マグネットワイヤー

マグネットワイヤまたはエナメルワイヤは、非常に薄い絶縁層でコーティングされた銅またはアルミニウムのワイヤです。変圧器、インダクタ、モーター、発電機、 スピーカー、ハードディスクヘッドアクチュエータ、電磁石、エレキギターピックアップ、および絶縁ワイヤのタイトコイルを必要とするその他のアプリケーションの構築に使用されます。

ワイヤー自体は、ほとんどの場合、完全に焼きなましされた、電解精製された銅です。アルミニウムマグネットワイヤーは、大型の変圧器やモーターに使用されることがあります。絶縁材は、名前が示すように ガラス質エナメルではなく、通常、丈夫なポリマーフィルム材料で作られています。

マグネットワイヤ用途に最も適した材料は、合金化されていない純金属、特に銅です。化学的、物理的、機械的特性要件などの要素を考慮すると、銅はマグネットワイヤの第一選択導体と考えられています。^[1]

ほとんどの場合、マグネットワイヤは、電磁コイルを作る際に密に巻くことができるように、完全に焼鈍された電解精製銅で構成されています。^[2]高純度無酸素銅グレードは、還元雰囲気での高温用途や、水素ガスで冷却されるモーターや発電機に使用されます。

アルミニウムマグネットワイヤは、主に経済的な理由から、大型の変圧器やモーターの代替品として使用されることがあります。アルミニウムワイヤは電気伝導率が低いため、同等の DC 抵抗を実現するには銅線の 1.6 倍の断面積が必要です。

「エナメル加工」と説明されていますが、エナメル加工されたワイヤーは、実際には、エナメル塗料や 溶融ガラス粉末で作られたガラス質エナメルの層でコーティングされていません。現代のマグネットワイヤーは、通常、1 ～ 4 層 (4 層フィルムタイプのワイヤーの場合) のポリマーフィルム絶縁体 (多くの場合、2 つの異なる組成) を使用して、強靭で連続した絶縁層を提供します。

マグネットワイヤの絶縁フィルムには、（温度範囲が下がる順に）ポリビニルホルマール（Formvar）、ポリウレタン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエステル-ポリイミド、ポリアミド-ポリイミド（またはアミド-イミド）、ポリイミドが使用されています。^[3]ポリイミド絶縁マグネットワイヤは、最高250 °C（482 °F）で動作できます。太い正方形または長方形のマグネットワイヤの絶縁は、耐熱ポリイミドまたはグラスファイバーテープで巻くことで強化されることが多く、完成した巻線は、絶縁強度と巻線の長期信頼性を向上させるために、絶縁ワニスで真空含浸されることがよくあります。

自立型コイルは、少なくとも 2 つの層でコーティングされたワイヤで巻かれており、最外層は加熱されると巻き線を結合する熱可塑性樹脂です。

ワニスを塗布したグラスファイバー糸、アラミド紙、クラフト紙、マイカ、ポリエステルフィルムなどの他の種類の絶縁材も、変圧器やリアクターなどのさまざまな用途で世界中で広く使用されています。

オーディオ業界では、銅の代わりに銀で作られた線が使用されることがあります。綿（蜜蝋などの凝固剤/増粘剤が浸透している場合もあります）やポリテトラフルオロエチレン（テフロン）など、さまざまな絶縁体が使用されています。古い絶縁体には綿、紙、絹などがありますが、これらは 105°C までの低温用途にのみ有効です。

製造を容易にするため、一部の低温グレードのマグネットワイヤには、はんだ付けの熱で除去できる絶縁体が付いています。^[4]これは、最初に絶縁体を剥がさなくても端部の電気接続を行えることを意味しますが、不注意で溶けてしまう可能性があるという欠点があります。レーザーワイヤストリッピングは、ワイヤの絶縁体を部分的に除去して接続性を向上させる機能を備えています。レーザー技術は、比類のない精度と再現性を提供し、正確な接続を保証します。

直径の小さいマグネット ワイヤは、通常、断面が円形です。この種類のワイヤは、エレキ ギターのピックアップなどに使用されます。太いマグネット ワイヤは、断面が正方形、長方形、または六角形 (角が丸い) であることが多く、より効率的にパッキングされ、隣接するターン間の構造安定性と熱伝導性が向上します。

他のワイヤと同様に、マグネットワイヤは直径（AWG 番号、SWGまたはミリメートル）または面積（平方ミリメートル）、温度クラス、および絶縁クラスによって分類されます。

絶縁破壊電圧は被覆の厚さによって決まり、グレード 1、グレード 2、グレード 3 の 3 種類があります。グレードが高いほど絶縁体が厚くなり、絶縁破壊電圧も高くなります。

温度クラスは、 20,000 時間の耐用年数を持つワイヤの温度を示します。温度が低いほど、ワイヤの耐用年数は長くなります (温度が 10 °C 低くなるごとに約 2 倍)。一般的な温度クラスは、105 °C (221 °F)、130 °C (266 °F)、155 °C (311 °F)、180 °C (356 °F)、および 220 °C (428 °F) です。

実際には、最大電流密度は、自由空気から隔離された電線の場合は2.5 A/mm ²から、自由空気中の電線の場合は6 A/mm ^{2まで変化します。 [要出典]}電線に高周波電流 (10 kHz 以上) が流れている場合、表皮効果により導体の表面に電流が集中し、断面全体の電流分布が影響を受ける可能性があります。

空気を吹き付けたり水を循環させたりして能動的な冷却を行うと、冷却効果に比例して、はるかに高い電流密度を実現できます。

アルミニウム線は、銅線と同等の直流 抵抗を実現するために、断面積が銅線の 1.6 倍必要です。このため、銅マグネットワイヤは、電気モーターなどの機器のエネルギー効率の向上に貢献します。

マグネットワイヤは、電気モーター、変圧器、インダクタ、発電機、ヘッドフォン、スピーカーコイル、ハードドライブヘッドポジショナー、 電磁石、その他のデバイスの巻線に使用されます。 ^{[2] [1]}

電気モーターは、通常、磁場と電流を運ぶ導体の相互作用を通じて、電気エネルギーを機械的な動きに変換します。電気モーターは、ファン、送風機、ポンプ、機械、家庭用電化製品、電動工具、ディスク ドライブなど、さまざまな用途で使用されています。定格が数千キロワットの最も大きな電気モーターは、大型船の推進力などの用途で使用されます。最も小さなモーターは、電気腕時計の針を動かします。

電気モーターに は必要な磁場を生成するためのコイルが内蔵されています。モーターフレームの一定サイズでは、高伝導性の材料を使用することでコイル抵抗によるエネルギー損失が低減します。伝導率の低い材料では、電気エネルギーを運動エネルギーに変換するときに廃熱が多く発生します。^[5]

銅は電気伝導率が高いため、最高品質のモーターを含むモーターのコイル巻線、ベアリング、コレクター、ブラシ、コネクタによく使用されます。銅は他の材料よりも導電性が高いため、モーターの電気エネルギー効率が向上します。たとえば、1馬力を超える連続使用の誘導型モーターの負荷損失を減らすために、メーカーは巻線の導電材料として必ず銅を使用します。アルミニウムは、特にモーターが連続使用されていない場合、より小さな馬力のモーターの代替材料です。

高級モーターの設計要素の 1 つは、導体の電気抵抗による熱損失の低減です。誘導型モーターの電気エネルギー効率を改善するには、銅コイルの断面積を増やすことで負荷損失を低減できます。高効率モーターのステータ巻線には、通常、標準モーターよりも 20% 多くの銅が使用されています。

モーターの効率に関する初期の開発では、固定子巻線のパッキング重量を増やすことで電気損失を減らすことに重点が置かれていました。電気損失は通常、すべてのエネルギー損失の半分以上を占め、固定子損失は電気損失の約 3 分の 2 を占めるため、これは理にかなっています。

しかし、巻線を大きくすることでモーターの電気効率を上げることには欠点もあります。これによりモーターのサイズとコストが増加し、家電製品や自動車などの用途では望ましくない場合があります。^[6]

変圧器は、コイル（巻線）を介してある回路から別の回路に電気エネルギーを伝達する装置です。モーター巻線に必要な特性は変圧器に必要な特性と似ていますが、動作温度での機械的振動と遠心力に耐えるという要件が追加されています。^[7]

変圧器の巻線は通常銅で作られていますが、重量と初期コストが決定的な要素となる場合にはアルミニウムが適しています。^[2]

北米では、15キロボルトアンペア（kVA）を超える低電圧乾式変圧器の巻線材料としてアルミニウムが主に使用されています。世界の他のほとんどの地域では、銅が主な巻線材料です。購入の決定は、一般的にキロワットあたりの通貨で表される損失評価に基づいて行われます。^[8]

変圧器の巻線の製造に使用される銅は、小型製品ではワイヤ、大型機器ではストリップの形で使用されます。小型製品の場合、ワイヤは破損することなく巻けるほどの強度と、密に巻けるだけの柔軟性が必要です。ストリップ製品は、絶縁エナメルが電圧で劣化しないように表面品質が良好でなければなりません。ストリップを成形して梱包するには優れた延性が不可欠であり、また、時折発生する短絡状態で発生する高い電気機械的応力に耐えるには優れた強度が必要です。変圧器の銅巻線は、ラッカーやエナメルなど、すべての最新の絶縁材料と互換性があります。ラッカーを使用すると、コイルの効率を最大限に高めるために、巻線の間隔を狭くすることができます。^[7]

アルミニウムよりも銅巻線を選択する主な技術的理由は、スペースの考慮です。これは、銅巻変圧器はアルミニウム変圧器よりも小さく作ることができるためです。アルミニウム変圧器で同等の定格を得るには、銅導体よりも66％大きい断面積が必要です。ただし、より大きなサイズの導体を使用すると、アルミニウムの巻線強度は銅巻線の強度とほぼ同等になります。^[8]

接続性は銅巻変圧器のもう一つの重要な利点です。アルミニウムの表面の酸化被膜により、はんだ付けやその他の接続が困難になります。銅の場合、酸化を防ぐために高品質の接合剤で洗浄およびブラッシングする必要はありません。^[8]

現代の発電機の傾向としては、以前使用されていた脱酸素銅の代わりに、磁場バーと磁気ワイヤに無酸素銅を使用し、より高い温度とより高い電気伝導率で動作することが挙げられる。^[2]