AT515598B1 - Elektrische Leitung zum Übertragen von Datensignalen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Leitung zum Übertragen von Datensignalen, bestehend aus vier zu einem Sternvierer verseilten Adern mit als Litzen ausgebildeten elektrischen Leitern sowie aus einer diese umschließenden elektrischen Abschirmung und einem die Abschirmung umfassenden Außenmantel aus elektrisch isolierendem Material, wobei zwischen der Abschirmung und den verseilten Adern ein Innenmantel aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist, und die verseilten Adern ein inneres, in Leitungslängsrichtung verlaufendes Füllelement einschließen. Zur Verbesserung des Dämpfungsverhaltens und um eine Veränderung des Innenwiderstandes derartig zu beeinflussen, dass die Änderung der Leitungsimpedanz in einem weiten Temperaturbereich und beim Auftreten von biege-dynamischen Beanspruchungen reduziert wird ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Innenmantel mit seinem Mantelwerkstoff zwischen den verseilten Adern bestehende Zwickel ausfüllt, und der Innenmantel eine im Querschnitt kreisförmige Auflage für die gesamte Länge der elektrischen Leitung bildet und die Mantelwandstärke des Innenmantels zwischen der Abschirmung und den Adern 0,2 bis 0,4 mm beträgt.

Description

Beschreibung „ELEKTRISCHE LEITUNG ZUM ÜBERTRAGEN VON DATENSIGNALEN“ [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Leitung zum Übertragen von Datensignalen, bestehend aus vier zu einem Sternvierer verseilten Adern mit als Litzen ausgebildeten elektrischen Leitern sowie aus einer diese umschließenden elektrischen Abschirmung und einem die Abschirmung umfassenden Außenmantel aus elektrisch isolierendem Material, wobei zwischen der Abschirmung und den verseilten Adern ein Innenmantel aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist, und die verseilten Adern ein inneres, in Leitungslängsrichtung verlaufendes Füllelement einschließen, entsprechend dem Anspruch 1 und der JP H-1144532.

[0002] Aus dieser Druckschrift ist eine gattungsgemäße Leitung bekannt. Bei dieser Leitung ist um den verseilten Sternvierer herum eine Textillage, im Querschnitt ringförmig, als Innenmantel gelegt; die zwischen den einzelnen isolierten Adern bestehenden Zwickel bleiben leer.

[0003] Aus der WO 01/88930 A2 ist ein elektrisches Datenkabel bekannt, bei dem die isolierten Adern von einem extrudierten Innenmantel umgeben sind, und wobei die isolierten Adern kernseitig ein in Längsrichtung verlaufendes Füllelement umschließen. Dieses Datenkabel weist keine Abschirmung auf. Zudem besitzt dieses Kabel einen ovalen Querschnitt. Zur Herstellung dieses Kabels wird das Füllelement nachträglich in den inneren Hohlraum eingeführt.

[0004] Aus der EP 1 191 549 A2 ist ein nicht gattungsgemäßes elektrisches Kabel für die Stromversorgung von elektrischen Maschinen bekannt, das im Inneren ohne Füllelement ausgebildet ist. Bei diesem Kabel sind die elektrischen Leiter als massive Leiter ausgebildet. Der vorhandene Innenmantel ist zweischichtig ausgebildet, wobei eine Schicht geschäumt ist, somit verformbar ist, was bei Kraftleitern keine Rolle spielt.

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ausgehend von der elektrischen Leitung der eingangs beschriebenen Art, das Dämpfungsverhalten zu verbessern, und eine Veränderung des Innenwiderstandes derartig zu beeinflussen, dass die Änderung der Leitungsimpedanz in einem weiten Temperaturbereich und beim Auftreten von biegedynamischen Beanspruchungen reduziert wird.

[0006] Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht, mit anderen Worten dadurch, dass der Innenmantel mit seinem Mantelwerkstoff zwischen den verseilten Adern bestehende Zwickel ausfüllt, und der Innenmantel eine im Querschnitt kreisförmige Auflage für die gesamte Länge der elektrischen Leitung bildet und die Mantelwandstärke des Innenmantels zwischen der Abschirmung und den Adern 0,2 bis 0,4 mm beträgt.

[0007] Erfindungsgemäß wird damit einerseits eine Lageveränderung der Abschirmung und hierdurch eine Veränderung der Leitungsimpedanz vermieden, indem die elektrische Abschirmung auf dem Innenmantel aufliegt. Dabei bildet der Innenmantel einerseits eine im Querschnitt kreisförmige Auflage, und zwar über die gesamte Länge der elektrischen Leitung, so dass sich die Form der Abschirmung auf Grund von Temperatureinflüssen und mechanischen Belastungen nicht ändern kann, und andererseits wird ein optimaler Mindestabstand zwischen der Abschirmung und den elektrischen Adern erreicht. Zudem wird eine Abstandsfixierung der Adern zueinander gewährleistet, was insbesondere durch das erfindungsgemäße Füllelement bewirkt wird, da hierdurch auch eine Lagefixierung der elektrischen Adern gegeneinander erfolgt, so dass insgesamt eine Veränderung der Leitungsimpedanz reduziert werden kann.

[0008] Erfindungsgemäß sind die vier Adern als Sternvierer verseilt, wobei die einzelnen elektrischen Leiter aus Litzen bestehen und vorzugsweise einen symmetrischen Aufbau haben. Die einzelnen Litzen enthalten vorteilhafterweise neunzehn Einzeldrähte oder siebenunddreißig Einzeldrähte. Hierdurch ergeben sich Durchmesser der einzelnen Drähte von nominal 0,1 mm (+ 0,01 mm) bzw. von nominal 0,07 mm (+ 0,01 mm), wodurch der Durchmesser der einzelnen Drähte relativ gering ist, so dass die aus den einzelnen Drähten gebildeten Litzen und somit die gesamten Drähte jeweils für große biege-dynamische Belastungen geeignet sind.

[0009] Weiterhin ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, wenn das Füllelement als Filament aus Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat besteht.

[0010] Weiterhin ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn die Abschirmung aus einer elektrisch leitenden Abschirmfolie und einem elektrisch leitenden Abschirmgeflecht gebildet ist, die übereinander angeordnet sind. Hierbei ist es von wesentlicher Bedeutung, dass die Abschirmfolie und das Abschirmgeflecht elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß ist es insbesondere von Vorteil, wenn das Abschirmgeflecht gegenüber der Abschirmfolie in radialer Richtung innenliegend angeordnet ist, so dass die Abschirmfolie die äußere Lage der Abschirmung bildet.

[0011] Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

[0012] An Hand der in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.

[0013] Es zeigen: [0014] Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Ausbildung einer elektrischen Leitung, [0015] Fig. 2 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen elektrischen Leitung, [0016] Fig. 3 ein Diagramm des ortsaufgelösten Impedanzverlaufs der Leitungsim pedanz einer elektrischen Leitung gemäß dem Stand der Technik mit zu einem Sternvierer verseilten Adern mit einem inneren Stützelement und ohne Innenmantel, [0017] Fig. 4 und 5 Diagramme des ortsaufgelösten Impedanzverlaufs zweier Ausfüh rungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung und [0018] Fig. 6 eine Darstellung eines Messaufbaus für die Durchführung einer Tor sions- und Biegewechselprüfung für erfindungsgemäße Leitungen.

[0019] In den Fig. 1 bis 6 sind gleiche Teile bzw. funktionsgleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Sofern bestimmte beschriebene und/oder aus den Zeichnungen entnehmbare Merkmale der erfindungsgemäßen elektrischen Leitung oder ihrer Bestandteile nur im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben sind, sind diese aber auch gemäß der Erfindung unabhängig von diesem Ausführungsbeispiel als Einzelmerkmal oder aber auch in Kombination mit anderen Merkmalen der einzelnen Ausführungsbeispiele wesentlich und werden als zur Erfindung gehörig beansprucht.

[0020] In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung dargestellt. Diese elektrische Leitung besteht aus vier im Leitungsinneren angeordneten, zu einem sogenannten Sternvierer verseilten elektrischen Adern 1. Diese elektrischen Adern 1 besitzen eine innere Litze 2, beispielsweise aus verzinnten Kupferdrähten, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel sieben Kupferdrähte verwendet sind. Hierbei handelt es sich um einen symmetrischen Aufbau der inneren Litze 2. Die die Litze 2 umgebende Aderisolation 3 besteht beispielsweise aus einem Polypropylencopolymer, vorzugsweise als Kunststoffblende mit einem Ethylen-octen-Copolymer. Der Aderdurchmesser beträgt beispielsweise 1,1 mm und die Wanddicke der Aderisolation 3 beträgt beispielsweise 0,3 mm. Erfindungsgemäß können aber auch mehr als vier Einzeladern Adern 1 verseilt sein, wobei es sich immer um Einzeladerpaare handelt. Im Inneren des aus den vier Adern 1 verseilten Sternvierers ist ein Füllelement 4 angeordnet, das aus einem Isolationswerkstoff besteht und in Längsrichtung der elektrischen Leitung verläuft und eine innere Abstützung der Adern 1 bewirkt, die zusätzlich dazu beiträgt, dass sich die äußere Kontur der Abschirmung auch bei starken äußeren dynamischen Biegebelastungen nicht verändert, so dass eine Änderung der Leitungsimpedanz im Wesentlichen auch im Biegebereich verringert wird. Das Füllelement 4 besteht vorzugsweise aus einem Filament aus Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat. Dieses Filament hat eine derartige Struktur, dass es gegenüber den Adern 1 eine Stützfunktion besitzt.

[0021] Die verseilten Adern 1 sind von einem Innenmantel 6 umgeben, dieser Innenmantel 6 wird im Extrusionsverfahren aufgebracht und der Innenmantel 6 hat eine kreisförmige Umfangskontur und füllt mit seinem Mantelwerkstoff zwischen den verseilten Adern 1 bestehende Zwickel aus. Der Innenmantel 6 fixiert die Adern 1 in ihrer Lage zueinander. Die Wandstärke des Innenmantels 6 zwischen einer am Umfang des Innenmantels 6 angeordneten elektrischen Abschirmung 7 aus elektrisch leitendem Material und den verseilten Adern 1 beträgt 0,2 bis 0,6 mm, vorzugsweise 0,2 bis 0,4 mm. Der Innenmantel 6 besteht aus einem Kunststoffwerkstoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Elastomer auf Polyolifinbasis, insbesondere einem dynamisch vulkanisiertem Thermoplasten (TPV), insbesondere aus einem vernetzten Ethylen-Propylen-Dien und einem Polypropylen. Der Außendurchmesser des Innenmantels 6 beträgt beispielsweise 3,4 mm. Die elektrische Abschirmung 7, die den Innenmantel 6 umschließt, besteht aus einer elektrisch leitenden Schirmfolie 8, insbesondere aus einer aluminiumkaschierten Polyethylenterephthalat-Folie und einem elektrisch leitenden Abschirmgeflecht 9, das aus einzelnen verzinnten Kupferdrähten vorteilhafterweise gebildet ist und beispielsweise eine optische Bedeckung von mindestens 85 %, vorzugsweise 92 % aufweist. Im dargestellten Beispiel ist das Abschirmgeflecht 9 am äußeren Umfang der Abschirmfolie 8 angeordnet, wobei deren leitende Metallschicht dem Abschirmgeflecht 9 zugekehrt ist. Durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau wird eine Veränderung der Leitungsimpedanz durch temperaturbedingte und dynamische Beanspruchungen reduziert. Hierbei ist eine leitende Verbindung zwischen der Schirmfolie 8 und der elektrischen Abschirmung 7 stets erforderlich.

[0022] Am Außenumfang der Abschirmung 7 ist ein Außenmantel 10 angeordnet, der beispielsweise im Extrusionsverfahren aufgebracht wird. Der Außenmantel 10 besteht beispielsweise aus Polyurethan, insbesondere einem flammgeschützten, thermoplastischem Polyurethan oder aus Polyvinylchlorid und der Außendurchmesser beträgt beispielsweise 5,1 mm und seine Wandstärke beträgt beispielsweise 0,6 mm.

[0023] Die erfindungsgemäße elektrische Leitung ist für einen Temperaturbereich von - 40 ° C bis + 125 ° C geeignet, und zwar für eine Zeitdauer von 3.000 h, wobei sich ein definiertes optimiertes Dämpfungsverhalten im gesamten Temperaturbereich ergibt.

[0024] In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leitung dargestellt. Diese Leitung entspricht im grundsätzlichen Aufbau und den verwendeten Materialien demjenigen gemäß der Leitung gemäß Fig. 1, jedoch bestehen folgende Unterschiede.

[0025] Die Litzen 2 der einzelnen Adern 1 sind aus neunzehn Einzeldrähten gebildet, wobei der Durchmesser der Einzeldrähte nominal 0,1 mm (+ 0,01 mm) beträgt. Der Außendurchmesser der Adern 1 beträgt nominal 1,0 mm (+/- 0,05 mm). Die Wanddicke der Aderisolation beträgt 0,2 mm bis 0,3 mm. Erfindungsgemäß ist es ebenfalls möglich, wenn die Litze 2 aus siebenunddreißig Einzeldrähten gebildet wird, deren Durchmesser dann nominal 0,07 mm + 0,01 mm beträgt. Das Füllelement 4, das als Filament aus einzelnen Kunststofffasern gebildet ist, besitzt vorzugsweise einen Durchmesser von 0,4 mm +/- 0,05 mm. Der Innenmantel 6 besitzt vorzugsweise eine Wanddicke von 0,2 mm bis 0,4 mm. Der Außendurchmesser ist vorzugsweise 2,9 mm +/- 0,1 mm. Wie weiterhin Fig. 2 zu entnehmen ist, ist die elektrische Abschirmung 7 derart ausgebildet, dass die Abschirmfolie 8 das elektrisch leitende Abschirmgeflecht 9 außen umgibt, so dass das elektrisch leitende Abschirmgeflecht 9 unmittelbar auf dem Innenmantel 6 aufliegt und somit durch diesen fixiert wird. Hierdurch ergibt sich eine besondere Formstabilität der elektrischen Abschirmung 7. Hierbei ist die Abschirmfolie 8 derart angeordnet, dass ihre elektrisch leitende Metallseite dem Abschirmgeflecht 9 zugekehrt ist und auf diesem aufliegt. Die optische Überdeckung des Abschirmgeflechtes 9 beträgt minimal 85 % und die Abschirmfolie 8 ist mit einer Überlappung von mindestens 20 % aufgebracht. Der Außendurchmesser des Außenmantels 10 beträgt vorzugsweise nominal 4,6 mm (+/- 0,2 mm). Die Wanddicke des Außenmantels 10 beträgt nominal 0,7 mm. Was die elektrischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Leitung betrifft, so beträgt der Leiterwiderstand bei 20 ° C maximal 136 Ohm/km und die Betriebsspannung beträgt maximal 60 V. Die Schirmdämpfung beträgt minimal 55 dB bei einer Frequenz < 20 mH und minimal 40 dB bei einer Frequenz < 1 gH. Die Leitungsimpedanz Z0 beträgt 100 Ohm +/-15 Ohm. Die Leitungsimpedanz wird mit einer Messmethode nach DIN ΕΝ 50289-1-11 gemessen, die Dämpfung (Einfügedämpfung) wird nach einer Messmethode nach DIN EN 50289-1-8 gemessen.

[0026] Zur Messung des Impedanzverhaltens der erfindungsgemäßen Leitungen im Vergleich zu einer Leitung gemäß dem Stand der Technik wird ein sogenannter Torsions- und Biegewechselprüfungstest durchgeführt, dessen Messaufbau in Fig. 6 dargestellt ist. Hierbei wird die zu prüfende Leitung 11 an einem äußeren Rand einer um 135 ° beweglichen Scheibe 12 befestigt. Der Abgang der Leitung 11 ist hierbei tangential zur Scheibenkante. In einem Abstand von 200 mm wird die Leitung 11 vertikal in eine weitere Fixierung eingespannt. Der Durchmesser der Scheibe 12 beträgt hierbei 200 mm. Ein Messzyklus betrifft jeweils eine Hin- und Her-Bewegung um 135 °. Bei dem durchzuführenden Test wurde die Impedanz bei 5.000 Zyklen, 10.000 Zyklen, 15.000 Zyklen und 20.000 Zyklen gemessen, und zwar in dem biegedynamischen Längenbereich der Leitung, in dem diese eine Biegung aufweist. Dieser biegedynamische Bereich beträgt z. B. 20 cm Leitungslänge. Durch die Hin- und Her-Bewegung von 135° wird die zu untersuchende Leitung 11 somit gleichzeitig auf Torsion und Biegung beaufschlagt. Nach jedem Wechsel der Position ist eine Pause einzulegen. Die Pausen sind so einzustellen, dass eine Zykluszeit von 60 sec. erreicht wird. Pro Zyklus müssen die Pausen mindestens 50 sec. betragen. Alle 5.000 +/- 200 Zyklen wird die jeweilige ortsaufgelöste Leitungsimpedanz gemessen. Zur Messung der ortsaufgelösten Leitungsimpedanz ist die TDR-Methode zu verwenden. TDR bedeutet Time-Domain-Reflectometrie, siehe http://www.sympuls-aachen.de/grundlagen/tdr/tdr.html.

[0027] Wie den Fig. 3, 4 und 5 zu entnehmen ist, ergibt sich Folgendes: [0028] In Fig. 3, die eine elektrische Leitung des Standes der Technik, bestehend aus einem Sternvierer mit innerem Füllelement betrifft, ist zu erkennen, dass sich die Leitungsimpedanz im hier maßgeblichen biege-dynamischen Bereich in Abhängigkeit von der Zahl der Zyklen wesentlich verändert, und zwar um so mehr erhöht als die Zahl der Zyklen ansteigt. Fig. 4 und 5 betreffen erfindungsgemäße elektrische Leitungen, die ebenfalls dem in Fig. 6 beschriebenen Flextest unterworfen worden sind und wobei der Impedanzverlauf im biege-dynamischen Bereich dargestellt ist. Fig. 4 betrifft hierbei eine erfindungsgemäße Leitung gemäß Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, dass das Abschirmgeflecht 9 außen liegt. Fig. 5 betrifft eine Leitung gemäß Fig. 2. Hier ist zu erkennen, dass sich eine wesentliche Vergleichmäßigung des Impedanzverlaufs derart ergibt, dass der Anstieg der Impedanz bei steigender Zyklenzahl wesentlich geringer ist als beim Stand der Technik, wobei die Leitung gemäß Fig. 2 optimal ist. Hieraus kann abgeleitet werden, dass durch die erfindungsgemäße Konstruktion die Abhängigkeit der Leitungsimpedanz von der biege-dynamischen Belastung wesentlich geringer ist als beim Stand der Technik. Eine entsprechende Wirkung trifft auch für die Leitungsdämpfung zu.

[0029] Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.

Claims (6)

1. Patentansprüche 1. Elektrische Leitung zum Übertragen von Datensignalen, bestehend aus vier zu einem Sternvierer verseilten Adern (1) mit als Litzen ausgebildeten elektrischen Leitern, sowie aus einer diese umschließenden elektrischen Abschirmung (7) und einem die Abschirmung (7) umfassenden Außenmantel (10) aus elektrisch isolierendem Material, wobei zwischen der Abschirmung (7) und den verseilten Adern (1) ein Innenmantel (6) aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist, und die verseilten Adern (1) ein inneres, in Leitungslängsrichtung verlaufendes Füllelement (4) einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (6) mit seinem Mantelwerkstoff zwischen den verseilten Adern (1) bestehende Zwickel ausfüllt, und der Innenmantel (6) eine im Querschnitt kreisförmige Auflage über die gesamte Länge der elektrischen Leitung bildet und die Mantelwandstärke des Innenmantels (6) zwischen der Abschirmung (7) und den Adern (1) 0,2 bis 0,4 mm beträgt.
2. 2. Elektrische Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Adern (1) aus einer Litze (2) aus neunzehn Einzeldrähten oder siebenunddreißig Einzeldrähten gebildet ist, wobei die Einzeldrähte einen Durchmesser von nominal 0,1 mm (+ 0,01 mm) im Falle von neunzehn Einzeldrähten und einen Durchmesser von nominal 0,07 mm (+ 0,01 mm) bei siebenunddreißig Einzeldrähten besitzen.
3. 3. Elektrische Leitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (4) aus Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat gebildet ist und vorzugsweise als Filament einen Durchmesser von 0,4 mm +/- 0,05 mm aufweist.
4. 4. Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (7) aus einer elektrisch leitenden Abschirmfolie (8) und einem elektrisch leitenden Abschirmgeflecht (9) besteht, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
5. 5. Elektrische Leitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Abschirmfolie (8) das Abschirmgeflecht (9) in radialer Richtung gesehen außen umgibt, wobei das Abschirmgeflecht (9) auf dem Innenmantel (6) aufliegt.
6. 6. Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (10) einen Durchmesser von nominal 4,6 mm bis 5,1 mm aufweist und der Außenmantel (10) eine Wanddicke von 0,6 bis 0,7 mm besitzt. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen