Новое поколение алюминиевых обмоточных проводов с эмалевой изоляцией

Результаты исследований, проведенных группой польских учёных из Краковского Университета науки и технологии (AGH University of Science and Technology – AGH-UST) свидетельствуют о том, что проволока из сплава алюминия может стать экономически выгодной альтернативой меди при производстве обмоточных проводов с эмалевой изоляцией.

Если раньше эмалированные провода широко использовались только в качестве электрических обмоток электродвигателей, трансформаторов и катушек, то в настоящее время они всё чаще применяются в электронике (например, приводы жёстких дисков компьютеров или наушники), а также для электропитания (например, инверторы или коммутационные элементы и источники снабжения электрическим током).

Требования, предъявляемые к эмалированным проводам, можно подразделить на пять основных групп: требования к термическим, электрическим, химическим, физическим и экономическим характеристикам. Экономические аспекты, такие, как цены на эмаль-лаки, эффективность производства или конечные свойства готового изделия, являются не менее важными, чем требования к основным характеристикам обмоточных проводов. После серебра медь является наиболее подходящим материалом для изготовления проводников. Использование алюминия в производстве обмоточных проводов оказалось экономически нецелесообразным, поэтому медные эмалированные провода занимают доминирующее положение, как с точки зрения экономики, так и с точки зрения технологических преимуществ.

Был проведен фундаментальный анализ влияния качества меди на свойства эмалированного провода. В связи с ростом цен на медь, продолжающегося с 2004 года, более дешёвый алюминий стал достаточно привлекательной альтернативой, но вместе с тем возникли некоторые технические проблемы. Потребовались дополнительные исследования для изучения характеристик алюминиевых обмоточных проводов с эмалевой изоляцией. Фундаментальные различия при использовании чистой меди и алюминия в производстве эмальпроводов вытекают из физических свойств этих материалов. Что касается экономических аспектов, то стоимость производства 1 км эмалированного провода и различия в ценах на готовый продукт говорят в пользу алюминиевых эмалированных проводов, даже, несмотря на то, что для их производства требуется больше металла и лака. Теплоёмкость алюминия почти вдвое превышает теплоёмкость меди. Это важно, поскольку алюминию требуется намного больше энергии для повышения температуры проволоки такой же массы, что и проволоки из меди.

Параметры, связанные с технологическими процессами изготовления провода или обмотки, в частности, механические свойства, важны для процесса эмалирования и при намотке катушек. Упругая деформация отвечает за упругую отдачу во время намотки. В то время как прогнозируемая упругая отдача алюминия меньше, чем у меди, более низкие механические свойства алюминия являются причиной реальной проблемы при намотке тонких проводов. Во многих электронных устройствах частота электрического тока высокая, и скин-эффект определяет протекание тока в материале. В этих случаях импеданс алюминиевых и медных обмоток фактически одинаковый, однако, алюминиевые катушки легче и дешевле.

Ещё один аспект: алюминиевые эмалированные провода имеют более длительный срок службы. Изоляционный слой не полностью однороден. Имеются незначительные дефекты, трещины и микроотверстия, создающие возможность контакта металлического сердечника с воздухом. В процессе отверждения лака образуются некоторые газообразные продукты, которые могут вступать в реакцию с металлом, в результате чего на пограничном слое между металлом и изоляцией образуется окислы металлов. Алюминий быстро формирует очень тонкий слой окислов на поверхности материала, который защищает внутренние части от окисления. Медь образует различные типы пористых окислов, и окисление проникает глубоко в материал. В результате алюминиевые эмальпровода обладают более длительным ресурсом, чем стандартные медные провода.

Ещё одна проблема заключается в структуре и свойствах материала для конечных потребителей. В результате некоторых физических процессов происходят изменения микроскопической структуры, снижается прочность провода на растяжение. Исследования показали, что снижение прочности на растяжение медного провода в процентном отношении намного больше, чем у алюминиевого провода. Что касается процесса производства эмалированных обмоточных проводов, то следует отметить два основных различия в технологии волочения проволоки из алюминия и меди. Во-первых, в качестве смазки для меди используется эмульсия, а для алюминия применяется масло, которое обладает высоким уровнем адгезии к поверхности проволоки, поэтому её необходимо очищать перед процессом эмалирования. Второе различие заключается в системах отжига (непрерывный - в случае меди и «традиционный» - для алюминия).

Следующая проблема – реакция материала на воздействие высоких температур во время тепловой обработки в эмаль-печи. Для отверждения типичных эмаль-лаков требуются высокие температуры, но поскольку это невозможно осуществить из-за металлического сердечника, разрабатываются специальные рецептуры эмалей.

Во многих национальных стандартах установлены требования к характеристикам алюминия, используемого в производстве обмоточных проводов. Основные из этих стандартов – EN для европейских производителей и NEMA – для Северной Америки. Стандарты предусматривают применение не только чистого алюминия, но также алюминия со специальными микродобавками и сплавов алюминия для производства эмалированных проводов.

Существует четыре причины использования сплавов на основе алюминия и легированного алюминия вместо чистого металла.

Во-первых, механические свойства сплавов делают их более подходящими для процесса намотки, когда провод изгибается и перемещается под натяжением в процессе формирования обмотки.

Во-вторых, благодаря своим более высоким механическим свойствам сплавы лучше выдерживают высокие температуры во время процесса эмалирования (известно, что пластическая деформация и ползучесть приводят к деформации диаметра провода).

В-третьих, более высокая температура рекристаллизации сплавов. Перед нанесением лака на проволоку, материал рекристаллизуется в паровой сушилке, и сплав обеспечивает более высокую прочность на растяжение в начале процесса эмалирования.

В-четвёртых, некоторые сплавы обладают более высокой способностью к волочению, чем чистый алюминий, что особенно важно в случае областей применения, требующих тонких проводов диаметром от 0,8 мм до 0,2 мм. Перечисленные выше аспекты гарантируют соответствующее поведение проволоки во время процессов волочения, эмалирования и изготовления электрических устройств из обмоточных проводов.

Польские учёные провели комплексный анализ материалов на основе алюминия и представили результаты по некоторым новым материалам. Алюминиевая проволока, предназначенная для эмалирования, должна обладать соответствующими механическими свойствами и хорошей электропроводностью. Добавки элементов в алюминий снижают электропроводность материала. Тяжёлые элементы, такие как V, Cr, Mn и Zv, значительно ухудшают электропроводность и являются неприемлемыми в сплавах электротехнического назначения. Но такие элементы, как B, Cu, Mg и Si, лишь незначительно снижают проводимость. Элементы в твёрдой фазе оказывают положительный эффект на повышение температуры рекристаллизации и приводят к незначительному упрочнению, но те, которые находятся вне матрицы алюминия приводят к более значительному упрочнению. Во многих случаях химический состав материала, используемого для производства эмалированных проводов, представляет собой компромисс между электропроводимостью, прочностью на растяжение и температурой рекристаллизации.

При проведении исследований был проведен анализ различных групп сплавов алюминия на всех этапах изготовления обмоточных проводов. Первая группа – сплавы Al-Fe. Вторая группа сплавов, подходящих для эмалирования проводов, - AlFeMg с небольшой добавкой магния (0,1%). Сплавы Al-Mg обеспечивают повышенную стойкость к деформации и коррозии. Ещё одна группа – сплавы AlFeCu, которые также представляют интерес в качестве материалов для производства эмалированных проводов. К сожалению, медь добавленная в алюминий, снижает стойкость к коррозии, но в эмалированных проводах металлическая часть провода изолирована от контакта с воздухом, поэтому этот эффект можно игнорировать. Зависимость между механическими свойствами сплава ALFe0,5Cu0,2 и общей механической нагрузкой во время волочения свидетельствует о том, что этот материал обладает более высокой прочностью и пластичностью, чем алюминий.

На основании проведенных исследований польские учёные сделали следующие выводы. Алюминий с добавками Fe, Mg и Cu может представлять интерес в качестве альтернативы использованию чистого алюминия для производства обмоточных проводов. Как показал анализ, технические свойства исследованных сплавов превосходят свойства чистого алюминия, поэтому их использование может обеспечить повышение надёжности технологических процессов при производстве эмалированных проводов. Технологии изготовления эмалированных проводов из Al, AlFe0,5 и AlFe0,6Mg0,1 применялись в серийном производстве на предприятии компании TELE-fonica Kable Sp.Z.0.0. S.K.A. Сплав AlFe0,5 представляется оптимальным материалом для изготовления стандартных и тонких эмалированных проводов. Сплав AlFe0,6Mg0,1 – оптимальный материал для легированных эмальпроводов. Испытания материалов с другими добавками будут продолжены.