Магнитный провод или эмалированный провод — это медный или алюминиевый провод, покрытый очень тонким слоем изоляции . Он используется в конструкции трансформаторов , индукторов , двигателей , генераторов, динамиков , приводов головок жестких дисков , электромагнитов , звукоснимателей электрогитар и других приложений, требующих плотных витков изолированного провода.
Сам провод чаще всего полностью отожжён , электролитически очищенная медь. Алюминиевый магнитный провод иногда используется для больших трансформаторов и двигателей. Изоляция обычно изготавливается из прочных полимерных плёночных материалов, а не из стекловидной эмали , как можно предположить из названия.
Наиболее подходящими материалами для магнитных проводов являются нелегированные чистые металлы, в частности медь. Когда учитываются такие факторы, как химические, физические и механические свойства, медь считается первым выбором проводника для магнитных проводов. [1]
Чаще всего обмоточный провод состоит из полностью отожженной, электролитически очищенной меди, что позволяет производить более тесную намотку при изготовлении электромагнитных катушек. [2] Высокочистые сорта бескислородной меди используются для высокотемпературных применений в восстановительных атмосферах или в двигателях или генераторах, охлаждаемых водородом.
Алюминиевый обмоточный провод иногда используется в качестве альтернативы для больших трансформаторов и двигателей, в основном по экономическим причинам. Из-за своей более низкой электропроводности алюминиевый провод требует в 1,6 раза большую площадь поперечного сечения, чем медный провод, чтобы достичь сопоставимого сопротивления постоянному току.
Хотя эмалированный провод и описывается как «эмалированный», на самом деле он не покрыт слоем эмалевой краски или стекловидной эмали из расплавленного стеклянного порошка. Современный магнитный провод обычно использует от одного до четырех слоев (в случае провода типа «квадропленка») полимерной пленочной изоляции, часто двух разных составов, чтобы обеспечить прочный, непрерывный изоляционный слой.
Изоляционные пленки для магнитных проводов используют (в порядке увеличения температурного диапазона) поливинилформаль (Formvar), полиуретан , полиамид , полиэстер , полиэстер - полиимид , полиамид-полиимид (или амид-имид) и полиимид . [3] Полиимидный изолированный магнитный провод способен работать при температуре до 250 °C (482 °F). Изоляция более толстого квадратного или прямоугольного магнитного провода часто усиливается путем обмотки его высокотемпературной полиимидной или стекловолоконной лентой, а готовые обмотки часто пропитываются вакуумным изоляционным лаком для улучшения прочности изоляции и долгосрочной надежности обмотки.
Самонесущие катушки намотаны проволокой, покрытой как минимум двумя слоями, причем наружный слой представляет собой термопластик, который при нагревании склеивает витки.
Другие типы изоляции, такие как стекловолоконная пряжа с лаком, арамидная бумага, крафт-бумага , слюда и полиэфирная пленка, также широко используются во всем мире для различных применений, таких как трансформаторы и реакторы.
В аудиоиндустрии иногда используются провода из серебра вместо меди. Можно найти и другие изоляторы, такие как хлопок (иногда пропитанный каким-либо коагулирующим агентом/загустителем, например, пчелиным воском ) и политетрафторэтилен (тефлон). Более старые изоляционные материалы включают хлопок, бумагу или шелк, но они пригодны только для низкотемпературных применений до 105°C.
Для простоты производства некоторые низкотемпературные магнитные провода имеют изоляцию, которая может быть удалена при нагревании пайкой . [4] Это означает, что электрические соединения на концах могут быть выполнены без предварительного снятия изоляции, однако недостатком является то, что она может случайно расплавиться. Лазерная зачистка проводов позволяет удалять участки изоляции провода для улучшения соединения; лазерная технология может обеспечить непревзойденную точность и повторяемость для обеспечения точного соединения.
Магнитная проволока меньшего диаметра обычно имеет круглое поперечное сечение. Этот вид проволоки используется для таких вещей, как звукосниматели электрогитары. Более толстая магнитная проволока часто имеет квадратное, прямоугольное или шестиугольное (с закругленными углами) поперечное сечение, упаковываясь более эффективно и имея большую структурную устойчивость и теплопроводность через соседние витки.
Как и другие провода, обмоточные провода классифицируются по диаметру ( номер AWG , SWG или миллиметры) или площади (квадратные миллиметры), температурному классу и классу изоляции.
Напряжение пробоя зависит от толщины покрытия, которое может быть трех типов: класс 1, класс 2 и класс 3. Более высокие классы имеют более толстую изоляцию и, следовательно, более высокое напряжение пробоя .
Температурный класс указывает температуру провода, при которой он имеет срок службы 20 000 часов . При более низких температурах срок службы провода больше (примерно в два раза на каждые 10 °C более низкой температуры). Обычные температурные классы: 105 °C (221 °F), 130 °C (266 °F), 155 °C (311 °F), 180 °C (356 °F) и 220 °C (428 °F).
На практике максимальная плотность тока может варьироваться от 2,5 А/мм 2 для провода, изолированного от свободного воздуха, до 6 А/мм 2 для провода, находящегося в свободном воздухе. [ необходима ссылка ] Если по проводу протекают токи высокой частоты (выше 10 кГц), скин-эффект может повлиять на распределение тока по сечению, концентрируя ток на поверхности проводника.
Если обеспечить активное охлаждение путем продувки воздухом или циркуляции воды, то можно достичь гораздо более высоких плотностей тока — пропорционально эффективности охлаждения.
Алюминиевый провод должен иметь в 1,6 раза большую площадь поперечного сечения, чем медный провод, чтобы достичь сопоставимого сопротивления постоянному току . Благодаря этому медные магнитные провода способствуют повышению энергоэффективности в таком оборудовании, как электродвигатели.
Обмоточный провод используется в обмотках электродвигателей , трансформаторов , индукторов , генераторов , наушников , катушек громкоговорителей , позиционеров головок жестких дисков, электромагнитов и других устройств. [2] [1]
Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическое движение, обычно посредством взаимодействия магнитных полей и токопроводящих проводников. Электродвигатели используются во множестве разнообразных приложений, таких как вентиляторы, воздуходувки, насосы, машины, бытовые приборы, электроинструменты и дисководы. Самые большие электродвигатели с номиналами в тысячи киловатт используются в таких приложениях, как движение больших кораблей. Самые маленькие двигатели приводят в движение стрелки в электрических наручных часах.
Электродвигатели содержат катушки для создания требуемых магнитных полей. Для заданного размера корпуса двигателя, материал с высокой проводимостью снижает потери энергии из-за сопротивления катушки. Более плохие проводники генерируют больше отработанного тепла при преобразовании электрической энергии в кинетическую. [5]
Из-за своей высокой электропроводности медь обычно используется в обмотках катушек, подшипниках, коллекторах, щетках и разъемах двигателей, включая двигатели самого высокого качества. Более высокая проводимость меди по сравнению с другими материалами повышает эффективность использования электроэнергии двигателями. Например, для снижения потерь нагрузки в непрерывно используемых индукционных двигателях мощностью более 1 лошадиной силы производители неизменно используют медь в качестве проводящего материала в обмотках. Алюминий является альтернативным материалом в двигателях меньшей мощности, особенно когда двигатели не используются непрерывно.
Одним из элементов конструкции двигателей премиум-класса является снижение тепловых потерь за счет электрического сопротивления проводников. Для повышения эффективности использования электроэнергии асинхронными двигателями потери нагрузки можно снизить за счет увеличения сечения медных катушек. Высокоэффективный двигатель обычно имеет на 20% больше меди в обмотке статора, чем его стандартный аналог.
Ранние разработки в области эффективности двигателей были сосредоточены на снижении электрических потерь за счет увеличения веса упаковки обмоток статора . Это имело смысл, поскольку электрические потери обычно составляют более половины всех потерь энергии, а потери статора составляют примерно две трети электрических потерь.
Однако существуют недостатки в повышении электрической эффективности двигателей за счет более крупных обмоток. Это увеличивает размер и стоимость двигателя, что может быть нежелательным в таких приложениях, как бытовая техника и автомобили. [6]
Трансформатор — это устройство , которое передает электрическую энергию из одной цепи в другую через свои катушки (обмотки). Свойства, необходимые для обмоток двигателя, аналогичны свойствам, необходимым для трансформаторов, но с дополнительным требованием выдерживать механическую вибрацию и центробежные силы при рабочих температурах. [7]
Обмотки трансформаторов обычно изготавливаются из меди, но алюминий является подходящим конкурентом там, где решающими факторами являются вес и себестоимость. [2]
В Северной Америке алюминий является преобладающим выбором материала обмотки для низковольтных сухих трансформаторов мощностью более 15 киловольт-ампер (кВА). В большинстве других регионов мира медь является преобладающим материалом обмотки. Решения о покупке, как правило, являются функцией оценок потерь, выраженных в валюте за киловатт. [8]
Медь, используемая для изготовления обмоток трансформаторов, имеет форму проволоки для небольших изделий и полосы для более крупного оборудования. Для небольших изделий проволока должна быть достаточно прочной, чтобы ее можно было намотать без поломки, но при этом достаточно гибкой, чтобы обеспечить плотно упакованные обмотки. Изделия из полосы должны иметь хорошее качество поверхности, чтобы изоляционные эмали не разрушались под напряжением. Хорошая пластичность необходима для формирования и упаковки полосы, в то время как хорошая прочность необходима для выдерживания высоких электромеханических напряжений, возникающих при случайных условиях короткого замыкания. Медные обмоточные провода в трансформаторах совместимы со всеми современными изоляционными материалами, такими как лак и эмаль. Лаки позволяют размещать обмотки на близком расстоянии, чтобы обеспечить максимальную эффективность в катушках. [7]
Основной технической причиной выбора медных обмоток вместо алюминиевых являются соображения пространства. Это связано с тем, что трансформатор с медной обмоткой может быть меньше, чем алюминиевые трансформаторы. Для получения равных номиналов в алюминиевых трансформаторах требуется на 66% большая площадь поперечного сечения, чем для медных проводников. Однако использование проводников большего размера приводит к тому, что прочность обмотки из алюминия становится почти эквивалентной прочности обмотки из меди. [8]
Соединяемость — еще одно важное преимущество трансформаторов с медной обмоткой, поскольку оксидное покрытие на поверхности алюминия затрудняет пайку или иное соединение с ним. Чистка и обработка качественным герметиком для предотвращения окисления не требуются для меди. [8]
Тенденция в современных генераторах заключается в работе при более высоких температурах и более высокой электропроводности с использованием бескислородной меди для стержней обмотки и магнитного провода вместо ранее используемой раскисленной меди. [2]