Cavi flessibili multiconduttore per applicazioni industriali

I cavi multiconduttori utilizzati per l'alimentazione e il controllo in applicazioni come l'automazione industriale, i macchinari pesanti, i robot e la generazione di energia sono soggetti a continue flessioni e torsioni, a forti escursioni termiche e all'esposizione a oli, acqua e sostanze chimiche industriali. Queste condizioni possono inficiare la durata dei cavi, portare a un funzionamento inaffidabile e compromettere la sicurezza. Anche l'integrità del segnale è un problema, quindi i cavi possono richiedere una schermatura per ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche (EMI).

I progettisti di sistemi per queste applicazioni devono conoscere bene i materiali capaci di resistere ai rigori degli ambienti industriali e comprendere le particolarità della disposizione e del posizionamento dei conduttori. Inoltre, devono garantire la conformità agli standard internazionali relativi alla capacità e alla sicurezza ambientale.

Questo articolo fornisce una breve panoramica dei requisiti di cablaggio delle applicazioni industriali. Presenta quindi esempi di cavi super flessibili e continui di LAPP e mostra come il materiale e la costruzione specializzata consentano ai progettisti di soddisfare queste specifiche.

Movimento industriale

Le fabbriche automatizzate sono costantemente in movimento. I bracci robotici si estendono, ruotano e si ritirano; le stazioni di lavorazione ruotano e posizionano i prodotti per la lavorazione e le operazioni di pick-and-place, mentre le macchine utensili ruotano e traslano le teste degli utensili (Figura 1).

Figura 1: Le macchine automatizzate richiedono cavi affidabili che possano piegarsi e torcersi per milioni di cicli. (Immagine per gentile concessione di LAPP)

Queste applicazioni, così come quelle destinate a gru, turbine eoliche e veicoli pesanti, richiedono cavi flessibili in grado di sopportare milioni di cicli di flessione e torsione. I movimenti tipici dei cavi comprendono la flessione continua, la flessione torsionale e la flessione di piegatura (Figura 2).

Figura 2: I tipici movimenti di flessione a cui sono esposti i cavi comprendono la flessione continua, la torsione e la piegatura. (Immagine per gentile concessione di LAPP)

Un cavo che procede avanti e indietro con un movimento lineare, comunemente in una traccia, è soggetto a una flessione continua. La flessione torsionale, comune nelle macchine robotiche, deriva dalla torsione di un cavo in senso longitudinale, orario o antiorario, in un intervallo compreso tra 90° e 360°. La flessione di piegatura, chiamata anche flessione tic-toc per la sua somiglianza con il movimento di un pendolo, deriva dal fatto che un cavo si piega avanti e indietro in riferimento a un punto fisso. In tutti questi casi, le sollecitazioni più elevate si verificano nel punto di piegatura stazionario e nel punto di trascinamento.

Capire il modo in cui sono progettati i cavi per gestire uno specifico tipo di piegatura è fondamentale per garantirne l'affidabilità e una lunga durata funzionale.

Cavo flessibile

La flessibilità di un cavo è funzione della sua struttura interna e inizia con un conduttore avvolto in un isolante. Il conduttore più comunemente utilizzato è il rame, seguito da alluminio e argento. L'isolante è scelto tra una gamma di materiali termoplastici o elastomerici e viene applicato per estrusione.

In generale, la maggiore flessibilità di un cavo deriva dall'uso di più fili di dimensioni ridotte. Poiché la resistenza di un cavo è una funzione dell'area di sezione trasversale del filo, è necessario utilizzare più fili di dimensioni ridotte per mantenere la resistenza in serie del cavo. La norma DIN VDE 0295/IEC 602258 specifica diverse classi di flessibilità per i cavi industriali (Figura 3).

Figura 3: Le classi DIN VDE 0295/IEC 602258 per le strutture di cavi flessibili vanno da quelle piene per le applicazioni fisse a quelle a trefoli extra sottili per le installazioni extra flessibili. (Immagine per gentile concessione di LAPP)

I conduttori in Classe 1 utilizzano un filo pieno, in genere di rame. Sono destinati all'installazione in edifici dove è necessario un cavo fisso, robusto e rigido.

I conduttori in Classe 2 contengono più fili a trefoli con una sezione individuale più piccola. Questa classe di cavi offre una maggiore flessibilità, ma è comunque destinata a installazioni fisse in applicazioni che possono richiedere piegature, avvolgimenti o movimenti occasionali, ad esempio durante la localizzazione e la posa iniziale.

I conduttori flessibili in Classe 5 utilizzano fili più sottili per creare cavi con una maggiore flessibilità. Questi cavi sono utilizzati nei cordoni di utensili elettrici portatili, nelle prolunghe e in altre applicazioni in cui la flessibilità è utile ma non è richiesta ripetutamente.

I conduttori extra flessibili in Classe 6 utilizzano fili ancora più sottili. Questo tipo di conduttore è utilizzato per i cavi installati in apparecchiature elettriche mobili come robot e macchine industriali, nonché in aree in cui i cavi sono soggetti a frequenti movimenti o torsioni.

I fili dei cavi multifilo sono attorcigliati o posati per ottenere una sezione trasversale circolare, ridurre al minimo il diametro e migliorare la flessibilità (Figura 4).

Figura 4: Le pose più comuni dei cavi per ridurre il diametro, garantire una sezione trasversale circolare e aumentare la flessibilità. (Immagine per gentile concessione di LAPP)

I cavi a fascio contengono un numero qualsiasi di fili in uno schema casuale attorcigliati nella stessa direzione. Questa costruzione non avrà una configurazione geometrica ben definita e il cavo potrà avere una sezione trasversale variabile. Le relative costruzioni unilay avranno una geometria e una sezione trasversale ben definite.

I cavi a posa concentrica utilizzano un filo centrale circondato da strati ben definiti di conduttori posati elicoidalmente. Ogni strato concentrico ha una direzione di posa invertita. A causa della torsione, la lunghezza di posa aumenta in ogni segmento successivo. I cavi a posa concentrica sono utilizzati nelle applicazioni soggette a flessione continua.

I conduttori a posa concentrica circondano un'anima monofilare con uno o più strati di conduttori disposti elicoidalmente. Gli strati successivi sono avvolti nella stessa direzione di posa e aumentano la lunghezza di posa in ogni segmento successivo. Questa costruzione è tipicamente utilizzata in progetti che richiedono torsioni e flessioni continue.

Costruzione del cavo

Un cavo è costituito con diversi fili circondati da strati di materiali lubrificanti e isolanti. L'isolante più comunemente utilizzato è il polivinilcloruro (PVC). I diversi fili vengono posati e racchiusi da strati protettivi che formano il cavo. Ad esempio, i cavi di controllo flessibili continui ÖLFLEX FD 890 e FD 890 CY di LAPP (Figura 5) utilizzano conduttori multipli in rame con un isolante in PVC appositamente formulato.

Figura 5: La struttura dei cavi flessibili schermati e non schermati comprende conduttori in rame con isolante in PVC. (Immagine per gentile concessione di LAPP)

I cavi della famiglia FD 890 (Figura 5, in alto) hanno da 3 a 50 fili e diametri da 20 AWG a 2 AWG, mentre i cavi della famiglia FD 890 CY (Figura 5, in basso) hanno da 3 a 34 fili, con diametri da 20 AWG a 6 AWG. Le loro strutture sono simili, tranne che per l'aggiunta della treccia schermante.

I cavi serie FD 890 CY includono una treccia di rame stagnato per le applicazioni che richiedono una schermatura EMI. I cavi schermati sono necessari negli ambienti di fabbrica, che in genere presentano una maggiore concentrazione di cavi attivi di alimentazione e di controllo in uno spazio ristretto. I cavi schermati hanno una struttura dell'anima simile a quella dei cavi non schermati, con l'aggiunta di un rivestimento interno in PVC sotto la treccia per isolarla dai fili dell'anima. A causa degli strati aggiuntivi, il diametro del cavo è maggiore di quello di un analogo cavo non schermato. Il rivestimento esterno ha le stesse caratteristiche del cavo non schermato.

Un esempio della serie ÖLFLEX FD 890 è il cavo a quattro conduttori non schermato 8920044 con fili da 20 AWG; la specifica metrica equivalente ha una sezione trasversale conduttiva di 0,5 mm². Il cavo assemblato ha un diametro di 7,4 mm. Un esempio della famiglia di cavi schermati ÖLFLEX FD 890 CY è il cavo a quattro conduttori 8914044S con fili da 14 AWG. Questo cavo ha una sezione trasversale conduttiva di 2,5 mm² per un diametro di 14 mm. La treccia schermante copre l'85% superficie del filo centrale.

Entrambe le famiglie di cavi superano lo standard di flessibilità Classe 6, sono classificate per gestire tensioni di funzionamento fino a 600 V e sono sottoposti a test di cedimento fino a 2000 V. Le specifiche di temperatura per entrambe le serie di cavi dipendono dall'applicazione. Ad esempio, da -5 °C a +90 °C per le applicazioni che richiedono una flessione continua e da -25 °C a +90 °C per l'uso stazionario.

Il raggio di curvatura minimo è una cifra di merito per la flessibilità del cavo e indica il raggio di curvatura minimo che il cavo può sopportare senza subire danni, solitamente espresso in multipli del diametro (D) (Figura 6).

Figura 6: Il raggio di curvatura minimo è espresso in multipli del diametro del cavo (D). (Immagine per gentile concessione di LAPP)

Il cavo illustrato nella Figura 6 ha un raggio di curvatura minimo pari a tre volte il diametro del cavo. I cavi FD 890 hanno un raggio di curvatura pari a 7,5 diametri di cavo. Grazie agli strati di rivestimento interno e di schermatura aggiunti, i cavi schermati FD 890 CY hanno un raggio di curvatura minimo maggiore, pari a 10 diametri. Ad esempio, il raggio di curvatura minimo per il cavo FD 890 CY da 14 mm è di 140 mm.

I cavi FD 890 e FD 890 CY sono certificati secondo gli standard UL, CSA, CE e RoHS per il movimento, ritardo di fiamma, resistenza all'olio e resistenza alla luce solare.

Conclusione

I cavi multiconduttori ÖLFLEX FD 890 e FD 890 CY di LAPP sono progettati per la flessione continua in applicazioni come l'automazione industriale, i macchinari pesanti, i robot e la generazione di energia. Questi cavi utilizzano trefoli sottili e composti specificamente formulati per ottimizzare la durata flessionale e garantire un'elevata resistenza a oli, acqua, refrigeranti e solventi industriali. È disponibile una versione schermata per le applicazioni in cui le EMI sono un problema.