EV 充電機器向けブスバーの加工

EV 充電の仕事を引き受けた開閉装置の工場は、たいてい部品は簡単で工程は難しいと気づきます。バーは小さく、 断面は薄く、必要な加圧力はごくわずかです。つまずくのは、公差の幅が開閉装置の仕事より厳しく、ロットが 小さく、生産のたびに図面が変わり、そして悪いエッジが、受入時の外観上の苦情としてではなく、使用開始から 18 か月後の絶縁不良として返ってくることです。

部品の姿

EV 充電機器のブスバーは、かなり性格の異なる 2 つの群に分かれます。

充電器キャビネットの交流側と配電側は見慣れたものです。板厚 6–10 mm の長方形断面の銅を打ち抜いて曲げ、 ボルトで接続します。小さな配電盤とよく似ており、特別なところはありません。

仕事が変わるのは直流側です。充電の方式は、CCS の設備でおおむね直流 200–920 V の運転範囲に収束しており、 仕様上は直流 50–1000 V まで許容されています。大型車向けに導入が進んでいるメガワット充電システムは、 直流 1,250 V、3,000 A で定格されています。これらの数値は、電力モジュール間で非常に大きな電流を運ぶ、短く 幅広で薄い導体を意味し、同時に、導体どうしが空気だけでは絶縁できないほど近接して配置されることを意味します。

直流側とモジュール間接続の典型的な仕事は、板厚 1.5–6 mm、長さは 300 mm 未満のことが多く、数量は 1 構成 あたり数十から数百です。部品は素地ではなく、積層またはフィルム絶縁されていることが頻繁にあります。そして 図面の版が変わります。充電器キャビネット内のパワーエレクトロニクスは、20 年ではなく 2–3 年の製品サイクルに あるからです。

積層および絶縁される界面

絶縁の方式は 3 つが主流で、それぞれが金属側に別の要求を出します。

フィルム積層は、ポリエステルまたはポリイミドを導体に接着します。ループインダクタンスを下げるために、2 枚 以上の導体をひとつの積層に組み込むこともあります。フィルムは薄く、多くは 1 mm を大きく下回るため、薄くなる ことも橋を架けることもなく導体のエッジになじまなければなりません。

粉体塗装は、エポキシ粉体を静電気で付着させ、炉で焼き付けます。安価で、取り扱いにも耐えます。同時に、鋭い 形状には容赦がありません。焼付けの間に塗膜が流動し、表面張力が凸のエッジから塗膜を引き離すため、電界が 最も高いまさにその場所で膜が最も薄くなるからです。

オーバーモールドと封止は、導体を金型に入れて樹脂を成形するか、アセンブリ全体をポッティングします。機械的な 結果は最も良い一方、閉じ込められた空気に対する許容度は最も小さくなります。成形中にできた空隙は内部に封じ られ、絶縁試験でしか調べられず、しかもその試験に通ってしまうこともあるからです。

積層ブスバーのエッジ処理について公表されている指針は、4 つの方式を挙げています。開放エッジ、ピンチシール、 FR4、そしてエポキシによるエッジ充填です。ピンチシールは、銅のエッジから外へ導体板厚の 2 倍以上の絶縁の 重なりを必要とし、その重なりは、銅のエッジが図面どおりの位置にある場合にのみ機能します。設計上の選択の 形をした加工上の制約です。

絶縁が壊れるのはエッジである

面取りの品質がこの分野を支配するのには物理的な理由があります。多くの仕様書は、その出どころを述べずに寸法 だけを記載しています。

まず形状から。せん断あるいは打抜きされたエッジは直角ではありません。ダイに入る側にだれがあり、光沢のある せん断面があり、破断面があり、抜ける側にバリがあります。「角」は実質的に数十マイクロメートルの半径であり、 場所によってはそれより小さい半径のバリの先端です。

そこに絶縁を施します。どの工程であれ、材料はその角を直角に回り込まなければなりません。フィルムはなじまずに 橋を架けます。粉体は引き下がります。成形樹脂は、自らの表面張力と、すでにそこにある空気に逆らって入隅を 埋めなければなりません。いずれの場合も、ありそうな結果は、まさにその角で導体と絶縁物の間に閉じ込められた 小さな空気の袋です。

その袋が問題であり、理由は 2 つあって、しかも重なります。

第 1 に、そこで電界が最も高くなります。電界は導体の凸の形状に集中し、半径が小さいほど局所的な増大はおおむね 半径の逆数に比例します。平らな面では余裕のある電界でも、20 µm のバリの先端では余裕がありません。

第 2 に、空気はアセンブリの中で最も弱い材料でありながら、分担以上の電界を受け持ちます。固体誘電体に囲まれた 空隙では、空隙内の電界は固体内の電界より、両者の比誘電率の比だけ高くなります。エポキシとポリエステルは おおむね 3–4、空気は 1 です。したがって空隙は周囲の樹脂の 3–4 倍の電界を受けながら、絶縁破壊強度はその およそ 10 分の 1 しかありません。

空隙は電離し、いったん電離すると止まりません。部分放電が絶縁物を内側から侵食し、侵食された空洞は成長し、 放電の活動もそれとともに大きくなり、部品はやがて、試験した日には耐えていた電圧で破壊します。積層ブスバーに 関する研究文献はこの点で一致しています。埋め込まれた欠陥での部分放電の開始は数キロボルトで起こり、これは 過渡過電圧を数えれば、直流 800 V または 1000 V の方式の運転範囲の内側です。

R を付けたエッジは電界の増大係数を下げます。そしてより有用なことに、絶縁材料がなじみ、濡れることのできる 形状を与えます。電界が一様になるわけではありません。耐えられるようになるのです。この用途で面取りを行う理由の 全体はここにあり、それは箇条ではなく物理に立脚しています。

規格が実際に述べていること

IEC 60664-1 は絶縁協調の規格であり、充電器の設計における空間距離と沿面距離の 数値については、これが正しい参照先です。空間距離は定格インパルス耐電圧に汚損度と標高を組み合わせて、沿面 距離は使用電圧に汚損度と絶縁材料の比較トラッキング指数を組み合わせて導かれます。EV 充電の設計者が拠りどころ とするのはこれらのパラメータです。

IEC 60664-1 がしていないのは、面取りを指示することです。IEC 61439 も同様です。これは述べておく必要があり ます。ベンダーの資料にはブスバーのエッジ R が IEC 61439 の要求事項であると主張するものが少なくありませんが、 そのような箇条は存在しません。エッジ R は、絶縁耐力、空間距離、沿面距離の規定を満たし、絶縁の工程を製造 可能にするための工学的手段です。客先の仕様が特定の半径を指定しているなら、その数値は客先の絶縁工程から 出てきたものなので、どの工程かを尋ねてください。答えによって「良い」の意味が変わります。ピンチシール向けに 決められた半径は、粉体塗装向けに決められた半径ではありません。

現場での良いエッジとは

しばしば混同される、別々の 2 つの工程があります。

バリ取り はバリと酸化被膜を除去します。面全体にわたる表面状態の作業であり、 めっきの前、あるいは粘着付きのフィルムを貼る前に行うものです。板厚 0.5–50 mm を 5–30 m/min で処理する 2 段のバリ取り機 は、ロット全体を均一な状態にします。塗膜の 密着にとっては、平均的な仕上げの良さよりこちらが重要です。

面取り は、定められた形状まで角を管理して除去する作業です。薄い EV 部品では ここが難所になります。板厚 2 mm のバーには除去できる角がほとんどなく、荒い面取りは電流のために決めた断面を 食ってしまうからです。板厚 3–15 mm の材料を位置決め精度・繰返し精度 ±0.05 mm、6,000 rpm までの BT40 主軸で加工する CNC 面取り機 は、1 個目と 400 個目で同じ形状を 作ります。卓上グラインダはそうではありません。フィルムの重なりが銅のエッジを基準に指定されている積層部品 では、ふらつく面取りはエッジを動かす面取りです。

順序も工程そのものと同じだけ重要です。面取りを先、バリ取りを後に行い、面取り工具が立てた二次バリをバリ取りの パスで落とします。めっきや塗装の前にバリ取りを行います。塗膜の下の酸化被膜は、熱サイクルを待っている密着不良 だからです。そして塗装の仕様が認めていない限り、塗装後に曲げないでください。曲げの外側繊維は伸びるため、 半径 3 mm では連続していた塗膜が 2 mm では連続していないことがあります。積層アセンブリでは、成形は積層の 前に完了していなければなりません。例外はありません。

絶縁の工程に届く前に大半の問題を捕まえられる、実務的な確認が 2 つあります。角は親指でなぞるのではなく拡大して 見てください。親指はバリを見つけますが、入隅の折り込みを見落とします。そして面取りの確認はロットの最初では なく最後の部品で行ってください。銅に対する工具の摩耗は遅く累積的で、徐々に小さくなる半径として現れるから です。

生産の制約は段取り替えにある

ある構成を 50 個、それから改訂、次の構成を 80 個。これが EV 充電の仕事のリズムであり、機械は運転している 時間より段取りされている時間のほうが長くなるということです。1 直のうちどれだけをそこで失うかを決めるものが 3 つあります。

まずタレットの容量です。多品種の部品群は穴径を多く必要とし、タレットに載っていない工具はすべて、仕事の 途中での手動の工具交換になります。24 の金型ステーションを備え 36 まで拡張できる 加工センタ であれば、作業者が金型に触れることなく 混成の作業リストを流せます。同じ仕事が 8 ステーションの機械では、納期順ではなく工具ごとに部品をまとめる 順序付けの作業になり、その計画上の費用は、誰かが測るまで表に出てきません。

次にプログラムから部品までの時間で、これは少量生産で最大の隠れた費用です。1 回の改訂に手作業のプログラミングが 1 時間かかるなら、2 年サイクルの製品群は、見積に含まれていなかった技術工数を数週間分燃やします。形状データを 取り込み、寸法を打ち直さずにプログラムを生成するソフトウェアは、その 1 時間と、打ち直しに伴う転記の誤りの 両方をなくします。

3 つ目はネスティングです。薄い材料から取る小さな部品は端材を多く生み、 端材ライブラリを備えたプロジェクト全体のネスティング は、次の 仕事に前の仕事の端材を使わせます。月に 50 品番を流す工場では、これはラックが片付くだけでなく材料の歩留りの 数値に現れます。

軽い側の仕事であれば、160 × 15 mm をカバーする 300 kN の 小型複合加工機 で加圧力は通常十分すぎるほどです。 制約は最初から加圧力ではありませんでした。段取り時間でした。

薄い断面が図面指定の半径で割れずに曲がるかどうかを確認するのであれば、 曲げ力計算ツール が力を示し、金属に手を付ける前にダイ開口の妥当性を 確認させてくれます。