Обработка шин для зарядного оборудования электромобилей

Щитовое производство, берущееся за работу по зарядному оборудованию для электромобилей, обычно обнаруживает, что детали простые, а процесс трудный. Шины небольшие, сечения тонкие, требуемое усилие незначительное. Подводит другое: поле допуска здесь уже, чем в работе по распределительным устройствам, партии меньше, чертежи меняются от запуска к запуску, а плохая кромка возвращается не косметической претензией при входном контроле, а отказом изоляции через полтора года эксплуатации.

Как выглядят детали

Зарядное оборудование для электромобилей делится на две довольно разные группы шин.

Сторона переменного тока и распределения в шкафу зарядной станции выглядит привычно: прямоугольная медь толщиной от 6 до 10 mm, пробивка и гибка, болтовые соединения — почти как в небольшом распределительном щите. Ничего необычного в ней нет.

Работа меняется на стороне постоянного тока. Архитектуры зарядки сошлись на рабочих диапазонах примерно от 200 до 920 V постоянного тока для установок CCS, притом что спецификация допускает и более широкий диапазон — от 50 до 1000 V постоянного тока. Система мегаваттной зарядки, которую сейчас разворачивают для большегрузного транспорта, рассчитана на 1250 V и 3000 A постоянного тока. За этими числами стоят короткие, широкие и тонкие проводники, несущие очень высокий ток между силовыми модулями, и то, что проводники уложены достаточно плотно, чтобы изоляцию обеспечивал уже не один только воздух.

Типичные детали стороны постоянного тока и межмодульных соединений имеют толщину от 1,5 до 6 mm, часто длину менее 300 mm, и выпускаются в количествах от десятков до первых сотен на конфигурацию. Детали часто не голые, а ламинированные (многослойные) или изолированные плёнкой. И редакция чертежа меняется, потому что силовая электроника внутри шкафа зарядной станции живёт продуктовым циклом в два-три года, а не в двадцать лет.

Ламинированные и изолированные соединения

Преобладают три подхода к изоляции, и каждый предъявляет к металлу своё требование.

Ламинирование плёнкой приклеивает к проводнику полиэфир или полиимид, иногда с двумя и более проводниками, собранными в один пакет, чтобы снизить индуктивность контура. Плёнка тонкая, часто заметно тоньше миллиметра, и она должна облегать кромку проводника, не утоняясь и не перекидываясь мостиком.

Порошковое покрытие наносит эпоксидный порошок электростатически и полимеризует его в печи. Оно дёшево и переносит обращение при монтаже. Оно же не прощает острой геометрии: при полимеризации покрытие течёт, и поверхностное натяжение стягивает его с выпуклых кромок, оставляя плёнку самой тонкой ровно там, где поле наибольшее.

Опрессовка и заливка помещают проводник в форму и формуют вокруг него смолу либо заливают узел целиком. Это даёт лучший механический результат и наименьшую терпимость к защемлённому воздуху, потому что полость, образовавшаяся при формовании, оказывается запечатана внутри, и проверить её нельзя иначе как испытанием изоляции, которое всё равно может пройти.

Опубликованные рекомендации по обработке кромок ламинированных шин выделяют четыре подхода: открытая кромка, кромка с обжимной герметизацией, FR4 и кромка, залитая эпоксидом. Обжимная герметизация требует напуска изоляции не менее двух толщин проводника за кромку меди, а этот напуск работает, только если кромка меди находится там, где её указывает чертёж. Это производственное ограничение, поданное как конструкторский выбор.

Изоляция отказывает по кромке

Качество фаски определяет в этом сегменте очень многое, и по физической причине, которую большинство спецификаций приводит как голый размер, не объясняя, откуда он взялся.

Начнём с геометрии. Отрезанная или пробитая кромка не прямоугольна. У неё есть зона смятия со стороны входа в матрицу, блестящий поясок зоны среза, зона скола и заусенец на выходе. «Угол» на деле представляет собой радиус в несколько десятков микрометров, а местами — вершину заусенца с радиусом ещё меньше.

Теперь нанесите на неё изоляцию. Каким бы ни был процесс, материалу приходится делать вокруг этого угла поворот на 90°. Плёнка перекидывается мостиком, а не облегает. Порошок отступает. Формовочной смоле нужно заполнить входящий угол вопреки собственному поверхностному натяжению и вопреки тому воздуху, который там уже находится. В каждом случае вероятный результат — небольшой карман воздуха, защемлённый между проводником и изоляцией, прямо в углу.

Этот карман и есть проблема, по двум причинам, которые складываются.

Во-первых, поле там наибольшее. Электрическое поле сгущается на выпуклом элементе проводника, а при малых радиусах местное усиление растёт примерно обратно пропорционально радиусу. Вершина заусенца 20 µm в поле, комфортном по плоской грани, на самой вершине комфортной уже не является.

Во-вторых, воздух — самый слабый материал в узле, и на него приходится больше поля, чем его доля. В полости, окружённой твёрдым диэлектриком, поле в полости выше поля в твёрдом теле примерно во столько раз, каково отношение их относительных диэлектрических проницаемостей. У эпоксида и полиэфира она около 3–4, у воздуха — 1. Значит, полость видит поле в три-четыре раза больше, чем окружающая смола, обладая при этом примерно десятой долей её электрической прочности.

Полость ионизируется, а начав ионизироваться, уже не останавливается. Частичные разряды разъедают изоляцию изнутри, разъеденная каверна растёт, вместе с ней растёт интенсивность разрядов, и деталь в итоге отказывает при напряжении, которое она выдержала в день испытания. Исследовательская литература по ламинированным шинам в этом единодушна: возникновение частичных разрядов во внутренних дефектах происходит при нескольких киловольтах, а это внутри рабочего диапазона архитектуры на 800 V или 1000 V постоянного тока, если учесть кратковременные перенапряжения.

Скруглённая кромка снижает коэффициент усиления поля и, что полезнее, даёт изоляционному материалу геометрию, которую он способен смочить и облечь. Поле однородным не становится никогда; оно становится переносимым. В этом и состоит всё обоснование снятия фаски в данном применении, и опирается оно на физику, а не на пункт стандарта.

Что на самом деле говорят об этом стандарты

IEC 60664-1 — стандарт на координацию изоляции, и именно он является верной ссылкой для значений воздушных зазоров и путей утечки в конструкции зарядной станции. Воздушный зазор определяется номинальным импульсным выдерживаемым напряжением вместе со степенью загрязнения и высотой над уровнем моря; путь утечки — рабочим напряжением вместе со степенью загрязнения и сравнительным индексом трекингостойкости изоляционного материала. Это и есть параметры, по которым работает конструктор зарядного оборудования.

Чего IEC 60664-1 не делает, так это не предписывает снимать фаску. Не предписывает её и IEC 61439. Сказать об этом нужно, потому что немалая часть материалов поставщиков утверждает, будто IEC 61439 требует радиуса кромки шины, а такого пункта не существует. Радиус кромки — это инженерный способ выполнить положения по электрической прочности изоляции, воздушным зазорам и путям утечки и сделать процесс нанесения изоляции воспроизводимым. Если спецификация заказчика называет конкретный радиус, эта цифра вышла из его процесса изоляции, поэтому спросите, из какого именно. От ответа меняется то, что значит «хорошо»: радиус, подобранный под обжимную герметизацию, — не тот радиус, что подобран под порошковое покрытие.

Как хорошая кромка выглядит в цехе

Две отдельные операции, которые часто путают.

Снятие заусенцев убирает заусенец и оксид. Это операция по состоянию поверхности на всей грани, и выполняют её перед нанесением покрытия или перед укладкой любой плёнки на клеевой основе. Двухступенчатый станок для снятия заусенцев, работающий с толщиной от 0,5 до 50 mm со скоростью от 5 до 30 m/min, приводит всю партию к однородному состоянию, а для сцепления покрытия это важнее, чем средняя чистота поверхности.

Снятие фаски — это управляемое удаление угла до заданного профиля. На тонких деталях зарядного оборудования вся трудность именно здесь: у шины 2 mm угла на удаление очень мало, а грубо снятая фаска съедает сечение, подобранное по току. Станок снятия фаски с ЧПУ, работающий с заготовкой толщиной от 3 до 15 mm с позиционированием и повторяемостью ±0,05 mm и шпинделем BT40 до 6000 rpm, даёт профиль, одинаковый и на первой детали, и на четырёхсотой. Настольный точильный станок — нет, а на ламинированной детали, где напуск плёнки задан относительно кромки меди, гуляющая фаска — это гуляющая кромка.

Последовательность важна не меньше самих операций. Фаску снимайте до снятия заусенцев, чтобы проход снятия заусенцев убрал вторичный заусенец, поднятый фрезой; заусенцы снимайте до любого покрытия, потому что оксид под покрытием — это отслоение, ожидающее первого теплового цикла; и не гните после нанесения покрытия, если спецификация покрытия этого не разрешает, потому что наружное волокно гиба растягивается, и покрытие, сплошное при радиусе 3 mm, при 2 mm сплошным может уже не быть. На ламинированных узлах формообразование должно быть завершено до ламинирования, и без исключений.

Две практические проверки, которые ловят большинство проблем до участка изоляции. Смотрите на угол под увеличением, а не проводите по нему большим пальцем: палец находит заусенец и пропускает завёрнутую внутрь складку. И проверяйте фаску на последней детали партии, а не на первой, потому что износ инструмента на меди идёт медленно, накапливается и проявляется как постепенно уменьшающийся радиус.

Ограничением производства является переналадка

Пятьдесят деталей одной конфигурации, затем изменение, затем восемьдесят следующих. Таков ритм работы по зарядному оборудованию, и он означает, что станок больше времени своей жизни настраивают, чем на нём работают. Сколько смены на это уходит, решают три вещи.

Первое — вместимость револьверной головки. Широкой номенклатуре деталей нужно много типоразмеров отверстий, а каждый инструмент, которого нет в головке, — это ручная смена инструмента посреди задания. Обрабатывающий центр с 24 инструментальными позициями, расширяемыми до 36, отработает смешанный список заданий без единого прикосновения оператора к оснастке. То же задание на станке с восемью позициями превращается в задачу упорядочивания, где детали группируют по инструменту, а не по дате отгрузки, и издержки такого планирования остаются невидимыми, пока кто-нибудь их не измерит.

Дальше время от программы до детали — самая крупная скрытая статья затрат в мелкосерийной работе. Если одно изменение чертежа стоит часа ручного программирования, то продуктовое семейство на двухлетнем цикле сжигает недели инженерного времени, которых никто не закладывал в цену. Программное обеспечение, которое импортирует геометрию и выдаёт управляющую программу без повторного набора размеров, снимает и этот час, и ошибки переписывания, которые повторный набор с собой приносит.

Третье — раскрой. Мелкие детали из тонкой заготовки дают много обрезков, а раскрой на весь проект с фондом деловых остатков позволяет следующему заданию израсходовать остатки предыдущего. В цехе, который ведёт пятьдесят номенклатурных позиций в месяц, это проявляется в показателе выхода годного, а не только в более опрятном стеллаже.

Для более лёгкой части работ компактного комбинированного станка на 300 kN с диапазоном 160 × 15 mm обычно более чем достаточно по усилию. Усилие никогда и не было ограничением. Ограничением было время наладки.

Если вы проверяете, примет ли тонкое сечение гиб без трещины на радиусе, заданном вашим чертежом, калькулятор усилия гибки даст усилие и позволит прикинуть раскрытие ручья до того, как вы начнёте резать металл.