如何为工业应用选择柔性电缆

最近，我参观了当地一家创客空间的机器人展览。展出机器人的独创性和多样性令人叹为观止。我对 Boston Dynamics 生产的 Spot 机器狗的印象尤为深刻，不过必须承认，我发现这只机器狗的动作并不像真狗一样令人不安。

这次体验让我想到了在移动机械中进行电源和数据分配所面临的挑战。无论是拾放系统这样的成熟应用，还是协作机器人这样的新兴领域，都需要经常弯曲和扭曲电缆。对于专为静态应用而设计的普通布线来说，这是一个问题。在反复弯曲的情况下，这些电缆会因各种因素而老化。例如：

• 电缆护套会因电缆管理系统或其他环境因素的磨损而出现损坏。
• 绝缘层和护套材料会因反复拉伸而开裂或断裂。
• 导体和屏蔽层可能断裂，尤其是在需要持续弯曲电缆的复杂运动应用中。

恶劣环境下，磨损或腐蚀性材料以及极端温度会加剧这种性能退化。这些环境危害会降低护套和绝缘层的性能，使其容易发生故障。

采取由外而内的设计理念有助于确保此类应用的使用寿命。例如：

• 首先确保电缆护套能够抵御外部环境的危害。
• 确定是否需要屏蔽系统，并确认屏蔽系统能够耐受预期的应变。
• 确保电缆具有合适的内部结构，包括专门适应反复弯曲的导体。

我们将逐一详细分析这些因素。

选择耐用的电缆护套材料

工业环境用柔性电缆通常采用聚氯乙烯 (PVC)、聚氨酯 (PUR) 或热塑性弹性体 (TPE) 护套。虽然每种材料都有自己的优点，但 TPE 对大多数环境危害都有超凡的抵抗能力（图 1）。此外，TPE 还具有良好的韧性，可反复弯曲或挠曲而不会开裂或断裂。

图 1：TPE 性能出色，能够耐受大多数环境危害。（图片来源：Alpha Wire）

Alpha Wire 的 Xtra-Guard Flex TPE 电缆就具有这些优势。这些电缆的额定挠曲周期为 100 万次，具有耐油 I/II 和 FT4 阻燃等级，旨在为机器人制造和运动控制等应用提供高可靠性和高性能。

这种电缆分为有限功率托盘电缆 (PLTC) 或托盘电缆 (TC) 两种型号。PLTC 和 TC 级意味着电缆可以直接敷设在电缆桥架或电缆槽中，即使在室外环境下也无需任何额外保护，从而简化了安装，降低了成本。

Alpha Wire 还为龙门吊系统等滚动柔性应用提供 Xtra-Guard Continuous Flex TPE 控制电缆。这种电缆的结构更加坚固，可承受极端应力。

平衡屏蔽材料的柔韧性和有效性

电磁干扰 (EMI) 屏蔽层的选择可能会让人应接不暇。工程师门必须从铜、铝等多种材料以及箔编织物等多种结构方法中进行选择。每种选择都要在屏蔽效果、机械弹性、成本和重量方面进行权衡。

将这些权衡因素降至最低的一种方法是组合式屏蔽层。例如，Alpha Wire 独有的 Supra-Shield 采用铝/聚酯/铝箔和镀锡铜编织屏蔽层，覆盖率高达 75%。如图 2 所示，箔屏蔽层和编织屏蔽层组合后具有出色的 EMI 性能，同时还保持了极佳的柔韧性。

图 2：Supra-Shield 将箔屏蔽层和编织屏蔽层组合在一起，表现出了卓越的性能。（图片来源：Alpha Wire）

设计经久耐用的导体

柔性电缆中的导体应采用绞合设计，以确保使用寿命（图 3）。这种设计可以分散弯曲产生的应力，而不是将其集中在某一点上，从而减少金属疲劳和断裂风险。所有 Xtra-Guard Flex TPE 电缆都采用绞合设计，规格为 10 AWG 到 20 AWG，导体数量为 2 到 12。

图 3：如图所示的绞合导体可分散应力，减少金属疲劳。（图片来源：Alpha Wire）

结束语

移动机械在布线方面面临着独特的挑战。确保电缆能够承受这些应用及其运行环境下的苛刻条件，对于系统的使用寿命和可靠性来说至关重要。如图所示，TPE 等材料具有出色的耐受性、柔韧性，而 Alpha Wire 的 Supra-Shield 等创新型屏蔽系统既保持了耐用性，又实现了极佳的 EMI 性能。此外，在电缆中使用绞合导体可确保它们能够承受应用中的各种应力。