多层涂覆的阳极化电线及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种绝缘电导体，其具有铜芯，在铜芯上形成的铝层，以及高纯度铝形式的第二铝层。该铜芯可以是实心芯或者可以由多股铜线形成。在铜芯上形成的铝层至少部分被阳极化以形成氧化铝电介质层。高纯度铝层可以通过蒸发沉积、溅射沉积或共挤出形成。高纯度铝层一经形成即被阳极化。可以在铜芯上形成多于两层的铝层。
【专利说明】多层涂覆的阳极化电线及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及一种阳极化导体以及该阳极化导体的制造方法。更具体地，本发明涉及一种具有铜芯及镀有第二阳极化铝层的阳极化铝电介质层的复合导体，以及通过后金属涂覆制造该复合导体的方法。
【背景技术】
[0002]用于形成线圈或类似导电物品的电导线的绝缘层可以通过许多方法总体构建或形成，包括涂覆有机聚合物材料或阳极化的基本途径。对于第一种途径，从包含塑料、橡胶及弹性体的群组中选择的若干有机电线涂层中的任意一种将在导体材料上提供有效绝缘。然而，尽管这些材料表现出良好的电介质性能并且具有承受高压的能力时，它们会由于它们在220°C温度以上时弱的工作性能而受损，同样由于在线圈应用中它们不能有效散发欧姆或电阻发热而受损。(无机绝缘体例如玻璃、云母或某些陶瓷的承受温度高于220°C，但是对大多数应用来说其受到太脆的限制。)
[0003]除了用有机物涂覆导电材料之外，导电材料、如铜和铝也可以被阳极化以提供一些绝缘手段。对于铜芯，众所周知，这类材料的阳极化由于裂缝而产生令人不满的结果。用铝电镀铜是可能的，但是这一途径通常在涂层的耐久性方面产生不希望的结果。对于铝芯，可以将铜电镀到芯上，但是产生令人不满意的电效率。
[0004]美国专利第7，572，980号公开了一种用于传送信号或电流的绝缘电导体，其具有多种几何形状的实心或铜芯绞线，该导体只具有单一的电绝缘和导热阳极化铝(氧化铝)层。如‘980号专利所述的，这一构造通过形成均一厚度的铝薄片或铝箔包裹导电铜合金芯来获得。电解过程中，该铝的外表面在形成到芯之前或之后部分阳极化，以形成单独氧化铝层。
[0005]公知技术的该实例及其他实例在电线及其他形式的电传输装置的涂覆方面表现出改进。然而，正如很多【技术领域】，在电线涂覆领域存在进一步发展的空间。
【发明内容】
[0006]本发明改进了电导体技术并且克服了现有技术中许多已知的不足。具体地，本发明提供一种具有铜芯、形成于铜芯上的铝层、以及高纯度铝形式的第二铝层的绝缘复合电导体。该铜芯可以是实心芯或者可以由多股铜线形成。
[0007]形成于铜芯上的铝层至少部分阳极化以形成氧化铝电介质层。高纯度铝层可以通过蒸发沉积法、溅射沉积法或共挤出法形成。该高纯度铝层一经形成就被阳极化。可以在铜芯上形成多于两层的铝层。
[0008]本发明的电导体可以用于需要线圈及类似导体材料的多种应用中，例如用于机动车发电机、交流发电机以及用于与发电机、交流发电机和稳定器有关的子系统。因此，本发明可以用于内燃机动车和混合动力机动车制造，同样可以用于混合动力机动车及混合动力机动车系统。此外，本发明可以在需要非常高的电压、有效散热及高温运行的任何电动机中加以应用。因此，本发明不但可以在机车及航空航天工业加以应用，而且也可以在汽车工业加以应用。
[0009]通过以下参照附图的实施例的详细描述，以上优点及其他优点和特征将是显而易见的。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]为了更加完整地理解本发明，现参照附图中详细说明、并且以本发明实例方式描述的实施例，其中:
[0011]图1A-1D是根据本发明示出的在涂覆高纯度铝薄层之前和之后的电线以及相关电导体的截面图；
[0012]图2是根据本发明用于在阳极化电线上涂覆高纯度铝薄层的第一方法的流程图；
[0013]图3是依据本发明的第二个实施例，通过在第一阳极化层上共挤出新的铝层以及重新阳极化新的铝层来涂覆阳极化层的连续过程的示意图；
[0014]图4是根据本发明的第一方法的一种变型，通过真空蒸发沉积法在阳极化电线上涂覆高纯度铝薄层的连续过程的一部分的局部示意图；以及
[0015]图5是根据本发明的方法的第二变型，通过溅射沉积法在阳极化电线上涂覆高纯度铝薄层的连续过程的一部分的示意图。
【具体实施方式】
[0016]以下附图中，相同的附图标记用于相同的组件。以下说明中，不同的运行参数和组件用于描述不同的构造实施例。这些特定的参数和组件以实例形式包含在内，并不意味着限定。
[0017]关于图1A- 1D，其示出了根据本发明示出的在涂覆高纯度铝薄层之前和之后的电线以及相关复合电导体的截面图。该电线和相关导体优选但不一定必须根据美国专利第7，572，980所述的方法和材料制成，该专利作为参考全部合并于此。第‘980号专利转让给了本发明所转让的相同的受让人。
[0018]特别参考图1A,示出了总体示为10的复合导体的截面图。该复合导体10包含铜或铜合金芯12及铝层14。如第‘980号专利所述，铝层14通过用均匀厚度的铝薄片包裹铜芯12、并且部分阳极化薄片的外表面以形成氧化铝电介质层16形成。电介质层16在通过导热散发由于正常运行产生的热的同时，使得铜芯12电绝缘。导电铝薄层18包绕芯12并且促进电介质层16与芯12粘附或结合。
[0019]根据本发明，该复合导体10可以进一步绝缘，以便获得高的均匀电击穿，并且因此扩展复合电线先前已知范围之外的用途。通过增加高纯度铝层来实现这一目的。高纯度铝是精炼铝除去杂质使得纯度至少为99.99%的结果。图1A中示为20的高纯度铝层可以由以下说明的多种方法形成。
[0020]参照图1B，其示出了根据本发明的总体示为30的替换实施例的截面图。该复合导体30包含由多股独立的铜或铜合金形成的铜或铜合金芯32。该复合导体30进一步包含铝层34，该铝层的外表面已经依据第‘980号专利的方法进行阳极化以形成氧化铝电介质层
36。导电铝薄层38包绕芯32。该复合导体30具有形成在其上的高纯度铝层40。[0021]图1C和ID示出了根据本发明的复合导体的形状变型。首先参照图1C，复合导体的截面图总体不为50。该复合导体50包含总体扁平的铜或铜合金芯52。该复合导体50进一步包含铝层54，其外表面已经被阳极化以形成氧化铝电介质层56。导电铝薄层58包绕芯52。该复合导体50具有形成在其上的高纯度铝层60。
[0022]参照图1D，本发明的复合导体的另一变型的截面图总体示为70。该复合导体70包含总体为矩形的铜或铜合金芯72。该复合导体70包含铝层74，其外表面已经被阳极化以形成氧化铝电介质层76。导电铝薄层78包绕芯72。复合导体70具有形成在其上的高纯度招层80。
[0023]无论铜或铜合金芯的结构或形状如何，本发明的复合导体的高纯度铝涂层可以通过可替代的技术形成。图2表示在根据本发明的复合导体上形成高纯度涂层的优选方法中的一个的流程图。
[0024]参照图2，在第一步骤100形成铜芯。如上参照图1A-1D所述，铜芯可以是实心的或者可以由多股线组成。另外，铜芯可以是铜或铜合金。铜芯一经形成，即在步骤102将其包裹在铝薄片或铝箔中。具体地，如第‘980号专利所述，在步骤102，将铜芯(12，32，52，72)包裹在铝薄片(14，34，54，74)中。根据期望的芯的几何形状或其他参数，可以使用一个或多个薄片。铝片可以通过任何技术施加，包含但是不限于机械冷成型技术、共挤出技术、真空焊接或频射焊接或它们的任何组合。
[0025]一经在步骤102在铜芯上包覆铝层，该铝的外表面就在步骤104被部分阳极化。采用电解过程形成单独的均匀电介质层来完成这一步骤。优选但并非必需地是，该外层只是部分阳极化因此留下一薄层铝与铜芯接触。另外，阳极化铝的步骤可以在其施加到铜芯之前进行。
[0026]在步骤106可以依据本发明的可选步骤对阳极化铝进行漂洗。阳极化铝的漂洗通过除去电解液停止阳极化过程。
[0027]另一可选的步骤出现在步骤108，在该步骤中对导体、现在是复合导体进行退火。退火过程减少或消除芯、铝层、氧化铝电介质层或这些层之间可能出现的应力。
[0028]铝层一经阳极化、可选的漂洗以及退火，即在步骤110形成高纯度铝涂层。正如以下将要陈述的，高纯度铝涂层可以通过以下多种方法中的任何一种来获得，包含但是不限于共挤出、真空蒸发和溅射沉积。
[0029]高纯度铝层一经任一方法施加，即在步骤112进行阳极化。在步骤114，阳极化复合导体再次进行可选的漂洗以除去任何残留的电解液并且因此完全停止阳极化过程。在步骤116，漂洗过的导体可选地再次退火。
[0030]如上所述，在步骤110，在复合导体上涂覆高纯度铝层。涂覆步骤可以通过多种方法完成，但是优选共挤出、真空蒸发和溅射沉积三种方法。图3、图4和图5分别举例说明这三种方法的每一种。
[0031]参照图3，其示出了通过在第一阳极化层上共挤出新的铝层以及重新阳极化新铝层来涂覆阳极化层的连续过程的示意图。提供具有连续长度的电线122的供应或供料辊120。电线122具有被均匀厚度的铝片(14，34，54，74)包裹的铜或铜合金芯(12，32，52，72)。电源124具有连接辊120或电线122的负极接线柱126。电源124的正极接线柱128连接电解质溶液130。电解质溶液130为电线122提供电解液浴。[0032]至少部分浸没在电解质溶液130中的是导辊132。导辊132将电线122导入并导出溶液130。接线柱126和128之间的电压引起穿过溶液130的电流，因此溶液130和铝的外表面产生化学反应。这一反应导致氧化铝电介质层的形成。
[0033]配备另一导辊134以引导从溶液130中出来的阳极化电线122。此时电线122可以选择性地通过漂洗(未示出)，随后选择性地进行退火(同样未示出)步骤。
[0034]配备涂覆单元136以便向阳极化电线122施加高纯度铝层。根据图3中所示的实施例，涂覆单元136是在阳极化电线122上共挤出规定数量的高纯度铝的共挤出单元。高纯度铝从储存器138传送到涂覆单元136。如本【技术领域】已知的，可以调节高纯度铝的流速以控制层厚度。
[0035]一经涂覆上高纯度铝，带涂层并且阳极化的电线122就被引导到第二电解质溶液140中。导辊142将电线导入并导出电解质溶液140。电源144具有连接电线122的负极接线柱146以及连接电介质溶液140的正极接线柱148。电解质溶液140为电线122提供电解液浴。接线柱146和148之间的电压引起穿过溶液140的电流，因此溶液140和高纯度铝的外表面产生化学反应。这一反应导致第二氧化铝电介质层的形成。
[0036]带涂层的电线122由导辊150导出溶液140。在由导辊154导入并导出电解液浴152中之后，电线122可以可选择地在浴槽152中进行漂洗以除去任何残留的电解质溶液。卷轴156将漂洗的电线122卷绕起来。
[0037]正如所提到的，根据本发明，高纯度铝涂层可以通过其他方法涂覆到电线122上。没有特定顺序含义，在图4中示出了这些方法中的第二种，图4只列举了图3所示方法中的高纯度铝涂覆步骤并讨论了与之相关的步骤。在图3中说明的以及相对于该图讨论的涂覆步骤之前和之后的其他步骤，无论是可选择还是必须的步骤，同样适用于图4的涂覆方法，图4示出了穿过真空蒸发室160的电线122。如本领域已知的，蒸发形式的高纯度铝162由蒸发器164发出，并且在电线122离开室160之前沉积到其上。如上参照图3所述，之后将该高纯度铝层进行阳极化。
[0038]图5示出了通过本领域本身已知的物理气相沉积形式的溅射沉积法在电线122上涂覆高纯度铝的另一方法。电线122穿过溅射沉积室166，其中高纯度铝168的源或靶在作为基片的电线122上沉积成溅射高纯度铝离子170薄膜。然后带涂层的电线122退出室166。
[0039]前述的讨论披露并描述了本发明的典型实施例。从这些讨论、附图及权利要求中，本领域的技术人员很容易意识到，在不超出权利要求所限定的本发明的实质思想及合理范围的情况下，这些实施例可以进行多种改变、修改及变型。
【权利要求】
1.一种绝缘电导体，其特征在于，包含: 铜芯； 处于所述铜芯上的铝层； 在所述铝层上形成的氧化铝电介质层；以及 在所述氧化铝电介质层上形成的阳极化高纯度铝层，该阳极化高纯度铝层通过从包含蒸发沉积、溅射沉积和共挤出的群组中选择的工艺形成。
2.根据权利要求1所述的绝缘电导体，其特征在于，所述铜芯包含多股独立的铜线。
3.根据权利要求1所述的绝缘电导体，其特征在于，对所述通过共挤复合形成的阳极化高纯度铝层在挤出之后进行阳极化。
4.根据权利要求1所述的绝缘电导体，其特征在于，在所述铜芯上形成多于两层的铝层。
5.一种绝缘电导体，其特征在于，包含: 铜芯； 处于所述铜芯上的铝层； 在所述铝层上形成的氧化铝电介质层；以及 在所述氧化铝电介质层上形成的阳极化高纯度铝层。
6.根据权利要求5所述的绝缘电导体，其特征在于，所述铜芯包含多股独立的铜线。
7.根据权利要求5所述的绝缘电导体，其特征在于，所述氧化铝电介质层在电解过程中形成。
8.根据权利要求5所述的绝缘电导体，其特征在于，阳极化高纯度铝层通过蒸发沉积形成。
9.根据权利要求5所述的绝缘电导体，其特征在于，阳极化高纯度铝层通过溅射沉积形成。
10.根据权利要求5所述的绝缘电导体，其特征在于，所述阳极化高纯度铝层共挤到所述氧化铝电介质层上。
【文档编号】H01B7/02GK103778994SQ201310487931
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2012年10月18日
【发明者】拉里·迪恩·埃利, 艾伦·罗伊·盖尔, 约翰·马修·金德, 科雷·韦斯利·马朗维尔 申请人:福特全球技术公司