汽車微電機轉子粉末涂敷淺析

周寶偉，鄭泰山

（廣東省機械研究所，廣東廣州 510635）

0 引言

近年來，我國的汽車制造業得到了飛速的發展，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輛小汽車的標準，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。可以預見，隨著我國城鎮化推進和人口大城市化趨向凸顯，以及新農村建設，城鄉汽車需求量仍將繼續增大[1]。另外，家用電器、摩托車電器、電動工具、電動玩具、汽車電器等行業的飛速發展，社會對微特電機的需求量將越來越大，品質要求越來越高，應用日益廣泛，而在微特電機生產工藝中，電機轉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，國內外主要汽車小電機生產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有限公司、天津阿斯莫汽車微電機有限公司等都采用了環氧粉末涂裝新技術，從而極大地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，因此在選擇絕緣結構時，其絕緣材料的耐熱性和導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。如在高溫下被其他物體擠壓，則絕緣體就有可能發生塑變甚至在外力作用下使導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、座椅調整電機等通風散熱條件較差的電機等。

電動機發熱的原因很多，如電機正常運行過程中有鐵損、銅損和機械損耗，這些損耗最終轉變成熱能消耗掉。電機絕緣結構中的發熱點主要有：電流通過繞組產生的發熱，介質損耗的發熱和由于電磁感應引起的渦流損耗、鐵磁損耗等產生的發熱，以及機械裝配過程中產生的偏差造成摩擦、震動、噪聲、接觸不良等產生的發熱，通風不良造成的基礎溫度升高等等。這些發熱原因都會造成電機使用壽命縮短，維修成本上升等問題，尤其是汽車特定位置的電機，因此選擇絕緣耐熱優良的絕緣材料和生產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、設計電機絕緣時所選用的絕緣材料、絕緣結構、絕緣工藝，不僅涉及到電機的電氣參數、外形尺寸的選擇和整體結構的布局，還關系到電機運行的可靠性和使用壽命。絕緣結構中的各項技術性能指標，在很大程度上反映出電機的設計及制造水平。隨著科學技術的進步和使用環境的要求，對電機絕緣可靠性提出了更高的要求。為此必須研制和應用新型絕緣材料、更加合理的絕緣結構以及先進的制造工藝和科學的絕緣測試手段，最大限度地滿足電機電氣絕緣系統長期承受電、高溫、機械及各種惡劣苛刻運行工況的要求[2]。

汽車用微特電機使用電壓較低，但是使用環境惡劣，往往是在沒有通風散熱的密閉環境下使用，生產廠家為了降低成本往往把電機功率設計的較小，像搖窗電機、座椅電機等短時工作制的電機。驅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，從而產生一系列問題，因此為了延長使用壽命，保證質量和可靠性，就必須在絕緣材料和絕緣工藝上采用新型的生產工藝。

小型電機絕緣材料經過科研人員的不斷努力已出現了巨大的變化，新型材料的使用帶來了小電機生產工藝的革新。現在隨著靜電涂敷工藝的日趨完善，主流微型電機生產廠已經開始大批量使用環氧粉末作為電機轉子的絕緣材料，如阿克蘇諾貝爾、美國3M、住友化學等公司生產的產品。這種絕緣材料的優點就是絕緣性能穩定、耐高溫、容易使用、通過特殊工藝可一次性對轉子的各個絕緣面進行絕緣固化。

3 槽紙工藝成本及優劣

目前許多微特電機轉子生產廠家還在使用絕緣紙作為轉子繞組槽的絕緣材料，這種材料和生產工藝已經延續了相當長的時間，國內的許多年產量較低的中小型電機生產廠是使用主體，而世界知名企業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，中小型電機生產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，使用的機械設備也相對低廉，但是這種絕緣方式也存在著許多缺點：一是槽滿率低，使電機的實際輸出功率達不到設計要求，負載過大時電機溫升過高；二是繞線后產生的廢品較高，由于槽紙在嵌入槽內時產生形變，造成繞線過程中電磁線卷入絕緣紙外部，使這個轉子整體報廢，這種現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子價值的數倍；三是轉子端面沒有絕緣保護，降低了電磁線與轉子本體的絕緣度，使電機存在絕緣隱患；四是容易造成繞組松動。

4 電機轉子粉末涂覆工藝

汽車用微電機轉子鐵心槽絕緣粉末涂敷新工藝因為生產批量大、效率高、工藝性能穩定等特點發展十分迅速，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，涂層厚度最高可達0.381 mm，遠比浸漆厚實，是較為理想的絕緣材料[3]。

國內外一些世界級企業全部在使用這項工藝，目前國內的一些小型企業也在嘗試這項工藝。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。在相同轉子結構下槽滿率的提高可有效地提高電機的輸出功率；轉子絕緣一體化并一次成型，改變了槽紙工藝下還要對轉子端面做絕緣處理的狀態；杜絕了一些轉子繞線后產生的廢品；利用涂粉的自身性能可實現轉子換向器的熱裝工藝。但是粉末靜電涂敷也存在一些缺點，如靜電涂敷設備較槽紙工藝生產設備價格較高，要求設備的使用環境苛刻，要具有良好的通風系統，國內的一些靜電涂敷設備生產廠家生產的設備密閉性差，性能不穩定，粉末利用率低等因素制約了靜電涂敷技術的推廣[4]。

前期國內微電機生產廠使用的粉末靜電涂敷設備分兩種，一種是國內的低端涂敷產品，占據了國內的小型電機生產廠家，這種設備工藝落后，轉子涂敷質量不穩定，粉末利用率較低，工人勞動強度較高，不能和流水線配套，但設備成本較低；另一種是以國外進口設備為主，國內的一些大型電機生產廠廣泛使用，這種設備工藝先進、流水線作業自動化程度高，設備性能穩定，設備密封性極好，粉末利用率達到90%以上，但是設備價格很高，許多國內電機生產廠家受價格制約沒有使用這種設備，這也從另一方面限制了粉末涂敷工藝的發展。

為解決這個問題，博世汽車部件長沙公司尋求設備的國產化，他們在和國內的設備生產廠家共同研制后，確定了核心部件由國外進口，其他部件國內替代生產的原則，在技術設計中把設備分為涂敷區、清潔區和固化區這三個工作區。

涂敷區（見圖1）是工件涂敷上粉工藝區，由流化床、靜電發生器、電極等組成，電極由銅板和放電針構成，電極接靜電發生器的陰極。當靜電發生器工作時，陰極有55 kV～90 kV的靜電高壓，此時放電針周圍的空氣產生電暈現象，經過干燥處理的壓縮空氣由流化床底部被徐徐送入涂敷區，不斷流經放電針而帶有電荷。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的環氧樹脂粉末接觸，并將電荷轉移給環氧樹脂粉末，同時將其吹起并形成沸騰的云霧，粉末懸浮在流化槽內。而工件轉子則接到靜電發生器的陽極，陽極同時接地，在靜電場的作用下，帶電荷的環氧樹脂粉末向上部的電機轉子運動，并被吸附在轉子表面，而其所帶的電荷則通過陽極回到靜電發生器，即完成了環氧樹脂粉末流化床上粉工作。

圖1 涂敷區

清潔區裝有刮粉機構和吹粉機構，當絲桿轉動帶動工件轉子進入此區域時，工件被帶轉機構托起并轉動，工件外徑面等不需要涂敷的粉末被刮粉機構的傾斜刮片刮除，殘留在護軸套上的粉末，會被上面吹粉機構的氣刷通過壓縮空氣吹落，從而完成工件轉子的清潔工作。

固化區是通過高頻感應加熱使工件轉子上的粉末固化。高頻加熱是利用集膚熱效應，在工件表面產生渦流，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]。

涂敷機所涂工件轉子如圖3所示。

經過長達2年的試制，解決了靜電上料的均勻穩定性、轉子表面刮粉機構的耐磨性等一系列問題后，現在這類設備生產周期短，價格大幅下降，品質穩定，并且環氧粉末的利用率高于國外設備，經測試設備長期能力指數Cmk≥1.67，fusa≥98%。現在博世汽車部件長沙公司80%的靜電涂敷設備由國內廠商提供，最終博世汽車部件公司在國內轉子生產線的設備將由國產設備替代所有進口設備，并準備出口到歐美工廠。

5 結束語

圖3 涂敷的工件

環氧粉末采用靜電流化床熱熔涂覆工藝實現了汽車微電機轉子及其他家用電器電機器件的粉末靜電涂敷絕緣，以取代傳統聚脂薄膜復合絕緣工藝，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提供了前提條件，此外，這項技術還可應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備的不斷改進，融入電腦智能化控制，此工藝將在工業自動化生產線上發揮更大的作用。

［1］中國社會科學院.城市藍皮書：中國城市發展報告No.7［M］.北京：社科文獻出版社，2013.

［2］管兆杰，黃慧潔，康俊.國內電機絕緣材料和工藝及絕緣結構現狀及分析［J］.電機與控制應用，2011（04）：4-8.

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

［4］梁志鋒，周錦添，吳志恒，等.微電機轉定子內槽粉末涂敷設備的研究［J］.機械，2001（5）：58-60.

［5］陳秋華，余寧.一種新型轉子環氧涂敷機［J］.機電工程技術，2013（10）：81-83.