導体材料としてのアルミニウム: より軽量で経済的な代替品

Jan 07, 2024

スポンサー付きコンテンツ別 | 2019年5月24日

さまざまな業界や用途に合わせて導電性金属を選択するのは難しい場合があります。 銅は、優れた導電性と展性があるため、ケーブルやワイヤーによく使用されます。 しかし、アルミニウムに比べて比較的重く、高価です。 銅よりも軽量でコストが大幅に低いアルミニウムへの切り替えは、多くの場合実行可能な選択肢です。 アルミニウムをうまく使用するには、この導電性金属の機能を理解し、アルミニウムが引き起こす課題にどう対処するかが重要です。 銅は 1 トンあたり 4,323 ドルで、現在、1 トンあたり 2,043 ドルのアルミニウムの 2 倍以上の価格です (2015 年 2 月 2 日現在)。 この価格の大きな違いは、銅に比べて生アルミニウムの入手可能性が高いことが原因です。 酸素とシリコンに次いで、アルミニウムは地球の上部地殻で 3 番目に一般的な元素であり、銅は原材料のリストで入手可能性が 25 位にランクされています。 現在の価格の評価は、原材料市場の変動によってさらに強化されます。 過去 5 年間 (2010 年から 2014 年) の数字を見ると、銅価格は 1 トンあたり 3,674 ドルから 5,980 ドルの範囲内で変動しました。 2004 年の年間平均値は依然として 1 トンあたり 1,895 ドルでした。 アルミニウム部門にはそのような変動幅は存在しないため、より適切な材料計画が可能になります。 アルミニウムを導体材料として使用する場合、その導電性は低いため、銅線の約 3 分の 1 大きなワイヤサイズが必要になります。 ただし、最終的には、ワイヤに使用される絶縁材料が性能において重要な役割を果たし、アルミニウム ワイヤは H07RN-F 銅線と同じ電流容量を持つことができます。 アルミニウムのより大きなワイヤサイズは、高密度に配置された制御ボックスに設置される場合など、狭い間隔が必要な用途では不利になるだけです。 重量の問題に関しては、アルミニウムの事実がすべてを物語っています。 原材料としてのアルミニウムは銅よりも約 70% 軽いです。 これは、すべてのコンポーネントの重量を削減しようとする多くのアプリケーション分野の取り組みに役立ちます。 当然のことながら、電気ケーブルに使用すると、重量が軽いため設置が容易になります。 高圧線は長い間アルミニウムで作られてきました。 軽量化により、ワイヤーとマストにかかる張力が大幅に軽減されます。 しかし、自動車製造や航空産業などの業界でもアルミニウム線への切り替えが進んでいます。 これが、エアバス A380 にすでにアルミニウム製のワイヤーハーネス全体が取り付けられている理由です。 アルミニウム線は、同等の通電銅線よりも最大 60% 軽量です。 柔軟なケーブル接続が必要なアプリケーションでも、銅を第一の選択肢とする必要はなくなりました。 HELUWIND® WK POWERLINE ALU シリーズは、接続技術を含む細線配線プログラムを提供します。 アルミニウムの材料特性は銅の材料特性とは大きく異なります。 ケーブルを加工したり接続コンポーネントを選択したりする際には、これらの違いを考慮する必要があります。

空気中の酸化

酸素にさらされると、アルミニウムの表面に硬くて耐久性のある酸化被膜が短時間のうちに形成されます。 コーティングは、下の材料をさらなる腐食から保護します。 この効果により、アルミニウムは耐久性に優れた素材となります。 しかし、材料表面の保護酸化物コーティングは、電気工学の観点からは望ましくありません。 アルミニウムの導電性が低下し、接触が困難になります。 酸化した導体を前処理（被覆を除去する）せずに接続すると、アルミニウム導体とコネクタ部品間の接触抵抗が増加します。 これにより、温度が上昇し、最悪の場合はケーブル火災が発生する可能性があります。 このような問題を防ぐには、酸化被膜を物理的に破壊するか除去する必要があります。 これは、コンタクトを作成する前と圧着プロセス中に、裸のアルミニウム導体の端をブラシで磨くことによって行うことができます。アルミニウム導体のコネクタ コンポーネントには、工場から供給される特殊なコンタクト グリース（通常はコランダムなどの粒状の研磨材）が塗布されています。 コランダム粒子は高圧と組み合わせることで研磨効果を引き起こし、アルミニウム上の非導電性酸化物コーティングを破壊し、接触特性と電気接続を改善します。 また、グリースは湿気や酸素が侵入して接点に新たな腐食を引き起こすのを防ぎます。 より高品質のケーブル ラグには通常、保管中に接触グリースが乾燥したり漏れたりするのを防ぐプラスチック プラグが装備されています。

Al/Cu ハイブリッド ケーブル ラグは、C8 圧着を使用して細かく撚られたアルミニウム導体に固定されています。

C8圧着による最適な接触

細線導体の設計については、IEC 61238-1 Cl に準拠することをお勧めします。 導体の酸化表面が大きいため、A テスト済みの C8 圧着が使用されます。 C8 圧着の輪郭はより線の束に非常に深く浸透し、個々のより線を均等に引き裂くため、束ねられた導体であってもすべてのより線で最適な接触が可能になります。 C8 圧着 (POWERLINE アルミニウム シリーズの一部として開発された) を使用することにより、可能な限り最高の電気的値 (低い接触抵抗) と機械的引き抜き力を実現できます。

電気化学的貴金属との適合性

電気接続コンポーネントを指定する場合、他の金属 (主に銅) の存在下でのアルミニウムの腐食反応も考慮する必要があります。 アルミニウムが、銅、鉄、真鍮などのより貴金属（電位が高い金属）と接触すると、接触要素の形成によって電気化学反応が発生する可能性があります。 この反応は導電性の液体によって活性化されます。現場では主に凝縮水によって引き起こされます。 このプロセスでは、一連の電気化学電圧によって生成される電位差が重要な役割を果たします。 銅の電極 (アノード)、電解質 (水)、およびアルミニウムの電極 (カソード) によって接触要素が形成されます。 これらの要素間の電圧は、銅とアルミニウムの間の接触によって短絡されます。 結果として生じる電流はアルミニウムの分解プロセスを引き起こし、小さな銅粒子の汚染を明らかにする放射酸化点として目に見えます。 しかし、銅は分解しません。 しかし、分解プロセスは長期にわたって電気接続に悪影響を及ぼし、接触抵抗が増加して温度上昇や火災につながることもあります。 したがって、アルミニウムと銅の周辺機器を接続するには、アルミニウム/銅 (Al/Cu) ケーブル ラグを使用することをお勧めします。 Al/Cu ケーブル ラグ、プレス コネクタ、接続ボルト ピンなどのバイメタル コネクタは、摩擦溶接プロセスを使用して製造されます。 これらは液体が接続部に浸透して不要な沿面距離を引き起こすのを防ぐためにカプセル化されています。 Al/Cu コネクタと接続の使用は、アルミニウムの酸化の影響に対抗する最も賢明な方法です。 湿気から保護するもう 1 つの手段は、接触領域に二次絶縁体を取り付けることです。 応用分野、機械的負荷、環境条件に応じて、冷間収縮チューブ、ロール収縮チューブ、または熱収縮チューブを使用できます。 内側に接着剤を使用した収縮チューブにより、最高の保護効果が得られます。 同時に、定期的なメンテナンス中に電気接点を徹底的に検査する必要があります。

沿面距離による接続強度の低下

最後に、アルミニウムの沿面挙動も考慮する必要があります。 アルミニウムは銅よりも柔らかい金属であり、特により高い圧力と温度にさらされた場合、時間の経過とともに膨張または伸縮する傾向があります。 沿面距離の影響を受ける従来の圧着接続は強度を失い、適切な接続を保証する信頼性が失われます。 HELUKABEL の C8 圧着は、従来の圧着接続では得られない 95% の充填率を示します。 説明した拡張/ストレッチ プロセスは、優れた抽出値で補正されます。 同時に、すべてのクランプポイントの負荷レベルに応じて、定期的な保守点検を行うことをお勧めします。

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