Магнитный провод - Magnet wire

Индуктор из магнитной проволоки, намотанной на тороидальный сердечник.

Магнитный провод или эмалированный провод - это медный или алюминиевый провод, покрытый очень тонким слоем изоляции . Он используется в конструкции трансформаторов , катушек индуктивности , двигателей , генераторов, динамиков , приводов головок жестких дисков , электромагнитов , звукоснимателей для электрогитары и других приложений, требующих плотных витков изолированного провода.

Сама проволока чаще всего представляет собой полностью отожженную , электролитически очищенную медь. Алюминиевый магнитный провод иногда используется для больших трансформаторов и двигателей. Изоляция обычно изготавливается из прочных полимерных пленочных материалов, а не из стекловидной эмали , как следует из названия.

строительство

Дирижер

Наиболее подходящими материалами для магнитных проволок являются чистые нелегированные металлы, особенно медь. Когда учитываются такие факторы, как требования к химическим, физическим и механическим свойствам, медь считается проводником первого выбора для магнитной проволоки.

Чаще всего магнитная проволока состоит из полностью отожженной электролитически очищенной меди, чтобы обеспечить более тесную намотку при изготовлении электромагнитных катушек. Бескислородные сорта меди высокой чистоты используются для высокотемпературных применений в восстановительной атмосфере или в двигателях или генераторах, охлаждаемых газообразным водородом.

Алюминиевый магнитопровод иногда используется в качестве альтернативы для больших трансформаторов и двигателей, в основном по экономическим причинам. Из-за более низкой электропроводности алюминиевый провод требует в 1,6 раза большей площади поперечного сечения, чем медный провод, для достижения сопоставимого сопротивления постоянному току.

Изоляция

Хотя эмалированный провод описывается как «эмалированный», на самом деле он не покрыт слоем эмалевой краски или стекловидной эмали из порошка расплавленного стекла. В современном магнитном проводе обычно используется от одного до четырех слоев (в случае провода четырехпленочного типа) полимерной пленочной изоляции, часто двух разных составов, чтобы обеспечить прочный непрерывный изолирующий слой. Изоляционные пленки для магнитных проводов используют (в порядке увеличения диапазона температур) поливинилформаль ( Formvar ), полиуретан , полиамид , полиэфир , полиэфир-полиимид, полиамид-полиимид (или амид-имид) и полиимид . Магнитопровод с полиимидной изоляцией может работать при температуре до 250 ° C. Изоляция более толстого квадратного или прямоугольного магнитного провода часто усиливается путем обертывания его высокотемпературной полиимидной или стекловолоконной лентой, а готовые обмотки часто пропитываются в вакууме изоляционным лаком для повышения прочности изоляции и долговременной надежности обмотки.

Самонесущие катушки намотаны проволокой, покрытой по крайней мере двумя слоями, самый внешний из которых выполнен из термопласта, который связывает витки вместе при нагревании.

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 аудиосистеме иногда используются провода из серебра вместо меди. Можно найти различные другие изоляторы, такие как хлопок (иногда пропитанный каким-либо коагулирующим агентом / загустителем, например пчелиным воском ) и политетрафторэтилен (тефлон). Старые изоляционные материалы включают хлопок, бумагу или шелк, но они подходят только для низкотемпературных применений (до 105 ° C).

Для простоты изготовления некоторые низкотемпературные магнитные провода имеют изоляцию, которую можно удалить высокой температурой пайки . Это означает, что электрические соединения на концах можно выполнять без предварительного снятия изоляции.

Поперечное сечение

Магнитопровод меньшего диаметра обычно имеет круглое сечение. Этот вид проволоки используется для изготовления звукоснимателей электрогитары. Более толстый магнитный провод часто бывает квадратным, прямоугольным или шестиугольным (со скругленными углами) в поперечном сечении, уплотняется более эффективно и имеет большую структурную стабильность и теплопроводность по соседним виткам.

Классификация

Как и другие провода, магнитные провода классифицируются по диаметру ( номер AWG , SWG или миллиметры) или площади (квадратные миллиметры), температурному классу и классу изоляции.

Поперечный разрез магнитной проволоки AWG33, сделанный с помощью сканирующего электронного микроскопа

Напряжение пробоя зависит от толщины покрытия, которое может быть трех типов: степень 1, степень 2 и степень 3. Более высокие классы имеют более толстую изоляцию и, следовательно, более высокое напряжение пробоя .

Класс температуры показывает температуру проволоки , при котором он имеет 20000 часовой срок службы . При более низких температурах срок службы проволоки увеличивается (примерно в 2 раза на каждые 10 ° C более низкой температуры). Обычные температурные классы: 105 ° C, 130 ° C, 155 ° C, 180 ° C и 220 ° C.

Плотность тока

На практике максимальная плотность тока может варьироваться от 2,5 А / мм 2 для провода, изолированного от открытого воздуха, до 6 А / мм 2 для провода на открытом воздухе. Если по проводу проходят токи высокой частоты (выше 10 кГц), скин-эффект может повлиять на распределение тока по сечению, концентрируя ток на поверхности проводника.

Если активное охлаждение обеспечивается продувкой воздухом или циркулирующей водой, можно достичь гораздо более высоких плотностей тока - пропорционально эффективности охлаждения.

Алюминиевый провод должен иметь площадь поперечного сечения в 1,6 раза больше, чем медный провод, чтобы обеспечить сопоставимое сопротивление постоянному току . Благодаря этому медные магнитные провода способствуют повышению энергоэффективности такого оборудования, как электродвигатели.

Приложения

Магнитный провод используется в обмотках электродвигателей , трансформаторов , индукторов , генераторов , наушников , катушек громкоговорителей , позиционеров головок жестких дисков, электромагнитов и других устройств.

В электродвигателях

Медные обмотки в миниатюрном электродвигателе

Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическое движение, обычно за счет взаимодействия магнитных полей и проводников с током. Электродвигатели используются во множестве разнообразных приложений, таких как вентиляторы, нагнетатели, насосы, машины, бытовые приборы, электроинструменты и дисководы. Самые большие электродвигатели с мощностью в тысячи киловатт используются в таких приложениях, как движение больших кораблей. Самые маленькие моторы приводят в движение стрелки электрических наручных часов.

Электродвигатели содержат катушки для создания необходимых магнитных полей. Для данного размера корпуса двигателя материал с высокой проводимостью снижает потери энергии из-за сопротивления катушки. Плохие проводники выделяют больше тепла при преобразовании электрической энергии в кинетическую.

Из-за своей высокой электропроводности медь обычно используется в обмотках катушек, подшипниках, коллекторах, щетках и соединителях двигателей, включая двигатели самого высокого качества. Более высокая проводимость меди по сравнению с другими материалами повышает энергоэффективность двигателей. Например, чтобы снизить потери нагрузки в асинхронных двигателях непрерывного действия мощностью более 1 лошадиных сил , производители неизменно используют медь в качестве проводящего материала в обмотках. Алюминий является альтернативным материалом для двигателей меньшей мощности, особенно когда двигатели не используются постоянно.

Одним из элементов конструкции электродвигателей премиум-класса является снижение тепловых потерь за счет электрического сопротивления проводников. Для повышения энергоэффективности асинхронных двигателей потери нагрузки могут быть уменьшены за счет увеличения поперечного сечения медных катушек. У высокоэффективного двигателя обычно на 20% больше меди в обмотке статора, чем у его стандартного аналога.

Ранние разработки в области повышения эффективности двигателей были направлены на снижение электрических потерь за счет увеличения веса упаковки обмоток статора . Это имело смысл, поскольку на электрические потери обычно приходится более половины всех потерь энергии, а на потери в статоре приходится примерно две трети электрических потерь.

Однако увеличение электрического КПД двигателей за счет обмоток большего размера имеет недостатки. Это увеличивает размер и стоимость двигателя, что может быть нежелательно в таких приложениях, как бытовые приборы и автомобили.

В трансформаторах

Многожильный медный литц-провод используется для некоторых высокочастотных трансформаторов.

Трансформатор представляет собой устройство , которое передает электрическую энергию от одной схемы к другому через его 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.

Обмотки трансформаторов обычно изготавливаются из меди, но алюминий является подходящим конкурентом, где вес и первоначальная стоимость являются решающими факторами.

В Северной Америке алюминий является преобладающим материалом для обмотки низковольтных сухих трансформаторов мощностью более 15 киловольт-ампер (кВА). В большинстве других регионов мира медь является преобладающим материалом для обмоток. Решения о закупках обычно зависят от оценок потерь, выраженных в валюте за киловатт.

Медь, используемая для изготовления обмоток трансформаторов, имеет вид проволоки для небольших изделий и ленты для более крупного оборудования. Для небольших изделий провод должен быть достаточно прочным, чтобы его можно было намотать без разрывов, и в то же время достаточно гибким, чтобы обеспечить плотную обмотку. Ленточные изделия должны иметь хорошее качество поверхности, чтобы изоляционные эмали не разрушались под напряжением. Хорошая пластичность важна для формирования и упаковки полосы, в то время как хорошая прочность необходима, чтобы выдерживать высокие электромеханические напряжения, возникающие при случайных коротких замыканиях. Медные обмоточные провода трансформаторов совместимы со всеми современными изоляционными материалами, такими как лак и эмаль. Лаки позволяют располагать обмотки на небольшом расстоянии, чтобы обеспечить максимальную эффективность катушек.

Основная причина выбора медных обмоток вместо алюминиевых - это нехватка места. Это связано с тем, что трансформатор с медной обмоткой может быть меньше алюминиевого. Для получения равных номиналов алюминиевых трансформаторов требуется на 66% больше площади поперечного сечения, чем у медных проводников. Однако использование проводов большего размера приводит к тому, что прочность алюминиевой обмотки почти эквивалентна прочности медных обмоток.

Возможность подключения - еще одно важное преимущество трансформаторов с медной обмоткой, поскольку оксидное покрытие на поверхности алюминия затрудняет пайку или иное соединение с ним. Очистка и обработка щеткой качественным герметиком для предотвращения окисления меди не требуется.

В генераторах

Тенденция в современных генераторах состоит в том, чтобы работать при более высоких температурах и более высокой электропроводности с использованием бескислородной меди для полевых шин и магнитного провода вместо ранее использовавшейся раскисленной меди.

Рекомендации