FR3132591A1 - Protection of the coils of an electrical machine - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une machine électrique (1) supraconductrice à flux axial comprenant un inducteur (6, 7) et un induit (5), l’inducteur (6, 7) comprenant : - des pastilles supraconductrices (7) mobiles en rotation autour d’un axe (X) de la machine électrique (1) ; et - une bobine supraconductrice (6), centrée sur l’axe (X) et s’étendant radialement à l’extérieur des pastilles supraconductrices (7), la bobine supraconductrice (6) étant configurée pour générer un champ magnétique ; la machine électrique (1) étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une barrière de flux (12) réalisée dans un matériau supraconducteur qui s’étend entre les pastilles supraconductrices (7) et la bobine supraconductrice (6), ladite barrière de flux (12) étant fixée sur une paroi circonférentielle (7a) des pastilles supraconductrices (7) de sorte à être solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices (7). Figure pour l’abrégé : Fig. 1The present invention relates to a superconducting axial flux electrical machine (1) comprising an inductor (6, 7) and an armature (5), the inductor (6, 7) comprising: - superconducting pads (7) movable in rotation around an axis (X) of the electric machine (1); and - a superconducting coil (6), centered on the (X) axis and extending radially outside the superconducting pads (7), the superconducting coil (6) being configured to generate a magnetic field; the electrical machine (1) being characterized in that it further comprises a flux barrier (12) made of a superconducting material which extends between the superconducting pads (7) and the superconducting coil (6), said flux barrier flux (12) being fixed on a circumferential wall (7a) of the superconducting pads (7) so as to be integral in movement with the superconducting pads (7). Figure for the abstract: Fig. 1
Description
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 à flux axial 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).The present invention relates to the field of electrical machines comprising superconducting pellets which can in particular be used in aircraft. In particular, the invention applies to electrical machines with axial flux comprising magnetized or non-magnetized pellets, to electrical machines with superconducting magnets or with superconducting flux barriers, to fully superconducting machines (superconducting armature and inductor) or partially superconducting machines. (superconducting armature or inductor).
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.Part of engineering is concerned with future means of transport by seeking to make systems more ecological. In the field of air transport, various projects and prototypes have already seen the light of day, such as SOLAR IMPULSE or the Airbus E-FAN. Environmental concerns, reduction of fuel consumption and noise are so many criteria that encourage the use of electric machines. To be able to supplant current technologies, aircraft manufacturers are working on increasing the specific power of these electric machines. Thus, a study is being carried out on the gain that HTC (acronym for high critical temperature) superconducting materials would bring for on-board actuators.
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.A superconducting material is a material which, when cooled to a temperature below its critical temperature, presents zero resistivity thus offering the possibility of circulating direct currents without losses. From this, several phenomena result, such as the diamagnetic response for any variation in the magnetic field, making it possible to produce excellent magnetic shielding.
De manière connue en soi, une machine électrique comprend un inducteur et un induit. L’inducteur comprend une bobine supraconductrice réalisé avec des fils en matériau supraconducteur qui génère un champ magnétique modulé par des pastilles supraconductrices, qui font office d’écrans magnétiques. La bobine supraconductrice est contenue dans un cryostat, dont la température est sensiblement égale à la température ambiante (de l’ordre de 300 K) et qui peut être réalisé dans un matériau conducteur. En comparaison, la bobine supraconductrice est généralement à une température de l’ordre de 30 K. 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.In a manner known per se, an electrical machine comprises an inductor and an armature. The inductor includes a superconducting coil made with wires made of superconducting material which generates a magnetic field modulated by superconducting pellets, which act as magnetic screens. The superconducting coil is contained in a cryostat, the temperature of which is approximately equal to ambient temperature (around 300 K) and which can be made of a conductive material. In comparison, the superconducting coil is generally at a temperature of around 30 K. The armature, for its part, comprises a three-phase copper winding system comprising an arrangement of coils which rest 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 coils. The dimensioning of such a machine leads to an axial flow structure without a rotating power supply system (ring/brush type). Maintenance and safety problems, caused by a rotating ring/brush system, are therefore avoided.
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.This electrical machine is partially superconducting to the extent that only the inductor is made of a superconducting material, as opposed to a totally superconducting machine in which all the active parts are designed with superconducting materials.
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.In what follows, we will designate by “inductor” the HTC coil and the superconducting pellets configured to modulate the magnetic flux created by the HTC coil. Note that, in a superconducting electrical machine with flux barriers, we use the diamagnetic behavior of the superconducting pellets when they are cooled off-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 superconducting pellets and weak downstream of them. Alternatively, the superconducting pads can be magnetized and form superconducting magnets. We then speak of a superconducting magnet machine.
Afin de réduire au maximum le volume et la masse de la machine électrique ainsi que sa densité de puissance, la bobine supraconductrice de l’inducteur doit être placée au plus proche du rotor. Cette configuration permet en outre de limiter le coût de la machine électrique, le prix des fils supraconducteurs pouvant être élevé. Cependant, plus la bobine supraconductrice est proche du rotor, plus elle est exposée au champ magnétique modulé par les pastilles supraconductrices, ce qui peut générer des pertes en courant alternatif importantes dans la bobine supraconductrice ou dans son cryostat si celui-ci est conducteur. Il est alors nécessaire d’augmenter le refroidissement de la bobine supraconductrice et le cas échéant de son cryostat. Or, les pertes dans les éléments cryogéniques sont beaucoup plus couteuses à évacuer que les pertes à température ambiante. Par ailleurs, l’exposition au champ magnétique peut faire perdre ses propriétés supraconductrices à la bobine supraconductrice, réduisant ainsi l’efficacité de la machine électrique.In order to minimize the volume and mass of the electric machine as well as its power density, the superconducting coil of the inductor must be placed as close as possible to the rotor. This configuration also makes it possible to limit the cost of the electrical machine, as the price of superconducting wires can be high. However, the closer the superconducting coil is to the rotor, the more it is exposed to the magnetic field modulated by the superconducting pellets, which can generate significant alternating current losses in the superconducting coil or in its cryostat if it is conductive. It is then necessary to increase the cooling of the superconducting coil and, where applicable, its cryostat. However, losses in cryogenic elements are much more expensive to evacuate than losses at room temperature. Furthermore, exposure to the magnetic field can cause the superconducting coil to lose its superconducting properties, thus reducing the efficiency of the electrical machine.
Il a donc été proposé de conserver un cryostat en aluminium afin que les courants induits dans celui-ci protègent la bobine supraconductrice. Toutefois, une telle configuration a pour effet d’entrainer des pertes au sein du cryostat. Par ailleurs, un système de refroidissement dédié au cryostat devient nécessaire, ce qui augmente la masse de la machine électrique ainsi que sa complexité.It was therefore proposed to keep an aluminum cryostat so that the currents induced in it protect the superconducting coil. However, such a configuration has the effect of causing losses within the cryostat. Furthermore, a cooling system dedicated to the cryostat becomes necessary, which increases the mass of the electric machine as well as its complexity.
Un but de l’invention est de proposer une machine supraconductrice dont le volume, la masse et la densité de puissance sont optimisés.An aim of the invention is to propose a superconducting machine whose volume, mass and power density are optimized.
L’invention s’applique à tout type de machine supraconductrice à flux axial, qui comprennent notamment les machines partiellement supraconductrices ou totalement supraconductrices, à barrières de flux ou à aimants supraconducteurs.The invention applies to any type of superconducting axial flux machine, which notably includes partially superconducting or totally superconducting machines, with flux barriers or superconducting magnets.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, une machine électrique supraconductrice à flux axial comprenant un inducteur et un induit, l’inducteur comprenant :
- des pastilles supraconductrices mobiles en rotation autour d’un axe de la machine électrique ; et
- une bobine supraconductrice, centrée sur l’axe et s’étendant radialement à l’extérieur des pastilles supraconductrices, la bobine supraconductrice étant configurée pour générer un champ magnétique ; et
- une barrière de flux réalisée dans un matériau supraconducteur qui s’étend entre les pastilles supraconductrices et la bobine supraconductrice, ladite barrière de flux étant fixée sur une paroi circonférentielle des pastilles supraconductrices de sorte à être solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices.
For this purpose, according to a first aspect of the invention, a superconducting electric machine with axial flux is proposed, comprising an inductor and an armature, the inductor comprising:
- mobile superconducting pellets rotating around an axis of the electric machine; And
- a superconducting coil, centered on the axis and extending radially outside the superconducting pellets, the superconducting coil being configured to generate a magnetic field; And
- a flux barrier made of a superconducting material which extends between the superconducting pellets and the superconducting coil, said flux barrier being fixed on a circumferential wall of the superconducting pellets so as to be integral in movement with the superconducting pellets.
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 est sensiblement cylindrique de révolution ;
- une épaisseur axiale de la barrière de flux est comprise entre 0,1 fois et 1 fois une épaisseur axiale de la bobine supraconductrice ;
- la barrière de flux est discontinue sur sa circonférence et comprend au moins une fente s’étendant suivant une direction sensiblement radiale par rapport à l’axe ;
- la machine électrique comprend en outre une couche isolante logée dans la fente ;
- la machine électrique comprend en outre un cryostat logeant la bobine supraconductrice ;
- le cryostat est réalisé dans un matériau conducteur, par exemple de l’aluminium ; - un rayon interne de la barrière de flux est égal à un rayon externe des pastilles supraconductrices ; et/ou
- un rayon externe de la barrière de flux est strictement inférieur à un rayon interne de la bobine supraconductrice.Certain preferred but non-limiting characteristics of the electric machine according to the first aspect are the following, taken individually or in combination:
- the flow barrier is substantially cylindrical in revolution;
- an axial thickness of the flux barrier is between 0.1 times and 1 time an axial thickness of the superconducting coil;
- the flow barrier is discontinuous on its circumference and comprises at least one slot extending in a direction substantially radial relative to the axis;
- the electric machine further comprises an insulating layer housed in the slot;
- the electrical machine further comprises a cryostat housing the superconducting coil;
- the cryostat is made of a conductive material, for example aluminum; - an internal radius of the flux barrier is equal to an external radius of the superconducting pellets; and or
- an external radius of the flux barrier is strictly less than an internal radius of the superconducting coil.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un aéronef comprenant une machine électrique selon le premier aspect.According to a second aspect, the invention proposes an aircraft comprising an electric machine according to the first aspect.
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 :Other characteristics, aims and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and not limiting, and which must be read with reference to the appended drawings in which:
La
La
La
La
La
La
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.In all the figures, similar elements bear identical references.
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, ainsi qu’à des machines électriques entièrement supraconductrices (induit et inducteur supraconducteurs).In the following, the invention will be described and illustrated in the case of a partially superconducting axial flux electric machine with flux barriers with non-magnetized pellets. As has already been indicated above, this is however not limiting, the invention applying mutatis mutandis to electrical machines comprising magnetized pellets, to electrical machines with superconducting magnets, as well as to electrical machines entirely superconductors (superconducting armature and inductor).
Sur la
Dans la présente demande, on appelle axe X du rotor, son axe de rotation. La direction axiale correspond à la direction de l'axe X et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe et passant par lui. Par ailleurs, la direction circonférentielle (ou latérale) correspond à une direction perpendiculaire à l'axe X et ne passant pas par lui. Sauf précision contraire, interne (respectivement, intérieur) et externe (respectivement, extérieur), respectivement, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de l'axe X que la partie ou la face externe du même élément.In the present application, we call axis X of the rotor, its axis of rotation. The axial direction corresponds to the direction of the X axis and a radial direction is a direction perpendicular to this axis and passing through it. Furthermore, the circumferential (or lateral) direction corresponds to a direction perpendicular to the X axis and not passing through it. Unless otherwise specified, internal (respectively, interior) and external (respectively, exterior), respectively, are used with reference to a radial direction such that the internal part or face of an element is closer to the X axis than the part or external face of the same element.
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. 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 montées sur une structure porteuse 8 qui sont disposées dans un même plan orthogonal à l’axe X et radialement à l’intérieur de la bobine supraconductrice 6. La bobine supraconductrice 6 est en outre contenue dans un cryostat 9, qui peut être réalisé dans un matériau conducteur tel que de l’aluminium. 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 entrainées en rotation autour d’un axe de rotation s’étendant selon la direction axiale. Le stator est formé par l’agencement 4 de bobines électromagnétiques 5 et la bobine supraconductrice 6.In a manner known per se, the superconducting axial flux 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. The inductor 3 comprises a superconducting coil 6 coaxial with the arrangement 4 of the electromagnetic coils 5 of the armature 2 and superconducting pellets 7 mounted on a supporting structure 8 which are arranged in the same plane orthogonal to the axis inside the superconducting coil 6. The superconducting coil 6 is further contained in a cryostat 9, which can be made of a conductive material such as aluminum. Optionally, the inductor 3 further comprises a stator yoke comprising an iron crown 8. Here, the rotor is formed by the superconducting pellets 7 which are rotated around an axis of rotation extending in the axial direction. The stator is formed by the arrangement 4 of electromagnetic coils 5 and the superconducting coil 6.
Les pastilles supraconductrices 7 sont en matériau supraconducteur et sont réparties de manière équidistante autour de l’axe de rotation X, ce qui permet une variation spatiale du champ électromagnétique dans l’entrefer. Ici, les pastilles supraconductrices 7 sont non-magnétisées. Dans une variante de réalisation, les pastilles supraconductrices 7 pourraient être magnétisées.The superconducting pellets 7 are made of superconducting material and are distributed equidistantly around the axis of rotation X, which allows a spatial variation of the electromagnetic field in the air gap. Here, the superconducting pellets 7 are non-magnetized. In a variant embodiment, the superconducting pellets 7 could be magnetized.
Par exemple, les pastilles supraconductrices 7 et la bobine supraconductrices 6 peuvent être 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), en NbTi (pour niobium-titane), en MgB2 (diborure de magnésium) ou tout matériau RE-Ba-Cu-O, où RE peut comprendre n’importe quelle terre rare.For example, the superconducting pellets 7 and the superconducting coil 6 can be made of YBCO (English acronym for Yttrium Barium Copper Oxide for Mixed Oxides of Barium, Copper and Yttrium), in GdBCO (English acronym for Gadolinium-Barium-Copper -Oxygen), NbTi (for niobium-titanium), MgB2 (magnesium diboride) or any RE-Ba-Cu-O material, where RE can include any rare earth.
Les pastilles supraconductrices 7 et la bobine supraconductrice 6 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 pièces 7, 6 ainsi obtenues sont donc généralement de formes circulaires ou rectangulaires. En variante, il a également été proposé de réaliser les pastilles 7 et/ou la bobine 6 par frittage. Cependant, la connexion inter-grain associée à ce procédé de fabrication a tendance à diminuer les performances des pièces obtenues. Un autre procédé consiste à utiliser des rubans supraconducteurs (ou « tapes » en anglais). On parle dans ce cas d’empilements de rubans (ou « stack of tapes » en anglais). Ces pièces, 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 pièces sont magnétisées (machine à aimants supraconducteurs).The superconducting pellets 7 and the superconducting coil 6 are generally obtained using the seed growth process. We can particularly refer 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. In particular, this type of process consists of forming a crystal by progressive solidification of material on the surface of a pre-existing seed. The parts 7, 6 thus obtained are therefore generally circular or rectangular in shape. Alternatively, it has also been proposed to produce the pellets 7 and/or the coil 6 by sintering. However, the inter-grain connection associated with this manufacturing process tends to reduce the performance of the parts obtained. Another method consists of using superconducting ribbons (or “tapes” in English). In this case, we speak of stacks of tapes (or “stack of tapes” in English). These parts, whose superconducting core is reinforced by the matrix of the ribbons constituting them, have good mechanical strength. This good mechanical strength is particularly advantageous when the parts are magnetized (superconducting magnet machine).
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 de l’induit 2. En d’autres termes, l’inducteur 2 est supraconducteur tandis que l’induit 3 est non-supraconducteur.The superconducting coil 6 of the inductor 3 is a static superconducting coil supplied with direct current. Where applicable, when the electrical machine 1 comprises a cylinder head 4, this ensures mechanical strength of the electromagnetic coils 5 of the armature 2. In other words, the inductor 2 is superconducting while the armature 3 is non-superconductor.
Les pastilles supraconductrices 7 peuvent présenter toute forme adaptée.The superconducting pellets 7 can have any suitable shape.
Dans un premier mode de réalisation, chaque pastille supraconductrice 7 présente, de manière connue en soi, la forme d’un disque plein (solide).In a first embodiment, each superconducting pellet 7 has, in a manner known per se, the shape of a solid (solid) disk.
Dans un deuxième mode de réalisation, la pastille supraconductrice 7 peut être creuse afin d’adapter sa forme à l’épaisseur de pénétration du champ magnétique dans la pastille 7. Chaque pastille supraconductrice 7 comprend à cet effet une paroi circonférentielle qui présente :
- 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 et
- une cavité formée entre la première bordure, la deuxième bordure et délimitée par la face interne de la paroi circonférentielle.In a second embodiment, the superconducting pellet 7 can be hollow in order to adapt its shape to the thickness of penetration of the magnetic field in the pellet 7. Each superconducting pellet 7 comprises for this purpose a circumferential wall which has:
- a first border,
- a second border opposite the first border
- an internal face connecting the first border and the second border
- an external face opposite the internal face and
- a cavity formed between the first border, the second border and delimited by the internal face of the circumferential wall.
La face interne s’étend radialement à l’intérieur de la face externe. La pastille supraconductrice 7 est donc creuse en ce qu’elle présente une cavité qui, comme on le verra dans ce qui suit, peut être débouchante, traversante ou enfermée dans la pastille supraconductrice 7. La cavité est de préférence vide (dépourvue de matériau).The inner face extends radially inside the outer face. The superconducting pellet 7 is therefore hollow in that it has a cavity which, as will be seen in the following, can be open, through or enclosed in the superconducting pellet 7. The cavity is preferably empty (devoid of material). .
Optionnellement, la pastille supraconductrice 7 peut comprendre une ou plusieurs parois supplémentaires divisant la cavité en plusieurs parties. Le cas échéant, un orifice traversant peut être formé dans tout ou partie des parois. On pourra se référer au document FR3104804 au nom de la Demanderesse pour plus de détails sur ces différentes formes de réalisation de pastilles supraconductrices 7 avec cavité.Optionally, the superconducting pellet 7 may include one or more additional walls dividing the cavity into several parts. If necessary, a through hole can be formed in all or part of the walls. We can refer to document FR3104804 in the name of the Applicant for more details on these different embodiments of superconducting pellets 7 with cavity.
Dans un troisième mode de réalisation illustré sur les figures 1, 2 et 4, la forme des pastilles supraconductrices 7 est adaptée (optimisée) de sorte à maximiser le rapport écrantage/masse des pastilles 7, c’est-à-dire que la forme des pastilles supraconductrices 7 est adaptée afin que la variation de la composante axiale du champ magnétique induit, et donc l’écrantage du flux magnétique, soit maximal, tout en minimisant la masse des pastilles supraconductrices 7. On peut ainsi obtenir une augmentation de la vitesse de rotation du rotor et donc de la puissance de la machine électrique 1. A cet effet, les pastilles supraconductrices 7 peuvent avoir une forme polygonale présentant au moins cinq côtés. Par exemple, la pastille 7 présente une forme hexagonale, de préférence celle d’un hexagone régulier isométrique. En variante, la face 8 de chaque pastille supraconductrice 7 présente la géométrie et les dimensions d’un secteur d’anneau. Par secteur d’anneau, on comprendra ici la forme délimitée d’une part par deux cercles coaxiaux, de diamètre différent, et d’autre part par deux segments de droite issus du centre des cercles. Le secteur d’anneau comprend ainsi deux côtés opposés courbes et deux côtés opposés droits.In a third embodiment illustrated in Figures 1, 2 and 4, the shape of the superconducting pellets 7 is adapted (optimized) so as to maximize the screening/mass ratio of the pellets 7, that is to say that the shape of the superconducting pellets 7 is adapted so that the variation of the axial component of the induced magnetic field, and therefore the screening of the magnetic flux, is maximum, while minimizing the mass of the superconducting pellets 7. It is thus possible to obtain an increase in the speed of rotation of the rotor and therefore of the power of the electrical machine 1. For this purpose, the superconducting pellets 7 can have a polygonal shape having at least five sides. For example, the pellet 7 has a hexagonal shape, preferably that of a regular isometric hexagon. Alternatively, face 8 of each superconducting pellet 7 has the geometry and dimensions of a ring sector. By ring sector, we will understand here the shape delimited on the one hand by two coaxial circles, of different diameter, and on the other hand by two line segments coming from the center of the circles. The ring sector thus includes two opposite curved sides and two opposite straight sides.
On pourra se référer au document FR3104803 au nom de la Demanderesse pour plus de détails sur ces différentes formes de réalisation de pastilles supraconductrices 7.
We can refer to document FR3104803 in the name of the Applicant for more details on these different embodiments of superconducting pellets 7.
Le champ magnétique est généré par la bobine supraconductrice 6. Par conséquent, il suffit d’éteindre la bobine supraconductrice 6 pour couper le champ magnétique dans la machine électrique supraconductrice. Cela présente un avantage dans la mesure où des pastilles supraconductrices 7 qui sont refroidies en présence d’un champ magnétique ne sont pas capables d’écranter le champ magnétique. Ainsi, il est nécessaire que le champ magnétique à écranter apparaisse à un instant postérieur au refroidissement des pastilles supraconductrices 7 pour leur permettre de jouer leur rôle d’écrans magnétiques, ce qui est rendu possible par l’utilisation de la bobine supraconductrice 6. Dans l’invention, la bobine supraconductrice 6 peut donc être éteinte lorsque les pastilles supraconductrices 7 sont chaudes et allumée une fois qu’elles sont refroidies.
The magnetic field is generated by the superconducting coil 6. Therefore, simply turning off the superconducting coil 6 can cut off the magnetic field in the superconducting electric machine. This has an advantage in that superconducting pellets 7 which are cooled in the presence of a magnetic field are not capable of screening the magnetic field. Thus, it is necessary for the magnetic field to be screened to appear at a time after the cooling of the superconducting pellets 7 to enable them to play their role as magnetic screens, which is made possible by the use of the superconducting coil 6. In the invention, the superconducting coil 6 can therefore be turned off when the superconducting pellets 7 are hot and turned on once they have cooled.
Les bobines 5 de l’induit 2 peuvent également présenter toute forme adaptée. De manière connue en soi, les bobines 5 peuvent notamment présenter une forme de secteur d’anneau, comme illustré sur les figures 1, 2 et 4.The coils 5 of the armature 2 can also have any suitable shape. In a manner known per se, the coils 5 can in particular have the shape of a ring sector, as illustrated in Figures 1, 2 and 4.
Afin d’optimiser le volume, la masse et la densité de puissance de la machine électrique 1, la machine électrique 1 comprend en outre une barrière de flux 12 réalisée dans un matériau supraconducteur qui s’étend entre les pastilles supraconductrices 7 et la bobine supraconductrice 6. La barrière de flux 12 est par ailleurs fixée sur la paroi circonférentielle des pastilles supraconductrices 7 (au niveau de sa partie radialement externe 7a) de sorte à être solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices 7. La partie radialement externe 7a de la paroi circonférentielle des pastilles 7 correspond ici à la partie de la pastille 7 qui s’étend circonférentiellement par rapport à l’axe X et qui est la plus éloignée de l’axe X. La barrière de flux 12 fait donc partie du rotor de la machine électrique 1 et est positionnée entre les pastilles supraconductrices 7 et la bobine supraconductrice 6 de sorte à masquer au moins partiellement la bobine supraconductrice 6. L’écrantage de la bobine supraconductrice 6 par la barrière de flux 12 permet ainsi de protéger la bobine supraconductrice 6 des variations de champ réalisées par la rotation des pastilles supraconductrices 7. Ainsi, la présence de la barrière de flux 12 permet de rapprocher la bobine supraconductrice 6 des pastilles supraconductrices 7, et donc de réduire son diamètre (et par conséquent d’améliorer la compacité et la masse de la machine électrique 1).In order to optimize the volume, mass and power density of the electric machine 1, the electric machine 1 further comprises a flux barrier 12 made of a superconducting material which extends between the superconducting pellets 7 and the superconducting coil 6. The flux barrier 12 is also fixed on the circumferential wall of the superconducting pellets 7 (at its radially external part 7a) so as to be integral in movement with the superconducting pellets 7. The radially external part 7a of the circumferential wall of the pellets 7 corresponds here to the part of the pellet 7 which extends circumferentially with respect to the axis 1 and is positioned between the superconducting pellets 7 and the superconducting coil 6 so as to at least partially mask the superconducting coil 6. Screening the superconducting coil 6 by the flux barrier 12 thus makes it possible to protect the superconducting coil 6 from variations. field produced by the rotation of the superconducting pellets 7. Thus, the presence of the flux barrier 12 makes it possible to bring the superconducting coil 6 closer to the superconducting pellets 7, and therefore to reduce its diameter (and consequently to improve the compactness and the mass of the electric machine 1).
Par ailleurs, la barrière de flux 12 étant solidaire du rotor, elle n’est pas exposée à un champ variable et donc ne risque pas d’être démagnétisée.Furthermore, the flux barrier 12 being integral with the rotor, it is not exposed to a variable field and therefore does not risk being demagnetized.
Enfin, la présence de la barrière de flux 12 entre les pastilles supraconductrices 7 et la bobine supraconductrice 6 réduit les pertes au sein du cryostat 9 résultant de son exposition au champ magnétique variable rotorique, et supprime donc le besoin d’un système de refroidissement dédié, ce qui réduit le coût d’utilisation de la machine électrique 1. Il est en outre possible de rapprocher la paroi du cryostat 9 du rotor 7, 12.Finally, the presence of the flux barrier 12 between the superconducting pellets 7 and the superconducting coil 6 reduces the losses within the cryostat 9 resulting from its exposure to the variable rotor magnetic field, and therefore eliminates the need for a dedicated cooling system , which reduces the cost of using the electric machine 1. It is also possible to bring the wall of the cryostat 9 closer to the rotor 7, 12.
Avantageusement, la présence de la barrière de flux 12 permet en outre d’écranter le champ magnétique en tête des bobines 5 et de rediriger le champ magnétique vers les régions actives de la machine électrique 1, ce qui limite les risques de déformation des bobines 5 et améliore ainsi la densité de puissance de la machine électrique 1.Advantageously, the presence of the flux barrier 12 also makes it possible to screen the magnetic field at the head of the coils 5 and to redirect the magnetic field towards the active regions of the electrical machine 1, which limits the risks of deformation of the coils 5 and thus improves the power density of the electric machine 1.
La barrière de flux 12 présente une forme sensiblement cylindrique de révolution autour de l’axe X et s’étend de manière sensiblement continue autour de l’axe X de rotation. Toutefois, la barrière de flux 12 comprend au moins une discontinuité 13 pour ne pas écranter le champ magnétique au sein des pastilles supraconductrices 7. En effet, en l’absence de discontinuité 13, des boucles de courant seraient susceptibles de se former à la périphérie des pastilles supraconductrices 7, écrantant ainsi le champ magnétique à l’intérieur des pastilles 7, ce qui nuirait au fonctionnement de la machine électrique 1.The flow barrier 12 has a substantially cylindrical shape of revolution around the axis X and extends substantially continuously around the axis X of rotation. However, the flux barrier 12 comprises at least one discontinuity 13 so as not to screen the magnetic field within the superconducting pellets 7. Indeed, in the absence of discontinuity 13, current loops would be likely to form at the periphery. superconducting pellets 7, thus screening the magnetic field inside the pellets 7, which would harm the operation of the electrical machine 1.
La discontinuité 13 peut être obtenue en réalisant une fente 13 dans la barrière de flux 12 (comme illustré sur la
La barrière de flux 12 est placée à l’extérieur des pastilles supraconductrices 7 et à l’intérieur de la bobine supraconductrice 6. Un rayon interne R1(c’est-à-dire le rayon minimal) de la barrière de flux est donc égal au rayon externe maximal des pastilles supraconductrices 7, tandis que son rayon externe R2(c’est-à-dire ici son rayon maximal) est strictement inférieur au rayon interne R3de la bobine supraconductrice 6 afin d’éviter tout contact entre la barrière de flux 12 et la bobine supraconductrice 6, la barrière de flux 12 devant tourner solidairement avec les pastilles supraconductrices 7 tandis que la bobine supraconductrice doit rester fixe. Il existe donc un jeu entre la bobine supraconductrice 6 et la barrière de flux 12.The flux barrier 12 is placed outside the superconducting pellets 7 and inside the superconducting coil 6. An internal radius R 1 (i.e. the minimum radius) of the flux barrier is therefore equal to the maximum external radius of the superconducting pellets 7, while its external radius R 2 (that is to say here its maximum radius) is strictly less than the internal radius R 3 of the superconducting coil 6 in order to avoid any contact between the flux barrier 12 and the superconducting coil 6, the flux barrier 12 having to rotate integrally with the superconducting pellets 7 while the superconducting coil must remain fixed. There is therefore a clearance between the superconducting coil 6 and the flux barrier 12.
Une épaisseur axiale 10 (qui correspond à une dimension mesurée suivant un axe parallèle à l’axe X) de la barrière de flux 12 est déterminée en fonction de l’intensité du champ magnétique à écranter. L’épaisseur axiale 10 de la barrière de flux 12 est en particulier choisie de sorte à recouvrir la région où la majorité des pertes volumiques électromagnétiques est générée (voir
La barrière de flux 12 est réalisée dans un matériau supraconducteur. En particulier, la barrière de flux 12 peut être réalisée dans l’un quelconque des matériaux supraconducteurs envisagés pour les pastilles supraconductrices 7 listés plus haut. De préférence, la barrière de flux 12 est réalisée dans le même matériau supraconducteur que les pastilles supraconductrices 7.The flux barrier 12 is made of a superconducting material. In particular, the flux barrier 12 can be made from any of the superconducting materials envisaged for the superconducting pellets 7 listed above. Preferably, the flux barrier 12 is made of the same superconducting material as the superconducting pellets 7.
La barrière de flux 12 peut être monobloc avec les pastilles supraconductrices 7 utilisées pour la modulation du flux, c’est-à-dire formée intégralement et en une seule pièce avec les pastilles 7. Lorsque la barrière de flux 12 et les pastilles 7 sont monobloc, par simplicité de réalisation, elles pourront avoir la même épaisseur axiale.The flux barrier 12 can be in one piece with the superconducting pellets 7 used for modulating the flux, that is to say formed integrally and in one piece with the pellets 7. When the flux barrier 12 and the pellets 7 are monobloc, for simplicity of construction, they can have the same axial thickness.
En variante, la barrière de flux 12 peut être rapportée et fixée sur les pastilles supraconductrices 7. Dans ce cas, l’épaisseur axiale 10 de la barrière de flux 12 peut être différente de celle des pastilles supraconductrices et déterminée en fonction du champ magnétique à écranter.Alternatively, the flux barrier 12 can be attached and fixed to the superconducting pellets 7. In this case, the axial thickness 10 of the flux barrier 12 can be different from that of the superconducting pellets and determined as a function of the magnetic field at screen.
La barrière de flux 12 peut présenter une hauteur sensiblement comprise entre 5 et 20 millimètres. Par hauteur, on comprendra ici la dimension suivant une direction radiale à l’axe X de rotation, correspondant à la différence entre le rayon externe R2de la barrière de flux 12 et son rayon interne R1de la barrière.The flow barrier 12 may have a height substantially between 5 and 20 millimeters. By height, we will understand here the dimension in a direction radial to the axis X of rotation, corresponding to the difference between the external radius R 2 of the flow barrier 12 and its internal radius R 1 of the barrier.
La barrière de flux 12 peut être obtenue par croissance de germes ou par empilement de rubans.The flow barrier 12 can be obtained by growth of seeds or by stacking of ribbons.
Lorsque la barrière de flux 12 est obtenue par croissance de germes, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :When the flow barrier 12 is obtained by seed growth, the manufacturing process comprises the following steps:
- réalisation d’une pièce type pastille conventionnelle en forme de disque par croissance de germes selon la forme finale la plus approchante de la barrière de flux 12 ;production of a conventional disc-shaped pellet type part by growth of seeds according to the final shape closest to the flow barrier 12;
- usinage de la pièce ainsi obtenue de sorte à obtenir la forme finale de la barrière de flux 12 ; etmachining of the part thus obtained so as to obtain the final shape of the flow barrier 12; And
- optionnellement, insertion d’une couche isolante 14 telle que décrite ci-avant.optionally, insertion of an insulating layer 14 as described above.
L’étape d’usinage peut notamment comprendre la réalisation d’un orifice central traversant dans le disque de sorte de sorte à obtenir le cylindre de révolution ainsi que d’une ou plusieurs discontinuités 13, typiquement des fentes.The machining step may in particular comprise the production of a central through orifice in the disc so as to obtain the cylinder of revolution as well as one or more discontinuities 13, typically slots.
Lorsque la barrière de flux 12 est obtenue par empilement de rubans, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :When the flow barrier 12 is obtained by stacking ribbons, the manufacturing process comprises the following steps:
- prédécoupage des rubans suivant la forme cylindrique de révolution de la barrière de flux 12 ;pre-cutting of the ribbons following the cylindrical shape of revolution of the flow barrier 12;
- empilement des rubans ainsi prédécoupés de manière conventionnelle pour obtenir la barrière de flux 12 ;stacking the ribbons thus precut in a conventional manner to obtain the flow barrier 12;
- usinage d’une ou de plusieurs discontinuités 13 ; etmachining of one or more discontinuities 13; And
- optionnellement, insertion d’une couche isolante 14 telle que décrite ci-avant.optionally, insertion of an insulating layer 14 as described above.
Le cas échéant, la barrière de flux 12 et les pastilles supraconductrices 7 peuvent être formées intégralement en une seule pièce. En d’autres termes, la barrière de flux 12 et les pastilles supraconductrices 7 peuvent être fabriquées simultanément par croissance de germes ou par empilement de rubans. L’épaisseur axiale 10 de la barrière de flux 12 peut alors être égale à l’épaisseur axiale des pastilles supraconductrices 7 (généralement, de l’ordre de dix à vingt millimètres) pour simplifier le procédé de fabrication.If necessary, the flux barrier 12 and the superconducting pellets 7 can be formed entirely in a single piece. In other words, the flux barrier 12 and the superconducting pellets 7 can be manufactured simultaneously by growth of seeds or by stacking of ribbons. The axial thickness 10 of the flux barrier 12 can then be equal to the axial thickness of the superconducting pellets 7 (generally, of the order of ten to twenty millimeters) to simplify the manufacturing process.
La machine électrique 1 peut notamment être utilisée dans un aéronef 100.The electric machine 1 can in particular be used in an aircraft 100.
Claims (10)
- des pastilles supraconductrices (7) mobiles en rotation autour d’un axe (X) de la machine électrique (1) ; et
- une bobine supraconductrice (6), centrée sur l’axe (X) et s’étendant radialement à l’extérieur des pastilles supraconductrices (7), la bobine supraconductrice (6) étant configurée pour générer un champ magnétique ;
la machine électrique (1) étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une barrière de flux (12) réalisée dans un matériau supraconducteur qui s’étend entre les pastilles supraconductrices (7) et la bobine supraconductrice (6), ladite barrière de flux (12) étant fixée sur une paroi circonférentielle (7a) des pastilles supraconductrices (7) de sorte à être solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices (7).
Superconducting axial flux electrical machine (1) comprising an inductor (6, 7) and an armature (5), the inductor (6, 7) comprising:
- superconducting pellets (7) movable in rotation around an axis (X) of the electric machine (1); And
- a superconducting coil (6), centered on the axis (X) and extending radially outside the superconducting pellets (7), the superconducting coil (6) being configured to generate a magnetic field;
the electric machine (1) being characterized in that it further comprises a flux barrier (12) made of a superconducting material which extends between the superconducting pellets (7) and the superconducting coil (6), said barrier of flow (12) being fixed on a circumferential wall (7a) of the superconducting pellets (7) so as to be integral in movement with the superconducting pellets (7).
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| FR2201096A FR3132591B1 (en) | 2022-02-08 | 2022-02-08 | Protection of the coils of an electrical machine |
| PCT/FR2023/050169 WO2023152448A1 (en) | 2022-02-08 | 2023-02-08 | Machine comprising superconducting pads, flux barrier, annular superconducting coil and a stator armature |
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR2201096 | 2022-02-08 | ||
| FR2201096A FR3132591B1 (en) | 2022-02-08 | 2022-02-08 | Protection of the coils of an electrical machine |
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| FR3132591B1 FR3132591B1 (en) | 2024-03-22 |
Family
ID=82320091
Family Applications (1)
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| FR2201096A Active FR3132591B1 (en) | 2022-02-08 | 2022-02-08 | Protection of the coils of an electrical machine |
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| FR3104341A1 (en) * | 2019-12-04 | 2021-06-11 | Safran | Superconducting Inductor Armature Flux Barrier Electric Machine |
| FR3104803A1 (en) | 2019-12-13 | 2021-06-18 | Safran | Electrical machine comprising superconducting pellets of optimized shape |
| FR3104804A1 (en) | 2019-12-13 | 2021-06-18 | Safran | Superconducting pellet comprising a cavity and associated electrical machine |
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2022
- 2022-02-08 FR FR2201096A patent/FR3132591B1/en active Active
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- 2023-02-08 WO PCT/FR2023/050169 patent/WO2023152448A1/en unknown
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| M. MORITAH. TESHIMAH. HIRANO: "Development of oxide super-conductors", NIPPON STEEL TECHNICAL REPORT, vol. 93, 2006, pages 18 - 23 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3132591B1 (en) | 2024-03-22 |
| WO2023152448A1 (en) | 2023-08-17 |
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Effective date: 20230811 |
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