线材设计手册.docx

1、线材设计手册线材设计手册設 計 資 料 目錄 目 錄 前言 第一部分:結構設計與物料用量計算-2 (一) .導體部分-2 (二) .押出部分-4 (三) .芯線絞合-5 (四) .斜包部分-7 (五) .編織部分-9 (六) .其它部分-10 第二部分:電氣性能計算部分-13 (一) .等效介電常數-13 (二) .對稱電纜-14 1. 一次傳輸參數-14 2. 二次傳輸參數-17 (三) .同軸電纜-20 1.一次傳輸參數-20 2.二次傳輸參數-21 設 計 資 料 前 言 部 分 前言此資料主要是把一些有關產品設計的技術資料加以集總歸納,作為設計人員在設計過程中參考資料,為設計者提供方便

2、.也可作為設計人員的培訓資料. 資料主要分為兩部分,第一部分主要講述電纜各組成部分的結構設計及各組成部分的物料用量.第二部分電氣性能計算部分,主要是講述通信線材的主要電氣性能與各結構參數之間的關系.并在資料的最後列出設計過程中常用的表格. 設 計 資 料 第一部分 第一部分 電纜結構設計與物料用量計算 電纜結構設計是把線材各組成部分參數書面化.在設計過程中,主要 是根據線材的有關標準,結合本廠的生產能力,盡量滿足客戶要求.并把結 果以書面形式表達出來,為生產提供依據. 物料用量計算是根據設計線材時選用的材料及結構參數,計算出各種 材料的用量,為會計部計算成本及倉儲發料提供依據. 一.導體部分有

3、關設計與計算: 導體在結構上有實心及絞線兩種,而其成份方面有純金屬.合金.鍍層及漆包線等. 在設計過程中,對于不同的線材選用這些導體材料時,基于下面几個方面: 1.線材的使用場所及後序加工方式. 2.導體材料的性能:導電率,耐熱性.抗張強度.加工性.彈性系數等. 1.導體絞合節距設計: 絞線中絞合節距大小一般根據絞合導體線規選取(主要針對UL電子線系列, 電源線,UL444系列,CSA TR-4系列對導體的節距有要求,需根據標準設計),有時為了改善某種性能可選其它的節距.如通信線材為了降衰減選用小節距,為了提供好的彎曲性能選用較小的節距.下面的節距表選擇表是針對UL電子線. 美制線規對應截面積

4、及絞線節距美制線規 標稱截面積 最小截面積 節距 3068 28911 261113 241416 221619 202124 182732 163238 143947 2.多根絞合導體外徑計算: 導體絞合采用束絞方式進行,絞合外徑采用下面兩種方法計算: 方法1:D?N?*d 設 計 資 料 (一). 導 體 部 分 方法2: 4*N?1?d 3 d-單根導體的直徑 D? D-絞合後絞合導體外徑N-導體根數 上述兩種方法中,方法2比較適合束絞方式導體絞合外徑計算. 3導體用量計算: 1.單根導體W?*d24*? 2.絞合導體W?*?*N*?4 d-單根導體直徑 ?*d2 導體密度N-導體絞合根

5、數-導體絞入系數 注:用量計算為單芯時導體用量,當多芯時須考慮芯線絞合時的絞入系數. 4.導體防氧化. 為防止導體氧化, 可在導體絞合時, 加BAT或DOP油. 設 計 資 料 (二). 押 出 部 分(二) 押出部分有關的設計與計算: 押出部分包括絕緣押出.內被押出及外被押出,在押出過程中,因對線材要求不同采用押出方式不同.一般情況下,絕緣押出采用擠壓式,內護層與外護層采用半擠管式.有時為了滿足性能要求采用擠管式.其具體選擇方法,參照押出技術.1.押出料的選擇: 設計過程中押出料的選擇主要根據膠料的用途.耐溫等級.光澤性.軟硬度.可塑 劑耐遷移性等來選擇. 2.押出外徑: D2=D+2*T

6、D-押出前外徑D2-押出後外徑T-押出厚度 押出厚度(T)主要根據線材有關標準,結合本廠生產能力盡量滿足客戶要求.3.膠料用量: 采用不同的押出方式,押出膠料用量計算公式也有不同.擠管式 ?*(D22?D2)*? W?4擠壓式 W=(S成品截面-S纜芯內容物)* -膠料密度. 考慮到線材的公差, 現期線纜企業一般采用下面計算方法. W=3,14159*T*(2*D+T)* 設 計 資 料 (三). 芯 線 絞 合 部 分 (三).芯線絞合有關設計與計算: 芯線絞合國內稱為成纜,是大多數多芯電纜生產的重要工序之一.若干絕緣線芯或單元組絞合成纜芯的過程稱芯線絞合.其原理類似如導體絞合,芯線絞合的一

7、般工藝參數計算及線芯在絞合過程中的變形與絞線相似. 芯線絞合根據絞合絕緣線芯直徑是否相同分為對稱絞合和不對稱絞合. 因為芯線在絞合過程中有彎曲變形,有些較粗絕緣芯線在絞合過程采用退扭.如部分UL2919,IEEE1394芯線及其它高發泡絕緣芯線. 以下分几個方面敘述芯線絞合的工藝參數計算: 1.對絞: 對絞線的等效外徑: D=或 (軟質用,硬質用),sometimes D=復對絞線等效外徑 D= 多對數絞線等效外徑 D?N*d對絞節距. 根據對絞組對數,芯線外徑選取. 2. 多芯絞合: 絞合外徑. 當芯線根數不多時,按正規絞合計算.見下表. 芯線排列方式及芯線絞合外徑計算可根據下表: 芯數 芯

8、線排列 外徑比(M=D/d) 中芯空隙面積Xd2 外層空隙面積Xd2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 2 3 4 5 6 1+6 1+7 1+8 2+8 3+8 3+9 4+9 4+10 23 3 400 0 0 015 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 44 45 48 5+10 5+11 6+11 6+12 1+6+12 1+6+13 1+7+13 1+8+13 2+8+13 2+8+14 3+8+14 3+9+14 3+9+15 4

9、+9+15 4+9+16 4+10+16 5+10+16 5+11+16 5+11+17 6+11+17 6+12+17 6+12+18 1+6+12+18 1+7+12+18 2+6+12+18 2+7+12+19 2+7+13+19 2+8+13+19 2+8+14+20 3+8+14+20 3+9+15+21 5 5 56 6 7 7 7 7 8 8 8 8 80 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0當芯線根數較多并線徑較小的情況下,可按束絞近似計算(導體絞合外徑計算公式). 絞合節距. 一般絞合節距取絞合外徑的1520倍.有時為了改善線材性能,可選擇合適的節距.如為了改善線材

10、的彎曲性能降低絞合節距.USB電纜為了減小芯線變形,采用大節距. 3. 有關絞合中的基圓直徑.節圓直徑.絞合外徑 基圓直徑:對于某一絞線層,絞線前芯線直徑稱基圓直徑. 節圓直徑:單線絞合在直徑為D0的圓柱體上,以單線軸線至絞線軸線的距離為半徑的圓為節圓,其直徑為節圓直徑. 絞合外徑:該層絞線的外接圓直徑為絞線外徑. 設 計 資 料 (三). 芯 線 絞 合 部 分 圖示說明如下: 圖中對于第三層絞合: 基圓直徑為D0(即第二層(1+6)絞合的絞合外徑)節圓直徑為D D=D0+d絞合外徑為DD=D+d 4.絞入系數: 芯線絞合的絞入系數為1+(圓周率X絞合外徑/絞合節距)的二次方. ?*D2 ?

11、1?() H D-絞合外徑. H-絞合節距. 在絞線過程中,對于多芯并芯線分層的情況,雖然為束絞,各層芯線絞入系數并不相同.為了保守起見,增大安全系數,并且減化計算,所以在上述絞入系數的計算中D采用芯線絞合的絞合外徑(理論上,各層的絞合系數應為節圓直徑代入上式計算).設 計 資 料 (四). 斜 包 部 分 (四).斜包有關的設計與計算 斜包在線材中主要起屏蔽作用,有時作為同軸電纜的外導體. 屏蔽目的是將外界干撓消除.對于同軸電纜,于有屏蔽層而使阻抗得以匹配,降低信號或傳輸能量之損失. 從屏蔽效果來講,斜包不如編織,其屏蔽效果具有方向性,彎曲時屏蔽特性發生變化但其具有完成外徑小.線材柔軟.價格

12、也比較低特點.適用于低頻屏蔽. 以下從几個方面敘述斜包結構設計: 1.斜包的銅線根數近似計算: ?*D整數部分 d D-斜包前外徑. d-斜包銅線的直徑. 如果是二.三芯絞合,絞合後不圓整,D(斜包前)外徑為等效外徑. 此設計中的D斜包前外徑,相當絞線中基圓直徑.從理論計算上講,要達到100%斜包D應采用節圓直徑,但為了防止有時因節距選取較少及其它因素而產生過滿(容易起股).所以D采用斜包前外徑(基圓直徑).在實際生產中,因斜包銅絲一般為,的細線,其值在上述計算中忽略影響不大.采用上面公式計算,其斜包滿度可達90%以上,對線材的性能影響很少. N? 2.斜包節距的選擇: 斜包節距根據斜包前外徑

13、大小選擇,一般按下面優化節距選取(此優化節距考慮到成本,附著力,外觀等方面,并通過長時間生產驗證). 成品外徑 斜包節距 d斜包的絞入系數為1+(圓周率X斜包後外徑/斜包節距)的二次方. ?*D2 ?1?() H D-斜包後外徑. 設 計 資 料 (四). 斜 包 部 分 H-斜包節距. 4.斜包銅線的用量:W?*?*N*? 4d-斜包導體直徑 ?*d2斜包導體密度 N-斜包導體根數 -斜包導體絞入系數 5.斜包方向選擇. 斜包一般采用與成纜的反方向:斜包線材生產過程中,斜包銅絲與斜包前線材轉動方向相反,如果斜包方向與成纜方向相同時,斜包過程中會先把成纜線材先反扭, 使線材松散,以致斜包易出現

14、不良. 不過采用反方向斜包線材相對較硬, 彎曲性能差. 對于那些成纜芯線少,芯線線徑較大,沒有隔離層的線材只能采用與成纜反方向. 6.斜包線材外被押出: 斜包線材在外被押出前需通過倒軸, 防止斷絲在過押出眼模時引起斷線. 設 計 資 料 (五). 編 織 部 分 (五).編織有關的設計與計算 編織與斜包相似,在線材中主要起屏蔽作用,防止外界電場與磁埸的影響,提高線材的干撓防衛度.與斜包.鋁箔相比具有以下特點: 1.屏蔽無方向性. 2.高頻屏蔽特性良好,適用于高頻屏蔽. 3.通過多層屏蔽,屏蔽效果可達100%. 4.彎曲時屏蔽特性無變化. 1.編織有關的計算公式: 編織角正切: HTg? ?*(

15、D ?2d)編織系數: a*n*dF? H*cos()?編織密度: M?2*F?F2 編織用量: ?*d2*?*2*a*n W?4*sin(?) h-編織節距. d-編織單線直徑. a-編織半綻子數. n-編織并線根數. 編織角 2.編織各參數的確定: 1.根據纜芯外徑大小,及編織密度大小選定編織機類型(16錠或24錠高低速編織機)2.選定適應編織機的編織單根銅線(鍍錫或裸銅線,.12mm)通常適應于高速編織機；,適應于低速編織機. 3.密度M.編織角度.節距H的確定. 注:每錠中的根數應在3-9根的範圍內,因為根數少編織易斷線,而根數太多則使得編織層同層內的銅線重疊,.編織角度通常在50-7

16、0的範圍內,為提高生產效率則編織角度去接近70的值,上述公式預算各參數,采用湊算法確定的適當的編織根數,編織角度,編織節距,編織密度.計算部分中的編織計算便是采用上述公式,采用枚舉法計算得出. 設 計 資 料 (六). 其 它 部 分(六).其它結構設計與計算: 在線纜設計中,有時為了改善線材質量需加入其它的材料.為了使線材圓整,在芯線絞合時加入填充物.為了防止導體氧化在導體絞合時表面涂,為了改善線材附著力絕緣押出時在導體表面涂DOP或硅油,外被押出時在芯線表面拖滑石粉或雲母粉. 下面根據其作用不同分類敘述: 1.填充物設計與計算: 填充物主要有棉紗線和PP繩,設計時主要根據填充空隙大小,線材

17、性能要求及材使用場所,選擇填充棉紗.PP繩或其它. 填充物根數計算N=(S空隙/S單根填物)整數部分 填充物用量 W=單根重量*N* -為芯線絞合的絞入系數. 2.隔離層的設計與計算: 隔離材料的選擇 紙帶在線材中只起分隔作用.鋁箔在線材中有分隔作用與屏蔽作用.當線材只需分隔開時,選用紙帶.否則選用鋁箔.有時在一些高性能的通信線中隔離層采用無紡布或發泡PP帶(如SISC). 工藝方式 在分隔層的制造過程中,為了節約工時,可根據情況采用繞包.拖包.縱包三種不同方式.(注繞包.拖包時角度=40-60;縱包時角度=90).物料用量 ?*(D纜芯?n*t)W?*n*t*? 1?Kn-為隔離層數. t-

18、為隔離帶厚度. -為隔離材料密度. k-為隔離帶重疊率.3.有關的絞入率計算: ?l/H?(?*d)2?H2 H?1?(?2)m設 計 資 料 (六). 其 它 部 分 H dm-為節徑比. h-為節距. d-線材的絞合外徑. 說明1:上面的絞入系數計算都為一個工序的計算,在實際計算物量時,應考慮整個個生產過程,所以總的絞入系數可能為多個工序的絞入系數的乘積. 說明2: 設計計算時應取節距範圍的下限值,以在定額中爭取最大之絞入係數(而生產中采用接近最大之節距值,則既利于提高效率,又可減低正常生產中的材料消耗). m?設 計 資 料 (一).等效介電常數 第 二 部 分 電 氣 性 能 計 算

19、部 分 隨當代電氣通信事業的飛速發展,傳輸信號用的電線電纜電氣性能要求也越來越高,所以在通信線材結構設計時,線材的電氣性能應為重點考慮對象,下面部分主要介紹常用的通信線材基本的電氣性能理論計算方法. (一).發泡絕緣的等效介電常數的計算公式: 發泡絕緣是一種組合絕緣,主要是為了降低絕緣介質的等效介電常數,提高線材的電氣性能.發泡絕緣介質的等效介電常數介于空氣絕緣與塑膠絕緣的介電常數之間,在設計的過程中可采用下面兩種方法對發泡絕緣介質的等效介電常數進行計算. 方法(1): 2*?1?2*P(?1)e? 2*?1?P*(?1)2?*e?ep? 2*(?1)?e*(?1) -介質的材料的等效介電常數

20、P-發泡度%,它表示泡沫介質內,所有小氣泡的體積與絕緣總體積之比. 方法(2): D泡沫P?1? D材料 D泡沫-泡沫介質的比重 D材料-介質材料本身的比重 ln()?ln(e)*(1?P)e- 實心絕緣的介電常數 - 發泡絕緣的介電常數 設 計 資 料 (二). 對 稱 電 纜 (二) .對稱電纜的結構計算: 對稱通信電纜是許多絕緣線芯,經絞合成電纜芯後再包以護層所組成,電纜一對或多對具有相同外徑及相同結構的兩根絕緣線芯對地對稱的排列,因此稱為對稱電纜.對稱電纜的導電線芯是用來引導電磁波傳輸方向的,因此首先要求導電性能好.要有良好的柔軟性和足夠的機械強度,同時也應考慮其加工,敷設及使用上的方

21、便. 下面分一次傳輸參數與二次傳輸參數來敘述對稱電纜的主要電氣性能. 1.一次傳輸參數 稱為電纜線路的一次傳輸參數.這些參數與傳輸電磁波的電壓和電流的大小無關,而與電纜的材料結構及電流的頻率有關. 有效電阻.有效電阻就是當交流流過對稱回路時的電阻,包括直流電阻和通過交流而引起的附加電阻. R有=R直+R交2*?*?*lR直?sR交=R鄰+R集+R金 d2G(X)*()a R有?R直(1?F(X)?)?R金 d21?H(X)*()adG(X)*()2aR金?(1520)%*R直*(1?F(X)?) d21?H(X)*()a-總的絞入系數 -導電線芯的電阻率 歐姆*平方毫米/米 l-電纜長度 米

22、s-導電線芯的截面積平方毫米 d-導電線芯的直徑毫米a-回路兩導體中心間距離毫米 KdX? 2K?*u*? K-為渦流系數 設 計 資 料 (二). 對 稱 電 纜 u-為磁導率 -為電導率有關 H(X) F(X) G(X) K的計算詳見通信電纜50頁 對稱電纜的電感 當回路通以交流電後,則在回路的導電線芯中和回路周圍產生磁通?,在導電線芯內的稱為內磁通,在導電線芯外的稱為外磁通.而電感為磁通?與引起磁通的電流之比,所以相應于內磁通與外磁通有內電感L內與外電感L外,總電感為 L=L內+L外.當對稱電路有屏蔽層時,對稱電纜屏蔽回路,除了有電感L內與電感 L外,還有屏蔽體給傳輸回路帶來的附加電感.

23、 無屏蔽: L?*(4ln(2a?d2K?*u*? K-為渦流系數 d-總的絞入系數 d-導電線芯的直徑毫米a-回路兩導體中心間距離毫米 KdX? )?Q(X)*10?4 (H/Km) u-為磁導率 -為電導率 有關 Q(X)的計算詳見通信電纜54頁有屏蔽: a2a222r?()r*()sus*22*as22L=?*4*ln(*?Q(X)?8*10?4 (H/Km)a2dK*rs4a2rs?()rs?()422-總的絞入系數 d-導電線芯的直徑毫米 a-回路兩導體中心間距離毫米 KdX? 2K?*u*? 設 計 資 料 (二). 對 稱 電 纜 K-為渦流系數 u-為磁導率 -為電導率 有關

24、Q(X)的計算詳見通信電纜54頁 .對稱電纜的電容 電纜回的電容與一般電容器的電容相似.兩根導電線芯相當于兩個電極,導電線芯間的絕緣相當于電容器極板間的介質.當回路兩導電線芯帶有等量異性電荷時,此電荷的電量Q與兩導電線芯間的電位差U之比,為該回路的電容,即C=U/Q. 對稱電纜回路的電容是比較復雜的,因為電纜中往往包括很多線對,而且外面又有屏蔽層或金屬套,所有任何相鄰的線芯間或線芯與屏蔽層.金屬套都會有電容的存在.回路間的電容指各部分之和. 對稱電纜回路的電容有兩種: 工作電容和部分電容.一次傳輸參數中的電容指工作電容(工作電容為部分電容所組成). 無屏蔽對稱電纜(UTP)的電容可按下式計算C

25、?ed 適用于兩導體相互平行，並且周圍無其它線對的理想情況. a-兩導體的中心距(mm) d-中心導體的直徑(mm)e-絕緣材料的等效介電常數于多對結構的對稱電纜，應考慮線對絞合的影響以及鄰近線對等因素, 計算公式為?6*10e C?*2a*?36*ln()36*ln*10?9 2*a?dF/m 對其電容 F/m d-絞合係數 -校正係數,考慮鄰近線對或線對屏蔽層對于電容的影響.校正系數與各結構參數之間的關系. 屏蔽對絞組 DS2?a2?22 DS?a 設 計 資 料 (二). 對 稱 電 纜無屏蔽對絞組 (d2?d1?d)2?a2? (d2?d1?d)2?a2 a-對稱電纜導體的中心距 DS

26、-屏蔽層內徑(mm) d2-對絞後的外徑(mm)d1-絕緣芯線的外徑(mm) 對稱電纜的絕緣電導. 絕緣電導G這個參數說明電纜線芯絕緣層的質量和電磁能在線芯絕緣中的損耗情況. 絕緣電導是絕緣介質的特性決定的,也就是絕緣介質的體積絕緣電阻系數和介質損耗角正切來決定的.絕緣電導G是直流絕緣電導G0和交流電導G組合的.計算公式如下: G=G0+G 1G0? R絕 G=*Ctg() G0-直流損耗 G-交流損耗 -電流頻率 C-工作電容 tg()-介質損耗角正切 2.二次傳輸參數 二次傳輸參數是用以表征傳輸線的特性的參數,它包括特性阻抗ZC,衰減常數,及相移常數.特性阻抗特性阻抗是電磁波沿均勻電纜線路傳播而沒有反射時所遇到的阻抗,其值僅與線路的一次傳輸參數和電流的頻率有關,而與線路的長度無關,也與傳輸電壓及電流的歐 大小及負栽阻抗無關: 無屏蔽對稱電纜(UTP) 1202*a?dZC?ln()d?e設 計 資 料 (二). 對 稱 電 纜 2762*a?d ZC?elg(d)歐 屏蔽對稱電纜(STP)ZC?ZC?1202*aDS?a2ln(*2) 歐 2dDS?a?e2*aDS?a2lg(*2) 歐 2dDS?