Dans un marché de plus en plus concurrentiel comme celui de l’industrie des câbles électriques, la simulation numérique est un bon moyen pour se démarquer de la concurrence. Nexans, l’un des leaders mondiaux du secteur, propose des produits toujours plus optimisés avec COMSOL Multiphysics®.

Les câbles électriques se nichent absolument partout! 5km dans une voiture, 30km dans un bâtiment ou encore plus de 650km dans un avion... En Europe, ce marché subit d'une part une augmentation continue du coût des matières premières, en particulier des matières plastiques, et d'autre part une concurrence de plus en plus forte d'origine chinoise et coréenne. En parallèle, la concentration dans le secteur se poursuit et se démarquer de la concurrence devient vital. Chez Nexans, le choix a été fait de compléter les produits par des services, afin de proposer du conseil au client pour l'optimisation de sa configuration de câble. A la clé, des gains en coût de matériel, d'installation et/ou d'exploitation.

Un point important est que la puissance électrique délivrée par un câble dépend de son environnement. Selon que le câble est enterré ou dans l'air, la puissance électrique sera différente. Tout simplement parce que la chaleur, produite par le passage du courant électrique dans le câble, se dissipe différemment dans l'air ou dans le sol. Bien sûr il est préférable qu'un câble ne surchauffe pas! D'autres phénomènes physiques sont à prendre en compte pour respecter les règlementations en vigueur: principalement limiter l'amplitude des champs électrique et magnétique à proximité des installations électriques, et limiter les effets d'induction du champ magnétique dans les structures métalliques proches (et réduire les pertes associées).

Le dimensionnement d'un câble selon son application repose sur l'utilisation de standards, souvent issus des travaux de la Commission Electrotechnique Internationale (IEC). Actuellement, dans la plupart des cas, ces standards permettent de répondre au cahier des charges, mais avec une forte probabilité de surdimensionnement. Par exemple un diamètre de câble plus important que nécessaire pour transporter la puissance électrique demandée. La simulation est ici un atout pour aller au delà des standards, qui s'appuient sur des calculs analytiques, très approchés en dehors des cas types. Au Nexans Research Center, c'est le travail du service Product Performance Simulation de mieux comprendre les phénomènes en jeu dans le transport du courant dans les câbles. Il s'agit in fine de proposer des méthodologies adaptées à chaque application. Selon l'environnement thermique, les fréquences en jeu, l'équipe dispose d'une palette de modèles développés avec COMSOL Multiphysics©, impliquant le transfert de chaleur par conduction, convection et rayonnement, et les champs électriques et magnétiques.

Par exemple, pour du transport de courant destiné à la motorisation d'un train, les standards conduisent à une section de conducteur de cuivre de 300mm2, alors qu'une première simulation statique en transfert de chaleur modélisant plus fidèlement l'environnement des câbles montre que 240mm2 suffisent. Si l'on prend en compte la variation dans le temps du courant électrique (le train ne roule pas à une vitesse constante !), on aboutit à une section pertinente de 185mm2, soit un gain de près de 40% sur le coût du câble. C'est tout l'intérêt de l'environnement de simulation COMSOL de regrouper dans la même interface les différentes physiques potentiellement en jeu, et de pouvoir ajouter ou retirer en fonction des besoins tel ou tel terme, tel ou tel couplage. Bien sûr, ces calculs s'appuient sur des données fournies par d'autres services du Nexans Research Center, notamment des mesures des propriétés électriques et thermiques des matériaux. Les mesures permettent également de valider les modèles numériques, qui deviennent alors prédictifs pour de nouvelles applications.

La simulation est aussi utilisée pour des aspects de compréhension, comme les processus de vieillissement des câbles. Ces derniers sont actuellement mal compris, ce qui conduit à un surdimensionnement. Par rapport à l'utilisation des standards, la simulation multiphysique permet d'appliquer les méthodologies à plus de cas en gardant un bon niveau de fiabilité et de précision. C'est une ressource clé pour les développements produits et le conseil client. Une occasion de se démarquer de la concurrence.