FR3017984A1

FR3017984A1 - Harnais pour la liaison electrique entre plusieurs equipements

Info

Publication number: FR3017984A1
Application number: FR1451402A
Authority: FR
Inventors: Flavien Koliatene; Michel Dunand
Original assignee: Labinal SA
Current assignee: Safran Electrical and Power SAS
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2015-08-28
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: WO2015124871A1; CN106463204A; FR3017984B1; US20170229210A1; EP3108480A1

Abstract

Un Harnais (100) pour la liaison électrique entre plusieurs équipements comprend faisceau (110) formé d'un ou plusieurs câbles électriques (111) entourés par une gaine de protection (120). Le harnais (100) comprend plusieurs éléments d'atténuation électromagnétique (130) s'étendant le long du faisceau (110) à l'intérieur de la gaine de protection (120), chaque élément d'atténuation électromagnétique étant constitué au moins partiellement d'un matériau magnétique.

Description

0 1 79 84 1 Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte aux harnais électriques et à la limitation des perturbations électromagnétiques générées dans ces harnais. L'invention concerne plus particulièrement mais non exclusivement la limitation des perturbations électromagnétiques dans les harnais électriques utilisés dans des aéronefs. La Compatibilité Electromagnétique (CEM) est indispensable 10 pour le bon fonctionnement d'un système. Dans un ensemble de type convertisseur-câble-machine, la transmission des signaux dits de « puissance » entre les équipements de l'électronique de puissance (convertisseur) et les charges (machine/actionneurs) est source de nombreuses perturbations qui sont notamment dues aux commutations 15 des interrupteurs, ces perturbations étant transmises par conduction et rayonnement électriques en aval et en amont du convertisseur. En effet, l'accroissement des performances des ensembles de type convertisseurcâble-machine nécessite l'utilisation de composants semi-conducteurs fonctionnant à des fréquences de plus en plus élevées avec des temps de 20 commutation très rapides, ce qui engendre un environnement électromagnétique très contraignant. Dans ce genre de système, les perturbations interviennent soit en mode commun, soit en mode différentiel. Dans le cas d'un aéronef, ces perturbations vont, d'une part, dégrader les roulements du moteur et, d'autre part, se propager vers 25 l'alimentation. Cette propagation entraîne des perturbations rayonnées qui peuvent créer des dysfonctionnements dans les appareils environnants, notamment les systèmes électroniques de bas niveau. Ces perturbations représentent une part significative des problèmes de compatibilité électromagnétique à résoudre, notamment dans le domaine aéronautique 30 qui s'oriente vers des générations d'avions toujours « plus électriques ». La fonction de transmission de puissance électrique est assurée par des harnais. Un harnais électrique est un ensemble de fils ou câbles électriques de différentes jauges groupés en faisceau électrique et cheminant ensemble pour aboutir à des connecteurs. Un harnais peut 35 comporter des traversées de cloison. Plusieurs branches peuvent composer un harnais. Le harnais comporte éventuellement une gaine de protection formée par exemple d'un ruban isolant ou d'une tresse textile ou métallique. Le harnais est dit « blindé » lorsque la gaine de protection est conductrice, comme c'est le cas par exemple avec une tresse métallique. Dans le cadre des programmes de développement d'avions toujours plus électriques, les harnais sont de plus en plus nombreux. Le harnais électrique est maintenant considéré comme un système à part entière par les organismes de régulations FAA et EASA et doit répondre 10 aux exigences d'EWIS (« Electrical Wiring Interconnection System »). Les perturbations générées dans les harnais par les convertisseurs de puissance et qui constituent la source du rayonnement électromagnétique sont de deux types : les perturbations en mode commun et les perturbations en mode différentiel. Ces perturbations 15 électromagnétiques se propagent dans les câbles qui supportent la transmission des signaux type MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) ou dans ceux qui supportent l'alimentation HVDC (« High Voltage Direct Curent »). L'accroissement des longueurs de câbles ne favorise pas la réduction des perturbations conduites ou rayonnées car les perturbations 20 en mode commun et en mode différentiel sont d'autant plus importantes que la longueur du câble augmente, cette dernière pouvant varier entre un mètre et quelques dizaines de mètres. Les harnais blindés sont couramment utilisés pour répondre aux problèmes de compatibilité électromagnétique. La gaine de protection 25 conductrice enveloppe jusqu'aux connecteurs l'ensemble du harnais et ses éventuelles branches de dérivation. Ce type de harnais a pour but de contenir au-delà de quelques centaines de Hz, les émissions conduites et rayonnées à l'intérieur de la gaine de blindage et d'exclure les émissions conduites et rayonnées de sources se trouvant à l'extérieur du harnais afin 30 de s'affranchir des perturbations électromagnétiques. Le blindage est généralement considéré comme une barrière topologique caractérisée par son impédance de transfert. Cependant, ce type de blindage sert essentiellement à affaiblir les signaux conduits ou rayonnés de mode commun générés par le 35 convertisseur, ce qui ne permet pas de traiter les perturbations générées en mode différentiel qui sont pourtant a priori plus gênantes car elles sont transmises en parallèle aux charges différentielles et se superposent donc directement aux signaux utiles. En outre, les perturbations en mode commun se transforment très facilement en perturbations en mode différentiel dès qu'un déséquilibre d'impédance apparaît au niveau des équipements branchés aux extrémités des harnais, ce déséquilibre pouvant provenir parfois du harnais lui-même du fait notamment de la présence de branches et de connectique. L'utilisation de filtres au niveau de l'électronique de puissance peut également constituer une solution mais ils présentent l'inconvénient d'augmenter de façon significative la masse du système. Par conséquent, il existe un besoin pour disposer de harnais qui assurent une minimisation des perturbations à la fois en mode différentiel et en mode commun.

Objet et résumé de l'invention A cet effet, la présente invention propose un harnais pour la liaison électrique entre plusieurs équipements, ledit harnais comprenant un faisceau formé d'un ou plusieurs câbles électriques entourés par une gaine de protection, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ou plusieurs éléments d'atténuation électromagnétique s'étendant le long du faisceau à l'intérieur de la gaine de protection, chaque élément d'atténuation électromagnétique étant constitué au moins partiellement d'un matériau magnétique. Ainsi, le harnais selon l'invention présente une mutuelle inductance bien supérieure à celle des harnais de l'art antérieur, ce qui permet de limiter les perturbations en mode différentiel et en mode commun et d'améliorer la capacité de filtrage du harnais. En effet, un courant génère toujours un champ magnétique et inversement, les variations de champ magnétique induisent des courants électriques dans les conducteurs voisins. La présence d'un ou plusieurs éléments d'atténuation électromagnétique constitués au moins partiellement d'un matériau magnétique et placés sous la gaine de protection permet de former dans le harnais une inductance (self) qui s'oppose aux fluctuations du courant. Selon une caractéristique du harnais de l'invention, celui-ci comprend un ou plusieurs éléments d'atténuation électromagnétique interposés entre le faisceau et la gaine de protection. Cette disposition des éléments d'atténuation électromagnétique permet de limiter principalement les perturbations en mode commun. Les éléments d'atténuation électromagnétique peuvent comprendre plusieurs joncs ou cordes constitués au moins partiellement d'un matériau magnétique, lesdits joncs ou cordes s'étendant entre le faisceau et la gaine de protection. Lorsque les câbles électriques du faisceau sont torsadés, les joncs ou cordes sont de préférence torsadés autour du faisceau suivant un pas similaire au pas de torsion des câbles électriques afin d'assurer la stabilité mécanique de l'ensemble.

L'élément d'atténuation électromagnétique peut également comprendre un élément de forme tubulaire constitué au moins partiellement d'un matériau magnétique, ledit élément de forme tubulaire s'étendant entre le faisceau et la gaine de protection. Selon une autre caractéristique du harnais de l'invention, celui-ci 20 comprend un ou plusieurs éléments d'atténuation électromagnétique séparant les câbles électriques du faisceau. Cette disposition des éléments d'atténuation électromagnétique permet de limiter principalement les perturbations en mode différentiel. Les éléments d'atténuation électromagnétique peuvent 25 comprendre plusieurs joncs ou cordes constitués au moins partiellement d'un matériau magnétique, lesdits joncs ou cordes s'éparant entre eux les câbles électrique du faisceau. Lorsque les câbles électriques du faisceau sont torsadés, les joncs ou cordes sont de préférence torsadés autour du faisceau suivant un pas similaire au pas de torsion des câbles électriques 30 afin d'assurer la stabilité mécanique de l'ensemble. L'élément d'atténuation électromagnétique peut également comprendre une pièce monobloc constituée au moins partiellement d'un matériau magnétique, ladite pièce comportant des parois séparant les câbles électriques du faisceau.

Selon un aspect particulier du harnais de l'invention, chaque élément d'atténuation électromagnétique est constitué d'un matériau composite comprenant une matrice en matériau souple chargée avec des particules d'au moins un matériau magnétique. Ainsi, le ou les éléments 5 d'atténuation électromagnétique sont aptes à remplir leur fonction de limitation des perturbations électromagnétiques sans réduire la souplesse initiale du harnais. L'invention a également pour objet un aéronef comprenant au moins un harnais selon l'invention destiné à transférer de la puissance 10 entre une source électrique et une charge. Brève description des dessins 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un harnais 20 conformément à un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2A est une vue en perspective d'un harnais conformément à un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2B est une vue en perspective montrant la torsion entre les câbles du faisceau et les éléments d'atténuation 25 électromagnétique du harnais de la figure 2A ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un harnais conformément à un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue en perspective d'un harnais conformément à un autre mode de réalisation de l'invention ; 30 - la figure 5 est une vue en perspective d'un harnais conformément à un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une vue en perspective d'un harnais conformément à un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 est une vue en perspective montrant la structure 35 de l'élément d'atténuation électromagnétique du harnais de la figure 6. 301 79 84 6 Description détaillée d'un mode de réalisation La présente invention propose un harnais qui peut être utilisé notamment, mais non exclusivement, pour la transmission d'énergie et/ou d'informations (signaux de commande, de mesure, etc.) entre des équipements électriques ou électroniques embarqués dans des aéronefs. Le harnais selon l'invention est particulièrement adapté pour transférer de la puissance entre une source électrique et une charge (par exemple un actionneur). Comme expliqué ci-après en détails, la structure du harnais de l'invention est remarquable en ce qu'elle permet d'augmenter la mutuelle inductance du faisceau du harnais en mode commun ou en mode différentiel par la présence dans le harnais d'un ou plusieurs éléments d'atténuation électromagnétique. Un harnais 100 conforme à un mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 1. Le harnais 100 comprend un faisceau central 110 formé ici de trois câbles électriques 111, chacun formés d'un fil conducteur 1110 entouré d'une gaine isolante 1111 et une gaine de protection 120 entourant le faisceau 110. La gaine de protection 120 peut être constituée d'un matériau conducteur souple comme par exemple une tresse métallique (harnais blindé) ou d'un matériau électriquement isolant, la gaine de protection enveloppant jusqu'aux connecteurs (non représentés sur la figure 1) l'ensemble du harnais et ses éventuelles branches de dérivation. Conformément à l'invention, le harnais 100 comprend en outre des éléments d'atténuation électromagnétique 130 constitués ici par trois joncs ou cordes 131 formés au moins en partie d'un matériau magnétique et interposés entre le faisceau central 110 et la gaine de blindage 120.

Dans le cas où les câbles électriques du faisceau ne sont pas torsadés, comme c'est le cas sur la figure 1, les cordes 131 s'étendent axialement dans le harnais, c'est-à-dire parallèlement aux câbles 111 du faisceau 110. Les cordes 131 sont réparties uniformément autour du faisceau 110. La figure 2A illustre le cas où les câbles électriques 211 d'un 35 faisceau 210 sont torsadés à l'intérieur de la gaine de protection 220 d'un harnais 200. Dans ce cas, les cordes 231, constituant les éléments d'atténuation électromagnétique 230, sont également torsadées suivant un pas P231 identique au pas de torsion des câbles 211 (figure 2B). En outre, afin d'assurer une bonne stabilité mécanique de l'ensemble câbles-5 cordes, les cordes 231 présentent de préférence une section S231 qui correspond environ à 20% de la section S211 des câbles 211 du faisceau. La figure 3 représente un harnais 300 comprenant un faisceau 310 formé ici de trois câbles électriques 311, chacun formés d'un fil conducteur 3110 entouré d'une gaine isolante 3111 et une gaine de 10 protection 320 entourant le faisceau 310, la gaine de protection 320 pouvant être constituée d'un matériau conducteur ou d'un matériau électriquement isolant, la gaine de protection enveloppant jusqu'aux connecteurs (non représentés sur la figure 3) l'ensemble du harnais et ses éventuelles branches de dérivation. Le harnais 300 diffère des harnais 100 15 et 200 déjà décrits en ce que les câbles 311 sont entourés par un élément d'atténuation électromagnétique 330 constitué d'un tube creux 331 interposé entre le faisceau 310 et la gaine de blindage 320. Le tube creux est formé au moins en partie d'un matériau magnétique. Dans les harnais 100, 200 et 300, le ou les éléments 20 d'atténuation électromagnétique sont disposés autour des câbles du faisceau central constituant les fils de phase et permettent principalement de limiter les perturbations en mode commun. Les éléments d'atténuation électromagnétiques étant au moins partiellement en matériau magnétique, ils sont aptes à filtrer toutes les perturbations générées en mode commun 25 dans le faisceau central en augmentant la mutuelle inductance de ce dernier. Toutefois, lorsque l'on utilise des éléments d'atténuation électromagnétiques sous forme de cordes qui présentent une section significativement inférieure à celles des câbles électriques du faisceau, le filtrage se fera plus probalement sur des perturbations conduites en mode 30 différentiel. La figure 4 illustre un harnais 400 selon un autre mode réalisation de l'invention. Le harnais 400 comprend un faisceau central 410 formé ici de trois câbles électriques 411, chacun formés d'un fil conducteur 4110 entouré d'une gaine isolante 4111 et une gaine de 35 protection 420 entourant le faisceau 410, la gaine de protection 420 pouvant être constituée d'un matériau conducteur ou électriquement isolant, la gaine de protection enveloppant jusqu'aux connecteurs (non représentés sur la figure 1) l'ensemble du harnais et ses éventuelles branches de dérivation.

Dans ce mode de réalisation, le harnais comprend en outre des éléments d'atténuation électromagnétique 430 constitués ici par quatre joncs ou cordes 431 formés au moins en partie d'un matériau magnétique et séparant le câbles électrique 411 du faisceau central 410. Dans le cas où les câbles électriques du faisceau sont torsadés, comme c'est le cas sur la figure 4, les cordes 431 sont également torsadées suivant le même pas que celui des câbles 411. En outre, afin d'assurer une bonne stabilité mécanique de l'ensemble câbles-cordes, les cordes 431 présentent de préférence une section 5431 identique à la section S411 des câbles 411 du faisceau.

Dans le cas où les câbles électriques du faisceau central ne sont pas torsadées comme illustré sur la figure 5, les cordes 531, constituant les éléments d'atténuation électromagnétique 530, s'étendent axialement dans la gaine de protection 520 du harnais 500, c'est-à-dire parallèlement aux câbles 511 du faisceau 510.

Suivant une variante de réalisation, la séparation des câbles du faisceau central peut être également réalisée avec une pièce monobloc comme représentée sur la figure 6. Sur la figure 6, un harnais 600 comprenant un faisceau 610 formé ici de trois câbles électriques 611 et une gaine de protection 620 entourant le faisceau 610 (gaine conductrice ou isolante), comporte en outre un élément d'atténuation électromagnétique 630 constituée d'une pièce monobloc 631. Plus précisément, la pièce 631 comporte des logements 632 chacun destinés à recevoir un câble 611 du faisceau 610. Une fois disposés dans les logements 632 les câbles 611 sont séparés les uns des autres par des parois 633 présentes entre les logements 632. Dans le cas où les câbles électriques 611 sont torsadés, comme c'est le cas ici, les logements 632 de la pièce monobloc 630 présentent une forme hélicoïdale variant suivant un pas P632 correspondant au pas défini pour torsader les câbles comme illustré sur la figure 7. Dans le cas où les câbles électriques du faisceau central ne sont pas torsadées, les logements de la pièce monobloc s'étendent axialement dans le harnais, c'est-à-dire parallèlement aux câbles du faisceau dans la même position de séparation des câble que celle montrée en section de harnais sur la figure 6. Dans les harnais 400, 500 et 600, le ou les éléments 5 d'atténuation électromagnétique sont disposés autour des câbles du faisceau central constituant les fils de phase et permettent principalement de limiter les perturbations en mode différentiel. Les éléments d'atténuation électromagnétiques étant au moins partiellement en matériau magnétique, ils sont aptes à filtrer toutes les perturbations 10 générées en mode différentiel dans le faisceau central en augmentant la mutuelle inductance de ce dernier. Conformément à l'invention le ou les éléments d'atténuation électromagnétique décrits ci-avant, à savoir les cordes 131, 231, 431 et 531, le tube 331 et la pièce monobloc 631 sont réalisés à partir d'un 15 matériau magnétique ou partiellement magnétique. Parmi les matériaux magnétiques envisageables, on citera notamment le fer, le cobalt, le nickel, le manganèse et les ferrites. Toutefois, afin de conserver la souplesse initiale du harnais, les éléments d'atténuation électromagnétique sont de préférence réalisés avec un matériau 20 composite comprenant une matrice en un matériau souple et/ou flexible chargée avec des particules d'un ou plusieurs matériaux magnétiques. A titre d'exemple, les éléments d'atténuation électromagnétique décrits précédemment peuvent être réalisés à partir d'une matrice polymère de type PTFE (Téflon."' ou PolyTétraFluoroEthylène), ETFE (Tefzer ou 25 Ethylène-TetraFluoroEthylène), PFA (TétraFluoroEthylène ou PerFluoroAlkoxy), FEP (TétraFluoroEthylène ou PerfluoroPropylène), chargée avec une poudre de particules d'un ou plusieurs matériaux magnétiques choisis parmi notamment le fer, le cobalt, le nickel, le manganèse et les ferrites. Un tel matériau composite comprenant 85% 30 massique de charges en matériau magnétique permet d'atteindre une performance d'environ 50% de la fonction de filtrage des perturbations dans le harnais. De tels matériaux ont notamment été développés par la société L.E.A.D sous l'appellation « MUSORB ». Toutefois, la proportion de charges magnétiques dans le matériau composite est définie en fonction 35 des applications et de la performance de filtrage souhaitée. Le matériau composite constitutif des éléments d'atténuation électromagnétique que peut être également réalisé à partir d'une mousse, telles qu'une mousse polyuréthane ou StyrofoamTM, chargée avec des particules de matériau(x) magnétique(s). Différentes technologies peuvent être utilisées pour la 5 mise en forme des éléments d'atténuation électromagnétique. Dans le cas de cordes ou joncs et de tubes, on peut par exemple former ces éléments par extrusion filaire. Les tubes peuvent être également formés par enroulement d'un ruban de polymère chargé ou à partir d'une gaine. Lorsqu'il s'agit d'une pièce monobloc, comme la pièce 430 décrite 10 précédemment, celle-ci peut être formée par moulage. Un des modes de réalisation présentés dans les figures 1. à 3 peut être combiné avec un des modes de réalisation présentés dans les figures 4 à 7 afin de former un harnais apte limiter les perturbations à la fois en mode commun et en mode différentiel, cette mutualisation du 15 filtrage ayant toutefois un impact sur la souplesse et la masse globale du harnais.

Claims

REVENDICATIONS1. Harnais (100) pour la liaison électrique entre plusieurs équipements, ledit harnais comprenant un faisceau (110) formé d'un ou plusieurs câbles électriques (111) entourés par une gaine de protection (120), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ou plusieurs éléments d'atténuation électromagnétique (130) s'étendant le long du faisceau (110) à l'intérieur de la gaine de protection (120), chaque élément d'atténuation électromagnétique étant constitué au moins partiellement d'un matériau magnétique.
2. Harnais selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs éléments d'atténuation électromagnétique (130, 230, 330) interposés entre le faisceau et la gaine de protection.
3. Harnais selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs joncs ou cordes (131 ; 231) constitués au moins partiellement d'un matériau magnétique, lesdits joncs ou cordes (131 ; 231) s'étendant entre le faisceau (110 ; 210) et la gaine de protection.
4. Harnais selon la revendication 3, caractérisé en ce que les le faisceau (210) comprend des câbles électriques (211) torsadés et en ce que les joncs ou cordes (231) sont torsadés autour du faisceau suivant un pas (P231) similaire au pas de torsion des câbles électriques (211).
5. Harnais selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de forme tubulaire (331) constitué au moins partiellement d'un matériau magnétique, ledit élément de forme tubulaire (331) s'étendant entre le faisceau (310) et la gaine de protection (320).
6. Harnais selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs éléments d'atténuation électromagnétique (430 ; 530 ; 630) séparant les câbles électriques du faisceau.35
7. Harnais selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs joncs ou cordes (431 ; 531) constitués au moins partiellement d'un matériau magnétique, lesdits joncs ou cordes (431 ; 531) séparant entre eux les câbles électrique (411 ; 511) du faisceau (410 ; 510).
8. Harnais selon la revendication 7, caractérisé en ce que les câbles électriques (411) du faisceau (410) sont torsadés et en ce que les joncs ou cordes (431) sont torsadés suivant un pas similaire au pas de torsion des câbles électriques (411).
9. Harnais selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce monobloc (631) constituée au moins partiellement d'un matériau magnétique, ladite pièce (631) comportant des parois (632) séparant les câbles électriques (611) du faisceau (610).
10. Harnais selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que chaque élément d'atténuation électromagnétique (130 ; 230 ; 330 ; 430 ; 530 ; 630) est constitué d'un matériau composite comprenant un matériau de matrice souple chargé avec des particules d'au moins un matériau magnétique.
11. Aéronef comprenant au moins un harnais selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, ledit au moins harnais étant destiné 25 à transférer de la puissance entre une source électrique et une charge.