Краткий анализ нанесения порошкового покрытия на роторы микроэлектродвигателей для автомобилей

Авторы: Чжоу Баовэй, Чжэн Тайшань, Институт механики провинции Гуандун

Резюме: Порошковая электростатическая окраска, будучи традиционной технологией с давними истоками, пока лишь находится на начальном этапе массового применения в Китае в области изоляции роторов малых автомобильных двигателей. В настоящее время большинство зарубежных производителей малых автомобильных двигателей в Китае уже применяют эту технологию. В связи с ростом затрат некоторые крупные и наиболее мощные китайские предприятия по производству автомобильных двигателей лишь в последние годы постепенно начинают осваивать эту технологию. Кроме того, отечественные специализированные заводы по производству оборудования также начали ориентироваться на немецкие стандарты технологии окраски при разработке и стандартизации собственных производственных технологий и разработали соответствующие внутренние стандарты.

 

Ключевые слова: ротор, изоляция, порошковая электростатическая окраска, CMK, FUSA

Ключевые слова: ротор, изоляция, электростатическое порошковое покрытие, CMK, FUSA

0. Введение

В последние годы автомобильная промышленность Китая добилась стремительного развития; количество автомобилей в эксплуатации достигло 130 миллионов единиц, что означает, что в среднем на 10 человек приходится один автомобиль. Согласно стандарту, согласно которому каждая семья в условиях «небедной жизни» должна иметь по одному легковому автомобилю, текущему количеству автомобилей в Китае необходимо как минимум удвоиться — до 400 миллионов единиц. Можно предвидеть, что по мере ускорения урбанизации Китая и усиления тенденции к росту числа городских жителей, а также в процессе строительства новых сельских районов спрос на автомобили в городах и селах продолжит увеличиваться. Кроме того, быстрое развитие таких отраслей, как бытовая техника, мотоциклетная электроника, электроинструменты, электрические игрушки и автомобильная электроника, приведёт к растущему спросу на микро- и маломощные электродвигатели, повышению требований к их качеству и расширению сфер применения. В производстве микро- и маломощных электродвигателей особое значение имеет изоляция торцевых поверхностей ротора и пазов обмотки — технология изоляции становится всё более совершенной и надежной. Ведущие отечественные и зарубежные производители малых автомобильных электродвигателей, такие как немецкая компания Bosch Automotive Components, шанхайская компания Bosch Automotive Components Co., Ltd., шанхайская компания Valeo Automotive Electrical Systems Co., Ltd. и тяньцзиньская компания Asmo Automotive Micro-Motors Co., Ltd., уже внедрили новую технологию покрытия эпоксидным порошком, что значительно повысило надежность изоляции и продлило срок службы малых электродвигателей.

1. Факторы, влияющие на срок службы электродвигателя

Общеизвестно, что повышение температуры двигателя (термальная деградация) является одной из главных причин снижения изоляционных свойств двигателя (старения изоляционных материалов) и ослабления крепления изоляционных деталей. Поэтому при выборе изоляционной конструкции необходимо одновременно учитывать термостойкость и теплопроводность изоляционного материала наряду с его изоляционными характеристиками. Взять, к примеру, эмалированный провод: по мере повышения температуры внешняя изоляция становится мягче и теряет свою прочность на сдвиг. Если в условиях высокой температуры такой провод подвергнется давлению со стороны других объектов, изоляция может начать пластически деформироваться или даже полностью открыть доступ токоведущим жилам под воздействием внешних сил, что в конечном итоге приведёт к короткому замыканию. Когда температура длительное время превышает допустимую термостойкость изоляционного материала, это вызывает деградацию изоляции и чрезмерную её ухудшение. Этот фактор особенно важен для миниатюрных электродвигателей, используемых в автомобилях — таких как двигатели стеклоподъёмников, рулевых усилителей, стеклоочистителей и механизмов регулировки сидений, где условия вентиляции и теплоотвода обычно недостаточно эффективны.

Причин нагрева электродвигателей много: в процессе нормальной эксплуатации двигателя возникают потери на железо, потери на медь и механические потери; эти потери в конечном счёте превращаются в тепловую энергию и расходуются. Основные источники нагрева в изоляционной конструкции двигателя включают: нагрев, вызванный прохождением тока через обмотки; нагрев, обусловленный диэлектрическими потерями; нагрев, возникающий вследствие вихревых токов и ферромагнитных потерь, вызванных электромагнитной индукцией; а также нагрев, обусловленный трением, вибрациями, шумом и плохим контактом, возникающими из-за отклонений, возникших в процессе механической сборки; и повышение базовой температуры из-за недостаточной вентиляции. Все эти причины нагрева приводят к сокращению срока службы двигателя и росту затрат на его ремонт. Особенно это касается двигателей, установленных в определённых местах автомобиля. Поэтому одним из способов решения этих проблем является выбор изоляционных материалов с высокой термостойкостью и применение соответствующих технологий производства.

2. Изоляционные материалы и технологии

При изготовлении всех видов электродвигателей выбор изоляционных материалов, изоляционных структур и технологий изоляции не только влияет на выбор электрических параметров двигателя, его габаритных размеров и общий дизайн конструкции, но также определяет надежность работы двигателя и срок его службы. Технические характеристики изоляционных структур в значительной степени отражают уровень проектирования и производства двигателя. В связи с развитием науки и технологий, а также требованиями эксплуатационной среды, к надежности изоляции электродвигателей предъявляются все более высокие требования. Поэтому необходимо разрабатывать и применять новые изоляционные материалы, более рациональные изоляционные структуры, передовые технологии производства и научно обоснованные методы испытаний изоляции, чтобы максимально обеспечить долговременную устойчивость электрической изоляционной системы двигателя к воздействию электрических полей, высоких температур, механических нагрузок и различных жестких и суровых условий эксплуатации.

Микроприводы для автомобилей, используемые при низком напряжении в суровых условиях эксплуатации, часто работают в герметичных средах без вентиляции и теплоотвода. Производители, стремясь снизить себестоимость, обычно проектируют двигатели с меньшей мощностью — такие двигатели, как электроприводы стеклоподъёмников или сидений, рассчитаны на кратковременную работу. При этом требуемая мощность привода нагрузки зачастую в несколько раз превышает выходную мощность самого двигателя. Это приводит к чрезмерному мгновенному току нагрузки, быстрому повышению температуры корпуса двигателя и возникновению ряда проблем. Поэтому для продления срока службы и обеспечения качества и надёжности необходимо применять новые технологии производства в области изоляционных материалов и изоляционных процессов.

Благодаря постоянным усилиям научных исследователей изоляционные материалы для малых электродвигателей претерпели значительные изменения; использование новых материалов привело к революции в технологиях производства малых двигателей. В настоящее время, по мере совершенствования технологии электростатического напыления, ведущие заводы по производству миниатюрных двигателей уже начали массово применять эпоксидные порошки в качестве изоляционного материала для роторов двигателей — такие продукты выпускают компании, как AkzoNobel, американская 3M и Sumitomo Chemical. Преимущества этого изоляционного материала заключаются в стабильности изоляционных свойств, высокой термостойкости, удобстве применения, а также в возможности одновременной изоляционной полимеризации всех изоляционных поверхностей ротора с помощью специальной технологии.

3. Стоимость и преимущества и недостатки технологии изготовления гофрированной бумаги

В настоящее время многие производители роторов для микроприводов по-прежнему используют изоляционную бумагу в качестве материала для изоляции пазов обмотки ротора. Этот материал и соответствующая технология производства уже применяются на протяжении довольно длительного времени. Большинство малых и средних заводов по производству электродвигателей в Китае, имеющих низкий уровень годового выпуска, по-прежнему используют именно эту технологию. В то же время такие известные мировые компании, как Bosch Automotive Components, Shanghai Valeo и Tianjin Asmo, постепенно перешли на технологию порошкового покрытия. Основной причиной того, что малые и средние заводы по производству электродвигателей до сих пор не применяют метод порошкового покрытия, является низкая стоимость материалов, используемых в технологии пазовой бумаги, а также относительно недорогое оборудование, необходимое для её применения. Однако такой способ изоляции имеет немало недостатков: 1. Низкая заполняемость пазов: это приводит к тому, что фактическая выходная мощность двигателя не достигает проектных значений, а при чрезмерной нагрузке температура двигателя повышается слишком сильно; 2. Высокий процент брака после намотки: во время вставки пазовой бумаги в пазы она деформируется, что приводит к тому, что во время намотки обмоточные провода оказываются снаружи изоляционной бумаги, делая весь ротор непригодным для использования. Этот вид брака носит скрытый характер — реальные потери затрат в несколько раз превышают стоимость одного ротора до начала намотки; 3. Отсутствие изоляционной защиты на торцах ротора снижает степень изоляции между обмоточными проводами и самим корпусом ротора, создавая потенциальную угрозу нарушения изоляции двигателя; 4. Легкость ослабления обмоток.

4. Технология нанесения порошкового покрытия на ротор электродвигателя

Новая технология нанесения изоляционного порошка в пазы сердечника ротора микродвигателей для автомобилей развивается очень быстро благодаря таким преимуществам, как крупносерийное производство, высокая эффективность и стабильность технологических характеристик. Электростатическое напыление порошка обеспечивает отсутствие игольчатых отверстий и отличную покрываемость краёв; поверхность покрытия получается гладкой, адгезия порошка — высокой, а прочность и механические и электрические характеристики аналогичны характеристикам пропиточного лака. Толщина нанесённого слоя может достигать 0,381 миллиметра — это значительно больше, чем при пропитке лаком, что делает данный материал весьма предпочтительным изоляционным материалом.

Некоторые мировые компании как в Китае, так и за рубежом уже полностью перешли на эту технологию; в настоящее время некоторые небольшие китайские предприятия также начинают экспериментировать с этой технологией. Порошковое электростатическое напыление позволяет преодолеть ряд недостатков технологии прокладки пазовой бумаги, таких как отсутствие изоляционной защиты торцевых поверхностей ротора, склонность к ослаблению обмоток, низкая степень заполнения пазов и частая выпадение проводов из пазовой бумаги. При одинаковой конструкции ротора повышение степени заполнения пазов эффективно увеличивает выходную мощность двигателя. Интегрированная и одновременно формируемая изоляция ротора исключает необходимость последующей изоляции торцевых поверхностей ротора, как это было при технологии прокладки пазовой бумаги. Это также позволяет избежать брака, возникающего после намотки обмоток ротора. Благодаря собственным характеристикам порошка можно реализовать технологию горячей посадки коллектора ротора. Однако порошковое электростатическое напыление имеет и некоторые недостатки: оборудование для электростатического напыления дороже оборудования для технологии прокладки пазовой бумаги; условия эксплуатации такого оборудования требуют строгих норм, в частности, необходимо обеспечить хорошую вентиляцию. Кроме того, некоторые отечественные производители оборудования для электростатического напыления выпускают устройства с плохой герметичностью, нестабильными характеристиками и низкой эффективностью использования порошка — все эти факторы ограничивают широкое внедрение технологии электростатического напыления.

В прошлом на отечественных заводах по производству микродвигателей использовались два типа оборудования для электростатического напыления порошка. Первый тип — это недорогие отечественные установки для напыления, которые преимущественно применяются малыми заводами-производителями двигателей в Китае. Эти установки обладают устаревшей технологией, обеспечивают нестабильное качество покрытия роторов, имеют низкий коэффициент использования порошка и требуют значительных трудозатрат рабочих; кроме того, они не могут быть интегрированы в поточные линии. Однако стоимость таких установок относительно низкая. Второй тип оборудования представлен в основном импортными установками зарубежного производства, которые широко используются крупными китайскими заводами-производителями двигателей. Эти установки отличаются передовой технологией, высокой степенью автоматизации поточных операций, стабильностью работы и превосходной герметичностью. Коэффициент использования порошка здесь превышает 90%. Однако цена такого оборудования очень высока, поэтому многие отечественные производители двигателей, ограниченные ценовыми рамками, не могут позволить себе приобрести такое оборудование. Это, с другой стороны, сдерживает развитие технологии электростатического напыления порошков.

为解决这个问题，博世汽车部件长沙公司寻求设备的国产化，他们在和国内的设备生产厂家共同研制后，确定了核心部件由国外进口，其它部件国内替代生产的原则，在技术设计中把设备分为涂敷区、清洁区、固化区等三个工作区。

Зона нанесения порошка (см. рис. 1) — это участок оборудования, где осуществляется нанесение порошка на детали. Она состоит из псевдоожиженного слоя, статического генератора, электродов и других компонентов. Электроды состоят из медной пластины и разрядных игл; они подключены к катоду статического генератора. Когда статический генератор работает, на катоде возникает высокое статическое напряжение от 55 до 90 кВ. В этот момент в воздухе вокруг разрядных игл образуется коронный разряд. Сжатый воздух, предварительно осушенный, постепенно подается через нижнюю часть псевдоожиженного слоя в зону нанесения порошка и постоянно проходит мимо разрядных игл, приобретая заряд. Этот заряженный воздух проникает через пористую перфорированную пластину псевдоожиженного слоя в псевдоожиженный бункер. Заряженные газы контактируют с эпоксидным порошком, находящимся в бункере, передавая ему свой заряд; одновременно они поднимают порошок вверх, образуя кипящее облако, в котором частицы порошка остаются во взвешенном состоянии. Ротор детали подключен к аноду статического генератора, который также заземлен. Под действием электростатического поля заряженный эпоксидный порошок движется вверх к ротору двигателя и адсорбируется на его поверхности. При этом заряд, принятый порошком, возвращается обратно в статический генератор через анод, тем самым завершая процесс нанесения порошка на эпоксидную смолу в псевдоожиженном слое.

В зоне очистки установлены механизм скребка для удаления порошка и механизм продувки порошка. Когда винтовой шток поворачивается и приводит ротор детали в это пространство, деталь поднимается и начинает вращаться благодаря поддерживающему механизму. Ненужный для нанесения порошок с наружной поверхности детали удаляется наклонными скребками механизма скребка. Оставшийся на защитной втулке порошок удаляется воздушной щёткой верхнего механизма продувки при помощи сжатого воздуха, тем самым завершая процесс очистки ротора детали.

Зона отверждения обеспечивается путём закрепления порошка на роторе детали с помощью высокочастотного индукционного нагрева. Высокочастотный нагрев основан на эффекте поверхностного нагрева: на поверхности детали возникают вихревые токи, что позволяет быстро нагреть её поверхность. Порошок, адсорбированный на поверхности, постоянно плавится, выравнивается и гелеобразуется, после чего окончательно отверждается, образуя однородное твёрдое изоляционное покрытие.

Ротор детали, покрываемой наносительной машиной:

Ротор двигателя автомобильных дверей и окон (наружный диаметр 24 мм), ротор двигателя автомобильных сидений (наружный диаметр 28 мм).

Ротор двигателя стеклоочистителя автомобиля (наружный диаметр 40 мм), ротор двигателя усилителя рулевого управления автомобиля (наружный диаметр 54 мм)

Байду Вэньку — Помогаем каждому равноправно развиваться и улучшать себя

После двухлетних испытаний, в ходе которых были решены такие проблемы, как равномерность и стабильность подачи материалов с помощью электростатики, износостойкость механизма очистки поверхности ротора от порошка и ряд других вопросов, сегодня производственные циклы таких устройств сократились, их цена значительно снизилась, а качество стало стабильным. Кроме того, коэффициент использования эпоксидного порошка превышает аналогичные показатели зарубежного оборудования. По результатам испытаний индекс долгосрочной способности оборудования Cmk не менее 1,67, а коэффициент отказов fusa — не менее 98%. В настоящее время 80% оборудования для электростатического напыления на заводе Bosch Automotive Components в Чанша поставляются отечественными производителями. В конечном итоге все оборудование на линии производства роторов компании Bosch Automotive Components в Китае будет заменено отечественным оборудованием, которое также готовится к экспорту на заводы в Европу и США.

5. Заключительное слово:

Применение технологии горячего нанесения эпоксидных порошков в статическом электростатическом кипящем слое позволило осуществить электростатическое покрытие изоляции роторов микроэлектродвигателей для автомобилей и других электрических компонентов бытовой техники, заменив традиционную технологию композитной изоляции на основе полиэфирных пленок. Это позволяет снизить толщину изоляционного слоя и повысить заполнение пазов примерно на 10%, создавая необходимые условия для массового производства покрытых деталей. Кроме того, данная технология может применяться также в силовой электронике, а также в оборудовании химических трубопроводов, емкостей и арматуре. По мере дальнейшего развития технологий и постоянного обновления ассортимента порошковых лакокрасочных материалов, а также совершенствования оборудования для горячего нанесения порошков в статическом электростатическом кипящем слое с внедрением интеллектуального компьютерного управления, эта технология будет играть всё более значимую роль в линиях промышленной автоматизации.