Caractérisation de résistances thermiques locales liées à des assemblages de câbles et connecteurs électriques de forte puissance

Alexandre Marie1,⋆^{1,\star}, Jean-Pierre Fradin1^{1}, Yves Fardel2^{2}, David Thomasse2^{2}
⋆^{\star} : alexandre.marie@icam.fr
1^{1} Icam Toulouse
2^{2} IRT Saint-Exupery, Toulouse
Mots clés : Contacts thermiques, Conduction thermique, Etude expérimentale, Modélisation 3D, Harnais Electriques, Avion Plus Electrique
Résumé :

La présente étude vise à caractériser certaines résistances thermiques locales liées à la transmission de chaleur le long d’assemblages de câbles de puissance et de connecteurs électriques (appelés par la suite harnais électriques). Dans certains cas, de tels harnais peuvent en effet générer des ponts thermiques amenant de la chaleur d’un point chaud vers un élément devant être maintenu à basse température. Au contraire, dans une configuration où l’auto échauffement du harnais lié au passage du courant pose des problèmes de fiabilité, des résistances thermiques locales importantes peuvent être à l’origine de zones de surchauffes indésirables. Dans tous les cas, la connaissance des résistances thermiques associées peut s’avérer cruciale pour assurer la fiabilité de l’assemblage.

Dans cet objectif, un dispositif expérimental de caractérisation thermique de harnais électriques a été construit. Celui-ci est constitué d’une source chaude à dissipation de puissance contrôlée et d’une source froide à température imposée par un écoulement d’eau thermostaté circulant dans un échangeur. Le harnais électrique et son connecteur associé se placent entre ces deux éléments afin d’y imposer un flux de chaleur longitudinal. L’insertion d’une succession de thermocouples le long de l’assemblage permet d’évaluer les évolutions longitudinales de température et de flux de chaleur pour en déduire ainsi les différentes résistances thermiques recherchées.

Dans les travaux présentés ici, deux géométries de harnais particulières sont investiguées. Dans un premier temps, la résistance de contact thermique liée au sertissage d’un câble multibrins en cuivre dans une pièce usinée faite du même matériau (nommée « splice » par la suite) est évaluée. Par la suite, la résistance thermique induite par un connecteur électrique détachable usiné dans deux barreaux de cuivre est mesurée. En parallèle de ces mesures, des modèles de conduction 3D reproduisant les conditions expérimentales ont été construits à l’aide d’un solveur commercial (6SigmaET). L’objectif est, par comparaison entre le modèle et l’expérience, d’identifier les résistances thermiques locales liées aux contacts thermiques, difficilement accessibles par les mesures à disposition étant données les géométries complexes considérées. Dans le cas du sertissage, il apparait que la résistance thermique liée à celui-ci reste faible devant les résistances thermiques de conduction liées à l’assemblage câble/splice et est donc difficilement identifiable. Au contraire, pour ce qui est du connecteur démontable, la résistance thermique liée au passage du flux au niveau du contact mécanique local entre les deux parties du connecteur est bien plus significative. La comparaison entre l’expérience et la modélisation 3D permet ainsi de fournir une estimation satisfaisante de la résistance thermique locale liée à la connexion électrique.

En conclusion, il est important de noter que les premières conclusions évoquées dans cette communication restent très spécifiques aux harnais étudiés. Ainsi, des essais complémentaires sur un grand nombre de configurations restent à mener pour envisager l’établissement à terme de règles de conception utiles à l’ingénieur.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-098

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