Aus welchem Leitermaterial können Spulen gewickelt werden?
In der Spulenproduktion spielt der verwendete Draht eine zentrale Rolle. Kupfer ist zwar zweifellos das meistverwendete Leitermaterial, gerade bei kundenspezifischen Spulenprojekten lohnt sich aber je nach Anwendung auch die Prüfung von alternativem Spulendraht.
In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die breite Materialauswahl, die für Spulenwicklungen zur Verfügung steht. Jedes Material bringt unterschiedliche Eigenschaften mit sich, die das Gewicht, die Festigkeit, die Flexibilität, die thermische/elektrische Leitfähigkeit und selbstverständlich die Kosten der Spulenproduktion beeinflussen.
Kupfer
Kupfer ist der gebräuchlichste der elektrisch leitenden Drähte und wird am häufigsten für Magnetspulen verwendet. Es hat einen geringen elektrischen Widerstand und lässt den Strom leicht durchfliessen. Es wird puncto Leitfähigkeit nur noch von Silber übertroffen – abgesehen von den Supraleitern. Abgeschlagen auf Platz 4 noch hinter Gold rangiert in der Leitfähigkeits-Tabelle das Aluminium.
Ein wichtiger Faktor für die Verwendung von Kupfer ist, dass es so konfiguriert und geformt werden kann, dass jeglicher Spulentyp entsteht. Kupfer ist nebenbei nicht nur als gängigstes Material für Spulendraht bekannt, sondern wird auch bei der Produktion von Leiterplatten eingesetzt.
Aluminium
Wenn Aluminium für die Spulenherstellung gewählt wird, so hat dies meist Gewichts- oder Kostengründe. Der Preis von Aluminium liegt oft deutlich unter dem von Kupfer. Aluminium ist sehr fest, weich und somit leicht formbar. Es besitzt eine hohe Leitfähigkeit für Wärme und elektrischen Strom (diesbezüglich aber deutlich schlechter Kupfer). An der Luft überzieht sich das unedle Metall mit einer dünnen, durchsichtigen Oxidschicht, die das darunter liegende Metall vor weiterer Korrosion schützt. Sein geringes Gewicht ermöglicht eine effiziente Beschleunigung der beweglichen Teile, was die Leistung verbessert. Durch die Verwendung von Aluminiumdrähten wird die Klangqualität von Lautsprechern und Schwingspulen verbessert.
Ein Nachteil von Aluminium sind die limitierten Kontaktiermöglichkeiten. Ausser dem Laserschweissen kommt kein anderes Schweissverfahren infrage. Folglich müssen mechanische Verfahren wie Schneid-Klemmkontakte, Crimpen oder Bonden eingesetzt werden.
Silber
Silber ist eines der gebräuchlichsten leitfähigen Metalle. Es hat die höchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle. Der Grund, warum Silber in der Spulenherstellung nicht häufiger als Kupfer verwendet wird, liegt im geringeren Vorkommen und den entsprechend höheren Kosten. Zudem ist es anfällig für Oxidation.
Gold
Gold ist dehnbar und verformbar, wodurch es sich leichter zu Draht formen lässt. Es ist ein weiches Metall und kann für kleine elektronische Schaltungen und Spulen konfiguriert werden. Da Gold nicht leicht mit anderen Elementen reagiert und korrosions- und anlaufbeständig ist, eignet es sich hervorragend als Leitmaterial für die Spulenproduktion. Dies gilt aufgrund des sehr kleinen Übergangswiderstands umso mehr für die Kontaktierung mit umgebenden Komponenten. Der Nachteil liegt, man ahnt es schon, bei den hohen Kosten und der begrenzten Verfügbarkeit von Gold. Aus mechanischer Sicht muss zudem das hohe Gewicht berücksichtigt werden, Gold ist eines der schwersten Metalle überhaupt.
Kupferplattiertes Aluminium (CCA): Das Trendmaterial in der Spulenherstellung
Als häufigste Alternative zu Kupfer- oder Aluminiumdraht hat sich für die Spulenproduktion eine Kombination aus ebendiesen Metallen etabliert. Kupferplattiertes Aluminium, bekannt als CCA-Draht für engl. „Copper Clad Aluminium», hat im Vergleich zu reinem Kupferdraht aufgrund der niedrigen Dichte ein geringeres Gewicht. Allerdings ist die Zugfestigkeit von CCA-Draht auch geringer als die von reinem Kupferdraht. Es kann auch zu Übertragungsfehlern in der Konstruktion kommen.
CCA wird durch das Verbinden einer Schicht aus reinem Kupfer mit einem Aluminiumkern hergestellt. Beim Ziehen enthält CCA natürlich weniger Kupfer als reine Kupferkabel, bietet aber fast die gleiche Leitfähigkeit, nur der Widerstand ist etwas höher. Wie ist das möglich? Das hängt mit einem elektrischen Phänomen zusammen, dem so genannten "Skin-Effekt". Der Skin-Effekt ist die Tendenz von hochfrequentem Wechselstrom, sich im Leiter zu verteilen, so dass die Stromdichte in der Nähe der Leiteroberfläche (oder Skin) höher ist. Folglich geht es darum, die Leitfähigkeit im äusseren Leiterradius durch eine Kuperbeschichtung zu verbessern. Da der Skin-Effekt nur bei hohen Frequenzen auftritt, bietet sich CCA-Draht für solche Anwendungen besonders an. Zur Herstellung von Wickelgütern ebenso relevant ist CCA-Draht wegen der Kombination des Gewichtsvorteils (Aluminium) mit der guten Schweiss- und Lötbarkeit von Kupfer.
Hochfeste Legierungen als Leitmaterial in der Spulenproduktion
Unter der Vielzahl an verfügbaren Kupfer-Legierungen spielen auch einige in der Spulenproduktion eine nennenswerte Rolle. Die sogenannt «hochfesten Legierungen» werden vor allem wegen ihrer höheren Bruchfestigkeit im Vergleich zu reinem Kupfer eingesetzt. Sie weisen ebenso höhere Zugspannungs- und Dehnungswerte auf. Die Drähte HTW und XHTW des Herstellers Elektrisola können besonders für Anwendungen wie Lautsprecher, Kopfhöher, Vibrationsmotoren oder Mikromotoren sowie generell in der Luft- und Raumfahrtindustrie oder der Unterhaltungselektronik eine interessante Option sein.
Selten verwendetes Leitermaterial in der Spulenherstellung
Eher selten gelangen Drähte aus den folgenden Materialien in der Produktion von Magnetspulen zur Anwendung:
Kohlenstoff
Kohlenstoffdraht ist in der Herstellung kostengünstiger und unterdrückt Hochfrequenzstörungen (RFI) und elektromagnetische Störungen (EMI). Er wird im Fahrzeugbau und als Ersatzdraht verwendet.
Manganin
Manganin ist eine Legierung, die aus Kupfer, Mangan und Nickel besteht. Manganin, auch Konstantin genannt, weist bei Temperaturschwankungen nur eine sehr geringe Widerstandsänderung auf, ist sehr widerstandsfähig gegen Hitzekorrosion und hat eine hohe Langzeitstabilität.
Titan
Titan hat gute mechanische und physikalische Eigenschaften. Es ist säurebeständig und lässt sich leicht konfigurieren, herstellen und schweissen. Die Korrosionsbeständigkeit von Titandraht hat es zu einem Hauptbestandteil der Luft- und Raumfahrt, der chemischen Verarbeitung und der medizinischen Industrie gemacht.
Nickel-Chrom
Nickel-Chrom-Draht besteht aus Nickel, Chrom und Eisen. Er ist widerstandsfähig und oxidationsbeständig und verfügt über eine gute Duktilität und Schweissbarkeit. Die verschiedenen Arten von Nichrom haben eine Nummernbezeichnung, die die Menge des enthaltenen Nickels angibt. Die Arten von Nichrom sind Nichrom 20, 30, 40, 60, 70 und 80. Die Betriebstemperatur von Nichrom schwankt zwischen 1050° C und 1180° C.
Kanthal
Kanthal ist eine Legierung aus Eisen-Chrom-Aluminium (FeCrAl) und wird in Widerstands- und Hochtemperaturanwendungen eingesetzt. Sie bildet eine Schutzschicht aus Aluminiumoxid, das sowohl als Wärmeleiter als auch als Isolator dient. Kanthal hat eine extrem hohe Schmelztemperatur von 1425° C.
Nickel
Nickeldraht erwärmt sich schnell und hat einen sehr geringen Widerstand. Leider schmilzt Nickeldraht bei hohen Temperaturen leicht und kann somit nur in temperaturkontrollierten Anwendungen verwendet werden.
Fazit zum geeignetsten Drahtmaterial in der Herstellung von Magnetspulen
Kupfer ist und bleibt das gängigste Material in der Spulenproduktion, je nach Verwendungszweck, erforderlicher Leistung oder Zielpreis lohnt sich aber auch die Prüfung von alternativem Drahtmaterial. Über die vergangenen Jahre haben sich insbesondere Aluminium oder kupferplattiertes Aluminium (CCA-Draht) als verbreitete Optionen zur Spulenherstellung etabliert.
