汽車微電機轉(zhuǎn)子粉末涂敷淺析
作者：周寶偉、鄭泰山 廣東省機械研究所
摘要：粉末靜電涂敷作為一項傳統(tǒng)技術(shù)，雖然起源較早，但是我國在汽車小電機轉(zhuǎn)子絕緣領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用還處于起始階段，目前國內(nèi)的外資汽車小電機生產(chǎn)企業(yè)大部分采用此項技術(shù)，受制于成本費用的增加，近年來我國的一些較有實力的大型汽車電機生產(chǎn)企業(yè)才開始逐步使用這項技術(shù)，國內(nèi)的專業(yè)設(shè)備生產(chǎn)廠也開始參照德國的涂敷技術(shù)標準來規(guī)范設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)，并制定了相應(yīng)的企業(yè)標準。
關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)子、絕緣、粉末靜電涂敷、cmk、fusa
Keywords: rotor,insulation, electrostatic powder coating, CMK, FUSA
0、引言
近年來，我國的汽車制造業(yè)得到了飛速的發(fā)展，汽車保有量已達到1.3億輛，平均10人擁有1輛汽車，按照小康生活每個家庭擁有1輛小汽車標準，在目前我國的汽車保有量中，至少還需再新增兩倍，達到4億輛�？梢灶A(yù)見，隨著我國城鎮(zhèn)化推進和人口大城市化趨向凸顯，以及新農(nóng)村建設(shè)，城鄉(xiāng)汽車需求量仍將繼續(xù)增大，另外家用電器、摩托車電器、電動工具、電動玩具、汽車電器等行業(yè)的飛速發(fā)展，社會對微特電機的需求量將越來越大，品質(zhì)要求越來越高，應(yīng)用日益廣泛，而在微特電機生產(chǎn)工藝中，對電機轉(zhuǎn)子端面和線糟的絕緣是一項非常重要的工作．絕緣工藝也越來越成熟可靠，國內(nèi)外主要汽車小電機生產(chǎn)廠家如：德國博世汽車部件公司，上海博澤汽車部件有限公司、上海法雷奧汽車電器系統(tǒng)有限公司、天津阿斯莫汽車微電機有限公司等都采用了環(huán)氧粉末涂裝新技術(shù)，從而極大的提高了小電機絕緣的可靠性和使用壽命。
1、影響電機使用壽命的因素
眾所周知電機的溫升（熱老化）是導(dǎo)致電機絕緣性能降低（絕緣材料老化）以及絕緣件松動的重要原因之一，因此在選擇絕緣結(jié)構(gòu)時，其絕緣材料的耐熱性和導(dǎo)熱性是必須和絕緣性同時考慮的，以電磁線為例，隨著溫度升高，外層絕緣體變軟，其抗剪強度就會喪失。如在高溫下如果被其它物體擠壓，則絕緣體就有可能發(fā)生塑變甚至在外力作用下使導(dǎo)體外露最終釀成短路，當溫度長時間超過絕緣體的耐熱額定值時，將導(dǎo)致絕緣退化，引起過度退化。此點對汽車用微型電機尤為重要，像搖窗電機，方向盤助力電機、雨刮電機、座椅調(diào)整電機等通風(fēng)散熱條件較差的電機等。
電動機發(fā)熱的原因很多，如電機正常運行過程中有鐵損、銅損和機械損耗，這些損耗最終轉(zhuǎn)變成熱能消耗掉。電機絕緣結(jié)構(gòu)中的發(fā)熱點主要有：電流通過繞組產(chǎn)生的發(fā)熱，介質(zhì)損耗的發(fā)熱和由于電磁感應(yīng)引起的渦流損耗、鐵磁損耗等產(chǎn)生的發(fā)熱、以及機械裝配過程中產(chǎn)生的偏差造成摩擦、震動、噪聲、接觸不良等產(chǎn)生的發(fā)熱、通風(fēng)不良造成的基礎(chǔ)溫度升高等等。這些發(fā)熱原因都會造成電機使用壽命縮短，維修成本上升等問題，尤其是像汽車特定位置的電機，因此選擇絕緣耐熱優(yōu)良的絕緣材料和生產(chǎn)工藝是解決其問題的方法之一。
2、絕緣材料及工藝
在所有種類的電機制造中、設(shè)計電機絕緣時所選用的絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)、絕緣工藝，不僅涉及到電機的電氣參數(shù)、外形尺寸的選擇和整體結(jié)構(gòu)的布局，還關(guān)系到電機運行的可靠性和使用壽命。絕緣結(jié)構(gòu)中的各項技術(shù)性能指標，在很大程度上反映出電機的設(shè)計及制造水平。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和使用環(huán)境的要求，對電機絕緣可靠性提出了更高的要求。為此必須研制和應(yīng)用新型絕緣材料、更加合理的絕緣結(jié)構(gòu)以及先進的制造工藝和科學(xué)的絕緣測試手段，最大限度地滿足電機電氣絕緣系統(tǒng)長期承受電、高溫、機械及各種惡劣苛刻運行工況的要求。
汽車用微特電機由于使用電壓較低但是使用環(huán)境惡劣，往往是在沒有通風(fēng)散熱的密閉環(huán)境下使用，生產(chǎn)廠家為了降低成本往往把電機功率設(shè)計的較小，像搖窗電機、座椅電機等短時工作制的電機。驅(qū)動負載所需功率往往是電機輸出功率的幾倍，這就會造成電機瞬時負載電流過大、機體溫度快速升高，從而產(chǎn)生一系列問題，因此為了延長使用壽命保證質(zhì)量和可靠性就必須在絕緣材料和絕緣工藝上采用新型的生產(chǎn)工藝。
小型電機絕緣材料經(jīng)過科研人員的不斷努力已出現(xiàn)了巨大的變化，新型材料的使用帶來了小電機生產(chǎn)工藝的革新�，F(xiàn)在隨著靜電涂敷工藝的日趨完善，主流微型電機生產(chǎn)廠已經(jīng)開始大批量使用環(huán)氧粉末作為電機轉(zhuǎn)子的絕緣材料，如阿克蘇諾貝爾、美國3M、住友化學(xué)等公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，這種絕緣材料的優(yōu)點就是絕緣性能穩(wěn)定、耐高溫、容易使用、通過特殊工藝可一次性對轉(zhuǎn)子的各個絕緣面進行絕緣固化。
3、槽紙工藝成本及優(yōu)劣
目前許多微特電機轉(zhuǎn)子生產(chǎn)廠家還在使用絕緣紙作為轉(zhuǎn)子繞組槽的絕緣材料，這種材料和生產(chǎn)工藝已經(jīng)延續(xù)了相當長的時間，國內(nèi)的許多年產(chǎn)量較低的中小型電機生產(chǎn)廠是使用主體，而世界知名企業(yè)如博世汽車部件公司、上海法雷奧公司、天津阿斯莫公司等都已逐步改用粉末涂覆技術(shù)，中小型電機生產(chǎn)廠沒有使用粉末涂敷工藝的主要原因就是槽紙工藝的材料成本較低，使用的機械設(shè)備也相對低廉，但是這種絕緣方式也存在著許多缺點，如1、槽滿率低：使電機的實際輸出功率達不到設(shè)計要求，負載過大時電機溫升過高；2、繞線后產(chǎn)生的廢品較高：由于槽紙在嵌入槽內(nèi)時產(chǎn)生形變造成繞線過程中電磁線卷入絕緣紙外部使這個轉(zhuǎn)子整體報廢，這種現(xiàn)象造成的廢品率是一種隱性的，它實際損失的支出成本是沒有繞線前的單個轉(zhuǎn)子價值的數(shù)倍；3、轉(zhuǎn)子端面沒有絕緣保護，降低了電磁線與轉(zhuǎn)子本體的絕緣度，使電機存在絕緣隱患；4、容易造成繞組松動。
4、電機轉(zhuǎn)子粉末涂覆工藝
汽車用微電機轉(zhuǎn)子鐵心槽絕緣粉末涂敷新工藝因為生產(chǎn)批量大、效率高、工藝性能穩(wěn)定等特點發(fā)展十分迅速 ，粉末靜電涂敷是無針孔的, 且具有良好的邊緣復(fù)蓋性, 涂層表面光滑, 粉末粘附力強,韌性好，機械性能和電氣性能與浸漬漆相仿,徐層厚度最高可達0.381 毫米, 遠比浸漆厚實, 是較為理想的絕緣材料。
國內(nèi)外一些世界級企業(yè)全部在使用這項工藝，目前國內(nèi)的一些小型企業(yè)也在嘗試這項工藝。粉末靜電涂敷克服了槽紙工藝的一些缺點，如轉(zhuǎn)子端面沒有絕緣保護、容易造成繞組松動、槽滿率低和繞線容易脫出槽紙等缺點。在相同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下槽滿率的提高可有效的提高電機的輸出功率；轉(zhuǎn)子絕緣一體化并一次成型，改變了槽紙工藝下還要對轉(zhuǎn)子端面做絕緣處理的狀態(tài)；杜絕了一些轉(zhuǎn)子繞線后產(chǎn)生的廢品；利用涂粉的自身性能可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子換向器的熱裝工藝。但是粉末靜電涂敷也存在一些缺點，如靜電涂敷設(shè)備較槽紙工藝生產(chǎn)設(shè)備價格較高，要求設(shè)備的使用環(huán)境苛刻，要具有良好的通風(fēng)系統(tǒng)，國內(nèi)的一些靜電涂敷設(shè)備生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的設(shè)備密閉性差，性能不穩(wěn)定，粉末利用率低等因素制約了廣泛使用靜電涂敷技術(shù)的推廣。
前期國內(nèi)微電機生產(chǎn)廠使用的粉末靜電涂敷設(shè)備分兩種，一種是國內(nèi)的低端涂敷產(chǎn)品，占據(jù)了國內(nèi)的小型電機生產(chǎn)廠家，這種設(shè)備工藝落后，轉(zhuǎn)子涂敷質(zhì)量不穩(wěn)定，粉末利用率較低，工人勞動強度較高，不能和流水線配套，但設(shè)備成本較低；另一種是以國外進口設(shè)備為主，國內(nèi)的一些大型電機生產(chǎn)廠廣泛使用，這種設(shè)備工藝先進、流水線作業(yè)自動化程度高，設(shè)備性能穩(wěn)定，設(shè)備密封性極好，粉末利用率達到90%以上，但是設(shè)備價格很高，許多國內(nèi)電機生產(chǎn)廠家受價格制約沒有使用這種設(shè)備，這也從另一方面限制了粉末涂敷工藝的發(fā)展。
為解決這個問題，博世汽車部件長沙公司尋求設(shè)備的國產(chǎn)化，他們在和國內(nèi)的設(shè)備生產(chǎn)廠家共同研制后，確定了核心部件由國外進口，其它部件國內(nèi)替代生產(chǎn)的原則，在技術(shù)設(shè)計中把設(shè)備分為涂敷區(qū)、清潔區(qū)、固化區(qū)等三個工作區(qū)。
涂敷區(qū)（見圖1）是工件涂敷上粉工藝區(qū)，由流化床、靜電發(fā)生器、電極等組成，電極由銅板和放電針構(gòu)成，電極接靜電發(fā)生器的陰極。當靜電發(fā)生器工作時，陰極有55KV-90KV的靜電高壓，此時放電針周圍的空氣產(chǎn)生電暈現(xiàn)象，經(jīng)過干燥處理的壓縮空氣由流化床底部被徐徐送入涂敷區(qū)，不斷流經(jīng)放電針而帶有電荷。這些帶有電荷的空氣通過流化床中的多孔透氣流化板，流進流化槽，帶有電荷的氣體與在流化槽內(nèi)的環(huán)氧樹脂粉末接觸，并將電荷轉(zhuǎn)移給環(huán)氧樹脂粉末，同時將其吹起并形成沸騰的云霧，粉末懸浮在流化槽內(nèi)。而工件轉(zhuǎn)子則接到靜電發(fā)生器的陽極，陽極同時接地，在靜電場的作用下，帶電荷的環(huán)氧樹脂粉末向上部的電機轉(zhuǎn)子運動，并被吸附在轉(zhuǎn)子表面，而其所帶的電荷則通過陽極回到靜電發(fā)生器，即完成了環(huán)氧樹脂粉末流化床上粉工作。
清潔區(qū)裝有刮粉機構(gòu)和吹粉機構(gòu)，當絲桿轉(zhuǎn)動帶動工件轉(zhuǎn)子進入此區(qū)域時，工件被帶轉(zhuǎn)機構(gòu)托起并轉(zhuǎn)動，工件外徑面等不需要涂敷的粉末被刮粉機構(gòu)的傾斜刮片刮除，殘留在護軸套上的粉末，會被上面吹粉機構(gòu)的氣刷通過壓縮空氣吹落，從而完成工件轉(zhuǎn)子的清潔工作。
固化區(qū)是通過高頻感應(yīng)加熱使工件轉(zhuǎn)子上的粉末固化。高頻加熱是利用集膚熱效應(yīng)，在工件表面產(chǎn)生渦流，從而迅速地將工件表面加熱。吸附在表面的粉末也不斷被溶化、流平、膠化，最后被固化，形成一均勻的硬化絕緣涂層。
涂敷機所涂工件轉(zhuǎn)子：
汽車門窗電機轉(zhuǎn)子（外徑24mm）， 汽車坐椅電機轉(zhuǎn)子（外徑28mm），
汽車雨刮電機轉(zhuǎn)子（外徑40mm）， 汽車轉(zhuǎn)向助力電機轉(zhuǎn)子（外徑54mm）
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經(jīng)過長達2年的試制，解決了靜電上料的均勻穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)子表面刮粉機構(gòu)的耐磨性等一系列問題后，現(xiàn)在這類設(shè)備生產(chǎn)周期短，價格大幅下降，品質(zhì)穩(wěn)定，并且環(huán)氧粉末的利用率高于國外設(shè)備，經(jīng)測試設(shè)備長期能力指數(shù)Cmk≥1.67，fusa≥98%。現(xiàn)在博世汽車部件長沙公司80%的靜電涂敷設(shè)備由國內(nèi)廠商提供，最終博世汽車部件公司在國內(nèi)轉(zhuǎn)子生產(chǎn)線的設(shè)備將由國產(chǎn)設(shè)備替代所有進口設(shè)備，并準備出口到歐美工廠。
5、結(jié)束語：
環(huán)氧粉末采用靜電流化床熱熔涂覆工藝實現(xiàn)了汽車微電機轉(zhuǎn)子及其它家用電器電機器件的粉末靜電涂敷絕緣以取代傳統(tǒng)聚脂薄膜復(fù)合絕緣工藝，可減少絕緣層厚度，提高槽滿率10%左右，為涂敷器件大批量生產(chǎn)提供了前提條件，此外這項技術(shù)還可應(yīng)用在電力電子器件及化工管道容器閥門等，隨著科技的不斷發(fā)展粉末涂料品種的的不斷更新，粉末靜電流化床熱溶涂敷工藝設(shè)備的不斷改進，融入電腦智能化控制，此工藝將在工業(yè)自動化生產(chǎn)線上發(fā)揮更大的作用。