Brevet FR2970819A1 — publié le 20120727

B 12-0428FR 1 Boîtier électrique pour aéronef La présente invention concerne de façon générale des boîtiers électriques pour aéronef. La présente invention concerne plus particulièrement un boîtier pour loger un matériel électrique dans un aéronef dans lequel on utilise une barre omnibus électrique pour alimenter le matériel électrique. Des boîtiers électriques pour protéger les systèmes de distribution d'énergie de la contamination de l'environnement et pour protéger les personnes d'une électrocution sont généralement connus [1, 2, 3]. Certains de ces systèmes peuvent utiliser des matériaux composites, par exemple être faits d'un matériau composite fibreux et de fibres de verre de renfort, pour constituer des parties isolantes [4]. De plus, on sait également utiliser des matériaux composites pour fournir des boîtiers complets pour divers matériels de distribution d'énergie [5]. Toutefois, bien qu'un grand nombre de boîtiers pour loger un matériel électrique domestique soient connus, la fourniture de boîtiers destinés à être utilisés dans un aéronef impose des exigences techniques strictes pour ces boîtiers, en particulier lorsqu'ils sont utilisés pour loger un matériel de distribution d'énergie primaire (par exemple, du type fournissant une alimentation triphasée à 415 volts). De telles exigences techniques peuvent être imposées par diverses autorités aéronautiques et/ou être souhaitable du point de vue de la fabrication [6, 7]. Par exemple, les boîtiers classiques satisfaisant à diverses exigences des autorités aéronautiques concernant l'isolation, le blindage, les vibrations, les chocs, la sécurité incendie, le refroidissement, etc., peuvent être lourds en raison du support structurel supplémentaire nécessaire pour fabriquer un tel boîtier. Une diminution de poids d'un boîtier pour loger un matériel électrique dans un aéronef serait ainsi clairement souhaitable. La présente invention a donc été imaginée en conservant à l'esprit les inconvénients mentionnés ci-dessus associés aux boîtiers pour matériel électrique lorsqu'ils sont utilisés pour un aéronef. Selon un aspect de la présente invention, il est ainsi fourni un boîtier pour loger un matériel électrique dans un aéronef. Le boîtier comprend un ou plusieurs panneaux définissant un espace fermé pour loger un matériel électrique. Le boîtier comprend également au moins une barre omnibus électrique pour fournir une alimentation électrique au matériel électrique. Au moins une barre omnibus électrique est configurée pour constituer un support structurel du boîtier. En fournissant un boîtier dans lequel la barre omnibus elle-même constitue un support structurel pour le boîtier, divers aspects et modes de réalisation de la présente invention permettent de fournir dans un aéronef un boîtier électrique de poids réduit. De plus, de tels boîtiers peuvent également être fabriqués plus facilement et plus rapidement que les boîtiers classiques car ils peuvent nécessiter un usage moindre de boulons, rivets, etc., pendant le processus de fabrication et d'assemblage. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue de l'arrière d'un boîtier électrique classique pour aéronef ; la figure 2 est une vue de l'arrière d'un boîtier pour loger un matériel électrique dans un aéronef selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 3 représente une barre omnibus triphasée destinée à être utilisée dans le boîtier de la figure 2. La figure 1 est une vue de l'arrière d'un boîtier électrique classique pour aéronef 10. Le boîtier électrique 10 comprend une enceinte en aluminium 20 définissant un espace fermé 50. Une plaque d'appui en aluminium 40 est fixée à l'enceinte 20 et supporte des barres omnibus 30 en cuivre, sensiblement en forme de E. Les barres omnibus 30 sont connectées électriquement à une unité d'alimentation extérieure (non représentée) et sont utilisées pour fournir de l'énergie électrique à des composants électriques (non représentés) logés à l'intérieur de l'espace fermé 50. Les composants électriques peuvent également être montés sur la plaque d'appui 40, constituant de plus un support mécanique pour le boîtier électrique pour aéronef 10. Un support mécanique pour le boîtier électrique pour aéronef 10 est constitué en outre par un bus de renfort orienté transversalement 80. Le boîtier électrique pour aéronef 10 comprend de plus quatre consoles de montage 60 pour fixer le boîtier électrique pour aéronef assemblé 10 sur le fuselage d'un aéronef (non représenté). La figure 2 est une vue de l'arrière d'un boîtier 100 pour loger un matériel électrique dans un aéronef selon un mode de réalisation de la présente invention. Le boîtier 100 comporte quatre panneaux 110, disposés sous forme de paires parallèles opposées respectives de panneaux 110, définissant ensemble un espace fermé 150 ayant une forme en coupe transversale sensiblement rectangulaire. Un panneau avant supplémentaire (non représenté) peut également être fourni de façon à empêcher l'accès à l'espace fermé 150 lorsque le boîtier 100 est installé dans un aéronef. Divers matériels électriques, tels que, par exemple, des commutateurs électromécaniques de forte puissance (non représentés) peuvent être logés à l'intérieur de l'espace fermé 150. Un tel matériel électrique peut par exemple être monté sur une plaque d'appui fournie de manière facultative (non représentée). Une barre omnibus en aluminium 130 est également prévue à l'intérieur de l'espace fermé 150. La barre omnibus 130 est une barre omnibus triphasée (voir par exemple la figure 3 ci-dessous) connectée entre deux panneaux opposés 110 au niveau d'interfaces de barres omnibus de panneau respectives 132. Une telle configuration confère une solidité et une rigidité mécaniques améliorées au boîtier 100 sans qu'il soit nécessaire de prévoir des composants de support structurel supplémentaires. Ceci permet de fournir un boîtier 100 relativement léger, en particulier lorsqu'il est utilisé avec une barre omnibus 130 en aluminium (ou un autre matériau conducteur léger) et un ou plusieurs panneaux 110 réalisés en utilisant des matériaux composites. Un ou plusieurs panneaux 110 peuvent par exemple être construits en utilisant de la fibre de carbone, de la fibre de verre, des résines, etc. De tels matériaux composites peuvent également être munis d'un ou plusieurs éléments conducteurs (par exemple, des grillages de fil, des particules métalliques, etc.) de façon à constituer un blindage électromagnétique (CEM) à l'intérieur de l'espace fermé 150. Dans divers modes de réalisation, le boîtier 100 est utilisé pour distribuer une alimentation primaire à un aéronef. Les panneaux 110 peuvent être conçus de manière à avoir une conception compacte, légère, refroidis naturellement par convection, protégeant physiquement et électriquement les composants d'une charge mécanique et d'une décharge électrostatique afin de satisfaire à un ensemble de conditions d'environnement, telles que par exemple, celles qui sont désignées dans DO160E [6]. Les panneaux respectifs peuvent inclure par exemple divers évents inférieurs 112, évents supérieurs 114 et/ou évents latéraux 116 pour fournir un motif d'écoulement d'air prédéterminé efficace pour effectuer le refroidissement à l'intérieur du boîtier 100. Le câblage et les connexions extérieures peuvent également être fournis à travers certains des évents 112, 114, 116. Quelques uns ou la totalité de ces évents 112, 114, 116 peuvent de plus être blindés pour aider à empêcher l'entrée d'objets étrangers dans le boîtier 100. Dans un mode de réalisation construit et essayé par le demandeur, le potentiel d'utilisation des panneaux composites pour la distribution primaire d'alimentation a été étudié. On a trouvé que les exigences de conditionnement de volume pour utilisation dans un aéronef conduisaient d'elles-mêmes à l'utilisation de matériaux préimprégnés et à un processus de dépôt manuel. L'utilisation de matériaux composites de carbone dans la conception du panneau a permis d'obtenir une structure légère « monocoque » qui a été étudiée pour vérifier la faisabilité du remplacement des composants en aluminium de conversion fabriqués, usinés et rivetés ensemble. Les panneaux 110 ont été assemblés en utilisant des matériaux composites en fibre de carbone préimprégnés de la gamme MTM® fournie par l'Advanced Composite Group Limited [8]. Un matériau composite renforcé en fibre est un système structurel comprenant une matrice d'un type de matériau renforcé par une forme fibreuse d'un autre matériau, dans ce cas, les deux constituants étant de la résine époxy et de la fibre de carbone. Le matériau composite MTM® 46 choisi possède un niveau de performance de gamme moyenne et a été traité à une température relativement basse (80°C) sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un autoclave. Le matériau MTM® 46 a été élaboré de façon spécifique pour la fabrication de stratifiés de haute qualité en utilisant un processus à basse pression. Toutefois, bien que ce mode de réalisation spécifique ait utilisé ce matériau particulier, la composition de préimprégné peut généralement être optimisée pour des performances mécaniques et thermiques personnalisées, une forte teneur en fibre pouvant être obtenue dans la matrice si on le souhaite. Pour fabriquer les panneaux composites 110, on a déposé manuellement un matériau préimprégné dans une surface de moule femelle, ensachée sous vide, et qui a ensuite été chauffé à 120°C. Ceci a permis à la résine de refondre initialement et finalement de durcir. La résine était presque solide aux températures ambiantes et le préimprégné présentait une sensation légèrement collante ce qui a facilité le dépôt des couches dans le moule. Le dépôt était constitué de sept couche de préimprégné, chaque couche étant orientée à 45° par rapport à la couche adjacente. Pour des applications à grande résistance, l'orientation des fibres peut être conçue pour conférer une grande résistance adaptée aux conditions de charge. La masse volumique des panneaux 110, avec un volume de fibre type de 50%, était d'environ 1,51 gramme/centimètre cube (la masse volumique des fibres étant de 1,77 gramme/centimètre cube et la masse volumique de la résine de 1,25 gramme/centimètre cube). Les panneaux 110 ont été utilisés pour réaliser un boîtier 100 avec un espace fermé 150 ayant une dimension en hauteur (sensiblement équivalente à la plus longue dimension de la barre omnibus 130) de 30 pouces (environ 75 cm), une dimension en largeur de 20 pouces (environ 50 cm) et une dimension en profondeur définie le long d'un axe perpendiculaire au plan contenant la barre omnibus 130 de 10 pouces (environ 25 cm). La figure 3 représente une barre omnibus triphasée 130 destinée à être utilisée dans le boîtier 100 représenté sur la figure 2. La barre omnibus 130 réellement réalisée est une barre omnibus de forte puissance conçue pour être utilisée pour distribuer une alimentation haute tension (HT) primaire à un aéronef. La barre omnibus 130 est formée en utilisant un premier conducteur 136, un deuxième conducteur 138 et un troisième conducteur 140 disposés selon un agencement empilé. Les conducteurs respectifs 136, 138, 140 sont fournis de manière à distribuer des phases d'alimentation respectives d'une alimentation triphasée en triangle (non représentée). La barre omnibus 130 constitue de plus un renfort mécanique lorsqu'elle est installée dans le boîtier 100. Le premier conducteur 136, le deuxième conducteur 138 et le troisième conducteur 140 sont réalisés en recouvrant de poudre des découpes d'aluminium respectives puis en les brûlant afin de former des dépôts isolants sur celles-ci. Les conducteurs recouverts de poudre 136, 138, 140 sont ensuite intercalés avec des feuilles de DELMAR en fibre de verre thermodurcissable conformées fixées de manière adhésive (non représentée) et intercalées entre elles (voir par exemple [9]). Des boulons de maintien (non représentés) peuvent facultativement ou à titre de variante être utilisés pour fixer la barre omnibus 130 de façon que les conducteurs 136, 138, 140 restent spatialement fixés les uns par rapport aux autres. En recouvrant les conducteurs 136, 138, 140 de poudre et en les séparant en utilisant du mica, de la fibre de verre ou d'autres feuilles électriquement isolantes, par exemple, un agencement de barre omnibus à double isolement est fourni. Le premier conducteur 136 et le troisième conducteur 140 sont dotés de trous traversants de montage 134 à chacune de leurs extrémités. Le deuxième conducteur 138 est dimensionné de telle sorte qu'aucune partie de celui-ci ne se trouve entre les trous traversants 134 du premier conducteur 136 et du troisième conducteur 140 lorsqu'ils sont alignés dans la barre omnibus assemblée finale 130. Cet agencement fournit ainsi une cavité respective 144 à chaque extrémité de la barre omnibus 130 dans laquelle peut être introduite une lèvre respective 146 formée sur des panneaux opposés respectifs 110. Ces lèvres 146 peuvent elles-mêmes être munies de trous traversants alignés avec les trous traversant respectifs 134 du premier conducteur 136 et du troisième conducteur 140 pour former un canal à travers lequel on peut faire passer des boulons respectifs (non représentés). Les canaux peuvent être munis de rondelles isolantes respectives (non représentées) à l'intérieur, et les boulons peuvent être fixés en place en utilisant des écrous respectifs (non représentés) pour fournir les interfaces de barre omnibus de panneau 132 pour le boîtier 100. Avec cette configuration, les extrémités du deuxième conducteur 138, les plus proches des trous traversants 134, viennent de préférence en butée contre des lèvres respectives 146 de façon à constituer un support mécanique supplémentaire. Divers bras transversaux 142 sont également prévus sur chaque conducteur respectif 136, 138, 140. Ceux-ci sont de préférence disposés verticalement en quinconce entre chaque conducteur 136, 138, 140, de telle sorte à pouvoir connecter divers composants électriques aux diverses phases électriques sans nécessiter un câblage complexe et tout en conservant une séparation physique maximale entre le câblage nécessaire pour chaque phase électrique. Ceci facilite ainsi la minimisation du risque de quelconques défaillances de câblage conduisant à un court-circuit entre les phases de l'alimentation électrique. Les barres omnibus 130 peuvent être réalisées en utilisant une diversité de matériaux conducteurs, tels que du cuivre par exemple. Toutefois, dans un mode de réalisation préféré, on utilise de l'aluminium car bien qu'un plus grand volume de matériau soit requis (par rapport au cuivre par exemple), le demandeur a découvert qu'une réduction globale de poids était obtenue en fournissant la même puissance nominale. Néanmoins, on peut toujours préférer utiliser du cuivre comme conducteur dans des boîtiers plus petits où les exigences d'espace sont un facteur déterminant. Exemple comparatif Un boîtier utilisant des matériaux composites [8, 9] et une barre omnibus en aluminium a été fabriqué, comme décrit ci-dessus. Celui-ci a été comparé à un boîtier classique ayant les mêmes dimensions et utilisant une barre omnibus en cuivre, voir par exemple la figure 1. Les deux conceptions satisfaisaient aux exigences de D0160E, D0254 et ANSI C37.20 [6, 7]. Le boîtier classique pesait 11 kg par rapport au mode de réalisation qui ne pesait que 3,6 kg. Puisque généralement trois de ces boîtiers peuvent être utilisés dans un quelconque aéronef, en utilisant les modes de réalisation de la présente invention on peut potentiellement économiser 22,2 kg ou plus par aéronef. Ceci est nettement avantageux à la fois du point de vue du rendement en carburant et de la réduction des émissions, en particulier lorsque l'on considère une longue durée de vie de fonctionnement d'un aéronef. De plus, divers modes de réalisation de la présente invention ont une construction simplifiée par rapport aux boîtiers électriques classiques pour aéronef. De plus, la fabrication des boîtiers peut être accélérée, car la nécessité de percer divers composants, de disposer des rivets, de boulonner des éléments ensemble, etc., est réduite. La construction simplifiée de certains modes de réalisation de boîtier de la présente invention est ainsi plus rapide à fabriquer et aussi plus légère que les boîtiers classiques. Un grand nombre de modes de réalisation de la présente invention peuvent être fournis. Par exemple, des panneaux peuvent être fournis sous forme d'une structure intégrée unique plutôt que d'une pluralité de panneaux individuels reliés ensemble. Dans certains modes de réalisation, le boîtier peut avoir une structure monocoque ou semi-monocoque. Divers agencements de renfort mécanique barre omnibus-boîtier peuvent être fournis. La barre omnibus peut également être formée en utilisant une pluralité d'éléments électriquement conducteurs électriquement séparés ou peut inclure un élément conducteur monophasé. Ces barres omnibus peuvent, si on le souhaite, être incorporées en totalité ou en partie dans au moins l'un des panneaux afin de constituer un support mécanique supplémentaire pour le boîtier. De plus, bien que des modes de réalisation d'une barre omnibus aient été décrits en référence à une barre omnibus triphasée comprenant trois barres globalement plates/plane de forme plate empilées s'étendant globalement dans un plan et séparées par un matériau isolant, divers autres agencements sont possibles. Par exemple, des barres omnibus monophasées ayant une diversité de formes peuvent être utilisées (par exemple, en forme de tige, planes, etc.). De telles barres omnibus peuvent être choisies ou conçues conformément aux exigences de puissance du boîtier, qui peuvent être importantes. Des barres omnibus haute tension, haute tension et/ou fort courant peuvent être fournies, délivrant par exemple de l'énergie en courant alternatif et/ou en courant continu à plus de 100 V, plus de 30 A, plus de 3 kW, plus de 5 kW, plus de 10 kW, etc. Par exemple, diverses alimentations de configurations triphasées en étoile ou en triangle, 415 V/400 A alternatifs triphasés par phase, 270 volts triphasés, 270 ou 450 V monophasés en courant alternatif, 270 V en courant continu, etc., peuvent être utilisées. De plus, bien que des modes de réalisation aient été décrits en relation avec des matériaux composites, les procédés de fabrication classiques pour fabriquer par exemple les enceintes de distribution d'énergie primaire standard constituées d'une enceinte en tôle métallique d'aluminium renforcée par des consoles usinées peuvent également être utilisés. Ces enceintes peuvent être fournies pour exploiter les avantages intrinsèques des propriétés du matériau de fabrication telles que, par exemple, la résistance mécanique, les propriétés de conduction électrique, la protection de CEM, etc. de plus, divers matériaux ayant une densité d'alliage réduite (par exemple, les matériaux frittés) et/ou de nouveaux concepts structurels peuvent également être utilisés pour fournir des modes de réalisation selon la présente invention. Références : 1. US 2 766 405 (Edmunds) 2. US 3 761 780 (Plummer) 3. US 5 811 734 (Ponsioen) 4. US 2008/0100993 (Muller) 5. US 2007/0053142 (Allen) 6. Exigences de la norme D0160E concernant les aspects vibratoires et thermiques des panneaux et de la norme D0254 concernant la conception des directives d'assurance pour les composants électroniques aéroportés, toutes deux disponibles à http://www.rtca.org/downloads/DEC%202004%20-%2005-01-06.htm 7. Norme ANSI C37.20 concernant les aspects thermiques d'une barre omnibus disponible auprès de http://webstore.ansi.org/RecordDetail.aspx?sku=ANSI/IEEE%20C37 .20.1-2002 8. Advanced Composites Group Limited, Composites House, Sinclair Close, Heanor, Derbyshire DE75 78P, Royaume-Uni, http://www.advanced-composites.co.uk 9. Stratifié de qualité UTR disponible auprès de Rôchling Glastic® Composites, 4321 Glenridge Road, Cleveland, Ohio, OH 44121, USA, www.glastic.com 10. Le contenu des références mentionnées ci-dessus est incorporé ici dans la description dans sa totalité. REVENDICATIONS1. Boîtier pour loger un matériel électrique dans un aéronef, le boîtier comprenant un ou plusieurs panneaux définissant un espace fermé pour loger un matériel électrique dans un aéronef, le boîtier comprenant en outre au moins une barre omnibus électrique pour fournir une alimentation électrique au matériel électrique, ladite barre omnibus électrique étant configurée en outre pour constituer un support structurel du boîtier. 2. Boîtier selon la revendication 1, dans lequel lesdits panneaux sont faits d'un matériau composite. 3. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une barre omnibus électrique comprend du cuivre et/ou de l'aluminium. 4. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la barre omnibus est une barre omnibus de forte puissance. 5. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la barre omnibus est une barre omnibus triphasée. 6. Boîtier selon la revendication 5, dans lequel la barre omnibus triphasée comprend trois barres de forme plate séparées par un matériau isolant. 7. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit espace fermé ayant une dimension en hauteur allant d'environ 50 cm à environ 150 cm, une dimension en largeur allant d'environ 40 cm à environ 150 cm et une dimension en profondeur allant d'environ 10 cm à environ 50 cm. 8. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins l'un desdits panneaux comporte au moins un ou plusieurs éléments conducteurs de façon à constituer un blindage électromagnétique (CEM) à l'intérieur dudit espace fermé. 9. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins l'un desdits panneaux possède une structure monocoque ou semi-monocoque. 10. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une barre omnibus est incorporée en totalité ou partiellement dans au moins l'un des panneaux.