안정적인 시스템 설계하려면‘케이블 선택’이 관건

기본 케이블 구성

케이블은 최대 성능을 위한 특정 애플리케이션을 위해 의도된 특성으로 설계 및 제조된다. 기본 케이블 구성의 각 요소는 고유한 역할을 한다. 모든 케이블에는 적절한 전류용량의 단일 또는 다중 도체, 적절한 전압 항 사양이 있는 절연, 개별 도체 또는 쌍을 위한 전체 차폐 또는 다중 차폐, 기계적, 화학적, 및 환경요소가 다양하게 포함돼 있다.

추가 케이블 요소에는 케이블에 균일한 원형 단면 모양을 제공하기 위해 포일 실드, 바인딩 테이프, 내장된 강철 지지 와이어 및 필러와 함께 사용되는 드레인 또는 접지 와이어가 포함될 수 있다.

선정기준

케이블 선택은 온도, 습기, 화학 물질 노출, 마모, 휘어짐 및 예상 수명과 같이 사용 중 케이블에 영향을 미치는 작동 조건을 특성화 하는 것으로 시작된다.

선택한 절연체의 적절한 유형과 두께는 작동 전압에 따라 다르다. 도체 수와 전류 요구 사항은 모터 및 드라이브 제조업체에서 지정한다. 가능한 옵션에는 별도의 피드백 및 전원 도체 또는 하나의 복합 전원 및 피드백 케이블이 포함된다.

케이블 및 케이블에 인접한 기타 장비의 신호에 영향을 미치는 전자기 간섭은 차폐의 필요성을 결정한다. 동일한 케이블의 도체 사이 및 케이블과 주변 환경 사이에 간섭이 있을 수 있다.

간섭에 대한 주요 결합 요소 원인은  인덕턴스이다. 도체 사이의 면적이 너무 크면 신호에 대한 대체 경로가 검색된다. 이러한 의도하지 않은 경로로 인해 대체 신호에 결합된다. 결합 경향을 더 줄이기 위해 의도한 경로 도체 사이의 면적을 줄이는 것은 쌍을 꼬아서 달성된다. 인치 당 최대 4회전이 권장된다.

모터와 드라이브가 서로에 대해 고정되어 있는 시스템과 같은 일부 애플리케이션에는 고정 케이블이 필요하다. 이러한 상황에서 케이블 트레이와 도관은 배선 경로를 지정하는 데 자주 사용된다. 또한 트레이에 운반되는 케이블은 내염성이 매우 뛰어나며 유형 TC 또는 CT로 표시하려면 케이블이 특수 수직 트레이 화염 테스트(UL) 또는 수직 화염 테스트(CSA)를 통과해야 한다.

단열재 및 재킷

하나의 특정 재료는 도체 절연을 제공하고 다른 재료는 재킷을 제공한다. 각각은 케이블 구조에서 다른 역할을 한다. 절연 유형 중 하나는 케이블의 개별 도체 또는 쌍을 전기적으로 절연한다. 이에 비해 재킷은 케이블 ‘외피’를 제공하고 환경, 기계적 충격 및 화학적으로 공격적인 물질로부터 도체, 절연체 및 차폐물을 보호한다.

기존 연결 와이어 및 소비자 제품 전원 코드와 같은 일부 제품에는 주로 물리적 보호 재킷 역할을 하는 단일 절연층이 있다. 그러나 대부분의 산업용 등급 케이블에는 두 가지가 모두 포함되어 있다. 재킷 재료는 움직이는 트랙 내에서 마찰의 주요 원인이며 재료 선택은 시스템의 성공 또는 실패와 같다.

도체를 통해 흐르는 전류에 의해 생성된 열과 주변 온도를 포함한 환경은 절연 재료의 최대 작동 온도를 결정한다. 일반적으로 정격 온도는 절연체로 안전하게 유지할 수 있는 도체의 최대 온도로 해석할 수 있다. 이것은 특히 전원 케이블에 해당된다.

전원 및 제어 배선에 대한 일반적인 공칭 정격은 600V이다. 이 정격은 재킷이 아닌 도체 절연에만 관련된다. 이것은 도체와 다른 도체, 차폐 또는 케이블 외부에 있는 전도성 물체와 같은 인접 부품 사이에 인가할 수 있는 최대 작동 전압이다. 가장 일반적으로 사용되는 절연 재료인 PVC로 만들어진 도체 절연 및 재킷은 연속적으로 유연한 케이블을 포함하여 많은 동작 제어 응용 분야에 적합하다. 공작 기계, 로봇, 픽 앤 플레이스 장비, 자재 취급 장비 및 케이블 트랙이 몇 가지 예이다.

EP(Ethylene propylene)는 벤젠 및 각종 오일에 대한 내성은 낮지만 자외선 및 내오존성이 우수하다. PU(Polyurethane) 재킷은 많은 연속 플렉스 케이블에 적용된다. 이 소재는 견고하고 매우 유연하다. PVC보다 온도 범위가 넓고 사용되는 많은 재질이 난연성이며 우수한 자기소화성을 자랑한다.

그러나 단점은 폴리우레탄 재킷과 단열재를 특히 손으로 자르고, 벗기고, 마무리하기가 어렵다는 것이다. 개별 도체용 PVC 절연체를 폴리우레탄 재킷과 결합하면 케이블 제작이 용이하고 우수한 보호 기능을 유지한다.

하이플렉스 및 연속플렉스 케이블

많은 모션 제어 애플리케이션에서 모터, 피드백 장치 또는 둘 다 컨트롤러에 대해 지속적으로 움직인다. 이 배열에는 특수한 고 유연성 케이블이 필요하다. 하이 플렉스(High-flex) 및 연속 플렉스 케이블(continuous flex cables)에는 기계적 충격을 견딜 수 있도록 특별히 선택된 도체, 절연 재료, 차폐 및 재킷이 조합되어 있다.

일반적인 연속 플렉스 케이블에는 유연성이 뛰어난 특수 PVC 절연체와 폴리우레탄 재킷으로 덮인 수많은 극세 구리선으로 구성된 도체가 있을 수 있다. 역 나선형 실드는 편조 실드에 비해 뛰어난 유연성을 제공하며 이는 높고 연속적인 유연성 적용에 중요하다. 그러나 구리 편조 실드는 전자기 노이즈 내성이 향상되었으며 밴드 클램프와 함께 접지를 상당히 단순화한다.

선형 굴곡 케이블은 한 방향으로만 구부릴 수 있으며 꼬이면 안 된다. 이는 양방향 굴곡으로 간주된다. 널리 사용되는 전원 트랙은 한 방향으로만 구부러지는 방식으로 케이블 방향을 유지한다. 장비 제조업체는 케이블을 2축 이상으로 구부려야 하는 경우 케이블 간 커넥터를 결정해야 하는 경우가 많다.

단자

케이블이 적절하게 종단 처리되지 않으면 특히 하이 플렉스 애플리케이션에서 조기에 고장이 날 수 있다. 전기 연결의 종단 관련 손실은 시스템 오류의 가장 일반적인 원인 중 하나이다. 커넥터 접점은 케이블의 와이어 크기에 따라 평가되어야 한다. 기계 압착을 사용할 수 없는 경우 적절한 수공구를 사용하여 도체와 접점 사이에 안정적인 전기 및 기계 연결을 만들어야 한다.

느슨한 크림프(crimp)는 부식되어 전기 연결이 끊어질 수 있다. 또한 과도한 크림핑은 전선 가닥을 절단하는 경향이 있어 도체를 약화시키고 더 높은 전류 밀도로 인해 핫스팟을 생성한다. 일반적으로 ‘Flyable Hardware’ 또는 생명 유지 애플리케이션에서 이러한 함정을 피하기 위해 납땜이 된 단자를 볼 수 있다.

직선 및 직각 커넥터를 사용하여 모터에 케이블을 연결할 수 있다. 더 큰 모터에는 원형 금속 쉘 또는 성형 플라스틱 커넥터가 필요한 경우가 많다. 많은 소형 모터는 더 작은 플라스틱 직사각형 커넥터를 사용하거나 종단되지 않은 와이어를 사용한다. 격벽 커넥터는 인클로저 벽 또는 금속 캐비닛 벽을 통한 인라인 연결에 사용된다.

많은 서보 모터 및 스테퍼 모터 드라이브에는 전원 케이블 종단을 위한 단자대가 있다. 또는 많은 수의 스테퍼 시스템이 IDC 연결과 함께 제공된다. 모션이 커넥터를 손상시키므로 정적 애플리케이션으로 제한되어야 한다.

방출을 줄이고 내성을 높이며 접지 전류로 인한 부상을 방지하려면 적절한 차폐 접지가 필요하다. 표준 관행은 차폐된 모터 케이블을 금속 케이블 클램프로 드라이브의 후면 패널에 접착하는 것을 권장한다.

컨덕터

케이블에는 전원 및 제어 회로 모두에 전류를 전달하는 쌍으로 배열된 단일 도체 또는 여러 개의 절연 도체가 포함될 수 있다. 구리는 전선 및 케이블에 가장 일반적으로 사용되는 재료이다. 알루미늄 또는 강철 도체는 일반적으로 현대 모션 시스템에서 사용되지 않는다. 도체는 단선(구리선 1개)이거나 복합 도체가 여러 개의 작고 단단하고 꼬인 가닥으로 구성된 경우 연선일 수 있다.

주석 도금은 도체 및 개별 전선 가닥의 내식성과 납땜성을 향상시킨다. 은 또는 니켈 도금은 훨씬 더 높은 온도(은의 경우 200°C 또는 450°C)에서 도체를 보호한다. 니켈은 C이지만 거의 사용되지 않는다. 베어 구리는 이러한 온도에서 빠르게 산화되지만 이러한 온도는 일반적으로 스테퍼 및 서보 모터 배선에서 발생하지 않는다.

연속 플렉스 케이블과 같이 최대 유연성이 필요한 경우 많은 수의 가는 가닥을 포함하는 베어 구리 도체로 만든 케이블이 최선의 선택이다. 도체 크기를 선택할 때 위치와 다른 도체의 존재를 고려해야 한다. 주어진 전류에 대해 열 발생 기계의 인클로저 내부에 위치한 도체는 에어컨 시설의 열린 공간에 노출된 도체보다 커야 한다. 사양에 따르면 ‘NEC 75 deg. C’에서 <표2>에 있는 ‘Table310-16’에 나와 있는 것처럼 모터를 드라이브에 연결하는 케이블의 도체는 모터의 최대 부하 전류의 125% 이상의 전류용량을 가져야 한다.

차폐

리졸버 케이블 및 기타 피드백 케이블에는 종종 전기 간섭에 대한 여러 수준의 보호 기능이 있다. 첫째, 아날로그 및 디지털 신호의 전자기 복사를 줄이기 위해 개별 쌍이 꼬여 있다. 그런 다음 각 트위스트 페어는 실드 내부에 배치되어 인접 페어 간의 누화를 줄인다. EMI(전자기 간섭)를 완화하기 위해 때때로 페라이트 비드, 클램프 스타일의 페라이트 코어 및 커패시터가 필요하다.

최종 철 유형 전체 차폐는 전자기 및 정전기 간섭에 대한 최고 수준의 보호를 제공하고 중요한 응용 분야에서 방출을 줄일 수 있다. 여기에는 일반적으로 항공, 방위 또는 생명 유지가 포함되지만 산업 장비에 대한 EMC 지침 준수를 유지하기 위해 현대 산업 장비에도 나타나고 있다.

EMI 노이즈의 결합 요인과 노이즈를 억제하는 데 필요한 차폐 유형을 이해해야 한다. 유도 결합 노이즈에 포일 실드를 사용하는 것은 기껏해야 비효율적이며 부적절하게 접지된 실드가 라디에이터가 되는 경우 상황을 악화시킬 수 있다.

방사 노이즈는 때때로 ½ 파장 이상 떨어진 다른 장치에만 영향을 미치므로 방사에 대한 EMC 규정은 30MHz에서 시작된다. 실제로 30MHz의 고출력 신호는 파장의 1/20 또는 0.5m 안테나가 있는 경우 5m 이상 떨어진 모든 장치에서 수신된다. 유일한 문제는 방해의 정도이다.

다른 경우에는 이 주파수의 자기파가 훨씬 더 적은 위치에서 유도 결합될 수 있다. 30MHz 전압 신호로 특성화할 수는 없지만 여전히 문제이다. 이러한 유형의 노이즈를 억제하려면 최소 80~95% 범위의 편조 차폐 또는 꼬인 와이어 차폐를 사용해야 한다. 모든 커넥터는 금속이어야 한다. 모범 사례는 소스와 수신기를 차폐하고 결합 방법을 비활성화 하는 것이다.

커넥터

커넥터의 선택은 스타일 케이블의 선택과 전반적인 신뢰성 모두에 영향을 미친다. 각 연결에 대해 신뢰성이 감소한다. 커넥터 수를 최소화하면서 케이블 수명을 최대화하고 서비스 가능성 및 비용을 높이는 것이 변수이다. 굽힘 반경 요구 사항이 좁은 시스템에서는 플랫 케이블이 선택된다. 대부분의 모터 커넥터는 이러한 케이블용 커넥터를 수용하지 않기 때문에 절충안이 필요하다.

케이블은 모터용 커넥터 내에서 종단되거나 케이블 간 커넥터가 제공되어야 한다. 절단 응용 분야 및 전자 조립 장비에 일반적으로 사용되는 갠트리 시스템을 사용하면 X 및 Y의 두 동작 축에 일반적으로 이동 트랙을 가로지르는 상호 연결 케이블 조립이 필요하다. 좁은 곡률 반경은 데이터, 전력, 모터 전류 및 기계의 움직이는 헤드에 대한 DC 버스 전압을 전달하는 특수 평면 커넥터가 필요하다. 신호는 일반적으로 커넥터 비용과 신뢰성 감소의 비용으로 교체 걱정을 덜어주는 커넥터에 의해 헤드에서 분리된다.

인증 및 마킹

지역 표준에 의해 이미 인증된 케이블을 구입하면 전체 시스템을 인증할 때 훨씬 원활한 프로세스를 보장할 수 있다.

NEC(National Electrical Code)는 다양한 유형의 표준화된 케이블에 대한 주요 참조 소스이다. 표에는 도체 크기, 전압, 온도 및 절연 정보와 목록 표시를 나타내는 명확한 인쇄가 있어야 한다.

미국에서 판매되는 케이블에 적용되는 마크는 UL(Underwriters' Laboratories Incorporated), CSA(Canadian Standard Association) 또는 둘 다이다. 유럽용 케이블은 CE 저전압 지침 및 EMC 규정을 준수해야 하며 그에 따라 표시되어야 한다. CISPR 11과 같은 EMI 준수를 위한 CE 테스트에는 1GHz까지의 방출 제어가 필요하다. 이를 위해서는 편조 실드와 360도 커버리지가 있는 케이블이 필요하다.

케이블 재킷에 인쇄된 UL 마크는 UL이 케이블을 평가하고 승인했음을 나타낸다. 그러나 UL은 사용자의 안전을 보장하기 위해 케이블만 평가한다. 스트립, 종단 및 납땜의 용이성과 같은 다양한 케이블 품질 또는 여러 도체 간의 혼선은 테스트 조직에 관심이 없다.

자료제공: Kollmorgen(www.kollmorgen.com)