Grundlagen zu flexiblen Mehrleiterkabeln für industrielle Anwendungen

Die mehradrigen Kabel, die für die Energieversorgung und Steuerung in Anwendungen wie Industrieautomation, Schwermaschinen, Robotern und Energieerzeugung eingesetzt werden, sind ständigen Biege- und Torsionsbelastungen, großen Temperaturschwankungen und der Einwirkung von Öl, Wasser und Industriechemikalien ausgesetzt. Diese Bedingungen können zu einer verkürzten Lebensdauer der Kabel, einem unzuverlässigen Betrieb und einer Beeinträchtigung der Sicherheit führen. Auch die Signalintegrität ist ein Thema, so dass die Kabel möglicherweise abgeschirmt werden müssen, um elektromagnetische Störungen (EMI) zu minimieren.

Konstrukteure von Systemen für diese Anwendungen müssen sich mit Materialien auskennen, die den harten Bedingungen in industriellen Umgebungen standhalten, und die Feinheiten der Leiteranordnung und -platzierung verstehen. Sie müssen auch die Einhaltung internationaler Standards in Bezug auf Umweltverträglichkeit und Sicherheit gewährleisten.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Anforderungen an die Verkabelung bei industriellen Anwendungen. Anschließend werden Beispiele für superflexible Kabel von LAPP für kontinuierliches Biegen vorgestellt und gezeigt, wie ihr Material und ihre spezielle Konstruktion es den Konstrukteuren ermöglichen, diese Spezifikationen zu erfüllen.

Industrielle Bewegungen

Automatisierte Fabriken sind ständig in Bewegung. Roboterarme fahren aus, drehen sich und ziehen sich zurück; Bearbeitungsstationen drehen und positionieren Produkte für Bearbeitungs- und Bestückungsvorgänge, während Werkzeugmaschinen die Werkzeugköpfe drehen und verschieben (Abbildung 1).

Abbildung 1: Automatisierte Maschinen erfordern zuverlässige Kabel, die sich in Millionen von Zyklen biegen und verdrehen können. (Bildquelle: LAPP)

Für diese Anwendungen, aber auch für Kräne, Windkraftanlagen und schwere Fahrzeuge werden flexible Kabel benötigt, die Millionen von Biege- und Verdrehzyklen standhalten können. Typische Kabelbewegungen sind Dauer-, Torsions- und Knickbiegung (Abbildung 2).

Abbildung 2: Zu den typischen Biegebewegungen, denen Kabel ausgesetzt sind, gehören Dauer-, Torsions- und Knickbiegung. (Bildquelle: LAPP)

Ein Kabel, das in einer linearen Bewegung hin und her rollt, üblicherweise in einem Kabelkanal, führt zu einer Dauerbiegung. Die in Robotern übliche Torsionsbiegung entsteht durch die Verdrehung eines Kabels in Längsrichtung, im oder gegen den Uhrzeigersinn, in einem Bereich von 90° bis 360°. Die Knickbiegung, die wegen ihrer Ähnlichkeit mit der Bewegung eines Pendels auch Ticktack-Biegung genannt wird, entsteht, wenn ein Kabel um einen festen Punkt hin und her gebogen wird. In all diesen Fällen treten die höchsten Spannungen an der stationären Biegestelle und an der angetriebenen Stelle auf.

Das Verständnis dafür, wie Kabel für eine bestimmte Art von Biegung ausgelegt sind, ist entscheidend für die Gewährleistung von Zuverlässigkeit und einer langen Lebensdauer.

Flexibles Kabel

Die Flexibilität eines Kabels hängt von seiner inneren Struktur ab. Es beginnt mit einem Drahtleiter, der von einer Isolierung umgeben ist. Der am häufigsten verwendete Leiter ist Kupfer, gefolgt von Aluminium und Silber. Die Isolierung wird aus einer Reihe von Thermoplasten oder Elastomeren ausgewählt und im Extrusionsverfahren aufgebracht.

Im Allgemeinen wird eine größere Flexibilität des Kabels durch die Verwendung mehrerer dünner Drähte bzw. Litzen erreicht. Da der Widerstand eines Kabels von der Querschnittsfläche des Drahtes abhängt, müssen viele dünne Litzen verwendet werden, um den Serienwiderstand des Kabels zu erhalten. In DIN VDE 0295/IEC 602258 sind mehrere Flexibilitätsklassen für Industriekabel festgelegt (Bild 3).

Abbildung 3: Die DIN-Klassen VDE 0295/IEC 602258 für flexible Kabelkonstruktionen reichen von massiv für ortsfeste Anwendungen bis hin zu feinstdrähtigen Litzen für extraflexible Installationen. (Bildquelle: LAPP)

Bei Leitern der Klasse 1 wird ein solider Draht verwendet, der in der Regel aus Kupfer besteht. Sie sind für die Installation in Gebäuden vorgesehen, in denen ein festes, starkes und starres Kabel benötigt wird.

Leiter der Klasse 2 enthalten mehrere Litzen mit einem kleineren Einzeldurchmesser. Diese Kabelklasse bietet mehr Flexibilität, ist aber nach wie vor für feste Installationen in Anwendungen gedacht, die ein Biegen, Aufrollen oder gelegentliches Bewegen erfordern, wie z. B. bei der anfänglichen Verlegung der Kabel.

Bei flexiblen Leitern der Klasse 5 werden noch feinere Drähte verwendet, um Kabel mit größerer Flexibilität herzustellen. Diese Kabel werden in Netzkabeln für tragbare Elektrowerkzeuge, Verlängerungskabeln und anderen Anwendungen verwendet, bei denen Flexibilität nützlich ist, aber nicht wiederholt benötigt wird.

Bei extraflexiblen Leitern der Klasse 6 werden noch feinere Drähte verwendet. Dieser Leitertyp wird für Kabel verwendet, die in beweglichen elektrischen Geräten wie Robotern und Industriemaschinen verlegt werden, sowie in Bereichen, in denen die Kabel häufigen Bewegungen oder Verdrehungen ausgesetzt sind.

Die Litzen in mehradrigen Kabeln werden verdrillt oder geschichtet, um einen kreisförmigen Querschnitt zu erhalten, den Durchmesser zu minimieren und die Flexibilität zu erhöhen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Abgebildet sind gängige Anordnungen zur Reduzierung des Durchmessers, zur Gewährleistung eines kreisförmigen Querschnitts und zur Erhöhung der Flexibilität. (Bildquelle: LAPP)

Bündelgeschichtete Kabel enthalten eine beliebige Anzahl von Litzen in einem zufälligen Muster, die in der gleichen Richtung miteinander verdrillt sind. Bündelkonstruktionen haben keine genau definierte geometrische Konfiguration und können einen variablen Querschnitt aufweisen. Die entsprechenden Konstruktionen mit in einer Richtung spiralförmig gewickelten Litzen haben dagegen eine klar definierte Geometrie und einen klar definierten Querschnitt.

Bei konzentrischen Kabeln wird eine Kernlitze verwendet, die von genau definierten Schichten spiralförmig verlegter Litzen umgeben ist. Jede konzentrische Lage hat eine umgekehrte Wickelrichtung. Durch die Verdrehung erhöht sich die Wickellänge in jeder folgenden Bahn. Konzentrisch gelegte Kabel werden in Dauerflexanwendungen eingesetzt.

Leiter in einem konzentrischen in einer Richtung spiralförmig gewickelten Draht umgeben einen einzelnen Drahtkern mit einer oder mehreren Lagen spiralförmig verlegter Leiter. Aufeinanderfolgende Lagen werden in der gleichen Richtung gewickelt, wobei die Wickellänge in jeder weiteren Lage zunimmt. Diese Kabelwickeltyp wird in der Regel bei Konstruktionen verwendet, die eine Torsion und kontinuierliche Biegung erfordern.

Kabelkonstruktion

Ein Kabel besteht aus mehreren Litzen, die von Lagen aus schmierenden und isolierenden Materialien umgeben sind. Die am häufigsten verwendete Isolierung ist Polyvinylchlorid (PVC). Mehrere Litzen werden verlegt und mit Schutzschichten ummantelt und bilden so das Kabel. Die Dauerflex-Steuerkabel ÖLFLEX FD 890 und FD 890 CY von LAPP (Abbildung 5) zum Beispiel verwenden mehrere Kupferleiter mit einer speziell formulierten PVC-Isolierung.

Abbildung 5: Der Aufbau von geschirmten und ungeschirmten flexiblen Kabeln besteht aus Kupferleitern mit PVC-Isolierung. (Bildquelle: LAPP)

Kabel der Familie FD 890 (Abbildung 5, oben) haben 3 bis 50 Drähte und Drahtgrößen von 20 AWG bis 2 AWG, während Kabel der Familie FD 890 CY (Abbildung 5, unten) 3 bis 34 Drähte und Drahtgrößen von 20 AWG bis 6 AWG haben. Ihre Strukturen sind ähnlich, abgesehen von dem hinzugefügtem Schirmgeflecht.

Die Kabel der Serie FD 890 CY enthalten ein verzinntes Kupfergeflecht für Anwendungen, die eine EMI-Abschirmung erfordern. Abgeschirmte Kabel sind in Bereichen wie der Fabrikhalle erforderlich, wo es in der Regel eine höhere Konzentration von aktiven Stromversorgungs- und Steuerkabeln auf engem Raum gibt. Die geschirmten Kabel haben einen ähnlichen Kernaufbau wie die ungeschirmten Kabel, mit einem zusätzlichen internen PVC-Mantel unter dem Geflecht, um es von den Drähten im Kern zu isolieren. Aufgrund der zusätzlichen Schichten ist der Kabeldurchmesser größer als der eines vergleichbaren ungeschirmten Kabels. Der Außenmantel hat die gleichen Eigenschaften wie der des ungeschirmten Kabels.

Ein Beispiel für die Serie ÖLFLEX FD 890 ist das vieradrige ungeschirmte Kabel 8920044 mit 20AWG-Drähten; die äquivalente metrische Spezifikation ist eine leitende 0,5 mm² Querschnittsfläche. Das Kabel hat einen Durchmesser von 7,4 mm. Ein Beispiel für die geschirmte Familie ÖLFLEX FD 890 CY ist das vieradrige Kabel 8914044S mit 14AWG-Adern. Dieses Kabel hat eine leitende Querschnittsfläche von 2,5 mm² bei einem Kabeldurchmesser von 14 mm. Das Abschirmgeflecht deckt die Oberfläche des Kerndrahtes zu 85% ab.

Beide Kabelfamilien übertreffen die Flexibilitätsnorm der Klasse 6. Sie sind für Betriebsspannungen bis zu 600 Volt ausgelegt und bis 2000 V durchschlagsgetestet. Die Temperaturspezifikation für beide Kabelserien hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Er beträgt beispielsweise -5°C bis +90°C für Anwendungen, die kontinuierliches Biegen (Dauerbiegung) erfordern, und -25°C bis +90°C für den stationären Einsatz.

Der Mindestbiegeradius ist eine Kennzahl für die Flexibilität des Kabels. Er gibt den kleinsten Biegeradius an, den das Kabel ohne Beschädigung aushalten kann, und wird in der Regel als Vielfaches des Kabeldurchmessers (D) angegeben (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der Mindestbiegeradius wird durch ein Vielfaches des Kabeldurchmessers (D) definiert. (Bildquelle: LAPP)

Das in Abbildung 6 gezeigte Kabel hat einen Mindestbiegeradius von dreimal dem Kabeldurchmesser. Die Kabel FD 890 haben einen Biegeradius von 7,5 Kabeldurchmessern. Aufgrund der zusätzlichen Innenmantel- und Abschirmungsschichten haben die geschirmten FD-890-CY-Kabel einen größeren Mindestbiegeradius von 10 Durchmessern. Der Mindestbiegeradius für das 14mm-Kabel FD 890 CY beträgt zum Beispiel 140 mm.

Die Kabel FD 890 und FD 890 CY sind nach UL-, CSA-, CE- und RoHS-Normen für Bewegung, Flammwidrigkeit, Ölbeständigkeit und Sonnenlichtbeständigkeit zertifiziert.

Fazit

Die mehradrigen Kabel ÖLFLEX FD 890 und FD 890 CY von LAPP sind für den Einsatz in der industriellen Automation, im Schwermaschinenbau, bei Robotern und in der Energieerzeugung konzipiert. Diese Kabel verwenden feine Drahtlitzen und speziell formulierte Verbindungen, um die Biegefestigkeit zu optimieren und eine hohe Beständigkeit gegen Öl, Wasser, industrielle Kühlmittel und Lösungsmittel zu gewährleisten. Für Anwendungen, bei denen EMI ein Problem darstellt, ist eine abgeschirmte Version erhältlich.