EP4073916A1 - Pastille supraconductrice comprenant une cavité et machine électrique associée - Google Patents

Pastille supraconductrice comprenant une cavité et machine électrique associée

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EP4073916A1
EP4073916A1 EP20841989.5A EP20841989A EP4073916A1 EP 4073916 A1 EP4073916 A1 EP 4073916A1 EP 20841989 A EP20841989 A EP 20841989A EP 4073916 A1 EP4073916 A1 EP 4073916A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
additional
edge
wall
superconducting
cavity
Prior art date
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Pending
Application number
EP20841989.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Sabrina Siham AYAT
Alexandre COLLE
Rémy BIAUJAUD
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut National Polytechnique de Lorraine
Safran SA
Original Assignee
Institut National Polytechnique de Lorraine
Safran SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut National Polytechnique de Lorraine, Safran SA filed Critical Institut National Polytechnique de Lorraine
Publication of EP4073916A1 publication Critical patent/EP4073916A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
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    • H02K1/18—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures
    • H02K1/182—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures to stators axially facing the rotor, i.e. with axial or conical air gap
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • TITLE Superconducting pellet comprising a cavity and associated electrical machine
  • the present invention relates to the field of electrical machines comprising superconducting pellets, which can in particular be used in aircraft.
  • the invention applies to electrical machines comprising magnetized or non-magnetized pellets, to electrical machines with superconducting magnets or to superconducting flux barriers, to fully superconducting machines (superconducting armature and inductor) or partially superconducting (armature or superconducting inductor) as well as superconducting machines with radial, linear or axial flow.
  • a superconducting material is a material which, when cooled to a temperature below its critical temperature, exhibits zero resistivity thus offering the possibility of circulating continuous currents without losses. From this, several phenomena arise from it such as the diamagnetic response to any variation in the magnetic field, allowing excellent magnetic shielding to be achieved.
  • an electric machine comprises an inductor and an armature.
  • the inductor comprises an HTC coil made with HTC wires which generates a magnetic field modulated by superconducting pellets, which act as magnetic screens.
  • the armature for its part, comprises a three-phase copper winding system which rests on a ferromagnetic or non-magnetic support. The rotation of the screens varies the magnetic field and induces, by Lenz's law, an electromotive force in the winding.
  • the sizing of such a machine leads to an axial flow structure without a rotating feed system (ring / brush type). Maintenance and safety problems, brought about by a rotating ring / brush system, are therefore avoided.
  • This electrical machine is partially superconducting insofar as only the inductor is made of a superconductive material, as opposed to a fully superconducting machine, all of the active parts of which are designed with superconducting materials.
  • the term “inductor” will denote the coil HTC and the superconducting pellets configured to modify the magnetic flux created by the coil HTC. It will be noted that, in a superconducting electrical machine with flux barriers, the diamagnetic behavior of the superconducting pellets is used when they are cooled out of field.
  • the superconducting pellets are in this case non-magnetized and form a screen (screening) which deflects the field lines when they are immersed in a magnetic field. The magnetic field is then concentrated and of high amplitude between the non-magnetized and weak superconducting pellets downstream thereof.
  • the superconducting pellets can be magnetized and form superconducting magnets. We then speak of a machine with superconducting magnets.
  • the pellets are made of YBCO (English acronym for Yttrium Barium Copper Oxide for mixed oxides of Barium, Copper and Yttrium), GdBCO (English acronym for Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen), and / or NbTi (for niobium-titanium) which in particular have very good screening characteristics.
  • YBCO Yttrium Barium Copper Oxide for mixed oxides of Barium, Copper and Yttrium
  • GdBCO English acronym for Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen
  • NbTi for niobium-titanium
  • Pellets are generally obtained through the process of germ growth. Reference may be made in particular to the article by M. Morita, H. Teshima, and H. Hirano, “Development of oxide superconductors”, Nippon Steel Technical Report, vol. 93, p. 18-23, 2006 for more details on this process.
  • this type of process consists in forming a crystal by gradually adding material to the surface of a pre-existing seed.
  • the pellets thus obtained are therefore generally of circular or rectangular shapes.
  • the inter-grain connection associated with this manufacturing process tends to decrease the performance of the pellets.
  • the distribution of the magnetic flux depends directly on the shape of the screen which opposes (machines with flux barriers) or guides (machine with superconducting magnets) the passage of the flux.
  • the circular shape of the superconducting pellets does not make it possible to maximize the torque density of the electric machine or its weight.
  • One aim of the invention is to optimize a superconducting machine as a function of its main dimensioning criterion, for example its torque density, its mass or its manufacturing complexity.
  • the invention applies to any type of superconducting machine, which includes in particular partially superconducting or fully superconducting machines, with flux barriers or with superconducting magnets, with radial, linear or axial flux.
  • a superconducting pellet for a superconducting electrical machine, said superconducting pellet having a circumferential wall, said circumferential wall having:
  • the additional wall covers the first edge or is flush with said first edge so as to at least partially cover the cavity, or extends from the internal face at a distance from the first edge and the second edge so as to divide the cavity. in two parts.
  • the additional wall covers the first edge or is flush with said first edge so as to at least partially cover the cavity and the superconducting pellet comprises furthermore, a second additional wall covering the second edge or flush with said second edge so as to at least partially close the cavity;
  • the additional wall covers the first border and the second additional wall covers the second border;
  • the superconducting pellet further comprises at least one additional third wall which extends from the internal face at a distance from the first edge and from the second edge so as to divide the cavity into two parts;
  • the additional wall, the second additional wall and the at least one third additional wall have an identical thickness; at least one of the first additional, the second additional wall and the at least one third additional wall comprises a through orifice; at least one of the first additional, the second additional wall and at least one third additional wall is devoid of a through orifice; each of the first additional, the second additional wall and the at least one third additional wall comprises a through orifice;
  • the invention provides a method of manufacturing a superconducting chip according to the first aspect, said method comprising the following steps:
  • step S3 comprising one of the following sub-steps:
  • 533 fix the additional wall against the internal face so as to be flush with the first edge and at least partially cover the cavity.
  • step S3 comprises steps S32 and S33 so as to fix both a wall additional on the first edge or against the internal face so as to be flush with the first edge and an additional wall or against the internal face so as to be flush with the second edge in order to at least partially close the cavity; the method further comprises step S32; step S32 is repeated so as to fix several additional walls against the internal face of the circumferential wall, at a distance from the first border and from the second border so as to divide the cavity into several parts; the method further comprises a sub-step of producing a through orifice in all or part of the additional walls; the method further comprises a sub-step of producing a through orifice in the additional wall.
  • the invention provides a superconducting electrical machine comprising an inductor comprising at least one superconducting pellet according to the first aspect and an armature.
  • the invention provides an aircraft comprising an electric machine according to the third aspect.
  • Figure 1 is an exploded and schematic view of an example of an axial flow electric machine according to one embodiment of the invention.
  • Figure 2a is a three-dimensional finite element electromagnetic model of a prior art superconducting chip immersed in a fixed amplitude magnetic field, where lines of magnetic flux have been shown.
  • Figure 2b shows the three-dimensional finite element electromagnetic model of the superconducting chip of Figure 2a), where magnetic flux isolines have been shown.
  • Fig. 3a is a three-dimensional finite element electromagnetic model of a superconducting chip according to the first embodiment immersed in a magnetic field of fixed amplitude, where lines of magnetic flux have been shown.
  • FIG. 4 illustrates the variation of the axial component of the induced magnetic field (B Z (T)) as a function of the angular position (rad) of the rotor of the electric machine of FIG. 1, said variation being calculated via a three-dimensional electromagnetic model finite element of an electric machine, when the electric machine comprises the superconducting pellets illustrated in Figures 2a) and 2b) (Solid) or in Figures 3a) and 3b) (Hollow).
  • Figures 5a) and 5b) illustrate two elements forming the superconducting chip according to a second embodiment of the invention and shown in Figure 5c).
  • Figure 6 is a sectional view of a third embodiment of a superconducting chip according to the invention.
  • FIG. 7 is a flowchart of steps of an example of a method of manufacturing superconducting pellets according to one embodiment of the invention.
  • Figures 8 and 9 are sectional views of a fourth embodiment of a superconducting chip according to the invention.
  • Figure 1 is schematically shown an electric machine 1 with axial flux superconducting flux barriers according to one embodiment of the invention, conventionally comprising a rotating part, or rotor, and a fixed part, or stator.
  • the superconducting axial flow electrical machine 1 comprises an armature 2 and an inductor 3.
  • the armature 2 comprises an arrangement 4 of non-superconducting electromagnetic coils 5, generally made of copper, defining an axial direction X, a direction circumferential and a radial direction.
  • the inductor 3 comprises a superconducting coil 6 coaxial with the arrangement 4 of the electromagnetic coils 5 of the armature 2 and the superconducting pellets 7 arranged in the same plane orthogonal to the axial direction X and radially inside the superconducting coil 6.
  • the inductor 3 further comprises a stator yoke comprising an iron ring 8.
  • the rotor is formed by the superconducting pellets 7 which are rotated around an axis of rotation extending in the direction.
  • axial X The stator is formed by the arrangement 4 of electromagnetic coils 5 and the superconducting coil 6.
  • the superconducting pellets 7 are made of a superconducting material and are distributed equidistantly around the axis of rotation, which allows a spatial variation of the electromagnetic field in the air gap.
  • the superconducting pellets 7 are non-magnetized.
  • the superconducting pellets 7 could be magnetized.
  • the pellets are made of YBCO (English acronym for Yttrium Barium Copper Oxide for Mixed Oxides of Barium, Copper and Yttrium), GdBCO (English acronym for Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen), and / or NbTi (for niobium-titanium).
  • the superconducting coil 6 of the inductor 3 is a static superconducting coil supplied with direct current.
  • the electrical machine 1 comprises a yoke 4
  • the latter ensures mechanical strength of the electromagnetic coils 5 and guarantees a larger cooling surface.
  • inductor 2 is superconducting while armature 3 is non-superconducting.
  • a conventional superconducting pellet has, in a manner known per se, the shape of a disc. By their manufacturing process, the discs are solid (solid).
  • the invention proposes to adapt the shape of the superconducting pellet 7 to the penetration thickness of the magnetic field in the pellet 7.
  • the superconducting pellet 7 comprises a circumferential wall 8, said circumferential wall 8 having:
  • the internal face 11 extends radially inside the external face 12.
  • the superconducting pellet 7 is therefore hollow in that it has a cavity 13 which, as will be seen in what follows, may open out (figure 5c), through ( Figures 3a) and 3b) or enclosed in the superconducting pellet 7 ( Figure 6).
  • the cavity is preferably empty (devoid of material).
  • the cavity 13 of the superconducting pellet 7 is dimensioned so as to maximize the power of the variation of the magnetic field during the rotation of the rotor, while minimizing the mass of the superconducting pellets 7 in order to allow a increase in the rotational speed of the rotor.
  • the realization of a superconducting pellet 7 with a cavity 13 reduces the mass of the superconducting pellet 7.
  • the absence of material at the level of the cavity 13 in the pellet. superconducting 7 can affect the modulation of the magnetic field flux, and therefore the power of the electric motor.
  • Figure 2a shows the distribution of the magnetic field lines near a conventional superconducting pellet 7 (solid disk) obtained by a three-dimensional finite element electromagnetic model (H-formulation).
  • H-formulation three-dimensional finite element electromagnetic model
  • the radius of the conventional superconducting pellet is here 4 cm.
  • This conventional superconducting pellet is immersed in a magnetic field of 3 T (Tesla) and has a critical current density of 1000 A / mm 2 . Due to Lenz's law and the properties of superconducting materials, a screening current is developed from the periphery of the superconducting pellet to cancel the internal magnetic field.
  • the penetration thickness depends on the strength of the magnetic field in which the superconducting pellet is immersed, as well as on the intrinsic electrical properties of the pellet. It can be noted that, in FIG. 2a), the penetration thickness is greater along the r axis than along the z axis. The penetration thickness along the z axis is therefore proportional to the distance from the center of the conventional superconducting pellet.
  • Figure 2a) also highlights how the field lines are deflected by the conventional superconducting chip.
  • FIG. 3a shows the distribution of the magnetic field lines near a superconducting pellet 7 in accordance with a first embodiment of the invention, obtained with the same three-dimensional electromagnetic model with finite elements (H-formulation) .
  • the cavity 13 of the superconducting pellet 7 is through and opens at both the first edge 9 and the second edge 10.
  • the superconducting pellet 7 forms a ring.
  • FIGS. 3a) and 3b a portion of the superconducting chip 7 has been omitted in order to allow visualization of the magnetic flux lines and of the magnetic flux isolines within the superconducting chip 7. It will be understood, however, that the superconducting chip 7 forms a complete ring and that the cavity 13 does not open into the external face 12 of the circumferential wall 8.
  • FIG. 4 represents the induction for a given electrical machine comprising superconducting pellets 7 conforming to FIGS. 2a) and 2b (full curve) and for this same electrical machine in which the superconducting pellets 7 conforming to the first embodiment of FIGS. 3a) and 3b are used (Hollow curve).
  • the presence of the cavity 13 in the superconducting pellets 7 in accordance with the first embodiment of the invention affects the modulation of the magnetic flux.
  • the variation of the axial component of the induced magnetic field B Z (T) of the superconducting pellets 7 according to the first embodiment is reduced by 30% compared to the variation of the magnetic field induced with conventional superconducting pellets 7.
  • the low penetration thickness along the z axis contributes not insignificantly to the screening of the flow.
  • the superconducting pellet 7 further comprises at least one additional wall 16 extending from the internal face 11 of the circumferential wall 8, within the cavity 13.
  • the additional wall 16 can be an internal wall placed at a distance from the first edge 9 and from the second edge 10, as illustrated in Figure c), so as to divide the cavity 13 into two parts (of equal or different volume) or as a variant be an outer wall which is flush with the first edge 9 or the second edge 10 and thus at least partially blocks the cavity 13 at the level of one of said edges 9, 10.
  • the face of the additional wall 16 which is opposite the cavity 13 extends in the extension of the edge 9, 10 so that it is flush to form a substantially smooth surface.
  • This embodiment thus makes it possible to obtain a superconducting pellet 7 with a cavity 13 and the additional wall 16 which forms a screen, which has the effect of increasing the screening of the magnetic flux for Q belonging to [0.4 rad; 0.9 rad] in comparison with a superconducting chip 7 according to the first embodiment.
  • the mass of the superconducting pellet according to this second embodiment remains lower than that of the conventional superconducting pellets 7.
  • This second embodiment therefore forms a better screening / mass compromise than the first embodiment.
  • the superconducting pellet 7 may comprise a first additional wall 16 flush with the first edge 9 and a second additional wall 16 flush with the second edge 10.
  • the screening is then substantially comparable to that obtained with a conventional superconducting pellet 7, while reducing its mass.
  • the variation of the axial component of the induced magnetic field B Z (T) of the superconducting pellets 7 conforming to this variant embodiment is substantially equal to that of the conventional superconducting pellets 7.
  • the mass of the superconducting pellets 7 being reduced, it is possible to increase the speed of rotation of the rotor and therefore to improve the power of the electric motor in comparison with conventional electric motors.
  • This variant embodiment therefore forms an even better screening / mass compromise.
  • the additional wall 14, 15, 16 has a height h a and a radius r, while the outer face 12 of the superconducting pellet 7 has a height h p and a radius R.
  • the thickness of the superconducting pellet, which corresponds to Rr, is also called e p.
  • a v Preferably: a p £ 0.25 h p ⁇ e p and a to £ 0.025
  • the superconducting pellet 7 further comprises at least one additional wall 14, 15, or external wall 14, 15, attached and fixed to at least one of the first edge 9 and the second border 10.
  • This embodiment thus makes it possible to obtain a superconducting pellet 7 with a cavity 13 and at least one external wall 14, 15 which forms a screen, which has the effect of increasing the screening of the magnetic flux for Q belonging to [ 0.4 rad; 0.9 rad] in comparison with a superconducting chip 7 according to the first embodiment.
  • the mass of the superconducting pellet according to this second embodiment remains lower than that of the conventional superconducting pellets 7.
  • a first external wall 14 is attached and fixed to the first edge 9 and a second external wall 15 is added and fixed to the second edge 10 so as to close the cavity 13.
  • the screening obtained by virtue of this superconducting pellet 7 is substantially comparable to that obtained with a conventional superconducting pellet 7, while reducing its mass so that it is possible to increase the rotational speed of the rotor and improve the power of the electric motor.
  • the superconducting pellet 7 comprises both a first external wall 14 attached and fixed to (or flush with) the first edge 9, a second external wall 15 added and fixed to (or flush with) the second edge 10 and at least one additional third wall 16, or internal wall 16, extending within the cavity 13 from the internal face 11 at a distance from the first and the second edge 9, 10 in order to divide the cavity 13 into one or more parts.
  • the superconducting pellet 7 comprises a single internal wall 16, generally centered between the first and the second external wall 14, 15.
  • the cavity 13 is therefore divided into two parts, which are here of equal volume.
  • the outer wall 16 could be positioned so as to divide the cavity 13 into two parts of different volume.
  • the superconducting pellet 7 can comprise a greater number of internal walls 16 (n) which divide the cavity 13 into n-1 parts, which can be of the same volume or of different volumes.
  • n internal walls 16
  • FIG. 9 a superconducting pellet 7 comprising three internal walls 16 which are equally distributed between the first and second outer wall 14, 15.
  • the cavity 13 is therefore divided here into four parts which are of equal volume.
  • the internal walls 16 are symmetrical with respect to the plane of normal vector z (axis of rotation of the superconducting pellet 7).
  • the external 14, 15 and internal 16 walls can have the same thickness.
  • all or part of the outer 14, 15 and inner (s) 16 walls may comprise a through orifice, preferably coaxial with the circumferential wall 8, so as to further reduce the mass of the superconducting pellet 7.
  • This through orifice however reduces the screening of the superconducting pellet 7.
  • the first and / or the second external wall 14, 15 comprises a through orifice and all or part of the internal walls 16 can be without a through-hole, which makes it possible to maintain effective screening of the superconducting pellet 7.
  • the first external wall 14, the second external wall 15 and at least one of the internal walls 16, for example each internal wall 16, can comprise a through orifice in order to reduce the mass of the superconducting pellet 7: in this case, the internal diameter of the orifice passing through the first and second external walls 14, 15 is preferably less than or equal to that of the internal wall or walls 16 in order to limit the reduction in screening.
  • the internal diameter of the through-hole of the first and second outer walls 14, 15 is less than or equal to the internal diameter of the through-hole through the walls. internal. If necessary, the internal diameter of the internal walls 16 can be different. Typically, the further an inner wall 16 is from the outer wall 14 or 15, the larger its diameter.
  • the internal diameter of the internal wall 16 located in the middle of the cavity 13 is greater than the internal diameter of the through holes of the internal walls 16 which surround it. .
  • This configuration thus makes it possible to improve the screening while reducing the mass of the superconducting pellet 7.
  • the internal diameter of all the through orifices can be equal in order to reduce their mass and to simplify their production.
  • the superconducting pellets 7 in accordance with the invention are obtained according to a manufacturing process S comprising the production of the circumferential wall 8 by leaving the cavity 13 between the first edge 9, the second edge 10 and the internal face 11.
  • the circumferential wall 8 can be obtained conventionally by stacking tapes (or “stack of tapes”).
  • the tapes can be pre-cut so as to form a hole in the center and then stacked until the desired thickness is reached for the circumferential wall 8.
  • thickness we will understand here the distance between the internal face 11 and the external face. 12 of the circumferential wall 8 along an axis radial to the axis of symmetry of the superconducting pellet 7.
  • the circumferential wall 8 is obtained by germ growth.
  • the circumferential wall 8 obtained has the shape of a solid disc. It is therefore necessary to machine it in order to form the cavity 13, for example by drilling.
  • a superconducting pellet 7 comprising a circumferential wall 8 in which is formed a cavity 13 passing through and emerging from the first edge 9 of the circumferential wall 8 to the second edge 10.
  • the method further comprises a step S2 of making at least one additional wall 14, 15, 16.
  • the additional wall 14, 15, 16 can be obtained according to any of the conventional manufacturing methods of superconducting pellets 7, for example by growth of seeds or stacking of ribbons. This additional wall 14, 15, 16 can in fact be considered as a conventional superconducting pellet 7.
  • the additional wall 14, 15, 16 may include a through orifice.
  • the additional wall 14, 15, 16 is then obtained according to the same manufacturing steps described in step S1 as the circumferential wall 8.
  • the through orifice can be formed in all or part of the walls 14, 15, 16 and have an identical internal diameter in each wall 14, 15, 16 or different.
  • step S3 the additional wall or walls 14, 15, 16 obtained in step S2 are assembled, for example by gluing, with the circumferential wall 8.
  • an additional wall 14, 15 16 can: either be fixed against the internal face 11 of the circumferential wall 8, at a distance from the first edge 9 and from the second edge 10 (steps S31), or be attached and fixed to the first edge 9 (step S32). or be fixed against the internal face 11 so as to be flush with the first edge 9 (step S33).
  • steps S32 and S33 can be repeated in order to attach and fix a second additional wall 15, 16 on the second edge 10 or so as to be flush with the second edge 10, in order to close the cavity 13.
  • the method S includes both steps S31, S32 and S33, step
  • S33 can be repeated in order to assemble several internal walls 16 against the internal face 11 of the circumferential wall 8.

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Abstract

La présente invention concerne une pastille supraconductrice (7) pour une machine électrique supraconductrice (1), ladite pastille supraconductrice (7) présentant une paroi circonférentielle (8), ladite paroi circonférentielle présentant: - une première bordure (9) - une deuxième bordure (10) opposée à la première bordure (9) - une face interne (11) reliant la première bordure (9) et la deuxième bordure (10) - une face externe (12) opposée à la face interne (11) et - une cavité (13) formée entre la première bordure (9), la deuxième bordure (10) et délimitée par la face interne (11), et - une paroi supplémentaire (14, 15, 16) qui recouvre la première bordure (9) ou affleure ladite première bordure (9) de sorte à recouvrir au moins partiellement la cavité (13), ou s'étend depuis la face interne (11) à distance de la première bordure (9) et de la deuxième bordure (10) de sorte à diviser la cavité (13) en deux parties.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Pastille supraconductrice comprenant une cavité et machine électrique associée
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine des machines électriques comprenant des pastilles supraconductrices, pouvant notamment être utilisées dans des aéronefs. En particulier, l’invention s’applique aux machines électriques comprenant des pastilles magnétisées ou non-magnétisées, aux machines électriques à aimants supraconducteurs ou à barrières de flux supraconductrices, aux machines entièrement supraconductrices (induit et inducteur supraconducteurs) ou partiellement supraconductrices (induit ou inducteur supraconducteur) ainsi qu’aux machines supraconductrices à flux radial, linéaire ou axial.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Une partie de l’ingénierie se préoccupe des futurs moyens de transport en cherchant à rendre les systèmes plus écologiques. Dans le domaine du transport aérien, différents projets et prototypes ont déjà vu le jour, comme SOLAR IMPULSE ou IΈ-FAN d’Airbus. Les préoccupations environnementales, la réduction de la consommation de carburant et de bruit sont tant de critères qui encouragent l’utilisation de machines électriques. Pour pouvoir supplanter les technologies actuelles, les constructeurs aéronautiques travaillent sur l’augmentation de la puissance massique de ces machines électriques. Ainsi, une étude est conduite sur le gain qu’apporterait les matériaux supraconducteurs HTC (acronyme de haute température critique) pour les actionneurs embarqués.
Un matériau supraconducteur est un matériau qui, lorsqu’il est refroidi à une température inférieure à sa température critique, présente une résistivité nulle offrant ainsi la possibilité de faire circuler des courants continus sans pertes. De cela, plusieurs phénomènes en découlent comme la réponse diamagnétique pour toute variation du champ magnétique, permettant de réaliser d’excellent blindage magnétique.
De manière connue en soi, une machine électrique comprend un inducteur et un induit. L’inducteur comprend une bobine HTC réalisé avec des fils HTC qui génère un champ magnétique modulé par des pastilles supraconductrices, qui font office d’écrans magnétiques. L’induit, quant à lui, comprend un système de bobinage triphasé en cuivre qui repose sur un support ferromagnétique ou amagnétique. La rotation des écrans fait varier le champ magnétique et induit, par la loi de Lenz, une force électromotrice dans le bobinage. Le dimensionnement d’une telle machine conduit à une structure à flux axial sans système d’alimentation tournant (type bague/balais). La maintenance et les problèmes de sécurité, apportés par un système bague/balais tournant, sont donc évités. Cette machine électrique est partiellement supraconductrice dans la mesure où seul l’inducteur est réalisé dans un matériau supraconducteur, par opposition à une machine totalement supraconductrice dont toutes les parties actives sont conçues avec des matériaux supraconducteurs.
Dans ce qui suit, on désignera par « inducteur » la bobine HTC et les pastilles supraconductrices configurées pour modifier le flux magnétique crée par la bobine HTC. On notera que, dans une machine électrique supraconductrice à barrières de flux, on utilise le comportement diamagnétique des pastilles supraconductrices quand elles sont refroidies hors champ. Les pastilles supraconductrices sont dans ce cas non-magnétisées et forment un écran (écrantage) qui dévie les lignes de champ, lorsqu’elles sont plongées dans un champ magnétique. Le champ magnétique est alors concentré et de forte amplitude entre les pastilles supraconductrices non-magnétisées et faible en aval de celles-ci. En variante, les pastilles supraconductrices peuvent être magnétisées et former des aimants supraconducteurs. On parle alors de machine à aimants supraconducteurs.
Généralement, les pastilles sont réalisées en YBCO (acronyme anglais de Yttrium Barium Copper Oxide pour Oxydes mixtes de Baryum, de Cuivre et d'Yttrium), en GdBCO (acronyme anglais de Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen), et/ou en NbTi (pour niobium-titane) qui possèdent notamment de très bonnes caractéristiques d’écrantage.
Les pastilles sont généralement obtenues grâce au procédé de croissance de germe. On pourra notamment se référer à l’article de M. Morita, H. Teshima, et H. Hirano, «Development of oxide superconductors », Nippon Steel Technical Report, vol. 93, p. 18-23, 2006 pour plus de détails sur ce procédé. En particulier, ce type de procédé consiste à former un cristal par adjonction progressive de matière sur la surface d’un germe préexistant. Les pastilles ainsi obtenues sont donc généralement de formes circulaires ou rectangulaires. En variante, il a également été proposé de réaliser les pastilles par frittage. Cependant, la connexion inter-grain associée à ce procédé de fabrication a tendance à diminuer les performances des pastilles. Un autre procédé consiste à utiliser des rubans supraconducteurs (ou « tapes » en anglais) pour la fabrication des pastilles supraconductrices. On parle dans ce cas d’empilements de rubans (ou « stack of tapes » en anglais). Ces pastilles, dont le noyau supraconducteur est renforcé par la matrice des rubans les constituant, présentent une bonne tenue mécanique. Cette bonne tenue mécanique est particulièrement avantageuse lorsque les pastilles sont magnétisées (machine à aimants supraconducteurs).
Dans une machine électrique comprenant des pastilles supraconductrices, la distribution du flux magnétique dépend directement de la forme de l’écran qui s’oppose (machines à barrières de flux) ou guide (machine à aimants supraconducteurs) le passage du flux. Or, la Demanderesse s’est aperçue du fait que la forme circulaire des pastilles supraconductrices ne permettait pas de maximiser la densité de couple de la machine électrique ni son poids.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est d’optimiser une machine supraconductrice en fonction de son critère principal de dimensionnement, par exemple sa densité de couple, sa masse ou encore sa complexité de fabrication.
L’invention s’applique à tout type de machine supraconductrice, qui comprennent notamment les machines partiellement supraconductrices ou totalement supraconductrices, à barrières de flux ou à aimants supraconducteurs, à flux radial, linéaire ou axial.
Il est à cet effet proposé une pastille supraconductrice pour une machine électrique supraconductrice, ladite pastille supraconductrice présentant une paroi circonférentielle, ladite paroi circonférentielle présentant :
- une première bordure
- une deuxième bordure opposée à la première bordure
- une face interne reliant la première bordure et la deuxième bordure
- une face externe opposée à la face interne,
- une cavité formée entre la première bordure, la deuxième bordure et délimitée par la face interne, et
- une paroi supplémentaire.
De plus, la paroi supplémentaire recouvre la première bordure ou affleure ladite première bordure de sorte à recouvrir au moins partiellement la cavité, ou s’étend depuis la face interne à distance de la première bordure et de la deuxième bordure de sorte à diviser la cavité en deux parties.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la pastille supraconductrice selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : la paroi supplémentaire recouvre la première bordure ou affleure ladite première bordure de sorte à recouvrir au moins partiellement la cavité et la pastille supraconductrice comprend en outre une deuxième paroi supplémentaire recouvrant la deuxième bordure ou affleurant ladite deuxième bordure de sorte à fermer au moins partiellement la cavité ; la paroi supplémentaire recouvre la première bordure et la deuxième paroi supplémentaire recouvre la deuxième bordure ; la pastille supraconductrice comprend en outre au moins une troisième paroi supplémentaire qui s’étend depuis la face interne à distance de la première bordure et de la deuxième bordure de sorte à diviser la cavité en deux parties ; la paroi supplémentaire, la deuxième paroi supplémentaire et l’au moins une troisième paroi supplémentaire ont une épaisseur identique ; l’une au moins parmi la première supplémentaire, la deuxième paroi supplémentaire et l’au moins une troisième paroi supplémentaire comprend un orifice traversant ; l’une au moins parmi la première supplémentaire, la deuxième paroi supplémentaire et l’au moins une troisième paroi supplémentaire est dépourvue d’orifice traversant ; chacune parmi la première supplémentaire, la deuxième paroi supplémentaire et l’au moins une troisième paroi supplémentaire comprend un orifice traversant ; un diamètre interne de l’orifice traversant de l’au moins une troisième paroi supplémentaire est supérieur ou égal à un diamètre interne de l’orifice traversant de la paroi supplémentaire et de la deuxième paroi supplémentaire ; la pastille supraconductrice comprend au moins trois troisièmes parois supplémentaires, le diamètre interne de l’orifice traversant des troisièmes parois supplémentaires qui sont adjacentes à la première paroi supplémentaire ou à la deuxième paroi supplémentaire étant inférieur au diamètre interne de l’orifice traversant de la paroi supplémentaire qui est à distance desdites première et deuxième parois supplémentaires ; la paroi supplémentaire comprend un orifice traversant ; et/ou la cavité est traversante de la première bordure à la deuxième bordure.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’une pastille supraconductrice selon le premier aspect, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
51 : réaliser la paroi circonférentielle en ménageant la cavité entre la première bordure, la deuxième bordure et la face interne ;
52 : réaliser au moins une paroi supplémentaire ;
53 : assembler la paroi circonférentielle avec l’au moins une paroi supplémentaire ; l’étape S3 comprenant l’une des sous-étapes suivantes :
531 : fixer la paroi supplémentaire contre la face interne de la paroi circonférentielle, à distance de la première bordure et de la deuxième bordure de sorte à diviser la cavité en deux parties ; ou
532 : fixer la paroi supplémentaire sur la première bordure de sorte à recouvrir au moins partiellement la cavité ; ou
533 : fixer la paroi supplémentaire contre la face interne de sorte à affleurer la première bordure et à recouvrir au moins partiellement la cavité.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du procédé de fabrication selon le deuxième aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : l’étape S3 comprend les étapes S32 et S33 de sorte à fixer à la fois une paroi supplémentaire sur la première bordure ou contre la face interne de sorte à affleurer la première bordure et une paroi supplémentaire ou contre la face interne de sorte à affleurer la deuxième bordure afin de fermer au moins partiellement la cavité ; le procédé comprend en outre l’étape S32 ; l’étape S32 est réitérée de sorte à fixer plusieurs parois supplémentaires contre la face interne de la paroi circonférentielle, à distance de la première bordure et de la deuxième bordure de sorte à diviser la cavité en plusieurs parties ; le procédé comprend en outre une sous-étape de réalisation d’un orifice traversant dans tout ou partie des parois supplémentaires ; le procédé comprend en outre une sous-étape de réalisation d’un orifice traversant dans la paroi supplémentaire.
Selon un troisième aspect, l’invention propose une machine électrique supraconductrice comprenant un inducteur comprenant au moins une pastille supraconductrice selon le premier aspect et un induit.
Selon un quatrième aspect, l’invention propose un aéronef comprenant une machine électrique selon le troisième aspect.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 est une vue explosée et schématique d’un exemple de machine électrique à flux axial selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 2a) est un modèle électromagnétique tridimensionnel à éléments finis d’une pastille supraconductrice conforme à l’art antérieur immergée dans un champ magnétique à amplitude fixe, où des lignes de flux magnétique ont été représentées.
La figure 2b) représente le modèle électromagnétique tridimensionnel à éléments finis de la pastille supraconductrice de la figure 2a), où des isolignes de flux magnétique ont été représentées.
La figure 3a) est un modèle électromagnétique tridimensionnel à éléments finis d’une pastille supraconductrice conforme à premier mode de réalisation immergée dans un champ magnétique à amplitude fixe, où des lignes de flux magnétique ont été représentées.
La figure 3b) représente le modèle électromagnétique tridimensionnel à éléments finis de la pastille supraconductrice de la figure 3a), où des isolignes de flux magnétique ont été représentées. La figure 4 illustre la variation de la composante axiale du champ magnétique induit (BZ(T)) en fonction de la position angulaire (rad) du rotor de la machine électrique de la figure 1 , ladite variation étant calculée via un modèle électromagnétique tridimensionnel à éléments finis d’une machine électrique, lorsque la machine électrique comprend les pastilles supraconductrices illustrées en figures 2a) et 2b) (Plein) ou en figures 3a) et 3b) (Creux).
Les figures 5a) et 5b) illustrent deux éléments formant la pastille supraconductrice conforme à un deuxième mode de réalisation de l’invention et représentée en figure 5c).
La figure 6 est une vue en coupe d’un troisième mode de réalisation d’une pastille supraconductrice conforme à l’invention.
La figure 7 est un organigramme d’étapes d’un exemple de procédé de fabrication de pastilles supraconductrices selon un mode de réalisation de l’invention.
Les figures 8 et 9 sont des vues en coupe d’un quatrième mode de réalisation d’une pastille supraconductrice conforme à l’invention.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Dans ce qui suit, l’invention va être décrite et illustrée dans le cas d’une machine électrique à flux axial partiellement supraconductrice à barrières de flux avec des pastilles non- magnétisées. Comme cela a déjà été indiqué plus haut, ceci n’est cependant pas limitatif, l’invention s’appliquant mutatis mutandis à des machines électriques comprenant des pastilles magnétisées, à des machines électriques à aimants supraconducteurs, à des machines électriques entièrement supraconductrices (induit et inducteur supraconducteurs) ainsi qu’à des machines électriques à flux radial ou linéaire.
Sur la figure 1 est représentée schématiquement une machine électrique 1 à flux axial supraconductrice à barrières de flux selon un mode de réalisation de l’invention, comprenant de manière conventionnelle une partie tournante, ou rotor, et une partie fixe, ou stator.
De manière connue en soi, la machine électrique 1 à flux axial supraconductrice comprend un induit 2 et un inducteur 3. L’induit 2 comporte un agencement 4 de bobines électromagnétiques 5 non supraconductrices, généralement en cuivre, définissant une direction axiale X, une direction circonférentielle et une direction radiale. L’inducteur 3 comporte une bobine supraconductrice 6 coaxiale à l’agencement 4 des bobines électromagnétiques 5 de l’induit 2 et des pastilles supraconductrices 7 disposées dans un même plan orthogonal à la direction axiale X et radialement à l’intérieur de la bobine supraconductrice 6. Optionnellement, l’inducteur 3 comprend en outre une culasse statorique comportant une couronne de fer 8. Ici, le rotor est formé par les pastilles supraconductrices 7 qui sont entraînées en rotation autour d’un axe de rotation s’étendant selon la direction axiale X. Le stator est formé par l’agencement 4 de bobines électromagnétiques 5 et la bobine supraconductrice 6.
Les pastilles supraconductrices 7 sont en matériau supraconducteur et sont réparties de manière équidistante autour de l’axe de rotation, ce qui permet une variation spatiale du champ électromagnétique dans l’entrefer. Ici, les pastilles supraconductrice 7 sont non-magnétisées. En variante, les pastilles supraconductrices 7 pourraient être magnétisées. Par exemple, les pastilles sont réalisées en YBCO (acronyme anglais de Yttrium Barium Copper Oxide pour Oxydes mixtes de Baryum, de Cuivre et d'Yttrium), en GdBCO (acronyme anglais de Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen), et/ou en NbTi (pour niobium-titane).
La bobine supraconductrice 6 de l’inducteur 3 est une bobine supraconductrice statique alimentée en courant continu. Le cas échéant, lorsque la machine électrique 1 comprend une culasse 4, celle-ci assure une tenue mécanique des bobines électromagnétiques 5 et garantit une surface de refroidissement plus importante. En d’autres termes, l’inducteur 2 est supraconducteur tandis que l’induit 3 est non-supraconducteur.
Une pastille supraconductrice conventionnelle présente, de manière connue en soi, la forme d’un disque. De par leur procédé de fabrication, les disques sont pleins (solides).
Afin d’optimiser la machine électrique, l’invention propose d’adapter la forme de la pastille supraconductrice 7 à l’épaisseur de pénétration du champ magnétique dans la pastille 7.
Plus précisément, la pastille supraconductrice 7 comprend une paroi circonférentielle 8, ladite paroi circonférentielle 8 présentant :
- une première bordure 9
- une deuxième bordure 10 opposée à la première bordure 9
- une face interne 11 reliant la première bordure 9 et la deuxième bordure 10
- une face externe 12 opposée à la face interne 11 et
- une cavité 13 formée entre la première bordure 9, la deuxième bordure 10 et délimitée par la face interne 11 de la paroi circonférentielle 8.
La face interne 11 s’étend radialement à l’intérieur de la face externe 12. La pastille supraconductrice 7 est donc creuse en ce qu’elle présente une cavité 13 qui, comme on le verra dans ce qui suit, peut être débouchante (figure 5c), traversante (figures 3a) et 3b) ou enfermée dans la pastille supraconductrice 7 (figure 6). La cavité est de préférence vide (dépourvue de matériau).
Avantageusement, la cavité 13 de la pastille supraconductrice 7 est dimensionnée de sorte à maximiser la puissance de la variation du champ magnétique lors de la rotation du rotor, tout en minimisant la masse des pastilles supraconductrices 7 afin de permettre une augmentation de la vitesse de rotation du rotor. En effet, la réalisation d’une pastille supraconductrice 7 avec une cavité 13 réduit la masse de la pastille supraconductrice 7. Cependant, comme on peut le voir sur la figure 4, l’absence de matière au niveau de la cavité 13 dans la pastille supraconductrice 7 peut affecter la modulation du flux de champ magnétique, et donc la puissance du moteur électrique.
Plus précisément, la majorité du courant dans les pastilles supraconductrices 7 se développe sur une fine longueur de pénétration à partir de ses faces externes. La figure 2a) présente la distribution des lignes de champ magnétique à proximité d’une pastille supraconductrice 7 conventionnelle (disque plein) obtenue par un modèle électromagnétique tridimensionnel à éléments finis (H-formulation). On pourra notamment se référer à l’article de M.D Ainslie ét al., « Modeling and Electrical Measurement of Transport AC Loss in HTS-Based Supercondicting Coils for Electric Machines », IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 21 , n°3, pp 3265-3268, 2011 pour plus de détails sur ce type de modèle.
Le rayon de la pastille supraconductrice conventionnelle est ici de 4 cm. Cette pastille supraconductrice conventionnelle est immergée dans un champ magnétique de 3 T (Tesla) et a une densité de courant critique de 1000 A/mm2. En raison de la loi de Lenz et des propriétés des matériaux supraconducteurs, un courant de filtrage (« screening current » en anglais) est développé à partir de la périphérie de la pastille supraconductrice pour annuler le champ magnétique interne. L’épaisseur de pénétration dépend de l’intensité du champ magnétique dans lequel la pastille supraconductrice est immergée, ainsi que des propriétés électriques intrinsèques de la pastille. On peut noter que, sur la figure 2a), l’épaisseur de pénétration est plus importante suivant l’axe r que suivant l’axe z. L’épaisseur de pénétration suivant l’axe z est donc proportionnelle à la distance au centre de la pastille supraconductrice conventionnelle. La figure 2a) met également en lumière la façon dont les lignes de champ sont déviées par la pastille supraconductrice conventionnelle.
La figure 2b) présente les isolignes de flux magnétique. La densité de flux magnétique derrière les pastilles supraconductrices conventionnelles est très faible, ce qui confirme et illustre le principe d’écrantage décrit plus haut. La variation spatiale du champ magnétique produit par la bobine inductrice, réalisée par la rotation des pastilles supraconductrices au rotor, est primordiale pour le fonctionnement d’une machine électrique à barrières de flux. En effet, pour un fonctionnement de la machine électrique en mode générateur, c’est la variation du champ magnétique qui génère une force électromagnétique dans les bobines statiques de l’induit 2. Si l’épaisseur de pénétration de la pastille supraconductrice est trop élevée, les performances de la machine électrique sont dégradées. En comparaison, la figure 3a) présente la distribution des lignes de champ magnétique à proximité d’une pastille supraconductrice 7 conforme à un premier mode de réalisation de l’invention, obtenue avec le même modèle électromagnétique tridimensionnel à éléments finis (H-formulation).
Dans ce premier mode de réalisation, la cavité 13 de la pastille supraconductrice 7 est traversante et débouche à la fois au niveau de la première bordure 9 et de la deuxième bordure 10. En d’autres termes, la pastille supraconductrice 7 forme un anneau. Sur les figures 3a) et 3b, une portion de la pastille supraconductrice 7 a été omise afin de permettre la visualisation des lignes de flux magnétique et des isolignes de flux magnétique au sein de la pastille supraconductrice 7. On comprendra cependant que la pastille supraconductrice 7 forme un anneau complet et que la cavité 13 ne débouche pas dans la face externe 12 de la paroi circonférentielle 8.
La figure 4 représente l’induction pour une machine électrique donnée comprenant des pastilles supraconductrices 7 conformes au figures 2a) et 2b (courbe Plein) et pour cette même machine électrique dans laquelle les pastilles supraconductrices 7 conformes au premier mode de réalisation des figures 3a) et 3b sont utilisées (courbe Creux). Il ressort que la présence de la cavité 13 dans les pastilles supraconductrices 7 conformes au premier mode de réalisation de l’invention affecte la modulation du flux magnétique. En effet, la variation de la composante axiale du champ magnétique induit BZ(T) des pastilles supraconductrices 7 conformes au premier mode de réalisation est réduite de 30% par rapport à la variation du champ magnétique induit avec des pastilles supraconductrices 7 conventionnelles. Par ailleurs, l’écrantage du flux magnétique est maximal pour un angle Q = 0.4 rad puis diminue pour Q appartenant à [0.4 rad; 0.9 rad]. Ainsi, la faible épaisseur de pénétration selon l’axe z contribue de façon non négligeable à l’écrantage du flux.
Cependant, dans les deux exemples (courbe ‘Plein’ et courbe ‘Creux’), la vitesse de rotation du rotor de la machine électrique est identique. Or, comme cela a été exposé préalablement, cette vitesse de rotation peut être augmentée dans le cas des pastilles supraconductrices 7 de l’invention, les cavités 13 réduisant leur masse. Cette augmentation de la vitesse de rotation du rotor permet donc d’augmenter la puissance du moteur électrique et de compenser, partiellement ou totalement, la réduction de la variation du champ magnétique due à la présence de la cavité 13.
Dans un deuxième mode de réalisation (voir notamment figure 5c)), la pastille supraconductrice 7 comprend en outre au moins une paroi supplémentaire 16 s’étendant depuis la face interne 11 de la paroi circonférentielle 8, au sein de la cavité 13. La paroi supplémentaire 16 peut être une paroi interne placée à distance de la première bordure 9 et de la deuxième bordure 10, comme cela est illustré en Figure c), de sorte à diviser la cavité 13 en deux parties (de volume égal ou différent) ou en variante être une paroi externe qui affleure la première bordure 9 ou la deuxième bordure 10 et bouche ainsi au moins partiellement la cavité 13 au niveau d’une desdites bordures 9, 10. Par affleurer, on comprendra que la face de la paroi supplémentaire 16 qui est opposée à la cavité 13 s’étend dans le prolongement de la bordure 9, 10 de sorte qu’elle affleure pour former une surface sensiblement lisse.
Cette forme de réalisation permet ainsi d’obtenir une pastille supraconductrice 7 avec une cavité 13 et la paroi supplémentaire 16 qui forme un écran, ce qui a pour effet d’augmenter l’écrantage du flux magnétique pour Q appartenant à [0.4 rad; 0.9 rad] en comparaison avec une pastille supraconductrice 7 conforme au premier mode de réalisation. Simultanément, la masse de la pastille supraconductrice conforme à ce deuxième mode de réalisation reste inférieure à celle des pastilles supraconductrices 7 conventionnelles. Ce deuxième mode de réalisation forme donc un meilleur compromis écrantage/masse que le premier mode de réalisation.
Optionnellement, dans une variante de réalisation, la pastille supraconductrice 7 peut comprendre une première paroi supplémentaire 16 affleurant la première bordure 9 et une deuxième paroi supplémentaire 16 affleurant la deuxième bordure 10. Dans cette variante de réalisation, l’écrantage est alors sensiblement comparable à celui obtenu avec une pastille supraconductrice 7 conventionnelle, tout en réduisant sa masse. En effet, la variation de la composante axiale du champ magnétique induit BZ(T) des pastilles supraconductrices 7 conformes à cette variante de réalisation est sensiblement égale à celle des pastilles supraconductrices 7 conventionnelles. De plus, la masse des pastilles supraconductrices 7 étant réduite, il est possible d’augmenter la vitesse de rotation du rotor et donc d’améliorer la puissance du moteur électrique en comparaison avec les moteurs électrique conventionnels.
Cette variante de réalisation forme donc encore un meilleur compromis écrantage/masse.
Comme illustré sur les figures 5a) et 5b), la paroi supplémentaire 14, 15, 16 présente une hauteur ha et un rayon r, tandis que la face externe 12 de la pastille supraconductrice 7 présente une hauteur hp et un rayon R. On appelle par ailleurs ep l’épaisseur de la pastille supraconductrice, qui correspond à R-r.
A partir de ces paramètres, on définit les ratios av = De préférence : ap £ 0.25 hp < ep et aa £ 0.025
Par exemple, une pastille de rayon R = 40 mm aura de préférence de hauteur hp inférieure ou égale à 10 mm, une épaisseur ep supérieure ou égale à 10 mm et une paroi supplémentaire 16 de hauteur ha inférieure ou égale à 1 mm.
Dans un troisième mode de réalisation (voir figure 6), la pastille supraconductrice 7 comprend en outre au moins une paroi supplémentaire 14, 15, ou paroi externe 14, 15, rapportée et fixée sur l’une au moins parmi la première bordure 9 et la deuxième bordure 10.
Cette forme de réalisation permet ainsi d’obtenir une pastille supraconductrice 7 avec une cavité 13 et au moins une paroi externe 14, 15 qui forme un écran, ce qui a pour effet d’augmenter l’écrantage du flux magnétique pour Q appartenant à [0.4 rad; 0.9 rad] en comparaison avec une pastille supraconductrice 7 conforme au premier mode de réalisation. Simultanément, la masse de la pastille supraconductrice conforme à ce deuxième mode de réalisation reste inférieure à celle des pastilles supraconductrices 7 conventionnelles.
Optionnellement, et comme illustré sur la figure 6, une première paroi externe 14 est rapportée et fixée sur la première bordure 9 et une deuxième paroi externe 15 est rapportée et fixée sur la deuxième bordure 10 de sorte à fermer la cavité 13. Comme pour la variante de réalisation du deuxième mode de réalisation décrite plus haut, l’écrantage obtenu grâce à cette pastille supraconductrice 7 est sensiblement comparable à celui obtenu avec une pastille supraconductrice 7 conventionnelle, tout en réduisant sa masse de sorte qu’il est possible d’augmenter la vitesse de rotation du rotor et d’améliorer la puissance du moteur électrique.
Dans un quatrième mode de réalisation (voir notamment figures 8 et 9), la pastille supraconductrice 7 comprend à la fois une première paroi externe 14 rapportée et fixée sur (ou affleurant) la première bordure 9, une deuxième paroi externe 15 rapportée et fixée sur (ou affleurant) la deuxième bordure 10 et au moins une troisième paroi supplémentaire 16, ou paroi interne 16, s’étendant au sein de la cavité 13 depuis la face interne 11 à distance de la première et de la deuxième bordure 9, 10 afin de diviser la cavité 13 en une ou plusieurs parties.
Sur la figure 8, la pastille supraconductrice 7 comprend une unique paroi interne 16, globalement centrée entre la première et la deuxième paroi externe 14, 15. La cavité 13 est donc divisée en deux parties, qui sont ici de volume égal. En variante, la paroi externe 16 pourrait être positionnée de sorte à diviser la cavité 13 en deux parties de volume différent.
Optionnellement, la pastille supraconductrice 7 peut comprendre un plus grand nombre de parois internes 16 (n) qui divisent la cavité 13 en n-1 parties, qui peuvent être de même volume ou de volumes différents. Ainsi, on a illustré à titre d’exemple sur la figure 9, une pastille supraconductrice 7 comprenant trois parois internes 16 qui sont équiréparties entre la première et la deuxième paroi externe 14, 15. La cavité 13 est donc divisée ici en quatre parties qui sont de volume égal. En particulier, les parois internes 16 sont symétriques par rapport au plan de vecteur normal z (axe de rotation de la pastille supraconductrice 7).
Le cas échéant, les parois externes 14, 15 et internes 16 peuvent présenter une même épaisseur.
Le cas échéant, dans le deuxième, le troisième et le quatrième mode de réalisation, tout ou partie des parois externes 14, 15 et interne(s) 16 peut comprendre un orifice traversant, de préférence coaxial avec la paroi circonférentielle 8, de sorte à réduire encore la masse de la pastille supraconductrice 7. Cet orifice traversant réduit cependant l’écrantage de la pastille supraconductrice 7.
De préférence, lorsque la pastille supraconductrice 7 comprend au moins deux parois internes 16 (conformément au quatrième mode de réalisation), la première et/ou la deuxième paroi externe 14, 15 comprend un orifice traversant et tout ou partie des parois internes 16 peuvent être dépourvues d’orifice traversant, ce qui permet de conserver un écrantage efficace de la pastille supraconductrice 7.
En variante, la première paroi externe 14, la deuxième paroi externe 15 et au moins une des parois internes 16, par exemple chaque paroi interne 16, peuvent comprendre un orifice traversant afin de réduire la masse de la pastille supraconductrice 7 : dans ce cas, le diamètre interne de l’orifice traversant des première et deuxième parois externes 14, 15 est de préférence inférieur ou égal à celui de la ou des parois internes 16 afin de limiter la réduction de l’écrantage. Dans une forme de réalisation, lorsque toutes les parois supplémentaires comprennent un orifice traversant, le diamètre interne de l’orifice traversant de la première et de la deuxième paroi externe 14, 15 est inférieur ou égal au diamètre interne de l’orifice traversant des parois internes. Le cas échéant, le diamètre interne des parois internes 16 peut être différent. Typiquement, plus une paroi interne 16 est éloignée de la paroi externe 14 ou 15, plus son diamètre est grand. A titre d’exemple, lorsque la pastille supraconductrice 7 comprend trois parois internes 16, le diamètre interne de la paroi interne 16 située au milieu de la cavité 13 est plus grand que le diamètre interne des orifices traversants des parois internes 16 qui l’entourent. Cette configuration permet ainsi d’améliorer l’écrantage tout en réduisant la masse de la pastille supraconductrice 7.
Selon une autre variante encore, le diamètre interne de tous les orifices traversants peuvent être égaux afin de réduire leur masse et de simplifier leur réalisation.
On notera que les ratios définis plus haut pour le troisième mode de réalisation s’appliquent mutatis mutandis au quatrième mode de réalisation. Ainsi, pour chaque paroi supplémentaire, on a av £ 0.25, hp < ep et aa < 0.025. Les pastilles supraconductrices 7 conformes à l’invention sont obtenues suivant un procédé de fabrication S comprenant la réalisation de la paroi circonférentielle 8 en ménageant la cavité 13 entre la première bordure 9, la deuxième bordure 10 et la face interne 11.
Pour cela, au cours d’une étape S1 , la paroi circonférentielle 8 est réalisée.
A cet effet, la paroi circonférentielle 8 peut être obtenue conventionnellement par empilement de rubans (ou « stack of tapes » en anglais). Dans ce cas, les rubans peuvent être prédécoupés de sorte à former un trou au centre puis empilés jusqu’à atteindre l’épaisseur voulue pour la paroi circonférentielle 8. Par épaisseur, on comprendra ici la distance entre la face interne 11 et la face externe 12 de la paroi circonférentielle 8 suivant un axe radial à l’axe de symétrie de la pastille supraconductrice 7.
En variante, la paroi circonférentielle 8 est obtenue par croissance de germe. Dans cette variante de réalisation, la paroi circonférentielle 8 obtenue a la forme d’un disque plein. Il est donc nécessaire de l’usiner afin de former la cavité 13, par exemple par perçage.
Suite à cette étape S1 , on dispose donc une pastille supraconductrice 7 conforme au premier mode de réalisation, comprenant une paroi circonférentielle 8 dans laquelle est formée une cavité 13 traversante et débouchante de la première bordure 9 de la paroi circonférentielle 8 à la deuxième bordure 10.
Pour fabriquer une pastille supraconductrice 7 conforme au deuxième ou au troisième mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape S2 de réalisation d’au moins une paroi supplémentaire 14, 15, 16.
La paroi supplémentaire 14, 15, 16 peut être obtenue selon l’un quelconque des procédés de fabrication conventionnels de pastilles supraconductrices 7, par exemple par croissance de germe ou empilement de rubans. Cette paroi supplémentaire 14, 15, 16 peut en effet être considérée comme une pastille supraconductrice 7 conventionnelle.
En variante, la paroi supplémentaire 14, 15, 16 peut comprendre un orifice traversant. Dans cette variante de réalisation, la paroi supplémentaire 14, 15, 16 est alors obtenue suivant les mêmes étapes de fabrication décrites à l’étape S1 que la paroi circonférentielle 8. Comme indiqué plus haut, l’orifice traversant peut être formé dans tout ou partie des parois 14, 15, 16 et présenter un diamètre interne identique dans chaque paroi 14, 15, 16 ou différent.
Puis au cours d’une étape S3, la ou les parois supplémentaires 14, 15, 16 obtenues à l’étape S2 sont assemblées, par exemple par collage, avec la paroi circonférentielle 8.
A cet effet, une paroi supplémentaire 14, 15 16 peut : soit être fixée contre la face interne 11 de la paroi circonférentielle 8, à distance de la première bordure 9 et de la deuxième bordure 10 (étapes S31), soit être rapportée et fixée sur la première bordure 9 (étape S32). soit être fixée contre la face interne 11 de sorte à affleurer la première bordure 9 (étape S33).
Le cas échéant, les étapes S32 et S33 peuvent être réitérées afin de rapporter et fixer une deuxième paroi supplémentaire 15, 16 sur la deuxième bordure 10 ou de sorte à affleurer la deuxième bordure 10, afin de fermer la cavité 13. Optionnellement, le procédé S comprend à la fois les étapes S31 , S32 et S33, l’étape
S33 pouvant être réitérée afin d’assembler plusieurs parois internes 16 contre la face interne 11 de la paroi circonférentielle 8.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Pastille supraconductrice (7) pour une machine électrique supraconductrice (1 ), ladite pastille supraconductrice (7) présentant une paroi circonférentielle (8), ladite paroi circonférentielle présentant :
- une première bordure (9)
- une deuxième bordure (10) opposée à la première bordure (9)
- une face interne (11 ) reliant la première bordure (9) et la deuxième bordure (10)
- une face externe (12) opposée à la face interne (11 ),
- une cavité (13) formée entre la première bordure (9), la deuxième bordure (10) et délimitée par la face interne (11 ), et
- une paroi supplémentaire (14, 15, 16) qui recouvre la première bordure (9) ou affleure ladite première bordure (9) de sorte à recouvrir au moins partiellement la cavité (13), ou s’étend depuis la face interne (11 ) à distance de la première bordure (9) et de la deuxième bordure (10) de sorte à diviser la cavité (13) en deux parties.
2. Pastille supraconductrice (7) selon la revendication 1 , dans laquelle la paroi supplémentaire (14, 15) comprend un orifice traversant.
3. Pastille supraconductrice (7) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la paroi supplémentaire (14) recouvre la première bordure (9) ou affleure ladite première bordure
(9) de sorte à recouvrir au moins partiellement la cavité (13) et la pastille supraconductrice (7) comprend en outre une deuxième paroi supplémentaire (15) recouvrant la deuxième bordure
(10) ou affleurant ladite deuxième bordure (10) de sorte à fermer au moins partiellement la cavité (13).
4. Pastille supraconductrice (7) selon la revendication 3, dans laquelle la paroi supplémentaire (14) recouvre la première bordure (9) et la deuxième paroi supplémentaire (15) recouvre la deuxième bordure (10).
5. Pastille supraconductrice (7) selon l’une des revendications 3 ou 4, dans laquelle l’une au moins parmi la paroi supplémentaire (14) et la deuxième paroi supplémentaire (15) comprend un orifice traversant, de préférence à la fois la paroi supplémentaire (14) et la deuxième paroi supplémentaire (15).
6. Pastille supraconductrice (7) selon l’une des revendication 1 à 5, comprenant en outre au moins une troisième paroi supplémentaire (15) qui s’étend depuis la face interne (11 ) à distance de la première bordure (9) et de la deuxième bordure (10) de sorte à diviser la cavité (13) en deux parties.
7. Pastille supraconductrice (7) selon l’une des revendications 3 à 5, comprenant en outre au moins une troisième paroi supplémentaire (15) qui s’étend depuis la face interne (11 ) à distance de la première bordure (9) et de la deuxième bordure (10) de sorte à diviser la cavité (13) en deux parties, et dans laquelle la paroi supplémentaire (14), la deuxième paroi supplémentaire (15) et l’au moins une troisième paroi supplémentaire (15) ont une épaisseur identique.
8. Pastille supraconductrice (7) selon l’une des revendications 6 ou 7, dans laquelle l’une au moins parmi la paroi supplémentaire (14) et l’au moins une troisième paroi supplémentaire (16) comprend un orifice traversant.
9. Pastille supraconductrice (7) selon la revendication 8, dans laquelle l’une au moins parmi la paroi supplémentaire (14) et l’au moins une troisième paroi supplémentaire (16) est dépourvue d’orifice traversant.
10. Pastille supraconductrice (7) selon la revendication 9, dans laquelle chacune parmi la paroi supplémentaire (14) et l’au moins une troisième paroi supplémentaire (16) comprend un orifice traversant.
11 . Pastille supraconductrice (7) selon l’une des revendications 8 à 10, dans laquelle un diamètre interne de l’orifice traversant de l’au moins une troisième paroi supplémentaire (15) est supérieur ou égal à un diamètre interne de l’orifice traversant de la paroi supplémentaire (14, 15).
12. Pastille supraconductrice (7) selon la revendication 11 , comprenant au moins trois troisièmes parois supplémentaires (16), le diamètre interne de l’orifice traversant des troisièmes parois supplémentaires (16) qui sont adjacentes à la paroi supplémentaire (14, 15) étant inférieur au diamètre interne de l’orifice traversant de la paroi supplémentaire (16) qui est à distance de ladite première paroi supplémentaire (14, 15).
13. Pastille supraconductrice (7) selon la revendication 7, comprenant au moins trois troisièmes parois supplémentaires (16), le diamètre interne de l’orifice traversant des troisièmes parois supplémentaires (16) qui sont adjacentes aux première et deuxième parois supplémentaires (14, 15) étant inférieur au diamètre interne de l’orifice traversant de la paroi supplémentaire (16) qui est à distance desdites première et deuxième parois supplémentaires (14, 15).
14. Pastille supraconductrice (7) selon l’une des revendications 1 à 10, dans laquelle la cavité (13) est traversante de la première bordure (9) à la deuxième bordure (10).
15. Procédé de fabrication (S) d’une pastille supraconductrice (7) selon l’une des revendications 1 à 14, ledit procédé (S) comprenant les étapes suivantes :
51 : réaliser la paroi circonférentielle (8) en ménageant la cavité (13) entre la première bordure (9), la deuxième bordure (10) et la face interne (11 ) ;
52 : réaliser au moins une paroi supplémentaire (14, 15, 16) ;
53 : assembler la paroi circonférentielle (8) avec l’au moins une paroi supplémentaire (14, 15, 16) ; l’étape S3 comprenant l’une des sous-étapes suivantes :
531 : fixer la paroi supplémentaire (16) contre la face interne (11) de la paroi circonférentielle (8), à distance de la première bordure (9) et de la deuxième bordure (10) de sorte à diviser la cavité (13) en deux parties ; ou
532 : fixer la paroi supplémentaire (14) sur la première bordure (9) de sorte à recouvrir au moins partiellement la cavité (13) ; ou
533 : fixer la paroi supplémentaire (15) contre la face interne (11 ) de sorte à affleurer la première bordure (9) et à recouvrir au moins partiellement la cavité (13).
16. Procédé de fabrication (S) selon la revendication 15, dans lequel l’étape S3 comprend les étapes S32 et S33 de sorte à fixer à la fois une paroi supplémentaire (14) sur la première bordure (9) ou contre la face interne (11 ) de sorte à affleurer la première bordure (9) et une paroi supplémentaire (15 sur la deuxième bordure (10) ou contre la face interne (11) de sorte à affleurer la deuxième bordure (10) afin de fermer au moins partiellement la cavité (13).
17. Procédé de fabrication (S) selon la revendication 16, comprenant en outre l’étape
S31.
18. Procédé de fabrication (S) selon la revendication 17, dans lequel l’étape S31 est réitérée de sorte à fixer plusieurs parois supplémentaires (16) contre la face interne (11 ) de la paroi circonférentielle (8), à distance de la première bordure (9) et de la deuxième bordure (10) de sorte à diviser la cavité (13) en plusieurs parties.
19. Procédé de fabrication (S) selon l’une des revendications 15 à 18, comprenant en outre une sous-étape de réalisation d’un orifice traversant dans tout ou partie des parois supplémentaires (14, 15, 16).
20. Procédé selon l’une des revendications 15 à 19, comprenant en outre une sous- étape de réalisation d’un orifice traversant dans la paroi supplémentaire (14, 15, 16).
21. Machine électrique (1) supraconductrice comprenant un inducteur (3) comprenant au moins une pastille supraconductrice (7) selon l’une des revendications 1 à 14 et un induit (2).
22. Aéronef comprenant une machine électrique selon la revendication 21.
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