汽車微電機(jī)轉(zhuǎn)子粉末涂敷淺析

周寶偉，鄭泰山

（廣東省機(jī)械研究所，廣東廣州 510635）

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(dá)到1.3億輛，平均10人擁有1輛汽車，按照小康生活每個(gè)家庭擁有1輛小汽車的標(biāo)準(zhǔn)，在目前我國的汽車保有量中，至少還需再新增兩倍，達(dá)到4億輛?？梢灶A(yù)見，隨著我國城鎮(zhèn)化推進(jìn)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[1]。另外，家用電器、摩托車電器、電動(dòng)工具、電動(dòng)玩具、汽車電器等行業(yè)的飛速發(fā)展，社會(huì)對微特電機(jī)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(jī)生產(chǎn)工藝中，電機(jī)轉(zhuǎn)子端面和線糟的絕緣是一項(xiàng)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(jī)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(jī)有限公司等都采用了環(huán)氧粉末涂裝新技術(shù)，從而極大地提高了小電機(jī)絕緣的可靠性和使用壽命。

1 影響電機(jī)使用壽命的因素

眾所周知電機(jī)的溫升（熱老化）是導(dǎo)致電機(jī)絕緣性能降低（絕緣材料老化）以及絕緣件松動(dòng)的重要原因之一，因此在選擇絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，其絕緣材料的耐熱性和導(dǎo)熱性是必須和絕緣性同時(shí)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(qiáng)度就會(huì)喪失。如在高溫下被其他物體擠壓，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(dāng)溫度長時(shí)間超過絕緣體的耐熱額定值時(shí)，將導(dǎo)致絕緣退化，引起過度退化。此點(diǎn)對汽車用微型電機(jī)尤為重要，像搖窗電機(jī)，方向盤助力電機(jī)、雨刮電機(jī)、座椅調(diào)整電機(jī)等通風(fēng)散熱條件較差的電機(jī)等。

電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的原因很多，如電機(jī)正常運(yùn)行過程中有鐵損、銅損和機(jī)械損耗，這些損耗最終轉(zhuǎn)變成熱能消耗掉。電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)中的發(fā)熱點(diǎn)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(jī)械裝配過程中產(chǎn)生的偏差造成摩擦、震動(dòng)、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(huì)造成電機(jī)使用壽命縮短，維修成本上升等問題，尤其是汽車特定位置的電機(jī)，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(jī)制造中、設(shè)計(jì)電機(jī)絕緣時(shí)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(jī)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(jī)運(yùn)行的可靠性和使用壽命。絕緣結(jié)構(gòu)中的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)，在很大程度上反映出電機(jī)的設(shè)計(jì)及制造水平。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和使用環(huán)境的要求，對電機(jī)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(jìn)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(jī)電氣絕緣系統(tǒng)長期承受電、高溫、機(jī)械及各種惡劣苛刻運(yùn)行工況的要求[2]。

汽車用微特電機(jī)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(jī)功率設(shè)計(jì)的較小，像搖窗電機(jī)、座椅電機(jī)等短時(shí)工作制的電機(jī)。驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需功率往往是電機(jī)輸出功率的幾倍，這就會(huì)造成電機(jī)瞬時(shí)負(fù)載電流過大、機(jī)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(jī)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(jī)生產(chǎn)工藝的革新。現(xiàn)在隨著靜電涂敷工藝的日趨完善，主流微型電機(jī)生產(chǎn)廠已經(jīng)開始大批量使用環(huán)氧粉末作為電機(jī)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(diǎn)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(gè)絕緣面進(jìn)行絕緣固化。

3 槽紙工藝成本及優(yōu)劣

目前許多微特電機(jī)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(dāng)長的時(shí)間，國內(nèi)的許多年產(chǎn)量較低的中小型電機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)：一是槽滿率低，使電機(jī)的實(shí)際輸出功率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，負(fù)載過大時(shí)電機(jī)溫升過高；二是繞線后產(chǎn)生的廢品較高，由于槽紙?jiān)谇度氩蹆?nèi)時(shí)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(gè)轉(zhuǎn)子整體報(bào)廢，這種現(xiàn)象造成的廢品率是一種隱性的，它實(shí)際損失的支出成本是沒有繞線前的單個(gè)轉(zhuǎn)子價(jià)值的數(shù)倍；三是轉(zhuǎn)子端面沒有絕緣保護(hù)，降低了電磁線與轉(zhuǎn)子本體的絕緣度，使電機(jī)存在絕緣隱患；四是容易造成繞組松動(dòng)。

4 電機(jī)轉(zhuǎn)子粉末涂覆工藝

汽車用微電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心槽絕緣粉末涂敷新工藝因?yàn)樯a(chǎn)批量大、效率高、工藝性能穩(wěn)定等特點(diǎn)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(qiáng)，韌性好，機(jī)械性能和電氣性能與浸漬漆相仿，涂層厚度最高可達(dá)0.381 mm，遠(yuǎn)比浸漆厚實(shí)，是較為理想的絕緣材料[3]。

國內(nèi)外一些世界級(jí)企業(yè)全部在使用這項(xiàng)工藝，目前國內(nèi)的一些小型企業(yè)也在嘗試這項(xiàng)工藝。粉末靜電涂敷克服了槽紙工藝的一些缺點(diǎn)，如轉(zhuǎn)子端面沒有絕緣保護(hù)、容易造成繞組松動(dòng)、槽滿率低和繞線容易脫出槽紙等缺點(diǎn)。在相同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下槽滿率的提高可有效地提高電機(jī)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(shí)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(diǎn)，如靜電涂敷設(shè)備較槽紙工藝生產(chǎn)設(shè)備價(jià)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靜電涂敷技術(shù)的推廣[4]。

前期國內(nèi)微電機(jī)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(jī)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(dòng)強(qiáng)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(jìn)口設(shè)備為主，國內(nèi)的一些大型電機(jī)生產(chǎn)廠廣泛使用，這種設(shè)備工藝先進(jìn)、流水線作業(yè)自動(dòng)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(dá)到90%以上，但是設(shè)備價(jià)格很高，許多國內(nèi)電機(jī)生產(chǎn)廠家受價(jià)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(gè)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(jìn)口，其他部件國內(nèi)替代生產(chǎn)的原則，在技術(shù)設(shè)計(jì)中把設(shè)備分為涂敷區(qū)、清潔區(qū)和固化區(qū)這三個(gè)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(dāng)靜電發(fā)生器工作時(shí)，陰極有55 kV～90 kV的靜電高壓，此時(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)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(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，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。

圖1 涂敷區(qū)

清潔區(qū)裝有刮粉機(jī)構(gòu)和吹粉機(jī)構(gòu)，當(dāng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)子進(jìn)入此區(qū)域時(shí)，工件被帶轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)托起并轉(zhuǎn)動(dòng)，工件外徑面等不需要涂敷的粉末被刮粉機(jī)構(gòu)的傾斜刮片刮除，殘留在護(hù)軸套上的粉末，會(huì)被上面吹粉機(jī)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，形成均勻的硬化絕緣涂層[5]。

涂敷機(jī)所涂工件轉(zhuǎn)子如圖3所示。

經(jīng)過長達(dá)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(jī)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(jià)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%?，F(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(jìn)口設(shè)備，并準(zhǔn)備出口到歐美工廠。

5 結(jié)束語

圖3 涂敷的工件

環(huán)氧粉末采用靜電流化床熱熔涂覆工藝實(shí)現(xiàn)了汽車微電機(jī)轉(zhuǎn)子及其他家用電器電機(jī)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(xiàng)技術(shù)還可應(yīng)用于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(jìn)，融入電腦智能化控制，此工藝將在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上發(fā)揮更大的作用。

［1］中國社會(huì)科學(xué)院.城市藍(lán)皮書：中國城市發(fā)展報(bào)告No.7［M］.北京：社科文獻(xiàn)出版社，2013.

［2］管兆杰，黃慧潔，康俊.國內(nèi)電機(jī)絕緣材料和工藝及絕緣結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及分析［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2011（04）：4-8.

［3］周錦添.微電機(jī)槽絕緣流水線型涂敷設(shè)備研制及涂層質(zhì)量控制 ［J］.電機(jī)電器技術(shù)，1998（02）：26-28.

［4］梁志鋒，周錦添，吳志恒，等.微電機(jī)轉(zhuǎn)定子內(nèi)槽粉末涂敷設(shè)備的研究［J］.機(jī)械，2001（5）：58-60.

［5］陳秋華，余寧.一種新型轉(zhuǎn)子環(huán)氧涂敷機(jī)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2013（10）：81-83.