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