Strato isolante sui fili magnetici: Un ostacolo comune per ingegneri

Nella produzione di bobine, l'isolamento del filo influisce su un'ampia gamma di proprietà del prodotto, come il campo di applicazione, la durata, i costi o il design della bobina. L'isolamento del filo ha anche un effetto su vari fattori durante la produzione del coil, come gli scarti o l'ulteriore lavorazione. Questo articolo riassume i fatti essenziali sull'isolamento dei fili e sul loro effetto sulla progettazione delle bobine per gli ingegneri.

Prima di tutto, una breve domanda sul perché il filo debba essere isolato: Solo l'isolamento garantisce che la corrente passi effettivamente attraverso ogni giro. L'isolamento è necessario affinché il numero di spire N in tutte le formule per il campo magnetico abbia senso. Inoltre, lo strato isolante protegge dai cortocircuiti.

Quali sono i gradi di isolamento disponibili nel filo di rame smaltato per la produzione di bobine?

Gli spessori dello strato isolante e le corrispondenti efficienze elettriche sono suddivisi in gradi. A seconda del grado, vi è un diverso rapporto tra l'area della sezione trasversale del rame e l'area della sezione trasversale totale. I gradi di isolamento descrivono un valore minimo e massimo per l'aumento dello spessore dello strato. Secondo lo standard comune IEC 60317, il grado 1 ha lo strato isolante più sottile e il grado 3 quello più spesso. Tuttavia, sono disponibili anche fili con isolamento più sottile o più spesso o con tolleranze ridotte su base specifica del cliente.

In molti calcoli, lo strato di smalto non viene preso in considerazione e il diametro esterno effettivo viene quindi calcolato in modo troppo stretto.

Come mostra questa tabella del produttore di fili sottili Elektrisola, un filo da 0,100 G1 con 0,1 mm di rame e uno strato di isolamento ha un diametro esterno effettivo compreso tra 0,108 mm e 0,117 mm.

Fonte: Elektrisola

Cosa sono gli smalti per fili?

Gli smalti per fili, noti anche come isolanti primari, sono utilizzati su fili rotondi e piatti di rame e alluminio in motori, trasformatori, generatori e apparecchiature di misura elettriche. Si polimerizzano con il calore sui fili e la loro funzione principale è quella di fornire isolamento elettrico. I fili così rivestiti sono chiamati anche "fili magnetici" o "fili di avvolgimento". Questi smalti per fili devono talvolta avere un'ottima resistenza chimica e termica, aderire molto bene ai fili di rame o alluminio e avere un'eccellente stabilità meccanica.

Lo smalto per fili viene applicato in modo diverso a seconda della forma e del diametro del filo da rivestire. L'applicazione orizzontale o verticale, l'applicazione con ugelli o con feltri sono i tipici processi di rivestimento dei fili.

Quali sono i materiali più comuni per l'isolamento dei fili nella produzione di bobine?

La scelta dei materiali isolanti è molto ampia e la maggior parte è basata su resine. A seconda dell'applicazione, è necessario scegliere una classe di isolamento diversa, che si riferisce allo spessore e al materiale dello strato isolante. Il design dell'isolamento gioca un ruolo secondario per la lavorazione del filo, a parte il lubrificante.

Dal punto di vista chimico, la gamma di smalti per fili è composta da:

• Poliuretani, smalti saldabili,
• poliesterimmidi, smalti resistenti al calore,
• imidi amidiche di poliestere, smalti resistenti ai solventi.

Di seguito una descrizione più dettagliata degli usi più comuni dei vari materiali isolanti per la produzione di bobine:

Smalti per fili di poliuretano (PUR)

I fili isolati con vernici poliuretaniche presentano una buona saldabilità a 375°C. Formulazioni speciali garantiscono un'eccellente resistenza alle cricche e ai fori di spillo. Questi smalti per fili sono utilizzati principalmente in piccoli trasformatori, timer, relè, piccoli motori, solenoidi, bobine di orologi, trasformatori flyback, testine magnetiche o bobine automobilistiche come relè e bobine di accensione.

Smalti saldabili a filo di poliesterimide (PEI)

Gli smalti a filo di poliesterimide saldabili possono essere saldati anche a temperature superiori a 450 °C in alcuni casi. I fili magnetici rivestiti hanno una buona elasticità e buone proprietà dielettriche e meccaniche. Questi rivestimenti sono particolarmente adatti ai piccoli motori elettrici per collegare gli avvolgimenti al collettore. Gli smalti per fili di poliesterimide sono spesso utilizzati su fili di avvolgimento per relè, piccoli trasformatori, piccoli motori, interruttori automatici, bobine di accensione, interruttori magnetici e in applicazioni automobilistiche.

Smalti a filo di poliesterimmide THEIC (TPEI)

Gli smalti a filo di poliesteri THEIC sono molto resistenti al calore e presentano un'ottima resistenza meccanica, elettrica e chimica. Questi smalti sono comunemente utilizzati sui fili dei motori elettrici, delle apparecchiature di refrigerazione, degli avvolgimenti dei trasformatori e degli alimentatori delle lampade fluorescenti.

Smalti in filo di poliammide (PAI)

Gli smalti a filo di poliammide possono essere utilizzati come smalti singoli o doppi; entrambe le opzioni offrono eccellenti proprietà meccaniche e la massima resistenza chimica. Oltre al classico rivestimento in poliammide, sono disponibili anche smalti per fili con lubrificante integrato per aumentare la velocità di avvolgimento. Questi prodotti sono utilizzati specificamente per il rivestimento di fili in motori elettrici, sistemi di refrigerazione, avvolgimenti di trasformatori, elettrovalvole e reattori per lampade fluorescenti.

Fili autocementanti

Un altro tipo di filo è il filo smaltato autocementante, che contiene un secondo strato di smalto. Tuttavia, questo cosiddetto strato di smalto auto-incollante non viene utilizzato per l'isolamento, ma per la stabilità meccanica di una bobina. Lo strato di smalto auto-incollante è a base di resine epossidiche, polivinilbutirrale o poliammide. Oltre ai requisiti tecnici, il processo di incollaggio preferito è decisivo per la scelta. Nel processo di incollaggio, gli avvolgimenti vengono incollati termicamente o chimicamente, ad esempio per gli avvolgimenti autoportanti come le bobine a nucleo d'aria. Allo stesso modo, sono disponibili diversi tipi di smalto autocollante a seconda del continente.

I fili smaltati al forno, come i fili smaltati di cui sopra, non sono disponibili solo con il rame come materiale conduttore, ma anche con leghe, alluminio o alluminio rivestito di rame, tra gli altri, per bobine leggere o conduttori ad alta resistenza per una migliore durata. Lo smalto autocollante è utilizzato principalmente per le bobine degli strumenti di misura, le bobine vocali (come gli altoparlanti), i piccoli motori e i sensori.

In breve: Isolamento dei fili per l'avvolgimento delle bobine

La varietà di materiali isolanti o la possibilità di integrare un lubrificante nell'isolamento rendono complessa la scelta migliore per un'applicazione. Sulla base di anni di esperienza in progetti specifici per i clienti, un produttore leader di bobine come KUK Group può offrire i migliori consigli in questo caso. Per gli ingegneri è particolarmente importante, durante la fase di sviluppo, considerare lo strato isolante oltre al materiale conduttore puro. Questo è un importante prerequisito per una corretta progettazione della bobina.