EP2172946B1

EP2172946B1 - Elektrische Leitung zum Anschluß an ortsveränderliche elektrische Verbraucher

Info

Publication number: EP2172946B1
Application number: EP09305571A
Authority: EP
Inventors: Ferdinand Grögl; Thomas Mann
Original assignee: Nexans SA
Current assignee: Nexans SA
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: EP2172946A1; DE502009000273D1; ATE494617T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Leitung zum Anschluß ortsveränderlicher elektrischer Verbraucher an eine Speisequelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Leitung geht aus der EP-A-1 589 541 hervor.
Derartige Leitungen werden beispielsweise in Schleppketten und zum Verbinden von ortsveränderlichen Geräten, insbesondere von Robotern, mit einer Spannungs- bzw. Signalquelle eingesetzt. Die Leitungen müssen mechanisch belastbar sein, mit einer auf lange Zeit gleichbleibenden Biegefestigkeit. Sie sollen auch in einem weiten Temperaturbereich gut biegbar bleiben, der beispielsweise zwischen -40 °C und +80 °C liegt. Von besonderer Bedeutung für solche Leitungen sind neben Beständigkeit gegen Temperatur und Torsion ihre elektrischen Eigenschaften. Das bezieht sich besonders auf die für die Übertragung von Daten vorhandenen Leiter mit Betriebsfrequenzen von über 100 MHz.
Die bekannte Leitung nach der DE 101 62 739 A1 weist neben anderen Übertragungselementen zwei Datenübertragungsleitungen und eine der Stromversorgung dienende Stromleitung auf, die jeweils von einem elektrischen Schirm umgeben sind. Die Datenübertragungsleitungen bestehen jeweils aus einem Aderpaar mit zwei isolierten elektrischen Leitern und die Stromleitung weist vier Adern aus isolierten elektrischen Leitern auf. Diese bekannte Leitung hat sich in der Praxis bewährt. Ihre Herstellung ist aber aufwendig.
In der eingangs erwähnten EP-A-1 589 541 ist eine elektrische Leitung zum Anschluß ortsveränderlicher elektrischer Verbraucher an eine Speisequelle beschrieben, welche eine von einem Mantel aus Isoliermaterial umgebene Leitungsseele aufweist, in der sowohl der Übertragung von Daten als auch der Stromversorgung dienende, aus isolierten elektrischen Leitern bestehende Adern angeordnet sind. Die Leitungsseele dieser bekannten Leitung ist von einem zwei Lagen aufweisenden elektrischen Schirm umgeben, von denen eine als Geflecht bzw. Umseilung aus Kupferdrähten ausgeführt ist, während die andere mindestens eine Schicht aus einem elektrisch leitfähig gemachten, aus Kunststoff bestehenden Vliesmaterial aufweist. Zur Datenübertragung ist in der Leitungsseele ein Aderpaar angebracht, das von einer Abschirmung umgeben ist. In den einander gegenüber liegenden Zwickeln zwischen den Adern des Aderpaars ist außerhalb der Abschirmung je eine der Stromversorgung dienende Versorgungsader angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitung der eingangs geschilderten Art anzugeben, die kompakter und einfacher herzustellen sowie für die Übertragung von Daten mit Betriebsfrequenzen von über 100 MHz geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Diese Leitung ist in herkömmlicher Technik einfach herstellbar. Sie besteht in der Leitungsseele aus vier zu einem Sternvierer miteinander verseilten Adern zur Datenübertragung und aus mindestens zwei Adern zur Stromversorgung, die in bevorzugter Ausführungsform miteinander verseilt sind. Der Sternvierer ist ein symmetrisches Gebilde aus zwei Paaren von Adern, die alle die gleiche Länge haben. Laufzeitunterschiede für die Daten auf den beiden Paaren können ausgeschlossen werden und ein Nebensprechen zwischen den beiden Übertragungskreisen ist durch die durch die Symmetrie des Sternvierers gegebene gute elektrische Entkopplung der beiden Paare minimiert. Die Abmessungen des Sternvierers sind außerdem klein gehalten, weil derselbe keinen eigenen äußeren elektrischen Schirm, auch Elementschirm genannt, hat. Das gilt auch für die der Stromversorgung dienenden Adern. Der Sternvierer und die der Stromversorgung dienenden Adern können wegen der fehlenden Elementschirme außerdem einfach miteinander verseilt werden. Die Schicht aus Isoliermaterial, vorzugsweise ein Vliesmaterial aus Polypropylen, stellt eine ausreichend niedrige Kapazität zwischen dem Schirm und der Leitungsseele sicher. Das Geflecht bzw. die Umseilung aus Kupferdrähten als eine Lage des Schirms bewirkt eine optimierte Leitungsdämpfung. Die elektrische Abschirmung gegen hochfrequente elektromagnetische Felder stellt als weitere Lage des Schirms über einen weiten Frequenzbereich das metallisierte Vliesmaterial sicher, welches eine rundum geschlossene Schicht aus elektrisch leitendem Material bildet. Das im Vliesmaterial vorhandene Metall, bei dem es sich vorzugsweise um Kupfer handelt, wird aus der Dampfphase abgeschieden. Es schlägt sich nicht nur auf der äußeren Oberfläche des Vliesmaterials nieder, sondern dringt auch in dasselbe ein und umhüllt dessen innere Fasern, die bekanntermaßen ungeordnet im Vliesmaterial zusammengehalten sind. Das Vliesmaterial ist danach "durchdringend" beschichtet. Es hat dadurch eine zwar poröse, aber trotzdem nahezu vollständige Metallschicht, die eine Bedeckung der umschlossenen Leitungsseele mit elektrisch wirksamem, metallischem Material von > 85 % ergibt. Zur Bildung einer Korrosions- bzw. Oxidationsschutzschicht können zusätzlich zum Kupfer beispielsweise Nickel oder Silber abgeschieden werden.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Leitung nach der Erfindung.
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Leitung.

In den Zeichnungen ist eine bevorzugte Ausführungsform der Leitung dargestellt, in der zwei der Stromversorgung dienende Adern zu einem Aderpaar miteinander verseilt sind. Die Leitung soll mindestens zwei der Stromversorgung dienende Adern haben, die mit einem in der Leitungsseele außerdem vorhandenen Sternvierer verseilt sind. In der folgenden Beschreibung wird die Leitung - stellvertretend auch für die anderen möglichen Ausführungsformen - für die bevorzugte Ausführungsform beschrieben.
Die Leitung nach Fig. 1 besteht aus einem der Stromversorgung dienenden Aderpaar A und einem der Datenübertragung dienenden Sternvierer S. Im Aderpaar A sind zwei aus einem isolierten elektrischen Leiter bestehende Adern 1 miteinander verseilt. Die Verseilschlaglänge des Aderpaars A liegt mit Vorteil im Bereich von 8 x D1 bis 14 x D1 mit dem Durchmesser D 1 des Aderpaars in mm. Der Sternvierer S weist vier miteinander verseilte Adern 2 auf, die jeweils aus einem isolierten Leiter bestehen. Die Verseilschlaglänge des Sternvierer S liegt mit Vorteil im Bereich zwischen 5 x D2 und 8 x D2 mit dem Durchmesser D2 des Sternvierers in mm. Aderpaar A und Sternvierer S sind miteinander verseilt. Sie bilden zusammen mit zwei Füllelementen 3 und 4 aus Kunststoff die Leitungsseele der Leitung. Die Füllelemente 3 und 4 bestehen vorzugsweise aus Polypropylenfasern oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) niedriger Dichte. Die Verseilung von Aderpaar A und Sternvierer S zur Leitungsseele erfolgt vorzugsweise im Gegenschlag zur Verseilrichtung der Adern 1 des Aderpaars A einerseits und der Adern 2 des Sternvierers S andererseits. Die Verseilschlaglänge liegt mit Vorteil im Bereich von 6 x D3 bis 14 x D3 mit dem Durchmesser D3 der Leitungsseele in mm.
Über der Leitungsseele ist eine Schicht 5 aus Isoliermaterial angebracht, welche von einem elektrischen Schirm umgeben ist. Der Schirm hat eine an der Schicht 5 anliegende erste Lage 6, welche vorzugsweise als Geflecht bzw. Umseilung aus Kupferdrähten ausgeführt ist. Über der ersten Lage 6 des Schirms ist eine zweite Lage 7 desselben angeordnet, welche aus elektrisch leitfähig gemachtem Vliesmaterial besteht. Ein äußerer Mantel 8 aus Isoliermaterial umgibt die zweite Lage 7 des Schirms.
Die Leiter der Adern 2 des Sternvierers S sind vorzugsweise als aus sieben Kupferdrähten bestehende Litzenleiter mit einem Querschnitt von beispielsweise 0,25 mm² ausgeführt. Zur Vergrößerung des elektrisch leitenden Querschnitts dieser Leiter können in den Außenzwickeln der Drähte zusätzlich sechs dünnere Kupferdrähte angeordnet sein. Das führt gegebenenfalls zu einer weiteren Verminderung der Leitungsdämpfung. Die Drähte des Litzenleiters können auch aus einer Kupferlegierung bestehen, wie beispielsweise einer Kupfer-Zinn-Legierung. Zur Einhaltung eines vorgegebenen Durchmessers von beispielsweise 1,05 mm maximal für die Adern 2 besteht die Isolierung der Leiter aus maßgenau zu extrudierendem massivem Material, insbesondere aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder aus einem Fluorpolymer (FEP, PTFE, PFA), wenn die Leitung in Gebieten mit hohen Temperaturen eingesetzt werden soll.
Der Sternvierer S wird in üblicher Technik durch Verseilen von vier Adern 2 vorzugsweise mit Rückdrehung der Adern, hergestellt, so daß sich ein drallfreier Sternvierer mit maßgenau positionierten Adern ergibt.
Die Leiter der Adern 1 des für die Stromversorgung vorgesehenen Aderpaars A haben beispielsweise einen Querschnitt von 0,38 mm². Der Durchmesser der Adern 1 kann ebenfalls beispielsweise maximal 1,05 mm betragen.
Die Schicht 5 aus Isoliermaterial besteht mit Vorteil aus einem PP-Vliesmaterial, aus einem geschäumten PP oder auch aus einem PTFE niederer Dichte, wenn die Leitung bei hohen Temperaturen eingesetzt werden soll. Ein Band aus einem derartigen Material kann vorzugsweise mit Überlappung um die Leitungsseele herumgewickelt werden. Die Schicht 5 kann in einer abgewandelten Ausführungsform auch als sogenannter Innenmantel ausgeführt sein, der auch die Zwickel zwischen dem Sternvierer S und dem Aderpaar A ausfüllt. Die separaten Füllelemente 3 und 4 entfallen dann.
Die Kupferdrähte des Geflechts bzw. der Umseilung können verzinnt sein. Beim Einsatz der Leitung bei höheren Temperaturen können auch versilberte oder vernickelte Kupferdrähte verwendet werden.
Das Vliesmaterial der zweiten Lage 7 des Schirms ist in bevorzugter Ausführungsform ein Polyester. Es kann, insbesondere bei höheren Betriebstemperaturen, aber auch aus anderen geeigneten Kunststoffen bestehen, wie beispielsweise Aramid oder Glasfasern. Seine Wandstärke bzw. Dicke liegt vorzugsweise zwischen 80 µm und 300 µm. Für seine Metallisierung wird mindestens ein elektrisch gut leitendes Metall verwendet, insbesondere Kupfer oder Silber. Eine so erzeugte Kupferschicht kann mit einer zusätzlichen Nickelschicht versehen werden. Die Abscheidung des jeweiligen Metalls erfolgt mittels der Plasmatechnik aus der Dampfphase auf dem Vliesmaterial.
Dabei dringen die Metalldämpfe auch in die relativ offene Faserstruktur des Vliesmaterials ein und umhüllen die dort befindlichen, ungeordnet zusammengehaltenen Fasern. Insgesamt wird auf und in dem Vliesmaterial eine zwar poröse, aber nahezu geschlossene Metallschicht erzeugt, die eine Bedeckung von > 85 % für einen umschlossenen Gegenstand - hier ist es die erste Lage 6 des Schirms - ergibt. Das Vliesmaterial wird vorzugsweise als Band mit Überlappung um die erste Lage 6 des Schirms herumgewickelt.
Der Mantel 8 besteht beispielsweise aus Polyvinylchlorid, Polyurethan, einem thermoplastischen Elastomer, aus Silikon oder aus einem Fluorelastomer.
Die Leitung nach Fig. 1 ist beispielsweise für einen Einsatz in Schleppketten geeignet, in denen sie im wesentlichen auf Biegung beansprucht wird. Eine Leitung, die beispielsweise zum Einsatz bei Robotern bestimmt ist, geht aus Fig. 2 hervor. Eine solche Leitung wird nicht nur auf Biegung, sondern auch auf Torsion beansprucht. Die Leitungsseele der Leitung nach Fig. 2 entspricht einschließlich der dieselbe umgebenden Schicht 5 aus Isoliermaterial derjenigen nach Fig. 1.
Bei der Ausführungsform der Leitung nach Fig. 2 weist der elektrische Schirm zusätzlich eine innere Lage 9 aus zwei metallkaschierten Kunststoff-Folien auf, die einseitig oder beidseitig eine Metallschicht aufweisen können. Die beiden Folien sind mit Vorteil jeweils mit Lücke um die Schicht 5 herumgewickelt. Dabei überdeckt die außen liegende Folie vorzugsweise die Lücken der innen liegenden Folie. Die Folien bestehen jeweils beispielsweise aus Polyester, Polyimid oder PEEK mit einer einseitigen oder beidseitigen Beschichtung aus Kupfer oder Aluminium. Über der inneren Lage 9 des Schirms ist die erste Lage 6 desselben angebracht, die dann mit Vorteil als Umseilung aus verzinnten, versilberten oder vernickelten Kupferdrähten ausgeführt ist. Die zweite Lage 7 des Schirms kann bei dieser Ausführungsform der Leitung auch aus zwei Bändern aus dem oben erläuterten metallisierten Vliesmaterial bestehen, die mit Lücke auf die erste Lage 6 aufgewickelt sind. Das außen liegende Band überdeckt dabei die Lücken des innen liegenden Bandes.

Claims

Elektrische Leitung zum Anschluß ortsveränderlicher elektrischer Verbraucher an eine Speisequelle, welche eine von einem Mantel aus Isoliermaterial umgebene Leitungsseele aufweist, in der sowohl der Übertragung von Daten als auch der Stromversorgung dienende, aus isolierten elektrischen Leitern bestehende Adern angeordnet sind, und bei welcher die Leitungsseele von einem zwei Lagen aufweisenden elektrischen Schirm umgeben ist, von denen eine als Geflecht bzw. Umseilung aus Kupferdrähten und die andere aus einem elektrisch leitfähig gemachten Kunststoff bestehenden Vliesmaterial ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet,
- daß in der Leitungsseele vier zu einem Sternvierer (S) miteinander verseilte Adern (2) zur Übertragung von Daten angeordnet sind,

- daß in der Leitungsseele außerdem mindestens zwei der Stromversorgung dienende Adern (1) angebracht sind,

- daß der Sternvierer (S) und die der Stromversorgung dienenden Adern (1) als Verseilelemente zur Bildung der Leitungsseele miteinander verseilt sind,

- daß über der Leitungsseele eine Schicht (5) aus Isoliermaterial angebracht ist, über der als Teil des elektrischen Schirms in einer ersten Lage (6) ein Geflecht bzw. eine Umseilung aus Kupferdrähten angeordnet ist,

- daß über der ersten Lage (6) als zweite Lage (7) des elektrischen Schirms das aus Kunststoff bestehende, elektrisch leitfähig gemachte Vliesmaterial in mindestens einer Schicht angebracht ist und

- daß das Vliesmaterial von dem Mantel (8) aus Isoliermaterial umgeben ist.
Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß zwei der Stromversorgung dienende Adern (1) vorgesehen sind, die zu einem Aderpaar (A) miteinander verseilt sind, und

- daß der Sternvierer (S) und das Aderpaar (A) miteinander verseilt sind.
Leitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5) aus Isoliermaterial aus einem Material auf der Basis von Polypropylen oder aus einem Polytetrafluorethylen niederer Dichte besteht.
Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß über der Schicht (5) aus Isoliermaterial als innere Lage (9) des Schirms zunächst zwei metallkaschierte Kunststoff-Folien, die einseitig oder beidseitig eine Metallschicht aufweisen, jeweils mit Lücke aufgewickelt sind, wobei die äußere Folie die Lücken der inneren Folie überdeckt, über welchen die erste, vorzugsweise als Umseilung ausgeführte Lage (6) des Schirms angebracht ist.