자동차 마이크로모터 로터의 분말 도포에 대한 간략한 분석

저자: 저우바오웨이, 정타이산 광둥성 기계연구소

요약: 분말 정전도장 기술은 오랜 전통을 가진 기술이지만, 중국에서는 자동차 소형모터 회전자 절연 분야에서의 대규모 적용이 아직 초기 단계에 있습니다. 현재 국내 외국계 자동차 소형모터 제조업체 대부분이 이 기술을 채택하고 있으며, 비용 증가로 인해 최근 몇 년간 중국 내 일부 역량 있는 대형 자동차 모터 제조업체들이 서서히 이 기술을 도입하기 시작했습니다. 또한 국내 전문 장비 제조업체들도 독일의 도장 기술 표준을 참고하여 장비 생산 기술을 규범화하고, 이에 맞는 자체 기업 표준을 마련하기 시작했습니다.

키워드: 회전자, 절연, 분말 정전기 도장, cmk, fusa

키워드: 회전자, 절연, 정전기 분말 코팅, CMK, FUSA

0. 서론

최근 몇 년간 중국의 자동차 제조업은 비약적인 발전을 이루었으며, 현재 자동차 보유량은 1억 3천만 대에 달하고 있습니다. 평균적으로 인구 10명당 자동차 1대를 보유하고 있으며, '소강생활' 기준에 따르면 각 가정이 소형 자동차 한 대씩을 보유해야 하는 상황에서 현재의 자동차 보유량으로는 최소한 두 배 더 늘어나 총 4억 대에 도달해야 합니다. 앞으로 중국의 도시화가 지속적으로 진행되고 대도시화 경향이 뚜렷해지며 농촌 신설사업이 활발해짐에 따라 도시와 농촌 모두에서 자동차 수요는 계속 증가할 것으로 예상됩니다. 또한 가전제품, 오토바이 전장부품, 전동공구, 전동완구, 자동차 전장부품 등 관련 산업의 급속한 성장으로 인해 사회 전반에서 마이크로 특수모터에 대한 수요는 더욱 커지고 품질 요구도 점점 높아지며 응용 분야도 더욱 다양해지고 있습니다. 특히 마이크로 특수모터의 생산 공정에서는 모터 회전자 단면과 권선 홈의 절연 처리가 매우 중요한 작업입니다. 이에 따라 절연 공정 기술도 점점 더 성숙하고 신뢰성이 높아지고 있습니다. 국내외 주요 자동차 소형모터 생산업체들—예를 들어 독일 보쉬 자동차 부품회사, 상하이 보저 자동차 부품 유한회사, 상하이 파라오 자동차 전장시스템 유한회사, 톈진 아스모 자동차 마이크로모터 유한회사 등—은 에폭시 분말 도장 신기술을 도입하여 소형모터의 절연 신뢰성과 내구성을 크게 향상시켰습니다.

1. 모터의 수명에 영향을 미치는 요인

모터의 온도 상승(열노화)은 모터의 절연 성능 저하(절연재료 노화)와 절연 부품의 풀림을 유발하는 주요 원인 중 하나임이 널리 알려져 있습니다. 따라서 절연 구조를 선택할 때는 절연재료의 내열성과 열전도성을 절연성과 함께 반드시 고려해야 합니다. 전자기선을 예로 들면, 온도가 상승함에 따라 외부 절연체가 연화되면서 전단 강도가 감소하게 됩니다. 만약 고온 상태에서 다른 물체에 의해 압착된다면, 절연체가 소성 변형을 일으키거나 심지어 외부 힘에 의해 도체가 노출되어 결국 합선으로 이어질 수 있습니다. 또한, 온도가 장시간 절연체의 내열 한계치를 초과하면 절연이 약화되고 과도한 열화가 발생하게 됩니다. 이 점은 특히 자동차용 마이크로모터에 더욱 중요하며, 창문 제어 모터, 스티어링 힘 보조 모터, 와이퍼 모터, 시트 조정 모터 등 통풍 및 냉각 조건이 불량한 모터들에서 더욱 두드러집니다.

전동기의 발열 원인은 매우 다양합니다. 예를 들어, 전동기가 정상적으로 작동하는 과정에서 철손, 구리손, 기계적 손실이 발생하며, 이 손실들은 결국 열에너지로 변환되어 소모됩니다. 전동기 절연 구조 내에서 주요 발열 지점은 다음과 같습니다: 권선을 통해 흐르는 전류로 인한 발열, 유전체 손실로 인한 발열, 전자기 유도에 의해 발생하는 와전류 손실 및 강자성 손실 등으로 인한 발열, 기계 조립 과정에서 발생하는 편차로 인해 생기는 마찰, 진동, 소음, 접촉 불량 등으로 인한 발열, 그리고 통풍이 불량하여 기초 온도가 상승하는 경우 등입니다. 이러한 다양한 발열 원인들은 전동기의 수명 단축과 유지보수 비용 증가 등의 문제를 야기합니다. 특히 자동차와 같은 특정 위치에 설치된 전동기의 경우 더욱 심각한 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 내열성이 뛰어난 절연 재료와 생산 공정을 선택하는 것이 이러한 문제를 해결하는 한 가지 방법입니다.

2. 절연재료 및 공정

모든 종류의 전기기기 제조 과정에서 모터의 절연 설계 시 선택하는 절연재료, 절연 구조 및 절연 공정은 모터의 전기적 파라미터와 외형 치수의 선택 및 전체 구조의 배치뿐만 아니라 모터 운전의 신뢰성과 내구성에도 직접적으로 관련됩니다. 절연 구조의 각종 기술적 성능 지표는 상당 부분 모터의 설계 및 제조 수준을 반영합니다. 과학기술의 발전과 사용 환경의 요구에 따라 모터 절연의 신뢰성에 대한 요구도 더욱 높아지고 있습니다. 이를 위해 새로운 절연재료의 개발 및 적용, 보다 합리적인 절연 구조, 첨단 제조 공정 및 과학적인 절연 시험 방법을 도입하여, 모터의 전기절연 시스템이 전기, 고온, 기계적 요인 및 각종 악조건과 혹독한 운전 환경에서도 장기간 안정적으로 작동할 수 있도록 최대한의 성능을 충족시켜야 합니다.

자동차용 마이크로 특수 전기모터는 낮은 전압을 사용하지만 사용 환경이 열악하여 통풍과 냉각이 전혀 이루어지지 않는 밀폐된 환경에서 작동하는 경우가 많습니다. 제조업체들은 비용 절감을 위해 모터의 출력을 상대적으로 낮게 설계하곤 하는데, 이는 창문 개폐 모터나 시트 모터와 같은 단시간 작동형 모터에 해당합니다. 이러한 모터가 부하를 구동하는 데 필요한 전력은 일반적으로 모터의 출력보다 몇 배 더 높으며, 이로 인해 모터의 순간 부하 전류가 과도하게 증가하고 기체 온도가 급속히 상승하게 됩니다. 이는 여러 가지 문제를 야기할 수 있습니다. 따라서 내구성을 연장하고 품질 및 신뢰성을 보장하기 위해서는 절연 재료와 절연 공정에 새로운 생산 기술을 도입해야 합니다.

소형 모터의 절연재료는 연구진들의 끊임없는 노력 덕분에 큰 변화를 이뤘으며, 신형 재료의 도입으로 소형 모터 생산 공정에도 혁신이 일어나고 있습니다. 현재 정전기 도장 공법이 점차 완벽해짐에 따라 주류 마이크로모터 제조업체들은 에폭시 분말을 모터 회전자용 절연재료로 대량 사용하기 시작했습니다. 아크조노벨, 미국 3M, 스미토모화학 등에서 생산하는 이러한 절연재료의 장점은 안정적인 절연 성능과 높은 내열성, 용이한 사용성이며, 특수 공정을 통해 회전자의 각 절연 면을 한 번에 일괄적으로 경화할 수 있다는 것입니다.

3. 슬롯지 공정의 비용 및 장단점

현재 많은 마이크로 특수 모터 로터 제조업체들은 여전히 절연지(인슐레이션 페이퍼)를 로터 권선 홈의 절연재로 사용하고 있습니다. 이 재료와 생산 공정은 이미 상당히 오랜 기간 동안 유지되어 왔으며, 국내에서는 연간 생산량이 비교적 적은 중소형 모터 제조업체들이 주로 이를 사용하고 있습니다. 반면 보쉬 자동차 부품회사, 상하이 발레오, 톈진 아스모 등 세계적인 유명 기업들은 이미 점차 분말 도포 기술로 전환하고 있습니다. 중소형 모터 제조업체들이 아직까지 분말 도포 공정을 채택하지 않는 주된 이유는 홈용 종이 공정의 재료비가 낮고, 사용하는 장비도 상대적으로 저렴하기 때문입니다. 그러나 이러한 절연 방식에는 여러 가지 단점이 존재합니다. 첫째, 홈 충전률이 낮아 실제 모터 출력이 설계 요구 사항에 미치지 못하며, 과부하 시 모터 온도가 지나치게 상승하게 됩니다. 둘째, 권선 후 발생하는 불량률이 높습니다. 홈용 종이가 홈 내에 삽입되는 과정에서 변형이 생기면서 권선 과정 중에 전자권선이 절연지 바깥쪽으로 빠져들어 로터 전체를 폐기해야 하는 경우가 발생합니다. 이로 인한 불량률은 눈에 보이지 않지만, 실제로는 권선 전의 개별 로터 가치의 몇 배에 달하는 비용 손실을 초래합니다. 셋째, 로터의 끝면이 절연 보호를 받지 못해 전자권선과 로터 본체 간의 절연성이 저하되며, 이로 인해 모터에 절연상의 위험이 잠재적으로 존재하게 됩니다. 넷째, 권선이 느슨해지기 쉽습니다.

4. 모터 회전자 분말 코팅 공정

자동차용 마이크로모터 회전자 철심 홈의 절연을 위한 분말 도장 신공정은 대량 생산, 높은 효율성, 안정된 공정 성능 등의 특징 덕분에 매우 빠르게 발전하고 있습니다. 이 분말 정전기 도장 방식은 바늘 구멍이 없으며, 가장자리 덮임성이 우수하고, 도장 표면이 매끄럽고, 분말의 부착력이 강하며 인성이 뛰어납니다. 또한 기계적 성질과 전기적 성질이 침지형 도료와 비슷하며, 도막 두께는 최대 0.381밀리미터에 달해 침지형 도료보다 훨씬 두껍고 견고하여, 보다 이상적인 절연 재료라고 할 수 있습니다.

국내외의 일부 세계적 기업들은 모두 이 공정을 사용하고 있으며, 현재 국내의 일부 소규모 기업들도 이 공정을 시도하고 있습니다. 분말 정전 도장 공법은 슬롯지 공법이 가진 몇 가지 단점을 극복했습니다. 예를 들어, 회전자 끝면에 절연 보호가 없어 권선이 풀리기 쉽고, 슬롯 충전률이 낮으며, 권선이 슬롯지에서 쉽게 빠져나오는 등의 문제를 해결했습니다. 동일한 회전자 구조에서도 슬롯 충전률이 향상되면 모터의 출력을 효과적으로 높일 수 있습니다. 또한, 회전자 절연이 일체형으로 한 번에 성형되기 때문에 슬롯지 공법에서 별도로 회전자 끝면에 절연 처리를 해야 하는 상태를 개선했습니다. 이로 인해 회전자 권선 후 발생하는 불량품을 완전히 차단할 수 있게 되었습니다. 또한, 분말의 자체 특성을 활용해 회전자 커뮤테이터의 열압착 공정을 실현할 수 있습니다. 그러나 분말 정전 도장 공법에도 몇 가지 단점이 존재합니다. 예를 들어, 정전 도장 장비는 슬롯지 공법의 생산 설비에 비해 가격이 높으며, 장비의 사용 환경이 까다롭고 우수한 환기 시스템을 갖추어야 합니다. 국내 일부 정전 도장 장비 제조업체에서 생산하는 장비는 밀폐성이 부족하고 성능이 안정적이지 않으며, 분말의 이용률이 낮다는 점 등이 정전 도장 기술의 광범위한 보급을 제약하고 있습니다.

초기 국내 마이크로모터 생산공장에서 사용하던 분말 정전도장 설비는 두 가지로 나뉩니다. 하나는 국내 저가형 도장 제품으로, 국내 소형 모터 제조업체들이 주로 사용하고 있습니다. 이 설비는 공정 기술이 낙후되어 있고, 회전자 도장 품질이 불안정하며, 분말의 이용률이 낮고 작업자의 노동강도가 높습니다. 또한 일련의 생산라인과의 연계가 어렵지만, 장비 비용은 상대적으로 저렴합니다. 다른 하나는 주로 해외 수입 장비로, 국내 일부 대형 모터 제조업체들이 널리 사용하고 있습니다. 이 설비는 공정 기술이 선진적이고 생산라인 자동화 수준이 높으며, 장비 성능이 안정적이고 밀폐성이 매우 우수해 분말 이용률이 90% 이상에 달합니다. 그러나 장비 가격이 매우 높아 많은 국내 모터 제조업체들이 가격 부담으로 인해 이 설비를 도입하지 못하고 있으며, 이는 결과적으로 분말 도장 공정의 발전을 제한하는 요인이 되고 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 보쉬 자동차 부품 창사 회사는 장비의 국산화를 모색했습니다. 국내 장비 제조업체와 공동으로 개발한 결과, 핵심 부품은 해외에서 수입하고 나머지 부품은 국내에서 대체 생산하는 원칙을 확정했습니다. 또한 기술 설계 단계에서 장비를 도포 구역, 세척 구역, 경화 구역 등 세 가지 작업 구역으로 구분했습니다.

도포구역(그림1 참조)은 공작물에 분말을 도포하는 공정 구역으로, 유동화 베드, 정전기 발생기, 전극 등으로 구성되어 있습니다. 전극은 구리판과 방전침으로 이루어져 있으며, 전극은 정전기 발생기의 음극에 연결됩니다. 정전기 발생기가 작동하면 음극에서 55KV~90KV의 고전압 정전기가 발생합니다. 이때 방전침 주변의 공기는 코로나 현상을 일으키며, 건조 처리된 압축공기가 유동화 베드 하부에서 서서히 도포구역으로 유입됩니다. 이 공기는 계속해서 방전침을 통과하면서 전하를 띠게 됩니다. 이렇게 전하를 띤 공기는 유동화 베드 내 다공성 통기형 유동판을 통해 유동화 트레이로 흘러들어가며, 전하를 띤 기체는 트레이 내 에폭시 수지 분말과 접촉하면서 에폭시 수지 분말에 전하를 전달하고 동시에 분말을 부풀려 끓는 듯한 안개와 같은 상태로 만듭니다. 이 과정에서 분말은 유동화 트레이 내에 부유하게 됩니다. 한편, 공작물인 회전자 역시 정전기 발생기의 양극에 연결되며, 양극은 동시에 접지됩니다. 정전기장의 작용으로 인해 전하를 띤 에폭시 수지 분말은 상부의 모터 회전자로 이동하여 회전자 표면에 흡착됩니다. 이때 분말이 지니고 있던 전하들은 양극을 통해 다시 정전기 발생기로 돌아가며, 이로써 에폭시 수지 분말의 유동화 베드 도포 작업이 완료됩니다.

클리닝 구역에는 긁는 장치와 분말을 불어내는 장치가 설치되어 있습니다. 스크류가 회전하면서 공작물 로터가 이 구역으로 들어오면, 공작물은 휴대 장치에 의해 들어올려져 회전하게 됩니다. 공작물의 외경 면 등 도포가 필요하지 않은 부분의 분말은 긁는 장치의 경사된 블레이드에 의해 제거되고, 보호축 커버에 남아 있는 분말은 상부에 설치된 분말 제거 장치의 에어 브러시를 통해 압축공기로 날려 보내져 공작물 로터의 청소 작업이 완료됩니다.

경화 구역에서는 고주파 유도 가열을 통해 공작물인 회전자 위의 분말을 경화시킵니다. 고주파 가열은 피부효과를 이용해 공작물 표면에 와류를 발생시킴으로써 공작물 표면을 신속하게 가열합니다. 표면에 흡착된 분말 역시 지속적으로 용해되고 평탄해지며 젤화된 후 최종적으로 경화되어 균일한 경화 절연 코팅을 형성합니다.

도포기로 도포하는 부품 로터:

자동차 문창 모터 로터(외경 24mm), 자동차 시트 모터 로터(외경 28mm)

자동차 와이퍼 모터 로터(외경 40mm), 자동차 파워 스티어링 모터 로터(외경 54mm)

바이두 문고 - 모든 사람이 평등하게 스스로를 향상시킬 수 있도록!

2년에 걸친 시제품 제작 과정을 거쳐 정전기 공급의 균일성과 안정성, 로터 표면의 분말 긁기 장치의 내마모성 등 일련의 문제를 해결한 결과, 현재 이 장비는 생산 주기가 짧고 가격이 크게 낮아졌으며 품질도 안정적입니다. 또한 에폭시 분말의 이용률이 해외 장비보다 높으며, 테스트 결과 장비의 장기 능력 지수 Cmk는 1.67 이상이고 fusa는 98% 이상입니다. 현재 보쉬 자동차 부품 창사 회사의 정전기 도장 설비 중 80%가 국내 업체에서 공급되고 있습니다. 궁극적으로 보쉬 자동차 부품 회사는 국내 로터 생산라인의 모든 설비를 수입 장비에서 국산 장비로 대체할 계획이며, 유럽 및 미국의 공장으로 수출할 준비도 갖추고 있습니다.

5. 결론:

에폭시 분말은 정전기 유동층 열용융 도장 공법을 통해 자동차 마이크로모터 로터 및 기타 가전용 전기부품의 분말 정전도장 절연을 실현함으로써 기존의 폴리에스터 필름 복합 절연 공법을 대체했습니다. 이로 인해 절연층 두께를 줄일 수 있으며, 슬롯 충진률을 약 10% 향상시킬 수 있어 부품의 대량 생산을 가능하게 합니다. 또한 이 기술은 전력전자 소자 및 화학공업용 파이프라인, 용기, 밸브 등에도 적용될 수 있습니다. 과학기술의 지속적인 발전과 함께 분말 도료의 종류가 끊임없이 업데이트되고, 정전기 유동층 열용융 도장 공정 장비가 지속적으로 개선되며 컴퓨터 기반의 지능형 제어 시스템이 도입됨에 따라, 이 공정은 산업 자동화 생산라인에서 더욱 중요한 역할을 수행할 것입니다.