WO2014096011A1 - Machine électrique à bobines supraconductrices - Google Patents

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WO2014096011A1
WO2014096011A1 PCT/EP2013/077104 EP2013077104W WO2014096011A1 WO 2014096011 A1 WO2014096011 A1 WO 2014096011A1 EP 2013077104 W EP2013077104 W EP 2013077104W WO 2014096011 A1 WO2014096011 A1 WO 2014096011A1
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WO
WIPO (PCT)
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temperature
electromechanical machine
heat
insulating enclosure
volume
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/077104
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English (en)
Inventor
Hichem SMAOUI
Charles NESPOULOUS
Bruno RECHAIN
Emmanuel Joubert
Original Assignee
European Aeronautic Defence And Space Company Eads France
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Filing date
Publication date
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Priority to US14/654,274 priority patent/US10298097B2/en
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/20—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil wherein the cooling medium vaporises within the machine casing
    • 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

  • the present invention belongs to the field of electromechanical machines, motors or generators, which in operation the coils are maintained at very low temperatures.
  • the invention relates to an electromechanical machine whose coil winding temperatures are maintained at sufficiently low temperatures to ensure the superconducting operation of these coils.
  • This property of certain materials is particularly advantageous because it results in the possibility of making windings to generate magnetic fields that can accept large electric currents, provided that it does not exceed certain critical current densities, without joule heating and with conductive sections, and therefore the masses of the windings, reduced.
  • high temperature for example MgB2 magnesium diboride whose superconductivity is obtained for temperatures of the order of 30 Kelvin or other alloys that can have superconductivity for temperatures as high as 70 Kelvin, makes it possible to reduce the temperature constraints and to simplify the cooling systems of machines using superconducting coils.
  • EP 1777800 describes an example of an electromechanical machine using a superconducting winding.
  • the superconducting winding located between the rotor and the stator, is enclosed in a cryostat placed inside the machine so that the winding is maintained at a temperature below the critical temperature of the material used.
  • a cryostat placed inside the machine so that the winding is maintained at a temperature below the critical temperature of the material used.
  • such a low temperature maintenance is obtained by a fluid such as for example liquid nitrogen or helium or liquid hydrogen, depending on the critical temperature of the superconducting material used, maintained at the desired temperature by cooling systems.
  • a fluid such as for example liquid nitrogen or helium or liquid hydrogen, depending on the critical temperature of the superconducting material used, maintained at the desired temperature by cooling systems.
  • a tank of liquefied gas at low temperature is used as a cold reserve and a flow is taken from this reservoir to continuously cool the electrical conductors of superconducting material of the machine before being rejected outside. of the machine.
  • a low temperature fluid circulates in a closed circuit between the parts of the machine to be maintained at cryogenic temperature and a cryogenic cooling device (cryocooler in English terminology).
  • cryogenic cold generation devices are known but they remain heavy and bulky and require to be supplied with energy to produce the necessary cold.
  • a failure of the cooling system generally has the immediate consequence of stopping the operation of the cooled machine except to provide redundant cooling devices.
  • the known methods are therefore penalizing and are not satisfactory for embedded machines when in particular volume, mass and reliability are essential criteria, for example in the case of applications on board aircraft.
  • an electromechanical machine comprising at least one part consisting of a coil, for example a rotor or stator winding, of a material becoming electrical superconductor when its temperature is lower. at a critical temperature Te, in which an electromechanical machine a functional part, for example an electric motor or an electromechanical generator, is contained, in practice completely contained except for any means of control or power take-off, in an internal volume of an enclosure, thermally insulating, and fluid-tight, and adapted to receive a fluid at low temperature, including a cryogenic fluid.
  • the electromechanical machine benefits, after cooling, advantages provided by electrical conductors, in particular winding, superconductors without external means for maintaining the temperature below the critical temperature, benefiting from the mass of the part functional as a heat sink.
  • the internal volume taking into account the elements it contains, comprises a total energy storage capacity in calorific form, considered when the temperature in the interior volume changes from the temperature of the cryogenic fluid to a temperature at most equal to the critical temperature Te, equal to or greater than the quantity of heat Emax introduced into the interior volume, because of the heat passing through the insulating wall and the heat produced by the functional part because of its operation and its losses, when the electromechanical machine is used for a duration and operating conditions corresponding to those of an uninterrupted mission the most penalizing with respect to said amount of heat.
  • the total energy storage capacity in heat form of the electromechanical machine comprises:
  • the materials forming part of the functional part are advantageously selected from materials having a high specific heat, greater than 400 J / kg ° C and preferably greater than 800 J / kg ° C, so as to form a heat sink capable of accumulating at least a substantial part of the amount of heat Emax.
  • Such materials selected according to their specific heat are also selected according to their other requirements (mechanical, electrical, machining, recycling, costs %) to not penalize the design of the electromechanical machine.
  • the parts made of materials having a high specific heat are arranged and geometrically configured so as to promote the heat exchange between these materials and the interior volume of the insulating enclosure .
  • the interior volume of the insulating enclosure comprises at least one tank for storing cryogenic fluid , in the liquid state when the temperature is below the critical temperature Te, uninsulated, with respect to the internal volume, in terms of thermal conduction.
  • the reservoir is formed by an internal separator determining, between this internal separator and a more external separator of the insulating wall, the volume of the reservoir and determining on the side of an internal face a reduced volume in which is located the functional part.
  • the functional part is in a free space in the center of the reservoir containing the cryogenic liquid which promotes its maintenance at low temperature.
  • the wall of the insulating enclosure comprises openings for placing the internal volume in communication with the outside of the insulating enclosure, these openings having valves and or valves so as to control the flow of fluids through said openings.
  • the wall of the insulating enclosure comprises one or more openings through which the fluid is fluid-tight through at least one power transmission shaft.
  • mechanical provided to or generated by the functional portion so as to have an end of said shaft accessible from the outside of the insulating enclosure and or comprises one or more openings through which electrically conductive cables pass, for example transmission cables, electrical power or control and control system cables.
  • the mechanical transmission shaft or shafts and / or the electrical conductors passing through the wall of the insulating enclosure are made of a material having a thermal conductivity of less than 25 W / m ° C.
  • the electromechanical machine comprises means for controlling and monitoring the temperature of the internal volume and or the temperature of the coils. superconducting material, these control and monitoring means comprising at least one temperature sensor attached to the functional part.
  • the invention relates in particular to an aircraft comprising such an electromechanical machine.
  • the aircraft then benefits from a reduced mass of the electromechanical machine without new systems being put in place on the aircraft for the production of cold.
  • the invention relates to a vehicle comprising such an electromechanical machine used as a propulsion motor of the vehicle.
  • the invention also relates to a method for implementing such an electromechanical machine, a method of implementation comprising the steps of:
  • a reduced volume of the internal volume of the insulating enclosure in which the functional part is comprised is filled with cryogenic fluid immersing this functional part as long as the temperature of this functional part is not stabilized at the cryogenic temperature and wherein the reduced volume is then purged from the cryogenic fluid contained therein.
  • the cooling of the part providing thermal storage due to its specific heat is thus carried out efficiently and quickly which is important in the case of successive missions to be performed by a vehicle carrying the electromechanical machine.
  • the electromechanical machine has a tank inside the insulating enclosure, the tank is filled with cryogenic fluid before disconnecting the external cooling system.
  • the holding capacity in the temperature condition is thus improved.
  • a method of designing the machine comprises:
  • a step of determining a volume of a reservoir such as a latent heat of vaporization of the cryogenic fluid initially filling said reservoir represents at least the complement of thermal energy with the thermal energy storage capacity in static form for to reach the Emax value.
  • FIG. 2 a block diagram of the method of designing the electromechanical machine of the invention
  • FIG. 3 a block diagram of a cold-cooling method of the machine of the invention with a view to a mission.
  • the electromechanical machine 100 comprises a functional part 10 and comprises a thermal control system 20 for regulating a temperature of said functional part.
  • the functional part 10 provides the functions expected of the electromechanical machine 100, typically the functions of an electric motor and or those of an electric generator comprising here a rotor 11.
  • the functional part 10 is in accordance with that of known electromechanical machines comprising a movable part, here a rotor 11, and a stator 12. It also comprises, in known manner, magnetic parts, for example magnets and or parts made of magnetic materials, and comprises at least one electrical conductor, for example a coil made of an electrically conductive material.
  • stator coils 120 In the example illustrated in FIG. 1, those skilled in the art will recognize a rotating machine, electric motor or electrogenerator, comprising stator coils 120 and rotor coils 110.
  • the electrically conductive materials are, in the case of the electromechanical machine 100, superconducting materials whose electrical resistance becomes zero at a temperature below a critical temperature Te characteristic of the material used.
  • the superconducting material is for example a high temperature superconducting material whose critical temperature is greater than or equal to the cryogenic temperature of vaporization of a gas (at ordinary temperature) such as liquid diatomic nitrogen, 77 Kelvin at ordinary ambient pressure. , such as liquid diatomic hydrogen, 20 Kelvin at ordinary ambient pressure, or such as liquid helium, about 4 Kelvin at ordinary ambient pressure.
  • a gas at ordinary temperature
  • liquid diatomic nitrogen such as liquid diatomic nitrogen, 77 Kelvin at ordinary ambient pressure.
  • liquid diatomic hydrogen such as liquid diatomic hydrogen, 20 Kelvin at ordinary ambient pressure, or such as liquid helium, about 4 Kelvin at ordinary ambient pressure.
  • non-electrical parts of the functional part for example a magnetic mass of the rotor 11 or a stator cage 12, are produced so as to create a thermal storage well of a desired capacity whose functions will be described later. .
  • the materials used to make said non-electrical parts are chosen, within the limits required for their mechanical properties, with specific heat Cp as high as possible.
  • these materials or other materials with high specific heat, will be preferred to polymeric materials, the use of which is common in electric motors and generators, and on the other hand it will be sought to incorporate a sufficient mass of these materials to obtain the desired thermal storage capacity.
  • the thermal control system 20 mainly comprises an insulating enclosure 21 of thermal insulation of the functional part 10, a cooling device of an interior volume 22 of the insulating enclosure 21 and a system for monitoring and monitoring the temperature in the said insulating enclosure.
  • the insulating enclosure 21 is mainly formed by a wall 23 enveloping the internal volume 22.
  • This wall 23 is made to limit the heat flux between the interior volume 22 of the insulating enclosure, at low temperature, for example at a temperature below 100 Kelvin, and a space outside the insulating enclosure which may be at temperatures in the order of 400 Kelvin or more in some environments.
  • This type of insulating enclosure is known in particular in the field of cryostats or vases Deware.
  • the wall 23 usually comprises several separators 230, 231, 232 spaced from each other and defining spaces between them.
  • the spaces between the separators determine separation volumes 221, 222.
  • the outermost separation volume 221 in which a partial gas vacuum is produced and or containing a thermal insulator, for example a silica airgel, provides a first insulation.
  • Wall openings 24, 25, 26, 27 necessarily present in the wall are sealed so as to limit, as much as possible, the exchange of fluid between the inside of the insulating enclosure 21 and the outside.
  • Such openings are arranged to provide access to parts internal to said insulating enclosure from outside said insulating enclosure.
  • At least one mechanical power transmission shaft 111 passes through the insulating wall and a bundle of electric cables. .
  • the electromechanical machine does not have a shaft passing through the wall and a mechanical transmission shaft totally outside the insulating enclosure is driven in motion by a magnetic coupling with internal movable parts of the part. functional inside the insulating enclosure.
  • all the elements passing through the wall 23 of the insulating enclosure and the separators 230, 231, 232 are of materials chosen for their properties of poor thermal conductors.
  • a mechanical shaft is made of a titanium alloy whose thermal conductivity close to 20 W / m ° C is lower than that of ordinary steel, having a thermal conductivity at least twice as high, while having good mechanical strength, or an electrical cable, at least in its through portion of the wall of the insulating enclosure, is made of a nickel-iron alloy 36% nickel (such as Invar®) also bad conductor thermal, for a metal, with a thermal conductivity of 13 W / m ° C, and whose electrical resistivity, although about fifty times that of copper, does not prove to be penalizing over a short length of cable.
  • Other materials may be used provided that they have similar characteristics or better adapted in terms of poor thermal conduction such as polymer matrix composite materials.
  • the thermal control system 20 also comprises a heat exchanger incorporated in the insulating enclosure.
  • the notion of heat exchanger is here to be considered in a broad sense.
  • the heat exchanger incorporates here a set of elements and characteristics of implementation distributed on the electromechanical machine 100 and which promote the transfer of heat between the various elements within said electromechanical machine.
  • the heat exchanger comprises in particular openings 25, 26 arranged in the wall 23 of the insulating enclosure so as to allow the circulation of a fluid between the inside of said insulating enclosure and the outside, both in the direction of filling of inner volumes of said insulating enclosure only in the direction of drainage of said volumes.
  • Said openings are provided with shutter devices 251, 261 controlled, valve type, and or automatic, valve type.
  • the passages 25, 26 and the closure devices are arranged to limit the heat exchange between the inside of the insulating enclosure and the outside as has already been said, in particular by the use of low thermal conductivity materials. for their achievements.
  • the heat exchanger implements geometrical features of the non-electrical parts, made of materials chosen for their thermal storage properties, of the functional part 10 which favor thermal exchanges inside the enclosure. insulating 21.
  • Such geometrical features consist for example of bores 112, 122 passing through non-electrical parts so that a contact surface of said non-electrical parts with the surrounding fluid is increased to promote heat exchange.
  • an internal separator 232 sealingly encloses the functional portion 10 within a reduced volume 223 of the insulating enclosure 21.
  • the wall of the internal separator 232 determines, with a separator 231, more external, of the wall 23 of the insulating enclosure, a reservoir 222 enveloping the reduced volume 223 in which the functional part 10 is located.
  • the internal separator 232 has no particular thermal insulation characteristic, a thermal transparency being as much as possible sought.
  • the internal separator 232 is for example made of aluminum alloy.
  • At least one filling and / or drainage opening 25 opens into said reservoir and said at least one opening, or at least one other opening opening into said reservoir, is provided with a device control device, not shown, the pressure in the reservoir 222 so as to evacuate a fluid that would be there with a pressure greater than a calibration pressure.
  • the thermal control system 20 also comprises valves or valves, measurement probes and electrical cables, not shown, necessary or useful for the operation and monitoring of said thermal control system and the temperature of the functional part of the machine. electromechanical 100. As already stated, all the crossings of the walls are sealed and thermally insulated if necessary.
  • the opening opening into the reservoir 222 also opens into the reduced volume 223.
  • the cryogenic fluid released by the reservoir 222 is thus injected into the volume.
  • reduced 223 enclosing the functional portion 10 which is cooled before said fluid is itself discharged through an opening 26 of the insulating wall 23 opening into said reduced volume.
  • This maximum duration of continuous operation is in practice the maximum possible duration of a mission of the aircraft, including reserves, which is known, for example 6 hours of mission, and taking into account a factor of safety, for example 20% or 7.2 hours of continuous operation.
  • a second phase 220 determines the maximum temperature Tmax that the electric generator must not exceed during the maximum duration of the mission with margin, 7.2 hours in the example, to stay functional throughout the mission.
  • This temperature is for example 75 Kelvin, for a high temperature superconducting material having a critical temperature Te at least slightly greater than this value.
  • a third phase 230 it is determined the amount of energy in thermal form that will be provided to the electromechanical machine for the duration previously established.
  • This heat balance takes into account a heat flux coming from the outside and which warms up the functional part 10, a heat flux which is a function of the performances of the thermal insulation provided by the enclosure 21, an external temperature and the temperature actually maintained in said insulating enclosure.
  • This thermal balance also takes into account the heat generated by the functional portion 10 inside the insulating enclosure 21.
  • the electrically conductive elements are superconductors in the temperature conditions maintained in said insulating enclosure, the operation of the electromechanical machine 100 dissipates an internal energy, in the form of losses in the magnetic parts, of hysteresis, which results in a heat input, which will be determined for a most severe mission profile according to the criterion of said heat input.
  • a fourth phase 240 taking into account an initial temperature Tmin, for example the temperature of the liquid nitrogen at ambient atmospheric pressure on the ground, inside the insulating enclosure 21, and the maximum temperature Tmax admissible, it is determined a total heat capacity CCs (Joule / ° C) of the elements inside the insulating enclosure, ie, except phase change of material.
  • Tmin for example the temperature of the liquid nitrogen at ambient atmospheric pressure on the ground
  • Tmax admissible
  • the total static heat capacity CCs is that provided mainly here by structures of the functional part 10.
  • the electromechanical machine 100 will be able to perform the mission without its internal temperature exceeding the maximum temperature Tmax, if:
  • step 250 It is then verified in step 250 that this condition is realized or not.
  • the electromechanical machine 100 will, in principle, have only the cold maintenance mode by a static accumulation of cold, and the essential characteristics of the electromechanical machine are, for the thermal control functions, at this phase defined. . If this condition is not satisfied, it will be determined in a fifth phase 260 how much of a cryogenic liquid must be removed so as to compensate for the difference between Emax and the term CCs x (Tmax-Tmin) on the one hand by raising the temperature of said cryogenic liquid to a boiling point and secondly by changing the liquid phase to the vapor phase of said cryogenic liquid. In this case, the cryogenic liquid is necessarily chosen with a boiling point below the critical temperature Te.
  • the latent heat of vaporization is about 200 kJ / kg.
  • the amount of cryogenic liquid required will determine in this case the volume of the reservoir 222.
  • the electromechanical machine 100 Despite the complexity introduced by the need to keep the functional part 10 at a low temperature, the electromechanical machine 100 proves lighter and of smaller dimensions than a conventional electromechanical machine with the same electrical and / or mechanical performances, in particular due to the use of windings of superconducting materials which allows the passage of currents in the son of windings without heating.
  • thermal control system 20 which maintains the conductive elements at the cryogenic temperature is completely static.
  • the thermal control system 20 is much simpler, lighter and more reliable than in known cryogenic operation systems to cool the electrical conductor portions. This result is obtained at the cost of a specific implementation of the electromechanical machine 100.
  • the electromechanical machine 100 When the electromechanical machine 100 is to be used it is previously put cold to achieve the mission, for example the aircraft on which it is installed.
  • a source of cryogenic liquid for example liquid nitrogen at a temperature of 77 Kelvin or less, of an external cooling system is connected to an opening 25, 26 for filling the insulating enclosure, and if necessary a cryogenic liquid recovery installation is connected to a drainage opening.
  • a source of cryogenic liquid for example liquid nitrogen at a temperature of 77 Kelvin or less
  • the openings 26 opening into said reduced volume are connected 320 first.
  • cryogenic liquid is sent through the filling opening in the reduced volume 223, or in the interior volume of the insulating enclosure 21 if it does not have a reduced volume, so as to fill said reduced volume, or said interior volume, and to immerse the functional part 10 therein.
  • the amount of cryogenic liquid is adjusted if necessary permanently to compensate for evaporation of said cryogenic liquid.
  • the geometric shapes chosen for the elements of the functional part 10 used as a heat sink ensure an increased contact surface between said elements and the cryogenic liquid, which has the effect of accelerating the implementation of temperature of said functional portion.
  • a third step 321 when the internal volume 22 of the insulating enclosure 21 comprises a reduced volume 223, which can be carried out simultaneously with the step 320, the source of cryogenic liquid, for example liquid nitrogen at the temperature of 30.degree. 77 Kelvin or less, the external cooling system is connected to a filling opening of the insulating enclosure, and if necessary a cryogenic liquid recovery installation is connected to a drainage opening, for openings 25 opening into the reservoir 222.
  • a fourth step 331 the reservoir 222 is filled with cryogenic liquid.
  • the external cooling system is kept connected so as to maintain the cryogenic liquid at a desired level for as long as possible to be disconnected only just before the start of the mission.
  • the electromechanical machine 100 becomes independent in terms of controlling its temperature and able to keep the internal temperature in the insulating enclosure 21 below the critical temperature Te for a maximum duration corresponding to the capacity cold storage system defined during the design of said electromechanical machine.
  • the heat produced by the functional part 10, minimized by the use of superconductors, and that resulting from the heat flux related to the difference in temperatures between the inside and the outside of the insulating enclosure 21 cause, initially, the increase of the temperature inside the chamber to the boiling temperature of the cryogenic liquid, then in a second time the temperature is kept constant at said temperature of boiling during an evaporation phase of cryogenic liquid, finally in a third time the temperature increases gradually from the boiling temperature to room temperature.
  • the maximum temperature expected during operation must not be reached during the mission.
  • the vapors caused by the boiling of the cryogenic liquid are evacuated by the pressure regulating device.
  • the electromechanical machine 100 When the mission is over, the electromechanical machine 100 is cooled again and the amount of cryogenic liquid completed for a new mission.
  • a vehicle for example an aircraft
  • said vehicle comprises a cryogenic fluid distribution network to which the external cooling device is connected, and a centralized monitoring of the temperatures of the different electrical machines connected to this network is also realized.
  • the structure of the insulating enclosure, the shape and arrangement of a cryogenic tank incorporated in the insulating enclosure, the means for cooling and filling in cryogenic liquid, and the control and monitoring equipment may take various shapes to perform the same functions as those described.
  • the number of cryogenic windings of the functional part, or even the number of independent mechanical parts of the functional part of the same insulating enclosure may be arbitrary.
  • cryogenic fluid can be nitrogen or hydrogen or helium according to requirements related to the critical temperature of the superconducting material used.
  • Such a machine is for example an electric generator whose shaft 111 for driving the moving parts is connected to an external mechanical power source of a propulsion engine or a gas generator of an auxiliary power unit.
  • Such a machine is for example an electric motor of an actuator or an electric motor for propulsion of a vehicle.

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Abstract

Une machine électromécanique (100), comportant au moins un bobinage en matériau devenant supraconducteur électrique lorsque sa température est inférieure à une température critique Te, comporte une partie fonctionnelle (10) contenue dans un volume intérieur (22) d'une enceinte isolante (21) sur le plan thermique et étanche aux fluides, une paroi (23) de cette enceinte isolante étant traversée de manière étanche au fluide par au moins un arbre (111) de transmission de puissance mécanique entre la partie fonctionnelle (10) située dans le volume intérieur (22) et un espace extérieur de l'enceinte isolante. La partie fonctionnelle (10) est ainsi utilisée comme puits de chaleur préalablement refroidi pour maintenir dans l'enceinte isolante (21) les conditions de température pour maintenir la supraconductivité.

Description

Machine électrique à bobines supraconductrices
La présente invention appartient au domaine des machines électromécaniques, moteurs ou générateurs, dont en fonctionnement les bobines sont maintenues à très basses températures.
Plus particulièrement l'invention concerne une machine électromécanique dont les températures des enroulements des bobines sont maintenues à des températures suffisamment basses pour en assurer le fonctionnement supraconducteur de ces bobines.
La supraconductivité électrique est un phénomène bien connu qui prend naissance dans certains matériaux et rend leur résistivité électrique pratiquement nulle.
Cette propriété de certains matériaux est particulièrement avantageuse car il en résulte la possibilité de réaliser des enroulements pour générer des champs magnétiques pouvant accepter des courants électriques importants, sous réserve de ne pas dépasser certaines densités de courant critiques, sans échauffement par effet joule et avec des sections conductrices, et donc des masses des enroulements, réduites.
En contrepartie, il est nécessaire pour obtenir ce comportement de la matière de maintenir celle-ci à des températures inférieures à une température critique, dépendant du matériau conducteur mis en œuvre, températures pouvant être cryogéniques et proches du zéro absolu, au moins pour certains modes de supraconductivité.
Cette contrainte a été la cause d'un développement de machines à bobines supraconductrices limité à des applications statiques comme par exemple des bobines utilisées dans les accélérateurs de particules ou dans les appareils d'imagerie par résonance magnétique, et plus récemment pour le stockage d'énergie sous forme magnétique, pour lesquelles le refroidissement permanent nécessaire pouvait sans inconvénient insurmontable être réalisé par des installations lourdes et complexes à mettre en œuvre.
La découverte de matériaux supraconducteur dit « haute température », par exemple le diboride de magnésium MgB2 dont la supraconductivité est obtenue pour des températures de l'ordre de 30 Kelvin ou d'autres alliages qui peuvent présenter la supraconductivité pour des températures aussi élevées que 70 Kelvin, permet de diminuer les contraintes de température et de simplifier les systèmes de refroidissement des machines mettant en œuvre des bobines supraconductrices.
La demande de brevet européen publiée sous le numéro EP 1777800 décrit un exemple de machine électromécanique utilisant un bobinage supraconducteur.
Dans cet exemple, le bobinage supraconducteur, situé entre le rotor et le stator, est enfermé dans un cryostat placé à l'intérieur de la machine pour que le bobinage soit maintenu à une température inférieure à la température critique du matériau utilisé. Il n'est pas donné d'explication sur la manière dont le cryostat est maintenu à la température voulue.
De manière connue, un tel maintien à basse température est obtenu par un fluide tel que par exemple de l'azote liquide ou de l'hélium ou de l'hydrogène liquide, en fonction de la température critique du matériau supraconducteur mis en œuvre, maintenu à la température voulue par des systèmes de refroidissements.
Dans une première méthode connue, un réservoir de gaz liquéfié à basse température est utilisé comme réserve de froid et un flux est prélevé de ce réservoir pour refroidir en permanence les conducteurs électriques en matériau supraconducteur de la machine avant d'être rejeté à l'extérieur de la machine.
Dans ce cas il est nécessaire de prévoir une masse suffisante de gaz liquéfié à température cryogénique, des moyens de stockage permettant de maintenir ce gaz à sa température de liquéfaction et des moyens de régulation pour distribuer le gaz de sorte à maintenir les éléments supraconducteurs de la machine à la température voulue tout en limitant au minimum la consommation de gaz. Lorsque la machine est embarquée dans un véhicule, outre la nécessité pénalisante d'emporter une quantité de gaz suffisante, il est nécessaire de prévoir des moyens de distribution et de régulation dont le fonctionnement à température cryogénique est plus complexe que dans le cas des systèmes fonctionnant à température ambiante.
Dans une seconde méthode connue, un fluide à basse température circule en circuit fermé entre les parties de la machine à maintenir à température cryogénique et un dispositif de génération de froid cryogénique (cryocooler en terminologie anglo-saxone).
De tels dispositifs de génération de froid cryogénique sont connus mais ils restent lourds et encombrants et exigent d'être alimentés en énergie pour produire le froid nécessaire.
Dans le cas de l'utilisation de tels dispositifs, une panne du système de refroidissement a généralement pour conséquence immédiate l'arrêt du fonctionnement de la machine refroidie sauf à prévoir des dispositifs de refroidissement redondants.
Les méthodes connues s'avèrent donc pénalisantes et ne sont pas satisfaisantes pour des machines embarquées lorsqu'en particulier le volume, la masse et la fiabilité sont des critères essentiels comme par exemple dans le cas des applications à bord des aéronefs.
L'invention apporte une solution à ces différents problèmes au moyen d'une machine électromécanique, comportant au moins une partie constituée d'un bobinage, par exemple un bobinage de rotor ou de stator, en un matériau devenant supraconducteur électrique lorsque sa température est inférieure à une température critique Te, dans laquelle machine électromécanique une partie fonctionnelle, par exemple un moteur électrique ou un générateur électromécanique, est contenue, en pratique entièrement contenue sauf d'éventuelles moyens de commandes ou de prises de forces, dans un volume intérieur d'une enceinte, isolante sur le plan thermique, et étanche aux fluides, et adapté pour recevoir un fluide à basse température, notamment un fluide cryogénique. Suivant cet agencement la machine électromécanique bénéficie, après la mise en froid, des avantages apportés par des conducteurs électriques, de bobinage en particulier, supraconducteurs sans moyens externes de maintien de la température en dessous de la température critique, bénéficiant de la masse de la partie fonctionnelle comme puits de chaleur.
Dans une forme de réalisation, le volume intérieur, compte tenu des éléments qu'il contient, comporte une capacité totale de stockage d'énergie sous forme calorifique, considérée lorsque la température dans le volume intérieur passe de la température du fluide cryogénique à une température au plus égale à la température critique Te, égale ou supérieure à la quantité de chaleur Emax introduite dans le volume intérieur, du fait de la chaleur traversant la paroi isolante et de la chaleur produite par la partie fonctionnelle en raison de son fonctionnement et de ses pertes, lorsque la machine électromécanique est utilisée pendant une durée et des conditions de fonctionnement correspondant à celles d'une mission non interrompue la plus pénalisante vis à vis de ladite quantité de chaleur.
Il est ainsi garanti par la considération de la mission la plus pénalisante, en regard des critères thermiques considérés, que la machine électromécanique restera opérationnelle pendant toute la durée de la mission, quelle que soit la mission réalisée par exemple par le véhicule utilisant cette machine.
Dans une forme de réalisation, la capacité totale de stockage d'énergie sous forme calorifique de la machine électromécanique comporte :
- une capacité de stockage d'énergie thermique sous une forme statique par accumulation d'une quantité de chaleur dans les éléments de la partie fonctionnelle de la machine électromécanique entre la température critique Te du matériau supraconducteur et la température du fluide cryogénique mis en œuvre ;
- une capacité de stockage d'énergie par une chaleur latente de vaporisation d'une quantité du fluide cryogénique remplissant le réservoir ; se sorte que la capacité de stockage d'énergie thermique sous forme statique plus ladite capacité de stockage d'énergie par chaleur latente de vaporisation du fluide cryogénique représente au moins la quantité de chaleur Emax.
Il est de la sorte exploité les différentes capacités d'accumulation thermique pour obtenir une autonomie thermique optimale de la machine mécanique avec une pénalité minimum de masse sur la machine.
Pour atteindre l'objectif avec le minimum de pénalités, en particulier de pénalités de masse, les matériaux entrant dans la constitution de la partie fonctionnelle sont avantageusement sélectionnés parmi des matériaux ayant une chaleur spécifique élevée, supérieure à 400 J/kg °C et de préférence supérieure à 800 J/kg °C, de sorte à former un puits de chaleur apte à accumuler au moins une partie substantielle de la quantité de chaleur Emax.
De tels matériaux sélectionnés en fonction de leurs chaleurs spécifiques sont également sélectionner en fonction de leurs autres exigences (mécaniques, électriques, usinages, recyclages, coûts ...) pour ne pas pénaliser la conception de la machine électromécanique.
Pour favoriser les échanges thermiques, en particulier pendant une phase de mise en froid, les parties réalisées en matériaux ayant une chaleur spécifique élevée sont agencées et géométriquement configurées de sorte à favoriser les échanges thermiques entre ces matériaux et le volume intérieur de l'enceinte isolante.
Lorsque que la quantité de chaleur pouvant être stockée dans les matériaux à chaleur spécifique élevée n'est pas suffisante pour les exigences de la mission la plus pénalisante, le volume intérieur de l'enceinte isolante comporte au moins un réservoir destiné à stocker du fluide cryogénique, à l'état liquide lorsque la température est inférieure à la température critique Te, de manière non isolée, vis à vis du volume intérieur, sur le plan de la conduction thermique.
Il est ainsi obtenu une réserve de capacité thermique, dont le volume peut être ajusté lors de la conception de la machine, bénéficiant de la quantité d'énergie absorbée par la masse du liquide cryogénique et par le changement de phase du liquide cryogénique remplissant le réservoir, lorsque la température de changement de phase, de la phase liquide à la phase gazeuse, est inférieur à la température critique, pour maintenir la température dans l'enceinte isolante en dessous de la température critique.
Dans une forme de réalisation, le réservoir est formé par un séparateur interne déterminant, entre ce séparateur interne et un séparateur plus externe de la paroi isolante, le volume du réservoir et déterminant du côté d'une face interne un volume réduit dans lequel se trouve la partie fonctionnelle. Suivant cet agencement, la partie fonctionnelle se trouve dans un espace libre au centre du réservoir contenant le liquide cryogénique ce qui en favorise le maintien à basse température.
Pour réaliser la mise en froid par une circulation de fluide cryogénique et le remplissage du réservoir avec le fluide cryogénique, la paroi de l'enceinte isolante comporte des ouvertures de mise en communication du volume intérieur avec l'extérieur de l'enceinte isolante, ces ouvertures comportant des vannes et ou des clapets de sorte à contrôler la circulation de fluides par les dites ouvertures.
Afin d'accéder à la partie fonctionnelle depuis l'extérieur de l'enceinte dans laquelle elle est contenue, la paroi de l'enceinte isolante comporte une ou des ouvertures traversées de manière étanche au fluide par au moins un arbre de transmission de la puissance mécanique apportée à ou générée par la partie fonctionnelle de sorte à disposer d'une extrémité dudit arbre accessible de l'extérieur de l'enceinte isolante et ou comporte une ou des ouvertures traversées par des câbles conducteurs électriques, par exemple des câbles de transmission de puissance électrique ou des câbles de systèmes de contrôle et de commande.
Il est ainsi évité des pertes thermiques par une circulation de fluide entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte tout en conservant l'accès aux fonctions essentielles de la partie fonctionnelle.
Dans ce cas, avantageusement, le ou les arbres de transmission mécaniques et ou les conducteurs électriques traversant la paroi de l'enceinte isolante, et d'une manière générale tous les éléments tels que des supports en contact avec le volume intérieur et avec l'extérieur et donc susceptible de créer des ponts thermiques défavorable au maintien des conditions de température souhaitée dans le volume intérieur, sont réalisés dans un matériau ayant une conduction thermique inférieure à 25 W/m °C.
Pour réaliser les opérations de mise en froid et la surveillance du maintien des conditions de fonctionnement supraconducteur des parties électriques de la partie fonctionnelle, la machine électromécanique comporte des moyens de contrôle et de surveillance de la température du volume intérieur et ou de la température des bobinages en matériau supraconducteur, ces moyens de contrôle et de surveillance comportant au moins une sonde de température fixée à la partie fonctionnelle.
L'invention concerne en particulier un aéronef comportant une telle machine électromécanique. L'aéronef bénéficie alors d'une masse réduite de la machine électromécanique sans que de nouveaux systèmes soient mis en place sur l'aéronef pour la production de froid.
Dans une forme avantageuse, l'invention concerne un véhicule comportant une telle machine électromécanique mise en œuvre comme moteur de propulsion du véhicule.
L'invention concerne également un procédé de mise en œuvre d'une telle machine électromécanique, procédé de mise en œuvre comportant les étapes de :
- raccordement, lorsque la machine est dans une position statique, d'un système de refroidissement extérieur apte à délivrer un fluide à température cryogénique inférieure à la température critique Te à une ou plusieurs ouvertures traversant la paroi de l'enceinte isolante ;
- remplissage d'au moins un volume et ou d'un réservoir, à l'intérieur de l'enceinte isolante, avec le fluide à température cryogénique ;
- lorsque la température de la partie fonctionnelle est stabilisée à la température cryogénique, déconnexion du système de refroidissement extérieur.
Suivant une forme du procédé de mise en œuvre, un volume réduit du volume intérieur de l'enceinte isolante dans lequel est comprise la partie fonctionnelle est rempli de fluide cryogénique immergeant cette partie fonctionnelle tant que la température de cette partie fonctionnelle n'est pas stabilisée à la température cryogénique et dans lequel le volume réduit est ensuite purgé du fluide cryogénique qu'il contient. La mise en froid de la partie assurant un stockage thermique en raison de sa chaleur spécifique est ainsi réalisée de manière efficace et rapide ce qui s'avère important dans le cas de missions successives devant être réalisées par un véhicule embarquant la machine électromécanique.
En outre lorsque la machine électromécanique comporte un réservoir intérieur à l'enceinte isolante, le réservoir est rempli de fluide cryogénique avant la déconnexion du système de refroidissement extérieur. La capacité de maintien en condition de température s'en trouve ainsi améliorée.
Afin de réaliser une machine électromécanique adaptée, un procédé de conception de la machine comporte :
- une étape de détermination d'une mission la plus pénalisante en terme d'énergie apportée sous forme thermique à l'intérieur du volume de l'enceinte isolante et de calcul de l'énergie maximale Emax susceptible d'être apportée sous forme thermique au cours de ladite mission ;
- une étape de détermination d'une capacité de stockage d'énergie thermique sous une forme statique par accumulation dans les éléments de la partie fonctionnelle de la machine électromécanique, compte tenu de la température critique Te du matériau supraconducteur et de la température du fluide cryogénique mis en œuvre, et d'optimisation de la conception interne de la partie active de sorte à maximiser ladite capacité de stockage ;
- une étape de détermination d'un volume d'un réservoir tel qu'une chaleur latente de vaporisation du fluide cryogénique remplissant initialement ledit réservoir représente au moins le complément d'énergie thermique à la capacité de stockage d'énergie thermique sous forme statique pour atteindre la valeur Emax. La présente invention est décrite en référence aux figures qui, de manière non limitative, représentent schématiquement : figure 1 : une section schématique d'une machine électromécanique suivant l'invention ;
figure 2 : un schéma bloc du procédé de conception de la machine électromécanique de l'invention ;
figure 3 : un schéma bloc d'une méthode de mise en froid de la machine de l'invention en vue d'une mission.
Les composant et éléments divers de la machine électromécanique ne sont pas représentés à l'échelle.
Sur la figure 1 les éléments accessoires, supports, câbles électriques, capteurs ... ne sont pas représentés.
La machine électromécanique 100, illustrée schématiquement sur la figure 1, comporte une partie fonctionnelle 10 et comporte un système de contrôle thermique 20 pour réguler une température de ladite partie fonctionnelle.
La partie fonctionnelle 10 assure les fonctions attendues de la machine électromécanique 100, typiquement les fonctions d'un moteur électrique et ou celles d'un générateur électrique comportant ici un rotor 11.
Dans ses principes généraux et sa structure la partie fonctionnelle 10 est conforme à celle des machines électromécaniques connues comportant une partie mobile, ici un rotor 11, et un stator 12. Elle comporte également, de manière connue, des parties magnétiques, par exemple des aimants et ou des parties réalisées dans des matériaux magnétiques, et comporte au moins un conducteur électrique, par exemple une bobine réalisée avec un matériau électriquement conducteur.
Dans l'exemple illustré sur la figure 1, l'homme du métier reconnaîtra une machine tournante, moteur électrique ou électrogénérateur, comportant des bobines de stator 120 et des bobines de rotor 110.
Cet exemple n'est pas limitatif, toute machine électromécanique comportant des bobinages en vue de la création de champs magnétiques pouvant être mises en œuvre dans le cadre de la présente invention. Les matériaux électriquement conducteurs sont, dans le cas de la machine électromécanique 100, des matériaux supraconducteurs dont la résistance électrique devient nulle à une température inférieure à une température critique Te caractéristique du matériau utilisé.
Le matériau supraconducteur est par exemple un matériau supraconducteur haute température dont la température critique est supérieure ou égale à la température cryogénique de vaporisation d'un gaz (à température ordinaire) tel que de l'azote diatomique liquide, 77 Kelvin à la pression ambiante ordinaire, tel que de l'hydrogène diatomique liquide, 20 Kelvin à la pression ambiante ordinaire, ou encore tel que de l'hélium liquide, environ 4 Kelvin à la pression ambiante ordinaire.
En outre des parties non électriques de la partie fonctionnelle 10, par exemple une masse magnétique du rotor 11 ou une cage du stator 12, sont réalisées de sorte à créer un puits d'accumulation thermique d'une capacité voulue dont les fonctions seront décrites ultérieurement.
Suivant cette condition, les matériaux mis en œuvre pour réaliser les dites parties non électriques sont choisis, dans les limites exigées pour leurs propriétés mécaniques, avec des chaleurs spécifiques Cp aussi élevées que possible.
Par exemple les parties non électriques sont réalisées en incorporant des matériaux ferreux (Cp du fer = 460 J/Kg °C), de l'aluminium (Cp de l'aluminium = 890 J/Kg °C), voire de bore (Cp = 1300 J/Kg °C) ou de béryllium Cp = 1800 J/Kg °C).
D'une part ces matériaux, ou d'autres matériaux présentant des chaleurs spécifiques élevées, seront préférés à des matériaux polymères, dont l'utilisation est fréquente dans les moteurs et les générateurs électriques, et d'autre part il sera recherché d'incorporer une masse suffisante de ces matériaux pour obtenir la capacité d'accumulation thermique voulue.
Un tel résultat, qui sera a priori plus simple à obtenir dans le cas de machines électromécaniques de puissance, et donc de masses importantes, peut également être atteint ou approché en incorporant dans le volume intérieur 22 de l'enceinte isolante 21 des accessoires tels que des réducteurs ou des convertisseurs de mouvements mécaniques qui, en raison des puissances à transmettre par ces réducteurs ou convertisseurs, représentent généralement une masse de matériaux, susceptibles de réaliser une accumulation d'énergie sous forme thermique, non négligeable par rapport à la masse de la machine électromécanique 100.
Il résulte de ces contraintes que les critères d'architecture et les critères de dimensionnement pris en compte par l'homme du métier de la conception des machines électromécaniques sont dans le cas présent différents de ceux considérés dans les règles ordinaires de conception.
Le système de contrôle thermique 20 comporte principalement une enceinte isolante 21 d'isolement thermique de la partie fonctionnelle 10, un dispositif de refroidissement d'un volume intérieur 22 de l'enceinte isolante 21 et un système de contrôle et de surveillance de la température dans ladite enceinte isolante.
L'enceinte isolante 21 est principalement formée par une paroi 23 enveloppant le volume intérieur 22.
Cette paroi 23 est réalisée pour limiter le flux thermique entre le volume intérieur 22 de l'enceinte isolante, à basse température, par exemple à une température inférieure à 100 Kelvin, et un espace extérieur à l'enceinte isolante qui peut être à des températures de l'ordre de 400 Kelvin, voire plus dans certains environnements.
Ce type d'enceinte isolante est connu en particulier dans le domaine des cryostats ou vases de Deware.
De manière connue, la paroi 23 comporte le plus souvent plusieurs séparateurs 230, 231, 232 distants les uns des autres et délimitant des espaces entre eux. Les espaces entre les séparateurs déterminent des volumes de séparation 221, 222.
Le volume de séparation 221 le plus extérieur, dans lesquels un vide partiel de gaz est réalisé et ou contenant un isolant thermique, par exemple un aérogel de silice, assure une première isolation. Des ouvertures 24, 25, 26, 27, de la paroi nécessairement présentes dans la paroi sont étanches de sorte à limiter, autant que possible, les échanges de fluide entre l'intérieur de l'enceinte isolante 21 et l'extérieur.
De telles ouvertures sont agencées pour assurer des accès à des parties internes à ladite enceinte isolante depuis l'extérieur de ladite enceinte isolante.
Dans le cas de l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, au moins un arbre 111 de transmission de puissance mécanique, par exemple solidaire de parties tournantes de la machine électromécanique 100, traverse la paroi isolante ainsi qu'un faisceau de câbles électriques.
Dans une forme de réalisation, non représentée, la machine électromécanique ne comporte pas d'arbre traversant la paroi et un arbre de transmission mécanique totalement extérieur à l'enceinte isolante est entraîné en mouvement par un couplage magnétique avec des parties mobiles internes de la partie fonctionnelle à l'intérieur de l'enceinte isolante.
De préférence tous les éléments traversant la paroi 23 de l'enceinte isolante et les séparateurs 230, 231, 232 sont en matériaux choisis pour leurs propriétés de mauvais conducteurs thermiques.
La notion de matériaux mauvais conducteurs thermiques est ici à prendre de manière relative dans la mesure où des critères fonctionnels, par exemple la résistance mécanique pour un arbre 111 de la machine électromécanique ou la conduction électrique pour un câble d'alimentation ou d'un capteur de mesure, doivent nécessairement être pris en considération.
A titre d'exemple un arbre mécanique est réalisé en un alliage de titane dont la conductivité thermique proche de 20 W/m °C est inférieure à celle d'un acier ordinaire, ayant une conductivité thermique au moins deux fois supérieure, tout en ayant une bonne résistance mécanique, ou encore un câble électrique, au moins dans sa partie traversante de la paroi de l'enceinte isolante, est réalisé dans un alliage fer-nickel à 36% de Nickel (tel que l'Invar®) également mauvais conducteur thermique, pour un métal, avec une conductivité thermique de 13 W/ m °C, et dont la résistivité électrique, bien qu'environ cinquante fois celle du cuivre, ne s'avère pas pénalisante sur une courte longueur de câble. D'autres matériaux peuvent être utilisés pour autant qu'ils présentent des caractéristiques similaires ou mieux adaptées en terme de mauvaise conduction thermique tels que des matériaux composites à matrice polymère.
Le système de contrôle thermique 20 comporte également un échangeur thermique incorporé à l'enceinte isolante.
La notion d'échangeur thermique est ici à considérer dans un sens large. L'échangeur thermique incorpore ici un ensemble d'éléments et de caractéristiques de réalisation répartis sur la machine électromécanique 100 et qui favorisent le transfert de chaleur entre les différents éléments au sein de la ladite machine électromécanique.
L'échangeur thermique comporte en particulier des ouvertures 25, 26 agencées dans la paroi 23 de l'enceinte isolante de sorte à permettre la circulation d'un fluide entre l'intérieur de ladite enceinte isolante et l'extérieur, tant dans le sens d'un remplissage de volumes intérieurs de ladite enceinte isolante que dans le sens du drainage des dits volumes. Les dites ouvertures sont pourvues de dispositifs d'obturation 251, 261 commandés, de type vanne, et ou automatiques, de type clapet. Les passages 25, 26 et les dispositifs d'obturation sont agencés pour limiter les échanges thermiques entre l'intérieur de l'enceinte isolante et l'extérieur comme cela a déjà été dit, en particulier par l'utilisation de matériaux à faible conduction thermique pour leurs réalisations.
Dans une forme de réalisation, l'échangeur thermique met en œuvre des particularités géométriques des parties non électriques, en matériaux choisis pour leurs propriétés d'accumulation thermique, de la partie fonctionnelle 10 qui favorisent les échanges thermiques à l'intérieur de l'enceinte isolante 21.
De telles particularités géométriques consistent par exemple en des alésages 112, 122 traversant des parties non électriques de sorte qu'une surface de contact des dites parties non électriques avec le fluide environnant est augmentée pour favoriser les échanges thermiques.
Dans une forme de réalisation un séparateur interne 232 enferme de manière étanche la partie fonctionnelle 10 à l'intérieur d'un volume réduit 223 de l'enceinte isolante 21. La paroi du séparateur interne 232 déterminent, avec un séparateur 231, plus externe, de la paroi 23 de l'enceinte isolante, un réservoir 222 enveloppant le volume réduit 223 dans lequel se trouve la partie fonctionnelle 10. Dans ce cas le séparateur interne 232 ne présente pas de caractéristique d'isolation thermique particulière, une transparence thermique étant autant que possible recherchée. Le séparateur interne 232 est par exemple en alliage d'aluminium.
Dans ce cas, mettant en œuvre un réservoir 222, au moins une ouverture 25 de remplissage et ou de drainage débouche dans ledit réservoir et ladite au moins une ouverture, ou au moins une autre ouverture débouchant dans ledit réservoir, est pourvue d'un dispositif de régulation, non représenté, de la pression dans le réservoir 222 de sorte évacuer un fluide qui s'y trouverait avec une pression supérieure à une pression de tarage.
Dans ce cas, suivant un mode de réalisation illustré sur la figure 1, au moins une ouverture 26 de remplissage et ou de drainage traverse de manière étanche le volume du réservoir 222 et les séparateurs 230, 231, 232 de la paroi isolante 23 de sorte à déboucher dans le volume réduit 223.
Le système de contrôle thermique 20 comporte également les vannes ou clapets, les sondes de mesures et les câbles électriques, non représentés, nécessaires ou utiles au fonctionnement et à la surveillance dudit système de contrôle thermique et de la température de la partie fonctionnelle 10 de machine électromécanique 100. Comme déjà précisé, toutes les traversées des parois sont étanches et au besoin thermiquement isolées.
Dans une forme de réalisation non illustrée l'ouverture débouchant dans le réservoir 222, et pourvue d'un dispositif de régulation de la pression, débouche également dans le volume réduit 223. Le fluide cryogénique libéré par le réservoir 222 est ainsi injecté dans le volume réduit 223 enfermant la partie fonctionnelle 10 qui est refroidie avant que ledit fluide soit lui même évacué par une ouverture 26 de la paroi isolante 23 débouchant dans ledit volume réduit. La machine électromécanique 100 et sa structure, en particulier la manière dont ses éléments de structure doivent être conçus et réalisés, seront mieux compris à la description des principes mis en œuvre lors d'un exemple de la conception, figure 2, d'une telle machine électromécanique et à la description de la mise en œuvre opérationnelle, figure 3, d'une telle machine électromécanique, qui seront décrits dans le contexte d'une machine électromécanique de type générateur électromécanique embarqué à bord d'un aéronef.
Outre les performances conventionnellement attendues d'une machine électromécanique destinée à un usage précis, l'homme du métier en charge de concevoir une machine électromécanique mettant en œuvre les principes de l'invention établira dans une première phase 210, en fonction des différentes missions possibles pour l'avion, la durée maximale de fonctionnement continu du générateur électromécanique.
Cette durée maximale de fonctionnement continu est en pratique la durée maximum possible d'une mission de l'aéronef, réserves comprises, qui est connu, par exemple 6 heures de mission, et en prenant en compte un coefficient de sécurité, par exemple 20%, soit 7,2 heures de fonctionnement continu.
En fonctions des technologies qui lui sont disponibles dans le domaine des matériaux supraconducteurs, l'homme du métier va alors dans une seconde phase 220 déterminer la température maximale Tmax que le générateur électrique ne doit pas dépasser pendant la durée maximale de la mission avec marge, 7,2 heures dans l'exemple, pour rester fonctionnel pendant toute la mission.
Cette température est par exemple de 75 Kelvin, pour un matériau supraconducteur haute température ayant une température critique Te au moins légèrement supérieure à cette valeur.
Dans une troisième phase 230 il est déterminé la quantité d'énergie sous forme thermique qui sera apportée à la machine électromécanique pendant la durée précédemment établie.
Ce bilan thermique prend en compte un flux de chaleur provenant de l'extérieur et qui vient réchauffer la partie fonctionnelle 10, flux de chaleur qui est fonction des performances de l'isolation thermique apportée par l'enceinte isolante 21, d'une température extérieure et de la température maintenue effectivement dans ladite enceinte isolante.
Ce bilan thermique prend également en compte la chaleur générée par la partie fonctionnelle 10 à l'intérieure de l'enceinte isolante 21. En effet bien que les éléments électriquement conducteurs soient supraconducteurs dans les conditions de température maintenues dans ladite enceinte isolante, le fonctionnement de la machine électromécanique 100 dissipe une énergie interne, sous forme de pertes dans les parties magnétiques, d'hystérésis, qui se traduit par un apport de chaleur, lequel sera déterminé pour un profil de mission le plus sévère suivant le critère dudit apport de chaleur.
Il est alors déduit du bilan thermique que la machine électromécanique recevra au maximum une énergie Emax (Joule) dans le cas de la mission la plus défavorable.
Dans une quatrième phase 240, compte tenu d'une température initiale Tmin, par exemple la température de l'azote liquide à pression atmosphérique ambiante au sol, à l'intérieur de l'enceinte isolante 21, et de la température maximale Tmax admissible, il est déterminé une capacité calorifique statique CCs (Joule/°C) totale des éléments à l'intérieur de l'enceinte isolante, c'est à dire hors changement de phase de matière.
On remarquera que la capacité calorifique statique CCs totale est celle apportée principalement ici par des structures de la partie fonctionnelle 10.
Éventuellement en adaptant la capacité calorifique statique CCs par des ajustements dans les dimensions des éléments de la partie fonctionnelle 10, la machine électromécanique 100 sera en mesure de réaliser la mission sans que sa température interne ne dépasse la température maximale Tmax, si :
CCs x (Tmax-Tmin) >= Emax
Il est alors vérifié à l'étape 250 que cette condition est réalisée ou non.
Si cette condition est réalisée, la machine électromécanique 100 ne comportera a priori que le seul mode de maintien au froid par une accumulation statique de froid, et les caractéristiques essentielles de la machine électromécanique sont, pour les fonctions de contrôle thermique, à cette phase définies. Si cette condition n'est pas vérifiée, il sera déterminé dans une cinquième phase 260 quelle quantité d'un liquide cryogénique doit être emporté de sorte à compenser l'écart entre Emax et le terme CCs x (Tmax-Tmin) d'une part par une élévation de la température dudit liquide cryogénique jusqu'à un point d'ébullition et d'autre part par le changement de la phase liquide à la phase vapeur dudit liquide cryogénique. Le liquide cryogénique est dans ce cas nécessairement choisi avec un point d'ébullition inférieur à la température critique Te.
Dans le cas de l'azote liquide, à la pression atmosphérique de 101325 pa, la chaleur latente de vaporisation est d'environ 200 kJ/kg.
La quantité de liquide cryogénique nécessaire déterminera dans ce cas le volume du réservoir 222.
Il est évident que le cycle de conception qui vient d'être présenté de manière simplifiée sera réalisé par l'homme du métier par une succession d'itérations du fait que le processus de dimensionnement thermique n'est pas analytique et nécessite que des résultats intermédiaires soient repris avec les hypothèses initiales pour converger vers un résultat final.
Malgré la complexité introduite par le besoin de maintenir à basse température la partie fonctionnelle 10, la machine électromécanique 100 s'avère plus légère et de dimensions plus réduites qu'une machine électromécanique conventionnelle de mêmes performances électriques et ou mécaniques, en particulier du fait de l'utilisation de bobinages en matériaux supraconducteurs qui autorise le passage de courants dans les fils des bobinages sans échauffement.
En outre le système de contrôle thermique 20 qui maintient à la température cryogénique des éléments conducteurs est totalement statique.
En s'appliquant à la partie fonctionnelle 10 prise dans son ensemble, le système de contrôle thermique 20 est beaucoup plus simple, plus léger et plus fiable que dans les systèmes à fonctionnement cryogénique connus s'attachant à refroidir les parties de conducteurs électriques. Ce résultat est obtenu au prix d'une mise en œuvre spécifique de la machine électromécanique 100.
Lorsque que la machine électromécanique 100 doit être utilisée elle est préalablement mise en froid pour réaliser la mission, par exemple de l'aéronef sur lequel elle est installée.
Dans une première étape 310, une source de liquide cryogénique, par exemple d'azote liquide à la température de 77 Kelvin ou moins, d'un système de refroidissement extérieur est raccordée à une ouverture 25, 26 de remplissage de l'enceinte isolante, et le cas échéant une installation de récupération de liquide cryogénique est raccordée à une ouverture de drainage. Dans le cas où l'enceinte isolante 21 comporte un volume réduit 223, les ouvertures 26 débouchant dans ledit volume réduit sont raccordées 320 en premier.
Dans une seconde étape 330, du liquide cryogénique est envoyé par l'ouverture de remplissage dans le volume réduit 223, ou dans le volume intérieur de l'enceinte isolante 21 si celle-ci ne comporte pas de volume réduit, de sorte à remplir ledit volume réduit, ou ledit volume intérieur, et à immerger la partie fonctionnelle 10 qui s'y trouve. Lors de cette seconde étape, la quantité de liquide cryogénique est au besoin ajustée en permanence de sorte à compenser une évaporation dudit liquide cryogénique.
On notera que dans cette seconde étape, les formes géométriques choisies pour les éléments de la partie fonctionnelle 10 utilisés comme puits de chaleur assurent une surface de contact augmentée entre les dits éléments et le liquide cryogénique ce qui a pour effets d'accélérer la mise en température de ladite partie fonctionnelle.
Lorsque la température de la partie fonctionnelle 10 est descendue et stabilisée à la température du liquide cryogénique, ce qui est par exemple contrôlé par des sondes de température installées à demeure dans l'enceinte intermédiaire, sondes qui sont raccordées pendant cette étape au système de refroidissement, le liquide cryogénique est drainé 340 en dehors de l'enceinte intermédiaire qui est le cas échéant asséchée sans toutefois que sa température ne soit élevée par cette opération. Dans une troisième étape 321, lorsque le volume intérieur 22 de l'enceinte isolante 21 comporte un volume réduit 223, qui peut être réalisée simultanément avec l'étape 320, la source de liquide cryogénique, par exemple d'azote liquide à la température de 77 Kelvin ou moins, le système de refroidissement extérieur est raccordée à une ouverture de remplissage de l'enceinte isolante, et le cas échéant une installation de récupération de liquide cryogénique est raccordée à une ouverture de drainage, pour les ouvertures 25 débouchant dans le réservoir 222.
Dans une quatrième étape 331 le réservoir 222 est rempli de liquide cryogénique.
De préférence le système de refroidissement extérieur est maintenu connecté de sorte à maintenir le liquide cryogénique à un niveau souhaité aussi longtemps que possible pour n'être déconnecté que juste avant le début de la mission.
II convient de noter que la présence du réservoir 222 enveloppant le volume réduit 223, dans lequel se trouve la partie fonctionnelle 10 préalablement ou simultanément refroidie, assure que ledit volume réduit et la partie fonctionnelle 10 sont maintenus à la température du liquide cryogénique jusqu'au début de la mission.
Lorsque le dispositif de refroidissement extérieur est déconnecté 350, la machine électromécanique 100 devient autonome en matière de contrôle de sa température et apte à conserver la température interne dans l'enceinte isolante 21 inférieure à la température critique Te pour une durée maximale correspondant à la capacité de stockage de froid définie lors de la conception de ladite machine électromécanique.
Au fur et à mesure de la mission, la chaleur produite par la partie fonctionnelle 10, minimisée par l'usage de supraconducteurs, et celle issue du flux de chaleur lié à la différence des températures entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte isolante 21 provoquent, dans un premier temps l'augmentation de la température à l'intérieur de l'enceinte jusqu'à la température d'ébullition du liquide cryogénique, puis dans un second temps la température est maintenue constante à ladite température d'ébullition pendant une phase d'évaporation du liquide cryogénique, enfin dans un troisième temps la température augmente progressivement depuis la température d'ébullition jusqu'à la température ambiante. La température maximale prévue en fonctionnement ne devant pas être atteinte pendant la mission. Les vapeurs provoquées par l'ébullition du liquide cryogénique sont évacuées par le dispositif de régulation de la pression.
Lorsque la mission est terminée, la machine électromécanique 100 est à nouveau refroidie et ou la quantité de liquide cryogénique complétée en vue d'une nouvelle mission.
Avantageusement, lorsqu'un véhicule, par exemple un aéronef, comporte une pluralité de machines électriques de l'invention, ledit véhicule comporte un réseau de distribution du fluide cryogénique sur lequel est raccordé le dispositif de refroidissement extérieur, et une surveillance centralisée des températures des différentes machines électriques relié à ce réseau est également réalisée.
On comprend des exemples donnés de réalisation, de conception et d'utilisation d'une machine électromécanique suivant l'invention que celle-ci est susceptible de variantes tout en restant dans les principes généraux de l'invention.
En particulier la structure de l'enceinte isolante, la forme et l'agencement d'un réservoir cryogénique incorporé dans l'enceinte isolante, les moyens de mise en froid et remplissage en liquide cryogénique, et les équipements de contrôle et de surveillance peuvent prendre des formes variées pour réaliser les mêmes fonctions que celles décrites.
De même le nombre de bobinage cryogénique de la partie fonctionnelle, voire le nombre de parties mécaniques indépendantes de la partie fonctionnelle d'une même enceinte isolante peuvent être quelconques.
L'homme du métier est également en mesure de sélectionner des matériaux et des paramètres tels que le type et la température du fluide cryogénique en fonction des exigences propres au cas d'espèce. Ainsi le fluide cryogénique peut être de l'azote ou de l'hydrogène ou de l'hélium suivant les exigences liées à la température critique du matériau supraconducteur mis en oeuvre.
Il est ainsi réalisé une machine électromécanique 100 qui bénéficie des avantages des matériaux supraconducteurs mais sans être pénalisée par des installations complexes de refroidissement grâce à une enceinte de confinement de froid contenant l'ensemble de la partie fonctionnelle 10 de ladite machine électromécanique utilisée comme puits de chaleur et au report des moyens complexes de production de froid vers des installations non embarquées.
Une telle machine est par exemple un générateur électrique dont l'arbre 111 d'entraînement des parties mobiles est relié à une source de puissance mécanique extérieur d'un moteur de propulsion ou d'un générateur de gaz d'un groupe auxiliaire de puissance.
Une telle machine est par exemple un moteur électrique d'un actionneur ou un moteur électrique de propulsion d'un véhicule.

Claims

REVENDICATIONS
Machine électromécanique (100), comportant au moins une partie constituée d'un bobinage en un matériau devenant supraconducteur électrique lorsque sa température est inférieure à une température critique Te, caractérisé en ce qu'une partie fonctionnelle (10) de ladite machine électromécanique est contenue dans un volume intérieur (22) délimité par d'une paroi (23) d'une enceinte isolante (21) sur le plan thermique et étanche aux fluides.
Machine électromécanique suivant la revendication 1 dans laquelle le volume intérieur (22) comporte une capacité totale de stockage d'énergie sous forme calorifique, lorsqu'une température dans ledit volume intérieur passe de la température du fluide cryogénique à une température au plus égale à la température critique Te, égale ou supérieure à une quantité de chaleur Emax introduite dans ledit volume intérieur lorsque la machine électromécanique (100) est utilisée pendant une durée et des conditions de fonctionnement correspondant à celles d'une mission non interrompue préalablement établie comme la mission la plus pénalisante vis à vis de ladite quantité de chaleur.
■ Machine électromécanique suivant la revendication 2 dans laquelle la capacité totale de stockage d'énergie sous forme calorifique comporte :
- une capacité de stockage d'énergie thermique sous une forme statique par accumulation d'une quantité de chaleur dans les éléments de la partie fonctionnelle (10) de la machine électromécanique (100) entre la température critique Te du matériau supraconducteur et la température du fluide cryogénique mis en œuvre ;
- une capacité de stockage d'énergie par une chaleur latente de vaporisation d'une quantité du fluide cryogénique remplissant le réservoir (222) ; ladite capacité de stockage d'énergie thermique sous forme statique plus ladite capacité de stockage d'énergie par chaleur latente de vaporisation du fluide cryogénique représentant au moins la quantité de chaleur Emax. 4 - Machine électromécanique suivant la revendication 2 ou la revendication 3 dans laquelle des matériaux entrant dans la constitution de la partie fonctionnelle (10) sont sélectionnés parmi des matériaux ayant une chaleur spécifique élevée, supérieure à 400 J/kg °C et de préférence supérieure à 800 J/kg °C, de sorte à former un puits de chaleur apte à accumuler au moins une partie substantielle de la quantité de chaleur Emax.
5 - Machine électromécanique suivant la revendication 4 dans laquelle les matériaux ayant une chaleur spécifique élevée sont agencés et géométriquement configurés de sorte à favoriser les échanges thermiques entre les dits matériaux et le volume intérieur.
6 - Machine électromécanique suivant l'une des revendications 2 à 5 dans laquelle le volume intérieur (22) comporte un réservoir (222) destiné à stocker du fluide cryogénique, à l'état liquide lorsque la température est inférieure à la température critique Te, de manière non isolée vis à vis du volume intérieur (22) sur le plan de la conduction thermique.
7 - Machine électromécanique suivant la revendication 6 dans laquelle le réservoir est formé par un séparateur interne (232) déterminant entre ledit séparateur interne et un séparateur plus externe de la paroi (23) un volume du réservoir (222) et déterminant du côté d'une face interne un volume réduit (223) dans lequel se trouve la partie fonctionnelle (10).
8 - Machine électromécanique suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle la paroi (23) de l'enceinte isolante (21) comporte des ouvertures (25, 26) de mise en communication du volume intérieur (22) avec l'extérieur de ladite enceinte isolante, lesdites ouvertures comportant des vannes et ou des clapets de sorte à contrôler la circulation de fluides par les dites ouvertures.
9 - Machine électromécanique suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle la paroi (23) de l'enceinte isolante (21) comporte des ouvertures (24, 27) traversées de manière étanche au fluide par au moins un arbre (111) de transmission de puissance mécanique entre la partie fonctionnelle (10) située dans ledit volume intérieur (22) et un espace extérieur de ladite enceinte isolante et ou par des câbles conducteurs électriques.
10 - Machine électromécanique suivant la revendication 9 dans laquelle le ou les arbres (111) de transmission mécanique et ou les câbles conducteurs électriques traversant la paroi (23) de l'enceinte isolante sont réalisés dans un matériau ayant une conduction thermique inférieure à 25 W/m °C.
11 - Machine électromécanique suivant l'une des revendications précédentes comportant des moyens de contrôle et de surveillance de la température du volume intérieur (23) et ou de la température des bobinages en matériau supraconducteur, les dits moyens de contrôle et de surveillance comportant au moins une sonde de température fixée à la partie fonctionnelle (10).
12 - Aéronef comportant une machine électromécanique (100) conforme à l'une des revendications précédentes.
13 - Véhicule comportant une machine électromécanique (100) conforme à l'une des revendications précédentes, la dite machine électrique étant mise en œuvre comme moteur de propulsion dudit véhicule. 14 - Procédé de mise en œuvre d'une machine électromécanique (100) conforme à l'une des revendications 1 à 9 comportant les étapes de : - raccordement, lorsque la machine est dans une position statique, d'un système de refroidissement extérieur apte à délivrer un fluide à température cryogénique inférieure à la température critique Te à une ou plusieurs ouvertures traversant la paroi (23) de l'enceinte isolante (21) ;
- remplissage d'au moins un volume (223) et ou d'un réservoir (222), à l'intérieur de l'enceinte isolante (21), avec le fluide à température cryogénique ;
- lorsque la température de la partie fonctionnelle (10) est stabilisée à la température cryogénique, déconnexion du système de refroidissement extérieur. - Procédé suivant la revendication 12 dans lequel un volume réduit (223) du volume intérieur (22) de l'enceinte isolante (21) dans lequel est comprise la partie fonctionnelle (10) est rempli de fluide cryogénique immergeant ladite partie fonctionnelle tant que la température de ladite partie fonctionnelle n'est pas stabilisée à la température cryogénique et dans lequel ledit volume réduit est ensuite purgé du fluide cryogénique qu'il contient.
- Procédé suivant la revendication 12 ou la revendication 13 dans lequel la machine électromécanique (100) comporte un réservoir (222) intérieur à l'enceinte isolante (21), lequel réservoir est rempli de fluide cryogénique avant la déconnexion du système de refroidissement extérieur.
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