銅包鋁漆包線於馬達中的應用

 

 一、銅包鋁線的發展

以純金屬材料來對其導電性能進行排序,其中導電性最佳的材料為銀(Ag),其次為銅(Cu),繼銅材之後則是(Au),而後則為鋁(Al)。

 

從應用的層面分析,銀跟金這兩種材料屬於貴金屬,在單價偏高的情況下,無法大量的使用;銅材則為價格適中而效能良好的最佳選擇,是目前產業採用的主力,廣泛的使用在電氣相關產業當中,如馬達中所使用的漆包線圈,其內部導體便是以銅材加工製作而成;鋁材雖然為當中最便宜的材料,但其導電性能偏差的關係,在以高效率為前提的運用場合中,是不被接受的導體材質。

 

鋁材的導電性雖低於銀、銅及金等純金屬材料,但其導電性仍然屬於優良的範圍內,是適合作為導電的導體材料,且鋁材在地球中的含量比起前三種的材料銀、銅及金來得多,是純金屬材料中比例最高的,約為地殼總質量的7.45%左右,因此鋁材的價格較為前三種材料來得便宜。

 

將銅跟鋁做比較可得知,鋁的密度為2.7g/cm3不到銅8.9g/cm31/3,因此重量會大幅度的減輕,但鋁的導電能力只有銅的62%左右,在傳導等量的電流設計下,鋁的所需截面積大約是銅的1.6倍大,因此在重視導電效率的電源傳輸線等應用場合中都是以銅線導體為主,而鋁線則可用於不著重於效能,且針對重量或成本需求的應用中,如耳機、音響等運用,鋁材還同時具有能減少振動部分的特質,可得到更好的瞬態性能。

 

但是鋁材還有焊接性能不良及延展性欠佳等不易使用的材料特性,因此於鋁材的外圍再包覆上一層銅材,可以有效的改良這些缺失及特性,也產生了複合材料的銅包鋁線,這種複合性的銅包鋁線是同軸電纜及射頻電纜的核心材料,由於具有比純銅線更好的載波性能,因此被廣泛的使用在電連接器、家電核心部件線圈及網絡信號傳輸等高科技技術領域中。

 

隨著有線電視網絡和網際網路的快速發展,銅包鋁線的需求量與日俱增,且近年來國際銅價的暴漲,使得銅線的替代性線材需求呈倍數增長,在銅價始終高於3倍鋁價以上的誘因下,銅包鋁線也開始嶄露頭角,其重量僅為銅的40%,購買成本僅需銅的60%,使用銅包鋁線可以比傳統銅線節省了近30%成本,這種驚人的優勢,使得很多原本不適用銅包鋁線的領域也開始研究如何使用這種複合線材。

 

 

二、馬達用漆包線的發展

馬達為電能轉換為動能的機構,其輸入的電源效率直接影響到機械動能輸出的結果,因此在能量轉換的效率評估及經濟成本的考量之下,漆包銅線成為了馬達中最佳的選擇。

 

若單以降低成本的考量,選用漆包鋁線來繞製馬達線圈,不僅是材料成本的降低,且馬達整體重量也同時的減輕,能大幅的提高產品競爭優勢;然而漆包鋁線的推出使用在馬達中並未如預期的受到歡迎,這當中不單只是導電性變差所產生的影響,同時在製作方面會有鋁線的抗拉強度不足,造成線圈不紮實且容易斷線,而漆包鋁線點焊的材質差異,則需要使用特殊的焊錫才能加工,曾有因點焊不良及電流的擊膚效應作用,而在焊接點產生脫離的情況,且鋁線的熱傳導性也較銅線差,這將使得馬達內部的溫升快而溫度高,種種的原因使得馬達對於漆包鋁線漸漸是拒而遠之。

 

        而相較於馬達對於漆包鋁線的不適應性,漆包銅包鋁線成了新一代的優質選擇,其內層具備了鋁的特性使得重量及成本都大幅降低,而外層銅的部份則使保有了銅線的強度及點焊性,這樣的複合性能使得使用接受度大幅提升,銅包鋁線也因此正式的導入了馬達的使用當中。

Book1  

註:◎→優;○→佳;△→稍差 

表1:不同導體漆包線特性比較表

 

二、馬達中使用漆包鋁線與漆包銅線的實測比較

單相感應馬達:

如下圖1所示,左側銀白色線圈為採用漆包鋁線的單相感應馬達,右側為傳統漆包銅線馬達;測試的方式是以漆包鋁線的馬達性能做為標準的比較參數,僅改變漆包銅線的線徑大小,測量漆包銅線的線徑要縮小多少尺寸後才會與漆包鋁線具有相同的馬達輸出規格。

 

 銅包鋁線在馬達中的應用_圖面_01  

             圖1:單相感應馬達漆包鋁線及漆包銅線的使用

 銅包鋁線在馬達中的應用_表_02   

表2:單相感應馬達中漆包銅線及漆包鋁線的比較表

由表2的測量數據可知,漆包鋁線及漆包銅線所帶給單相感應馬達最大的差異性,還來是來自於鋁材較差的導電性所造成的,因此漆包銅線的線徑要一直縮小到0.12mm左右才會達到與漆包鋁線相同的馬達輸出規格;相反的,原本使用漆包銅線的單相感應馬達如要改為漆包鋁線,那線徑是要有某種程度的增加,才能達到原本馬達所需的規格,因此馬達會需要有更多的空間容納增加的線徑,但這更多的空間,往往也是馬達中最難提供的。

 

通用(串激)馬達:

為了解決採用漆包鋁線需要增加的線徑空間問題,選擇不需考慮槽滿率的馬達來進行取代是較佳的取代方式,少數的馬達具有這樣的特值,其中通用馬達的定子場線圈就是這樣的一個例子,如下圖2所示;此次進行的測試是以相同規格的線徑及圈數,來量測定子線圈直接改用漆包鋁線比對漆包銅線,對馬達特性所造成的影響。

 

銅包鋁線在馬達中的應用_圖_02   

圖2:通用馬達定子場線圈採用漆包鋁線

銅包鋁線在馬達中的應用_圖面_03   

圖3:漆包銅線通用馬達特性曲線圖

 銅包鋁線在馬達中的應用_表_03  

表3:漆包銅線通用馬達特性數據表

 

銅包鋁線在馬達中的應用圖面_04   

圖4:漆包鋁線通用馬達特性曲線圖

 銅包鋁線在馬達中的應用表_04  

表4:漆包鋁線通用馬達特性數據表

 

經由以上漆包銅線及漆包鋁線的比較可明顯得知,無論是效率、轉矩、轉速及輸出功率都大幅度的下降,因此單純的採用相同線徑及圈數要進行取代是不可行的,必須要重新規劃設計新的線徑及圈數,以達到相同的輸出規格。

        但以漆包鋁線做為漆包銅線的取代材料,在馬達的使用中是失敗而不被採用的,鋁材與銅材間的使用差異,線材張力及點焊性等等才是被否決的主要原因。

 

三、馬達中改用漆包銅包鋁線取代漆包銅線的實例

漆包鋁線的發展失敗,並未阻礙以鋁材取代銅材的發展,反而導入更方便使用的銅包鋁材,外圈採用佔面積比15%銅材包覆著內部85%鋁材,這樣的複合方式,導致使用性大幅的改善,替代的接受度與可能性也就增加。

 

通用(串激)馬達:

雖然加入了銅,可以改良線材的使用性能,但鋁的成份還是高達85%,導電性的下降還是無法避免的問題,同樣需要加大線徑以解決材質的差異,因此必須使用在有充分空間結構的馬達之中。

目前大陸方面所生產的通用馬達在定子的部份,採用漆包銅包鋁線的技術已經十分成熟,在成本及產品競爭優勢的考量,使用的廠商大幅增加,已有全面取代的趨勢。

銅包鋁線在馬達中的應用圖面_5   

圖5:原漆包銅線通用馬達

銅包鋁線在馬達中的應用圖_06   

圖6:改漆包銅包鋁線通用馬達

銅包鋁線在馬達中的應用_圖面_07   

圖7:原漆包銅線通用馬達特性曲線圖

銅包鋁線在馬達中的應用_表_05   

表5:原漆包銅線通用馬達特性數據表

  銅包鋁線在馬達中的應用_圖面_08  

圖8:改漆包銅包鋁線通用馬達特性曲線圖

銅包鋁線在馬達中的應用表_06   

表6:改漆包銅包鋁線通用馬達特性數據表

 

從馬達特性量測數據觀察,事實上在輸出規格上還是有小幅度的下降,但已經十分接近,差異在2%左右,因此在實際應用的場合是可以被接受的。

 

蔽極馬達:

蔽極馬達為單相感應馬達的一種,是一種結構簡單但輸出功率小的馬達,其工作效率不佳,因此適合用於偶發性的動作場合,如自動販賣機等等;外形如下圖8所示,黑色為馬達線圈部份,繞線簡單且較無空間限制,因此也可改用漆包銅包鋁線來降低生產成本。

 

銅包鋁線在馬達中的應用_圖面_08-蔽極馬達   

圖8:蔽極馬達

 

 銅包鋁線在馬達中的應用_圖面_09  

圖9:原漆包銅線蔽極馬達特性圖

 

 銅包鋁線在馬達中的應用_圖面_10  

                  圖10:改漆包銅包鋁線蔽極馬達特性圖

 

因蔽極馬達的特性效率都不佳,而事實上改漆包銅包鋁線的蔽極馬達輸出性能還是有小幅度下降,但在實際工作使用上,是無法感覺出差異性,因此還是具有取代的能力。 

 

四、結論

        在原物料持續上漲的今天,銅價是馬達廠所面臨無解的難題,這銅包鋁的替代性材料是其中的一種解決方案,但卻必須要花一段時間學習使用及改變過去的習慣,之後就能替馬達帶來新的成本價構及附加輕量化的競爭優勢。

銅包鋁線無論如何都會擁有本質上的缺陷,難以跟銅線進行性能比較,但只要妥善運用,可將差異性大幅降低,其還是具有優異的市場價值存在。

 

 

五、參考文獻 

吳明璋,銅包鋁線材特性簡介,馬達電子報第222期,2007

 

路昌工業網站:http://lutron-ind.weebly.com/

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