DE102019110878B4

DE102019110878B4 - Kombinationskabel zur elektrischen Energie- und Datenübertragung

Info

Publication number: DE102019110878B4
Application number: DE102019110878.0A
Authority: DE
Inventors: Erwin Köppendörfer; Michael Häuslschmid; Frank Harrmann
Original assignee: Leoni Kabel GmbH
Current assignee: Leoni Kabel GmbH
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2039-04-27
Also published as: DE102019110878A1; WO2020216817A1; CN113795895A; US20220215985A1

Abstract

Kombinationskabel (300) zur elektrischen Energie- und Datenübertragung, aufweisend
einen oder mehrere Hochstromleiter (F30, G30);
ein erstes Datenleiterpaar, welches zwei miteinander verseilte Datenleiter (J32, J34) aufweist, die zumindest teilweise von einer elektrisch leitfähigen Ummantelung (J50) aus einem thermoplastischen Elastomer auf Urethanbasis, TPU, umgeben sind,
wobei auf die Verwendung von elektromagnetischen Schirmungen der Datenleiter (J32, J34) mittels einer Datenleiterschirmung verzichtet werden kann,
ein zweites Datenleiterpaar, welches zwei voneinander beabstandete Datenleiter (H32, H34) aufweist, wobei
die voneinander beabstandeten Datenleiter (H32, H34) des zweiten Datenleiterpaares jeweils an einer äußeren Mantelfläche der elektrisch leitfähigen Ummantelung des ersten Datenleiterpaares (J32, J34) angeordnet sind.

Description

Hier wird ein Kombinationskabel zur elektrischen Energie- und Datenübertragung beschrieben.
Kombinationskabel zur Energie- und Datenübertragung dienen dazu, einerseits, elektrische Energie zu übertragen und, andererseits, eine Datenübertragung über hierfür vorgesehene separate Datenleiter zu ermöglichen.
Solche Kombinationskabel finden zum Beispiel in den technischen Bereichen des Automobilbaus, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Mechatronik und der Industrierobotertechnik Anwendung. Vorteilhaft ist die Verwendung von Kombinationskabeln zum Beispiel dann, wenn eine technische Betriebseinheit zum Beispiel mit einer ausreichenden Betriebsenergie versorgt werden soll und gleichzeitig elektronische Steuersignale an die Betriebseinheit übertragen werden sollen.
Bekannt sind Kombinationsleitungen mit einem Hochstromleiterpaar und zwei Datenleiterpaaren.
Ein Nachteil dieser bekannten Kombinationsleitungen ist es, dass aufgrund induktiver und kapazitiver Kopplungseffekte zwischen den einzelnen Leitern, insbesondere zwischen den Hochstromleitern und den Datenleiterpaaren aber auch zwischen den Datenleiterpaaren untereinander, eine Qualität der Datenübertragung - im Vergleich zur Verwendung gesonderter Datenleitungen - negativ beeinträchtigt ist.
Diesem wird üblicherweise mit einer Verseilung der einzelnen Leiter, sowohl der Hochstromleiter als auch der Datenleiter, sowie mit der Verwendung von elektromagnetischen Schirmungen, insbesondere mit der Verwendung von Folienschirmen oder Geflechtschirmen, für die einzelnen Leiter entgegengewirkt. Eine Beeinträchtigung der Qualität der Datenübertragung kann so zwar reduziert werden, jedoch sind beide Maßnahmen mit Nachteilen für die Konfektionierung der Kabel behaftet. So erschwert die Verseilung mehrerer einzelner Leiter eine einfache Konfektionierung zum Beispiel dann, wenn die einzelnen Leiter an einer Anschlussstelle in jeweils vorbereitete Kontaktaufnahmen angeordnet werden sollen. Ferner müssen die einzelnen Schirmungen meist abisoliert und gesondert geerdet werden, um die Leiter eines Kombinationskabels an der Anschlussstelle elektrisch zu verbinden, welches aufwendig ist und daher eine notwendige Montagedauer erhöht.
Das Dokument CN 106 024 150 A offenbart ein Kombinationskabel mit Hochstromleitern und Datenleitern, wobei einer Beeinträchtigung der Qualität einer Datenübertragung durch kapazitive und induktive Wechselwirkungen der einzelnen Leiter durch Kupfergeflechtschirmungen der einzelnen Leiter entgegengewirkt wird.
Das Dokument US 2017 / 0 110 223 A1 offenbart ein USB-Kabel mit mehreren Datenleitungen. Einer Beeinträchtigung der Qualität einer Datenübertragung durch kapazitive und induktive Wechselwirkungen der einzelnen Leiter wird durch Metallgeflechtschirmungen der einzelnen Leiter entgegengewirkt.
Das Dokument DE 20 2014 009 498 U1 offenbart ein Kabel mit verseilten Adernpaaren. Zur Vermeidung einer Beeinträchtigung der Qualität einer Datenübertragung durch kapazitive und induktive Wechselwirkungen der einzelnen Leiter schlägt das Dokument die Verwendung einer Geflechtschirmung aus verzinnten Kupferdrähten für jedes der Adernpaare vor.
Ferner offenbart das Dokument DE 10 75 181 B eine Installationsleitung mit einem Metallmantel. Als Fertigungsmaterial für den Metallmantel wird insbesondere Aluminium vorgeschlagen.
Weitere Beispiele für Kabel mit mehreren Leitern werden durch die Dokumente CN 1 06 558 368 A und CN 1 04 332 220 A offenbart.
Trotz vorhandener Kombinationskabel mit Hochstromleitern und mehreren Datenleiterpaaren bedarf es daher weiterer Verbesserungen zur Vermeidung der beschriebenen Nachteile.
Insbesondere soll ein Kombinationskabel zur elektrischen Energie- und Datenübertragung bereitgestellt werden, welches einer Beeinträchtigung der Qualität einer Datenübertragung durch kapazitive und induktive Wechselwirkungen der einzelnen Leiter strukturell entgegenwirkt und insbesondere eine Konfektionierbarkeit gegenüber bekannten Kombinationskabeln verbessert.
Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1. Spezifische Ausgestaltungen werden durch die abhängigen Ansprüche definiert.
Ein Kombinationskabel zur elektrischen Energie- und Datenübertragung weist einen oder mehrere Hochstromleiter auf. Insbesondere kann das Kombinationskabel zwei Hochstromleiter aufweisen, jedoch sind auch Kabelanordnungen mit drei, vier oder mehr Hochstromleitern ausdrücklich möglich.
Hochstromleiter im Sinne dieser Offenbarung sind elektrischer Leiter, Leiterbündel, Leitergeflechte oder Leiterlitzen, die dazu geeignet sind, einen elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen und hierbei eine elektrische Energie bzw. Leistung zu transportieren bzw. diese elektrische Energie an einem Leiterende dem elektrischen Verbraucher bereit zu stellen. Der hier definierte Hochstromleiter ist je nach Dimensionierung nicht nur im Hochspannungsbereich, sondern auch im Mittelspannungsbereich wie auch Niederspannungsbereich einsetzbar. Zum Beispiel kann dieser dazu eingerichtet sein, einen Wechselstrom mit einer Spannung von 230 Volt, einer Frequenz von 50 Hertz und mit einer maximalen Stromstärke von 20 Ampere zu unterstützen. Jedoch sind ausdrücklich auch beliebige andere Konfigurationen bzw. Dimensionierungen möglich, wobei die mittels der Hochstromleiter maximal übertragbaren Energien stets die mittels eines Datenleiters übertragbaren Energien übersteigen. Die Hochstromleiter können sowohl zur Übertragung von Wechselstrom als auch zur Übertragung von Gleichstrom eingerichtet sein.
Das Kombinationskabel weist weiter ein erstes Datenleiterpaar auf, welches zwei miteinander verseilte Datenleiter aufweist, die zumindest teilweise von einer zumindest teilweise elektrisch und/oder magnetisch leitfähigen Ummantelung umgeben sind. Insbesondere kann die Ummantelung das erste Datenleiterpaar bis auf die Kontaktstellen der Datenleiter an den Anschlussstellen des Kombinationskabels vollständig umgeben und so auch eine Beabstandung zu anderen Elementen des Kombinationskabels herstellen. Die zumindest teilweise elektrisch leitfähige Ummantelung kann hierbei ausdrücklich auch nicht elektrisch leitfähige Vorrichtungselemente oder Bestandteile bzw. Materialien aufweisen, zum Beispiel eine dielektrische Isolationsschicht, welche eine äußere Mantelfläche der zumindest teilweise elektrisch leitenden Ummantelung ausbildet. Die äußere Mantelfläche bezeichnet hierbei die dem ersten Datenleiterpaar, insbesondere in radialer (Kabel-)Richtung, abgewandte Oberfläche der Ummantelung.
Ferner weist das Kombinationskabel ein zweites Datenleiterpaar auf, welches zwei voneinander beabstandete Datenleiter aufweist. Die voneinander beabstandeten Datenleiter des zweiten Datenleiterpaares sind jeweils an einer äußeren Mantelfläche der zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Ummantelung des ersten Datenleiterpaares angeordnet. Hierbei sind die Datenleiter des zweiten Datenleiterpaares im Sinne dieser Offenbarung insbesondere auch dann als an der äußeren Mantelfläche der zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Ummantelung des ersten Datenleiterpaares angeordnet anzusehen, wenn sich zwischen dem eigentlichen Datenleitern des zweiten Datenleiterpaares und der äußeren Mantelfläche der Ummantelung noch eine Materialschicht, insbesondere eine (Ab-)Isolierschicht oder eine Isolierlackschicht, befindet. Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass der Datenleiter inklusive einer den Datenleiter umgebenden Isolierschicht an der äußeren Mantelfläche der Ummantelung des ersten Datenleiterpaares angeordnet sein kann.
Die voneinander beabstandeten Datenleiter des zweiten Datenleiterpaars können einander zum Beispiel um eine Distanz von 1% bis 31%, insbesondere von 10% bis 25%, eines (Mantel-)Umfangs der Ummantelung voneinander beabstandet sein. In einer Variante können die Datenleiter derart an der äußeren Mantelfläche der Ummantelung angeordnet sein, dass sie um die Distanz von 75% bis 100%, insbesondere 80%, eines Querschnittsdurchmessers der Ummantelung voneinander beabstandet sind.
Ein Vorteil des Kombinationskabels ist, dass auf eine Verseilung der Leiter miteinander und auf die Verwendung von elektromagnetischen Schirmungen für die Leiter zumindest teilweise verzichtet werden kann. Die zumindest teilweise elektrisch leitende Ummantelung des ersten Datenleiterpaares kann zumindest einen Teil der von den Leitern mittels elektromagnetischer Wellen abgegebenen Energien aufnehmen und diese zumindest teilweise in Wärme umwandeln. Hierdurch kann eine Beeinträchtigung der Qualität der Datenübertragung durch die insbesondere von den Hochstromleitern aufgrund kapazitiver und/oder induktiver Effekte hervorgerufenen elektromagnetischen Felder vermindert werden. Von dem die elektromagnetischen Felder dämpfenden Effekt der zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Ummantelung des ersten Datenleiterpaares ist zumindest auch teilweise das auf der Ummantelung angeordnete zweite Datenleiterpaar erfasst, bei welchem zudem vollständig auf eine Verseilung verzichtet werden kann. Ferner bewirkt die Ummantelung auch eine Beabstandung des ersten Datenleiterpaares zu den beiden Datenleitern des zweiten Datenleiterpaars und eine Beabstandung zwischen den einzelnen Datenleitern des zweiten Datenleiterpaars, sodass auch einer induktiven oder kapazitiven Kopplung zwischen diesen Leitern entgegengewirkt wird.
Optional kann/können der eine oder die mehreren Hochstromleiter elektrisch isoliert sein, zum Beispiel mit einem Isolationslack oder mit einem den/die Hochstromleiter zumindest teilweise umgebenden Dielektrikum. Ferner kann/können zumindest der eine oder die mehreren Hochstromleiter zumindest teilweise von einer elektromagnetischen Schirmung, insbesondere von einer Folien- oder Geflechtschirmung, umgeben sein.
Selbstverständlich können auch die Datenleiter des ersten und/oder des zweiten Datenleiterpaares mit einer Isolierung, insbesondere mit einem Isolationslack oder mit einem die Datenleiter umgebenden Dielektrikum, versehen sein. Dieses ist jedoch nicht bei allen Ausführungsformen notwendig. Zum Beispiel kann ein Kupferleiter mit/neben einem verzinnten Leiter zur Herstellung der jeweiligen Datenleiterpaare verwendet werden. Die so hergestellten Datenleiterpaare können bauraumgetrennt im Prozess der Adernbildung einlaufen, ohne dass eine Isolierung der einzelnen Kupferleiter bzw. verzinnten Leiter notwendig ist.
Eine Isolierung der Datenleiter kann insbesondere separat von der zumindest teilweise elektrisch leitenden Ummantelung des ersten Datenleiterpaars und/oder zusätzlich bzw. ergänzend zur teilweise elektrisch leitenden Ummantelung des ersten Datenleiterpaars ausgebildet sein.
In einer Variante kann das erste Datenleiterpaar dazu eingerichtet sein, Datensignale mit einer höheren Frequenz zu übertragen als das zweite Datenleiterpaar und/oder das zweite Datenleiterpaar kann dazu eingerichtet sein, Datensignale mit einer niedrigeren Frequenz zu übertragen als das erste Datenleiterpaar.
Da Datensignale mit einer vergleichsweise höheren Frequenz empfindlicher auf elektromagnetische Störeinflüsse reagieren bzw. durch solche Störeinflüsse leichter beeinträchtigt werden können als Datensignale mit einer vergleichsweise niedrigeren Frequenz, genügt es zur Sicherstellung einer noch tolerablen elektromagnetischen Beeinträchtigung der jeweiligen Datenleiterpaare, das zweite Datenleiterpaar an der äußeren Mantelfläche der Ummantelung des ersten Datenleiterpaares anzuordnen, während das erste Datenleiterpaar von der zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Ummantelung umgeben wird.
In einer Ausführungsform kann das erste Datenleiterpaar dazu eingerichtet sein, Datensignale mit einer Frequenz von über einem Kilohertz zu übertragen. Das zweite Datenleiterpaar kann dazu eingerichtet sein, Datensignale mit einer Frequenz von unter einem Kilohertz zu übertragen.
In einer Variante kann das erste Datenleiterpaar dazu eingerichtet sein, Datensignale mit einer Frequenz von über einem Megahertz zu übertragen. Das zweite Datenleiterpaar kann dazu eingerichtet sein, Datensignale mit einer Frequenz von unter einem Megahertz zu übertragen. Zum Beispiel kann das erste Datenleiterpaar dazu eingerichtet sein, Datensignale mit einer Frequenz von etwa 5 Megahertz bis zu etwa 100 Megahertz, insbesondere mit einer Frequenz von etwa 50 Megahertz, zu übertragen, während das zweite Datenleiterpaar zur Übertragung von Frequenzen im Kilohertzbereich eingerichtet sein kann.
Die zumindest teilweise elektrisch leitfähige Ummantelung, welche das erste Datenleiterpaar zumindest teilweise umgibt, kann eine elliptische, insbesondere eine kreisrunde, Querschnittsgeometrie aufweisen. Insbesondere kann ein Querschnitt orthogonal zur Längenausdehnung des Kombinationskabels eine elliptische oder kreisrunde Querschnittsansicht der Ummantelung aufweisen. Weiter kann die zumindest teilweise elektrisch leitfähige Ummantelung das erste Datenleiterpaar in einer radialen Richtung der elliptischen oder kreisrunden Querschnittsgeometrie vollständig umschließen. Dieses ist jedoch nicht in allen Ausführungsformen des Kombinationskabels notwendig.
Optional kann die das erste Datenleiterpaar umgebende zumindest teilweise elektrisch leitfähige Ummantelung eine dielektrische Beschichtung oder Lackierung aufweisen, welche die äußere Mantelfläche bzw. Umfangfläche der Ummantelung ausbildet. Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass insbesondere eine äußere Oberfläche der zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Ummantelung durch ein Material oder eine Materialschicht mit dielektrischen Eigenschaften ausgebildet ist, sodass ein an der Oberfläche angeordneter elektrischer Leiter keine elektrisch leitende Verbindung zur zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Ummantelung herstellt.
Erfindungsgemäß wird für die zumindest teilweise elektrisch leitfähige Ummantelung, welche das erste Datenleiterpaar zumindest teilweise umgibt, ein Material vorgeschlagen, das einen spezifischen Durchgangswiderstand von weniger als 1×10¹⁰ Ohm*m aufweist, zum Beispiel Thermoplastische Elastomere (TPE), wie Thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis, auch bezeichnet als Thermoplastisches Polyurethan (TPE-U/TPU). Der um den Faktor 10.000 geringere Widerstand im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten (Ummantelungs-)Materialien wie Polyvinylchlorid (PVC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Thermoplastische Styrol-Blockcopolymere (TPE-S/TPS) (mit einem jeweiligen Durchgangswiderstand von > 1×10¹⁴ Ohm*m gemäß DIN EN ISO 62631-3-1) bewirkt eine Umwandlung der unerwünschten elektromagnetischen Abstrahlungen in Wärmeenergie. Normgemäß ist TPE-U jedoch aufgrund hoher Ableitströme, welche aus hohen Spannungen resultieren können, wie auch aufgrund unerwünschter elektrochemischer Prozesse als Ummantelungsmaterial in der Kabelherstellung zu vermeiden. Die Verwendung von TPE-U als Fertigungsmaterial für die zumindest teilweise elektrisch leitfähige Ummantelung widerspricht somit üblichen fachmännischen Implementierungsvarianten für Kabel zur elektrischen Energie- und Datenübertragung, wobei durch die Verwendung dieses Fertigungsmaterials der beschriebene spezielle technische Vorteil erzielt werden kann.
Optional kann die Ummantelung, welche das erste Datenleiterpaar zumindest teilweise umgibt, zusätzlich mit Rußpartikeln beaufschlagt werden, um eine abschirmende Wirkung der Ummantelung zu unterstützen. Diese können maximal zwischen 0,3% und 3,0% zum Gesamtvolumen der hergestellten Ummantelung beitragen. Die Rußpartikel können einen Durchmesser von ca. 30nm bis 1µm, zum Beispiel 50nm, 250nm oder 500nm aufweisen.
Durch die geeignete Verseilung des ersten Datenleiterpaares, zum Beispiel durch eine Verseilung mit einem kontinuierlichen Wechsel der Winkelausrichtung des ersten Datenleiterpaares, kann eine negative Beeinträchtigung der Übertragungsqualität des zweiten Datenleiterpaares durch elektronmagnetische Abstrahlungen des ersten Datenleiterpaares, über die durch die zumindest teilweise elektrisch leitfähige Ummantelung bewirkte Dämpfung der elektromagnetischen Abstrahlung hinaus, noch weiter verringert werden.
In einer Weiterentwicklung können sich die beiden zum ersten Datenleiterpaar verseilten Datenleiter fortlaufend um eine Dochtachse des Datenleiterpaares winden, wobei die Verseilung entlang der Dochtachse um eine halbe Verseilungslänge bzw. um 180° versetzt zur Verseilung zweier, mit einer zum ersten Datenleiterpaar korrespondierenden Verseilungslänge verseilten, Hochstromleiter angeordnet ist. Hierdurch wird eine vorteilhafte Reduktion von Übertragungsstörungen aufgrund der elektromagnetischen Abstrahlungen der verseilten Hochstromleiter erreicht, da sich die durch die beiden Hochstromleiter in das erste Datenleiterpaar induzierten Ströme zumindest im Wesentlichen gegenseitig kompensieren.
Optional kann die zumindest teilweise elektrisch leitfähige Ummantelung eine variable Materialdicke bzw. Materialstärke aufweisen.
In einer Variante kann das Kombinationskabel zumindest zwei Hochstromleiter aufweisen, die zusammen einen Hochstromleiterzwischenraum einfassen, welcher zwischen den beiden Hochstromleitern angeordnet ist. Der zwischen den Hochstromleitern liegende Zwischenraum kann hierbei zumindest teilweise oder auch vollständig mit Materialien, zum Beispiel mit einem Teil der die Hochstromleiter optional umgebenden dielektrischen Isolationsmaterialien, ausgefüllt sein.
Die Datenleiter des ersten und des zweiten Datenleiterpaares können jeweils zumindest um eine vorbestimmte Distanz von dem Hochstromleiterzwischenraum beabstandet sein.
Optional können die Datenleiter des ersten und des zweiten Datenleiterpaares jeweils von einer Geraden, welche die beiden Hochstromleiter tangiert, in einer von den Hochstromleitern wegführenden Richtung beabstandet sein.
Die durch die Hochstromleiter hervorgerufenen elektromagnetischen Felder weisen zwischen den die beiden Hochstromleiter tangierenden Geraden, insbesondere im Bereich des eingefassten Zwischenraums, die vergleichsweise höchsten elektromagnetischen Feldstärken auf. Es ist daher vorteilhaft die Datenleiter der Datenleiterpaare außerhalb dieser Bereiche zu positionieren, jedoch ist dieses nicht in allen Ausführungsformen zwingend erforderlich.
Weist das Kombinationskabel zumindest zwei Hochstromleiter auf, so können diese insbesondere unverseilt nebeneinander angeordnet sein. Die zumindest zwei Hochstromleiter können zueinander jeweils gleichartig oder verschiedenartig ausgestaltet sein. In einem Beispiel weisen die zumindest zwei Hochstromleiter einen zumindest im Wesentlichen identischen Querschnittsdurchmesser auf.
Die Datenleiter des ersten Datenleiterpaars und/oder die Datenleiter des zweiten Datenleiterpaars können zueinander jeweils gleichartig oder verschiedenartig ausgestaltet sein. Weiter können alle Datenleiter des Kombinationskabels zueinander jeweils gleichartig oder verschiedenartig ausgestaltet sein. In einem Beispiel weisen alle Datenleiter des Kombinationskabels einen zumindest im Wesentlichen identischen Querschnittsdurchmesser auf.
Wenn X der kürzeste mögliche Abstand einer ersten Gerade, welche beide Datenleiter des zweiten Datenleiterpaares tangiert, zu einer zweiten Gerade, welche parallel zur ersten Gerade durch einen Querschnittsmittelpunkt bzw. durch eine Verseilungsachse des ersten Datenleiterpaares verläuft, ist und wenn Y ein Durchmesser eines Datenleiters des ersten Datenleiterpaares, insbesondere der Durchmesser eines Datenleiters des ersten Datenleiterpaares inklusive einer Isolierung dieses Datenleiters, ist, dann kann X zumindest dem 0,9-fachen Wert von Y entsprechen. In weiteren Varianten des Kombinationskabels kann X zumindest dem 1,0-fachen oder zumindest dem 1,1-fachen Wert von Y-entsprechen.
Hierdurch kann sichergestellt werden, dass ein minimaler Abstand zwischen den miteinander verseilten Leitern des ersten Datenleiterpaares und den voneinander beabstandeten Leitern des zweiten Datenleiterpaares hergestellt ist, sodass sich die Leiter des ersten Datenleiterpaares nicht oder nur geringfügig in einem zwischen den voneinander beabstandeten Leitern des zweiten Datenleiterpaares eingefassten Datenleiterzwischenraum befinden. Da die durch die Leiter des zweiten Datenleiterpaares hervorgerufenen elektromagnetischen Felder in dem durch sie eingefassten Datenleiterzwischenraum die höchsten elektromagnetischen Feldstärken aufweisen, ist es vorteilhaft, die miteinander verseilten Leiter des ersten Leiterpaares zumindest im Wesentlichen außerhalb dieses Datenleiterzwischenraumes anzuordnen.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist. Dabei zeigen die Figuren schematisch und beispielhaft jeweils Kombinationskabel zur elektrischen Energie- und Datenübertragung. Die Abmessungen und Proportionen der in den Figuren gezeigten Komponenten sind nicht maßstäblich.

1 zeigt schematisch ein Beispiel für bekannte Kombinationskabel zur elektrischen Energie- und Datenübertragung.
2 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für bekannte Kombinationskabel zur elektrischen Energie- und Datenübertragung.
3 - 5 zeigen jeweils schematisch und beispielhaft ein Kombinationskabel zur elektrischen Energie- und Datenübertragung mit einer teilweise elektrisch leitfähigen Ummantelung, welche ein Datenleiterpaar umgibt.

1 zeigt schematisch ein Beispiel für bekannte Kombinationskabel 100 zur elektrischen Energie- und Datenübertragung in einer Querschnittsansicht. Das Kombinationskabel 100 weist eine kreisrunde Querschnittsgeometrie auf und weist eine erste Hochstromleiteranordnung A und eine zweite Hochstromleiteranordnung B auf. Die erste Hochstromleiteranordnung A weist einen ersten Hochstromleiter A30, eine erste Hochstromleiterisolierung A20 und eine erste Hochstromleiterschirmung A10 auf. Die zweite Hochstromleiteranordnung B weist einen zweiten Hochstromleiter B30, eine zweite Hochstromleiterisolierung B20 und eine zweite Hochstromleiterschirmung B10 auf.
Ferner weist das in der 1 gezeigte Beispiel für ein Kombinationskabel 100 eine erste Datenleiteranordnung C und eine zweite Datenleiteranordnung D auf. Die erste Datenleiteranordnung C weist hierbei eine erste Datenleiterschirmung C10, ein erstes Füllmaterial C15 und ein erstes Datenleiterpaar auf, welches zwei miteinander verseilte Datenleiter C32, C34 aufweist, die jeweils von einer Datenleiterisolierung C22, C24 umgeben sind. Die zweite Datenleiteranordnung D weist hierbei eine zweite Datenleiterschirmung D10, ein zweites Füllmaterial D15 und ein zweites Datenleiterpaar auf, welches zwei miteinander verseilte Datenleiter D32, D34 aufweist, die jeweils von einer Datenleiterisolierung D22, D24 umgeben sind.
Weiter sind die in der 1 gezeigten Leiteranordnungen A, B, C und D miteinander verseilt, um den Auswirkungen kapazitiver und induktiver Kopplungen zwischen den Leiteranordnungen entgegenzuwirken.
Ein Nachteil der in 1 gezeigten Vorrichtung ist, dass aufgrund der Verseilung der Leiteranordnungen sowie der Schirmungen A10, B10, C10 und D10 eine Konfektionierung des Kombinationskabels 100 erschwert und insbesondere zeitaufwendig ist.
2 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für bekannte Kombinationskabel 200 zur elektrischen Energie- und Datenübertragung in einer Querschnittsansicht. Die gezeigten Hochstromleiteranordnungen A und B entsprechen hierbei den in 1 gezeigten bzw. vorangehend beschriebenen Hochstromleiteranordnungen. Abweichend von dem in 1 gezeigten Beispiel weist das Kombinationskabel 200 jedoch eine Datenleiteranordnung E mit den stern- bzw. viererverseilten Datenleitern E32, E34, E36 und E38 auf. Die Datenleiteranordnung E weist hierbei eine Datenleiterschirmung E10, ein Füllmaterial E15, die vier sternverseilten Datenleiter E32, E34, E36 und E38, welche jeweils von einer Isolierung E22, E24, E26, E28 umgeben sind, sowie das Zentralelement E40 auf, um welches die stern- bzw. viererverseilten Datenleiter E32, E34, E36 und E38 angeordnet sind.
Weiter sind die in der 2 gezeigten Leiteranordnungen A, B und E miteinander verseilt, um den Auswirkungen kapazitiver und induktiver Kopplungen zwischen den Leiteranordnungen entgegenzuwirken.
Auch das in 2 gezeigte Kombinationskabel hat den Nachteil, dass die Konfektionierung des Kombinationskabels 100 aufgrund der nötigen Schirmungen A10, B10 und E10 sowie aufgrund der Verseilung der Leiteranordnungen A, B und E erschwert und insbesondere zeitaufwendig ist.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Kombinationskabels 300, welches im Vergleich zu den in den 1 und 2 bzw. im Vergleich zu den vorangehend beschriebenen Kombinationskabeln einfacher zu konfektionieren ist.
Das Kombinationskabel 300 weist eine erste Hochstromleiteranordnung F und eine zweite Hochstromleiteranordnung G auf. Die erste Hochstromleiteranordnung F weist einen ersten Hochstromleiter F30 auf, der von einer ersten Hochstromleiterisolierung F20 umgeben ist. Die zweite Hochstromleiteranordnung G weist einen zweiten Hochstromleiter G30 auf, der von einer zweiten Hochstromleiterisolierung G20 umgeben ist.
Weiter weist das Kombinationskabel 300 eine erste Datenleiteranordnung J auf. Die erste Datenleiteranordnung J weist hierbei ein erstes Paar von Datenleitern J32, J34 auf, die jeweils von einer Isolierung J22, J24 umgeben sind. Die Datenleiter J32 und J34 sind miteinander verseilt. Weiter weist die erste Datenleiteranordnung J eine zumindest teilweise elektrisch leitfähige Ummantelung J50 auf, die die miteinander verseilten isolierten Datenleiter J32 und J34 radial umgibt.
Die Ummantelung J50 ist dazu eingerichtet, zumindest einen Teil der von den Leiteranordnungen abgegebenen elektromagnetischen Wellen aufzunehmen und diese zumindest teilweise in Wärme umzuwandeln. Hierdurch kann eine Beeinträchtigung der Qualität der Datenübertragung durch die insbesondere von den Hochstromleitern F30, G30 aufgrund kapazitiver und/oder induktiver Effekte hervorgerufenen elektromagnetischen Felder vermindert werden.
Die in der 3 beispielhaft gezeigte Datenleiteranordnung J mit der Ummantelung J50 weist eine dielektrische Ummantelungsoberfläche J60 auf, welche gemeinsam mit der Ummantelung J50 ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass die dielektrische Ummantelungsoberfläche J60 die äußere Mantelfläche bzw. Umfangfläche der zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Ummantelung J50 ausbildet.
Weiter zeigt die 3, dass das Kombinationskabel 300 eine zweite Datenleiteranordnung H1, H2 aufweist, die ein Paar von voneinander beabstandeten Datenleitern H32 und H34 aufweist. Im gezeigten Beispiel sind die voneinander beabstandeten Datenleiter H32 und H34 jeweils von einer Isolierung H22, H24 umgeben, jedoch ist dies nicht in allen Ausführungsformen notwendig.
Die voneinander beabstandeten isolierten Datenleiter H32 und H34 der zweiten Datenleiteranordnung H1, H2 sind jeweils an der äußeren Mantelfläche J60 der zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Ummantelung J50 der ersten Datenleiteranordnung J angeordnet.
Im gezeigten Beispiel sind die Datenleiter J32, J34 der ersten Datenleiteranordnung J dazu eingerichtet, Datensignale mit einer höheren Frequenz zu übertragen als die Datenleiter H32, H34 der zweiten Datenleiteranordnung H1, H2. Zum Beispiel können die Datenleiter J32, J34 zur Übertragung von Datensignalen mit einer Frequenz von einem Megahertz oder höher eingerichtet sein, während die Datenleiter H32, H34 zur Übertragung von Datensignalen mit einer Frequenz von weniger als einem Megahertz eingerichtet sind.
Da Datensignale mit einer vergleichsweise höheren Frequenz empfindlicher auf elektro-magnetische Störeinflüsse reagieren bzw. durch solche Störeinflüsse leichter beeinträchtigt werden können als Datensignale mit einer vergleichsweise niedrigen Frequenz, genügt es zur Sicherstellung einer noch tolerablen elektromagnetischen Beeinträchtigung der jeweiligen Datenleiterpaare, das die Datenleiter H32, H34 der zweiten Datenleiteranordnung H1, H2 an der äußeren Mantelfläche J60 der Ummantelung der ersten Datenleiteranordnung J angeordnet sind, während die Datenleiter J32, J34 der ersten Datenleiteranordnung J von der zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Ummantelung J50 umgeben wird.
Die 4 und 5 dienen zur weiteren Verdeutlichung von vorteilhaften Aspekten des in der 3 gezeigten Kombinationskabels 300. Die Vorrichtungsbestandteile des in den 4 und 5 gezeigten Kombinationskabels 300 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit Referenzzeichen versehen, wobei der Aufbau des in den 4 und 5 gezeigten Kombinationskabels 300 jeweils identisch zu jenem des vorangehend beschriebenen und in der 3 gezeigten Kombinationskabels 300 ist.
4 verdeutlicht, dass alle Datenleiter H32, H34, J32, J34 des Kombinationskabels 300 zumindest um die Distanz Z2 von einem der Hochstromleiter F30, G30 beabstandet sind. Ferner sind alle Datenleiter H32, H34, J32, J34 des Kombinationskabels 300 auch von einem durch die Hochstromleiter F30, G30 eingefassten Zwischenraum und/oder von einem Bereich zwischen zwei zueinander parallelen Geraden, welche jeweils die beiden Hochstromleiter F30, G30 tangieren, beabstandet. Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass die Datenleiter H32, H34, J32, J34 in einer Querschnittsansicht des Kombinationskabels 300 jeweils in einer anderen vertikalen Ebene/Querschnittsebene als die Hochstromleiter F30, G30 angeordnet sind.
Ein Vorteil hierbei ist, dass die durch die Hochstromleiter F30, G30 hervorgerufenen elektromagnetischen Felder in einem Bereich zwischen zwei zueinander parallelen Geraden, welche jeweils die Hochstromleiter F30, G30 tangieren, die größten elektromagnetischen Feldstärken aufweisen, sodass eine Beabstandung der Datenleiter von diesem Bereich einer Beeinträchtigung der Qualität einer Datenübertragung entgegenwirkt.
5 verdeutlicht, dass auch die miteinander verseilten Datenleiter J32, J34 derart von den an der äußeren Oberfläche J60 der zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Ummantelung J50 angeordneten Datenleitern H32, H34 beabstandet sind, dass die Datenleiterpaare der Datenleiteranordnungen H und J in einer Querschnittsansicht des Kombinationskabels 300 jeweils in einer anderen vertikalen Ebene/Querschnittsebene angeordnet sind. Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass sich die verseilten Datenleiter J32, J34 nicht oder zumindest kaum in einem von den an der äußeren Oberfläche J60 der Ummantelung J50 angeordneten Datenleiter H32, H34 eingefassten Zwischenraum befinden.
Dieses wird im gezeigten Beispiel dadurch sichergestellt, dass, wenn X der kürzeste mögliche Abstand einer ersten Gerade, welche die Datenleiter H32, H34 der zweiten Datenleiteranordnung H1, H2 tangiert, zu einer zweiten Gerade, welche parallel zur ersten Gerade durch einen Querschnittsmittelpunkt bzw. durch eine Verseilungsachse der ersten Datenleiteranordnung J mit den verseilten Datenleitern J32, J34 verläuft, ist und wenn Y ein Durchmesser eines der verseilten Datenleiter J32, J34 inklusive dessen Isolierung J22, J24 ist, X dem 0,9-fachen Wert von Y entspricht.
Ein Vorteil hierbei ist, dass die durch die Datenleiter H32, H34 der zweiten Datenleiteranordnung H1, H2 hervorgerufenen elektromagnetischen Felder, welche vornehmlich in einem zwischen den Datenleitern H32 und H34 eingefassten Datenleiterzwischenbereich auftreten, eine Datenübertragung über die Datenleiter J32, J34 der ersten Leiteranordnung J nur vermindert beeinträchtigen.

Claims

Kombinationskabel (300) zur elektrischen Energie- und Datenübertragung, aufweisend einen oder mehrere Hochstromleiter (F30, G30); ein erstes Datenleiterpaar, welches zwei miteinander verseilte Datenleiter (J32, J34) aufweist, die zumindest teilweise von einer elektrisch leitfähigen Ummantelung (J50) aus einem thermoplastischen Elastomer auf Urethanbasis, TPU, umgeben sind, wobei auf die Verwendung von elektromagnetischen Schirmungen der Datenleiter (J32, J34) mittels einer Datenleiterschirmung verzichtet werden kann, ein zweites Datenleiterpaar, welches zwei voneinander beabstandete Datenleiter (H32, H34) aufweist, wobei die voneinander beabstandeten Datenleiter (H32, H34) des zweiten Datenleiterpaares jeweils an einer äußeren Mantelfläche der elektrisch leitfähigen Ummantelung des ersten Datenleiterpaares (J32, J34) angeordnet sind.
Kombinationskabel (300) nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Hochstromleiter (F30, G30) elektrisch isoliert ist/sind; und/oder der eine oder die mehreren Hochstromleiter (F30, G30) zumindest teilweise von einer elektromagnetischen Schirmung umgeben ist/sind; und /oder das erste Datenleiterpaar (J32, J34) eine elektrische Isolierung (J22, J24) für jeden der verseilten Datenleiter aufweist; und/oder das zweite Datenleiterpaar (H32, H34) eine elektrische Isolierung (H22, H24) für jeden der voneinander beabstandeten Datenleiter aufweist.
Kombinationskabel (300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste Datenleiterpaar (J32, J34) dazu eingerichtet ist, Datensignale mit einer Frequenz von über einem Kilohertz zu übertragen; und/oder das zweite Datenleiterpaar (H22, H24) dazu eingerichtet ist, Datensignale mit einer Frequenz von unter einem Kilohertz zu übertragen.
Kombinationskabel (300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die elektrisch leitfähige Ummantelung (J50) eine elliptische oder kreisrunde Querschnittsgeometrie aufweist; und/oder die elektrisch leitfähige Ummantelung (J50) das erste Datenleiterpaar (J32, J34) in einer radialen Richtung vollständig umschließt; und/oder die das erste Datenleiterpaar (J32, J34) umgebende elektrisch leitfähige Ummantelung (J50) eine dielektrische Beschichtung oder Lackierung (J60) aufweist, welche die äußere Umfangfläche der Ummantelung ausbildet.
Kombinationskabel (300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, aufweisend zumindest zwei Hochstromleiter (F30, G30), wobei die zumindest zwei Hochstromleiter (F30, G30) zusammen einen Hochstromleiterzwischenraum einfassen, und wobei die Datenleiter des ersten (J32, J34) und des zweiten (H22, H24) Datenleiterpaares jeweils zumindest um eine vorbestimmte Distanz (Z2) von dem Hochstromleiterzwischenraum beabstandet sind, und/oder die Datenleiter des ersten (J32, J34) und des zweiten (H22, H24) Datenleiterpaares jeweils von einer Geraden, welche die beiden Hochstromleiter (F30, G30) tangiert, in einer von den Hochstromleitern (F30, G30) wegführenden Richtung beabstandet sind.
Kombinationskabel (300) nach Anspruch 5, wobei die zumindest zwei Hochstromleiter (F30, G30) unverseilt nebeneinander angeordnet sind.
Kombinationskabel (300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei, wenn X der kürzeste mögliche Abstand einer ersten Gerade, welche beide Datenleiter (H32, H34) des zweiten Datenleiterpaares tangiert, zu einer zweiten Gerade, welche parallel zur ersten Gerade durch einen Querschnittsmittelpunkt des ersten Datenleiterpaares (J32, J34) verläuft, ist, und wenn Y ein Durchmesser eines Datenleiters (J32, J34) des ersten Datenleiterpaares ist, X zumindest dem 0,9-fachen von Y entspricht.