Modélisation du couplage CEM-thermique dans les installations des lignes de transmission dans les aéronefs électriques

Houssem Chebbi1,⋆^{1,\star}, Michael Ridel1^{1}, Philippe Reulet2^{2}
⋆^{\star} : houssem.chebbi@onera.fr
1^{1} Onera/DEMR, Université de Toulouse, 31055 Toulouse, France
2^{2} Onera/DMPE, Université de Toulouse, 31055 Toulouse, France
Mots clés : Modèle thermique, Modèle CEM, Couplage électromagnétique-thermique, Effet Joule
Résumé :

En vue de l’électrification progressive des aéronefs pour des raisons de fiabilité des équipements électriques ainsi que environnementales, une augmentation conséquente du nombre de câbles déployés à bord des avions a été identifiée, aussi bien de signaux que de hautes tensions. Les contraintes CEM et thermiques liées à l’architecture électrique s’avèrent donc de plus en plus critiques. Une étude menée au sein du département DEMR de l’ONERA a montré l’intérêt de développer un modèle unifiant les deux physiques pour analyser les performances du câblage tant du point de vue fonctionnel que CEM.

Une approche de modélisation du couplage EM-thermique dans les installations des réseaux de câbles pour un futur aéronef tout électrique est présentée. La nécessité du couplage est justifiée par la dépendance de la résistance électrique des conducteurs avec la température. En se basant sur une description topologique du réseau électrique, on s’intéresse à l’unification du modèle électromagnétique permettant de déterminer les paramètres électriques primaires d’une ligne de transmission et du modèle thermique dédié au calcul de l’échauffement d’un toron de câblage par effet Joule. Le modèle exploite la similarité des équations mathématiques de ces deux physiques.

Les travaux présentés font suite à ceux de la thèse de Florian Mahiddini (2018) qui avait développé un modèle thermique pour le calcul de l’échauffement d’un toron multiconducteurs en prenant en compte l’interaction électromagnétique entre les conducteurs. Le code de calcul a été adapté pour tenir compte du couplage électromagnétique et généralisé au cas d’un toron de câbles arbitrairement regroupés. Les équations correspondant aux deux physiques et leur résolution sont présentées. Ensuite des résultats de simulation sont exposés. Une application concerne un toron de 11 câbles éclipsés (de gauges AWG24 à AWG14) et placés en espace libre à une hauteur de 50 mm au-dessus d’un plan de masse métallique de 1 m de long. D’un point de vue topologique, l’ensemble est modélisé par un tube de longueur unitaire dont l’ensemble des câbles non alimentés sont placés en court-circuit par rapport au plan de masse, à l’exception des câbles alimentés qui sont reliés à des impédances de 1 chacune. La cross-section est générée par ALEACAB, un outil intégré dans la suite logicielle CRIPTE.

Un premier calcul thermique pour calculer la distribution de température dans le toron est réalisé en ne prenant en compte que les puissances générées par les courants appliqués aux câble alimentés. Le couplage EM donne naissance à des courants induits dans les conducteurs non alimentés ainsi que d’éventuelles modifications des signaux initiaux. Ces courants sont alors réinjectés dans le module thermique pour un deuxième calcul de la distribution de température ainsi que la correction des résistances linéiques. On peut noter l’influence significative des courants induits sur l’échauffement du toron puisque, entre les deux simulations, on observe une augmentation de la température moyenne de plus de 9∘^{\circ}C. On remarque dans le même temps une augmentation significative des résistances électriques (avec un maximum de +21% pour le câble n∘^{\circ}2 par rapport à sa valeur prise à 20∘^{\circ}C).

Work In Progress