산업용 응용 분야용 연성 다중 도체 케이블 알아보기

산업 자동화, 중장비, 로봇, 전력 발전 등 분야에서 전력 및 제어 용도로 사용되는 다중 도체 케이블은 지속적인 구부림과 비틀림, 넓은 온도 변동, 오일, 물, 산업용 화학물질에 노출되는 환경에서 사용됩니다. 이러한 조건은 케이블의 수명 단축, 신뢰성 저하, 및 안전성 저하를 초래할 수 있습니다. 신호 무결성도 중요한 문제이므로, 전자파 장해(EMI)를 최소화하기 위해 케이블에 차폐가 필요할 수 있습니다.

이러한 응용 분야를 위한 시스템 설계자들은 산업 환경의 혹독한 조건을 견딜 수 있는 재료에 대해 숙달되어 있어야 하며, 도체 배열 및 배치의 세부 사항을 이해해야 합니다. 또한 환경적 역량 및 안전과 관련된 국제 기준을 준수해야 합니다.

이 기사에서는 산업용 응용 프로그램의 케이블링 요구 사항에 대한 간략한 개요를 제공합니다. 그런 다음 LAPP의 초고탄성 연속 굴곡 케이블 예시를 소개하고, 이 케이블의 재료와 특수 구조가 설계자들이 이러한 사양을 충족시킬 수 있도록 어떻게 지원하는지 설명합니다.

산업 부문에서의 움직임

자동화가 이루어진 공장에서는 끊임없이 움직임이 이루어집니다. 로봇 팔이 확장, 회전, 수축하고, 가공 스테이션은 제품을 가공 및 피킹 앤 플레이스 작업에 맞게 회전하고 위치 조정하며, 기계 공구는 도구 헤드를 회전 및 이동시킵니다(그림 1).

그림 1: 자동화된 기계에는 수백만 번의 주기를 견디며 구부러지고 비틀어지더라도 신뢰성 높게 작동할 수 있는 케이블이 필요합니다. (이미지 출처: LAPP)

이러한 응용 분야뿐만 아니라 크레인, 풍력 터빈, 중장비 등에 사용되는 응용 분야도 모두 수백만 번의 구부림과 비틀림 주기를 견딜 수 있는 유연한 케이블이 필요합니다. 일반적으로 이루어지는 케이블의 움직임에는 연속적인 구부림, 회전 구부림, 및 굽힘 구부림이 포함됩니다(그림 2).

그림 2: 케이블에 이루어질 수 있는 일반적인 구부림 움직임에는 연속적인, 회전 및 굽힘이 있습니다. (이미지 출처: LAPP)

케이블이 선형 운동으로 앞뒤로 움직일 때(일반적으로 케이블 트랙 내에서 발생) 지속적인 구부림을 초래합니다. 로봇 기계에서 흔히 발생하는 토션 굽힘은 케이블을 종방향으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 90°에서 360° 범위로 비틀어 발생합니다. 굽힘 변형은 그 움직임이 진자 운동과 유사하여 '틱톡 굽힘(tick-tock flexure)'이라고도 불리며, 케이블이 고정된 점 주위로 앞뒤로 굽혀질 때 발생합니다. 모든 경우에서 가장 높은 응력은 정지된 구부림 점과 구동점에서 발생합니다.

케이블이 특정 유형의 구부림을 처리하도록 설계된 방식을 이해하는 것은 신뢰성과 긴 사용 수명을 보장하는 데 필수적입니다.

연성 케이블

케이블의 유연성은 내부 구조에 따라 결정되는데, 절연체로 둘러싸인 전도체로 시작됩니다. 가장 일반적으로 사용되는 전도체는 구리이며, 그 다음으로 알루미늄과 은이 사용됩니다. 단열재는 열가소성 플라스틱 또는 엘라스토머 중에서 선택되며, 압출 방식으로 적용됩니다.

일반적으로, 더 작은 전선을 여러 개 사용할 때 케이블의 유연성이 향상됩니다. 케이블의 저항은 전선의 단면적에 따라 결정되기 때문에, 케이블의 직렬 저항을 유지하기 위해 여러 개의 작은 전선을 사용해야 합니다. DIN VDE 0295/IEC 602258는 산업용 케이블에 대한 여러 유연성 클래스를 규정합니다(그림 3).

그림 3: DIN VDE 0295/IEC 602258 표준에 따른 유연 케이블 구조의 클래스는 고정용으로 사용되는 단일 심 케이블부터 초고탄성 설치용 초미세 연선 케이블까지 다양합니다. (이미지 출처: LAPP)

클래스 1 도체는 일반적으로 구리로 제작된 단선을 사용합니다. 이 제품은 고정식, 강건하고 강성 있는 케이블이 필요한 건물에 설치하기 위해 설계되었습니다.

클래스 2 도체는 지름이 더 작은 여러 연선으로 구성됩니다. 이 케이블 클래스는 더 많은 유연성을 제공하지만, 여전히 구부림, 감기, 또는 간헐적인 움직임이 필요한 고정 설치 환경을 대상으로 설계되었습니다. 예를 들어, 초기 위치 지정 및 배선 시와 같은 경우에 적합합니다.

클래스 5 연도체는 더 얇은 전선을 사용하여 더 높은 유연성을 갖춘 케이블을 생산합니다. 이 케이블은 휴대용 전동 공구의 전원 케이블, 연장 케이블 및 유연성이 유용하지만 반복적으로 필요하지 않은 기타 응용 분야에 사용됩니다.

클래스 6 초고탄성 연도체는 더욱 가는 전선을 사용합니다. 이 유형의 전선은 로봇공학 및 산업용 기계와 같은 이동식 전기 장비에 설치되는 케이블에 사용되며, 케이블이 자주 움직이거나 꼬이는 환경에서도 사용됩니다.

다중선 케이블의 선들은 원형 단면을 형성하고 지름을 최소화하며 유연성을 향상시키기 위해 꼬이거나 배열됩니다(그림 4).

그림 4: 지름 축소, 원형 단면 확보, 유연성 향상을 위해 일반적으로 사용되는 케이블 배선 방식입니다. (이미지 출처: LAPP)

뭉치 레이 케이블은 임의의 패턴으로 얽혀 같은 방향으로 꼬여 있는 임의의 수의 전선으로 구성됩니다. 뭉치 구조는 명확히 정의된 기하학적 형태를 갖지 않으며, 단면적이 변동될 수 있습니다. 관련된 단선 구조의 경우 명확히 정의된 기하학적 형태와 단면 형상을 갖게 됩니다.

동심층 케이블은 중심에 위치한 코어 전선을 중심으로 나선형으로 배열된 전도체 층으로 둘러싸인 구조를 갖으며, 각 동심원층은 역방향으로 배열되어 있습니다. 비틀림으로 인해 각 후속 코스의 레이 길이가 늘어납니다. 동심 배열 케이블은 연속적인 구부림 응용 분야에 사용됩니다.

동심원형 단일층 구조에서 전도체는 단일 전선 코어를 중심으로 한 개 이상의 나선형으로 배열된 전도체 층으로 둘러싸여 있습니다. 연속되는 층은 동일한 방향으로 감싸며, 각 다음 층에서 감는 길이를 점차 늘려갑니다. 이 케이블 배선 방식은 회전 변형과 지속적인 구부림이 필요한 설계에 일반적으로 사용됩니다.

케이블 구조

케이블은 여러 개의 전선으로 구성되어 있으며, 이 전선들은 윤활재와 절연재로 이루어진 층으로 둘러싸여 있습니다. 가장 널리 사용되는 단열재는 폴리염화비닐(PVC)입니다. 여러 개의 전선이 보호층으로 감싸져 케이블을 구성합니다. 예를 들어, LAPP ÖLFLEX FD 890 및 FD 890 CY 연속 굴곡 제어 케이블(그림 5)은 특수 배합된 PVC 절연체를 갖춘 다중 구리 도체를 사용합니다.

그림 5: 차폐형 및 비차폐형 연성 케이블은 구리 도체와 PVC 절연체로 구성되어 있습니다. (이미지 출처: LAPP)

FD 890 계열 케이블(그림 5 상단)의 경우 3개에서 50개의 전선으로 구성되며 전선의 크기는 20AWG에서 2AWG입니다. 반면 FD 890 CY 계열 케이블(그림 5 하단)의 경우, 3개에서 34개의 전선으로 구성되며, 전선 크기는 20AWG에서 6AWG입니다. 그 구조는 유사하지만, 방패 모양의 브레이드가 추가된 점이 다릅니다.

FD 890 CY 계열 케이블에는 EMI 차폐가 필요한 응용 분야를 위해 아연 도금 구리 브레이드가 사용됩니다. 차폐 케이블은 공장 바닥과 같은 공간에서 활성 전원 케이블과 제어 케이블이 밀집된 환경에서 필수적입니다. 차폐 케이블은 비차폐 케이블과 유사한 코어 구조를 가지고 있으며, 코어 내의 전선으로부터 격리하기 위해 브레이드 아래에 내부 PVC 외피가 추가됩니다. 추가 층이 있어 동일한 사양의 무차폐 케이블보다 지름이 더 큽니다. 외부 외피는 차폐되지 않은 케이블과 동일한 특성을 가지고 있습니다.

ÖLFLEX FD 890 계열의 예로는 20AWG 전선을 갖춘 4선식 무차폐 케이블인 8920044가 있습니다. 이에 해당하는 메트릭 사양은 0.5mm²의 전도체 단면적입니다. 조립된 케이블의 지름은 7.4mm입니다. ÖLFLEX FD 890 CY 계열의 차폐형 케이블 예로는 14AWG 전선을 갖춘 4선식 케이블 8914044S가 있습니다. 이 케이블의 전도성 단면적은 2.5mm²이며, 케이블 지름은 14mm입니다. 차폐 브레이드는 코어 전선 표면의 85%를 차폐합니다.

두 케이블 계열 모두 클래스 6 유연성 기준을 초과합니다. 이 제품은 최대 600볼트의 작동 전압을 견딜 수 있도록 설계되었으며, 2000볼트까지의 절연 파괴 테스트를 통과했습니다. 두 케이블 계열의 온도 사양은 적용 분야에 따라 다릅니다. 예를 들어, 지속적인 구부림이 필요한 응용 분야에서는 -5°C에서 +90°C까지, 고정된 상태에서 사용되는 경우 -25°C에서 +90°C까지입니다.

최소 곡률 반경은 케이블의 유연성을 평가하는 중요한 지표입니다. 이 값은 케이블이 손상 없이 견딜 수 있는 최소 곡률 반경을 나타내며, 일반적으로 케이블 지름(D)의 배수로 표시됩니다(그림 6).

그림 6: 최소 곡률 반경은 케이블 지름(D)의 배수로 정의됩니다. (이미지 출처: LAPP)

그림 6에 표시된 케이블의 최소 곡률 반경은 케이블 지름의 3배이며, FD 890 케이블의 곡률 반경은 케이블 지름의 7.5배입니다. 내부 외피와 보호층이 추가되어 FD 890 CY 보호 케이블은 최소 곡률 반경이 10배로 더 큽니다. 예를 들어, 14mm FD 890 CY 케이블의 최소 곡률 반경은 140mm입니다.

FD 890 및 FD 890 CY 케이블은 운동, 난연성, 오일 저항성, 및 태양광 저항성에 대해 UL, CSA, CE, 및 RoHS 표준을 충족합니다.

결론

LAPP ÖLFLEX FD 890 및 FD 890 CY 다중 도체 케이블은 산업 자동화, 중장비, 로봇, 전력 발전 등 지속적인 구부림이 필요한 응용 분야에 설계되었습니다. 이 케이블은 미세 선재 편조 구조와 특수 배합된 복합 재료를 사용하여 유연성 수명을 최적화하고 오일, 물, 산업용 냉각제 및 용제에 대한 높은 내성을 제공합니다. EMI가 문제되는 응용 분야를 위해 차폐형 모델이 제공됩니다.