Use of nanotechnology
to produce specialized
magnet wire for high
value applications
PhD Francisco Díaz Camacho
Cables
Magnet Wire
Enamels, Varnishes,
Lubricants, Thinners,
Conformal Coatings,
Industrials Coatings
Main Process to produce
Magnet Wire/Winding Wire
Enameled Tape insulated Plastic extrusion
Kraft Paper
Insulated Wire
Nomex
Insulated WireEnamelled
Wire
PEEK
Insulaled Wire
Enameled Process
Extracción del Cobre
Alambre de Cobre ETPCalidad Magneto
Proceso de Estirado de Cobre
Entregador Estiradora Capstan Recocedor Coiler Canasta
Diámetro
8mm
Diámetro Final
13 AWG – 1.83 mm
10 AWG – 2.58 mm
Geometría del Dado
15 Dados Totales
(Promedio 7 y 11 Dados)
Proceso de EsmaltadoMaquinas Esmaltadoras
Maquinas Esmaltadoras Horizontales
(18 AWG a 45 AWG)
Maquinas Esmaltadoras Verticales(4 AWG a 23 AWG)
1.02 mm a 0.04 mm 5.2 mm a 0.57 mm
Proceso de Esmaltado
Paso 1
Entrada canasta con
cobre trefilado.
Alimentación
de Cobre
Estiradora
Horno de Esmaltado
Take Up’s
(Embobinador)
Take Up’s
(Embobinador)
Horno de Recocido
Bomba para
Esmalte
Aplicación de
Esmalte
Pay-Off
TongaDados
Proceso de Esmaltado
Alimentación
de Cobre
Estiradora
Horno de Esmaltado
Take Up’s
(Embobinador)
Take Up’s
(Embobinador)
Horno de Recocido
Bomba para
Esmalte
Aplicación de
Esmalte
Pay-Off
TongaDados
Paso 2
Trefilado ó Estirado en línea,
de 10 hasta 15 pasos
(reducciones).
Proceso de Esmaltado
Alimentación
de Cobre
Estiradora
Horno de Esmaltado
Take Up’s
(Embobinador)
Take Up’s
(Embobinador)
Horno de Recocido
Bomba para
Esmalte
Aplicación de
Esmalte
Pay-Off
TongaDados
Paso 3
Recocedor para suavizar el cobre
mediante temperatura, entre 500 a 650 °C.
Proceso de Esmaltado
Alimentación
de Cobre
Estiradora
Horno de Esmaltado
Take Up’s
(Embobinador)
Take Up’s
(Embobinador)
Horno de Recocido
Bomba para
Esmalte
Aplicación de
Esmalte
Pay-Off
TongaDados
Paso 4
Aplicación de esmalte,
mediante dados ó fieltros,
6 hasta 24 pasos.
Aplicación de EsmalteEntrada de Esmalte
Horno de Esmaltado
Alambre Magneto
Porta Dados
Dado
Vál
vula
reg
ula
do
ra d
e fl
ujo
12
Esprea
Diámetro
Requerido
Esmalte
Esprea
Dado
Bomba de EsmalteAlambre Magneto
Esmalte
Proceso de Aplicación del Esmalte
Aplicación por Dado: Aplicación por Fieltro:
Esmalte
Fieltro(Capilaridad)
Paso 4
Proceso de Esmaltado
Alimentación
de Cobre
Estiradora
Horno de Esmaltado
Take Up’s
(Embobinador)
Take Up’s
(Embobinador)
Horno de Recocido
Bomba para
Esmalte
Aplicación de
Esmalte
Pay-Off
TongaDados
Paso 5
Zona de evaporación, su objetivo es
eliminar solventes de la resina de
esmalte.
Proceso de Esmaltado
Alimentación
de Cobre
Estiradora
Horno de Esmaltado
Take Up’s
(Embobinador)
Take Up’s
(Embobinador)
Horno de Recocido
Bomba para
Esmalte
Aplicación de
Esmalte
Pay-Off
TongaDados
Paso 6
Horno de esmaltado, sus función es
curar la película de esmalte a una
temperatura de entre 450 a 750°C.
Proceso de Aplicación del EsmaltePaso 5 y Paso 6
Intercambiador de calor Zona de Calentamiento
Placa Catalitica
Inyector
F.P. Incropera, D.P. De Witt:
Introduction to Heat Transfer,
4th edn., Wiley, New York 2002
Cylinder in transverse flow
vDRe
DNu f(g, Re, Pr)
Proceso de Aplicación del EsmaltePaso 5 y Paso 6
Intercambiador de calor Zona de Calentamiento
Placa Catalitica
Inyector
Heated recirculation air
Preheated
recirculation air
from heat
exchanger
Units with appropriate configurations of heating elements
unit 1 unit 2 unit 3
Proceso de Esmaltado
Alimentación
de Cobre
Estiradora
Horno de Esmaltado
Take Up’s
(Embobinador)
Take Up’s
(Embobinador)
Horno de Recocido
Bomba para
Esmalte
Aplicación de
Esmalte
Pay-Off
TongaDados
Paso 7
Aplicación de lubricante para mejorar
el embobinado del alambre magneto.
Proceso de Esmaltado
Alimentación
de Cobre
Estiradora
Horno de Esmaltado
Take Up’s
(Embobinador)
Take Up’s
(Embobinador)
Horno de Recocido
Bomba para
Esmalte
Aplicación de
Esmalte
Pay-Off
TongaDados
Paso 8
Embobinador de carretes, aquí se
recoge el alambre esmaltado.
Proceso de Esmaltado
Alimentación
de Cobre
Estiradora
Horno de Esmaltado
Take Up’s
(Embobinador)
Take Up’s
(Embobinador)
Horno de Recocido
Bomba para
Esmalte
Aplicación de
Esmalte
Pay-Off
TongaDados
Paso 9
Cambio de carrete automático para
garantizar corridas de producción
continuas.
Proceso de Esmaltado
Alimentación
de Cobre
Estiradora
Horno de Esmaltado
Take Up’s
(Embobinador)
Take Up’s
(Embobinador)
Horno de Recocido
Bomba para
Esmalte
Aplicación de
Esmalte
Pay-Off
TongaDados
Alambre Magneto
Proceso de Rectangulares
Proceso Rectangulares
1/2”
(0.500”)
5/16”
(0.312”)
3/8”
(0.400”)
Estirado de Alambron
Estirado KIESELSTEIN
Alambre Trefilado Duro
Rango de 4 a 12 mm
Carretes de 48”
Alambre Redondo
Pay-Off
1er Castillo
Laterales(motorizados)
2do Castillo
Dancer
Medidor de Dimensiones
Estación de Limpieza
Take-Up
3er Castillo
Laterales(motorizados)
DancerDancer
Proceso RectangularesMolinos
Rodillos Laminadores Rodillos Laterales
Cobre
Ancho
Es
pe
so
r
Max. = 750 mils (19 mm)
Min. = 65 mils (1.7 mm)
Max. = 250 mils (6.4 mm)
Min. = 40 mils (1 mm)
Producto Final Radio32 mils (0.8 mm)
Velocidades
100 a 400 m/min.
Se conecta la
bomba de vacio
70 cm-hg
Se conecta agua de
entrada y retorno
Se conecta nitrógeno
aproximadamente 15
minutos
Se conecta
ventilador interno
Se conecta
ventilador externo
Tiempo de Enfriamiento Base Nitrógeno= 14-20 Horas
Tiempo de Enfriamiento Base Antigua= 80 Horas
Cámara de
Enfriamiento
Tiempo de
Recocido: 4horas
Proceso RectangularesHornos Braun (Recocido Batch)
Montaje de
Carretes
Proceso RectangularesConform
Aluminio Serie 1350
9.5 y 12 mm
Dado Formador
Aluminio
Ancho
Es
pe
so
r
Max. = 600 mils (15.2 mm)
Min. = 102 mils (2.6 mm)
Max. = 650 mils
(16.5 mm)
Min. = 102 mils
(2.6 mm)
Producto Final
Radio32 mils (0.8 mm)
Velocidad 50 a 250 m/min.
Temp. Salida Solera ~400°C
Temp. Entrada Alambron ~35°C
Proceso RectangularesEncintado
Tipo de Cintas
• KAPTON
• APICAL
• FIBRA DE VIDRIO
• NOMEX
• PET
• NYLON
• PAPEL VEGETAL
Ancho de Cintas
• ½” , ¾” y 1”
Velocidad
10 a 30 m/min.
Proceso Inducción
Magnet wire must fulfill NEMA MW1000 norm
Dielectric properties Dielectric Breakdown
Dielectric Breakdown at rated temperature
Thermal properties Thermal class
Heat shock
Thermoplastic flow
Mechanical properties Dimensions
Adherence and flexibility.
Elongation
Springback
Scrape resistance
Chemical propertieso Solubility
o Chemical compatibility
Main uses of magnet wire
Motors in general
Hermetic Motors
Transformers
Electric vehicle motors
Inverter Technology
Magnet wire for inverter technology
Must fulfill NEMA MW1000 norm.
Pulse Endurance Resistant.
How we choose the right magnet wire for
inverter technology?
Magnet wire thermal class105 120 130 155 180 200 220 240
Polyimide
Polyamideimide
Polyesterimide
Polyester
Polyurethane
Polyvinylacetal
Conductor
Polyester
Polyamideimidetopcoat
75-80%
Magnekon
Overall
production
Pulse endurance magnet wire construction
Conductor
Polyester(imide)
Semiconductor layer
Polyaimideimide topcoat
+ H20
+ Polymer
Nano composite
Semiconductor layer production
Disperse
additive
+ +
Polymeric enamelNano particle
Nano compositeMagnet wire corona
resistance 2ª generation
Enameling
Stirring
Semiconductor layer production
Test at different average particle size
Test at different concentration of inorganic
particles
Pulse Endurance Test
Capability to run in hot water or oil. Twisted pairs, motorets, rectangular
and varnished samples
Parameter Value Units
Oven Temperature 200 °C
Carrier Frecuency 15 kHz
Fundamental Frecuency 200 Hz
Voltage 575 V
Cable
Pre heating 24h@200°C
Voltage peaks +/-4 kV
50mX2 10 AWG +95m
control 14 AWG)
Motor drive Test
Sinusoidal Voltage Endurance and Surge
PDIV Test
Magnekon different magnet wire survival life
determination
Technical Data Sheet for Nano Guard EV magnet wire
Comparative survival life determination for
competitors inverter magnet wire samples
Analysis by TGA Analysis by FTIR Analysis by DSC
Sample Concentration of inorganic
filler (wt%)Correlation in
FTIR, (%)Type of enamel
Glass transition
temperaturebase coat
(˚C)
Glass transition
temperaturetopcoat , (˚C)
Resofteningtemperature
(˚C)
Competitor A 0 ---------- MW35 151.27 256.15 407.32
Competitor B 1.925 96.2% MW81 287.67 ---------- 385.19
Magnekon C 6.054 94.2% MW35 160.43 190.70 402.44
Competitor D 12.625 92.2% MW81 266.38 ----------- 434.07
Competitor E 11.838 90.0% MW35 199.60 288.29 411.56
Competitor F 5.232 97.3% MW35 149.58 295.10 411.04
Competitors inverter magnet wire samples
construction determination by TGA, FTIR and DSC
Conductor
Polyester(imide)
Semiconductor layer
Polyaimideimide topcoatCompetitor C,E & F
Conductor
Polyaimideimide
semiconductor
Competitor D
Conductor
Polyaimideimide
insulation
Competitor B
Conductor
Polyester
Polyamideimide
topcoat
Competitor A
Competitors inverter magnet wire samples
construction determination by TGA, FTIR and DSC
ESMALTE NANOGUARD 3ª GENERACIÓN
+ H20
+ + H20
Síntesis de la nano partícula modificada con grupos amino.
Ventajas vs 2ª generación.
•Nano partícula embebida en las cadenas poliméricas
•Mayor estabilidad del esmalte.
•Película más flexible.
•Propiedades homogéneas del recubrimiento.
•Mejora resistencia tanto al efecto corona como a la abrasión.
Proceso de obtención del esmalte nanoguard 3ª generación (nano partícula ligada
químicamente al polímero base del esmalte)
Monómeros
Dioles,
Diaminas,
TMA, etc.
+
Esmalte 3a generación (nano partículas ligadas
químicamente al polímero base)
Polimerización
TEOS + APTES
Nanopartículas inorganicas modificadas
con grupos amino obtenidas por el
método de sol-gel
Destilación a vacío para purificar las nano
partículas inorgánicas
Thanks for your
attention