FR2958785A1

FR2958785A1 - Electric cable e.g. electric control cable, for transmitting current in automobile industry, has copper wires and tin/copper alloy wires twisted to form strand, where section of wires and percentage of tin are defined by specific equations

Info

Publication number: FR2958785A1
Application number: FR1052638A
Authority: FR
Inventors: Stephane Morice
Original assignee: Nexans SA
Current assignee: Nexans SA
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2011-10-14
Anticipated expiration: 2030-04-08
Also published as: FR2958785B1

Abstract

The cable (1) has a set of copper wires (10) and a set of tin/copper alloy wires (20) extending in a longitudinal direction of the cable. The wires are twisted for forming a strand. A section of the wires and percentage of the tin of the copper/tin alloy are defined by three specific equations having parameters such as total sum of sections of the copper wires in square mm, total sum of sections of copper/tin alloy wires in square mm, average of percentages of tin of the copper/tin alloy wires and the electrical resistivity of the copper in micro ohms per cm.

Description

Câble électrique composite comportant des brins de cuivre et d'alliage de cuivre/étain La présente invention se rapporte à un câble électrique composite comportant des brins de cuivre et d'alliage de cuivre/étain. Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement aux câbles de contrôle électriques ou câbles d'énergie utilisés pour transmettre des courants. De tels câbles sont utilisés dans différents domaines de l'industrie, tels que par exemple l'industrie automobile, où ils sont assemblés en faisceaux pour l'alimentation électrique de différents équipements. Ces câbles doivent ainsi notamment être les plus légers possibles, et présenter un faible encombrement tout en conservant une bonne résistance mécanique. De tels câbles sont classiquement formés par une pluralité de brins de cuivre, généralement torsadés pour former un toron, de façon à augmenter la flexibilité du câble, et entourés par une gaine isolante, obtenue par exemple par extrusion. Toutefois, on s'est aperçu que les câbles électriques de l'art antérieur utilisent une quantité de cuivre surdimensionnée par rapport aux besoins réels correspondant à la quantité de courant à transmettre par le câble. Plus précisément, près de la moitié du cuivre dans la structure de ces câbles est utilisée pour augmenter la résistance à la rupture du câble, mais que cette quantité est surdimensionnée pour les fonctions électriques nécessaires. Or, le cuivre coûte de plus en plus cher et il est important de trouver des nouvelles structures de câbles qui réduisent le plus possible la quantité de cuivre utilisé. Il est connu du document US 6 674 011 un câble électrique comportant un ensemble de 7 brins torsadés formant un toron, les 7 brins étant en alliage de cuivre/étain. Toutefois, même si ce toron présente des propriétés mécaniques et électriques satisfaisantes, la taille et le poids du toron ne sont pas optimisés de façon significative. The present invention relates to a composite electrical cable comprising strands of copper and copper / tin alloy. It typically, but not exclusively, applies to electrical control cables or power cables used to transmit currents. Such cables are used in various fields of the industry, such as for example the automotive industry, where they are assembled into bundles for the power supply of various equipment. These cables must thus be the lightest possible, and have a small footprint while maintaining good mechanical strength. Such cables are conventionally formed by a plurality of copper strands, generally twisted to form a strand, so as to increase the flexibility of the cable, and surrounded by an insulating sheath, obtained for example by extrusion. However, it has been found that the electrical cables of the prior art use an amount of copper oversized compared to the actual needs corresponding to the amount of current to be transmitted by the cable. More precisely, almost half of the copper in the structure of these cables is used to increase the breaking strength of the cable, but this quantity is oversized for the necessary electrical functions. Copper costs more and more and it is important to find new cable structures that minimize the amount of copper used. It is known from US 6 674 011 an electrical cable comprising a set of 7 twisted strands forming a strand, the 7 strands being made of copper / tin alloy. However, even if this strand has satisfactory mechanical and electrical properties, the size and weight of the strand are not significantly optimized.

Le but de la présente invention est de proposer une nouvelle structure composite de câble électrique présentant un faible encombrement, un faible poids ainsi que de très bonnes propriétés électriques et mécaniques. Ainsi, la présente invention a pour objet un câble électrique comportant une pluralité de brins de cuivre et d'alliage de cuivre/étain s'étendant dans la direction longitudinale du câble, lesdits brins étant torsadés pour former un toron, caractérisé en ce que le toron est formé de x brins de cuivre et dey brins d'alliage cuivre/étain avec x > 1, y > 1, et x + y > 7, de préférence x + y = 7, et plus préférentiellement 2 x 4, et 3 y 5, x et y étant des entiers, caractérisé en ce que la section (transversale) des brins de cuivre et d'alliage de cuivre/étain ainsi que le pourcentage (en poids) d'étain dudit alliage sont définis par les trois équations suivantes : The object of the present invention is to provide a new composite electrical cable structure having a small footprint, a low weight and very good electrical and mechanical properties. Thus, the present invention relates to an electrical cable comprising a plurality of strands of copper and copper / tin alloy extending in the longitudinal direction of the cable, said strands being twisted to form a strand, characterized in that the strand is formed of x strands of copper and strands of copper / tin alloy with x> 1, y> 1, and x + y> 7, preferably x + y = 7, and more preferably 2 x 4, and 3 y 5, x and y being integers, characterized in that the (cross) section of the copper and copper / tin alloy strands and the percentage (by weight) of tin of said alloy are defined by the three equations following:

578 x (10 x %Sn)°'2 x SAlliage + 150 x Scu > 80 N (équation 1) 15 SCu + SAlliage <_ 0,3 mm2 pCu [SAliaage x [-0,15 x Ln(%Sn x 50) + 1,2] + SC~ ] 20 dans lesquelles Scu est la somme totale des sections (transversales) des brins de cuivre en mm2, SAlliage est la somme totale des sections (transversales) des brins d'alliage de cuivre/étain en mm2, %Sn est la moyenne des pourcentages (en poids) d'étain des brins d'alliage de cuivre/étain, et pCu est la résistivité électrique du cuivre en pOhm/cm (pCu = 1,724 pOhm/cm). 25 Avantageusement, le câble selon la présente invention présente une résistance à la rupture d'au moins 80 N et une résistivité linéique d'au plus 125 Ohm/km, permettant ainsi de satisfaire aux conditions classiques de montage et d'utilisation des câbles de contrôle électriques. De préférence, on choisit les différents brins de façon à ce que la section 30 de chaque brin de cuivre et/ou de chaque brin d'alliage de cuivre/étain composant le toron est(sont) sensiblement identique(s). (équation 2) x10 125 Ohm/km (équation 3) Avantageusement, les brins sont agencés dans le toron de façon à être en contact les uns avec les autres sur toute leur longueur. Typiquement, l'alliage de cuivre/étain est constitué de cuivre, d'étain, éventuellement d'oxygène, et d'impuretés inévitables. 578 x (10 x% Sn) ° '2 x Alloy + 150 x Scu> 80 N (equation 1) 15 SCu + Alloy <_ 0.3 mm2 pCu [Liaage x [-0.15 x Ln (% Sn x 50 ) + 1,2] + SC ~] 20 where Scu is the sum total of the (cross) sections of the copper strands in mm2, SAlliage is the sum of the (cross) sections of the copper / tin alloy strands in mm 2,% Sn is the average percent (by weight) tin of the copper / tin alloy strands, and pCu is the copper electrical resistivity in pOhm / cm (pCu = 1.724 pOhm / cm). Advantageously, the cable according to the present invention has a breaking strength of at least 80 N and a linear resistivity of at most 125 Ohm / km, thus making it possible to satisfy the conventional conditions of mounting and use of the cables of electrical control. Preferably, the different strands are chosen so that the section 30 of each strand of copper and / or each strand of copper / tin alloy constituting the strand is (are) substantially identical (s). (equation 2) x10 125 Ohm / km (Equation 3) Advantageously, the strands are arranged in the strand so as to be in contact with each other over their entire length. Typically, the copper / tin alloy is made of copper, tin, possibly oxygen, and unavoidable impurities.

Selon une variante et afin de ne pas pénaliser la conductivité électrique, l'alliage de cuivre/étain comprend au plus 0,60 % en poids d'étain, de préférence au plus 0,30 % en poids d'étain, et plus préférentiellement au plus 0,20 % en poids d'étain. A titre d'exemple préféré, l'alliage de cuivre/étain comprend : - une teneur en étain d'au moins 1500 ppm et d'au plus 2500 ppm, de préférence d'au moins 1700 et d'au plus 2200, - une teneur en oxygène d'au plus 400 ppm, de préférence de 100 à 300 ppm, - une teneur en impuretés inévitables d'au plus 100 ppm, de préférence d'au plus 65 ppm, et - le reste de la teneur dudit alliage étant du cuivre. Si l'on considère un alliage à base de CuOF, pour Cuivre « Oxygen Free », l'alliage de cuivre/étain comprend : - une teneur en étain d'au moins 700 ppm et d'au plus 1200 ppm, de préférence de 800 à 1000 ppm, - une teneur en oxygène d'au plus 50 ppm, de préférence d'au plus 5 ppm, - une teneur en impuretés inévitables d'au plus 100 ppm, et - le reste de la teneur dudit alliage étant du cuivre. La limite inférieure de la teneur en étain de ces alliages permet de garantir une tenue mécanique suffisante. According to a variant and in order not to penalize the electrical conductivity, the copper / tin alloy comprises at most 0.60% by weight of tin, preferably at most 0.30% by weight of tin, and more preferably not more than 0.20% by weight of tin. By way of preferred example, the copper / tin alloy comprises: a tin content of at least 1500 ppm and at most 2500 ppm, preferably at least 1700 and at most 2200; an oxygen content of at most 400 ppm, preferably from 100 to 300 ppm, an unavoidable impurity content of not more than 100 ppm, preferably not more than 65 ppm, and the remainder of the content of said alloy being copper. In the case of a CuOF-based alloy for "Oxygen Free" copper, the copper / tin alloy comprises: - a tin content of at least 700 ppm and at most 1200 ppm, preferably 800 to 1000 ppm, an oxygen content of not more than 50 ppm, preferably not more than 5 ppm, an unavoidable impurity content of not more than 100 ppm, and the remainder of the content of said alloy being copper. The lower limit of the tin content of these alloys ensures sufficient mechanical strength.

L'abréviation « ppm » dans la présente description signifie « parties par million massiques». En d'autres termes, la quantité (ou la teneur) en ppm d'un élément est exprimée par rapport au poids total de l'alliage. Le câble selon l'invention comprend de préférence un toron avec une section (transversale) d'au plus 0,2 mm2. The abbreviation "ppm" in the present description means "parts per million by weight". In other words, the amount (or content) in ppm of an element is expressed relative to the total weight of the alloy. The cable according to the invention preferably comprises a strand with a (cross) section of at most 0.2 mm 2.

En outre, le câble peut comporter une gaine isolante entourant le toron le long du câble. In addition, the cable may comprise an insulating sheath surrounding the strand along the cable.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence à la figure unique annotée, lesdits exemples et figure étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif. Other features and advantages of the present invention will appear in the light of the examples which follow with reference to the single annotated figure, said examples and figure being given for illustrative and not limiting.

La figure 1 représente de manière schématique une structure, en coupe transversale, d'un câble électrique conforme à la présente invention. En remarque préliminaire, il convient de noter que seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique, et ceci sans respect de l'échelle. Figure 1 schematically shows a structure, in cross section, of an electric cable according to the present invention. As a preliminary remark, it should be noted that only the essential elements for understanding the invention have been represented schematically, and this without respect of the scale.

Conformément à la figure 1, un câble électrique 1 dit de contrôle selon un mode de réalisation particulier conforme à l'invention comprend 7 brins de section sensiblement identique. A titre d'exemple, ces 7 brins sont répartis entre 3 brins de cuivre 10 et 4 brins d'alliage de cuivre/étain 20. Ces 7 brins sont entourés en outre par une gaine isolante 30 de section externe circulaire. According to FIG. 1, an electric control cable 1, called a control cable according to a particular embodiment according to the invention, comprises 7 strands of substantially identical cross-section. By way of example, these 7 strands are distributed between 3 copper strands 10 and 4 strands of copper / tin alloy 20. These 7 strands are further surrounded by an insulating sheath 30 of circular outer section.

Pour donner un ordre d'idée, le diamètre du câble comprenant le toron de 7 brins ensemble avec la gaine isolante est typiquement de l'ordre de 1,6 mm et les brins de cuivre et d'alliage de cuivre/étain présentent chacun un diamètre de 0,173 mm. Généralement, le diamètre des brins qui composent le toron est de 0,10 à 0,30 mm, et de préférence d'au plus 0,20 mm. To give an idea, the diameter of the cable comprising the strand of 7 strands together with the insulating sheath is typically of the order of 1.6 mm and the strands of copper and copper alloy / tin each have a diameter of 0.173 mm. Generally, the diameter of the strands forming the strand is 0.10 to 0.30 mm, and preferably at most 0.20 mm.

Typiquement, le nombre de brins, la section des brins, ainsi que la teneur en étain de l'alliage cuivre/étain sont choisis de façon à permettre d'une part, l'obtention d'une résistance à la rupture supérieure à 80 N, et d'autre part, l'obtention d'une résistance linéique inférieure ou égale à 125Ohm/km conformément à la présente invention. Typically, the number of strands, the section of the strands, as well as the tin content of the copper / tin alloy are chosen so as to allow on the one hand, obtaining a tensile strength greater than 80 N and on the other hand, obtaining a linear resistance less than or equal to 125 Ohm / km according to the present invention.

Exemples comparatifs Comparative examples

Afin de montrer les avantages du câble électrique selon la présente invention, on compare les propriétés mécaniques et électriques de torons selon 30 l'invention (Essai 11) et selon l'art antérieur (Essais Cl à C3). In order to show the advantages of the electric cable according to the present invention, the mechanical and electrical properties of strands according to the invention (Test 11) and according to the prior art (Tests C1 to C3) are compared.

Propriété mécanique : la résistance à la rupture (tenue mécanique) Mechanical property: resistance to fracture (mechanical strength)

La résistance à la rupture est évaluée selon la norme NFEN1002-1 à l'aide d'un dynamomètre dont la vitesse de déplacement de la mâchoire 5 inférieure est de 100 ± 10 mm/min. Le mode opératoire consiste à : prélever 5 éprouvettes de fil conducteur électrique de 200 mm de longueur, placer les mâchoires du dynamomètre à 100 mm l'une de l'autre, placer le haut de l'éprouvette et sa partie inférieure respectivement dans la mâchoire supérieure et inférieure du dynamomètre, et effectuer l'essai de traction jusqu'à la rupture de l'éprouvette. The breaking strength is evaluated according to the NFEN1002-1 standard using a dynamometer whose lower jaw movement speed is 100 ± 10 mm / min. The procedure consists of: taking 5 test pieces of 200 mm long electrical conductor wire, placing the jaws of the dynamometer at 100 mm from each other, placing the top of the test piece and its lower part respectively in the jaw top and bottom of the dynamometer, and carry out the tensile test until the test piece breaks.

Propriété électrique : la résistivité linéique La résistivité linéique est évaluée selon la norme CEI 60468 :1974. La structure de chaque toron ainsi que lesdites propriétés sont détaillées dans le tableau 1 ci-après. Essais Cl C2 C3 I1 Nombre de brins de 7 6 0 3 cuivre Nombre de brins 0 1 0 0 d'acier Nombre de brins 0 0 7 4 d'alliage de cuivre/étain % (en poids) d'étain / / 0,33 0,33 de l'alliage de cuivre/étain Diamètre nominal de 0,252 0,220 0,180 0,173 chaque brin (mm) Section du toron 0, 349 0, 266 0,178 0,165 formé par les brins torsadés (mm2) Résistance à la 80 80 131 93 rupture (N) Résistivité linéique 50 72 124 124 maximale (Ohm / km) Gain de section par -96% -50 % 0 % 7,3 % rapport à l'essai C3 (c) Tableau 1 Electrical property: the linear resistivity The linear resistivity is evaluated according to the standard IEC 60468: 1974. The structure of each strand and said properties are detailed in Table 1 below. Tests Cl C2 C3 I1 Number of strands of 7 6 0 3 copper Number of strands 0 1 0 0 of steel Number of strands 0 0 7 4 of copper / tin alloy% (by weight) of tin / / 0, 33 0.33 of the copper / tin alloy Nominal diameter 0.252 0.220 0.180 0.173 each strand (mm) Strand cross-section 0, 349 0, 266 0.178 0.165 formed by twisted strands (mm2) Resistance to 80 80 131 93 rupture (N) Linear resistivity 50 72 124 124 maximum (Ohm / km) Section gain by -96% -50% 0% 7.3% compared to C3 test (c) Table 1

Dans les exemples mentionnés dans le tableau 1, les sections de chaque brin d'alliage de cuivre/étain et de cuivre sont identiques. In the examples mentioned in Table 1, the sections of each strand of copper / tin alloy and copper are identical.

Les brins d'alliage de cuivre/étain utilisés sont dans un état métallographique dit dur, ou en d'autres termes lesdits brins ne subissent pas une étape de recuisson. Ainsi, les brins d'alliage de cuivre/étain présentent un coût de fabrication peu élevé puisque l'étape de recuisson n'est pas nécessaire. Par contre, les brins de cuivre subissent ladite étape de recuisson. The copper / tin alloy strands used are in a hard metallographic state, or in other words said strands do not undergo a annealing step. Thus, the copper / tin alloy strands have a low manufacturing cost since the annealing step is not necessary. On the other hand, the copper strands undergo said annealing step.

Dans d'autres modes de réalisation, les sections de chaque brin d'alliage de cuivre/étain et de chaque brin de cuivre peuvent être différentes. Grâce à l'invention, le câble obtenu selon l'invention est peu coûteux du fait de la diminution de la quantité de cuivre utilisée, et il présente en outre de très bonnes propriétés électriques et mécaniques. In other embodiments, the sections of each strand of copper / tin alloy and each strand of copper may be different. Thanks to the invention, the cable obtained according to the invention is inexpensive because of the reduction in the amount of copper used, and it also has very good electrical and mechanical properties.

Claims

REVENDICATIONS1. An electric cable (1) comprising a plurality of copper (10) and copper-tin alloy (20) strands extending in the longitudinal direction of the cable, said strands being twisted to form a strand, said strand being formed of x copper strands (10) and copper / tin alloy strands (20) with x> 1, y> 1 and x + y> 7, characterized in that the section of the copper and alloy strands of Copper / tin and the percentage of tin of said alloy are defined by the following three equations: where Scu is the sum total of the sections of the copper strands (10) in mm 2, SAUiage is the sum total of the sections of the strands of the strands. Copper / tin alloy (20) in mm 2,% Sn is the average of the tin percentages of the copper / tin alloy strands, and pCu is the electrical resistivity of the copper in pOhm / cm. 25

2. Cable according to claim 1, characterized in that the strand is formed of x strands of copper (10) and strands of copper / tin alloy (20) with x + y = 7.

3. Cable according to claim 1 or 2, characterized in that the strand is formed of x strands of copper (10) and strands of copper / tin alloy (20) with 2x4, and 3y5.

4. Cable according to any one of the preceding claims, characterized in that the copper / tin alloy comprises at most 0.60% by weight of tin. 578 x (10 x% Sn) ° 2 x SA iage + 150 x Scu> 80 N (equation 1) SCu + SA iage 0.3 mm2 (equation 2) pCu X10 125 Ohm / km (equation 3) [ SAn, age x [-0.15 x Ln (% Sn x 50) + 1.2] + SC ~]

5. Cable according to any one of the preceding claims, characterized in that the section of each copper strand (10) is substantially identical.

6. Cable according to any one of the preceding claims, characterized in that the section of each strand of copper / tin alloy (20) is substantially identical.

7. Cable according to any one of the preceding claims, characterized in that the section of said strand is at most 0.2 mm2.

8. Cable according to any one of the preceding claims, characterized in that it further comprises an insulating sheath (30) surrounding the strand along the cable.