Brevet FR3011670A1 — publié le 20150410

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte aux harnais électriques blindés. L'invention concerne plus particulièrement mais non exclusivement les harnais électriques utilisés dans des aéronefs. Un harnais électrique est un ensemble de fils ou câbles électriques de différentes jauges groupés en faisceau électrique et cheminant ensemble et aboutissant à des connecteurs. Un harnais peut comporter des traversées de cloison. Plusieurs branches peuvent composer un harnais. Le harnais est dit « blindé » lorsqu'une gaine de blindage conductrice, par exemple une tresse métallique, enveloppe jusqu'aux connecteurs l'ensemble du harnais et ses éventuelles branches de dérivation. 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 régultaions FAA et EASA et doit répondre aux exigences d'EWIS (« Electrical Wiring Interconnection System »). Dans les avions, les harnais électriques sont généralement utilisés pour la transmission de signaux de « puissance » entre une source d'énergie électrique et une charge (par exemple un actionneur). Cette transmission de puissance est source de nombreuses perturbations et de pertes. Des harnais blindés sont utilisés pour assurer cette fonction de transmission de puissance car ils permettent de répondre aux problèmes de compatibilité électromagnétique. Les harnais blindés sont en général « sur-tressés », c'est-à-dire que la tresse de blindage est en contact intime avec les câbles ou fils électriques constituants le faisceau du harnais. Ce type de harnais a pour but de contenir les émissions rayonnées à l'intérieur de la gaine de blindage et d'exclure les émissions rayonnées de sources se trouvant à l'extérieur du harnais afin de s'affranchir des perturbations électromagnétiques. Cependant, en raison des couplages qui peuvent apparaître entre les câbles du faisceau et la gaine de blindage conductrice, la technologie de harnais blindés sur-tressés ne permet pas de minimiser suffisamment le courant en mode commun, mode dans lequel le harnais rayonne le plus. Or, il existe un besoin pour disposer de harnais blindés qui assurent une minimisation des pertes et des perturbations en mode 10 commun. Objet et résumé de l'invention 15 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 blindage conductrice, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément d'écartement interposé entre le faisceau et la gaine de 20 blindage, chaque élément d'écartement maintenant la gaine de blindage à une distance déterminée du faisceau de manière à limiter la capacité linéique en mode commun Cmc du harnais à une valeur inférieure à 676 pF, la capacité linéique en mode commun Cmc du harnais étant calculée avec la formule suivante : 25 Cric= A x Ee log(D/d) où : - A est une constante, 30 - Ee est la permittivité du milieu présent entre le faisceau et la gaine de blindage, - D est le diamètre de la gaine de blindage, - d est le diamètre du faisceau. Ainsi, comme expliqué plus loin en détails, en utilisant des 35 moyens pour maintenir le faisceau électrique à une distance déterminée de la gaine de blindage, on obtient un harnais blindé dont la capacité linéique en mode commun est suffisamment faible pour empêcher un couplage capacitif significatif entre la gaine de blindage et les câbles électriques du faisceau. Les pertes ainsi que les rayonnements perturbateurs en mode commun dans le harnais sont alors considérablement réduits rendant le harnais de l'invention particulièrement performant pour la transmission de signaux de puissance. Selon un premier aspect de l'invention, la permittivité équivalente du volume présent entre le faisceau et la gaine blindage est inférieure ou égale à 2 F.nril. Comme expliqué ci-après, cela permet de limiter la distance d'écartement nécessaire entre le faisceau et la gaine de blindage à des valeurs correspondant à un faible encombrement tout en obtenant une capacité linéique en mode commun inférieure à 676 pF. Selon un mode de réalisation du harnais de l'invention, celui-ci comprend au moins un élément d'écartement tubulaire enroulé autour du faisceau, l'élément tubulaire présentant une section correspondant à la distance d'écartement entre la gaine de blindage et le faisceau. Dans ce cas, chaque spire de l'élément d'écartement tubulaire peut s'étendre sur une longueur déterminée du harnais, notamment afin d'assurer un écartement homogène dans tous le harnais et/ou compenser les efforts auxquels peut être soumis le harnais. L'élément d'écartement peut être réalisé en un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivants : PTFE (TéflonTm ou PolyTétraFluoroEthylène), ETFE (Tefzer ou EthylèneTetraFluoroEthylène), PFA (TétraFluoroEthylène ou PerFluoroAlkoxy), FEP (TétraFluoroEthylène ou PerfluoroPropylène), bois sec, mousse polyuréthane, StyrofoamTM. Selon un aspect de l'invention, l'élément d'écartement est constitué d'un tube convoluté, ce qui permet une mise en oeuvre aisée du harnais selon l'invention et un maintien homogène de la distance d'écartement entre le faisceau et la gaine de blindage du harnais. Selon un autre mode de réalisation du harnais de l'invention, celui-ci comprend une pluralité d'éléments d'écartement tubulaires s'étendant axialement dans le harnais, les éléments d'écartement tubulaires étant répartis uniformément autour du faisceau. Les éléments d'écartement tubulaires peuvent être en un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivants : PTFE (TéflonTm ou PolyTétraFluoroEthylène), ETFE (Tefzer ou Ethylène- TetraFluoroEthylène), PFA (TétraFluoroEthylène ou PerFluoroAlkoxy), FEP (TétraFluoroEthylène ou PerfluoroPropylène), bois sec, mousse polyuréthane, StyrofoamTM. Selon encore un autre mode de réalisation du harnais de l'invention, celui-ci comprend une pluralité d'éléments d'écartement annulaires répartis sur la longueur du harnais, chaque élément d'écartement annulaire comportant une ouverture centrale pour le passage du faisceau, la largeur de chaque élément d'écartement annulaire correspondant à la distance d'écartement entre la gaine de blindage et le faisceau. L'invention a également pour objet un aéronef comprenant au moins un harnais selon l'invention destiné à transférer de la puissance entre une source électrique et une charge. Brève description des dessins 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 conformément à un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe du harnais de la figure 1; - la figure 3 montre des courbes d'évolution de la capacité linéique en mode commun dans un harnais en fonction du rapport entre le diamètre de la gaine de blindage et le diamètre du faisceau du harnais et pour différentes valeurs de permittivité ; - la figure 4 est une vue en perspective d'un harnais conformément à un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe du harnais de la figure 4; - 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 coupe du harnais de la figure 6; - la figure 8 est une vue en perspective d'un harnais conformément à un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 9 est une vue en coupe du harnais de la figure 8. Description détaillée d'un mode de réalisation La présente invention propose un harnais blindé 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'éloigner et de maintenir la gaine de blindage à une distance déterminée de la surface du faisceau électrique. Cet écartement permet de diminuer la capacité linéique en mode commun Cmc du harnais qui est inversement proportionnel à la distance d entre la gaine de blindage et le faisceau électrique (Cmc=f(l/d)). L'effet de couplage capacitif dans le harnais est ainsi considérablement réduit en comparaison avec un harnais blindé de type sur-tressé. Un harnais 100 conforme à un mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 1. Le harnais 100 comprend un faisceau 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 blindage 120 entourant le faisceau 110. La gaine de blindage 120 est constituée d'un conducteur souple comme par exemple une tresse métallique qui enveloppe 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 un élément d'écartement constitué ici par un tube creux ou plein 130 interposé entre le faisceau 110 et la gaine de blindage 120. Le tube 130 est enroulé autour du faisceau 110 suivant un pas p. Le diamètre ou section clin du tube 130 détermine la distance d'écartement de entre le faisceau 110 et la gaine de blindage 130. L'utilisation d'un ou plusieurs éléments d'écartement interposés entre le faisceau et la gaine de blindage permet de maintenir la gaine de blindage à une distance déterminée du faisceau de manière à limiter la capacité linéique en mode commun Cmc du harnais, la capacité Cmc du harnais étant calculée avec la formule suivante : Cmc = A X Ee / log(D/d) (1) où : A est une constante égale à 55.10-12 F.m-1, Ee est la permittivité du volume présent entre le faisceau et la gaine de blindage, D est le diamètre de la gaine de blindage, d est le diamètre du faisceau. Comme illustré sur la figure 2, le diamètre d du faisceau correspond au diamètre du cercle dans lequel s'inscrivent les câbles constituants le faisceau. La permittivité Ee est la permittivité, dite « équivalente », du volume V ménagé entre le faisceau et la gaine de blindage. Le volume V étant constitué par un milieu hétérogène, la permittivité Ee obéit à une loi de mélange qui prend en compte les proportions des différents matériaux et milieux constituants le volume V. Plus précisément, la permittivité Ee est calculée en tenant compte de la permittivité du ou des matériaux constitutifs du ou des éléments d'écartement et du ou des milieux présents dans les portions du volume V non occupés par le ou les éléments d'écartement, ces portions étant le plus souvent occupées par de l'air. Ainsi, la permittivité Ee est calculée à partir de la formule suivante : Ee = (Vrnat/Vtot) X Ernat + (Vair/Vtot) X Eair (2) où : Vmat correspond au volume de matériau qui compose le ou les éléments d'écartement et qui est présent entre le faisceau et la gaine de blindage, Vtot correspond au volume total présent entre le faisceau et la gaine de blindage, Emat est la permittivité du matériau qui compose le ou les éléments d'écartement, Vair correspond au volume d'air présent entre le faisceau et le blindage (Vtot - Vmat), Eair est la permittivité de l'air. La formule (2) montre que la capacité linéique en mode commun Cmc du harnais dépend du rapport D/d et de la permittivité Ee. Conformément à l'invention, la distance d'écartement entre le faisceau et le blindage, agissant directement sur le rapport D/d, et la permittivité sont déterminées de manière à limiter la capacité linéique en mode commun Cmc du harnais à une valeur inférieure ou égale à 676 pF, En effet, en limitant la capacité linéique en mode commun Cric du harnais à une valeur inférieure ou égale à 676 pF, on améliore le filtrage du courant de mode commun (Imc) comme le montre la formule suivante : Imc(w)=jwCmcV(w) (3) où : - co est la pulsation, et - V la tension. La formule (3) montre bien que, pour une tension V constante, le courant de mode commun Imc diminue si la valeur de la capacité linéique en mode commun Cmc diminue aussi. La réduction de la capacité linéique en mode commun permet, par conséquent, de réduire significativement la conduction et le rayonnement des ondes électromagnétiques susceptibles de perturber le bon fonctionnement des équipements environnants. Le harnais selon l'invention présente ainsi des effets perturbateurs très limités qui lui permettent de répondre aux exigences en matière de compatibilité électromagnétiques définies par les normes aéronautiques. La réduction de la capacité linéique en mode commun permet également de réduire de façon importante les pertes en ligne (dissipation de puissance) entre deux systèmes reliés ensemble par le harnais de l'invention. A titre de d'exemple, dans une configuration de type sur-tressé, dans laquelle la capacité linéique en mode commun du harnais est très élevée devant la capacité de la charge, le harnais dissipe environ 2/3 de la puissance transmise pour le fonctionnement de la charge. La figure 3 montre l'évolution de la capacité linéique en mode commun en fonction de la valeur du rapport D/d pour différentes valeurs de permittivité Ee, à savoir 1 F.m-1, 1,3 F.m-1, 1,5 F.rn-1 et 2 F.rn-1. La capacité linéique en mode commun augmente à mesure que la permittivité augmente. On constate que la capacité linéique en mode commun décroît très rapidement lorsque le rapport D/d est supérieur à 1, c'est-à-dire dès que la gaine de blindage est écartée du faisceau. Comme montré sur les courbes de la figure 3, on détermine, pour une valeur de permittivité donnée Ee, un rapport D/d permettant de limiter la capacité linéique en mode commun à une valeur inférieure à 676 pF conformément à l'invention. La valeur du rapport D/d est déterminée par la distance d'écartement entre le faisceau et la gaine de blindage qui est égale à la différence entre le diamètre D de la gaine de blindage et le diamètre d du faisceau. Afin de limiter la distance d'écartement nécessaire entre le faisceau et la gaine de blindage pour obtenir une capacité linéique en mode commun inférieure à 676 pF, on choisit de préférence un volume V présentant une permittivité Ee inférieure ou égale à 2 F.rn-1. On limite ainsi les dimensions extérieures et l'encombrement du harnais, ce qui est avantageux dans le cas par exemple d'un aéronef où les espaces de logement des harnais sont limités. Dans ce cas, le ou les éléments d'écartement sont réalisés avec un ou plusieurs matériaux présentant chacun une permittivité inférieure ou égale à 2 F.m-1 ou une valeur de permittivité telle qu'en fonction de leur proportion par rapport à l'air dans le volume considéré, la permittivité globale reste inférieure ou égale à 2 F.rn-1. A titre d'exemples non limitatifs, la mousse de styrol (StyrofoamTM) ou certains bois secs présentent une permittivité inférieure à 2 F.m-1. Dans le mode de réalisation présenté sur les figures 1 et 2, le tube 130 présente un diamètre di3o permettant d'obtenir un rapport entre le diamètre D120 de la gaine de blindage 120 et le diamètre d110 du faisceau 110 apte à fixer la valeur de la capacité linéique en mode commun du harnais 100 à une valeur inférieure à 676 pF, la valeur du rapport D120/dno étant définie en fonction de la permittivité Ee du volume Vioo présent entre le faisceau et la gaine de blindage, le volume Vioo étant constitué à la fois du matériau du tube 130 et d'air. Le pas P130 d'enroulement du tube 130 est déterminé notamment en fonction des efforts exercés sur la gaine de blindage ou sur le harnais comme par exemple lorsque le harnais doit être courbé pour suivre son chemin de passage. Lorsque les câbles du faisceau sont torsadés, l'élément d'écartement tubulaire est de préférence enroulé en torsadé avec le même pas que celui du faisceau. Selon une variante de réalisation, le harnais peut comprendre plusieurs tubes, similaires au tube 130 déjà décrit, enroulés autour du faisceau. La figure 4 illustre un autre mode de réalisation d'un harnais selon l'invention. Sur la figure 4, un harnais 200 comprend un faisceau 210 formé ici de trois câbles électriques 211, chacun formés d'un fil conducteur 2110 entouré d'une gaine isolante 2111 et une gaine de blindage 220 entourant le faisceau 210 constituée par exemple d'une tresse métallique qui enveloppe jusqu'aux connecteurs (non représentés sur la figure 4) l'ensemble du harnais et ses éventuelles branches de dérivation. Le harnais 200 diffère du harnais 100 déjà décrit en ce qu'il comprend plusieurs éléments d'écartement constitués ici par des tubes creux ou tuyau 230 interposés entre le faisceau 210 et la gaine de blindage 220. Les tubes 230 s'étendent axialement dans le harnais, c'est- à-dire parallèlement aux câbles 211 du faisceau 210. Les tubes 230 sont répartis uniformément autour du faisceau 210. Conformément à l'invention, les tubes 230 présentent chacun un diamètre ou section d23o permettant d'obtenir un rapport entre le diamètre D220 de la gaine de blindage 120 et le diamètre dmo du faisceau 110 apte à fixer la valeur de la capacité linéique en mode commun du harnais 200 à une valeur inférieure ou égale à 676 pF, la valeur du rapport D220/d2io étant définie en fonction de la permittivité Ee du volume Vzoo présent entre le faisceau et la gaine de blindage, le volume V200 étant constitué du matériau des tubes 230 et d'air. Les tubes 130 et 230 peuvent notamment être réalisés avec un des matériaux suivants : PTFE (TéflonTm ou PolyTétraFluoroEthylène), ETFE (Tefze I TM ou Ethylène-TetraFluoroEthylène), PFA (TétraFluoroEthylène ou PerFluoroAlkoxy), FEP (TétraFluoroEthylène ou PerfluoroPropylène), bois sec, mousse polyuréthane, StyrofoamTM. La figure 5 montre un harnais 300 conformément à un autre mode de réalisation de l'invention. Le harnais 300 comprend un faisceau 310 constitué de trois câbles électriques 311 du même type que les câbles 111 et 211 décrits précédemment et une gaine de blindage 320 entourant le faisceau 310. Dans ce mode de réalisation, l'élément d'écartement est 15 formé par une mousse semi-rigide 330 comportant une ouverture centrale 311 pour le passage du faisceau 310. Conformément à l'invention, la mousse 330 présente une largeur 1330 permettant d'obtenir un rapport entre le diamètre D320 de la gaine de blindage 320 et le diamètre d310 du faisceau 310 apte à fixer la valeur de la capacité linéique en mode 20 commun du harnais 300 à une valeur inférieure à 676 pF, la valeur du rapport D320/d310 étant définie en fonction de la permittivité Ee du volume V300 présent entre le faisceau et la gaine de blindage, le volume V300 étant constitué principalement par la mousse 330. La mousse 330 peut être réalisée avec un des matériaux suivants : polyuréthane et StyrofoamTM. 25 La figure 6 représente un harnais 400 selon encore un autre mode de réalisation de l'invention. Le harnais 400 comprend un faisceau 410 constitué de trois câbles électriques 411 du même type que les câbles 111 et 211 décrits précédemment et une gaine de blindage 420 entourant le faisceau 410. Dans ce mode de réalisation, les éléments d'écartement 30 sont constitués par une pluralité d'anneaux 430 répartis sur la longueur du harnais 400. Chaque anneau 430 comporte une ouverture centrale 431 pour le passage du faisceau 410. La largeur 1430 de chaque anneau correspond à la distance d'écartement entre la gaine de blindage 420 et le faisceau 410 qui permet d'obtenir un rapport entre le diamètre D420 de la 35 gaine de blindage 420 et le diamètre d410 du faisceau 410 apte à fixer la valeur de la capacité linéique en mode commun du harnais 400 à une valeur inférieure à 676 pF, la valeur du rapport D420/d410 étant définie en fonction de la permittivité Ee du volume V400 présent entre le faisceau et la gaine de blindage, le volume V400 étant constitué par le matériau des anneaux 430 et d'air. Les anneaux 430 sont espacés les uns des autres dans le sens de la longueur du harnais 400 suivant un pas P430 qui est déterminé de manière à assurer un écartement sensiblement uniforme entre le faisceau 410 et la gaine de blindage 420. Afin d'assurer le maintien en position des anneaux 430, un collier de serrage 440 peut être placé autour de chaque anneau 430 à l'extérieur de la gaine de blindage 420 comme représenté sur les figure 8 et 9. Les anneaux 430 peuvent être notamment réalisés avec un des matériaux suivants : PTFE (TéflonTm ou PolyTétraFluoroEthylène), ETFE (Tefzelni ou EthylèneTetraFluoroEthylène), PFA (TétraFluoroEthylène ou PerFluoroAlkoxy), FEP (TétraFluoroEthylène ou PerfluoroPropylène), bois sec, mousse polyuréthane, StyrofoamTM, ou tout type d'autres matériaux diélectriques présentant une permittivité inférieure à 3 m.F-1. A titre d'exemple, dans un harnais comprenant un faisceau de gauge 6 (correspondant à 4,12 cm de diamètre) maintenu à 1,51 cm d'une gaine de blindage par un élément d'écartement en PTFE du même type que le tube 130 décrit précédemment pour le harnais 100, la capacité linéique en mode commun Cmc du harnais est réduite à une valeur d'environ 40 pF. Des réductions similaires, voire plus importantes, de la capacité linéique en mode commun Cmc ont été obtenues avec des harnais ayant des faisceaux de gauge plus importante, en particulier des faisceaux de gauge 8, 10 et 12. 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 blindage conductrice (120), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément d'écartement interposé entre le faisceau (110) et la gaine de blindage (120), chaque élément d'écartement maintenant la gaine de blindage à une distance déterminée du faisceau de manière à limiter la capacité linéique en mode commun Cmc du harnais à une valeur inférieure à 676 pF, la capacité linéique en mode commun Cmc du harnais étant calculée avec la formule suivante : Cric = A X Ee I log(D/d) où : - A est une constante, Ee est la permittivité équivalente du milieu présent entre le faisceau et la gaine de blindage, - D est le diamètre de la gaine de blindage, d est le diamètre du faisceau. 2. Harnais selon la revendication 1, caractérisé en ce que la permittivité équivalente du volume présent entre le faisceau (110) et la gaine blindage (120) est inférieure ou égale à 2 F.rn-1. 3. Harnais selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément d'écartement tubulaire (130) enroulé autour du faisceau (110), l'élément tubulaire présentant une section (1130) correspondant à la distance d'écartement entre la gaine de blindage et le faisceau. 3 0 1 16 70 13 4. Harnais selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque spire de l'élément d'écartement tubulaire (130) s'étend sur une longueur déterminée du harnais (100). 5 5. Harnais selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'élément d'écartement tubulaire (130) est en un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivants : PTFE (Téflon TM ou PolyTétraFluoroEthylène), ETFE (Tefzel TM ou Ethylène- TetraFluoroEthylène), PFA (TétraFluoroEthylène ou PerFluoroAlkoxy), FEP 10 (TétraFluoroEthylène ou PerfluoroPropylène), bois sec, mousse polyuréthane, StyrofoamTM 6. Harnais selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'élément d'écartement tubulaire (130) est constitué 15 d'un tube convoluté. 7. Harnais selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'éléments d'écartement tubulaires (230) s'étendant axialement dans le harnais (200), les éléments d'écartement 20 tubulaires (230) étant répartis uniformément autour du faisceau (210). 8. Harnais selon la revendication 7, caractérisé en ce que les éléments d'écartement tubulaires (230) sont en un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivants : PTFE (TéflonTm ou 25 PolyTétraFluoroEthylène), ETFE (TefzelTm ou EthylèneTetraFluoroEthylène), PFA (TétraFluoroEthylène ou PerFluoroAlkoxy), FEP (TétraFluoroEthylène ou PerfluoroPropylène), bois sec, mousse polyuréthane, Styrofoam TM . 30 9. Harnais selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'éléments d'écartement annulaires (430) répartis sur la longueur du harnais (400), chaque élément d'écartement annulaire (430) comportant une ouverture centrale (431) pour le passage du faisceau (410), la largeur (1430) de chaque élément d'écartement annulairecorrespondant à la distance d'écartement entre la gaine de blindage (420) et le faisceau (410). 10. Aéronef comprenant au moins un harnais selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, ledit au moins harnais étant destiné à transférer de la puissance entre une source électrique et une charge.