Алюминиевый провод с эмалевой изоляцией нового поколения

Эмалированные провода уже давно используются для изготовления обмоток в электрических моторах, трансформаторах и катушках, но области их применения расширились с развитием электроники (драйверы жёстких дисков в компьютерах или наушники), также они активно используются в современных источниках питания (инверторы или коммутирующие элементы и источники электрического тока). Эмалированные обмоточные провода имеют проводящую электрический ток сердцевину, покрытую внешним слоем изоляции из таких материалов, как поливинил, полиуретан, полиэстер, полиэфиримид, полиамидимидные и полиэмидные эмали.

Требования к эмалированным проводам можно разделить на пять основных групп: тепловые, электрические, химические, физические и экономические. Тепловые свойства определяют поведение изоляции при повышенных температурах и характер «теплового удара». Электрические свойства характеризуют диэлектрическую прочность изоляции. В некоторых случаях требуется химическая устойчивость к воздействию трансформаторного масла или охлаждающих сред. Физические свойства связаны с гибкостью, эластичностью или сопротивлением слоёв изоляции истиранию. Перечисленные параметры определяются условиями работы, в то время как физические свойства — адгезия к металлу, температура вулканизации или вязкости лака при температурах эксплуатации проводов — являются крайне важными технологическими факторами. Кроме того, экономические аспекты, такие, как цена лака, эффективность производства или конечные свойства провода, также должны приниматься во внимание. Детальный анализ различных видов эмалей представлен в ряде публикаций.

Медь является наилучшим материалом после серебра для применения в электротехнических изделиях благодаря высокой проводимости. Для использования в обмотках катушек рассматривалось применение алюминия, но такое решение оказалось экономически нецелесообразным, и в настоящее время эмалированные медные провода широко применяются как в силу экономических факторов, так и за счёт некоторых критически важных технологических особенностей. Обычная электролитическая технически чистая медь наиболее часто используется для изготовления обмоток. Для этих же целей довольно часто применяется электролитическая медь, не содержащая кислорода. Фундаментальный анализ влияния качества меди на свойства эмалированных проводов опубликован в работе. В зависимости от условий работы эмалированные провода различаются по термическим свойствам, механической прочности, способности подвергаться пайке и самосклеиваться. Готовые эмалированные провода проходят многочисленные лабораторные испытания.

Цена на медь существенно выросла после 2004 г. Это обстоятельство сделало дешёвый алюминий привлекательной альтернативой, но применение этого материала связано с техническими проблемами удовлетворения наиболее важных требований. Для решения этих проблем было проведено тщательное исследование нового поколения алюминиевых эмалированных проводов.

 

Сравнение алюминия и меди, используемых для изготовления эмалированных проводов, (x — алюминий лучше или разница отсутствует)

Чем алюминий лучше меди

 

В таблице показаны фундаментальные различия чистой меди и алюминия при использовании этих металлов для изготовления эмалированных проводов. Причиной отличий являются физические свойства материалов. В первой строке показано, что удельное электрическое сопротивление меди намного меньше, чем у алюминия. Во второй строке даны результаты анализа свойств алюминиевых и медных эмалированных проводов, обладающих одинаковым сопротивлением. В п.4 и 5 таблицы показано, что площадь поперечного сечения и диаметр алюминия больше, чем у меди, что является недостатком при миниатюризации. Однако из п.6 видно, что масса таких проводов намного меньше, что является жизненно важным фактором в тех случаях, когда снижение массы продукта имеет критическое значение. Из п.7 видно, что стоимость алюминия намного меньше стоимости меди. Рассмотрение стоимости 1 км эмалированного провода показывает, что цена эмалированных алюминиевых проводов намного меньше цены медных проводов, несмотря на больший объём переработанного материала и на большее количество использованного лака. Теплоёмкость алюминия примерно в два раза больше, чем у меди. Это очень важно, поскольку для увеличения температуры той же массы алюминия требуется намного больше энергии. В рассмотренных областях применения повышение температуры вызывается протеканием тока. Предельно допустимый ток для обоих проводов будем считать одинаковым. Для сравнения в таблице приведены рассчитанные адиабатические условия — допустимая величина тока равна корню квадратному из массы, теплоёмкости и увеличения температуры продукта, разделённых на сопротивление провода. Это обстоятельство имеет большое значение в электрических устройствах из-за больших плотностей тока и температурных перегрузок.

Следующая группа параметров, связанных с технологическими процессами изготовления проводов или обмоток, таких, как механические свойства, имеет большое значение для процесса нанесения эмали и во время изготовления обмоток. В то время как расчётное упругое последействие алюминия меньше, чем у меди (требуется только изменение настройки оборудования), худшие механические свойства алюминия создают реальные проблемы при намотке тонких проводов. Данный анализ основан на базовых физических свойствах алюминия и меди. Существуют и другие причины, по которым алюминию отдаётся предпочтение для изготовления обмоточных проводов. Во многих электронных устройствах частота электрического тока высока и скин-эффект определяет характер протекания тока в материале. В подобных случаях импеданс алюминиевых и медных катушек одинаков, но алюминиевые катушки легче и дешевле.

Другой особенностью эмалированных алюминиевых проводов является более продолжительный срок их службы. Слой изоляции на проводах не является идеально однородным. Существуют небольшие дефекты, трещины и микроотверстия, которые делают возможным контакт окружающей атмосферы и металлической жилы. Во время процесса вулканизации возникают некоторые газообразные продукты, которые могут вступать в реакцию с металлом, что приводит к образованию окисей металла на граничном слое между металлом и изоляцией. На поверхности алюминия быстро образуется очень тонкий слой окислов, который защищает внутренние части от окисления, а на поверхности меди образуются различные виды пористых окислов, и процесс окисления проникает глубоко в материал. При этом локальные поперечные сечения медного проводника уменьшаются, температура повышается в результате нагрева джоулевым теплом, а характеристики продукта ухудшаются. Таким образом, как показали детальные исследования, алюминий обладает большим сроком службы.

Ещё одной проблемой являются структура и свойства материала для конкретных применений. Эмалированные провода достаточно мягкие, но тепловые удары и продолжительный нагрев вследствие протекания в структуре материала определённых физических процессов, сопровождающихся диффузией (причина — нагрев), могут вызывать микроскопические изменения. Прочность на разрыв уменьшается. Исследования показали, что в процентном отношении у медных проводов уменьшение прочности на разрыв больше, чем у алюминиевых.

 

Тадеуш Кныч, Анджей Мамала, Михал Яблоньски и Пётр Ульяш

Перевод Святослава Юрьева