Magnet wire

Magnet wire^[1] or enameled wire is a copper or aluminium wire coated with a very thin layer of insulation. It is used in the construction of transformers, inductors, motors, generators, speakers, headphones, hard disk head actuators, electromagnets, electric guitar pickups, and other applications that require tight coils of insulated wire.

The wire itself is most often fully annealed, electrolytically refined copper. Aluminium magnet wire is sometimes used for large transformers and motors. The insulation is typically made of tough polymer film materials rather than vitreous enamel, as the name might suggest.

The most suitable materials for magnet wire applications are unalloyed pure metals, particularly copper. When factors such as chemical, physical, and mechanical property requirements are considered, copper is considered the first choice conductor for magnet wire.^[2]

Most often, magnet wire is composed of fully annealed, electrolytically refined copper to allow closer winding when making electromagnetic coils.^[3] High-purity oxygen-free copper grades are used for high-temperature applications in reducing atmospheres or in motors or generators cooled by hydrogen gas.

Aluminium magnet wire is sometimes used as an alternative for large transformers and motors, mainly for economical reasons. Because of its lower electrical conductivity, aluminium wire requires a 1.6-times larger cross sectional area than a copper wire to achieve comparable DC resistance.

Although described as "enameled", enameled wire is not, in fact, coated with a layer of enamel paint or vitreous enamel made of fused glass powder. Modern magnet wire typically uses one to four layers (in the case of quad-film type wire) of polymer film insulation, often of two different compositions, to provide a tough, continuous insulating layer.

تستخدم أغشية العزل لأسلاك المغناطيس (مرتبة حسب نطاق درجة الحرارة المتزايد) بولي فينيل فورمال (فورمفار)، وبولي يوريثان ، وبولي أميد ، وبوليستر ، وبوليستر- بولي أميد ، وبولي أميد-بولي أميد (أو أميد-بولي أميد)، وبولي أميد . ^{[ 4 ]} يمكن لسلك المغناطيس المعزول بالبولي أميد العمل حتى 250 درجة مئوية (482 درجة فهرنهايت) . غالبًا ما يتم تعزيز عزل أسلاك المغناطيس المربعة أو المستطيلة السميكة بتغليفها بشريط بولي أميد أو ألياف زجاجية عالي الحرارة، وغالبًا ما تُشرب اللفائف المكتملة بفراغ ورنيش عازل لتحسين قوة العزل وموثوقية اللفائف على المدى الطويل.  

يتم لف الملفات ذاتية الدعم بسلك مغطى بطبقتين على الأقل، والطبقة الخارجية عبارة عن مادة بلاستيكية حرارية تربط اللفات معًا عند تسخينها.

كما تُستخدم أنواع أخرى من العزل مثل خيوط الألياف الزجاجية مع الورنيش، وورق الأراميد ، وورق الكرافت ، والميكا ، وفيلم البوليستر على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم لتطبيقات مختلفة مثل المحولات والمفاعلات.

في صناعة الصوت، تُستخدم أحيانًا أسلاك مصنوعة من الفضة بدلًا من النحاس. كما تتوفر مواد عازلة أخرى متنوعة، مثل القطن (الذي يُشبع أحيانًا بمادة مُخثرة/مُكثفة، كشمع العسل ) ومتعدد رباعي فلورو الإيثيلين (التفلون). تشمل مواد العزل القديمة القطن والورق والحرير، لكنها لا تُناسب إلا التطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة حتى 105 درجة مئوية.

لتسهيل عملية التصنيع، تحتوي بعض أسلاك المغناطيس منخفضة الحرارة على عازل يمكن إزالته بحرارة اللحام . ^{[ 5 ]} وهذا يعني إمكانية إجراء التوصيلات الكهربائية عند الأطراف دون الحاجة إلى إزالة العازل أولاً. إلا أن العيب يكمن في إمكانية انصهاره عرضيًا. تتيح تقنية إزالة العازل بالليزر إمكانية إزالة أجزاء من عازل السلك لتحسين التوصيل؛ كما توفر هذه التقنية دقة وتكرارًا لا مثيل لهما لضمان توصيل دقيق.

مثل الأسلاك الأخرى، يتم تصنيف سلك المغناطيس حسب القطر ( رقم AWG أو SWG أو المليمترات) أو المساحة (المليمترات المربعة)، وفئة درجة الحرارة، وفئة العزل.

يعتمد جهد الانهيار على سمك الغطاء، والذي يمكن أن يكون من 3 أنواع: الدرجة 1، والدرجة 2، والدرجة 3. الدرجات الأعلى لها عزل أكثر سمكًا وبالتالي جهود انهيار أعلى .

تشير فئة درجة الحرارة إلى درجة حرارة السلك التي يبلغ عمرها التشغيلي 20,000 ساعة . عند درجات الحرارة المنخفضة، يطول عمر السلك التشغيلي (بمقدار الضعف تقريبًا لكل  انخفاض قدره 10 درجات مئوية في درجة الحرارة). تشمل فئات درجات الحرارة الشائعة 105 درجة مئوية (221 درجة فهرنهايت) ، و130 درجة مئوية (266 درجة فهرنهايت) ، و 155 درجة مئوية (311 درجة فهرنهايت) ، و180 درجة مئوية (356 درجة فهرنهايت) ، و 220 درجة مئوية (428 درجة فهرنهايت) .          

عمليًا، تتراوح كثافة التيار القصوى من 2.5 أمبير/مم² ^لسلك معزول عن الهواء الطلق إلى 6 أمبير/مم² ^لسلك في الهواء الطلق. إذا كان السلك يحمل تيارات عالية التردد (أعلى من 10 كيلوهرتز)، فقد يؤثر تأثير السطح على توزيع التيار عبر المقطع بتركيزه على سطح الموصل. 

إذا تم توفير التبريد النشط عن طريق نفخ الهواء أو تدوير الماء، فإنه يمكن تحقيق كثافات تيار أعلى بكثير - بما يتناسب مع فعالية التبريد.

يجب أن يكون لسلك الألومنيوم مساحة مقطع عرضي أكبر بمقدار 1.6 مرة من سلك النحاس لتحقيق مقاومة تيار مستمر مماثلة . ولهذا السبب، تساهم أسلاك المغناطيس النحاسية في تحسين كفاءة الطاقة في المعدات مثل المحركات الكهربائية.

يُستخدم سلك المغناطيس في لفائف المحركات الكهربائية ، والمحولات ، والمحاثات ، والمولدات ، وسماعات الرأس ، وملفات مكبرات الصوت ، ومحددات موضع رأس القرص الصلب، والمغناطيسات الكهربائية ، وغيرها من الأجهزة. ^{[ 3 ] [ 2 ]}

في المحركات الكهربائية

تحوّل المحركات الكهربائية الطاقة الكهربائية إلى حركة ميكانيكية، عادةً من خلال تفاعل المجالات المغناطيسية مع الموصلات التي تحمل التيار. وتُستخدم المحركات الكهربائية في العديد من التطبيقات المتنوعة، مثل المراوح، والمضخات، والآلات، والأجهزة المنزلية، والأدوات الكهربائية، ومحركات الأقراص. وتُستخدم أكبر المحركات الكهربائية، التي تصل قدرتها إلى آلاف الكيلوواط، في تطبيقات مثل دفع السفن الكبيرة. أما أصغر المحركات، فتُستخدم لتحريك عقارب الساعات الكهربائية.

تحتوي المحركات الكهربائية على ملفات لتوليد المجالات المغناطيسية المطلوبة. بالنسبة لحجم معين لهيكل المحرك، تقلل المواد ذات الموصلية العالية من فقد الطاقة الناتج عن مقاومة الملف. وتولد الموصلات الأقل كفاءة حرارة مهدرة أكبر عند تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية. ^{[ 6 ]}

بسبب موصليته الكهربائية العالية، يُستخدم النحاس على نطاق واسع في لفائف المحركات، والمحامل، والمجمعات، والفرش، والموصلات، بما في ذلك المحركات عالية الجودة. وتُعزز موصلية النحاس العالية مقارنةً بالمواد الأخرى كفاءة الطاقة الكهربائية للمحركات. فعلى سبيل المثال، لتقليل فقد الطاقة في الأحمال في محركات الحث التي تعمل بشكل مستمر والتي تزيد قدرتها عن حصان واحد ، يستخدم المصنّعون النحاس دائمًا كمادة موصلة في اللفائف. أما الألومنيوم، فيُستخدم كبديل في المحركات ذات القدرة الحصانية المنخفضة، خاصةً عندما لا تُستخدم المحركات بشكل مستمر.

من أهم عناصر تصميم المحركات عالية الجودة تقليل فقد الحرارة الناتج عن المقاومة الكهربائية للموصلات. ولتحسين كفاءة الطاقة الكهربائية في المحركات الحثية، يمكن تقليل فقد الحمل بزيادة مساحة مقطع ملفات النحاس. عادةً ما يحتوي المحرك عالي الكفاءة على كمية نحاس في ملفات الجزء الثابت تزيد بنسبة 20% عن نظيره القياسي.

ركزت التطورات المبكرة في كفاءة المحركات على تقليل الفاقد الكهربائي عن طريق زيادة وزن لفائف الجزء الثابت . وكان هذا منطقياً لأن الفاقد الكهربائي يمثل عادةً أكثر من نصف إجمالي الفاقد في الطاقة، ويمثل الفاقد في الجزء الثابت حوالي ثلثي الفاقد الكهربائي.

مع ذلك، توجد عيوب في زيادة الكفاءة الكهربائية للمحركات من خلال زيادة حجم اللفات. فهذا يزيد من حجم المحرك وتكلفته، وهو أمر قد لا يكون مرغوبًا فيه في تطبيقات مثل الأجهزة المنزلية والسيارات. ^{[ 7 ]}

في المحولات

المحول هو جهاز ينقل الطاقة الكهربائية من دائرة كهربائية إلى أخرى عبر ملفاته (لفائفه). تتشابه الخصائص المطلوبة لملفات المحركات مع تلك المطلوبة للمحولات، ولكن مع شرط إضافي يتمثل في تحمل الاهتزازات الميكانيكية وقوى الطرد المركزي عند درجات حرارة التشغيل. ^{[ 8 ]}

تُصنع ملفات المحولات عادةً من النحاس، لكن الألومنيوم يُعد منافسًا مناسبًا عندما يكون الوزن والتكلفة الأولية عاملين حاسمين. ^{[ 3 ]}

في أمريكا الشمالية، يُعدّ الألومنيوم الخيارَ السائدَ لمادة لفّ المحولات الجافة منخفضة الجهد التي تزيد قدرتها عن 15 كيلوفولت أمبير (kVA). أما في معظم مناطق العالم الأخرى، فيُعدّ النحاس المادةَ السائدةَ في لفّ المحولات. وتعتمد قرارات الشراء عمومًا على تقييمات الخسائر المُعبَّر عنها بالعملة لكل كيلوواط. ^{[ 9 ]}

يُستخدم النحاس في صناعة لفائف المحولات على شكل أسلاك للمنتجات الصغيرة وشرائط للمعدات الأكبر حجمًا. بالنسبة للمنتجات الصغيرة، يجب أن يكون السلك قويًا بما يكفي للفّه دون انقطاع، ومرنًا بما يكفي لتوفير لفائف متراصة. أما الشرائط، فيجب أن تتمتع بجودة سطح جيدة حتى لا تتلف طبقات العزل تحت تأثير الجهد الكهربائي. وتُعدّ الليونة الجيدة ضرورية لتشكيل الشريط وتعبئته، بينما تُعدّ القوة الجيدة ضرورية لتحمّل الإجهادات الكهروميكانيكية العالية التي تنشأ في حالات قصر الدائرة العرضية. تتوافق أسلاك لف النحاس في المحولات مع جميع مواد العزل الحديثة، مثل الورنيش والمينا. يسمح الورنيش بتقارب اللفات لتحقيق أفضل كفاءة في الملفات. ^{[ 8 ]}

يُعدّ عامل المساحة أحد أهم الأسباب الهندسية لاختيار لفائف النحاس بدلاً من الألومنيوم. إذ يُمكن تصنيع محولات النحاس بحجم أصغر من محولات الألومنيوم. وللحصول على نفس القدرة في محولات الألومنيوم، يلزم مساحة مقطع عرضي أكبر بنسبة 66% مقارنةً بموصلات النحاس. ومع ذلك، فإن استخدام موصلات أكبر حجماً يجعل قوة لفات الألومنيوم تُقارب قوة لفات النحاس. ^{[ 9 ]}

تُعدّ إمكانية التوصيل ميزةً أخرى مهمة للمحولات الملفوفة بالنحاس، إذ أن طبقة الأكسيد على سطح الألومنيوم تجعل اللحام أو التوصيل به أكثر صعوبة. ولا يتطلب النحاس التنظيف والتلميع باستخدام معجون توصيل عالي الجودة لمنع الأكسدة . ^{[ 9 ]}