扁電磁線導體直流電阻平衡性研究

白洋

[摘 要]近年來，扁電磁線導體直流電阻平衡性問題得到了業(yè)內(nèi)的廣泛關注，研究其相關課題有著重要意義。本文首先介紹了樣品制備和分析方法，分析了原材料加工方式對電阻不平衡率的影響等電阻不平衡的原因，并結(jié)合相關實踐經(jīng)驗，提出了包括導體截面尺寸偏差太大的解決方案，以及銅線坯電阻率不均勻的解決方案，希望有助于相關工作的實踐。

[關鍵詞]扁電磁線導體；直流電阻；平衡性；研究

中圖分類號：TM245 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）14-0324-01

一、前言

隨著扁電磁線導體應用要求的不斷提高，研究其直流電阻平衡性問題至關重要。該項課題的研究，將會更好地提升對其直流電平衡性問題的掌控力度，從而通過合理化的措施對其應用效果進行掌控。

二、樣品制備和分析方法

1.樣品制備

目前風力發(fā)電機電磁線用繞包銅扁線的工藝流程如下：原材料加工成銅線坯→拉線→退火→繞包→成盤。

2.分析方法

電阻計算公式：R=ρL/S （1）

式中，R為電阻；ρ為導體材料的直流電阻率；L為導體的長度；S為導體的橫截面積。

直流電阻不平衡率的計算公式：

電阻不平衡率=2（R20max-R20min）/（R20max+R20min）×100% （2）

式中，R20max和R20min分別為電磁線導體換算成20℃時的最大直流電阻值和最小直流電阻值。

導體電阻率不平衡率計算公式為：

電阻率不平衡率=2（ρ20max-ρ20min）/（ρ20max+ρ20min）×100% （3）

式中，ρ20max和ρ20min分別為電磁線導體換算成20℃時的最大直流電阻率和最小直流電阻率。

導體的最小截面積和最大截面積計算公式為：

Smin=amin×bmin-0.8584×r2max （4）

Smax=amax×bmax-0.8584×r2min （5）

式中，Smin、Smax分別為最小截面積和最大截面積；amin、amax分別為最小窄邊和最大窄邊；bmin、bmax分別為最小寬邊和最大寬邊；rmin、rmax分別為最小圓角和最大圓角。

三、電阻不平衡原因分析

1.原材料加工方式對電阻不平衡率的影響

由式（1）和式（3）可知，在同等長度和截面積的情況下，電阻的大小由電阻率決定，電阻不平衡率可用電阻率不平衡率表示。將各個廠家同一天生產(chǎn)的銅線坯視為同一批次，對連鑄連軋法、上引法和浸涂成型法三種不同加工方法半年內(nèi)生產(chǎn)的銅線坯的電阻率不平衡情況進行比較可知，三種加工方法生產(chǎn)的銅線坯的電阻率差異明顯，即使同一種加工方法，電阻率在半年內(nèi)也波動較大，在半年內(nèi)不同批次之間，三種加工方式生產(chǎn)的銅線坯電阻率不平衡率均超過2%的標準要求，表明同一加工方法生產(chǎn)的不同批次之間的銅線坯混用時，會出現(xiàn)電阻不平衡率超標情況。將各個廠家不同批次的電阻率不平衡率情況分別比較，結(jié)果可知，同一加工方式的銅線坯，除個別批次之外，電阻率不平衡率基本都在2%的標準內(nèi)。可見，不同的加工方式以及同一加工方式下的不同批次都會導致銅線坯電阻率不均勻，進而引起導體電阻的不平衡。

2.拉線工藝對電阻不平衡率的影響

拉線工藝影響著導線截面尺寸偏差。導線截面尺寸偏差會導致直流電阻不平衡率超標。由式（1）也可看出導線截面積的變化對導體電阻的影響。以3.55mm×10mm銅扁線為例，計算截面尺寸變化對電阻不平衡率的影響。GB/T7673.3—2008規(guī)定，截面尺寸偏差要求為：（3.55±0.05mm）×（10±0.07）mm，圓角半徑r=0.8（1±25%）mm。

根據(jù)式（4）和式（5），可得Smin=33.90mm2，Smax=35.95mm2。取導體電阻率ρ20=0.017241Ω·mm2/m，其每米直流電阻分別為R20min=0.000479Ω，R20max=0.000508Ω。由式（2）算得電阻不平衡率為5.84%。

由此可見，在導體直流電阻率相同的情況下，由于導體截面尺寸的公差而造成的導體電阻不平衡率，最大可達5.84%，超過標準允許的電阻不平衡率值。

3.退火工藝對導體直流電阻不平衡率的影響

為研究退火工序?qū)w直流電阻的影響，對裸線退火前后的電阻不平衡情況進行比較。試驗分別采用五組同規(guī)格裸線，每組三盤，對退火前后電阻不平衡情況進行比較。可知，退火前后電阻不平衡率變化偏差最大為0.24%。實驗表明，退火工序?qū)w電阻率平衡性的影響很小。

綜上所述，原材料加工方法、批次和拉線工藝對導體直流電阻的不平衡性影響較大，而退火過程對電阻不平衡性影響較小。銅線坯電阻率的不均勻和導體截面尺寸的偏差是造成扁電磁線導體直流電阻不平衡的主要原因。

四、解決方案

1.導體截面尺寸偏差太大的解決方案

扁電磁線導體的拉制方式有三種：模具法、擠壓法和精軋法。在模具拉線法的拉制過程中，因模具與導體劇烈摩擦，模具定徑尺寸不斷增加，一個標模從最小尺寸到最大尺寸的拉制過程，也是導體尺寸在不斷增大的過程，在微觀上表現(xiàn)為導體呈一個錐體形狀。所以，采用同一個模具拉制出來的產(chǎn)品，導體尺寸從標準最小尺寸過渡到標準最大尺寸，導體的電阻也隨導體尺寸的增大而減小，從而導致導體的電阻不平衡率超標。若將同一批導體的尺寸公差范圍縮小，則不可避免地增加了拉線模具的成本或造成不同批次之間產(chǎn)品的電阻不平衡率增大，因為目前拉絲模具都是手工修模，其尺寸的均勻性和圓角半徑的控制都存在較大的不均勻性。同樣在擠壓生產(chǎn)方式中，也是通過擠壓模具確定產(chǎn)品尺寸，也存在由于模具逐漸變大和圓角不均勻的問題。為了解決導體尺寸不均勻的問題，采用精密軋機對導體進行加工。

導體通過上下三個軋輥和左右兩個軋輥的軋制，通過激光探測儀對成品尺寸進行追蹤反饋，從而調(diào)整前面軋輥的開合，穩(wěn)定導體尺寸。

2.銅線坯電阻率不均勻的解決方案

雖然通過以上方法可將同一廠家、同一批次銅線坯的電阻率不平衡率控制在一定范圍內(nèi)，但在電磁線交貨周期長或合同批量大時，要確保批量銅線坯電阻率的平衡，相對來說難度比較大。本文采用導體尺寸補償?shù)姆椒▉斫鉀Q導體原材料電阻率不均勻性的問題，過程如下：

R平=ρ20平L/S平 （6）

R設=ρ20測L/S設 （7）

式中，R設、R平分別為設計電阻和平均電阻；ρ20平、ρ20測分別為換算為20℃時的平均電阻率和實測電阻率；S設、S平分別為導體設計截面積和導體平均截面積。

設導體的設計電阻值為半年銅線坯的平均值，即ρ20測L/S設=ρ20平L/S平，變換得：S設=S平×ρ20測/ρ20平（8）半年間連鑄連軋銅線坯的電阻率平均值ρ20平=0.0168868Ω·mm2/m。精密軋機軋制導體圓角半徑變化甚小，為簡便計算，在此忽略不計，取導體標準尺寸計算導體平均截面積為S平=a×b=3.55×10=35.5mm2。測得進廠銅線坯直流電阻率ρ20測=0.016700Ω·mm2/m，由式（8）得S設=35.11mm2。

根據(jù)GB/T7673.3—2008規(guī)定，3.55mm×10mm線規(guī)截面尺寸偏差要求為（3.55±0.05）mm×（10±0.07）mm，則本文設計此批導體精密軋制尺寸為：

a=（3.53±0.01）mm，b=（9.95±0.015）mm。

通過導體尺寸的補償設計，可以很好地解決由于原材料直流電阻率不均勻而造成的產(chǎn)品直流電阻不平衡率超標的問題。

五、結(jié)束語

通過對扁電磁線導體直流電阻平衡性的研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，該項工作良好效果的取得，有賴于對其多項影響環(huán)節(jié)與要素的充分掌控，有關人員應該從變電磁線導體應用的客觀實際出發(fā)，研究制定最為符合實際的應對實施策略。

參考文獻：

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