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: 로터, 절연, 정전기 분체 도장, CMK, FUSA

0. 서론

최근 몇 년간 중국의 자동차 제조업은 비약적인 발전을 이루었으며, 현재 자동차 보유량은 1억 3천만 대에 달하고 있습니다. 평균적으로 인구 10명당 1대의 자동차를 보유하고 있으며, '소강생활' 기준에 따르면 각 가정이 소형 자동차 한 대씩을 보유해야 하는데, 현재 중국의 자동차 보유량으로는 이 기준을 충족하기 위해 최소한 두 배인 4억 대까지 추가로 증가해야 합니다. 앞으로 중국의 도시화가 지속적으로 진행되고 대도시화 경향이 뚜렷해지며 농촌 신설 사업이 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 특수 모터에 대한 수요는 더욱 커지고 품질 요구도 점점 높아지며 응용 분야도 더욱 확대될 것입니다. 특히 마이크로 특수 모터의 생산 공정에서는 모터 회전자 단면과 권선 홈의 절연 처리가 매우 중요한 작업입니다. 절연 공정 역시 점차 더 성숙하고 신뢰성이 높아지고 있으며, 국내외 주요 자동차 소형 모터 제조업체들—예를 들어 독일 보쉬 자동차 부품회사, 상하이 보저 자동차 부품 유한회사, 상하이 파라오 자동차 전장시스템 유한회사, 톈진 아스모 자동차 마이크로 모터 유한회사 등—은 에폭시 분말 코팅 신기술을 도입하여 소형 모터의 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 약해져 과도한 열화가 발생할 수 있습니다. 이 점은 특히 자동차용 마이크로모터에 더욱 중요하며, 창문 제어 모터, 스티어링 힘 보조 모터, 와이퍼 모터, 시트 조정 모터 등 통풍 및 방열 조건이 불량한 모터들이 여기에 해당합니다.

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 통풍 불량으로 인해 기초 온도가 상승하는 경우 등입니다. 이러한 다양한 발열 원인들은 전동기의 수명 단축과 유지보수 비용 증가 등의 문제를 야기합니다. 특히 자동차와 같은 특정 위치에 장착된 전동기의 경우 더욱 심각한 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 내열성이 뛰어난 절연재료와 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 더욱 높은 기준이 요구되고 있습니다. 이를 위해 새로운 절연재료의 개발과 적용, 보다 합리적인 절연 구조, 첨단 제조 공정 및 과학적인 절연 시험 방법을 도입하여, 모터의 전기절연 시스템이 장기간 전기적·고온적·기계적 및 다양한 악조건과 혹독한 운전 환경에서도 최대한의 성능을 유지하도록 해야 합니다.

자동차용 마이크로 특수 전기모터는 낮은 전압을 사용하지만 사용 환경이 열악하여 통풍과 냉각이 전혀 이루어지지 않는 밀폐된 공간에서 작동하는 경우가 많습니다. 제조업체들은 비용 절감을 위해 모터의 출력을 상대적으로 낮게 설계하곤 하는데, 이는 창문 조작 모터나 시트 모터와 같은 단시간 작동형 모터에 해당합니다. 이러한 모터가 부하를 구동하는 데 필요한 전력은 일반적으로 모터의 출력보다 몇 배나 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 이뤄냈으며, 신형 재료의 도입으로 소형 모터 생산 공정에도 혁신이 일어나고 있습니다. 현재 정전도장 공법이 점차 완성됨에 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 공법을 통해 회전자의 각 절연면을 한 번에 일괄적으로 경화시킬 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 공정이 재료비가 낮고 사용하는 장비도 상대적으로 저렴하기 때문입니다. 하지만 이러한 절연 방식에는 여러 가지 단점이 존재합니다. 첫째, 홈 충만률이 낮아 실제 모터 출력이 설계 요구 사항에 미치지 못하며, 과부하 시 모터 온도가 지나치게 상승합니다. 둘째, 권선 후 발생하는 불량률이 높습니다. 홈용 종이가 홈 내부에 삽입되는 과정에서 변형이 생기면서 권선 과정 중 전자권선이 절연지 외부로 노출되어 결과적으로 로터 전체가 폐기됩니다. 이로 인한 불량률은 눈에 보이지 않는 형태로 나타나며, 실제로 발생하는 손실 비용은 권선 전 단일 로터의 가치보다 몇 배나 높습니다. 셋째, 로터의 양단 면이 절연 보호를 받지 못해 전자권선과 로터 본체 간의 절연성이 저하되므로 모터에 절연상의 위험이 잠재해 있습니다. 넷째, 권선이 쉽게 헐거워질 수 있습니다.

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 재료로 평가됩니다.

국내외의 일부 세계적 기업들은 모두 이 공정을 사용하고 있으며, 현재 국내의 일부 소규모 기업들도 이 공정을 시도하고 있습니다. 분말 정전 도장 공정은 슬롯지 공정의 몇 가지 단점을 극복했습니다. 예를 들어, 회전자 끝면에 절연 보호가 없어 권선이 풀리기 쉽고, 슬롯 충진률이 낮으며, 권선이 슬롯지를 벗어나기 쉬운 등의 문제를 해결했습니다. 동일한 회전자 구조에서 슬롯 충진률이 향상되면 모터의 출력을 효과적으로 높일 수 있습니다. 또한 회전자 절연이 일체형으로 한 번에 성형되기 때문에, 슬롯지 공정에서 별도로 회전자 끝면에 절연 처리를 해야 하는 상황을 개선했습니다. 이로 인해 회전자 권선 후 발생하는 불량품을 완전히 차단할 수 있게 되었습니다. 또한 분말의 고유 특성을 활용해 회전자 커뮤테이터의 열압착 공정을 실현할 수 있습니다. 그러나 분말 정전 도장 공정에도 몇 가지 단점이 존재합니다. 예를 들어, 정전 도장 장비는 슬롯지 공정 장비에 비해 가격이 높으며, 장비의 사용 환경이 까다롭고 우수한 환기 시스템을 갖추어야 합니다. 국내 일부 정전 도장 장비 제조업체에서 생산하는 장비는 밀폐성이 부족하고 성능이 불안정하며 분말 이용률이 낮다는 점 등이 정전 도장 기술의 광범위한 보급을 제약하고 있습니다.

초기 국내 마이크로모터 생산공장에서 사용하던 분말 정전도장 설비는 두 가지 종류로 나뉩니다. 하나는 국내 저가형 도장 제품으로, 국내 소형 모터 제조업체들이 주로 사용하고 있습니다. 이 설비는 공정 기술이 낙후되어 있고, 로터 도장 품질이 불안정하며, 분말의 이용률이 낮고 작업자의 노동강도가 높습니다. 또한 일관된 생산라인과의 연계가 어렵지만 장비 비용은 상대적으로 저렴합니다. 다른 하나는 주로 외국에서 수입한 설비로, 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 사용하지 못하고 있으며, 이는 결과적으로 분말 도장 공정의 발전을 제한하는 요인이 되고 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 보쉬 자동차부품 창사회사는 장비의 국산화를 모색했습니다. 국내 장비 제조업체와 공동으로 개발한 결과, 핵심 부품은 해외에서 수입하고 나머지 부품은 국내에서 대체 생산하는 원칙을 확정했습니다. 또한 기술 설계 과정에서 장비를 도포구역, 세척구역, 경화구역 등 세 가지 작업 구역으로 나누었습니다.

도포구역(그림1 참조)은 공작물에 분말을 도포하는 공정 구역으로, 유동층, 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 유동층 하부로부터 서서히 도포구역으로 유입됩니다. 이 공기는 계속해서 방전침을 통과하면서 전하를 띠게 됩니다. 이렇게 전하를 띤 공기는 유동층 내 다공성 통기형 유동판을 통해 유동槽로 흘러들어가며, 전하를 띤 기체는 유동槽 내 에폭시 수지 분말과 접촉하면서 에폭시 수지 분말에 전하를 전달하고 동시에 분말을 부풀려 끓는 듯한 안개 형태로 만들어줍니다. 이 과정에서 분말은 유동槽 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 이동하며 회전자 표면에 흡착됩니다. 이때 분말이 지니고 있던 전하는 양극을 통해 다시 정전기 발생기로 돌아가게 되어, 에폭시 수지 분말의 유동층 도포 작업이 완료됩니다.

清洁区装有刮粉机构和吹粉机构，当丝杆转动带动工件转子进入此区域时，工件被带转机构托起并转动，工件外径面等不需要涂敷的粉末被刮粉机构的倾斜刮片刮除，残留在护轴套上的粉末，会被上面吹粉机构的气刷通过压缩空气吹落，从而完成工件转子的清洁工作。

固化区是通过高频感应加热使工件转子上的粉末固化。高频加热是利用集肤热效应，在工件表面产生涡流，从而迅速地将工件表面加热。吸附在表面的粉末也不断被溶化、流平、胶化，最后被固化，形成一均匀的硬化绝缘涂层。

涂敷机所涂工件转子：

汽车门窗电机转子（外径24mm），           汽车坐椅电机转子（外径28mm），

汽车雨刮电机转子（外径40mm），         汽车转向助力电机转子（外径54mm）

百度文库 - 让每个人平等地提升自我

经过长达2年的试制，解决了静电上料的均匀稳定性、转子表面刮粉机构的耐磨性等一系列问题后，现在这类设备生产周期短，价格大幅下降，品质稳定，并且环氧粉末的利用率高于国外设备，经测试设备长期能力指数Cmk≥1.67，fusa≥98%。现在博世汽车部件长沙公司80%的静电涂敷设备由国内厂商提供，最终博世汽车部件公司在国内转子生产线的设备将由国产设备替代所有进口设备，并准备出口到欧美工厂。

5、结束语：

环氧粉末采用静电流化床热熔涂覆工艺实现了汽车微电机转子及其它家用电器电机器件的粉末静电涂敷绝缘以取代传统聚脂薄膜复合绝缘工艺，可减少绝缘层厚度，提高槽满率10%左右，为涂敷器件大批量生产提供了前提条件，此外这项技术还可应用在电力电子器件及化工管道容器阀门等，随着科技的不断发展粉末涂料品种的的不断更新，粉末静电流化床热溶涂敷工艺设备的不断改进，融入电脑智能化控制，此工艺将在工业自动化生产线上发挥更大的作用。