专利名称：微型电动机碳刷及其制造方法
技术领域：
本发明一般地涉及的是一种微型电动机碳刷及其制造方法，更具体地涉及的是用在有永久磁铁磁场的微型电动机中的微型电动机碳刷，该碳刷是覆以金属的石墨电刷，将石墨粉颗粒覆以金属层，然后将石墨粉压力成型并经烧结而构成;石墨粉的含灰量要降低到小于0.05重量百分率，以减小机械噪声并改善换向特性。
到目前为止，所制造的微型电动机的各种碳刷是将粘合剂加于提纯到99%或99.5%左右的石墨粉中，对固化的配料进行研磨、筛选，再将金属粉与底料和筛选得的配料混合，按需要给予所希望的电导率，最后将所得的配料压力成型和烧结。
为了排除使用粘结剂，一种所谓的覆铜石墨电刷已经公知了，该覆铜石墨电刷是将提纯到99%左右的石墨粉颗粒覆铜，然后再将覆以铜的石墨粉不加粘结剂压力成型和烧结而制成。
以上所提到常用方法的前一种工艺过程包含与粘结剂一起将石墨粉(含有灰份)成型和烧结。粘结剂的使用产生由于粘结剂烧结和碳化作用所形成的残留碳，导致结合强度增加。所增加的结合强度会增加由该方法所制造的电刷与换向器的表面滑动接触时所产生的机械噪声。
另一方面，后一种制造覆铜石墨电刷的工艺过程包含将铜层加于石墨粉颗粒的表面。在此过程中，覆以铜的石墨粉不用粘结剂进行压力成型和烧结。覆铜石墨电刷没有粘结剂，与使用粘结剂所制造的碳刷相比较，其有助于降低机械噪声。
但是，覆铜石墨电刷由于石墨粉中灰份的存在有不适当的换向特性。
图7画出了在通常的覆铜石墨电刷中结合在一起的石墨粉颗粒的情形。在该图中，序号11表示石墨颗粒;12表示铜层;13表示灰粒。
通常的覆铜石墨电刷中有许多有害的问题，例如，该图中所示的灰粒13，当与换向器表面接触时，会在换向器表面产生划痕，在接着发生的换向期间导致火花发生。此外，有灰粒13也引起瞬时导电中断。
本发明的目的在于提供一种微型电动机碳刷，该碳刷利用覆以金属的石墨粉构成，含灰量不大于0.05重量百分率的石墨颗粒覆以金属层，以降低机械噪声并改善换向特性。
本发明的另一目的在于提供一种制造微型电动机碳刷的方法，其中含灰量不大于0.05重量百分率的石墨粉是利用在高温惰性气体气氛中释放卤素物质来提纯石墨粉的方法生产的，碳刷采用将所得到的石墨粉压力成型和烧结的方法进行制造，石墨粉的含灰量不大于0.05重量百分率，以改善机械噪声和换向特性。
本发明的再一个目的在于提供一种微型电动机碳刷，该碳刷是将颗粒尺寸小于50微米的氧化物粉末加到含灰量小于0.05重量百分率的覆金属的石墨粉中构成，其石墨颗粒覆以改善机械噪声和换向特性的金属层。
本发明的更进一步目的在于提供制造微型电动机碳刷的方法，该方法采用在高温惰性气体气氛中和用释放卤素物质提纯石墨粉的手段生产含灰量不大于0.05重量百分率的石墨粉，所制造的碳刷是将颗粒尺寸不大于50微米的氧化物粉末加到含灰量不大于0.05重量百分率的石墨粉中，并将所得到的配料压力成型和烧结制成的。
附图的简要说明
图1是说明本发明原理的简图;
图2是说明本发明制造方法一个实施例的流程图;
图3是说明根据本发明用在提纯处理工艺过程中精炼炉的原理图;
图5A、5B、5C和5D是说明当应用图4所示Ⅰ-Ⅳ号碳刷时典型换向波形的示波器波形图;
图6A和6B是说明本发明碳刷一个具体实施例的颗粒结构的简图;
图7A和7B是说明通常应用粘结剂的碳刷的颗粒的结构简图;
图8是说明本发明制造方法另一个实施例的流程图;
图9是本发明碳刷的另一个具体实施例的组成的简图;
图10是说明应用图9所示碳刷时典型换向波形的示波器波形图;
图11是说明图9所示碳刷的颗粒结构的简图;
图12是说明所加氧化物粉末颗粒尺寸和耐磨度之间关系试验结果的简图;
图13是说明所加氧化物粉末含量和耐磨度之间关系试验结果的简图;
图14表示在通常覆铜石墨电刷中结合在一起的石墨粉末颗粒的状况。
具体实施例的详细说明如下图1是有助于说明本发明原理的简图，该图画出了微型电动机中所用碳刷的位置，透视图(A-1)、局部放大图(A-2)以及碳刷的结构图(A-3)。
在这些图中，序号1指换向器;2指换向器片;3指转轴;4指碳刷;5指碳刷弹性件;11指石墨颗粒;12′指金属层，如覆铜层。
在图1中，碳刷4被导电的电刷弹性件5夹住并被支撑着使得与换向片2、2和2作滑动接触。碳刷4烧结成有柄的倒T形，如图1的A-1透视图所示，由电刷弹性件5的支撑。该倒T形的底部表面做成略微弯曲的形状，使得与换向器片2作滑动接触。
如图1的A-2局部放大图所示，碳刷4由例如覆以铜的石墨粉颗粒经压力成型和烧结而成。如图1的A-3结构图所示，在每个石墨颗粒11、11……的表面上形成金属层12′，这些石墨粉颗粒经压力成型和烧结由金属层12′连接在一起。
图2是说明本发明制造工艺过程的一个实施例的流程图。该图中的序号20表示提纯到99%左右的石墨粉;21表示按照本发明的提纯处理工艺过程;22表示覆以金属的工艺过程;23表示压力成型工艺过程;24表示烧结工艺过程。
如图2所示，对石墨粉完成提纯处理工艺过程21，覆以金属的工艺过程22，压力成型工艺过程23和烧结工艺过程24制造出实施本发明的碳刷。虽然对公知的覆以金属的工艺过程22、压力成型工艺过程23和烧结工艺工程24的说明省略了，本发明主要特征的提纯处理工艺过程将参见图3加以详细的说明。
图3是按照本发明用在提纯处理工艺过程中的精炼炉的原理图。该图中序号20指石墨粉;30指炉体;31指电源变压器;32指卤管;33指加热器。
提纯处理工艺过程相当于应用高温下在惰性气体，例如氮或氩中容易释放卤素的物质，如CCl4或CCl2F2除去石墨粉中杂质的工艺过程。这就是将石墨粉20装进炉体30中，将卤气管32放在石墨粉中。当加热器33将炉中的温度提高到1800℃左右时，在惰性气体中CCl4饱和并经卤管32传送，此时假设在炉中发生下述反应
当温度上升到超过1900℃时，CCI4被Cl2F2代替，提纯处理在2500℃以上持续4小时以上。在以后的冷却过程中，也是保持注满惰性气体，例如氮和氩，以防止杂质反向扩散和消除卤。
上述的提纯处理工艺过程生产出的石墨有超过99.95重量百分率的纯度，杂质小于0.05重量百分率。
如说明已有技术部分所描述的那样，在本发明中由覆铜石墨颗粒制造的覆铜石墨电刷是公知的。本发明的特征在于已受到提纯处理工艺过程21但还没有受到覆以金属工艺过程22的石墨粉的含灰量保持在不大于0.05重量百分率，也就是说，在所制造的碳刷4的全部覆以金属，压力成型和烧结的颗粒中有相应的含灰量。
因此，涉及覆金属石墨电刷形成的本发明与通常利用粘结剂的碳刷相比较，能降低电动机运行期间的机械噪声。此外，本发明提供由于含灰量降低而具有优良换向特性的碳刷。换言之，作为一种原理已公知但实际上没有实现的已有技术的覆铜石墨电刷由于本发明达到了实用的阶段。
本发明人除了提纯工艺过程外，采用了以下改善用于覆金属石墨电刷中石墨粉纯度的一些方法来制造覆铜石墨电刷，并在装有这些电刷的电动机上进行了测试。
(ⅰ)物理精炼利用固体颗粒表面物理-化学性能上的不同，以浮选法将石墨与杂质分离。该物理精炼工艺过程处理大小约300微米的颗粒。利用石墨能用气泡分离的事实，将石墨粉装进油和气泡的混合体中，并采用使石墨颗粒粘附于浮动的气泡上的方法来收集石墨粉。用这样的工艺过程，能获得不小于98%和小于99.5%的纯度。这就意味着在石墨粉中含有范围从不小于0.5%到2%左右的杂质。
ⅱ)化学处理石墨中所含杂质被溶解在高浓度的酸和碱溶液中，该溶液加热(到160℃～170℃)并被加压(到5-6大气压)。通常称此处理为热压处理工艺过程，它主要由以下反应组成
用此化学处理，能得到不小于99%和小于99.9%的纯度，残留在石墨粉中的杂质不小于0.05%接近1%。
图4表示了用图2所示具体实施方式
制造的碳刷(以下称为第一碳刷)的测试结果。Ⅰ号代表采用通常碳刷(含粘结剂)的测试结果，Ⅱ号是采用物理方法精炼覆铜石墨电刷的测试结果，Ⅲ号是采用化学处理覆铜石墨电刷的测试结果，Ⅳ号则是应用本发明的提纯处理工艺过程所制造的覆铜石墨电刷的测试结果。上面提到的Ⅰ号至Ⅳ号的每一种制造了十个电刷并加以测试。
Ⅰ号电刷呈现46dB的平均机械噪声值，从换向波形观点看，十个Ⅰ号电刷中的两个有不适当的换向特性。Ⅱ号和Ⅲ号电刷呈现40dB的平均机械噪声值，所有的Ⅱ号和Ⅲ号电刷有不适当的波形。另一方面，Ⅳ号电刷的平均机械噪声值为38dB，所有的十个Ⅳ号电刷都有好的换向波形。
图5A、5B、5C和5D是采用图4的Ⅰ号至Ⅳ号电刷时代表典型换向波形的示波器波形图。这里所用的换向波形术语意指在电刷沿换向器片滑动期间所示电动机电流的波形。采用图5D所示本发明的电刷，换向波形实际上有规律的出现，表明有好的换向特性。
图5B和5C中所示的Ⅱ号和Ⅲ号电刷的波形呈现非规则的性能，有时甚至含有不导电;而Ⅰ号电刷的波形呈现几乎有规律的处于实用范围的性能。
图6A和6B是说明本发明的用树脂模压，然后抛光的第一碳刷的颗粒结构的图形。图6A是说明图1中A-1所示电刷垂直切割表面的图形;而图6B是说明在A-1中所示相同电刷的水平切割表面的图形。如这些图形所示，在每个石墨颗粒表面可发现有覆铜层。
图7A和7B是说明通常使用粘结剂的碳刷的颗粒结构图。图7A与图6A相对应，图7B与图6B相对应。在图7A和7B中，石墨颗粒很少地被连接成导电的金属，在石墨颗粒之间存有残留的粘结剂的碳。
如上所说，本发明使得迄今认为不能实施的覆金属石墨电刷进入实际应用成为可能。
此外，本发明碳刷的另一实施方式及其制造方法实质上相对于图1至图7所描述的第一碳刷及其制造方法是相同的。这另一实施方式的碳刷(以下称为第二碳刷)用图8所示制造方法进行制造，把添加颗粒尺寸不大于50微米的氧化物粉末的氧化物添加工艺过程，加在上面提到的图2所示制造方法中提纯处理工艺过程21和覆金属工艺过程22之间。
如图9中与图1的A-3相对应的结构图所示，第二碳刷具有在石墨颗粒11和氧化物颗粒11′的表面上形成的覆金属层12′，这些颗粒压力成型并且彼此由覆金属层12′连接着。
在第二碳刷上也进行了如在参考图3所说明的碳刷上所进行的相同测试。测试结果表明，第二碳刷有38dB的平均机械噪声值，并且所有十个电刷呈现好的换向波形，如图3所示Ⅳ号电刷的情形。
图10是代表第二碳刷的典型换向波形的示波器波形图。从图10明显地可以看到，第二电刷实际上有规律性的换向波形，显示了好的换向特性。
图11A和11B是说明本发明用树脂模压，然后抛光的第二碳刷的颗粒构造的图形。图11A是说明在图1的A-1中所示电刷的垂直切割表面的图形，而图11B是说明在图1的A-1中所示电刷的水平切割表面的图形。如在这些图形中所示，在每个石墨颗粒表面上有覆铜层，如同上面提及的第一碳刷的情形。
图12和图13中所示的测试结果揭示，本发明所采用的将覆铜氧化物粉末加到高纯度覆铜石墨粉中经过对配料的压力成型和烧结制造的第二碳刷具有高的耐磨性。
例如可用含成份SiO2、Al2O3、Fe2O3和MnO、MgO以及TiO2之类的硅酸盐作氧化物加到上面提到的第二碳刷中。此外还揭示了，上面提到的耐磨性与石墨粉中氧化物粉末颗粒大小和含量有密切关系。
图12表示对加有重量百分率为3的氧化物粉末的石墨电刷进行测试的结果，说明氧化物粉末的颗粒大小与耐磨性之间的关系。图13表示对采用颗粒大小在50微米以下的氧化物粉末的石墨电刷进行测试的结果，说明氧化物含量和耐磨性之间的关系。图12和13所示的测试结果代表对每个测试号码在十个所制造的电刷上最大80小时长期运行测试。X号表示电刷失效的时间。
从图12明显看出，要降低磨损，必须将氧化物的颗粒大小保持在50微米以下(2号测试)。也就是说，不加氧化物(1号测试)，磨损变得较高。对于颗粒大小为50-60微米的氧化物(3号测试)在相当短的时间内(平均8小时)多达5个电刷失效。对于其它颗粒大小(4号至7号测试)，全部电刷在短时间内(平均3.9-4.5小时)失效。
虽然在范围为0.1-10.0重量百分率(1号-6号测试)氧化物含量方面不存在实际问题，因为在此范围内磨损度保留在31%至43%。从图13明显看出，当氧化物粉末的含量保持在0.5-10.0重量百分率(3号-6号测试)的范围内，能得到更受欢迎的结果，因为磨损度进一步降低到31%至33%。但是对于高达12.0重量百分率(7号测试)的氧化物含量，所有电刷失效。
根据前述测试结果，采用添加颗粒尺寸不大于50微米以改善耐磨性能的0.1-10.0重量百分率氧化物粉末，即可制造出本发明的碳刷。
虽然说明书已经提到有关第二碳刷的制造，在压力成型和烧结之前，将覆铜的氧化物粉末加到高纯度覆铜石墨粉中，本发明不限于这样的安排，未覆金属的氧化物粉末仍可以加到高纯度覆铜石墨粉中。
如上所述，本发明使得以前认为不能实施的覆金属石墨电刷得到实际利用成为可能，因而改善了机械噪声和换向特性以及实现了有好的耐磨性能的碳刷。
权利要求
1.一种用于有永久磁铁磁场并借助换向器经电流换向产生旋转的微型电动机的碳刷，由石墨粉结合起来而形成，用作与电流换向的上述换向器滑动接触，其特征在于上述碳刷是将石墨粉颗粒覆以金属层之后由该石墨粉压力成型和烧结而形成的覆金属石墨电刷；用于上述覆金属石墨电刷的上述石墨粉要进行提纯，以将上述石墨粉的含灰量降低到不大于0.05重量百分率。
2.一种用于有永久磁铁磁场并借助换向器经电流换向产生旋转的微型电动机碳刷的制造方法，由石墨粉结合起来而形成，用作与电流换向的上述换向器滑动接触，其特征在于按以下步骤制造上述覆金属石墨电刷提纯处理工艺过程，应用在高温惰性气体气氛中释放卤素物质对石墨粉进行提纯;覆金属工艺过程，对受过上述提纯处理工艺过程的上述石墨粉覆以金属层;压力成型工艺过程，对上述覆金属的粉末压力成型;以及烧结工艺过程，对上述压力成型件进行烧结。
3.如权利要求1所述的用于微型电动机的碳刷，其特征在于上述碳刷是采用将颗粒大小不大于50微米的氧化物粉末加到石墨粉颗粒覆以金属层的上述覆金属石墨粉中，并对上述石墨和氧化物配料压力成型和烧结所形成的覆金属石墨电刷;用于上述覆金属石墨电刷中的上述石墨粉要进行提纯，以将上述石墨粉的含灰量降低到不大于0.05重量百分率。
4.如权利要求2所述的用于微型电动机的碳刷的制造方法，其特征在于按以下步骤制造上述覆金属石墨电刷提纯处理工艺过程，应用在高温惰性气体气氛中释放卤素物质对石墨粉进行提纯;氧化物添加工艺过程，将颗粒大小不大于50微米的氧化物粉末添加到受过上述提纯处理工艺过程的上述石墨粉中;覆金属工艺过程，将上述的受过上述提纯处理工艺过程的石墨粉和氧化物粉末的配料覆以金属层;压力成型工艺过程，对上述覆金属粉末压力成型;以及烧结工艺过程，对上述压力成型件进行烧结。
5.如权利要求2或4中所述的用于微型电动机的碳刷的制造方法，其特征在于上述提纯处理工艺过程应用有升高炉温的加热器的精炼炉完成石墨粉的提纯;上述提纯处理工艺过程包括第一工艺过程，CCl4在惰性气体中饱和并传送至所说的石墨粉，在炉温达到接近1800℃时引起化学反应，即第二工艺过程，CCI2F2在惰性气体中饱和，代替上述CCI4，并且当炉温超过1900℃时送给上述石墨粉，第三工艺过程，提纯处理在炉温升到2500℃以上的状态中持续4小时以上，以及第四工艺过程，在上述第三工艺过程完成后允许炉内和上述石墨粉一起冷却;在上述第四工艺过程中还持续馈送N2或Ar以防止杂质反向扩散并消除卤素。
全文摘要
一种用于有永久磁铁磁场并借助换向器经电流换向产生旋转的微型电动机的碳刷，由石墨粉结合起来而形成，用作与电流换向的换向器滑动接触，该碳刷是覆以金属的石墨电刷，将石墨粉的颗粒覆一金属层后，再将该石墨粉压力成型和烧结，即形成石墨电刷；用于覆以金属的石墨电刷的石墨粉要提纯，使石墨粉的含灰量降至0.05重量百分率，以及制造该石墨电刷的方法。
文档编号H01R43/12GK1046818SQ90103629
公开日1990年11月7日 申请日期1990年4月21日 优先权日1989年4月21日
发明者澁谷功 申请人:马渊马达株式会社