卷绕性好的电磁线的研制
Development of Magnet Wire Having Excellent Windability
1 前言
近几年制作电气装置节省和合理使用劳动力方面已有明显进步。变压器、电机等线圈绕制也做了很大努力，使绕线自动化，加快绕线速度。采用自动绕线机时，在强张力下绕制，电磁线会受到弯曲和摩擦力，很容易破坏导线绝缘层，降低线圈可靠性。
线圈绕制过程中，尽可能增大导线在线圈骨架中的填充系数。从经济上和实用上都是很有利的。为了增大导线在线圈骨架中的填充系数，在强张力下绕紧导线很重要。导线挤入狭窄的骨架和线槽，很可能将导线绝缘层损坏。因此，线圈用导线要卷绕性好。
导线卷绕性好坏与表面润滑性和抗摩擦性有关。已试用油或蜡处理导线表面；或者在导线表面涂含聚烯烃的树脂，增加表面润滑性。
这些方法显然不足以应付不断发展的高速自动化要求。为此，研制出卷绕性好的新导线。导体和绝缘膜之间的粘结力明显改善。本文介绍这种新导线的特性和实用性。
2 卷绕性改进方法
卷绕性改进方法有三种（如图1）：第一种是增大绝缘膜的强度，减少磨擦等外部原因损坏绝缘膜的可能性。例如，已研制出涂热塑性塑料的聚酰胺酰亚胺树脂的导线。

第二种方法是改善绝缘膜的表面状态。例如，绝缘膜表面加润滑剂，增加润滑性可以防止绝缘膜受损。改善绝缘膜表面润滑性的方法，有表面涂油或蜡等几种方法和一种自润滑法。自润滑法是在表面涂含聚烯烃树脂，抗摩擦性好，特别滑溜，可用于高速和自动化绕线机。另一方面，继续增加润滑性会降低导体表面和绝缘膜间的粘结力，造成另外一些问题。以上两种方法是保护卷绕性改进必不可少的绝缘的两个重要途径。
研究了导体和绝缘之间的粘结力问题，这是卷绕性改进的另一种方法。改进两者间粘结力，可防绝缘膜从导体上脱落。即使外层绝缘膜受到损伤，与导体相接触的内部绝缘层仍可保持原样。
卷绕性改进的第三种方法是改进树脂，增大导体和绝缘膜间的粘结力。各种绝缘膜和导体间的粘结力变化顺序为：聚酯树脂>聚酰亚胺酯（EI）树脂>聚酰胺酰亚胺（AI）树脂。差异由树脂中存在高极性末端原子团（如：-OH、-COOH、-NH2等）的数量所决定。要增强导体和绝缘膜间的粘结力，重要的是引入某些能与导体作用强烈的极性原子团。也存在另一种可能性，虽然粘结力增大，但是树脂性能也发生变化。
以前已介绍过HPE/AI导线，采用三羟基乙基异氰尿酸脂（THEIC）型H级聚酯（HPE）。导体与绝缘膜间的粘结力比用聚酰亚胺酯的大。树脂经过改进，使导体和绝缘膜间的粘结力进一步增大。
通过这些改进卷绕性方法的组合利用，可得到比用常规方法（即增大导线表面润滑性）改进的导线更好的卷绕性。
3 特性
评估三种导线的性能：1）新HPE/AI导线（N-HPE/AI），其中绝缘的底层是改进粘结力的新HPE树脂，顶层是AI树脂；2）HPE/AI导线，其中绝缘膜底层是普通的HPE树脂，顶层是AI树脂；3）EI/AI导线，其中绝缘膜底层是聚酰亚胺酯树脂，顶层是AI树脂。
3.1 导线特性
3.1.1 粘结力
评估粘结力的方法有几种：简单的方法是扭剥法。固定导线的一端，导线上某一点沿纵向用刀划一刻痕，加500g重量将导线沿水平方向拉直，并按150mm距离做一记号。过后将导线另一端沿圆周方向扭转，直到绝缘膜被剥离，导体裸露出来，记下这时的扭转圈数。记号之间的间距是150mm（便于分辨扭转圈数）。这种方法可在一定程度上评估导体和绝缘膜间的粘结力，也有一个缺点：扭转圈数可能随绝缘膜本身的柔软性变化。为此，试用另一种直接评估导体和绝缘膜间粘结力的方法：导线上沿纵向按约0.6mm间距做两个水平刻度，然后以与导线纵向成90°的方向将刻度部分的一端以2mm/min的速度拉动，使刻痕部分与导体分离。测量这时的张力。
从图2中扭剥试验结果可知道，HPE/AI导线扭转圈数比EI/AI导线多；N-HPE/AI导线扭转圈数又比HPE/AI导线多。

图3表示导体和绝缘膜间的粘结力。粘结力是对导线轴向压力加工时的值。例如，按60%压缩率压力加工，表示导线外径因压力加工缩小40%。为什么N-HPE/AI导线导体和绝缘间的粘结力要在对导线压力加工后才测量呢？这是因为N-HPE/AI导线被压缩60%前，粘结力太强，不会产生任何剥离。随着压缩率的增大，粘结力减小N-HPE/AI导线具有与扭剥试验类似的结果，其粘结力比EI/AI和HPE/AI导线高。即使在经受60%的压缩率加工后，N-HPE/AI导线的导体和绝缘膜间的粘结力仍保持在6g/mm的水平上。

由上述两个评估结果可以得出：新研制的N-HPE/AI导线导体和绝缘膜间的粘结力比普通的HPE/AI和EI/AI导线高得多。
3.1.2 可绕性
为了评估导线的卷绕性，做了单向和重复擦伤试验和NEMA卷绕性试验，结果见表1。单向擦伤试验中，发现N-HPE/AI导线的擦伤负载值比EI/AI和HPE/AI导线高。试验中，将一根钢琴线放在试验导线上，并沿试验导线的纵向移动，同时经钢琴线加一定的负荷。当负荷增大到使试验导线的绝缘膜破裂露出导体时，测量该负载值作为试验数据。N-HPE/AI导线的负载值比HPE/AI导线大的原因是导体和绝缘膜间粘结力增大的结果，绝缘膜即使在用钢琴线给该导线强加外力时，也不大可能从导体上剥离。

重复擦伤试验中，N-HPE/AI导线与EI/AI或HPE/AI导线没有什么差别。试验中，试验导线受到的负载比较轻，每种导线的重复擦伤特性受表面润滑性的影响。
NEMA卷绕性试验中，N-HPE/AI导线的结果也比HPE/AI导线好。试验中，试验导线被绕在心轴上，同时被拉直，而且经受沿纵向的重复运动。因此，可认为导体和绝缘膜间的粘结力是逐渐减弱的。导线缠绕时，就会沿绝缘膜圆周方向产生不均匀伸长。绝缘膜被异常拉伸的部位就会出现裂纹等缺陷。N-HPE/AI导线的粘结力下降程度比HPE/AI小，所以绝缘膜遭破坏所需的行程数要多一些。
因此，粘结力增大，提高了N-HPE/AI导线的卷绕性的电特性和热稳定性，N-HPE/AI和HPE/AI导线之间没有任何差异。这说明增大粘结力对导线基本性能没有影响，如表2所示。

3.2 新旧方法的差异
试验发现，粘结力增大可提高导线卷绕性。本节讨论影响导线卷绕性的某些因素。如第2节所述，提高导线卷绕性有三个重要因素。很重要的一点是：要知道这些因素是如何影响导线卷绕性的。本文已将常规方法（表面润滑性改进法）和本文介绍的新方法（导体绝缘膜粘结力改进法）进行过比较。
为了进行评估，上节中采用EI/AI、HPE/AI和N-HPE/AI三种导线。如3.1节所述，这些导线导体与绝缘膜之间粘结力各不相同，粘结力递增顺序为： EI/AI<HPE/AI<N-HPE/AI。用蜡处理或自润滑处理的方法使这三种导线具有大小不同的表面润滑性。图4表示润滑处理和导体与绝缘膜之间粘结力等因素对单向擦伤试验的影响。单向擦伤试验时，提高表面润滑性，不产生明显效果。相反地，改进粘结力是有效的。和单向擦伤试验一样，在强加外部大负载使绝缘膜剥离的情况下，导体和绝缘膜间粘结力可能成为一个重要因素。

如图5的重复擦伤试验中，提高表面润滑性可明显增加导线抗重复擦伤能力。改进粘结力，看不到与它有任何差异。其原因是，由于试验采用比较轻负载，导线的特性差异对导线的表面状态影响更明显。

对卷绕性，润滑性的影响并不那么明显，用两种方法都得到相似的结果。综合使用两种方法，显然可得到更好的结果。试验了不同因素对导线卷绕性的影响。图6表示润滑性和粘结力对导线卷绕性的影响。图中横轴表示导线间的滑溜程度，即润滑性标志。也就是说有如下四种情况：不润滑、涂蜡作外部润滑、一般自润滑和本文所介绍的导线。纵轴表示卷绕性试验的行程数。显然，滑溜程度的差异对卷绕性试验几乎没有影响。

表3表示卷绕性与各种因素的关系。改进表面润滑性的已被选为提高卷绕性的方法。通过改进导线润滑性，就可减少对绝缘膜的损伤（这种损伤是由线与线间的接触或者线与线圈骨架和线槽间的接触所产生的），从而防止绝缘膜的破裂。给导线加上一个不能用表面润滑性来降低的外力时，例如单向擦伤试验和卷绕性试验中，提高导体和绝缘膜间的粘结力在防止对导线绝缘膜的损伤方面是有效的。

因此，如果同时采用改进表面润滑性和提高导体和绝缘膜间的粘结力，就可能适应正变得越来越严格的绕性加工条件。
3.3 耐致冷剂特性
HPE/AI导线通常用作冰箱和空调器中的致冷器导线。这些应用中，导线长期暴露于致冷剂中，需要有作为电磁线的可靠性。
为检验起泡特性，将试验导线浸没在两种致冷剂中：①R22：主要用于空调器中；②R410A：在150℃×1000h的条件下作为R22的代换品，最近颇受欢迎。导线的起泡特性，在导线浸没于致冷剂中使其冷却，然后又将它加热到规定温度时，观测出现在导线表面的起泡状态来测定。表4是其评估结果。

如果把用于控制的导线与粘结力提高的导线相比，对于R22和R410A两种致冷剂，两种导线无差别。这两种导线的起泡状态同样令人满意。■