自動車用マイクロモーターのローター粉末コーティングに関する浅析

著者：周宝偉、鄭泰山 広東省機械研究所

要約：粉末静電塗装は、古くからある伝統技術ですが、中国では自動車用小型モーターのローターアイソレーション分野での本格的な導入が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が、コスト増加の影響を受け、近年ようやく一部の有力な大手自動車用モーター生産企業が徐々にこの技術の導入を始めています。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整備し、独自の企業基準を制定しつつあります。

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、絶縁材、静電粉末コーティング、CMK、FUSA

0、序論

近年、我が国の自動車製造業は急速な発展を遂げており、自動車保有台数はすでに1億3,000万台に達し、人口10人に1台の割合で自動車が普及しています。小康生活の基準である各家庭に小型自動車1台ずつを持つことを考えると、現在の自動車保有台数からさらに少なくとも2倍、つまり4億台への増加が必要です。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一方で、新農村建設も加速するため、都市と農村における自動車需要は引き続き拡大すると予想されます。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成長を続けていることから、社会全体のマイクロ・スペシャルモーター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、用途もますます広がっています。一方、マイクロ・スペシャルモーターの生産工程においては、モーターのローターエンド面およびスロット部の絶縁処理が非常に重要な作業となっています。この絶縁技術も日増しに成熟し、信頼性が高まっています。国内外の主要な自動車用小型モーター製造企業、例えばドイツのボッシュ自動車部品株式会社、上海ボゼ自動車部品有限公司、上海ファレオ自動車電装システム株式会社、天津アスモ自動車マイクロモーター株式会社などでは、エポキシ粉末塗装の新技術が導入され、これにより小型モーターの絶縁性能と耐久性が大幅に向上しました。

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）が、モーターの絶縁性能低下（絶縁材料の老化）や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導熱性を、絶縁性とともに必ず考慮する必要があります。例えば、電磁線の場合、温度上昇に伴い外層の絶縁体が軟化し、せん断強度が失われてしまいます。高温下で他の物体から圧迫されると、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、最終的に短絡を引き起こす可能性があります。特に、温度が長時間絶縁体の耐熱定格を超えると、絶縁劣化が進行し、過剰な劣化を招くことになります。この点は、車載用の小型モーター、たとえば窓開閉モーターやステアリング補助モーター、ワイパーモーター、シート調整モーターなど、通風・放熱条件が比較的悪いモーターにとって特に重要です。

モーターが発熱する原因は多岐にわたります。例えば、モーターが正常に動作する際には鉄損、銅損、および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に変換され、消費されます。また、モーターの絶縁構造における発熱ポイントとしては主に、巻線を流れる電流による発熱、誘電体損失による発熱、電磁誘導によって引き起こされる渦電流損や鉄磁損などによる発熱、さらには機械的な組み立て過程で生じる不具合による摩擦、振動、騒音、接触不良などに起因する発熱、さらに通風不良による基準温度の上昇などが挙げられます。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増加といった問題を引き起こします。特に自動車の特定箇所に搭載されるモーターでは、これが顕著であるため、耐熱性に優れた絶縁材料と高度な製造プロセスを選択することが、その課題を解決する方法の一つとなります。

2．絶縁材料と加工技術

電機器製造全般において、モーターの絶縁設計に用いられる絶縁材料、絶縁構造、絶縁プロセスは、モーターの電気的特性や外形寸法の選択、さらには全体的な構造配置だけでなく、運転信頼性や使用寿命にも深く関わっています。絶縁構造における各種の技術性能指標は、多くの点でモーターの設計・製造レベルを反映しています。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一層高い基準が求められています。そのため、新しい絶縁材料の開発と適用、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、電気的負荷や高温、機械的ストレス、さらにはさまざまな過酷な運転条件下でも安定して耐えられるよう、最大限の対応を図る必要があります。

自動車用マイクロ精密電機は、使用電圧が低い一方で過酷な使用環境に置かれるため、多くの場合、通風や放熱のない密閉環境下で使用されます。また、メーカーはコスト削減を目的に、モーターの出力を小さく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、短時間動作タイプのモーターが該当します。しかし、これらのモーターが駆動する負荷に必要な電力は、通常、モーターの出力電力の数倍にも及びます。そのため、瞬間的な負荷電流が過大となり、機体温度が急激に上昇してしまい、さまざまな問題が生じる可能性があります。したがって、耐久性を延ばし、品質と信頼性を確保するためには、絶縁材料および絶縁加工技術において、新たな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、研究者のたゆまぬ努力により大きな進化を遂げており、新しい素材の導入が小規模モーターの生産技術に革新をもたらしています。現在、静電塗布技術がますます洗練されるなか、主要なマイクロモーター製造企業はすでに、エポキシ粉末をモーター用回転子の絶縁材として大量使用し始めています。例えば、アクゾノーベルや米国の3M、住友化学などが製造する製品には、絶縁性能が安定しており、耐熱性に優れ、取り扱いが容易なうえ、特殊な加工により回転子の各絶縁面を一度に一体成型で絶縁固化できるという利点があります。

3. 溝紙工法のコストと長所・短所

現在、多くのマイクロおよび特殊電機のローター製造メーカーが、依然として絶縁紙をローター巻線用スロットの絶縁材料として使用しています。この材料と生産プロセスはすでにかなり長い期間続いており、国内では生産量の少ない中小規模の電機メーカーを中心に広く採用されています。一方、ボッシュ自動車部品株式会社や上海ファレオ社、天津アスモ社など、世界的に有名な企業はすでに段階的に粉末塗布技術へ移行しています。しかし、中小規模の電機メーカーが依然として槽紙工法を採用している主な理由は、材料コストが低く、導入する設備機械も比較的安価であるためです。ただし、この絶縁方式には多くの欠点も存在します。例えば、1つ目はスロット充填率が低いことで、モーターの実際の出力が設計値に達せず、過負荷時には温度上昇が著しくなることです。2つ目は、巻線後の不良品発生率が高いこと。これは、スロット内への絶縁紙挿入時に変形が生じ、結果として巻線過程で電磁線が絶縁紙の外側に入り込み、ローター全体が廃棄品になってしまうことが原因です。この現象による不良品率は目に見えない形で表れ、実際に損失するコストは、未巻線状態の単一ローターの価値の数倍にも及びます。さらに、ローター端面が絶縁保護されていないため、電磁線とローター本体との絶縁性が低下し、モーターに絶縁上のリスクが生じます。また、巻線が緩みやすいという問題もあります。

4．モーター回転子の粉末コーティング工法

自動車用マイクロモーターのロータ鉄心溝絶縁粉末塗布新工法は、生産量が大きく、効率が高く、工程性能が安定しているなどの特長から、急速に発展しています。この粉末静電塗布法は、針穴がなく、優れたエッジカバレッジを有し、塗膜表面は滑らかで、粉末の密着性が高く、靭性にも優れています。また、機械的特性や電気的特性は、含浸塗料とほぼ同等であり、塗膜厚は最大で0.381ミリメートルまで可能で、含浸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導入しており、現在、国内の一部の中小企業もこの工法の導入を試みています。粉末静電塗布は、槽紙工法が抱えるいくつかの課題、たとえばローター端面に絶縁保護がなく、巻線が緩みやすくなること、溝充填率が低く、巻線が槽紙から抜け出しやすいといった欠点を克服しています。同じローター構造において溝充填率が向上すれば、モーターの出力が効果的に高まります。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変えました。さらに、ローター巻線後に発生する不良品を大幅に削減することにもつながっています。さらに、塗布された粉材自体の特性を活かし、ローター換向器の熱装着プロセスを実現可能にしました。ただし、粉末静電塗布にはいくつかの課題もあります。たとえば、静電塗布装置は槽紙工法の生産設備に比べて高価であり、装置の稼働環境には厳しい条件が求められます。特に、十分な換気システムが必須です。一方、国内の一部の静電塗布装置メーカーが製造する機器は密閉性が低く、性能が安定せず、粉材の利用率も低いなど、これらの要因が静電塗布技術の広範な普及を妨げています。

前期に国内のマイクロモーター生産工場で使用されていた粉末静電塗布設備は、2種類に分かれています。1つは国内の低価格帯の塗布製品向けで、主に国内の小型モーターメーカーを中心に広く活用されています。この設備は技術が遅れており、ローターへの塗布品質が安定せず、粉体の利用率も低い上、作業者の労働強度が高いため、ライン生産ラインとの連携が難しいという欠点がありますが、設備コストは比較的安いのが特徴です。もう1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工場で広く導入されています。こちらの設備は先進的な技術を備え、ライン作業の自動化レベルが非常に高く、機器の性能も安定しています。また、高い密封性により粉体の利用率が90％以上に達しており、環境負荷も最小限に抑えられています。しかし、設備価格が非常に高額なため、多くの国内モーターメーカーは価格面の制約から導入できず、これが結果的に粉末塗布技術の発展を妨げていると言えるでしょう。

この問題を解決するために、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の共同開発を進めた結果、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を行うという方針を決定しました。また、技術設計においては、塗布エリア、クリーニングエリア、固化エリアなど、3つの作業エリアに設備を分類しました。

塗布エリア（図1参照）は、ワークに粉末を塗布する工程エリアであり、流動床、静電発生器、電極などから構成されています。電極は銅板と放電針で構成され、この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もの高電圧が印加され、その際、放電針周辺の空気中にコロナ放電現象が生じます。乾燥処理された圧縮空気が流動床の底部からゆっくりと塗布エリアへ送られ、絶えず放電針の間を通って帯電します。この帯電した空気は、流動床内の多孔質通気性流動板を通り、流動槽内へと流れ込みます。そして、帯電した気体は流動槽内のエポキシ樹脂粉末と接触し、その電荷が粉末へと移転。同時に、気体によって粉末が舞い上がり、沸騰した雲状の霧を形成。これにより、粉末が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、陽極は同時にアースされています。静電場の作用により、帯電し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。さらに、ローターに蓄積された電荷は陽極を通じて静電発生器へ戻り、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。

クリーンエリアには、粉を掻き取る機構と粉を吹き飛ばす機構が備わっています。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に移動すると、持ち上げ機構によってローターが浮かせられ、回転します。これにより、ワークの外径面など、塗布不要な部分の粉末が、傾斜した掻き取りブレードによって掻き落とされます。また、アームカバーに残った粉末は、上部に設置された粉吹き機構のエアブラシから圧縮空気で吹き飛ばされ、結果としてワークローターの洗浄作業が完了します。

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化させます。高周波加熱は、皮膜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。また、表面に吸着した粉末も次々と溶融・平滑化・ゲル化し、最終的に固化して均一な硬化絶縁被膜を形成します。

塗布機が塗る工作物ローター：

自動車のドア・窓用モーターのローター（外径24mm）、自動車シート用モーターのローター（外径28mm）、

自動車用ワイパーモーターのローター（外径40mm）、自動車用ステアリング補助モーターのローター（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年間に及ぶ試作を経て、静電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、一連の課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、価格も大幅に低下し、品質が安定しています。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、テスト結果では長期能力指数Cmkが1.67以上、歩留まり率fusaが98％以上を達成しています。現在、ボッシュ自動車部品長沙社の静電塗装設備の80％は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に置き換えられ、さらには欧米の工場への輸出も準備されています。

5. 終わりの言葉：

エポキシ粉末は、静電気流動床による熱融着塗布技術を用いて、自動車用マイクロモーターのローターおよびその他の家電製品用電気部品の粉末静電塗装絶縁を実現し、従来のポリエステルフィルム複合絶縁工法に代わりました。これにより、絶縁層の厚さを削減でき、スロット充填率を約10％向上させることができます。この技術のおかげで、塗布デバイスの大規模生産が可能になるという前提条件が整いました。さらに、この技術は電力電子デバイスや化学工業用パイプライン、容器、バルブなどにも応用可能です。また、科学技術の進展に伴い、粉末塗料の種類が次々と刷新され、粉末静電流動床熱融着塗布プロセスの設備も継続的に改良され、コンピュータによる知能化制御が導入されています。そのため、このプロセスは今後、産業用自動化生産ラインにおいてより一層大きな役割を果たすことでしょう。