Analyse de la résistance d'un conducteur électrique en fonction des paramètres du procédé d'écrouissage et de sa déométrie

Dans le contexte économique actuel, l’industrie du câble électrique est confrontée à des défis techniques et économiques. En effet, en raison de la mondialisation des marchés mondiaux et de la hausse continue du prix des matières premières nécessaires à la fabrication des câbles électriques, notamment le cuivre, les industriels doivent adapter leurs modèles économiques afin d'assurer la pérennité de leurs activités. Ils doivent donc mettre en place une stratégie globale pour améliorer les performances des procédés de fabrication d'une part et, d'autre part, optimiser les paramètres de conception des câbles électriques. L’objectif s’inscrit dans une démarche d’optimisation de la consommation de matières premières tout en respectant le cadre d’exigences normatives pour les câbles électriques. Cependant, cet objectif ne peut être atteint sans une compréhension fine des phénomènes électriques qui prévalent dans les structures des câbles. Pour cela, l’étude des procédés de fabrication et des paramètres de conception est essentielle afin d’identifier et quantifier leurs impacts sur le comportement électrique, et plus précisément sur la résistance électrique totale des câbles. Ces derniers sont généralement constitués d'une âme conductrice en cuivre ou en aluminium et d'une ou plusieurs couches de protection en matériaux diélectriques et/ou métalliques. Les recherches sont principalement axées sur l'étude de la partie conductrice du câble. Celui-ci est constitué de brins unitaires assemblés en couches concentriques successives. La forme des brins peut être circulaire, profilée, triangulaire, ovale, etc. Généralement, l'âme conductrice est fabriquée à l'aide de procédés de déformation à froid, tels que le câblage et le compactage. Lors de ces opérations, il subit des déformations plastiques de manière à atteindre des spécifications géométriques bien déterminées. Ces déformations résultent des champs de contraintes générés par les forces de traction, de torsion, de compression et de frottement propres aux procédés de fabrication. Il est admis que ces déformations influencent le comportement mécanique et électrique de l'âme conductrice. D'un point de vue mécanique, les déformations plastiques des brins unitaires conduisent à un durcissement par écrouissage du matériau modifiant ainsi ses propriétés mécaniques globales. Il en résulte une augmentation de la limite élastique du matériau et une rigidité mécanique en traction plus prononcée de l'âme conductrice. Il est bien entendu que les modifications constatées ne sont pas les mêmes d'une conception à l'autre. Ils dépendent alors de paramètres de conception, tels que le nombre et la forme des torons élémentaires, le nombre de couches, le pas de câblage, le sens du câblage, le taux de compaction (taux de compression du noyau), la forme et la taille des inter- zones de contact des brins. D'un point de vue électrique, toutes ces variations doivent être étudiées afin de quantifier leurs impacts, à la fois sur la conductivité électrique du matériau, la répartition du courant et la résistance électrique totale du câble. Les recherches portent sur l'analyse du comportement électrique des brins conducteurs des câbles électriques, et plus particulièrement sur leur résistance électrique totale.
L'analyse portera principalement sur l'étude de la résistance électrique en mode stationnaire (courant continu). Les objectifs industriels s’articulent autour des points suivants :
 Comprendre les phénomènes électriques qui règnent dans les âmes conductrices,
 Dimensionner les âmes conductrices pour obtenir une résistance électrique spécifique,
 Réduire la consommation de matières premières, notamment de cuivre.
Afin d'atteindre ces objectifs, l'utilisation d'outils de calcul basés sur des modèles numériques pour prédire le comportement mécanique et électrique des conducteurs.
Dans un premier temps, la reproduction des processus de câblage et de compactage permettra de se rapprocher des champs de déformation de l'âme conductrice et de la forme réelle des zones de contact inter-brins. Dans un deuxième temps, l'analyse électrique déterminera leurs influences sur la conduction du courant et donc sur la résistance électrique totale de l'âme conductrice.
Ces modèles, basés sur la méthode des éléments finis, seront utilisés pour quantifier l'influence des paramètres des procédés de câblage et de compactage sur les propriétés électriques des âmes conductrices. Les résultats des simulations serviront à établir un ensemble de paramètres de conception afin d'optimiser la consommation de la matière première.
L'âme conductrice subit des déformations plastiques par écrouissage du matériau lors de la fabrication ; il sera alors utile d'analyser leurs influences sur la conductivité électrique du matériau.
D'un point de vue cristallographique, ces déformations plastiques sont dues à la formation, à la multiplication et au déplacement de défauts linéaires mobiles dans le réseau cristallin du métal.
Ces défauts sont appelés luxations. Le nombre croissant de dislocations produites lors des déformations plastiques et leur interaction entre elles (ou avec des impuretés, précipités, etc.) conduit à réduire leur mobilité. Il en résulte un durcissement de la structure métallurgique du métal.
Ce phénomène est appelé « durcissement ». Cela entraîne également une diminution de la taille des grains augmentant ainsi le nombre de joints de grains dans la structure métallique.
De plus, les défauts et lacunes contenus dans le réseau cristallin du métal, constituent des obstacles vis-à-vis des porteurs de charges électriques (électrons).
Ces variations provoquent une dégradation de la conductivité électrique du matériau, mais également une répartition inégale de celle-ci dans la section de l'âme conductrice.
La résistance électrique de contact et la variation de conductivité électrique en fonction de l'écrouissage du matériau seront caractérisées expérimentalement.
Ensuite, ces dernières seront utilisées dans des modèles numériques en définissant une stratégie de couplage mécano-électrique, permettant ainsi de prendre en compte l'influence de la résistance de contact et de l'écrouissage sur la résistance électrique totale des câbles.