Análisis preliminar sobre el recubrimiento en polvo del rotor de micromotores para automóviles

Autores: Zhou Baowei, Zheng Taisan, Instituto de Mecánica de la provincia de Guangdong

Resumen: Aunque el recubrimiento electrostático en polvo es una tecnología tradicional con orígenes antiguos, su aplicación a gran escala en el ámbito de la aislación de rotores para pequeños motores automotrices en China aún se encuentra en una fase inicial. Actualmente, la mayoría de las empresas extranjeras de fabricación de pequeños motores automotrices en China adoptan esta tecnología. Debido al aumento de los costos, solo recientemente algunas de las empresas chinas más sólidas y de mayor tamaño han comenzado a utilizar gradualmente esta técnica. Asimismo, las fábricas nacionales especializadas en equipos han empezado a seguir las normas alemanas de recubrimiento para regular sus procesos de producción y han establecido estándares corporativos correspondientes.

 

Palabras clave: rotor, aislamiento, recubrimiento electrostático en polvo, Cmk, Fusa

Palabras clave: rotor, aislamiento, recubrimiento en polvo electrostático, CMK, FUSA

0. Introducción

En los últimos años, la industria automotriz de nuestro país ha experimentado un desarrollo vertiginoso. El parque automovilístico ya alcanza los 130 millones de vehículos, lo que significa que, en promedio, diez personas poseen un automóvil. Si tomamos como referencia el estándar de una vivienda próspera, según el cual cada hogar debería contar con un automóvil pequeño, aún sería necesario aumentar en al menos el doble el parque automovilístico actual, llegando así a los 400 millones de vehículos. Es previsible que, a medida que avanza la urbanización en nuestro país y se acentúa la tendencia hacia la concentración poblacional en grandes ciudades, junto con la construcción de nuevas zonas rurales, la demanda de automóviles en áreas urbanas y rurales seguirá creciendo. Asimismo, el rápido desarrollo de sectores como los electrodomésticos, las motocicletas eléctricas, las herramientas eléctricas, los juguetes eléctricos y la electrónica automotriz hará que la sociedad demande cada vez más motores micro y especiales, con exigencias crecientes en cuanto a calidad y aplicaciones cada vez más amplias. En el proceso de fabricación de estos motores micro y especiales, la aislación de las caras extremas del rotor y de las ranuras para los devanados constituye una tarea de gran importancia. La tecnología de aislamiento ha ido ganando en madurez y fiabilidad; importantes fabricantes nacionales e internacionales de pequeños motores para automóviles, como Bosch Automotive Components de Alemania, Shanghai Boze Automotive Components Co., Ltd., Valeo Automotive Electrical Systems Shanghai Co., Ltd. y Tianjin Asmo Automotive Micro-Motor Co., Ltd., han adoptado recientemente la nueva tecnología de recubrimiento con polvo epoxi, lo que ha mejorado considerablemente la fiabilidad y la vida útil del aislamiento en estos pequeños motores.

1. Factores que afectan la vida útil del motor

Es bien sabido que el aumento de temperatura (envejecimiento térmico) en los motores constituye una de las principales causas de la disminución del rendimiento aislante (envejecimiento de los materiales aislantes) y del aflojamiento de las piezas aislantes. Por ello, al seleccionar una estructura aislante, es imprescindible tener en cuenta tanto la resistencia térmica como la conductividad térmica del material aislante, junto con su capacidad aislante. Tomando como ejemplo el alambre electromagnético, conforme aumenta la temperatura, el aislante exterior se ablanda y pierde su resistencia al corte. Si, a altas temperaturas, este aislante es comprimido por otros objetos, podría sufrir deformación plástica e incluso quedar expuesto el conductor bajo la acción de fuerzas externas, lo que finalmente provocaría un cortocircuito. Cuando la temperatura supera durante largo tiempo el límite térmico nominal del aislante, éste comenzará a deteriorarse de forma excesiva. Este punto reviste especial importancia para los micromotores utilizados en automóviles, tales como los motores para elevar ventanas, los motores de asistencia para el volante, los motores de limpiaparabrisas y los motores para ajustar los asientos, entre otros, especialmente aquellos motores que presentan condiciones de ventilación y disipación térmica deficientes.

Existen muchas causas de calentamiento en los motores eléctricos. Durante su funcionamiento normal, el motor experimenta pérdidas por hierro, pérdidas por cobre y pérdidas mecánicas; estas pérdidas se convierten finalmente en energía térmica que se disipa. Los principales puntos de generación de calor en la estructura aislante del motor son: el calor generado por la corriente que circula a través de las bobinas, el calor producido por las pérdidas dieléctricas, el calor generado por las pérdidas por corrientes parásitas debidas a la inducción electromagnética y las pérdidas ferromagnéticas, así como el calor generado por la fricción, vibraciones, ruidos y mal contacto provocados por desviaciones surgidas durante el ensamblaje mecánico, y también el aumento de la temperatura base debido a una mala ventilación. Todas estas causas de calentamiento pueden acortar la vida útil del motor y aumentar los costos de mantenimiento. Esto es especialmente crítico en motores ubicados en determinadas partes de vehículos. Por ello, seleccionar materiales aislantes con excelente resistencia térmica y emplear procesos de fabricación adecuados constituye una de las soluciones para abordar estos problemas.

2. Materiales e procesos de aislamiento

En la fabricación de todo tipo de motores, los materiales aislantes, las estructuras aislantes y los procesos de aislamiento seleccionados al diseñar el aislamiento del motor no solo influyen en la elección de parámetros eléctricos, dimensiones exteriores y disposición general de la estructura del motor, sino que también determinan la confiabilidad y la vida útil del motor en funcionamiento. Los diversos índices técnicos de las estructuras aislantes reflejan en gran medida el nivel de diseño y fabricación del motor. Con el avance de la ciencia y la tecnología y ante las exigencias del entorno de uso, se han planteado requisitos más elevados para la fiabilidad del aislamiento del motor. Por ello, es imprescindible desarrollar y aplicar nuevos materiales aislantes, estructuras aislantes más racionales, procesos de fabricación avanzados y métodos científicos de ensayo del aislamiento, con el fin de satisfacer en la máxima medida las exigencias del sistema de aislamiento eléctrico del motor para soportar a largo plazo condiciones operativas severas y extremas, tales como tensiones eléctricas, altas temperaturas, esfuerzos mecánicos y otros factores adversos.

Los micromotores para automóviles, debido a que operan con voltajes bajos pero en entornos adversos, suelen utilizarse en ambientes cerrados sin ventilación ni disipación de calor. Para reducir costos, los fabricantes suelen diseñar motores con potencias relativamente bajas, como los motores para elevar ventanas o los motores para asientos, que funcionan en régimen de corta duración. La potencia requerida para accionar la carga suele ser varias veces superior a la potencia de salida del motor, lo que provoca una corriente de carga instantánea excesiva y un rápido aumento de la temperatura del cuerpo del motor, generando así una serie de problemas. Por ello, para prolongar la vida útil y garantizar la calidad y fiabilidad, es imprescindible adoptar nuevos procesos de fabricación en cuanto a materiales aislantes y técnicas de aislamiento.

Gracias a los esfuerzos constantes de los investigadores, los materiales aislantes para motores pequeños han experimentado cambios significativos. La utilización de nuevos materiales ha dado lugar a innovaciones en los procesos de fabricación de motores pequeños. Actualmente, con la mejora continua del proceso de recubrimiento electrostático, las principales fábricas de micro-motores han comenzado a emplear en gran escala polvo epoxi como material aislante para los rotores de los motores; por ejemplo, productos fabricados por empresas como AkzoNobel, 3M de Estados Unidos y Sumitomo Chemical. Las ventajas de este material aislante incluyen estabilidad en sus propiedades aislantes, resistencia a altas temperaturas, facilidad de uso y la posibilidad de curar de manera integral todas las superficies aislantes del rotor mediante un proceso especial.

3. Costos y ventajas y desventajas del proceso de papel ranurado

Actualmente, muchas fábricas de rotores para motores micro y especiales aún utilizan papel aislante como material aislante en las ranuras del devanado del rotor. Este material y su proceso de fabricación llevan utilizándose durante un período bastante prolongado. En China, numerosas fábricas medianas y pequeñas de motores con bajas capacidades de producción siguen siendo las principales usuarias de este método. Sin embargo, empresas reconocidas a nivel mundial como Bosch Automotive Components, Valeo Shanghái y Asmo Tianjin ya han comenzado gradualmente a adoptar la tecnología de recubrimiento en polvo. La razón principal por la que las fábricas medianas y pequeñas de motores aún no han adoptado el proceso de recubrimiento en polvo es que el material utilizado en el método tradicional de papel para ranuras tiene un costo más bajo y requiere equipos mecánicos relativamente económicos. No obstante, esta forma de aislamiento presenta numerosas desventajas, tales como: 1. Baja tasa de llenado de las ranuras: esto hace que la potencia de salida real del motor no alcance los requisitos de diseño, y en caso de cargas excesivas, la temperatura del motor aumenta demasiado; 2. Alta tasa de desperdicio tras el bobinado: debido a la deformación que sufre el papel al ser insertado en las ranuras, durante el bobinado los conductores electromagnéticos quedan envueltos por fuera del papel aislante, lo que convierte todo el rotor en inservible. Esta situación genera una tasa de desperdicio oculta, cuyo costo real supera varias veces el valor unitario de un rotor antes del bobinado; 3. Las superficies terminales del rotor carecen de protección aislante, lo que reduce la resistencia dieléctrica entre los conductores electromagnéticos y la estructura misma del rotor, creando así un riesgo potencial en cuanto a aislamiento; 4. Es fácil que se produzca una holgura en el devanado.

4. Proceso de recubrimiento en polvo del rotor del motor

El nuevo proceso de recubrimiento con polvo aislante para los surcos del núcleo del rotor de micromotores utilizados en automóviles se está desarrollando muy rápidamente gracias a características como grandes volúmenes de producción, alta eficiencia y estabilidad en el proceso. El recubrimiento electrostático por polvo no presenta poros y ofrece una excelente cobertura en los bordes; la superficie del recubrimiento es lisa, la adherencia del polvo es fuerte, la resistencia es buena, y sus propiedades mecánicas y eléctricas son comparables a las del barniz de impregnación. El espesor máximo del recubrimiento puede alcanzar hasta 0,381 milímetros, siendo considerablemente más grueso que el barniz de impregnación, lo que lo convierte en un material aislante sumamente ideal.

Algunas empresas de renombre mundial, tanto nacionales como internacionales, ya utilizan plenamente este proceso; actualmente, algunas pequeñas empresas en China también están experimentando con esta tecnología. La aplicación electrostática en polvo supera varias desventajas del método tradicional de papel ranurado, tales como la ausencia de protección aislante en las caras extremas del rotor, la tendencia a que los devanados se aflojen, la baja tasa de llenado de las ranuras y la facilidad con que los alambres pueden salirse de las ranuras. Con una estructura de rotor idéntica, el aumento en la tasa de llenado de las ranuras puede mejorar eficazmente la potencia de salida del motor. Además, la integración y conformación monolítica del aislamiento del rotor elimina la necesidad de realizar tratamientos aislantes adicionales en las caras extremas del rotor, como era necesario en el método tradicional de papel ranurado. Esto también evita la generación de desperdicios tras el bobinado del rotor. Gracias a las propiedades intrínsecas del polvo aplicado, es posible implementar un proceso de montaje térmico para el colector del rotor. Sin embargo, la aplicación electrostática en polvo también presenta ciertas limitaciones: por ejemplo, los equipos de aplicación electrostática son más costosos que los equipos de producción empleados en el método tradicional de papel ranurado; además, exigen condiciones ambientales muy estrictas y requieren sistemas de ventilación adecuados. Algunos fabricantes nacionales de equipos de aplicación electrostática producen equipos con escasa hermeticidad, inestabilidad en el rendimiento y baja eficiencia en el uso del polvo, factores que limitan la difusión y adopción generalizada de esta tecnología.

En la etapa inicial, los equipos de aplicación electrostática en polvo utilizados por las fábricas nacionales de micromotores se dividían en dos tipos: uno era un producto de aplicación de bajo costo fabricado en China, que dominaba a los pequeños fabricantes nacionales de motores. Este tipo de equipo tenía una tecnología obsoleta, ofrecía una calidad inestable en la aplicación al rotor, una baja tasa de aprovechamiento del polvo y exigía un alto nivel de esfuerzo físico por parte de los operarios; además, no podía integrarse fácilmente en líneas de producción en serie, aunque su costo era relativamente bajo. El otro tipo estaba compuesto principalmente por equipos importados del extranjero, ampliamente utilizados por algunas grandes fábricas nacionales de motores. Estos equipos presentaban una tecnología avanzada, un alto grado de automatización en las operaciones en línea, estabilidad en el rendimiento, una excelente hermeticidad y una tasa de aprovechamiento del polvo superior al 90%. Sin embargo, su precio era muy elevado, lo que impedía que muchos fabricantes nacionales de motores pudieran adquirirlos debido a restricciones presupuestarias. Esto, por otra parte, limitaba el desarrollo de la tecnología de aplicación en polvo.

Para resolver este problema, Bosch Automotive Components Changsha buscó la nacionalización del equipo. Tras desarrollar conjuntamente con fabricantes nacionales de equipos, establecieron el principio de importar los componentes clave del extranjero y producir localmente los demás componentes. En el diseño técnico, dividieron el equipo en tres zonas de trabajo: zona de aplicación, zona de limpieza y zona de curado.

La zona de aplicación (véase la Figura 1) es la región donde se aplica el polvo sobre la pieza. Está compuesta por una cama fluidizada, un generador electrostático y electrodos. Los electrodos están formados por placas de cobre y agujas de descarga; estos electrodos están conectados al cátodo del generador electrostático. Cuando el generador electrostático está en funcionamiento, el cátodo genera una alta tensión electrostática de entre 55 kV y 90 kV. En ese momento, el aire alrededor de las agujas de descarga experimenta un fenómeno de corona. El aire comprimido, previamente secado, es introducido lentamente desde la parte inferior de la cama fluidizada hacia la zona de aplicación, pasando continuamente por las agujas de descarga y adquiriendo carga eléctrica. Este aire cargado atraviesa la placa porosa permeable situada en la cama fluidizada y entra en la cubeta fluidizada. Allí, el gas cargado entra en contacto con el polvo de resina epoxi presente en la cubeta, transfiriéndole su carga eléctrica, al mismo tiempo que lo levanta y forma una nube en ebullición, manteniendo así el polvo suspendido dentro de la cubeta fluidizada. Por otro lado, el rotor de la pieza está conectado al ánodo del generador electrostático, el cual también está conectado a tierra. Bajo la acción del campo electrostático, el polvo de resina epoxi cargado se desplaza hacia el rotor del motor ubicado en la parte superior y queda adherido a la superficie del rotor. La carga eléctrica que lleva consigo regresa al generador electrostático a través del ánodo, completando así el proceso de aplicación de polvo de resina epoxi sobre la cama fluidizada.

La zona de limpieza está equipada con un mecanismo raspador de polvo y un mecanismo soplador de polvo. Cuando el husillo gira y hace que el rotor de la pieza de trabajo entre en esta zona, la pieza es levantada y girada por el mecanismo de soporte. La superficie exterior de la pieza, así como otras áreas que no requieren recubrimiento, son despojadas del polvo sobrante por las cuchillas inclinadas del mecanismo raspador. El polvo que queda adherido a la funda protectora es eliminado mediante un cepillo de aire del mecanismo soplador situado en la parte superior, utilizando aire comprimido para hacerlo caer, completando así la operación de limpieza del rotor de la pieza de trabajo.

La zona de solidificación consiste en la solidificación del polvo sobre el rotor de la pieza mediante calentamiento por inducción de alta frecuencia. El calentamiento por alta frecuencia aprovecha el efecto térmico de piel para generar corrientes parásitas en la superficie de la pieza, lo que permite calentar rápidamente dicha superficie. El polvo adherido a la superficie se va fundiendo continuamente, se alisa y se gelifica, hasta finalmente solidificarse y formar un revestimiento aislante endurecido y uniforme.

Rotor de la pieza recubierta por la máquina aplicadora:

Rotor del motor para puertas y ventanas de automóvil (diámetro exterior 24 mm), Rotor del motor para asientos de automóvil (diámetro exterior 28 mm),

Rotor del motor del limpiaparabrisas del automóvil (diámetro exterior 40 mm), rotor del motor de asistencia de dirección del automóvil (diámetro exterior 54 mm)

Baidu Wenku — Permite que cada persona mejore su desarrollo de manera equitativa.

Tras dos años de pruebas, se han resuelto una serie de problemas, como la estabilidad y uniformidad del suministro electrostático y la resistencia al desgaste del mecanismo de raspado de polvo en la superficie del rotor. Ahora, este tipo de equipo presenta un ciclo de producción corto, un precio considerablemente reducido y una calidad estable. Además, la tasa de utilización del polvo epoxi es superior a la de equipos extranjeros. Según las pruebas realizadas, el índice de capacidad a largo plazo Cmk del equipo es igual o superior a 1,67, y la tasa de conformidad fusa alcanza o supera el 98%. Actualmente, el 80% del equipamiento para aplicación electrostática utilizado por Bosch Automotive Components Changsha proviene de fabricantes nacionales. En última instancia, toda la equipación de la línea de producción de rotores de Bosch Automotive Components en China será sustituida por equipos de fabricación nacional, y la empresa se prepara para exportar estos equipos a plantas en Europa y Estados Unidos.

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。