自動車用マイクロモーターのローターパウダー塗布に関する簡単な分析

著者：周宝偉、鄭泰山　広東省機械研究所

要旨：粉末静電塗装は伝統的な技術であり、その起源は古くからあるものの、中国において自動車用小型モーターのローターインシュレーター分野での大規模な導入はまだ始まったばかりです。現在、国内の外資系自動車用小型モーター生産企業の多くがこの技術を採用しています。コスト増加に伴い、近年になってようやく中国の一部の有力な大型自動車用モーター生産企業が徐々にこの技術を導入し始めています。また、国内の専門設備メーカーもドイツの塗装技術基準を参考に設備の生産技術を規格化し、それに応じた企業標準を策定しつつあります。

 

キーワード：ローター、絶縁、粉末静電塗装、CMK、FUSA

キーワード：ローター、絶縁、静電粉末塗装、CMK、FUSA

0. はじめに

近年、中国の自動車製造業は急速に発展し、自動車保有台数はすでに1億3,000万台に達しています。平均すると10人に1台の割合で自動車を所有しており、小康生活における各家庭の小型自動車保有基準から見ると、現在の中国の自動車保有台数は少なくともさらに2倍、つまり4億台に増加する必要があります。今後、中国の都市化が進み、大都市への人口集中が顕著になるほか、新農村建設が推進されることにより、都市と農村における自動車需要は引き続き拡大していくと予想されます。また、家電製品、オートバイ用電装品、電動工具、電動玩具、自動車用電装品などの分野が急速に発展する中、社会全体のマイクロ・ミニモータに対する需要はますます高まり、品質要求も一段と厳しくなり、その応用範囲も広がっています。こうした状況下において、マイクロ・ミニモータの生産工程では、モータのローター端面およびスロット部の絶縁処理が極めて重要な作業となっています。絶縁処理技術もますます成熟し信頼性が高まっており、国内外の主要な自動車用小型モータメーカー、例えばドイツのボッシュ自動車部品社、上海ボーゼ自動車部品有限公司、上海ファルク自動車電装システム有限公司、天津アスモ自動車マイクロモータ有限公司などはいずれもエポキシ粉末塗装の新技術を導入しており、これにより小型モータの絶縁性能の信頼性と使用寿命が大幅に向上しています。

1. モーターの使用寿命に影響を与える要因

モーターの温昇（熱老化）は、モーターの絶縁性能低下（絶縁材料の老化）および絶縁部品の緩みを引き起こす重要な要因の一つであることは広く知られています。そのため、絶縁構造を選択する際には、絶縁材料の耐熱性と熱伝導性を絶縁性と同時に十分に考慮する必要があります。例えば電磁線の場合、温度が上昇すると外層の絶縁体が軟化し、せん断強度が失われます。高温下で他の物体に押されると、絶縁体が塑性変形を起こしたり、さらには外力によって導体が露出してしまい、最終的に短絡を引き起こす可能性があります。また、温度が長期間にわたり絶縁体の耐熱定格を超えると、絶縁体が劣化し、過度な劣化を招くことになります。この点は、自動車用マイクロモーターにおいて特に重要です。例えば、窓開閉モーター、ステアリング・アシストモーター、ワイパー・モーター、シート調整モーターなど、通風や放熱条件が悪く設計されたモーターでは特に注意が必要です。

モーターが発熱する原因は多岐にわたります。例えば、モーターが正常に運転される過程では鉄損、銅損、機械的損失が生じますが、これらの損失は最終的に熱エネルギーへと変換され、消費されます。モーターの絶縁構造における発熱源としては主に以下のようなものが挙げられます：巻線を流れる電流によって生じる発熱、誘電損失による発熱、電磁誘導により生じる渦電流損失や鉄磁損失などによる発熱、機械的な組立工程で生じる偏差による摩擦、振動、騒音、接触不良などによる発熱、さらには通風不良による基準温度の上昇などです。これらの発熱原因はいずれもモーターの使用寿命の短縮やメンテナンスコストの上昇といった問題を引き起こします。特に自動車の特定部位に設置されるモーターにおいては、この問題が顕著に現れます。そのため、優れた耐熱性を有する絶縁材料および生産プロセスを選択することが、これらの問題を解決する方法の一つとなります。

2. 絶縁材料および加工プロセス

モーターの各種製造工程において、モーターの絶縁設計に用いる絶縁材料、絶縁構造、絶縁プロセスは、モーターの電気的諸パラメータや外形寸法の選定、および全体的な構造配置に影響を及ぼすだけでなく、モーターの運転信頼性や使用寿命にも密接に関連しています。絶縁構造における各種技術性能指標は、多くの点でモーターの設計・製造水準を反映しています。科学技術の進歩と使用環境の要求に伴い、モーターの絶縁信頼性に対する要求もますます高まっています。そのためには、新しい絶縁材料の開発・適用、より合理的な絶縁構造、先進的な製造プロセス、そして科学的な絶縁試験手法を導入し、モーターの電気絶縁システムが長期間にわたり、電気、高温、機械的負荷およびさまざまな過酷な運転条件に耐えうるよう、最大限の対応を図らなければなりません。

自動車用マイクロ特小モーターは、使用電圧が低いにもかかわらず使用環境が過酷なため、多くの場合、換気や放熱のない密閉された環境で使用されます。メーカーはコスト削減のため、モーターの出力を小さめに設計することが多く、例えば窓開閉モーターやシートモーターなど、短時間作動タイプのモーターが該当します。駆動負荷に必要な出力は、モーターの出力の数倍に達することがあり、これによりモーターの瞬時負荷電流が過大となり、本体温度が急速に上昇し、さまざまな問題が生じます。そのため、寿命を延ばし品質と信頼性を確保するには、絶縁材料および絶縁工法において新しい生産プロセスを導入する必要があります。

小型モーターの絶縁材料は、研究者たちの不断の努力により大きな進化を遂げており、新素材の導入により小型モーターの生産プロセスにも革新がもたらされています。現在、静電塗装技術がますます成熟するにつれ、主要なマイクロモーター製造メーカーは、エポキシ粉末をモーター回転子の絶縁材料として大量に採用し始めています。アスクナビール、米国3M、住友化学などの企業が製造するこの絶縁材料の利点は、絶縁性能が安定しており、高温耐性があり、使いやすいことです。また、特殊な加工技術を用いることで、回転子の各絶縁面を一度に一括して絶縁固化することが可能です。

3. 槽紙工法のコストおよび長所・短所

現在、多くのマイクロ・ミニチュアモーターのロータ生産メーカーは依然として絶縁紙をロータ巻線用スロットの絶縁材料として使用しています。この材料と製造プロセスはかなり長い間継承されてきましたが、国内では年間生産量が比較的少ない中小規模のモーター生産工場が主にこれを採用しています。一方、ボッシュ自動車部品社、上海ファレオ社、天津アスモ社など世界的な有名企業はすでに段階的に粉末塗布技術へ移行しています。中小規模のモーター生産工場がまだ粉末塗布プロセスを導入していない主な理由は、スロット紙工法の材料コストが低く、使用する機器も比較的安価であるためです。しかし、この絶縁方式には多くの欠点も存在します。例えば：1. スロット充填率が低いことにより、モーターの実際の出力が設計値に達せず、過負荷時にはモーターの温度上昇が著しく高まります。2. 巻線後の不良品発生率が高いことです。スロット紙をスロット内に挿入する際に変形が生じ、巻線過程で電磁線が絶縁紙の外側に巻き込まれてしまうため、結果としてロータ全体が廃棄されることになります。この現象による不良品率は目に見えないものであり、実際に発生する損失コストは巻線前の単一ロータの価値の数倍にもなります。3. ロータ端面が絶縁保護されていないため、電磁線とロータ本体との絶縁性が低下し、モーターに絶縁上のリスクが残ります。4. 巻線が緩みやすくなる傾向があります。

4. モーター回転子の粉末コーティングプロセス

自動車用マイクロモーターのローターアイアンコア溝部への絶縁粉末塗装新工法は、生産量が大きく、効率が高く、プロセス性能が安定していることから急速に発展しています。この粉末静電塗装法は針穴がなく、端部への覆いも良好です。塗膜表面は滑らかで、粉末の密着性が高く、靭性に優れています。機械的特性および電気的特性は浸漬塗料とほぼ同等であり、塗膜厚さは最大0.381ミリメートルに達し、浸漬塗料よりもはるかに厚く、理想的な絶縁材料と言えます。

国内外の一部の世界的な企業はすべてこの工法を採用しており、現在、国内の一部の中小企業もこの工法を試験的に導入しています。粉末静電塗装は、槽紙工法に見られるいくつかの欠点を克服しています。例えば、ローター端面に絶縁保護が施されていないことや、巻線が緩みやすくなること、溝充填率が低いこと、巻線が槽紙から抜け出しやすいことなどの欠点です。同じローター構造において溝充填率を向上させることで、モーターの出力性能を効果的に高めることができます。また、ローターの絶縁を一体化して一回成形することで、槽紙工法では別途ローター端面の絶縁処理が必要だった状況を大きく改善しました。これにより、ローター巻線後に生じる不良品を大幅に削減できます。さらに、粉末自体の特性を活かすことで、ローター整流子の熱圧着加工を実現することも可能です。しかし、粉末静電塗装にはいくつかの欠点もあります。例えば、静電塗装設備は槽紙工法の生産設備に比べて価格が高く、設備の使用環境が厳しく、十分な換気システムを備える必要があります。国内の一部の静電塗装設備メーカーが製造する設備は密閉性が低く、性能が安定せず、粉末の利用率も低いといった要因が、静電塗装技術の広範な普及を制約しています。

前期に国内のマイクロモーター生産工場が使用していた粉末静電塗装設備は、二種類に分かれています。一つは国内の低価格な塗装設備で、国内の小型モーター製造メーカーを中心に広く普及しています。この設備は技術が旧式であり、ローターへの塗装品質が安定せず、粉体の利用率も低い上、作業者の労働強度が高く、ライン生産と連携できませんが、設備コストは比較的低めです。もう一つは主に海外から輸入された設備で、国内の大手モーター製造工場で広く使用されています。この設備は先進的な技術を採用し、ライン作業の自動化レベルが高く、設備性能が安定しており、密閉性も極めて優れています。また、粉体の利用率は90％以上に達しますが、設備価格が非常に高いため、多くの国内モーター製造メーカーは価格の制約からこの設備を導入できず、これが結果的に粉末塗装プロセスの発展を制限する要因にもなっています。

この問題を解決するため、ボッシュ自動車部品長沙公司は設備の国産化を模索しました。国内の設備メーカーと共同で開発を進めた結果、核心部品は国外から輸入し、その他の部品は国内で代替生産するという方針を定めました。また、技術設計においては、設備を塗布エリア、清掃エリア、固化エリアの3つの作業エリアに分けることとしました。

塗布エリア（図1参照）は、ワークに粉体を塗布する工程エリアであり、流動床、静電発生器、電極などで構成されています。電極は銅板と放電針からなり、電極は静電発生器の陰極に接続されています。静電発生器が作動すると、陰極には55kV～90kVの高電圧が印加されます。このとき、放電針の周囲の空気中でコロナ放電が発生します。乾燥処理された圧縮空気が流動床の底部から徐々に塗布エリアへ送られ、放電針を経て常に電荷を帯びた状態で流れていきます。こうして電荷を帯びた空気は、流動床内の多孔質通気性流動板を通じて流動槽へと流入します。電荷を帯びたガスは、流動槽内に置かれたエポキシ樹脂粉末と接触し、その電荷を粉末へと移動させると同時に、粉末を舞い上げて沸騰したような霧状の雲を作り出します。これにより、粉末は流動槽内で浮遊状態となります。一方、ワークであるローターは静電発生器の陽極に接続されており、陽極は同時に接地されています。静電場の作用により、電荷を帯びたエポキシ樹脂粉末は上部のモーターローターへと移動し、ローター表面に吸着されます。そして、ローターが帯びた電荷は陽極を通じて静電発生器へ戻され、これによりエポキシ樹脂粉末の流動床への粉体塗布作業が完了します。

クリーニングエリアには、粉を掻き落とす機構と粉を吹き飛ばす機構が設置されています。スクリューロッドが回転し、ワークローターがこのエリアへ進入すると、ワークは搬送機構によって持ち上げられ回転します。ワークの外径面など、塗布する必要のない部分の粉は、粉を掻き落とす機構の傾斜したスクレーパーによって除去されます。また、軸受カバーに残った粉は、上部に設置された粉吹き機構のエアブラシにより圧縮空気で吹き落とされるため、ワークローターのクリーニング作業が完了します。

固化エリアでは、高周波誘導加熱により、ワークローター上の粉末を固着させます。高周波加熱は、皮膚効果を利用してワーク表面に渦電流を発生させ、迅速に表面を加熱します。表面に吸着した粉末も次第に溶け出し、平滑化・ゲル化し、最終的に固着して均一な硬化絶縁被膜を形成します。

塗布機が塗布する部品：ローター

自動車の窓・ドア用モーターローター（外径24mm）、 自動車シート用モーターローター（外径28mm）、

自動車ワイパー用モーターローター（外径40mm）、自動車ステアリング補助力モーターローター（外径54mm）

Baidu Wenku - 一人ひとりが平等に自己を高められるように

2年間にわたる試作を経て、静電気による供給の均一性と安定性、ローター表面の粉体掻き取り機構の耐摩耗性など、一連の問題が解決されました。現在、この種の設備は生産サイクルが短く、価格が大幅に低下し、品質も安定しています。また、エポキシ粉末の利用率は海外製設備を上回っており、テスト結果によると、長期能力指数Cmkは1.67以上、fusaは98％以上となっています。現在、ボッシュ自動車部品長沙社の静電塗装設備の80％が国内メーカーから調達されており、最終的にはボッシュ自動車部品社の国内ローター生産ラインにおける設備がすべて輸入設備から国産設備へ置き換えられ、さらに欧米の工場へ輸出する準備を整えています。

5. 結びの言葉：

エポキシ粉末を用いた静電気流動床熱融着塗装プロセスにより、自動車用マイクロモーターのローターやその他の家電製品の電気部品に対する粉末静電塗装絶縁が実現し、従来のポリエステルフィルム複合絶縁工法に代わることが可能になりました。これにより絶縁層の厚さを削減でき、溝充填率を約10％向上させることができます。このため、塗装部品の大規模生産がより容易になります。さらに、この技術はパワーエレクトロニクスデバイスや化学プラントの配管・容器・バルブなどにも応用可能です。科学技術の進歩に伴い、粉末塗料の種類が次々と更新され、粉末静電流動床熱融着塗装プロセスの設備も不断に改良され、コンピュータによる知能化制御が導入されるにつれて、このプロセスは産業用自動化生産ラインにおいて一層重要な役割を果たすようになるでしょう。