Chế tạo thanh cái cho thiết bị sạc xe điện

Một xưởng làm tủ đóng cắt nhận việc sạc xe điện thường thấy chi tiết thì dễ mà quy trình thì khó. Thanh nhỏ, tiết diện mỏng, yêu cầu về lực ép chẳng đáng kể. Thứ khiến người ta vấp là dải dung sai chặt hơn công việc tủ đóng cắt, cỡ lô nhỏ hơn, bản vẽ thay đổi giữa các đợt sản xuất, và một cái cạnh làm tồi sẽ quay lại dưới dạng một sự cố cách điện sau mười tám tháng vận hành chứ không phải một lời phàn nàn về thẩm mỹ ở khâu nhận hàng.

Các chi tiết trông như thế nào

Thiết bị sạc xe điện chia thành hai nhóm thanh cái khá khác nhau.

Phía AC và phía phân phối của một tủ sạc trông quen thuộc: đồng chữ nhật, dày 6 đến 10 mm, đột và uốn, mối nối bắt bu lông, khá giống một tủ phân phối nhỏ. Không có gì bất thường ở đó.

Phía DC mới là chỗ công việc đổi khác. Các kiến trúc sạc đã hội tụ về dải làm việc khoảng 200 đến 920 V DC cho các lắp đặt CCS, với đặc tả cho phép rộng tới 50 đến 1000 V DC. Megawatt Charging System đang được triển khai cho xe hạng nặng có định mức 1,250 V và 3,000 A DC. Những con số đó nghĩa là các thanh dẫn ngắn, rộng, mỏng mang dòng rất lớn giữa các mô đun công suất, và nghĩa là các thanh dẫn được xếp sát nhau tới mức không khí một mình không còn làm nhiệm vụ cách điện được nữa.

Công việc điển hình ở phía DC và ở phần liên kết giữa các mô đun chạy trên chiều dày 1.5 đến 6 mm, thường dài dưới 300 mm, với số lượng từ vài chục đến vài trăm cho mỗi cấu hình. Các chi tiết thường được ép lớp hoặc bọc màng cách điện chứ không để trần. Và phiên bản bản vẽ thì thay đổi, bởi phần điện tử công suất bên trong một tủ sạc nằm trên chu kỳ sản phẩm hai đến ba năm, không phải hai mươi năm.

Các mặt giáp ranh ép lớp và bọc cách điện

Có ba cách tiếp cận cách điện chiếm ưu thế, và mỗi cách đặt lên phần kim loại một đòi hỏi khác nhau.

Ép màng gắn polyester hoặc polyimide lên thanh dẫn, đôi khi với hai hay nhiều thanh dẫn được dựng thành một chồng để cắt bớt điện cảm vòng. Màng thì mỏng, thường dưới hẳn một milimét, và nó phải ôm theo cạnh thanh dẫn mà không bị mỏng đi hay bắc cầu qua.

Sơn tĩnh điện bột phủ bột epoxy bằng tĩnh điện rồi đóng rắn trong lò. Cách này rẻ và chịu được va chạm khi thao tác. Nó cũng không tha thứ cho hình học sắc cạnh, bởi trong lúc đóng rắn lớp phủ chảy ra và sức căng bề mặt kéo nó khỏi các cạnh lồi, để lại lớp màng mỏng nhất đúng ở chỗ điện trường cao nhất.

Bọc đúc và đổ keo bọc kín đặt thanh dẫn vào khuôn rồi đúc nhựa quanh nó, hoặc đổ keo bọc cả cụm. Cách này cho kết quả cơ học tốt nhất và ít dung nạp khí bị nhốt nhất, bởi một bọng khí hình thành trong lúc đúc thì bị bịt kín bên trong và không kiểm tra được nếu không có một phép thử cách điện mà dù sao cũng có thể đạt.

Hướng dẫn đã công bố về xử lý cạnh cho thanh cái ép lớp nêu ra bốn cách: để hở cạnh, ép kín mép, dùng FR4, và trám epoxy ở mép. Cách ép kín mép đòi hỏi lớp cách điện chờm ra ngoài mép đồng ít nhất gấp hai lần chiều dày thanh dẫn, và phần chờm đó chỉ hoạt động được nếu mép đồng nằm đúng chỗ bản vẽ nói. Đó là một ràng buộc chế tạo được khoác áo một lựa chọn thiết kế.

Cạnh là nơi lớp cách điện hỏng

Chất lượng vát cạnh chi phối phân khúc này vì một lý do vật lý mà phần lớn đặc tả chỉ nêu ra thành một con số kích thước trơ trọi mà không nói nó từ đâu ra.

Bắt đầu từ hình học. Một cạnh đã cắt bằng dao hoặc đã đột thì không vuông. Nó có một vành uốn mép ở phía chày ăn vào, một dải bóng miết, một vùng đứt gãy và một bavia ở phía ra. Cái "góc" đó trên thực tế là một bán kính vài chục micromét, và ở vài chỗ nó là một mũi bavia có bán kính còn nhỏ hơn thế.

Bây giờ đặt lớp cách điện lên đó. Bất kể quy trình nào, vật liệu cũng phải quặt một góc vuông quanh cái góc ấy. Màng thì bắc cầu qua chứ không ôm theo. Bột thì co lại. Nhựa đúc thì phải điền đầy một góc lõm vào, chống lại chính sức căng bề mặt của nó và chống lại lượng khí vốn đã nằm sẵn ở đó. Trong mỗi trường hợp, kết quả nhiều khả năng là một túi khí nhỏ bị nhốt giữa thanh dẫn và lớp cách điện, ngay tại cái góc.

Chính cái túi khí đó là vấn đề, vì hai lý do cộng hưởng với nhau.

Thứ nhất, điện trường ở đó là cao nhất. Điện trường tập trung tại một chi tiết lồi của vật dẫn, và với bán kính nhỏ thì mức tăng cường cục bộ tỷ lệ đại khái với nghịch đảo của bán kính. Một mũi bavia 20 µm nằm trong một điện trường vốn thoải mái trên một mặt phẳng thì lại chẳng thoải mái chút nào tại mũi bavia đó.

Thứ hai, không khí là vật liệu yếu nhất trong cả cụm và nó lại đang gánh nhiều hơn phần của mình. Trong một bọng khí bao quanh bởi một chất điện môi rắn, điện trường trong bọng khí cao hơn điện trường trong chất rắn xấp xỉ theo tỷ số hằng số điện môi tương đối của chúng. Epoxy và polyester nằm quanh 3 đến 4; không khí là 1. Vậy bọng khí chịu điện trường gấp ba đến bốn lần lớp nhựa xung quanh, trong khi chỉ có khoảng một phần mười độ bền điện môi của nó.

Bọng khí bị ion hóa, và một khi đã ion hóa thì nó không dừng lại. Phóng điện cục bộ bào mòn lớp cách điện từ bên trong, hốc bị bào mòn lớn dần, hoạt động phóng điện lớn theo, và cuối cùng chi tiết hỏng ở một mức điện áp mà nó đã chịu được vào ngày nó được thử nghiệm. Tài liệu nghiên cứu về thanh cái ép lớp nhất quán về điểm này: sự khởi phát phóng điện cục bộ trong các khuyết tật nằm bên trong xảy ra ở mức vài kilôvôn, tức nằm trong dải làm việc của một kiến trúc 800 V hay 1000 V DC một khi đã tính tới các quá áp quá độ.

Một cạnh bo tròn làm giảm hệ số tăng cường điện trường, và hữu ích hơn nữa là nó cho vật liệu cách điện một hình học mà nó thấm ướt và ôm theo được. Điện trường không bao giờ trở nên đồng đều; nó trở nên sống sót được. Đó là toàn bộ lập luận cho việc vát cạnh trong ứng dụng này, và nó dựa trên vật lý chứ không dựa trên một điều khoản nào.

Các tiêu chuẩn thực sự nói gì về chuyện đó

IEC 60664-1 là tiêu chuẩn về phối hợp cách điện, và nó là tài liệu tham chiếu đúng cho các con số khe hở không khí và chiều dài đường rò trong một thiết kế trạm sạc. Khe hở không khí suy ra từ điện áp chịu xung định mức kết hợp với cấp độ nhiễm bẩn và độ cao; chiều dài đường rò suy ra từ điện áp làm việc kết hợp với cấp độ nhiễm bẩn và chỉ số phóng điện bề mặt so sánh của vật liệu cách điện. Đó là những thông số mà một người thiết kế thiết bị sạc xe điện làm việc theo.

Điều mà IEC 60664-1 không làm là bảo bạn phải vát cạnh. IEC 61439 cũng không. Điều đó cần được nói ra, bởi khá nhiều tài liệu của các hãng khẳng định IEC 61439 bắt buộc phải có bán kính cạnh trên thanh cái, mà không hề tồn tại một điều khoản nào như vậy. Bán kính cạnh là một biện pháp kỹ thuật để đáp ứng các quy định về cách điện, khe hở không khí và chiều dài đường rò, và để làm cho một quy trình bọc cách điện trở nên khả thi trong sản xuất. Nếu đặc tả của khách hàng yêu cầu một bán kính cụ thể thì con số đó ra đời từ quy trình cách điện của họ, vậy hãy hỏi đó là quy trình nào. Câu trả lời làm thay đổi nghĩa của chữ "tốt": bán kính được chọn cho việc ép kín mép không phải bán kính được chọn cho sơn tĩnh điện bột.

Một cái cạnh tốt trông ra sao ngoài xưởng

Có hai nguyên công riêng biệt, hay bị nhầm với nhau.

Gọt bavia lấy đi bavia và lớp oxit. Đó là một nguyên công xử lý tình trạng bề mặt trên cả mặt chi tiết, và nó là việc bạn làm trước khi mạ hoặc trước khi dán bất kỳ màng có keo nào lên. Một máy gọt bavia hai giai đoạn xử lý chiều dày 0.5 đến 50 mm ở tốc độ 5 đến 30 m/min đưa cả lô về một tình trạng đồng đều, và với độ bám của lớp phủ thì sự đồng đều đó quan trọng hơn độ nhẵn trung bình.

Vát cạnh là việc lấy đi phần góc một cách có kiểm soát theo một biên dạng xác định. Trên các chi tiết mỏng của thiết bị sạc xe điện thì đây là chỗ khó, bởi một thanh 2 mm có rất ít phần góc để lấy đi và một nhát vát nặng tay sẽ ăn vào tiết diện vốn được chọn theo dòng điện. Một máy vát cạnh CNC làm việc trên phôi dày 3 đến 15 mm với định vị và độ lặp lại ±0.05 mm, cùng trục chính BT40 đến 6,000 rpm, cho ra một biên dạng giống nhau ở chi tiết thứ nhất và chi tiết thứ bốn trăm. Một cái máy mài để bàn thì không, và trên một chi tiết ép lớp nơi phần màng chờm được quy định so với mép đồng thì một nhát vát trôi dạt là một nhát vát làm dịch cái mép.

Trình tự cũng quan trọng ngang với bản thân các nguyên công. Vát cạnh trước rồi gọt bavia, để lượt gọt bavia làm sạch phần bavia thứ cấp mà dao vát cạnh dựng lên; gọt bavia trước mọi công đoạn mạ hay phủ, bởi oxit nằm dưới một lớp phủ là một chỗ hỏng liên kết bám đang chờ một chu kỳ nhiệt; và đừng uốn sau khi phủ trừ khi đặc tả lớp phủ nói rằng bạn được phép, bởi thớ ngoài của một mối uốn bị kéo giãn và một lớp phủ còn liền lạc ở bán kính 3 mm có thể sẽ không còn liền lạc ở 2 mm. Trên các cụm ép lớp thì việc tạo hình phải xong trước khi ép lớp, không có ngoại lệ.

Hai phép kiểm tra thực tế bắt được phần lớn vấn đề trước khi chúng tới dây chuyền bọc cách điện. Hãy nhìn cái góc dưới kính phóng đại thay vì vuốt ngón tay dọc theo nó, bởi ngón tay tìm thấy bavia mà bỏ sót một nếp gấp lõm vào. Và hãy kiểm tra nhát vát trên chi tiết cuối cùng của lô, không phải chi tiết đầu tiên, bởi mòn dao trên đồng thì chậm và tích lũy, và nó lộ ra dưới dạng một bán kính co lại dần.

Chuyển đổi loạt là ràng buộc của sản xuất

Năm mươi chi tiết của một cấu hình, rồi một bản sửa đổi, rồi tám mươi chi tiết của cấu hình kế tiếp. Đó là nhịp của công việc sạc xe điện, và nó nghĩa là cỗ máy dành nhiều thời gian sống của mình cho việc gá đặt hơn là cho việc chạy. Có ba thứ quyết định bạn mất bao nhiêu phần ca vào đó.

Dung lượng turret đứng đầu. Một họ chi tiết nhiều chủng loại cần rất nhiều cỡ lỗ, và mọi dụng cụ không nằm trong turret đều là một lần thay khuôn bằng tay giữa chừng công việc. Một trung tâm gia công với 24 trạm khuôn, mở rộng được lên 36, sẽ chạy một danh sách công việc hỗn hợp mà người vận hành không phải động vào khuôn dao. Cũng công việc đó trên một cỗ máy tám trạm sẽ trở thành một bài toán xếp thứ tự, nơi bạn nhóm các chi tiết theo dụng cụ thay vì theo ngày giao hàng, và cái giá điều độ của việc ấy vẫn vô hình cho tới khi có ai đó đo nó.

Rồi tới thời gian từ chương trình tới chi tiết, chi phí ẩn lớn nhất trong công việc sản lượng thấp. Nếu một bản sửa đổi ngốn một giờ lập trình bằng tay thì một họ sản phẩm trên chu kỳ hai năm sẽ đốt hàng tuần giờ kỹ thuật vốn chưa từng được tính vào báo giá. Phần mềm nhập hình học vào và tạo ra chương trình mà không phải gõ lại kích thước sẽ loại bỏ cả cái giờ đó lẫn những sai sót chép tay đi kèm việc gõ lại.

Nesting là thứ thứ ba. Chi tiết nhỏ cắt từ phôi mỏng sinh ra nhiều phần cắt thừa, và nesting cả dự án cùng một kho phôi thừa cho phép công việc kế tiếp tiêu thụ phần dư của công việc trước. Ở một xưởng chạy năm mươi mã chi tiết mỗi tháng, điều đó hiện ra trong con số hiệu suất sử dụng vật liệu, chứ không chỉ trong một cái giá vật tư gọn gàng hơn.

Với đầu nhẹ của công việc này, một máy đa năng gọn 300 kN bao phủ 160 × 15 mm thường là thừa lực. Lực ép chưa bao giờ là ràng buộc. Thời gian gá đặt mới là.

Nếu bạn đang kiểm tra xem một tiết diện mỏng có uốn được mà không nứt ở bán kính bản vẽ quy định hay không, công cụ tính lực uốn sẽ cho bạn con số lực và cho bạn kiểm tra lại khẩu độ cối trước khi cắt kim loại.