一异丙基醚、一丁基醚、一异丁基醚、一苯基醚或其组合中选择醚结构单元。此外，如果选择了相同的醚结构单元，则相容性会有所增强。
例如，如果烯化氧结构单元选为环氧乙烷结构单元，则具有一个的环氧乙烷结构单元的乙二醇一甲醚的沸点为124.5℃。具有两个环氧乙烷结构单元的二甘醇一甲醚的沸点为194.0℃。具有三个环氧乙烷结构单元的三甘醇一甲醚的沸点为249.0℃。因此，沸点随着环氧乙烷结构单元数量的增加而相匹配地升高。如果这种混合物被渗入，则能够在预定的温度范围内起到气体润滑剂的作用，不会存在温度的不连续。
此外，优选的是，在电动机运行时，在液体21的温度高于与换向器8的滑动接触表面相接触的金属石墨电刷1的滑动接触表面的最高温度时，液体21能够分解。还有，优选的是，在电动机运行时，液体21含有沸点高于滑动接触表面最高温度的乙二醇醚。另外，优选的是，在电动机运行时，液体21含有在滑动接触表面周围的温度下能够汽化的乙二醇醚。这样，即使当电刷1和换向器8之间的滑动接触表面的温度在较宽范围内变化，只要电刷1和换向器8之间的滑动接触表面的温度保持在电动机10能够运行的温度范围内，液体21就不会发生热分解，并且能够向滑动接触表面之间提供液体21的蒸汽。
另一方面，在使用传统的金属石墨电刷时，如果金属石墨电刷连续运行100小时，尽管当滑动接触表面的平均温度达大约80℃时，电刷仍是以恒定速度磨损，当滑动接触表面的平均温度超过大约80℃时，磨损速度开始随着温度上升而增快。出现这种情况的原因可以认为是单位时间内水分的消耗量在温度超过80℃后增加，从电动机10开始运行至不足100小时，存储于松孔19内的水分已消耗殆尽。或者说，金属石墨电刷1的滑动接触表面的平均温度越高，则石墨颗粒18最初所吸收的水分被汽化的程度越高。结果，用于限制金属石墨电刷1磨损的所需水分含量在一段连续运行时间之后变得不足，并且如果电动机在水分不足之后继续运行，则金属石墨电刷1开始受磨损。
由于很明显地可以借助直至80℃的水而使金属石墨电刷1的磨损受到限制，因此优选的是，作为能够在直至80℃的较低温度范围内汽化的液体，水可以应用于根据本发明实施例的金属石墨电刷。如果使用水，当电动机10开始运行后，随着电刷1滑动接触表面的温度升高，首先是消耗液体21的水溶液而产生蒸汽。一旦电动机10停止，电刷1的温度降回大约室温，电刷1能够从大气中吸收水分到松孔19中，从而增加水分。根据这一观点，优选使液体21所包含的每种液体均是水溶性的。此外，优选液体21作为水溶液渗入松孔19。更进一步地，为了加快从大气中吸收水分的效率，优选使液体21所含有的至少一种乙二醇醚具有吸湿性。通过液体21中具有吸湿性的乙二醇醚，则可以由大气向电刷供水。因此，可以降低预先向电刷1的烧结材料22的松孔19中渗入的水量，有时甚至不须渗水。
下面说明渗入金属石墨电刷1的液体21的第一优选实施例。作为用于渗入的优选液体21，如下述的化学结构式所示，可以使用以环氧乙烷结构单元作为烯化氧结构单元的一甲醚。
(化学结构式1) 这种物质可以通过向甲醇中添加环氧乙烷并通过使用催化剂而制得。利用这种方法，可以获得组成比为n＝3，大约5％，n＝4，大约68％，n＝5，大约22％，以及n＝6，大约5％的聚乙二醇一甲醚。聚乙二醇一甲醚混合物的平均分子量大约为220。根据汽化性能的观点，优选该聚乙二醇一甲醚具有下述组成比n＝3，2-8％，n＝5，20-25％，n＝6，2-8％，且n＝4，余量。
通过研究获得渗入金属石墨电刷1的内部松孔中的聚乙二醇一甲醚的汽化特性。根据结果，如附图5所示，当电刷1在200℃的温度下运行2个小时后，仍有5.6％的聚乙二醇一甲醚存留在金属石墨电刷1的内部松孔中。因此，能够在100℃到200℃的较宽温度范围内向滑动接触表面之间提供聚乙二醇一甲醚蒸汽。
此外，如附图6、7所示，对具有上述成分的聚乙二醇一甲醚，对各温度下汽化的组成组成比例进行了测定，通过研究上述汽化后的剩余量而了解聚乙二醇一甲醚的汽化性能。附图6和7的图表表示在各温度条件下分别置留1小时(附图6)以及2小时(附图7)后的聚乙二醇一甲醚组成比例。在此情况下，假设聚乙二醇一甲醚按其沸点的升序被汽化。根据该测定结果可知，被汽化的各种成分随着温度不同而变化。由于添加3-4摩尔的烯化氧的部分成分在150℃时汽化，而添加4或5摩尔的烯化氧的其他成分在200℃时汽化，因此液体21能够在较宽的温度范围内汽化。进而，可以根据电动机10的运行温度，通过改变添加到聚乙二醇一甲醚的各成分中的烯化氧摩尔量而控制其汽化属性。
此外，如附图8所示，该聚乙二醇一甲醚具有吸湿性能。附图8的图表表示处于相对湿度(RH)为50％的条件下的聚乙二醇一甲醚所吸收的水分随着时间的流逝而变化，并在不同温度下进行研究。根据热重分析(TGA)的测量结果，热分解温度为246.1℃。根据在294℃下所做的热分解研究，重量变化为0.55％。由于聚乙二醇一甲醚具有吸湿性能，并且直至294℃也不会分解，因此优选聚乙二醇一甲醚作为液体21。
此外，作为第二优选实施例，具有以环氧乙烷结构单元和氧化丙烯结构单元作为烯化氧结构单元的一甲醚，也可以用作液体21。
(化学结构式2) (R1，R2为H或者CH3，并且R1=R2≠CH3)以环氧乙烷结构单元和氧化丙烯结构单元作为烯化氧结构单元的一甲醚可以通过下述工艺制得。首先，以甲醇作为原材料。随后，在利用催化剂的条件下，将环氧乙烷和氧化丙烯任意地添加到甲醇中。由此，可获得聚乙二醇聚丙二醇一甲醚混合物，其组成比为n=1，约1％，n＝2，约8％，n＝3，约22％，n＝4，约24％，n＝5，约20％，n＝6，约13％，n＝7，约7％，n＝8，约3％，以及n＝9，约2％。此处，n表示所添加的环氧乙烷和/或氧化丙烯的摩尔总数。该聚乙二醇聚丙二醇一甲醚混合物的平均分子量为大约200。其组成比并不仅限于此。从汽化特性的角度来看，优选聚乙二醇聚丙二醇一甲醚的组成比为n＝1，0-2％，n＝2，7-10％，n＝3，20-25％，n＝5，20-25％，n＝6，10-15％，n＝7，7-10％，n＝8，2-5％，n＝9，0-2％，以及n＝4，余量。
对渗入金属石墨电刷1的内部松孔19中的聚乙二醇聚丙二醇一甲醚的汽化性进行研究。根据结果，如附图9所示，当金属石墨电刷1在200℃的温度下运行2个小时后，仍有10％的聚乙二醇聚丙二醇一甲醚存留在金属石墨电刷1的内部松孔中。因此，能够在比聚乙二醇一甲醚被使用的情况下的温度范围更宽的温度范围内向滑动接触表面之间提供聚乙二醇聚丙二醇一甲醚蒸汽。
此外，根据上文所述的结果，假设聚乙二醇聚丙二醇一甲醚与聚乙二醇一甲醚相同，也是按照沸点的升序汽化，则在各温度条件下被汽化的成分如附图10和附图11所示。附图10表示已汽化1个小时的各成分，附图11表示已汽化2个小时的各成分。环氧乙烷数量和氧化丙烯数量的总和可被看作是被添加的烯化氧摩尔量。例如根据附图11所示的图表，当2小时过后，由于添加3或4摩尔的烯化氧的部分成分在150℃时汽化，而添加4-7摩尔的烯化氧的另一些成分在200℃时汽化，添加7-9摩尔的烯化氧的还一些成分在250℃时汽化，因此液体21能够在较宽的温度范围内汽化。
此外，如附图12所示，该聚乙二醇聚丙二醇一甲醚具有吸湿性能。附图12的图表表示处于相对湿度(RH)为50％的条件下的聚乙二醇聚丙二醇一甲醚所吸收的水分量随着时间流逝而出现的变化，并在不同温度下进行研究。此外，根据热重分析(TGA)的测量结果，热分解温度为214.7℃。根据在256℃的温度下所做的热分解研究，重量变化为0.27％。由于聚乙二醇聚丙二醇一甲醚具有吸湿性能，并且直至256℃也不会分解，因此可优选聚乙二醇聚丙二醇一甲醚作为液体21。
下面将说明用于检测使用具有金属石墨电刷1的滑环连续运行的运转试验的实例。将由无氧铜制造的圆柱形滑环固定到作为滑环动力源的感应电动机的旋转轴上。提供电刷保持件使其面对滑环。将用于研究的电刷1连接到电刷保持件上。随后，运转感应电动机以使滑环和金属石墨电刷1滑动接触，然后评价金属石墨电刷1的磨损量。此外，该运转试验在下述条件下进行温度为80℃、120℃、150℃、180℃以及220℃，被研究的金属石墨电刷1的尺寸为8mm×5mm×12mm，由金属石墨电刷1向滑环施加的载荷为1800gf/cm2，并且旋转的圆周速度为3.9m/s。在上述条件下，研究金属石墨电刷1在恒温条件下连续运转100小时后的磨损量。
还有，运转电刷1的温度是通过内嵌在电刷1内且距滑动接触表面3mm位置处的热电偶而测得的。当电刷1在80℃的气温环境下运转时，距离电刷1的滑动接触表面3mm处的温度升至130℃。当电刷1在气温为120℃、150℃以及220℃的环境下运转时，距离电刷1的滑动接触表面3mm处的温度相应地分别升至175℃、180℃以及250℃。换句话说，当电刷1运转时，电刷1的滑动接触表面附近的温度要比气温高出30-35℃。
(实例1)对应金属石磨电刷1对滑环的连续运转进行研究，其中作为液体21的聚乙二醇一甲醚液体21被渗入。根据研究结果，如附图13所示，当滑环运转时的温度大约在120℃到200℃范围内时，磨损量被限制在低水平；但是当滑环运转时的温度高于大约200℃时，只要滑环长时间连续运转，磨损量就会增加。此外，在大约80-150℃温度范围内，磨损量不会随着连续运行的滑环的温度增加而增加。换句话说，当电刷1在80℃到150℃温度范围内运转时，在电刷1和滑环的滑动接触表面之间的聚乙二醇一甲醚的蒸汽量随着电刷1的运行温度升高而相匹配地增加，并由此导致电刷1的磨损量保持在低的水平。随后，当电刷在高于180℃的温度下运转时，聚乙二醇一甲醚的蒸汽消耗速度随着电刷1的运转温度增加而增加，并且当电刷1的运行时间增长时，减小磨损量的程度降低。结果，如果金属石墨电刷1在大约120-180℃温度范围内运转，则聚乙二醇一甲醚已经渗入的金属石墨电刷1的磨损量可以被限制在大约0.3mm内。此外，如果电刷1的磨损量被限制在大约0.5mm，则电刷1可以在80-250℃的宽温度范围内运转。
(实例2)对应金属石磨电刷1对滑环的连续运转进行研究，其中作为液体21的聚乙二醇聚丙二醇一甲醚被渗入。根据研究结果，如附图14所示，当滑环运转时的温度大约在120℃到220℃范围内时，磨损量被限制在低水平；但是当滑环在运转时的温度高于大约200℃时，如果滑环长时间连续运转，磨损量就会增加。此外，在大约80-180℃温度范围内连续运转时，磨损量不会随着滑环的温度增加而增加。也就是说，当电刷1在80℃到180℃温度范围内运转时，在电刷1和滑环的滑动接触表面之间的聚乙二醇聚丙二醇一甲醚的蒸汽量随着电刷1的运行温度升高而相匹配地增加，并由此使得电刷1的磨损量保持在低的水平。随后，如果电刷1在高于220℃的温度下运转时，聚乙二醇聚丙二醇一甲醚蒸汽的消耗速度随着电刷1的运转温度增加而加快，并且当电刷1的运行时间增长时，磨损量不会充分地降低。结果，如果金属石墨电刷1在大约120-220℃温度范围内运转时，被渗入聚乙二醇聚丙二醇一甲醚的金属石墨电刷1的磨损量可以被限制在大约0.3mm。此外，如果电刷1的磨损量被限制在大约0.5mm，则电刷1可以在80-250℃的宽温度范围内运转。
(比较例)作为比较例，对应传统金属石磨电刷1对滑环的连续运转进行研究。根据研究结果，如附图15所示，当滑环在高于80℃的温度下运转时，金属石墨电刷1的磨损量随着滑环运转温度的升高而相匹配地增加。并且，如果连续运转时间长，则磨损量随着滑环运转温度的升高而明显增加。上述现象的原因被认为是，如上文所述，滑环的运转温度越高，则水分耗尽之前所能持续的时间越短。为了将电刷1的磨损量限制在0.5mm或更低的水平，即使滑环连续运行较短时间，换言之100小时，也需要将滑环的运转温度为80℃或更低。
根据本发明的一个方面，用于向缠绕于电动机的转子芯上的线圈供电的金属石墨电刷的特征是，该金属石墨电刷由烧结材料制造，在该烧结材料的表面或内部具有松孔。含有多种乙二醇醚的液体渗入该金属石墨电刷，上述乙二醇醚具有不定量的烯化氧结构单元。所述液体的沸点高于水的沸点。
根据本发明的该方面，即使电动机被使用时的温度(或者说电动机的运转温度)升高到高于100℃，渗入到金属石墨电刷松孔中的液体并不会完全汽化，并且在金属石墨电刷和换向器的接触表面之间的上述液体的蒸汽也不会消失。其结果是，金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间的滑动摩擦系数被降低，金属石墨电刷的磨损程度也被降低。
此外，乙二醇醚的分子量随着烯化氧结构单元的数量而相匹配地变化。结果，上述液体蒸汽包含具有多种蒸汽压特性的多种乙二醇醚。因此，可以在金属石墨电刷运转的宽的温度范围内向金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间提供液体的蒸汽。从而，根据本发明该方面的金属石墨电刷，在其应用的较宽温度范围内其磨损程度可被降低。
根据本发明的另一方面，在金属石墨电刷中，烯化氧结构单元包括至少环氧乙烷结构单元和氧化丙烯结构单元之一。
根据本发明的该方面，由这些乙二醇醚可在电动机通常工作的温度范围内获得足够的蒸汽压。由此，当电动机运转时，可以始终向金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间提供由液体产生的蒸汽。因此，金属石墨电刷的磨损程度可以被限制在低的水平。
根据本发明的另一方面，在金属石墨电刷中，渗入金属石墨电刷的液体在比金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面的最高温度高的温度下会分解，该换向器用于在电动机运转时向金属石墨电刷和线圈供电。
根据本发明的另一方面，即使电动机的运转温度高时，液体也不会热分解，并且可在预定的温度下汽化。因此，可以向金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间提供液体的蒸汽。
根据本发明的另一方面，在金属石墨电刷中，渗入金属石墨电刷的液体包含乙二醇醚，该乙二醇醚可以在比金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面的温度低的温度下汽化，该换向器用于在电动机运转时向金属石墨电刷和线圈供电。
根据本发明的另一方面，由于液体含有能够在比金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面的温度低的温度下汽化的乙二醇醚，所以能够在宽的温度范围内提供由该液体产生的蒸汽，上述换向器用于在电动机运转时向线圈供电。
根据本发明的另一方面，电动机(1)包括壳体，设置在壳体内部的磁铁，可旋转地设置在壳体内并朝向磁铁的转子，该转子具有缠绕在转子芯上的线圈，用于将转子支承在壳体内的轴，设置在转子上用于向线圈供电的换向器，以及与换向器相接触的金属石墨电刷。该电动机的特点在于，金属石墨电刷由其表面和内部具有松孔的烧结材料制造。含有多种乙二醇醚的液体渗入该金属石墨电刷，上述乙二醇醚具有不定数量的烯化氧结构单元。该液体的沸点高于水的沸点。
根据本发明的一个方面，即使电动机使用时的温度(或者说电动机的运转温度)升高到高于100℃，渗入到金属石墨电刷松孔中的液体并不会完全汽化，并且在金属石墨电刷和换向器的接触表面之间的上述液体的蒸汽也不会消失。其结果是，金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间的滑动摩擦系数被降低，金属石墨电刷的磨损程度也被降低。这样的结果是，使得具有该金属石墨电刷的电动机的使用寿命被延长。
此外，乙二醇醚的分子量随着烯化氧结构单元的数量而变化。结果，上述液体的蒸汽包含具有多种蒸汽压特性的多种乙二醇醚。因此，可以在宽的温度范围内向金属石墨电刷和换向器的滑动接触表面之间提供液体的蒸汽。从而，根据本发明该方面的金属石墨电刷，因为在其应用的较宽温度范围内其磨损程度可被降低，因此具有该金属石墨电刷的电动机的使用寿命被延长。
具有根据本发明的金属石墨电刷的电动机可以用于车辆用途，例如驱动水泵以冷却车辆引擎的电动机，驱动冷却风扇的电动机，以及驱动引擎油泵的电动机。但是，本发明并不局限于此，而是可以用于多种用途。
权利要求
1.一种用于向卷绕在设置于电动机(10)的转子(2)处的芯(9)上的线圈(17)供电的金属石墨电刷(1)，其特征在于该金属石墨电刷由表面或内部具有松孔(19)的烧结材料(22)制造，并且含有多种乙二醇醚的液体(21)渗入该金属石墨电刷，上述乙二醇醚具有不定数量的烯化氧结构单元，该液体的沸点高于水的沸点。
2.如权利要求1所述的金属石墨电刷，其中烯化氧结构单元包括环氧乙烷结构单元和氧化丙烯结构单元中的至少一个结构单元。
3.如权利要求1或2之一所述的金属石墨电刷，其中渗入金属石墨电刷的液体在比金属石墨电刷以及换向器(8)的滑动接触表面的最高温度高的温度下分解，该换向器用于在电动机运转时向金属石墨电刷和线圈供电。
4.如权利要求1或2之一所述的金属石墨电刷，其中渗入金属石墨电刷内的液体包含乙二醇醚，该乙二醇醚能够在比金属石墨电刷及换向器的滑动接触表面的温度低的温度下汽化，该换向器用于在电动机运转时向金属石墨电刷和线圈供电。
5.如权利要求1所述的金属石墨电刷，其中金属石墨电刷由以天然石墨颗粒作为基础的烧结材料(22)制造。
6.如权利要求1所述的金属石墨电刷，其中渗入金属石墨电刷的乙二醇醚是包含乙二醇一甲醚、二甘醇一甲醚、三甘醇一甲醚、四甘醇一甲醚、五甘醇一甲醚以及六甘醇一甲醚的混合物。
7.如权利要求1所述的金属石墨电刷，其中渗入金属石墨电刷的乙二醇醚是包含丙二醇一甲醚、二丙二醇一甲醚、三丙二醇一甲醚、四丙二醇一甲醚、五丙二醇一甲醚、六丙二醇一甲醚、七丙二醇一甲醚、八丙二醇一甲醚以及九丙二醇一甲醚的混合物。
8.如权利要求1所述的金属石墨电刷，其中乙二醇醚是通过向甲醇中任意加入环氧乙烷和氧化丙烯的加成聚合反应而合成的。
9.一种电机，包括壳体(7，13)；设置在壳体内部的磁铁(11)；可旋转地设置在壳体内并朝向磁铁的转子(2)，该转子带有缠绕在转子芯(9)上的线圈(17)；用于将转子支承到壳体上的轴(4)；设置在转子上用于向线圈供电的换向器(8)；以及与换向器相接触的金属石墨电刷(1)，其特征在于，该金属石墨电刷由表面和内部具有松孔(19)的烧结材料(22)制造，含有多种乙二醇醚的液体(21)渗入该金属石墨电刷，所述乙二醇醚具有不定数量的烯化氧结构单元，该液体的沸点高于水的沸点。
10.根据权利要求3所述的金属石墨点刷，其中渗入金属石墨电刷内的液体包含乙二醇醚，该乙二醇醚能够在比金属石墨电刷及换向器的滑动接触表面的温度低的温度下汽化，该换向器用于在电动机运转时向金属石墨电刷和线圈供电。
全文摘要
用于向卷绕在设置于电动机(10)的转子(2)处的芯(9)上的线圈(17)供电的金属石墨电刷(1)，其特征在于，该金属石墨电刷是由在其表面或内部具有松孔(19)的烧结材料(22)所制造。含有多种乙二醇醚的液体(21)渗入该金属石墨电刷，所述乙二醇醚具有不定数量的烯化氧结构单元。该液体的沸点高于水的沸点。
文档编号H02K23/00GK1691439SQ20051006695
公开日2005年11月2日 申请日期2005年4月22日 优先权日2004年4月27日
发明者小林博, 五月女道彦 申请人:爱信精机株式会社, 东邦化学工业株式会社