TITRE : Harnais électrique de puissance pour aéronef

Domaine technique de l’invention

L’invention concerne le domaine de la transmission de fortes puissances électriques à bord d’un aéronef, notamment dans le cadre de la propulsion électrique ou hybride. Plus précisément, l’invention concerne un harnais électrique pour cette transmission.

Etat de la technique antérieure

La transmission de fortes puissances électriques dans un aéronef nécessite l’emploi de tensions alternatives (AC, pour Alternative Current en anglais) ou modulées (ou MLI, pour Modulation de Largeur d’impulsions) entre les machines tournantes de l’aéronef (moteur et/ou générateur électrique) et les autres systèmes de l’aéronef, comme les convertisseurs de puissance et les nœuds du réseau de distribution.

La transmission de ces fortes tensions, associée aux contraintes typiques de l’aéronautique (basse pression, températures élevées, gradients de température élevés, etc.), nécessitent l’utilisation de câbles de puissance à structure coaxiale, dans lesquels un isolant est radialement intercalé entre deux couches de matériau semi-conducteur (généralement un isolant chargé de particules conductrices).

Dans tout ce qui suit, les termes longitudinal, transverse et radial s’entendent par rapport à la direction d’élongation principale du câble ou du harnais de câble.

La figure 1 est une représentation écorchée d'un tel câble de puissance 1 , comprenant, radialement du centre vers l'extérieur, une âme 2 conductrice, une première couche interne 3 de matériau semi-conducteur, une première couche de matériau isolant 4, une deuxième couche externe 5 de matériau semi-conducteur, une couche de blindage 6 et une gaine 7 de protection mécanique et/ou hermétique.

Au moins trois tels câbles 1 assemblés sous forme de toron, réunis au sein d'un harnais 10 représenté sur la figure 2, sont nécessaires pour transmettre la puissance dans un système triphasé AC ou MLI.

Le harnais 10 comprend en outre un système de connexion à chaque extrémité du harnais, composé d’éléments assurant le contact électrique, l’isolation électrique, la continuité des blindages et la reprise de la gaine de protection mécanique et/ou hermétique, ainsi qu’une protection contre les ondes électromagnétiques, de type gaine ou sur-tressage dans le cas d’un harnais pour tensions MLI, et une protection mécanique et/ou hermétique de la gaine ou du sur-tressage. Cependant, le test de ces câbles assemblés en harnais montre une circulation importante de courant non-désiré dans le blindage, issu d’un couplage électromagnétique, lors de fonctionnement à haute fréquence (par exemple 1500 Hz). En effet, le courant induit dans le blindage est proportionnel à la fréquence, ce qui rend ce paramètre bien plus critique pour les applications hautes fréquences que pour un courant à 50 Hz habituel.

Le problème est que cette circulation de courant dans le blindage entraine des pertes par effet Joule en plus de celles qui sont générées par le courant circulant sur l’âme du câble, qui est le seul courant utile. Ce courant parasite transite également par la connectique, les interfaces électriques et le boîtier de l’équipement reliés au blindage, entraînant également des pertes Joule supplémentaires dans ces zones. Ces zones ne sont par ailleurs pas conçues pour la circulation continue de courant et peuvent être endommagées à long terme.

Présentation de l’invention

L’invention vise à remédier à ces inconvénients. A cet effet, l’invention a pour objet un harnais électrique de puissance pour aéronef, comprenant une pluralité de câbles, chaque câble comprenant, radialement de l’intérieur vers l’extérieur :

- une âme conductrice,

- une première couche de matériau semi-conducteur

- une couche d’isolant, et

- une deuxième couche de matériau semi-conducteur, caractérisé en ce que le harnais comprend de plus un blindage commun disposé en contact électrique avec les deuxièmes couches de matériau semi-conducteur de chaque câble.

Un tel harnais permet de réduire fortement les courants induits circulant dans le blindage grâce à l’addition des courants en opposition de phase induits par chacun des câbles dans le blindage commun, dont la résultante est très faible voire nulle.

Le harnais peut comprendre de plus une unique gaine de protection disposée enserrée radialement autour du blindage commun.

Une telle caractéristique permet à la fois un bon maintien du contact électrique entre le blindage commun et les deuxièmes couches des câbles, ainsi qu’une protection du harnais contre les conditions externes.

Le blindage commun peut être disposé en contact électrique avec la deuxième couche de chaque câble sur une surface de contact sensiblement égale pour chacun des câbles.

Une telle caractéristique permet de réduire encore l’amplitude de la résultante des courants induits par chacun des câbles.

Par sensiblement égale, on entend que des écarts inférieurs ou égaux à 10% de la valeur d’aire de ladite surface de contact sont tolérés. Le blindage commun peut comprendre une couche de blindage unique disposée radialement autour des câbles du harnais.

Une telle caractéristique permet d’avoir un blindage commun aux câbles de manière simple et robuste, sans augmenter fortement la masse du harnais.

Chaque câble peut comprendre une couche de blindage individuelle, les couches de blindages individuelles étant maintenues en contact électrique commun.

Une telle caractéristique permet d’assurer que pour chaque câble, la couche semi-conductrice externe est en contact avec la référence de masse qui est portée par le blindage individuel sur toute sa surface externe.

Le contact électrique commun peut être maintenu par une gaine de protection serrée autour des câbles.

Le contact électrique commun peut également être maintenu par une couche de blindage commune en contact électrique avec chacune des couches de blindage individuelles.

Les câbles peuvent être agencés sensiblement parallèles les uns aux autres, alignés selon une direction perpendiculaire à leur direction d’allongement principale, le blindage commun étant tissé de manière entrecroisée autour de chacun des câbles.

Une telle caractéristique permet d’avoir un harnais aplati pour être disposé dans des passages étroits.

Une résistance électrique du blindage entre deux extrémités du harnais peut être comprise entre 0,1 mQ et 100 mQ, et de préférence entre 1 mQ et 20 mQ, et de manière encore plus préférée entre 3 mQ et 10 mQ.

Une telle caractéristique permet d’assurer une équipotentielle dans le sens de l’allongement du harnais.

La résistance du blindage est par exemple mesurée au moyen d’un ohmmètre connecté au niveau des deux extrémités du harnais. On rappelle qu’un milliohm vaut 10 ^-3 Ohm.

Les couches externes peuvent être réalisées dans un matériau semi-conducteur présentant une résistivité électrique comprise entre 10 Qm et 100 Qm.

Une telle caractéristique permet d’éviter l’apparition de différences de potentiel radiales dans les câbles.

Au niveau d’au moins une extrémité du harnais, chaque câble peut comprendre une couche de blindage individuelle sur un tronçon d’extrémité.

La portion d’extrémité peut présenter une longueur faible, par exemple inférieure à 500 mm. Cette caractéristique permet de restreindre la formation du courant induit résultant du blindage individuel des câbles à ladite portion d’extrémité, et ainsi de minimiser l’impact qui en résulte. Cela rend possible une connexion monovoie pour des câbles de diamètres importants.

Brève description des figures [Fig. 1] La figure 1 est une vue écorchée d’un câble de puissance pour aéronef de l’état de la technique,

[Fig. 2] la figue 2 est une vue en coupe transversale d’un harnais de puissance comprenant trois câbles comme celui de la figure 1 ,

[Fig. 3] la figure 3 est une vue en coupe transversale d’un harnais de puissance selon l’invention,

[Fig. 4] la figure 4 est une vue de dessus d’une extrémité du harnais de la figure 3 permettant une connexion de type monovoie,

[Fig. 5] la figure 5 est une vue en coupe transversale d’un harnais mis à plat selon un deuxième mode de réalisation de l’invention

[Fig. 6] la figure 6 est une vue en coupe transversale d’un harnais selon un troisième mode de réalisation de l’invention, et

[Fig. 7] la figure 7 est une vue en coupe transversale d’un harnais selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.

Description détaillée de l’invention

Un harnais 10 de puissance pour aéronef selon l’invention est représenté sur la figure 3. Le harnais 10 comprend trois câbles 1 1 à structure coaxiale comprenant, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une âme 12 conductrice, une couche interne 13 de matériau semi- conducteur, une couche d’isolant 14 et une couche externe 15 de matériau semi-conducteur. Les câbles 11 ne comprennent donc pas, contrairement à ceux de l’état de la technique précédemment décrit, de couche de blindage et de gaine protection individuelle.

Les trois câbles 1 1 sont assemblés entre eux en un toron torsadé, permettant de garder plus facilement une structure d’ensemble du harnais 10.

Alternativement, les câbles peuvent ne pas être torsadés et s’étendre sensiblement parallèles les uns aux autres.

Une unique couche de blindage 16 commune est disposée autour des trois câbles 1 1 , en contact électrique direct avec les couches externes 15 des trois câbles 1 1 .

Cette couche de blindage 16 commune permet d’assurer les reprises de masse de chacune des couches externes 15 de semi-conducteurs.

La couche de blindage 16 est dimensionnée pour assurer cette reprise de masse et, si besoin, pour assurer la fonction de protection des ondes électromagnétiques, en fonction du nombre de câbles, de leur taille, de l’angle de tressage, du type de blindage et le type de matériau semi-conducteur de la couche externe 15. Un tel agencement avec une couche de blindage commune permet d’additionner les courants induits générés par chacun des câbles du harnais et donne un courant résultant de valeur nulle pour un système AC triphasé équilibré.

Dans le cas d’un système triphasé MLI équilibré, la résultante est le courant haute fréquence qui est lié à la commutation des interrupteurs de puissance et qui est intrinsèque au système MLI. Un tel courant induit résultant a une faible amplitude et a donc un impact fortement réduit par rapport à l’état de la technique.

Sur la Figure 3, on peut constater que les couches externes 15 de semi-conducteurs ne sont pas en contact avec la couche de blindage 16 sur l’ensemble de leur circonférence.

Pour réduire d’éventuelles différences de potentiel radiales dans le harnais 10, il donc est avantageux de choisir un matériau semi-conducteur pour les couches 15 présentant une résistivité électrique faible.

Par exemple, le matériau semi-conducteur composant les couches externes 15 présente une résistivité électrique comprise entre 10 Qm et 100 Qm.

Pour assurer une équipotentielle dans le sens de l’allongement du harnais 10, il est avantageux de choisir pour la couche de blindage 16 une épaisseur de matériau telle que la résistance électrique de la couche de blindage 16 soit comprise entre 0,1 mQ et 100 mQ, et de préférence entre 1 mQ et 20 mQ, et de manière en plus préférée entre 3 mQ et 10 mQ (on rappelle qu’un milliohm mQ est égal à 10 ^-3 Ohm).

Avantageusement, une gaine de protection mécanique 17 commune entoure radialement la couche de blindage 16.

Le type de protection apporté par la gaine 17 dépend des conditions d’emploi du harnais 10 (protection mécanique, hermétique, tenue en température, etc.).

La gaine 17 peut par exemple être une gaine en inox ou en microfilaments d’inox, une gaine tressée en matériau textile ou polymère, une gaine thermo-rétractable, une gaine extradée, une gaine enrubannée, une gaine surmoulée et une combinaison de plusieurs des gaines précitées.

L’arrangement des câbles 1 1 en toron permet, si les câbles 11 sont de faible section, une connexion sur l’équipement 20 de type multivoie.

Pour des câbles 11 de section plus importante que la jauge AWG1 , l’utilisation de connectique monovoie peut être préférée.

Un tel point de connexion du harnais 10 à un équipement 20, de type terminaison en Y, est représenté sur la figure 4.

L’invention peut également être appliquée à des connecteurs de type cosse, de manière similaire.

Dans le cas représenté, chacun des câbles 11 comprend un blindage individuel 16’ sur un tronçon d’extrémité 21 de faible longueur, au voisinage des extrémités 22 du harnais 10. Les pertes générées dans la terminaison en Y par les blindages individuels seront limitées car les tronçons d’extrémités correspondant sont de faible longueur, par exemple inférieure à 50 cm.

Optionnellement, il est possible de réduire encore les pertes dans les blindages individuels en augmentant l’épaisseur radiale dudit blindage individuel sur les tronçons d’extrémité uniquement, pour en réduire sa résistance et donc les pertes par effet Joules.

Il est également possible d’ajouter un drain électrique et thermique connecté à la structure de l’équipement 20 pour éviter le passage de courant par la connectique.

Un mode de réalisation du harnais 10 selon l’invention est représentée sur la figure 5, identique à celui précédemment décrit à l’exception de ce qui suit.

Dans le cas de passages exigus, le harnais 10 peut être mis à plat, sur tout ou partie de sa longueur. Les câbles 1 1 sont alors agencés alignés selon une direction transversale du harnais 10.

La couche de blindage 16 unique commune est alors tissée de manière entrecroisée autour de chacun des câbles 1 1 de manière à présenter une surface de contact sensiblement égale avec chacun des câbles 1 1 du harnais 10. Cela permet de maintenir une symétrie de contact entre la couche de blindage 16 et chacun des câbles 1 1 et ainsi de minimiser l’intensité du courant résultant induit.

Une telle couche de blindage 16 est par exemple réalisés à partir de fils conducteurs tissés et/ou tressés.

Un troisième mode de réalisation du harnais selon l’invention est représenté sur la figure 6. Ce mode de réalisation est identique au premier mode de réalisation, à l’exception de ce qui suit. Chacun des câbles 11 du harnais 10 comprend une couche de blindage individuelle 16’, qui vient s’ajouter à la couche de blindage 16 commune. Ladite couche de blindage 16 commune est de plus disposée en contact électrique avec les couches de blindage individuelles 16’, de façon à assurer une continuité électrique et ainsi de minimiser les courants induits comme décrit plus haut.

Le harnais 10 selon ce troisième mode de réalisation est plus sensible aux vibrations (frottement entre les blindages) et plus lourd, mais permet un contact électrique entre la couche de blindage individuelle 16’ et toute la périphérie de chaque câble 11 du harnais 10.

La couche de blindage individuelle 16’ des câbles peut être réalisée par un guipage qui permet de limiter les problématiques d’usures par frottement et forme une couche de blindage légère. Ce troisième mode de réalisation peut être généralisé aux harnais mis à plat, avec chaque câble 1 1 comprenant une couche de blindage individuelle 16’ et le harnais comprenant une couche de blindage commune entourant tous les câbles 1 1 .

Un quatrième mode de réalisation du harnais 10 selon l’invention est représenté sur la figure 7. Dans ce mode de réalisation, chaque câble 1 1 comprend une couche de blindage individuelle 16’, les couches de blindage individuelles 16’ étant agencées en contact électrique permanent les unes avec les autres, de façon à former un blindage unique du point de vue électrique.

Le contact électrique permanent entre les couches de blindage individuelles 16’ est assuré par un serrage exercé par la gaine de protection 17, qui est par exemple une gaine de type tressage textile ou polymère, une gaine thermo-rétreinte, une gaine extradée, une gaine enrubannée ou une gaine surmoulée.