瞭解工業應用的撓性多芯纜線

用於工業自動化、重型機械、機器人、發電等應用中的電源和控制的多芯纜線，會受到連續彎曲和扭轉、劇烈的溫度變化，以及暴露於油、水、工業化學物中。這些情況會導致纜線壽命縮短、作業不可靠，並且降低安全性。還要注意到訊號完整性，因此纜線可能需要進行屏蔽，以最大程度減少電磁干擾 (EMI)。

此類應用的系統設計人員必須熟悉可耐受嚴峻工業環境的材料，並瞭解導體佈局和配置的細微之處。此外，還必須確保遵守與環境能力和安全相關的國際標準。

本文簡要概述工業應用的佈線要求。接著介紹 LAPP 的超撓性、連續彎折纜線範例，並展示其材料和特殊結構如何讓設計人員滿足上述規格。

工業動作

自動化工廠不斷運作：機械手臂延伸、旋轉、縮回；加工站轉動和定位產品用於加工和拾放作業，同時機床旋轉和平移刀頭 (圖 1)。

圖 1：自動化機器需要可靠的纜線，才能夠耐受數百萬次彎曲和扭轉。(圖片來源：LAPP)

這些應用以及起重機、風力發電機、重型車輛等，都需要能夠耐受數百萬次彎曲和扭曲循環的撓性纜線。典型的纜線動作包括連續彎曲、扭轉彎曲、彎折彎曲 (圖 2)。

圖 2：纜線的典型彎曲動作包括連續、扭轉、彎折。(圖片來源：LAPP)

連續彎曲是由於纜線以線性動作來回滾動 (通常在纜線軌道中) 所導致。扭轉彎曲則常見於機器人中，是由於纜線在縱向以順時針或逆時針在 90° 至 360° 範圍內扭轉所產生。至於彎折彎曲 (因為與鐘擺的動作相似，因此也稱為滴答彎曲)，是由於纜線在固定點來回彎折所造成。以上這些情況中，最高應力均發生在靜止彎曲點和驅動點。

瞭解纜線在設計上如何因應特定類型的彎曲，有助於確保可靠性和長使用壽命。

撓性纜線

纜線的撓性取決於其內部結構。由一條被絕緣層包裹的導線開始說明。最常用的導體是銅，其次是鋁和銀。絕緣材料選自一系列熱塑性塑膠或彈性體，並透過擠壓成型包覆其上。

一般來說，使用多條較細的電線可以達到更大的纜線撓性。由於纜線的電阻值取決於電線的截面積，因此必須使用多條較細的電線維持纜線的串聯電阻值。DIN VDE 0295/IEC 602258 定義工業纜線的幾種撓性類別 (圖 3)。

圖 3：DIN VDE 0295/IEC 602258 撓性纜線結構類別，涵蓋用於固定應用的實心線至用於超撓性安裝的超細絞線。(圖片來源：LAPP)

Class 1 導體使用實心線，通常由銅製成。用於安裝在需要固定、堅固、剛性纜線的建築物中。

Class 2 導體包含多條絞線，每條線的直徑較小。此類纜線提供更大的撓性，但仍適用於可能需要彎曲、盤繞，或偶爾移動的應用之固定安裝，例如最初定位和佈線時。

Class 5 撓性導體使用更細的電線，形成的纜線具有更大撓性。這些纜線用於可攜式電動工具的線路纜線、延長線，以及其他需要撓性但不會重複彎折的應用。

Class 6 超撓性導體使用更細的電線。此導體類型用於安裝在機器人和工業機器等可移動電氣設備中的纜線，以及纜線頻繁移動或扭轉的區域。

多線纜線中的電線經過扭轉或排列，以達到圓形截面，將直徑縮至最小，並且增強其撓性 (圖 4)。

圖 4：常見的纜線絞線方式，旨在縮減直徑、確保截面呈圓形並提高撓性。(圖片來源：LAPP)

束絞 (bunch-lay) 纜線包含任意數量的電線，這些電線以隨機方式朝同一方向絞合在一起。束狀結構不會具有明確的幾何配置，並且可能會有可變的截面。相關的單絞 (unilay) 結構則具有明確的幾何形狀和橫截面。

同心絞合 (concentric-lay) 纜線由一條中心芯線構成，外部環繞結構明確的多層螺旋排列導體。每個同心層都有一個相反的絞線方向。由於進行絞合，每一層的絞距逐層增加。同心絞合纜線用於連續彎曲應用。

同心單絞 (concentric unilay) 結構中的導體圍繞著一條中心芯線，並以一層或多層螺旋排列的導體包覆其外。各層導體依序以相同的絞合方向纏繞，且每一層的絞距逐層增加。這種纜線絞合方式通常用於需要扭轉和連續彎曲的設計。

纜線結構

一條纜線由多條電線組成，包覆多層潤滑和絕緣材料。最常使用的絕緣材料是聚氯乙烯(PVC)。多條電線經排列並包覆保護層，形成纜線。例如，LAPP 的 ÖLFLEX FD 890 和 FD 890 CY 連續撓性控制纜線 (圖 5) 使用多條銅導體和特殊配方的 PVC 絕緣層。

圖 5：屏蔽和非屏蔽撓性纜線的結構均包含具有 PVC 絕緣層的銅導體。(圖片來源：LAPP)

FD 890 系列纜線 (圖 5，上) 具有 3 至 50 條電線，電線尺寸為 20 AWG 至 2 AWG，而 FD 890 CY 系列纜線 (圖 5，下) 具有 3 至 34 條電線，電線尺寸為 20 AWG 至 6 AWG。CY 系列結構相似，只是增加屏蔽編織層。

FD 890 CY 系列纜線包括鍍錫銅編織物，適合需要 EMI 屏蔽的應用。在廠區等區域必須採用屏蔽纜線，因為在這些有限的空間中，通常有較集中的運作電源和控制纜線。屏蔽纜線具有與非屏蔽纜線類似的芯線結構，但在編織層下方增加內部 PVC 護套，將其與芯線中的電線隔離。由於較多層，因此纜線直徑比同類非屏蔽纜線更大。外護套具有與非屏蔽纜線相同的特性。

以 ÖLFLEX FD 890 系列中的 8920044 四芯非屏蔽纜線為例，其電線為 20 AWG；等效公制規格為 0.5 mm² 導電截面積。組裝後的纜線直徑為 7.4 mm。屏蔽式 ÖLFLEX FD 890 CY 系列則以 14 AWG 電線的 8914044S 芯纜線為例，此纜線的導電截面積為 2.5 mm²，纜線直徑為14 mm，屏蔽編織層覆蓋芯線表面的 85%。

兩種纜線系列均超過 Class 6 級撓性標準。其額定工作電壓高達 600 V，崩潰測試電壓高達 2000 V。兩種纜線系列的溫度規格取決於應用。例如，針對需要連續彎曲的應用，溫度為 -5°C 至 +90°C，針對固定用途的應用，溫度為 -25°C 至 +90°C。

最小彎曲半徑是纜線撓性的效能指數。這表明纜線在不受損壞的情況下，可以耐受的最小彎曲半徑，通常以纜線直徑 (D) 的倍數表示 (圖 6)。

圖 6：最小彎曲半徑以纜線直徑 (D) 的倍數定義。(圖片來源：LAPP)

圖 6 中，纜線的最小彎曲半徑為纜線直徑的三倍。FD 890 纜線的彎曲半徑為纜線直徑的 7.5 倍。FD 890 CY 屏蔽纜線由於增加內護套和屏蔽層，其最小彎曲半徑較大，為直徑的 10 倍。例如，14 mm FD 890 CY 纜線的最小彎曲半徑為 140 mm。

FD 890 和 FD 890 CY 纜線的動作、阻燃、耐油和耐日光等特點，均通過 UL、CSA、CE、RoHS 標準認證。

結論

LAPP 的 ÖLFLEX FD 890 和 FD 890 CY 多芯纜線專為工業自動化、重型機械、機器人、發電等應用的連續彎曲所設計。這些纜線採用細線絞合和特殊配方化合物，最佳化彎曲壽命，並具有強大的耐油、耐水、耐工業冷卻劑和溶劑的特點。對於考量到 EMI 的應用，亦可選用屏蔽版本。