FR3093599A1 - Machine électrique supraconductrice et procédé de magnétisation des pastilles supraconductrices - Google Patents
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Abstract
Machine électrique supraconductrice et procédé de magnétisation des pastilles supraconductrices
Procédé de magnétisation des pastilles supraconductrices d’une machine électrique à flux axial supraconductrice à barrière de flux comprenant un induit comportant un agencement de bobines électromagnétiques non supraconductrices et une culasse dotée d’une couronne de fer, et un inducteur comportant une bobine supraconductrice coaxiale à l’agencement des bobines électromagnétiques et des pastilles supraconductrices disposées dans un même plan orthogonal à la direction axiale et radialement à l’intérieur de la bobine supraconductrice, le procédé comprenant les étapes successives suivantes :
a- un chauffage (200) des pastilles supraconductrices jusqu’à un seuil de température de magnétisation,
b- une application (210) dans une bobine supraconductrice disposée autour des pastilles supraconductrices d’un courant de magnétisation des pastilles supraconductrices,
c- un refroidissement (220) des pastilles supraconductrices jusqu’à un seuil de température de fonctionnement,
d- une application d’un courant de sens opposé au courant de magnétisation dans la bobine supraconductrice de l’inducteur.
Figure pour l’abrégé : Fig. 2.
Description
L’invention concerne les machines supraconductrices, et plus particulièrement une structure de machine à aimants supraconducteurs et des méthodes pour magnétiser ces aimants.
Le développement des avions « plus électriques » et le besoin subséquent de machines électriques à fortes puissance et compacité requièrent une prise en compte de la thermique dès la phase de conception des machines électriques. En effet, les densités de courant peuvent atteindre des valeurs très élevées pour des demandes en puissance de l’ordre de la centaine de kW voire du MW. Les pertes Joules associées sont très élevées, et peuvent diminuer considérablement le rendement du système.
Dans ce contexte, les machines supraconductrices présentent un intérêt. En effet, l’absence de résistivité des matériaux supraconducteurs à partir d’une température critique présente un intérêt, car elle permet d’augmenter la densité de courant dans les conducteurs, et donc la densité de puissance de la machine. Il est connu par exemple un avion portant la référence N3-x et étudié par la NASA, et composé de 14 moteurs de 5 MW et 2 génératrices de 40 MW, toutes ces machines étant supraconductrices.
Due à l’absence de pertes Joules dans les conducteurs supraconducteurs, et de pertes aérodynamiques au rotor (les rotors supraconducteurs opèrent fréquemment dans le vide, à l’intérieur du cryostat), les besoins en termes de refroidissement n’augmentent pas linéairement avec l’augmentation de la puissance des machines électriques supraconductrices. De ce fait, l’utilisation de machines supraconductrices fait sens pour des machines de très forte puissance (de l’ordre du MW), car le poids et l’énergie nécessaire au refroidissement de la machine deviennent négligeables face à la puissance créée. Les machines supraconductrices sont donc considérées pour des applications telles que l’hybridation ou l’électrification complète de la propulsion des avions.
Pour transporter le courant électrique dans la machine, il est possible d’utiliser différentes amenées de courant. Par exemple, il est possible d’utiliser une amenée en cuivre ou une amenée supraconductrice. Pour une même intensité de courant à transporter, par exemple 200 A, une amenée en cuivre présente un volume au moins dix fois plus important que celui de l’amenée supraconductrice.
Cependant, pour évaluer l’encombrement des amenées plus précisément, il faut prendre en compte chacun des systèmes de refroidissement associés. Et le système de refroidissement de l’amenée de courant supraconductrice présente un volume non-négligeable.
Le refroidissement des machines supraconductrices, avec notamment la gestion des pertes liées au courant alternatif dans les conducteurs, reste un challenge majeur. En effet, l’absence de résistivité pour les matériaux supraconducteurs n’est vraie que pour du courant continu. Car lorsque les matériaux supraconducteurs sont soumis à des courants alternatifs les pertes ne sont plus négligeables, et l’extraction de ces pertes pour maintenir le conducteur à sa température critique est coûteuse énergiquement pour le système. Actuellement, un cryostat a besoin d’environ 100 W pour évacuer 1 W de pertes dans un environnement cryogénique.
Les machines électriques supraconductrices comprennent généralement un induit et un inducteur. L’induit comporte généralement un agencement de bobines électromagnétiques et une culasse dotée d’une couronne de fer. Dans le cas d’une machine à flux axial, l’inducteur comporte une bobine supraconductrice coaxiale à l’agencement des bobines électromagnétiques de l’induit et des aimants disposés radialement à l’intérieur de la bobine supraconductrice.
L’invention vise à fournir une structure de machine électrique à aimants supraconducteurs offrant une puissance massique plus importante et un procédé de magnétisation des aimants de machine électrique.
Selon un premier objet de l’invention, il est proposé une machine électrique axiale supraconductrice à barrière de flux comprenant un induit et un inducteur, l’induit comportant au moins un agencement de bobines électromagnétiques définissant une direction axiale, une direction circonférentielle et une direction radiale et une culasse dotée d’au moins une couronne de fer, et l’inducteur comportant une bobine supraconductrice coaxiale à l’agencement des bobines électromagnétiques de l’induit et des pastilles supraconductrices disposées dans un même plan orthogonal à la direction axiale et radialement à l’intérieur de la bobine supraconductrice, les pastilles supraconductrices pouvant former une barrière de flux en matériau supraconducteur ou des aimants supraconducteurs.
Selon une caractéristique générale de l’invention, la bobine supraconductrice de l’inducteur peut être avantageusement une bobine supraconductrice statique alimentée en courant continu.
La machine supraconductrice à barrière de flux selon l’invention permet une augmentation de la puissance massique.
La stationnarité de la bobine permet d’améliorer la fiabilité du système, notamment grâce au fait que le système soit exempt d’un ensemble bagues-balais, et l’excitation de courant continu permet d’assurer une absence totale de pertes dans la bobine supraconductrice.
En outre, le fait que seul l’inducteur soit supraconducteur permet de s’affranchir des problématiques liées aux pertes alternatives dans les conducteurs supraconducteurs.
En raison du niveau d’induction élevé dans les machines supraconductrices, la couronne de fer de la culasse statorique est typiquement saturée. Cette couronne de fer permet d’assurer une tenue mécanique des bobines en cuivre et d’assurer une surface de refroidissement plus importante. La présence de la culasse ferromagnétique n’est pas nécessaire pour le fonctionnement de la machine. Celle-ci pourra éventuellement être retirée et remplacée par un support mécanique non ferromagnétique pour les bobines.
Les pastilles supraconductrices peuvent être avantageusement réparties à équidistance dans la direction circonférentielle ce qui permet une variation spatiale du champ électromagnétique dans l’entrefer.
La variation spatiale du champ dans l’entrefer est obtenue par modulation du flux due aux courants induit dans les pastilles supraconductrices. En effet, en dessous de leur température critique les matériaux supraconducteurs ont une réponse diamagnétique lors de l’élévation du champ magnétique quand la bobine supraconductrice est excitée. L’utilisation d’écrans magnétiques régulièrement répartis dans la direction ortho radiale permet la variation spatiale du champ dans l’entrefer.
Dans un autre objet de l’invention, il est proposé une turbomachine comprenant au moins une machine électrique telle que définie ci-dessus.
Dans un autre objet de l’invention, il est proposé un aéronef comprenant au moins une turbomachine telle que définie ci-dessus.
Dans un autre objet de l’invention, il est proposé un procédé de magnétisation des pastilles supraconductrices d’une machine électrique axiale supraconductrice à barrière de flux telle que définie ci-dessus. Le procédé comprend les étapes successives suivantes :
- un chauffage des pastilles supraconductrices jusqu’à un seuil de température de magnétisation,
- une application dans une bobine supraconductrice englobant les pastilles supraconductrices d’un courant de magnétisation des pastilles supraconductrices,
- un refroidissement des pastilles supraconductrices jusqu’à un seuil de température de fonctionnement,
- une application d’un courant de sens opposé au courant de magnétisation dans la bobine supraconductrice de l’inducteur.
Il existe deux techniques connues pour magnétiser des composants supraconducteurs.
La première méthode connue est dénommée en anglais le « field cooling ». Dans cette méthode, on applique à température ambiante un champ magnétique sur l’élément supraconducteur à magnétiser. Puis on refroidit l’élément supraconducteur en dessous de sa température critique. Lors de la transition à l’état supraconducteur, des courants induits vont se diffuser dans l’élément supraconducteur transformant ainsi l’élément supraconducteur en un aimant.
Il s’agit de la méthode connue la plus douce thermiquement pour les matériaux supraconducteurs. C’est pourquoi le record du monde actuel de piégeage dans des pastilles est de 17.6 T en utilisant cette technique.
L’inconvénient de cette méthode est que la bobine supraconductrice nécessaire à la magnétisation est de taille importante.
La deuxième méthode connue est appelée en anglais le « zero field cooling ». Dans cette méthode, la magnétisation est réalisée par pulse. Contrairement à la première méthode connue, on applique un champ sur l’élément supraconducteur à basse température (inférieure à la température ambiante). Le champ appliqué est soit lent, grâce à des bobines supraconductrices encombrantes, ou rapide, avec des bobines en cuivre de taille restreintes.
L’inconvénient de la seconde méthode connue concerne les pertes induites dans les éléments supraconducteurs lors des variations rapides du champ appliqué. Cette méthode réduit drastiquement les capacités de piégeage. Contrairement à la première méthode connue, théoriquement, le champ piégé avec la seconde méthode correspond à la moitié du champ appliqué. Des machines avec aimants supraconducteurs ont été déjà réalisées avec la méthode pulsée, c’est-à-dire la seconde méthode connue. Cependant, la difficulté de mise en œuvre de la méthode limite les niveaux d’induction à 0,5 T.
Le procédé de magnétisation selon l’invention permet d’améliorer la machine électrique supraconductrice grâce à la magnétisation des écrans supraconducteurs. Il permet notamment d’obtenir une augmentation de la puissance massique. Le champ piégé dans une pastille supraconductrice dépend essentiellement de sa température d’utilisation et de son volume. Plus le volume de la pastille est important, plus le champ piégé sera important.
En outre, le procédé de magnétisation s’applique pour des machines de même structure à flux radial ou à flux linéaire, ainsi que pour des machines dont l’induit est également supraconducteur.
Dans un mode de mise en œuvre du procédé de magnétisation, la bobine supraconductrice dans laquelle est appliqué un courant de magnétisation à l’étape b est la bobine supraconductrice de l’inducteur.
Ce mode de mise œuvre du procédé de magnétisation permet d’optimiser la machine électrique pour fonctionner avec des barrières de flux non magnétisées et ainsi d’augmenter le couple de la machine, sans modification de la machine électrique.
Dans un autre mode de mise en œuvre du procédé de magnétisation, la bobine supraconductrice dans laquelle est appliqué un courant de magnétisation à l’étape b est une bobine supraconductrice externe à ladite machine électrique supraconductrice, cette bobine supraconductrice étant séparée de la machine électrique supraconductrice une fois la magnétisation des pastilles supraconductrices effectuée.
Dans ce mode de mise en œuvre du procédé de magnétisation, la bobine n’étant pas transportée, elle pourra être plus volumineuse et donc permettre de piéger davantage de champs dans les écrans. A titre d’exemple, une bobine supraconductrice (uniquement le fil et sans son cryostat) représente généralement entre 40 et 60% du poids de la machine électrique.
Sur la figure 1 est représentée schématiquement une machine électrique à flux axial supraconductrice à barrière de flux selon un mode de réalisation de l’invention.
La machine électrique 1 à flux axial supraconductrice à barrière de flux comprend un induit 2 et un inducteur 3. Dans le mode de réalisation illustré, l’induit 2 est formé par le stator de la machine électrique 1 et l’inducteur 3 est formé par le rotor de la machine électrique 1.
L’induit 2 comporte un agencement 4 de bobines électromagnétiques 5 non supraconductrices définissant une direction axiale DA, une direction circonférentielle DCet une direction radiale DR. L’inducteur 3 comporte une bobine supraconductrice 6 coaxiale à l’agencement 3 des bobines électromagnétiques 4 de l’induit 2 et des pastilles supraconductrices 7 disposées dans un même plan orthogonal à la direction axiale DAet radialement à l’intérieur de la bobine supraconductrice 6, et une culasse statorique comportant une couronne de fer 8. Les pastilles supraconductrices 7 sont configurées pour former des barrières de flux ou des aimants en matériau supraconducteur et sont réparties avantageusement dans la direction orthoradiale de la machine supraconductrice ce qui permet une variation spatiale du champ électromagnétique dans l’entrefer.
La bobine supraconductrice 6 de l’inducteur 2 est une bobine supraconductrice statique alimentée en courant continu et la couronne de fer 8 de la culasse statorique assure une tenue mécanique des bobines en cuivre et garantie une surface de refroidissement plus importante.
Sur la figure 2 est présenté un organigramme d’un procédé de magnétisation des pastilles supraconductrices de la machine électrique de la figure 1 selon un premier mode de mise en œuvre.
Dans une première étape 200, on chauffe les pastilles supraconductrices 7 jusqu’à un seuil de température de magnétisation. Cette température de magnétisation correspond à la température critique des matériaux supraconducteurs.
Puis, dans une deuxième étape 210, on applique un courant de magnétisation des pastilles supraconductrices dans la bobine supraconductrice 6 de la machine électrique 1.
Dans une troisième étape 220, on refroidit les pastilles supraconductrices 7 jusqu’à un seuil de température de fonctionnement de la machine électrique 1,
Dans une quatrième étape 230, on applique un courant dans la bobine supraconductrice 6 de l’inducteur 3 dont le sens est opposé au courant de magnétisation appliqué lors de la deuxième étape 210.
Sur la figure 3 est présenté un organigramme d’un procédé de magnétisation des pastilles supraconductrices de la machine électrique de la figure 1 selon un second mode de mise en œuvre.
Dans une première étape 300, on chauffe les pastilles supraconductrices 7 jusqu’à un seuil de température de magnétisation. Cette température de magnétisation correspond à la température critique des matériaux supraconducteurs.
Puis, dans une deuxième étape 310, on dispose une bobine supraconductrice externe autour de la machine électrique 1, et on applique un courant de magnétisation des pastilles supraconductrices dans la bobine supraconductrice externe.
Dans une troisième étape 320, on retire la machine électrique 1 de l’enceinte formée par la bobine supraconductrice externe et on refroidit les pastilles supraconductrices 7 jusqu’à un seuil de température de fonctionnement de la machine électrique 1,
Dans une quatrième étape 330, on applique un courant dans la bobine supraconductrice 6 de l’inducteur 3 dont le sens est opposé au courant de magnétisation appliqué lors de la deuxième étape 310 dans la bobine externe.
L’invention permet ainsi de fournir une structure de machine électrique à aimants supraconducteurs offrant une puissance massique plus importante et un procédé de magnétisation des aimants de machine électrique.
Claims (8)
- Procédé de magnétisation des pastilles supraconductrices (7) d’une machine électrique (1) à flux axial supraconductrice à barrière de flux comprenant un induit (2) et un inducteur (3), l’induit (2) comportant au moins un agencement (4) de bobines électromagnétiques (5) définissant une direction axiale (DA), une direction circonférentielle (DC) et une direction radiale (DR) et une culasse dotée d’au moins une couronne de fer (8), et l’inducteur (3) comportant 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 (DA) et radialement à l’intérieur de la bobine supraconductrice (6), les pastilles supraconductrices (7) pouvant former des barrières de flux ou des aimants en matériau supraconducteur, le procédé comprenant les étapes successives suivantes :
a- un chauffage (200, 300) des pastilles supraconductrices (7) jusqu’à un seuil de température de magnétisation,
b- une application (210, 310) dans une bobine supraconductrice disposée autour des pastilles supraconductrices (7) d’un courant de magnétisation des pastilles supraconductrices (7),
c- un refroidissement (220, 320) des pastilles supraconductrices (7) jusqu’à un seuil de température de fonctionnement,
d- une application d’un courant de sens opposé au courant de magnétisation dans la bobine supraconductrice (6) de l’inducteur (3). - Procédé de magnétisation selon la revendication 1, dans lequel la bobine supraconductrice dans laquelle est appliqué un courant de magnétisation à l’étape b est la bobine supraconductrice (6) de l’inducteur (3).
- Procédé de magnétisation selon la revendication 1, dans lequel la bobine supraconductrice dans laquelle est appliqué un courant de magnétisation à l’étape b est une bobine supraconductrice externe à ladite machine électrique supraconductrice (1), cette bobine supraconductrice étant séparée de la machine électrique supraconductrice (1) une fois la magnétisation des pastilles supraconductrices (7) effectuée.
- Machine électrique (1) à flux axial supraconductrice à barrière de flux comprenant un induit (2) et un inducteur (3), l’induit (2) comportant au moins un agencement (4) de bobines électromagnétiques (5) non supraconductrices définissant une direction axiale (DA) et une direction radiale (DR) et une culasse dotée d’au moins une couronne de fer (8), et l’inducteur (3) comportant 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 (DA) et radialement à l’intérieur de la bobine supraconductrice (6), les pastilles supraconductrices (7) pouvant former des barrières de flux ou des aimants en matériau supraconducteur, caractérisée en ce que la bobine supraconductrice (6) de l’inducteur (3) est une bobine supraconductrice statique alimentée en courant continu.
- Machine électrique (1) à flux axial supraconductrice à barrière de flux selon la revendication 4, dans laquelle la couronne de fer (8) de la culasse statorique est saturée pour assurer une tenue mécanique des bobines en cuivre et assurer une surface de refroidissement plus importante.
- Machine électrique (1) à flux axial supraconductrice à barrière de flux selon l’une des revendications 4 ou 5, dans laquelle les pastilles supraconductrices (7) sont réparties à équidistance dans la direction circonférentielle (DC).
- Turbomachine comprenant au moins une machine électrique (1) à flux axial supraconductrice à barrière de flux selon l’une des revendications 4 à 6.
- Aéronef comprenant au moins une turbomachine selon la revendication 7.
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