FR3119042A1 - Protection des bobines d'une machine electrique - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une machine électrique (1) supraconductrice, par exemple à flux axial ou à flux radial, comprenant un inducteur (3) comprenant des pastilles supraconductrices (7) réparties circonférentiellement autour d’un axe (X) de la machine électrique (1) et une barrière de flux (12) comprenant un matériau supraconducteur, ladite barrière de flux (12) étant centrée sur l’axe (X) de rotation et s’étendant radialement à l’intérieur des pastilles supraconductrices (7). Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
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 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 l’E-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’excellents blindages magnétiques.
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 comprenant un agencement de bobines qui reposent 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 les bobines. 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 moduler 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 dans l’un au moins des matériaux suivants qui possèdent notamment de très bonnes caractéristiques d’écrantage : 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), en NbTi (pour niobium-titane), en MgB2 (diborure de magnésium) ou tout matériau RE-Ba-Cu-O ou RE peut être n’importe quelle terre rare.
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 solidification 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).
Toutefois, la Demanderesse s’est aperçue du fait que la concentration du flux magnétique sur les bobines de l’induit n’était pas optimale, ce qui non seulement réduit la densité de puissance des machines électriques mais en outre risque de saturer les pièces en matériau ferromagnétique et de mettre la machine électrique en défaut.
Un but de l’invention est d’augmenter, de manière simple et efficace, la densité de puissance des machines supraconductrices.
Un autre but de l’invention est de réduire les risques de mise en défaut des machines supraconductrices.
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 axial ou radial.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, une machine électrique supraconductrice, par exemple à flux axial ou à flux radial, comprenant un inducteur comprenant des pastilles supraconductrices réparties circonférentiellement autour d’un axe de la machine électrique. La machine électrique comprend en outre une barrière de flux comprenant un matériau supraconducteur, ladite barrière de flux étant centrée sur l’axe de rotation et s’étendant radialement à l’intérieur des pastilles supraconductrices.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la machine électrique selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison
- la barrière de flux comprend une bande annulaire s’étendant dans un plan radial à l’axe, ladite bande annulaire étant coaxiale à l’axe ;
- la barrière de flux comprend une bande annulaire s’étendant circonférentiellement autour de l’axe ;
- la machine électrique comprend en outre au moins une face s’étendant radialement vers l’axe depuis la bande annulaire, de préférence deux faces opposées décalées axialement l’une de l’autre ;
- la machine électrique comprend en outre un arbre d’entrainement configuré pour entrainer en rotation les pastilles supraconductrices autour de l’axe, la face de la barrière de flux comprenant un orifice traversant et l’arbre d’entrainement passant à travers l’orifice traversant de sorte que la barrière de flux est montée autour de l’arbre d’entrainement ;
- la machine électrique comprend en outre en outre un ensemble de refroidissement des pastilles supraconductrices et/ou des joints ferrofluides montés à proximité de l’arbre d’entrainement à travers l’orifice traversant, de sorte que la barrière de flux est montée autour de l’ensemble de refroidissement et/ou des joints ferrofluides ;
- la machine électrique comprend en outre un induit comprenant des bobines réparties circonférentiellement autour de l’axe, la barrière de flux étant solidaire en mouvement de l’induit ;
- la barrière de flux est solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices ;
- la barrière de flux est continue sur toute sa périphérie ;
- la machine électrique est à flux axial, la barrière de flux s’étendant entre les pastilles supraconductrices et l’induit de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement interne de tout ou partie des bobines de l’induit ; et/ou
- chaque bobine présente en outre des bordures latérales s’étendant radialement depuis la bordure radialement interne, la barrière de flux recouvrant au plus 10% de des bordures latérales.
- la barrière de flux comprend une bande annulaire s’étendant dans un plan radial à l’axe, ladite bande annulaire étant coaxiale à l’axe ;
- la barrière de flux comprend une bande annulaire s’étendant circonférentiellement autour de l’axe ;
- la machine électrique comprend en outre au moins une face s’étendant radialement vers l’axe depuis la bande annulaire, de préférence deux faces opposées décalées axialement l’une de l’autre ;
- la machine électrique comprend en outre un arbre d’entrainement configuré pour entrainer en rotation les pastilles supraconductrices autour de l’axe, la face de la barrière de flux comprenant un orifice traversant et l’arbre d’entrainement passant à travers l’orifice traversant de sorte que la barrière de flux est montée autour de l’arbre d’entrainement ;
- la machine électrique comprend en outre en outre un ensemble de refroidissement des pastilles supraconductrices et/ou des joints ferrofluides montés à proximité de l’arbre d’entrainement à travers l’orifice traversant, de sorte que la barrière de flux est montée autour de l’ensemble de refroidissement et/ou des joints ferrofluides ;
- la machine électrique comprend en outre un induit comprenant des bobines réparties circonférentiellement autour de l’axe, la barrière de flux étant solidaire en mouvement de l’induit ;
- la barrière de flux est solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices ;
- la barrière de flux est continue sur toute sa périphérie ;
- la machine électrique est à flux axial, la barrière de flux s’étendant entre les pastilles supraconductrices et l’induit de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement interne de tout ou partie des bobines de l’induit ; et/ou
- chaque bobine présente en outre des bordures latérales s’étendant radialement depuis la bordure radialement interne, la barrière de flux recouvrant au plus 10% de des bordures latérales.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un aéronef comprenant une machine électrique selon le premier 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 :
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
Claims (12)
- Machine électrique (1) supraconductrice, par exemple à flux axial ou à flux radial, comprenant un inducteur (3) comprenant des pastilles supraconductrices (7) réparties circonférentiellement autour d’un axe (X) de la machine électrique (1),
la machine électrique (1) étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une barrière de flux (12) comprenant un matériau supraconducteur, ladite barrière de flux (12) étant centrée sur l’axe (X) de rotation et s’étendant radialement à l’intérieur des pastilles supraconductrices (7). - Machine électrique (1) selon la revendication 1, dans laquelle la barrière de flux (12) comprend une bande annulaire (13) s’étendant dans un plan radial à l’axe (X), ladite bande annulaire (13) étant coaxiale à l’axe (X).
- Machine électrique (1) selon la revendication 1, dans laquelle la barrière de flux (12) comprend une bande annulaire (13) s’étendant circonférentiellement autour de l’axe (X).
- Machine électrique (1) selon la revendication 3, comprenant en outre au moins une face (14) s’étendant radialement vers l’axe (X) depuis la bande annulaire (13), de préférence deux faces (14) opposées décalées axialement l’une de l’autre.
- Machine électrique (1) selon la revendication 4, comprenant en outre un arbre d’entrainement configuré pour entrainer en rotation les pastilles supraconductrices (7) autour de l’axe (X), la face (14) de la barrière de flux (12) comprenant un orifice traversant (15) et l’arbre d’entrainement passant à travers l’orifice traversant (15) de sorte que la barrière de flux (12) est montée autour de l’arbre d’entrainement.
- Machine électrique (1) selon la revendication 5, comprenant en outre un ensemble de refroidissement des pastilles supraconductrices (7) et/ou des joints ferrofluides montés à proximité de l’arbre d’entrainement à travers l’orifice traversant (15), de sorte que la barrière de flux (12) est montée autour de l’ensemble de refroidissement et/ou des joints ferrofluides.
- Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un induit (2) comprenant des bobines (5) réparties circonférentiellement autour de l’axe (X), la barrière de flux (12) étant solidaire en mouvement de l’induit (2).
- Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle la barrière de flux (12) est solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices (7).
- Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle la barrière de flux (12) est continue sur toute sa périphérie.
- Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 9, ladite machine électrique étant à flux axial, la barrière de flux (12) s’étendant entre les pastilles supraconductrices (7) et l’induit (2) de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement interne (10) de tout ou partie des bobines (5) de l’induit (2).
- Machine électrique (1) selon la revendication 10, dans laquelle chaque bobine (5) présente en outre des bordures latérales (11) s’étendant radialement depuis la bordure radialement interne (10), la barrière de flux (12) recouvrant au plus 10% de des bordures latérales (11).
- Aéronef (100) comprenant une machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 10.
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