ブスバーの穴配置と、DIN 43673-1 が実際に規定していること

DIN 43673 を検索すると、1 ページ目の結果はどれも文書を販売しようとします。中身を説明するものはありません。 この規格は 1982 年 2 月発行、ドイツ語 4 ページで、その番号は客先図面に絶えず現れます。たいていは寸法を 伴わない、番号だけの引用としてです。

この規格が対象としているもの

DIN 43673-1

、Stromschienen-Bohrungen und -Verschraubungen; Stromschienen mit Rechteck-Querschnitt、英訳版では「長方形断面ブスバーの穴あけとねじ接続」として発行されています。本文 4 ページ。穴の位置と寸法を規定し、ねじ接続の設計と構成に必要な基礎データを示します。適用範囲は直流および 60 Hz までの交流です。

その適用範囲は他の 2 つの DIN 文書に結び付いています。この規格は、DIN 43670（アルミニウム、1975-12、 10 ページ）と DIN 43671（銅、1975-12、9 ページ）で連続電流定格が与えられている長方形断面のバーに適用され ます。役割はきれいに分かれています。DIN 43671 はある断面のバーが何アンペア流せるかを示し、DIN 43673-1 は そこにどこへ穴を開けるかを示します。両方とも DIN Media の一覧では現行として扱われており、この年代の文書 としては珍しいことです。

適用範囲の文言から 2 つのことが導かれます。ひとつは、この規格が穴あけだけでなく 接続 についてのもので あることです。「ねじ接続の設計のための基礎データ」という半分が、忘れられがちな部分です。もうひとつは、 60 Hz という上限が実質的な意味を持つことです。それを超えると、接続部での表皮効果と近接効果が穴のまわりで 電流を再配分し、その配置がもはや適切なものでなくなる程度に影響します。

DIN 46433 はブスバーの穴の規格ではない

この訂正に独立した見出しを立てるのは、誤引用があまりに広く行き渡っているためです。入札図書にも、そして 何年も写し継がれる供給業者の図面にも現れます。

DIN 46433

の表題は Flachdrähte und Flachstangen, gezogen, mit gerundeten Kanten — Maße、 すなわち「引抜きによる角に R の付いた平線および平棒 — 寸法」です。8 ページ。引抜きの長方形線材および棒材の 寸法 規格であり、幅、板厚、エッジ R、公差を扱います。穴の位置、穴径、ボルト接続については何も述べて いません。しかもこの規格は 廃止済み であり、DIN EN 13601 に置き換えられています。

受け取った図面に「穴は DIN 46433 による」と書かれていたら、その図面は誤っています。書いた人が意図した 引用は、穴配置については DIN 43673-1、電流定格については DIN 43671 です。材料仕様を指そうとしていたので あれば、それは EN 13601、すなわち DIN 46433 を置き換えたその文書です。金属に 手を付ける前に指摘してください。ひとつの規格を誤引用している図面は、質別も誤って記載していることが通例 だからです。

穴配置とアセンブリの検証が交わるところ

穴配置は加工上の細目のように見えます。そうではありません。そこにできる接続部は、完成した盤が検証を受ける アセンブリ規格の適用範囲の中にあるからです。

IEC 61439-1 はこの点を明示しています。温度上昇試験について、箇条 10.10.2.3.3 は「主回路内の導体の接続部および端子に特に注意を払うこと」を求めています。接続部は名指しの 測定点です。箇条 10.10.2.3.7 a) は、主母線を単独で試験する場合、試験長さを 2 m 以上とし、バーが延長可能な ものである場合には接続部を 1 か所含めることを求めており、短絡に関する箇条 10.11.5.3.3 は同じ条件で その長さを (2 ± 0,4) m と定めています。

そして合格判定基準です。短絡試験の後、箇条 10.11.5.5 は「導体の接続に用いた部品に緩みがあってはならない」と 規定しています。熱的には耐えても電磁力で緩む接続部はアセンブリを不合格にし、それを決めるのが端部距離と ボルトの選定です。

端部距離

規格は、バーの端面に対する穴中心の位置を定めています。ここでは独立した 2 つの事柄が釣り合わされています。

機械的には、穴とバー端面との間に残る部分が、事故時にボルトからの支圧荷重を受け持ちます。ピーク耐電流は 隣り合うバーを引き離し、あるいは引き寄せ、その力は最終的にボルト群を通して反力を受けます。端部の材料が 少なすぎるとこの部分が降伏し、穴は伸び、軸力は落ち、接続部は緩みます。まともな板厚の銅で引き裂きに至ること はまれです。実際の不具合は、じわじわとした穴の伸びと、それに続く接触圧力の喪失です。温度分布の調査で 見つかるまで表に出てこないぶん、こちらのほうが厄介です。

電気的には、この部分は首になります。電流は穴を迂回しなければならないため、穴と端面の間の材料はバーの他の 部分より高い電流密度を担います。穴を端面に近づけすぎれば、接続部の中で最も応力の高い部分に局所的な高温点を 作り込むことになります。

製造上の制約が 3 つ目です。ドリルではなく打抜きで開ける場合、ダイは反力を取るための材料をまわりに必要と します。硬質材の銅で端部距離が足りないまま打ち抜けば、端面が外へ膨らみ、残った部分は加工硬化し、バーは 相手材に平らに当たらなくなります。規定値ではなく現場の慣行として、穴の縁からバー端面までのすきま距離を 少なくともバーの板厚と同じに、硬質材ではその 1.5 倍に保ってください。同じ制約の金型側については ブスバーの打抜き のページで扱っています。

穴ピッチと、穴まわりの電流集中

Copper Development Association の Copper for Busbars（Publication 22）は、穴が接続部に何をもたらすかに ついて、公表されている中では最も明快な扱いをしています。接続部の抵抗は 2 つの部分から成ります。電流が 重ね合わせ部を迂回しなければならないことによる流線抵抗（拡がり抵抗）と、界面そのものにおける接触抵抗です。 ボルト穴は前者を悪化させます。CDA が示す推定式は、穴径と、バーの幅 方向 に数えた穴の数 n に依存します。

この 1 つの変数が、加工側で議論になる問題に決着を付けます。穴は接続部の長さ方向に一列に配置すべきです。 幅方向にずらして千鳥にすると抵抗は増えます。幅方向に穴が 1 つ増えるたびに、同じ電流経路に障害物が 1 つ 増えるからです。幅 60 mm のバーに一列に並べた 2 つの穴は、斜めにずらして配置した 2 つの穴より良い接続部 です。後者のほうが締付け荷重を均等に分散しているように見えたとしてもです。

重ね合わせ長さも同じ効果に支配されます。流線抵抗による損は、重ね合わせ長さと板厚の比が 2 程度に上がる までは急峻に下がり、その後は比が 10 に達するまでゆっくりとしか改善しません。それを超えれば得るものはあり ません。CDA の結論は、重ね合わせ部は必要な接触圧力に達するだけのボルトを収めるのに足る長さがあればよい、 というものです。長い重ね合わせは銅を無駄にし、導電性を買うことなく質量を増やします。

同じ出典から、実施は容易でありながらほとんど使われていない工夫が 2 つあります。重ね合わせ部で両方のバーに 長手方向のスリットを入れると、接続部の各脚における接触圧力が均される結果、接触抵抗が 30–40 % 下がります。 バー端部を 45° より小さい角度で斜めに切ると、初期の接続部抵抗がおよそ 15 % 下がり、負荷サイクル下で 接続部抵抗が上昇していく速さも 1.3–1.5 倍だけ緩やかになります。

穴径

穴径は、ボルトに対するすきまと、公差の積み上げおよび取り除いてしまう接触面積との間の取引です。

すきまは想像よりも大きく取られます。CDA が長く示してきた指針は、M10 のボルトに 11.5 mm の穴、M12 に 14 mm、幅の広いバーでは 15 mm まで大きくするというものです。1.5–3 mm の遊びがあり、これは意図的です。 別の日に、場合によっては別の機械で製作された 2 本のバーについて、5 本または 6 本のボルト配置にわたって 積み上がるピッチ誤差を吸収するためです。すきまを詰めれば、組み上がらない接続部を手に入れることになります。

その代償が接触面積です。穴はひとつごとに重ね合わせ部から銅を取り除き、しかも締付け圧力が最も高い領域から 取り除きます。幅 100 mm のバーに開けた 14 mm の穴は、その位置で幅の 14 % を断面から取り去ります。余裕の 乏しい接続部への答えが、大きなボルトを少数ではなく中程度のボルトを多数にすべき理由がこれです。ボルトの 本数は圧力の均一さを買い、ボルトの径は断面の損失を買います。

穴径は金型とも関わります。板厚より小さい穴を銅で打ち抜くのは金型に厳しく、穴の品質も落ちます。板厚 5–12 mm のバーに M10 以上であればめったに問題になりませんが、小さな取付穴を持つ薄い制御用バーでは問題に なります。打抜き力計算ツール を使えば、その穴配置を確定する前に、 ある穴径が加圧力の面でいくらかかるかを確認できます。

ボルトの寸法、締付けトルク、座金の構成

CDA の Table 22 は何十年も実務上の参照であり続けています。おおよその内容は次のとおりです。幅 25–30 mm の バーには M8 を 2 本、17 N·m。40 mm には M10 を 2 本、28 N·m。50–80 mm では M12、45 N·m に移り、50 mm で 2 本、80 mm で 4 本。100 mm と 120 mm のバーには M12 を 5 本。160 mm と 200 mm のバーには M16 を 6–8 本、 91 N·m。実際に使われている寸法は M6 から M20 で、4 本または 6 本が一般的です。

トルクは代用指標であり、しかも精度の低いものです。接触圧力は現場では測れないため、T = K·F·D によって推定 します。ここで K がナットファクタです。CDA は K を、乾燥状態で 0.20–0.22、接触補助剤を用いた場合で 0.19–0.21、二硫化モリブデンの境界潤滑剤を用いた場合で 0.15–0.16 としています。これは次のように読んで ください。同じレンチの設定でも、潤滑したねじでは乾燥したねじよりおよそ 30 % 大きい軸力が生じます。トルク 値を表から取ってきて、組立指示書にはねじにグリースを塗れと書いてあるなら、その 2 つは組み合わせて使うべき ものではありません。

目標としているのは重ね合わせ部全体の接触圧力です。CDA の数値では、おおよそ 7 N/mm² を下回るのは推奨されず、 10 N/mm² を超えることが望ましく、およそ 30 N/mm² を超えると得られるものはほとんどありません。見かけの 重ね合わせ面積のうち実際に導通しているのは 1 % 程度で、荷重は離散した突起同士の接触を通って伝わります。 表面の状態がボルトの本数と同じだけ効いてくる理由も、組立時にバーが平らで研磨したてであるべき理由もそこに あります。

座金の構成は実際に仕事をしています。大径で厚い座金はボルトの荷重を穴から遠ざけて分散させ、有効な圧力の 及ぶ領域を広げます。CDA は M10 に厚さ 2.2 mm の 24 mm 座金、M12 に厚さ 2.7 mm の 28 mm 座金を組み合わせて います。高張力の鋼ボルトを使う場合は、熱膨張差が問題になります。鋼の線膨張係数はおよそ 11.1 × 10⁻⁶/°C で、銅の 16.5 × 10⁻⁶/°C に対して小さいため、接続部が温まるとボルトの張力は上がり、CDA が上限としている 耐力の 95 % を超えることがあります。皿ばね座金はその増加を吸収します。線膨張係数 16.2 × 10⁻⁶/°C の アルミニウム青銅 CW307G のボルトは、銅にほぼ一致することでこれを回避します。

直感に反する点をひとつ。CDA は、環境上の必要がない限り、銅どうしの接続面へのめっきを推奨していません。 軟らかいめっきは高温で流動し、せっかく確立した接触圧力を緩めてしまうためです。

図面に「DIN 43673 による」としか書かれていない場合

これはよくある場面で、技術的な問題である前に商務上の問題です。

その穴配置がどのバーに属するのかを確認してください。この規格は、穴の位置と寸法を DIN 43670 および DIN 43671 で定格が与えられている長方形断面に対応づけています。指定された幅と板厚がそれらの断面のいずれ でもなければ、その引用は解決せず、客先が寸法を示さなければなりません。

穴配置のことなのか、接続部のことなのかを確認してください。DIN 43673-1 を引用する図面の多くは、既設の 開閉装置との互換性のために標準のボルト配置だけを求めています。ねじ接続のデータまで求めているものもあり、 その場合はボルトの強度区分、座金の構成、締付けトルクが供給範囲に入ってきます。これらは別の見積です。

現物の基準をひとつ入手してください。サンプルのバー、寸法を書き込んだスケッチ、あるいは相手機器の写真は、 1 週間の文書のやり取りより 5 分で多くの曖昧さを解消します。図面に何と書いてあろうと、実際の仕様は客先自身の 開閉装置側のインタフェース穴です。

自社の解釈を返却する図面に書き込み、承認をもらってください。製作しようとしている穴径、穴ピッチ、端部距離を 明記します。客先が規格を持っていて自社が持っていないなら、客先は 1 分で原典と照合できます。

その穴配置が繰り返し出てくるのであれば、4 ページを買ってください。文書の価格は、200 mm バーを 1 ロット 廃却するより安く済みます。再販の取りまとめ業者ではなく、DIN Media か自国の規格協会から購入してください。

穴配置を機械に載せる

解決してしまえば、穴配置は金型の問題になります。複数のバー幅にわたる DIN の穴配置が繰り返し出てくると いうことは、穴径が複数あるということであり、制約になるのはそのうち何本を同時にタレットへ載せられるかです。 EMAC-BP-60 のような打抜き・切断ライン は、 固定の金型構成であればよく対応します。品種の幅が広い場合は、金型ステーションを 24（36 まで拡張可能） 備える IMAC-CENTER 60 のような加工センタ が 段取りを問題から外し、位置決め精度 ±0.05 mm を保持します。これが、ピッチ誤差の積み上げを見込んだすきまの 内側に収めるものです。

同じ仕事の定格側は DIN 43671 の担当で、その表は周囲温度 35 °C、ブスバー温度 65 °C を基準とし、他の条件については補正係数が付いています。それらの補正を適用せずに定格を決めたために 熱的な余裕が乏しくなっている接続部は、良い穴配置では救えません。当社の 許容電流計算ツール は補正を隠さずに適用します。表面の処理については、 ここで割ける紙幅を超えて ボルト接続部の記事 で扱っています。