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Procédé de fabrication d’un câble électrique blindé et câble associé Procédé de fabrication d’un câble électrique blindé comprenant une âme électriquement conductrice et une gaine de blindage électromagnétique cylindrique définissant une direction axiale et une direction radiale et disposé radialement autour de l’âme, ladite gaine comprenant un matériau composite présentant une région tubulaire électriquement isolante entourant l’âme, et une région tubulaire magnétiquement isolante disposée radialement à l’extérieure de la région électriquement isolante,Le procédé comprend :- une élaboration (100) d’un cylindre de matériau composite par ajout de particules magnétiques à une matrice organique,- une répartition (200) hétérogène des particules magnétiques à l’intérieur du matériau composite par application d’une force centrifuge sur le matériau composite jusqu’à l’obtention d’un matériau composite dont la concentration volumique des particules magnétiques dans la matrice organique augmente dans la direction radiale en s’éloignant de l’axe de révolution du cylindre, et- une insertion (300) d’une âme électriquement conductrice dans le matériau composite par extrusion du matériau composite. Figure pour l’abrégé : Fig. 2.

Description

Procédé de fabrication d’un câble électrique blindé et câble associé
L’invention concerne les câbles électriques à blindage électromagnétique pour des applications à basses fréquences, et plus particulièrement un procédé de fabrication d’un tel câble.
Les câbles électriques blindés sont utilisés dans une grande partie des applications nécessitant de connecter au moins deux éléments électriques et/ou électroniques avec interaction filaire. En raison de l’augmentation du nombre des systèmes électriques et électroniques et de la puissance échangée, les câbles sont sujets à des contraintes électromagnétiques plus sévères, notamment d’émission et/ou d’immunité.
Pour faire face à ces contraintes, les blindages électromagnétiques sont une solution fiable. Pour différentes applications en distribution électrique, électronique, électrotechnique et communication, les câbles nécessitent une protection électromagnétique dans différentes gammes de fréquence.
Pour les hautes fréquences, c’est-à-dire celles supérieures à quelques centaines de kHz, les matériaux métalliques avec une forte conductivité électrique sont souvent utilisés.
Pour les basses fréquences, c’est-à-dire celles inférieures à quelques centaines de kHz, l’utilisation des matériaux métalliques perdent leur intérêt au profit des matériaux avec une forte perméabilité magnétique tels que les matériaux magnétiques ou le µ-métal. Un exemple de câble blindé fonctionnant à basse fréquence, et dont le blindage est très utile, est un câble reliant un onduleur triphasé vers une machine électrique.
Le blindage magnétique pour les basses fréquences consiste à entourer l’âme électriquement conductrice du câble avec un matériau à forte perméabilité. Ce dernier canalise la plupart des lignes de champ magnétique jusqu’à atteindre la saturation du matériau magnétique, ce qui évite que les lignes de champ magnétique ne pénètrent à l’intérieur ou qu’elles sortent du câble. L’augmentation de la perméabilité magnétique autour des câbles va permettre, d’une part, une concentration des lignes de champs magnétique externe et interne au sein du matériau magnétique (susceptibilité et émission), et, d’autre part, une augmentation de l’inductance caractéristique du câble (ajout d’une couche ferromagnétique) qui implique une réduction des courants de fuite au sein du câble dont dans les éléments qu’il connecte sans impacter le courant utile.
Le facteur de réduction du champ magnétique peut être obtenu en appliquant l’équation suivante :
Avec a le rayon interne d’une gaine de blindage et b le rayon externe de la gaine de blindage.
Dans l’état de l’art, les câbles avec une protection électromagnétique à basses fréquences sont réalisés en introduisant une ou plusieurs couches à forte perméabilité magnétique au sein du câble autour de l’isolant électrique.
Il est connu un câble dont l’âme est entourée par des matériaux ferromagnétiques concentriques. Plusieurs couches peuvent être rajoutés de façon à que celles les plus éloignées de l’âme présentent des valeurs de perméabilité plus importantes. La microstructure du matériau ferromagnétique joue également un rôle dans le blindage. Dans certains câbles connus, le matériau ferromagnétique utilisé comprend des grains non-orientés.
La nature et la composition du matériau magnétique ont également une influence sur la gamme de fréquences où le blindage magnétique est performant. En outre, la disposition des couches magnétiques et des couches isolantes impacte également l’efficacité du blindage magnétique.
Certains câbles connus sont blindés par des couches magnétiques formées par un ruban adhésif d’une centaine de micromètres d’épaisseur qui entoure le câble. Ce ruban présente d’un côté le matériau magnétique et de l’autre côté un matériau adhésif qui est en contact avec l’âme du câble.
Une autre solution connue pour réaliser les câbles flexibles est basée sur l’utilisation d’élastomères chargés avec des alliages ferreux. Par exemple, un conducteur extrudé avec l’élastomère chargé peut produire un câble avec une perméabilité isotrope.
Les câbles connus dans l’état de la technique nécessitent tous plusieurs étapes de fabrication augmentant ainsi le coût de production.
Par ailleurs, l’obtention des composites flexibles ayant de forte perméabilité dans une matrice polymère reste assez complexe. En effet, une forte concentration de particules magnétiques dans la matrice organique est nécessaire. Cette dernière augmente la viscosité et complexifie la mise en œuvre du matériau.
En outre, les variations brusques des propriétés mécaniques (CTE, rigidité, dureté, etc.) et électriques (conductivité, permittivité, etc.) entre la partie isolante et la partie magnétique réduisent les performances des câbles (délamination entre couches, stockage de charges électriques, …). A savoir, les interfaces imparfaites (différents polymères et procédés) entre la partie isolante et la partie magnétiques constitue un point faible. Notamment pour les applications sous haute tension (décharge partielle, charge d’espace, etc.).
L’invention vise à fournir un procédé de fabrication d’un câble électrique à blindage électromagnétique pour des applications à basses fréquences.
Selon un objet de l’invention, il est proposé un procédé de fabrication d’un câble électrique blindé comprenant une âme électriquement conductrice et une gaine de blindage électromagnétique cylindrique définissant une direction axiale et une direction radiale et disposé radialement autour de l’âme, ladite gaine comprenant un matériau composite présentant une région tubulaire électriquement isolante entourant l’âme, et une région tubulaire magnétiquement isolante disposée radialement à l’extérieure de la région électriquement isolante.
Selon une caractéristique générale, le procédé comprend une élaboration d’un cylindre de matériau composite par ajout de particules magnétiques à une matrice, une répartition hétérogène des particules magnétiques à l’intérieur du matériau composite par application d’une force centrifuge sur le matériau composite jusqu’à l’obtention d’un matériau composite dont la concentration volumique des particules magnétiques dans la matrice augmente dans la direction radiale en s’éloignant de l’axe de révolution du cylindre, et une insertion d’une âme électriquement conductrice dans le matériau composite par extrusion du matériau composite autour de l’âme.
Le procédé selon l’invention permet ainsi de réaliser un câble électrique blindé en un seul et même procédé avec une variation continue de la valeur de perméabilité, et ainsi adapté aux applications basses fréquences, c’est-à-dire des fréquences inférieures à quelques centaines de kilo Hertz. En effet, le procédé permet, à partir d’une matrice chargée par des particules magnétiques, de réaliser, en une seule étape de centrifugation, une partie purement isolante électriquement autour de l’âme du câble, et une partie avec une forte concentration de particules magnétiques (forte perméabilité) sur la surface extérieure du câble.
La gaine de blindage électromagnétique est formée d’une seule pièce, à partir d’un seul et même matériau présentant une répartition hétérogène des particules magnétiques grâce à l’étape de centrifugation. Le procédé permet ainsi de réduire le nombre d’étapes pour la fabrication d’un câble électrique à blindage électromagnétique pour applications à basses fréquences, et de réduire ainsi le coût de production du câble.
Le procédé permet en outre d’obtenir un câble électrique à blindage électromagnétique présentant un blindage magnétique flexible ayant une perméabilité élevée et contrôlée au sein du câble, sans interfaces entre la partie isolante et la partie magnétique.
Le procédé offre ainsi un câble avec des performances améliorées par rapport aux câbles de l’état de la technique grâce à la maîtrise de la concentration des particules magnétiques permettant ainsi une variation progressive des propriétés mécaniques telle que la rigidité et la dureté et des propriétés électriques telles que la conductivité et la permittivité.
En outre, avec la répartition radiale des particules magnétiques au sein du câble via l’étape de centrifugation du procédé, la gaine à blindage électromagnétique est réalisée avec un matériau à forte perméabilité magnétique en utilisant une faible concentration volumique globale de particules magnétiques dans la matrice. La matrice peut être une matrice polymère.
Dans un premier objet du procédé de fabrication d’un câble électrique, la concentration volumique des particules magnétiques dans la matrice organique peut augmenter de manière continue dans la direction radiale en s’éloignant de l’âme conductrice.
L’augmentation continue permet de réduire la variation brusque des propriétés mécaniques et électriques améliorant ainsi les performances du câble électrique.
Dans un deuxième objet du procédé de fabrication d’un câble électrique, la matrice peut comprendre un matériau thermoplastique chauffé au-delà de sa température de fusion, le matériau thermoplastique étant choisi parmi l’éthylène tétrafluoroéthylène, le polyimide, le polyamide, le polyamide-imide, le polytetrafluoro ethylene, et le polyétheréthercétone.
L’utilisation d’un matériau thermoplastique pour former la gaine blindé permet de figer la gaine autour de l’âme conductrice à la suite de son passage à l’état solide après refroidissement.
Dans un troisième objet du procédé de fabrication d’un câble électrique, la matrice peut comprendre une résine sous forme liquide à température ambiante et le procédé comprend une étape de réticulation pour figer la résine à l’issue de l’étape de répartition.
Dans un quatrième objet du procédé de fabrication d’un câble électrique, les particules magnétiques peuvent être en un matériau choisis parmi l’alliage de Cobalt, l’alliage de Fer, la ferrite, l’alliage de fer et de nickel, l’alliage de fer et de silicium, et un mélange de différents alliages.
Dans un cinquième objet du procédé de fabrication d’un câble électrique, les particules magnétiques peuvent avoir une taille comprise entre un nanomètre et un millimètre, et de préférence comprise entre quelques micromètres à quelques centaines de micromètres.
Dans un sixième objet du procédé de fabrication d’un câble électrique, la concentration volumique des particules dans la matrice organique peut être comprise entre 1% et 70%, et de préférence entre 5% et 40%.
Dans un septième objet du procédé de fabrication d’un câble électrique, la force centrifuge peut être appliquée sur le matériau composite à l’aide d’un dispositif d’extrusion simultanément à l’insertion de l’âme dans le matériau composite.
Dans un huitième objet du procédé de fabrication d’un câble électrique, les particules magnétiques peuvent posséder des tailles différentes.
Selon un autre objet de l’invention, il est proposé un câble électrique blindé comprenant une âme électriquement conductrice et une gaine à blindage électromagnétique cylindrique définissant une direction axiale et une direction radiale et disposé radialement autour de l’âme, ladite gaine comprenant un matériau composite présentant une région tubulaire électriquement isolante entourant l’âme, et une région tubulaire magnétiquement isolante disposée radialement à l’extérieure de la région électriquement isolante.
Selon une caractéristique générale de l’invention, le matériau composite comprend une matrice et des particules magnétiques réparties à l’intérieure de la matrice, la concentration volumique des particules magnétiques dans la matrice augmentant dans la direction radiale en s’éloignant de l’âme conductrice.
La figure 1 est une représentation schématique d’un câble électrique selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 2 représente un organigramme d’un procédé de fabrication du câble électrique de la figure 1 selon un mode de mise en œuvre de l’invention.
Sur la figure 1 est représenté un câble électrique blindé selon un mode de réalisation de l’invention.
Le câble électrique 1 comprend une âme 2 électriquement conductrice et une gaine 3 à blindage électromagnétique entourant l’âme 2. La gaine 3 présente une forme cylindrique à l’intérieur de laquelle s’étend l’âme 2 le long d’un axe X de symétrie cylindrique du câble 1. La forme cylindrique de la gaine 3, et donc du câble 1, définit ainsi une direction axiale DAle long de laquelle l’axe de symétrie cylindrique X s’étend, et une direction radiale DR.
L’âme 2 est en matériau métallique tel que du cuivre.
La gaine 3 comprend un seul et même matériau composite formé à partir d’une matrice polymérique dans laquelle ont été injectées des particules magnétiques. Les particules magnétiques de la gaine 3 sont réparties graduellement dans la direction radiale DRdans la matrice polymérique. Plus précisément, la concentration volumique des particules magnétiques dans la matrice polymérique augmente graduellement, voire continuellement, de l’intérieur vers l’extérieur dans la direction radiale DR.
La gaine 3 comprend ainsi une première région 4 tubulaire électriquement isolante entourant l’âme 2 et une seconde région 5 tubulaire magnétiquement isolante disposée radialement à l’extérieure de la première région 4 électriquement isolante. La première région tubulaire 4 est directement en contact avec l’âme 2 et s’étend depuis la surface radiale interne de la gaine 3 qui est en contact avec l’âme 2 vers l’extérieur, c’est-à-dire vers la surface radialement externe de la gaine 3. La seconde région tubulaire 5 s’étend elle depuis la surface radialement externe de la gaine vers l’intérieur de la gaine selon la direction radiale DR.
Sur la figure 2 est représenté un organigramme un organigramme d’un procédé de fabrication du câble électrique de la figure 1 selon un mode de mise en œuvre de l’invention.
Le procédé de fabrication du câble électrique blindé 1 comprend, dans une première étape 100, une élaboration d’un matériau composite par l’ajout de particules magnétiques dans une matrice telle qu’une matrice polymère voire organique.
Dans une étape suivante 200, le procédé comprend une répartition hétérogène des particules magnétiques à l’intérieur du matériau composite par application d’une force centrifuge sur le matériau composite jusqu’à l’obtention d’un matériau composite dont la concentration volumique des particules magnétiques dans la matrice augmente dans la direction radiale DRen s’éloignant de l’âme conductrice 2 du câble 1.
La force centrifuge Fcenva dépendre de la vitesse de rotation, de la taille des particules, R, et du diamètre du câble :
avec m la masse en kilogramme, ω la vitesse angulaire en radian par seconde, v, la vitesse linéaire sur la trajectoire tangente en mètre par seconde, et R, la distance entre l’axe de rotation et le centre de gravité de l’échantillon.
Sur les particules en suspension, deux autres forces s’opposent à la force centrifuge : la force de sédimentation et la force de friction. Les particules s’éloignent de l’axe de rotation dans un champ centrifuge lorsque la force de centrifugation est plus élevée que les deux autres
Enfin, dans une dernière étape 300, le procédé comprend une insertion d’une âme 2 électriquement conductrice dans le matériau composite par extrusion du matériau composite autour de l’âme 2.
Lorsqu’une résine, de type matériau thermodurcissable, est utilisée comme matrice, le procédé comprend en outre une étape de réticulation pour figer la résine à l’issue de l’étape de répartition.
La concentration volumique globale des particules dans la matrice organique est comprise entre 5% et 40%. Par concentration volumique globale, on entend la concentration volumique moyenne dans la gaine 3.
Le câble ainsi réalisé selon le procédé de l’invention présente dans une seule matrice organique, d’une part, une concentration nulle de particules magnétiques à l’interface avec l’âme 2 du câble 1 et, d’autre part, une concentration maximale de particules magnétiques à la périphérie radiale du câble 1.
En partant d’une concentration volumique globale de particules de 10 %. Il est possible d’atteindre dans la couche externe une concentration qui dépasse les 50% garantissant un bon blindage magnétique et une concentration nulle dans la couche en contact avec l’âme 2 garantissant ainsi une bonne isolation électrique.
Le passage entre les deux concentrations peut se faire progressivement en utilisant des particules ayant des tailles différentes et qui peuvent aussi être de nature différente. Ce passage progressif permet de réduire la variation brusque des propriétés mécaniques et électriques améliorant ainsi les performances des câbles.
L’invention fournit ainsi un procédé de fabrication d’un câble électrique à blindage électromagnétique pour des applications à basses fréquences avec des propriétés mécaniques et électriques améliorées.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d’un câble électrique blindé (1) comprenant une âme (2) électriquement conductrice et une gaine (3) de blindage électromagnétique cylindrique définissant une direction axiale (DA) et une direction radiale (DR) et disposé radialement autour de l’âme (2), ladite gaine (3) comprenant un matériau composite présentant une région tubulaire électriquement isolante (4) entourant l’âme, et une région tubulaire magnétiquement isolante (5) disposée radialement à l’extérieure de la région électriquement isolante (4),
    caractérisé en ce que le procédé comprend :
    - une élaboration (100) d’un cylindre de matériau composite par ajout de particules magnétiques à une matrice organique,
    - une répartition (200) hétérogène des particules magnétiques à l’intérieur du matériau composite par application d’une force centrifuge sur le matériau composite jusqu’à l’obtention d’un matériau composite dont la concentration volumique des particules magnétiques dans la matrice organique augmente dans la direction radiale en s’éloignant de l’axe de révolution (X) du cylindre, et
    - une insertion (300) d’une âme (2) électriquement conductrice dans le matériau composite par extrusion du matériau composite.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la concentration volumique des particules magnétiques dans la matrice organique augmente de manière continue dans la direction radiale (DR) en s’éloignant de l’âme conductrice (2).
  3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la matrice comprend un matériau thermoplastique chauffé au-delà de sa température de fusion, le matériau thermoplastique étant choisi parmi l’éthylène tétrafluoroéthylène, le polyimide, le polyamide, le polyamide-imide, le polytetrafluoro ethylene, et le polyétheréthercétone.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la matrice comprend une résine sous forme liquide à température ambiante et le procédé comprend une étape de réticulation pour figer la résine à l’issue de l’étape de répartition.
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel les particules magnétiques sont en un matériau choisis parmi l’alliage de Cobalt, l’alliage de Fer, la ferrite, l’alliage de fer et de nickel, l’alliage de fer et de silicium, et un mélange de différents alliages.
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel les particules magnétiques ont une taille comprise entre un nanomètre et un millimètre, et de préférence comprise entre quelques micromètres à quelques centaines de micromètres.
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la concentration volumique des particules dans la matrice organique est comprise entre 1% et 70%, et de préférence entre 5% et 40%.
  8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la force centrifuge est appliquée sur le matériau composite à l’aide d’un dispositif d’extrusion simultanément à l’insertion de l’âme dans le matériau composite.
  9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel les particules magnétiques possèdent des tailles différentes.
  10. Câble électrique blindé (1) comprenant une âme (2) électriquement conductrice et une gaine (3) de blindage électromagnétique cylindrique définissant une direction axiale (DA) et une direction radiale (DR) et disposé radialement autour de l’âme (2), ladite gaine (3) comprenant un matériau composite présentant une région tubulaire électriquement isolante (4) entourant l’âme (2), et une région tubulaire magnétiquement isolante (5) disposée radialement à l’extérieure de la région électriquement isolante (4),
    caractérisé en ce que le matériau composite comprend une matrice organique et des particules magnétiques réparties à l’intérieure de la matrice organique, la concentration volumique des particules magnétiques dans la matrice organique augmentant dans la direction radiale en s’éloignant de l’âme conductrice (2).
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