2013年国外电磁线新产品调查分析

电磁线 2013-02-17 02:43

进入20世纪80年代,国外电磁线产品的发展动向为:以漆包线为主导的电磁线产品的发展已从研制开发耐热性更高的新品种转向产品结构和涂层结构的创新,以达到提高线的性能水平及开发新的功能和改善加工特性的目的,从而更快地适应市场需求的变化。本文概要介绍近十年来国外有代表性的电磁线新产品,其经验将对提高我国产品的科技含量,以及推动行业的技术创新会起到借鉴作用。

1、变频电机用抗高频脉冲漆包线20世纪70年代用正弦脉冲宽度调制技术(SPWM)的变频器，使交流电机变频调速进入了实用阶段。交流变频调速具有提高设备工艺水平，提高生产效率和显著节能的效果。但是，当变频器的功率器件使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)时，载波频率可达15～20kHz，可变的极高频率和大量瞬间脉冲尖峰电压能引起电晕放电,使电机绝缘系统过早损坏。

2、美国PhelpsDodge公司在上个世纪90年代中期所研制的三涂层TZQS线就是针对变频电机专用的抗高频脉冲漆包线。这种线是在铜或铝导线上涂有THEIC改性聚酯底涂层,中间为加有二氧化硅、氧化铝或其它金属氧化物微细粉粒的聚酰胺酰亚胺"屏蔽"涂层,表面是改性的聚酰胺酰亚胺涂层。TZQS线的漆膜厚度符合IEC标准2级要求,其中间涂层不小于漆膜总厚度的40%。这种漆包线的漆膜不透明,呈黄褐色。线的耐热性为200级,其综合性能与普通的THEIC改性聚酯/聚酰胺酰亚胺线的性能基本一致,能满足IEC317-13和NEMA MW35标准的要求,线的tgδ-T曲线形态具有普通THEIC改性聚酯/聚酰胺酰亚胺线的tgδ-T曲线的典型特征。经多项相关试验证明,TZQS线的涂层具有突出的抗高频和瞬间脉冲尖峰电压的能力,例如在相同漆膜厚度的情况下,其抗脉冲试验的寿命是普通THEIC改性聚酯/聚酰胺酰亚胺漆包线的100倍。

已知欧洲生产的抗高频脉冲漆包线有双涂层和三涂层两种,其底涂层多为聚酯亚胺,双涂层的表层、三涂层的中间涂层是含有如氧化铬等氧化物的聚酰胺酰亚胺涂层,因此线的漆膜呈不透明的绿色或黄色。这一涂层一般都较厚,可达到漆膜总厚度的60%以上,正因为如此,这种线的tgδ-T曲线形态与传统的聚酯亚胺/聚酰胺酰亚胺线有明显的差异。

实验表明,涂层中加入氧化物粉粒会对漆包线的某些性能产生一定的影响,例如能使以圆棒卷绕所代表的漆膜柔韧性有所降低,会使拉伸或弯曲针孔增多,影响的程度与所添加的氧化物粉粒的份量和粒度的大小直接有关。为了减轻这种不良影响,有必要在此涂层之外复合另外的涂层作为保护。

近年来,纳米材料科技的发展为抗高频脉冲漆包线漆的改进和提高创造了条件,研制均相、透明和涂敷性更好的漆不仅有利于线的生产,而且能使漆包线的性能更优良并可能产生新的特性,而漆包线的应用也会超出变频驱动电机的领域。

2、坚韧耐磨漆包线在当今电机、变压器、电子元器件线圈的绕制、嵌入、整形普遍采用高速自动化操作的情况下,需要漆包线具有优良的耐加工性能,以尽可能减少制造过程中的损失,并避免最终产品的击穿事故。

应用实践表明,漆包线的耐加工性主要取决于漆膜的耐磨性,而提高耐磨性的关键是增强漆膜的坚韧性和降低线的表面摩擦系数。

美国PhelpsDodge公司于上世纪90年代末期在THEIC改性聚酯/聚酰胺酰亚胺线的基础上,先后研制出两种坚韧耐磨的漆包线,即双涂层的PTZTW 线和三涂层的TZQTW 线。这两种漆包线的相同之处都是以THEIC改性聚酯为底涂层,以加有含氟有机聚合物增韧剂的聚酰胺酰亚胺为表面涂层。所不同的是,三涂层TZQTW 线其底表涂层之间有一中间涂层,由含有氧化物微细粉粒的聚酰胺酰亚胺构成。线的涂层结构见下图。TZQTW 线三个涂层的厚度比约为45:35:20。各涂层以及整体漆膜的不圆度控制在1:1.2之内。

在聚酰胺酰亚胺表涂层中加入含氟有机聚合物的主要目的是增强漆膜的坚韧性。实验表明,随着增韧剂量的增加,漆包线的往复刮漆次数能成倍的提高,同时由于加入含氟聚合物使漆膜具有自润滑性,可在一定范围内降低线的表面摩擦系数,例如Ф1.0mm漆包线在没有外部润滑的情况下其摩擦系数可达0.15。但含氟聚合物的加入量也不宜过多,当加入过量时非但对降低摩擦系数不起作用,还会对线的柔韧性产生一些不良影响,如使1D卷绕预伸长由35%减至30%。

由于三涂层TZQTW 线的中间涂层中含有氧化物微细粉粒,而且涂层又较厚,这就使整个漆膜的硬度和坚韧性得到进一步加强,所以其耐磨性要比双涂层的PTZTW 线高一倍以上。以直径为1.0mm、漆膜厚度均为0.08mm的漆包线为例,普通的THEIC改性聚酯/聚酰胺酰亚胺线、双涂层PTZTW 线、三涂层TZQTW 线的往复刮漆次数分别为60～100次、200～300次和500～800次,可明显地看出坚韧耐磨漆包线在耐磨性方面的突出优势。

和其它传统漆包线的生产规律一样,双涂层或三涂层坚韧耐磨线的耐刮性能也是随着线速的降低而提高,因此选择良好的工艺条件,对于保证漆膜适度固化十分重要。

漆包线的动态力学特性和衰减全反射红外光谱的测定结果显示,加有含氟有机聚合物添加剂的改性聚酰胺酰亚胺涂层,其裂解产生N=C=O基团的温度高于普通聚酰胺酰亚胺约25ºC,因此证明坚韧耐磨漆包线具有更高的热稳定性。实测线的耐热性高于200级。由于以上两种坚韧耐磨漆包线都属于高耐热性线,且涂层结构复杂,材料和制造成本高,因此应用受到一定限制。但其涂层复合方式以及采用在漆中添加增韧剂提高线的耐磨性,用自润滑涂层降低线的摩擦系数等相关技术都可作为其它品种漆包线质量改进和品种创新的借鉴。

3、挤包绝缘和漆包/挤包复合绝缘电磁线

这是一类采用脂肪族或芳香族线型热塑性工程树脂用挤出成型的加工方式,使绝缘层包覆于金属导线或漆包线上而制成的电磁线。目前国外生产的挤包电磁线已有很多品种,能达到105～220甚至更高的耐热等级需要。主要品种见下表。

挤包绝缘电磁线多为单一树脂层，为了特殊应用也有不同树脂多层复合的绝缘结构。当使用染色树脂时可易于区分绝缘的层次。线的导体材料多使用铜线,特殊情况下也可用镀锡、镀银铜线或铜合金线。当以漆包线作为导线时产品就称为漆包/挤包复合绝缘线。

由于挤包电磁线的绝缘层和漆包涂层的树脂结构不同，也由于挤包绝缘层一般较厚，因此挤包电磁线具有很多漆包线或绕包线所不易达到或不可能具备的优良特性。

TEX-E是日本古河公司多层复合聚酰胺挤包电磁线,在Ф0.20～Ф1.00mm规格内其绝缘层的标称厚度(单面)均为0.10mm，厚度公差约10%，整体绝缘层的不圆度可控制在1:1.1之内。TEX-E线具有20kV的击穿电压水平和10kV、1min的持续耐压能力，线的机械性能优良，具有高耐磨性和低摩擦系数。另外，TEX-E线在420ºC下具有直焊性。

TEX-E线的主要缺点是耐热性低和耐溶剂、耐化学药剂性差。基于上述特性TEX-E线特别适用于对绝缘的电气强度、机械强度要求高,绕制加工条件苛刻,而对耐热性要求相对较低的电器产品领域。

ETFE、FEP和PFA线的绝缘层同属于线型热塑性四氟乙烯共聚树脂,虽然三种线的耐热等级不同,但都在相应的热级中表现出优良的耐热性,能在极低温到高温的广泛温度范围内长期工作。三种线的化学稳定性、耐候性、耐老化性,机械性能和电气性能等均优良。FEP和PFA线还具有自润滑性。

PFA线的耐热性和综合性能最好,且由于PFA树脂的加工性好,因而更适合生产小规格薄绝缘层的电磁线。以上三种氟树脂挤包电磁线主要应用在对耐热性、耐老化、耐化学腐蚀、耐油、耐辐照性等要求高或高频下工作的电机电器领域。

PAS线是芳香族线型热塑性聚芳砜树脂挤包电磁线,主要生产单一绝缘层的大规格圆线和扁线。

绝缘层达到NEMA标准厚绝缘到加厚绝缘的尺寸。PAS线具有良好的热性能、机械性能、电性能和优良的耐溶剂、耐化学药剂和耐辐照性,线的耐油性和耐水解性突出,因此聚芳砜挤包电磁线主要用作大型F级电机和油浸变压器的绕组线。

PEEK线是美国PhelpsDodge公司近年开发的电磁线新产品,线的绝缘层是芳香族线型热塑性聚芳醚酮树脂。有圆线和扁线两类,圆线的规格为0.4～5.00mm,绝缘层厚度按NEMA标准的厚至超厚绝缘生产。PEEK线有很高的耐热性,其20000h外推寿命达240ºC,热冲击性可通过预伸长20%、3D卷绕，240ºC、30min的试验。线的电气和机械性能也很好，但最突出的则是绝缘层的化学稳定性,经长时间高温、高压水解实验证实，其耐水解性大大超过芳香聚酰亚胺漆包线。

因此，PEEK线主要用于处在严酷化学气氛和高温环境下工作的电机、电气设备中，例如深井潜油、潜水电机的绕组。生产挤包绝缘电磁线的关键是挤出树脂材料和挤出工艺设备。随着树脂合成技术的改进,综合性能和加工性能优良新型树脂的规模化生产，以及薄型精密挤出设备和工艺技术的完善,挤包绝缘电磁线在市场需求的推动下必将得到迅速发展。

4、利兹线

利兹线(LitzWire)是由多根单独绝缘的导线经绞合或编织而成的电磁线。由于这种结构的每一根单线都可处于整个导线截面的任何位置,因而使通过的电流分布均匀,磁通量均衡。同时能有效抑制在交变磁场中,尤其是在高频下更为显著的"集肤效应"和"邻近效应"所造成的导体有效电阻增大而引致的发热现象。

用于制造利兹线的单线多为现有的各种单一或复合涂层的漆包铜圆线,其规格一般在0.05～1.00mm之间。

利兹线的绞合方式有同心绞合、集合绞合(束绞)和复合绞合等三种。普通绞合或编织的利兹线也可再用涂敷、挤包或绕包的方法制成具有外部包覆层的利兹线,即漆包利兹线、挤包利兹线和绕包利兹线。

利兹线广泛应用于中、高频发电机、电动机、高频变压器、电磁加热器、高频线圈，以及电视机、显示器的偏转线圈等领域。20世纪90年代,由于高清晰度彩色显示系统扫描频率的提高,为了解决在高频下偏转线圈过度发热而导致寿命缩短的问题,日本首先研究用利兹线替代漆包单线制造偏转线圈取得良好效果,因而使利兹线在这一新领域的应用得到迅速发展。

目前用于偏转线圈的利兹线主要有两类:一类是用自粘性漆包单线绞合;另一类则是用有聚酰胺(尼龙)外涂层的漆包单线绞合制成。自粘性漆包单线多以聚氨酯、普通聚酯亚胺或直焊聚酯亚胺为底涂层,其粘结涂层普遍采用共聚聚酰胺树脂。聚酰胺粘结涂层应具有低吸湿性、低变形性和自润滑性。

降低线的表面摩擦系数能减小绕线摩擦阻力,缩短绕线长度,从而使线圈具有更好的"贴模性"和更小的变形性。直焊聚酯亚胺/聚酰胺利兹线用于直绕式偏转线圈,因而不需要粘结功能,但是要有更好的耐磨性以防止绕制损伤。

用于偏转线圈的利兹线是由6～30根直径为0.08～0.20mm的漆包单线,以5～50mm的绞距采用同心或集合绞合方式来制造。漆包单线的优良性能和质量一致性是保证利兹线质量的关键,因此用于利兹线制造的漆包单线要比生产普通漆包线更严格的质量控制,使其导体和外径尺寸波动更小,线的伸长率、抗拉强度和柔软度的一致性更好,并尽量减少涂层中以酚为代表的溶剂残存量,其次,线的表面润滑物质的附着量也需严格控制在规定范围之内。对单线采用"拆解法"检测是目前检验利兹线成品质量的方法,也是对绞合工艺质量的验证。

漆包利兹线是用7根漆包单线经同心绞合后外部涂敷粘结涂层制成,由于这种线的尺寸稳定性、绕制性和粘合成型时单线的分布形态均较差,因此在偏转线圈的制造领域很少应用。

挤包和绕包利兹线是生产历史长、结构多样化的一大类产品,除了应用于偏转线圈以外,还广泛应用于从极低频到高频范围内的通讯设备、超声设备、声波定位设备、功率转换设备，以及高频感应器、变压器等很多领域中。挤包和绕包利兹线有圆形和矩形两种截面型式。

圆线可由多根漆包单线绞合,或由多股绞合线束再绞合,或由多股绞合线束以纤维线芯为中心同心绞合,然后在外部挤包一层或多层树脂绝缘层。也可以用纤维或薄膜绕包制成绕包利兹线。扁线是由漆包线束绞合或编织成型呈矩形截面后,在外部挤包树脂绝缘层制成。目前较多使用ETFE、FEP和PFA等氟树脂作为挤出树脂材料。

5、自粘性平行并束漆包线

自粘性平行并束线是具有外部粘结涂层的多根并束漆包线。目前欧洲和日本的产品都是由7根直径相同的漆包单线制成,线的结构见下图。