Infolge der rapide zunehmenden Vernetzung aller Produktionsanlagen im Zuge der 4. industriellen Revolution steigen die Anforderungen an Steckverbinder für die Fabrik von morgen. Neben einer zuverlässigen sicheren Kontaktierung unter erschwerten Bedingungen (Bauraum, Vibration, Schmutz, Temperaturbelastung, Dichtheit) nehmen die Anforderungen an Energieeffizienz, Leistungsaufnahme, Miniaturisierung und elektromagnetischer Verträglichkeit deutlich zu.
Die Anforderungen an M12-Power-Rundsteckverbinder sind in der IEC 61076-2-111/Ed 1 CD vollständig beschrieben. Nennstrom, maximale Umgebungstemperatur sowie die maximalen Außendurchmesser von umspritzten und frei konfektionierbaren Varianten sind hier neben anderen Größen definiert. Doch die Industrie ist damit nicht zufrieden. Sie fordert für alle vier Power-Steckverbindervarianten S, L, K, T einen Strom von 16 A bei geringeren Durchmessern, und das ganze noch in einem größeren Temperaturbereich.
Für Lumberg Automation war dies eine Herausforderung, die zur Entwicklung der M12-Power-Steckverbinderfamilie führte. Die zum Teil divergierenden Anforderungen an Stromtragfähigkeit, Umformverhalten, Temperaturbereich, Alterung, Steckzyklen, Kontaktübergangswiderstand und Medienbeständigkeiten konnten aber mit Hilfe von zahlreichen Simulationen und Labortests gelöst werden.
Neues Kontaktmaterial
Die verfügbaren M12-Sensor-Steckverbinder mit den diversen Kodierungen und Polzahlen sind bis zu 4 A spezifiziert und üblicherweise für einen Anschlussquerschnitt von 0,14 bis 0,5 mm2 ausgelegt. Ziel der Entwicklung von Lumberg Automation waren M12-Steckverbinder, die bei gleichem Bauraum einen Nennstrom von 16 A bei einem Aderquerschnitt von 1,5 mm2 übertragen können. Die Ansprüche an das Kontaktmaterial nach einer hohen elektrischen Leitfähigkeit stehen im Widerspruch zu den geforderten mechanischen Materialkennwerten. Das Spannungsfeld zwischen einer hohen Kontaktsteifigkeit und einer guten Umformbarkeit wurde mit der Finiten-Elemente-Methode (FEM) gelöst. Mit FEM konnte das passende Kontaktmaterial und Kontaktdesign erarbeitet und über Muster im Labor validiert werden.
Die Strombelastbarkeit wird durch die thermischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien für die Kontakte und Kunststoffteile bestimmt. Die Betriebstemperatur ergibt sich aus der Eigenerwärmung und der Umgebungstemperatur bei der die Steckverbinder eingesetzt werden können. Der vom Hersteller spezifizierte Bemessungsstrom von 16 A, vorzugsweise nach DIN EN 61984, Kap. 3.27, bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C definiert, ist der Strom, den der Steckverbinder dauerhaft führen kann, wenn er gleichzeitig durch alle Kontakte fließt. Über die Deratingkurve kann der Anwender sehr schnell Rückschlüsse auf die Strombelastbarkeit des Steckverbindersystems durchführen.
Eine weitere wichtige Kenngröße des Kontaktsystems sind die Anzahl der Steckzyklen, die in Abhängigkeit des Leistungsniveaus für das Kontaktsystem mit 100, 50 oder 20 Steckzyklen spezifiziert sind. Dazu kommt die Güte der Spannungsrelaxation der Federlamellen.
Hohe Anforderungen
Eine sichere Kontaktierung des Steckverbinderkontaktes ist gegeben, wenn die Kontaktnormalkraft über die gesamte Lebensdauer den zum Durchdringen der Fremdschichten erforderlichen Mindestwert nicht unterschreitet. In Kontaktwerkstoffen ist generell eine Spannungsrelaxation zu beobachten. Ein unter Spannung stehender elektrischer Kontakt unterliegt bei erhöhten Temperaturen einer thermischen Alterung, wodurch dieser einen Teil seiner Kontaktkraft verliert.
Durch den Einsatz einer neuen Kupferlegierung konnte die im Standard geforderte obere Grenztemperatur von +85 auf +125 °C angehoben werden. Damit wird eine zuverlässige Kontaktierung und der Einsatz der neuen M12-Power-Steckverbinder unter extremen Bedingungen ermöglicht. Durch das robuste Kontaktdesign wird zudem eine zuverlässige Kontaktierung über die gesamte Lebensdauer der Steckverbindung sicher gestellt.
Zur Sicherstellung eines niedrigen Kontaktübergangswiderstandes, einer hohen Leitfähigkeit und eines guten Korrosionsschutzes über die gesamte Dauer der spezifizierten 100 Steckzyklen wird ein mehrschichtiger Beschichtungsaufbau bei dem Kontaktsystem eingesetzt. Der Anschluss der Litzen an die Steckverbinder erfolgt mittels Crimptechnik. Damit kann eine hochwertige gasdichte Verbindung an den Steckverbinder auch vor Ort mit einer handelsüblichen Crimpzange, schnell hergestellt werden.
Vielfältige Varianten
Standard für die M12-Power-Steckverbinder ist der Litzenquerschnitt mit 1,5 mm2. Um den Spannungsabfall bei größeren Leitungslängen zu minimieren, sind Leitungen mit 2,5 mm2 und die dazugehörigen Komponenten verfügbar. Auf Anfrage sind auch kleinere Querschnitte lieferbar.
Für Anwendungen im Niederspannungsbereich (SELV, PELV) kommen die L- und T-kodierten Varianten zum Einsatz. Für Applikationen mit höheren Spannungen werden die K- und S-Kodierungen benötigt. Für den Anschluss an Servomotoren können die K-kodierten Varianten mit einem Leistungsbereich von 630 V / 16 A eingesetzt werden. Die L-kodierten Steckverbindervarianten erlauben den Einsatz in Sensor-Aktor-Boxen und ermöglichen eine durchgehende standardisierte M12-Verkabelung. Verkabelungen mit Steckverbindern mit größeren Abmessungen, wie 7/8"-Steckverbinder, sind damit nicht mehr erforderlich. Durch den Anschluss von 1,5mm2-Leitungen und der kleinen Baugröße bei den umspritzten Steckverbindervarianten mit einem Durchmesser von nur 16 mm und entsprechender Auswahl der Materialien eignen sich die Steckverbinder auch für den Einsatz in der Gebäudeautomation.
Die vier M12-Power-Steckverbinderfamilien bestehen jeweils aus umspritzten und frei konfektionierbaren Varianten plus einer umfangreichen Einbausteckverbinderfamilie. Sie sind in ungeschirmter und geschirmter Ausführung lieferbar. Bei EMV-kritischen Anwendungen kann das System komplett mit geschirmten Komponenten aufgebaut werden. Neu ist eine Steckhilfe in Form eines Pfeiles auf dem Umspritzkörper bei den umspritzten Power-Steckverbindervarianten beziehungsweise bei den frei konfektionierbaren Modellen auf den Gehäuseteilen. Sie ermöglicht eine schnelle Ausrichtung der Steckerstifte und Steckerdosen und einen einfachen Steckvorgang.
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