WO2022074340A1 - Machine électrique tournante sans aimant et sans balai - Google Patents

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WO2022074340A1
WO2022074340A1 PCT/FR2021/051742 FR2021051742W WO2022074340A1 WO 2022074340 A1 WO2022074340 A1 WO 2022074340A1 FR 2021051742 W FR2021051742 W FR 2021051742W WO 2022074340 A1 WO2022074340 A1 WO 2022074340A1
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WO
WIPO (PCT)
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sleeve
rotor
stator
rotation
shaft
Prior art date
Application number
PCT/FR2021/051742
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English (en)
Inventor
Benjamin DAGUSE
Sabrina Siham AYAT
Original Assignee
Safran
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Safran filed Critical Safran
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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
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/16—Synchronous generators
    • H02K19/26—Synchronous generators characterised by the arrangement of exciting windings
    • 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 relates to a rotating electrical machine comprising a stator, a rotor and an excitation coil of the rotor, the rotor being capable of being driven in rotation, relative to the stator, about an axis of rotation of the rotating machine.
  • the invention also relates to an aircraft comprising such a rotating electrical machine.
  • the invention applies to the field of electrical engineering, and in particular to that of rotating electrical machines.
  • An object of the invention is therefore to provide a synchronous machine without magnets and without brushes which is more efficient than those of the state of the art. Disclosure of Invention
  • the subject of the invention is a synchronous machine of the aforementioned type, in which the stator comprises an annular support extending in a plane orthogonal to the axis of rotation and a toothing comprising teeth integral with the annular support and s extending parallel to the axis of rotation from the annular support, the teeth defining an internal cavity of the stator around the axis of rotation, the stator further comprising a winding wound around the teeth in a plane orthogonal to the axis of rotation, the rotor comprising a shaft, a first sleeve and a second sleeve, the shaft extending along the axis of rotation and having two peripheral parts, each of the first sleeve and the second sleeve being arranged radially around a respective peripheral part and being integral with said respective peripheral part, the first sleeve being made of a first superconducting material, the second sleeve being made of a second e superconducting material, the first slee
  • the sleeves when the sleeves are brought to a temperature below their critical temperature, the latter exhibit behavior of the “magnetic field barrier” type which prevents the magnetic field generated by the excitation coil from circulating through the walls of said sleeves.
  • the magnetic field is guided into the shaft by the sleeves, and can only escape at the through openings, the number, position and shape of which are likely to be optimized to maximize efficiency. of the rotating machine, which compensates for the fact that the rotor flux produced by such a machine is generally lower than the rotor flux likely to be produced by permanent magnets.
  • the rotating machine comprises one or more of the following characteristics, taken separately or in all technically possible combinations:
  • the rotating electrical machine further comprises a cryogenic device configured to bring each of the first sleeve and the second sleeve to a temperature below a corresponding predetermined critical temperature;
  • the excitation coil is made of a third superconducting material, the cryogenic device also being configured to bring the excitation coil to a temperature below a corresponding predetermined critical temperature;
  • the third superconducting material is identical to the first superconducting material and/or to the second superconducting material;
  • the rotating electrical machine further comprises a direct current source, connected to terminals of the excitation coil and configured to deliver a direct current having an adjustable intensity;
  • the winding of the stator comprises a plurality of phases distributed over the teeth
  • the shaft is made of a non-superconductive material.
  • the invention also relates to an aircraft comprising a rotating electrical machine as defined above. Brief description of the drawings
  • Figure 1 is a schematic representation in perspective of a first embodiment of a rotating electrical machine according to the invention, a casing of the rotating machine being omitted;
  • Figure 2 is a schematic representation in perspective of a rotor of the rotating machine of Figure 1, an excitation coil of the rotor being also shown;
  • Figure 3 is a schematic sectional view of the rotor and the excitation coil of Figure 2, in a plane orthogonal to the axis of rotation of the rotating machine and passing through the excitation coil;
  • Figure 4 is a schematic sectional view of the rotor of Figure 2, in a plane intercepting through openings of the rotor and orthogonal to the axis of rotation of the rotating machine;
  • FIG. 5 is a schematic representation in perspective of a rotor of a second embodiment of a rotating machine according to the invention, an excitation coil of the rotor also being represented;
  • Figure 6 is similar to Figure 4, the edges of each through opening being convergent along an axis of the through opening, in a direction towards the axis of rotation of the rotating machine;
  • Figure 7 is similar to Figure 4, the edges of each through opening being divergent along an axis of the through opening, in a direction towards the axis of rotation of the rotating machine.
  • FIG. 1 A rotating electrical machine 2 (or even “rotating machine”) according to the invention is illustrated by FIG. 1.
  • the rotating machine 2 is configured to rotate a rotating element about an axis of rotation XX of the rotating machine 2 (so-called “motor” operation) or to generate electrical energy from the mechanical energy supplied by said rotating element (functioning called “electric generator”).
  • the rotating machine 2 is a synchronous machine, without magnet and without brush.
  • the rotating machine 2 comprises a stator 4, a rotor 6 and an excitation coil 8 of the rotor 6. A casing of the rotating machine 2 is omitted from this figure 1.
  • the rotating machine 2 further comprises a cryogenic device 7 and a direct current source 9 configured to supply the excitation coil with direct current, preferably of adjustable intensity.
  • the rotor 6 is capable of being driven in rotation, relative to the stator 4, around an axis of rotation X-X of the rotating machine 2.
  • stator 4 When operating as an "electric generator", the rotor 6 is driven in rotation, relative to the stator 4, by a rotating mechanical drive element, separate from the rotating machine 2, such as an output shaft of a heat engine. An electric voltage then appears between the terminals of a winding (described later) of stator 4.
  • the role of the excitation coil 8 is to generate a rotor magnetic field, the contribution of which to the operation of the rotating machine 2 will emerge from the description which follows.
  • the stator 4 comprises an annular support 10 (also called “magnetic yoke”) and a set of teeth 12 (or “set of magnetic teeth”).
  • the stator also includes a winding 14 wound around the toothing 12.
  • the annular support 10 extends in a plane orthogonal to the axis of rotation XX.
  • the annular support 10 is monobloc, that is to say formed from a single piece.
  • the toothing 12 comprises a plurality of teeth 16.
  • Each tooth 16 is integral with the annular support 10 and extends parallel to the axis of rotation XX from the annular support 10, so as to delimit an internal cavity 18 of the stator around the axis of rotation XX.
  • the toothing 12 is one-piece.
  • the stator is made of a soft ferromagnetic material.
  • the winding 14 of the stator 4 is wound around the teeth 16, and is arranged on the side of the annular support 10.
  • the winding 14 comprises a single phase, or a plurality of phases (for example, three phases), depending on the application envisaged.
  • the rotor 6 comprises a shaft 20, a first sleeve 22 and a second sleeve 24, shown in Figure 2.
  • the shaft 20 has a cylindrical shape and extends along the axis of rotation X-X.
  • the shaft comprises two peripheral parts 26 and a central part 28.
  • the central part 28 is arranged between the two peripheral parts 26 along the axis of rotation X-X, and is at least partly not delimited radially by one of the first sleeve 22 and the second sleeve 24.
  • Shaft 20 is made of a non-superconductive material. Such a choice of material results from the fact that the shaft 20 must not obstruct the passage of the magnetic flux
  • Each of the first sleeve 22 and of the second sleeve 24 is arranged radially around a respective peripheral part 26 of the shaft 20, being integral with said respective peripheral part 26.
  • each of the first sleeve 22 and of the second sleeve 24 has an external diameter strictly smaller than an internal diameter of the internal cavity 18 of the stator 4, so that, when the rotor 6 is arranged in the internal cavity 18, the first and the second sleeve 22, 24 do not mechanically interfere with the stator 4.
  • the first sleeve 22 and the second sleeve 24 are each made of a superconducting material (respectively “first superconducting material” and “second superconducting material”).
  • first superconducting material and the second superconducting material are identical or not, each being chosen, for example, from the following list: an oxide of copper, barium and yttrium (YBCO); an oxide of copper, bismuth, strontium and calcium (BSSCO); an oxide of copper, barium and rare earth (ReBCO); or even magnesium diboride (MgB 2 ).
  • the first sleeve 22 comprises p first through openings 30 each opening onto the shaft 20, p being a non-zero natural integer.
  • the second sleeve 24 comprises p second through openings 32 each opening onto the shaft 20.
  • first and second through openings 30, 32 are circular.
  • the first and second through openings 30, 32 are regularly distributed around the axis of rotation X-X.
  • each first and second through opening 30, 32 has a respective axis orthogonal to the axis of rotation X-X.
  • Each first and second through opening 30, 32 is associated with a respective angular coordinate around the axis of rotation X-X.
  • each first through-opening 30 and each second through-opening 32 have separate angular coordinates in pairs.
  • the first through-openings 30 are offset by an angle n/p around the axis of rotation X-X with respect to the second through-openings 32.
  • the rotor 6 is arranged so that at least the peripheral parts 26 and the central part 28 of the shaft 20 of the rotor 6 are arranged in the inner cavity 18 of the stator 4.
  • the excitation coil 8 (also called “induction coil”) is intended to polarize the rotor 6, without the use of permanent magnets or brushes.
  • This excitation coil 8 is made of a superconducting material (called
  • third superconductive material for example a superconductive material from the aforementioned list, or alternatively in a conventional conductive material, that is to say non-superconductive, for example copper or aluminum.
  • the excitation coil 8 is made of a superconducting material, during the operation of the rotating machine 2, the excitation coil 8 is brought to a temperature below the critical temperature of the superconducting material used.
  • this superconducting material may be the same material as that of the first and/or the second sleeve or a different superconducting material.
  • the excitation coil, the first sleeve and the second sleeve are made of the same superconducting material, it is then possible to place the rotating machine 2 (or the rotor) in the same isothermal cooling enclosure, which facilitates cooling. .
  • the excitation coil is made of a superconducting material different from that of the first and the second sleeve, leading to different temperature maintenance constraints, a series cooling circuit of the excitation coil and the sleeves is advantageously provided. .
  • the excitation coil and the sleeves are successively supplied with cooling fluid, in increasing order of their critical temperatures.
  • the coolant is first routed to its destination. of the excitation coil, and heats up during its cold keeping action, at 30 K, of said excitation coil.
  • the cooling fluid remains cold enough to allow subsequent cold maintenance, at 50K, of the two sleeves.
  • This principle of cooling in series applies according to the same principle in the case where the first sleeve and the second sleeve are made of materials different superconductors, so that there are different temperature maintenance constraints for each of the excitation coil, the first sleeve and the second sleeve.
  • the excitation coil has a critical temperature of 30 K
  • the first sleeve a critical temperature of 40 K
  • the second sleeve a critical temperature of 50 K
  • the coolant is first supplied to the excitation coil, then to the first sleeve, then to the second sleeve.
  • the excitation coil 8 is connected, by its terminals 34, to the current source 9 to be supplied with electric current.
  • the current source is removed once the excitation coil is powered, and said excitation coil 8 is short-circuited.
  • the excitation coil 8 is arranged in the inner cavity 18 of the stator 4.
  • the excitation coil 8 is fixed relative to the stator 4, for example integral with it.
  • the excitation coil 8 is wound around the axis of rotation X-X ( Figure 2) and is arranged radially around the central part 28 of the shaft 20 of the rotor 6.
  • the excitation coil 8 has an annular shape, an internal diameter of the excitation coil 8 being strictly greater than a diameter of the central part 28 of the shaft 20. In this way, a air gap 36 is provided between the central part 28 and the excitation coil 8.
  • the cryogenic device 7 is switched on, so as to bring each of the first sleeve 22 and of the second sleeve 24 to a temperature below a corresponding predetermined critical temperature.
  • the excitation coil 8 is made of a superconducting material and it is then also brought to a temperature below a corresponding predetermined critical temperature.
  • the current source 9 injects a direct current into the excitation coil 8. This results, by induction, in a magnetic flux in the shaft 20.
  • a magnetic flux at the rotor is the consequence of a rotor magnetic field .
  • the first sleeve 22 and the second sleeve 24 having a temperature below their critical temperature, such a magnetic flux is confined in the first and second sleeves 22, 24, and cannot pass through the walls of the sleeves 22, 24. Consequently, the magnetic flux circulates, in the rotating machine 2, through the first and second through openings 30, 32.
  • the magnetic flux generated by induction in the rotor 6 moves, in the shaft 20, from the second through-openings 32 towards the first through-openings 30.
  • the magnetic flux is transmitted radially through the first through openings 30 to the teeth 16 of the stator 4 which are located opposite said first through openings 30.
  • each first through-opening 30 forms one of p north magnetic poles of the rotor 6
  • each second through opening 32 forms one of p south magnetic poles of the rotor 6.
  • the roles of the first through-openings 30 and the second through-openings 32 are reversed.
  • the winding 14 is powered by an alternating current, in a known manner, which generates a stator magnetic field.
  • the interaction between the stator field and the rotor field drives the rotor into rotation.
  • the rotor 6 is driven in rotation by a rotating element separate from the rotating machine 2. This results in a rotating rotor field which causes, by induction, the appearance of an alternating voltage to the terminals of winding 14 of stator 4.
  • first and second through openings 30, 32 are not circular, but rectangular, as shown in Figure 5.
  • first and second through openings 30, 32 have a tile shape.
  • a projection of at least one of the first and second through openings 30, 32 along its axis is trapezoidal, semicircular, or has any other shape capable of improving the performance of the rotating machine 2.
  • the first and second through openings 30, 32 are, for example, of constant section along their respective axes.
  • the first and second through-openings 30, 32 have cylindrical edges 38 (FIG. 4).
  • first and second through openings 30, 32 have edges 38 that converge in a direction going towards the axis of rotation X-X (FIG. 6).
  • first and second through openings 30, 32 have divergent edges 38 in a direction going towards the axis of rotation X-X (FIG. 7).
  • an excitation coil 8 made of a superconducting material allows the injection, into the latter, of direct electric currents of high intensity without heating, and therefore without risk of damage, when the excitation coil 8 is carried at a temperature less than or equal to its critical temperature. This results from the fact that, when cooled to a temperature below their critical temperature, superconducting materials exhibit zero resistivity. There are therefore no losses by Joule effect at the level of the superconducting coil. Consequently, the injection of high intensity electric currents into the superconducting coil is possible, which results in high rotor fluxes, and therefore better performance of the rotating machine 2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)

Abstract

L'invention concerne une machine tournante (2) comprenant un stator (4), un rotor (6) et une bobine d'excitation (8) fixe par rapport au stator (4), le stator (4) comprenant un support annulaire (10), des dents (16) s'étendant à partir du support annulaire parallèlement un axe de rotation (X-X) de la machine tournante et délimitant une cavité intérieure (18), et un bobinage (14) enroulé autour des dents, le rotor (6) comprenant un arbre (20), un premier et un deuxième manchon (22, 24) chacun réalisé dans un matériau supraconducteur et agencé radialement autour d'une partie périphérique (26) respective de l'arbre (20) et solidaire de ladite partie périphérique, chaque manchon (22, 24) comportant p ouvertures traversantes débouchant sur l'arbre (20), la bobine d'excitation (8) étant agencée radialement autour d'une partie centrale (28) de l'arbre (20), au moins les parties périphériques et la partie centrale de l'arbre étant agencées dans la cavité intérieure (18).

Description

DESCRIPTION
Titre : Machine électrique tournante sans aimant et sans balai
Domaine technique
La présente invention concerne une machine électrique tournante comprenant un stator, un rotor et une bobine d'excitation du rotor, le rotor étant apte à être entraîné en rotation, relativement au stator, autour d'un axe de rotation de la machine tournante. L'invention concerne également un aéronef comprenant une telle machine électrique tournante.
L'invention s'applique au domaine de l'électrotechnique, et en particulier à celui des machines électriques tournantes.
Technique antérieure
Il est connu de recourir à une machine électrique tournante sans balais. En particulier, le document FR 3 080 231 Al décrit une machine synchrone sans aimants et sans balais.
Du fait de l'absence de balais, l'usure, au cours du temps, d'une telle machine tournante est réduite. En outre, le recours à un inducteur bobiné rend superflue l'utilisation d'aimants permanents (en particulier au niveau du rotor), et offre un contrôle et une maîtrise du flux magnétique au niveau du rotor (dit « flux rotorique »).
Néanmoins, une telle machine tournante ne donne pas entière satisfaction.
En effet, une telle machine synchrone sans aimants et sans balais produit généralement un flux rotorique plus faible que celui susceptible d'être fourni si le rotor avait été muni d'aimants permanents, ce qui en limite les performances.
Un but de l'invention est donc de proposer une machine synchrone sans aimants et sans balais qui soit plus performante que celles de l'état de la technique. Exposé de l'invention
A cet effet, l'invention a pour objet une machine synchrone du type précité, dans laquelle le stator comprend un support annulaire s'étendant dans un plan orthogonal à l'axe de rotation et une denture comportant des dents solidaires du support annulaire et s'étendant parallèlement à l'axe de rotation à partir du support annulaire, la denture délimitant une cavité intérieure du stator autour de l'axe de rotation, le stator comprenant, en outre, un bobinage enroulé autour de la denture dans un plan orthogonal à l'axe de rotation, le rotor comprenant un arbre, un premier manchon et un deuxième manchon, l'arbre s'étendant le long de l'axe de rotation et présentant deux parties périphériques, chacun du premier manchon et du deuxième manchon étant agencé radialement autour d'une partie périphérique respective et étant solidaire de ladite partie périphérique respective, le premier manchon étant réalisé dans un premier matériau supraconducteur, le deuxième manchon étant réalisé dans un deuxième matériau supraconducteur, le premier manchon comportant p premières ouvertures traversantes chacune débouchant sur l'arbre, le deuxième manchon comportant p deuxièmes ouvertures traversantes chacune débouchant sur l'arbre, p étant un entier naturel non nul, la bobine d'excitation étant fixe par rapport au stator et étant enroulée autour de l'axe de rotation, la bobine d'excitation étant agencée radialement autour d'une partie centrale de l'arbre du rotor, disposée entre les deux parties périphériques et au moins en partie non délimitée radialement par l'un du premier manchon et du deuxième manchon, de sorte que chaque première ouverture traversante forme l'un parmi p pôles magnétiques nord du rotor et chaque deuxième ouverture traversante forme l'un parmi p pôles magnétiques sud du rotor, au moins les parties périphériques et la partie centrale de l'arbre du rotor étant agencées dans la cavité intérieure du stator.
En effet, lorsque les manchons sont portés à une température inférieure à leur température critique, ces derniers présentent un comportement du type « barrière de champ magnétique » qui empêche le champ magnétique généré par la bobine d'excitation de circuler à travers les parois desdits manchons, suivant un comportement de barrière de champ magnétique analogue à l'effet Meissner observé sous très faible champ. Par conséquent, le champ magnétique est guidé dans l'arbre par les manchons, et ne peut s'échapper qu'au niveau des ouvertures traversantes, dont le nombre, la position et la forme sont susceptibles d'être optimisées pour maximiser l'efficacité de la machine tournante, ce qui compense le fait que le flux rotorique produit par une telle machine est généralement plus faible que le flux rotorique susceptible d'être produit par des aimants permanents.
Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, la machine tournante comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le premier matériau supraconducteur et le deuxième matériau supraconducteur sont identiques ;
- la machine électrique tournante comporte, en outre, un dispositif cryogénique configuré pour porter chacun du premier manchon et du deuxième manchon à une température inférieure à une température critique prédéterminée correspondante ;
- la bobine d'excitation est réalisée dans un troisième matériau supraconducteur, le dispositif cryogénique étant également configuré pour porter la bobine d'excitation à une température inférieure à une température critique prédéterminée correspondante ;
- le troisième matériau supraconducteur est identique au premier matériau supraconducteur et/ou au deuxième matériau supraconducteur ;
- la machine électrique tournante comprend, en outre, une source de courant continu, connectée à des bornes de la bobine d'excitation et configurée pour délivrer un courant continu présentant une intensité réglable ;
- le bobinage du stator comprend une pluralité de phases réparties sur la denture ;
- l'arbre est réalisé dans un matériau non supraconducteur.
L'invention a également pour objet un aéronef comprenant une machine électrique tournante telle que définie ci-dessus. Brève description des dessins
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig. 1] la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un premier mode de réalisation d'une machine électrique tournante selon l'invention, un carter de la machine tournante étant omis ;
[Fig. 2] la figure 2 est une représentation schématique en perspective d'un rotor de la machine tournante de la figure 1, une bobine d'excitation du rotor étant également représentée ;
[Fig. 3] la figure 3 est une vue schématique en section du rotor et de la bobine d'excitation de la figure 2, dans un plan orthogonal à l'axe de rotation de la machine tournante et traversant la bobine d'excitation ;
[Fig. 4] la figure 4 est une vue schématique en section du rotor de la figure 2, dans un plan interceptant des ouvertures traversantes du rotor et orthogonal à l'axe de rotation de la machine tournante ;
[Fig. 5] la figure 5 est une représentation schématique en perspective d'un rotor d'un deuxième mode de réalisation d'une machine tournante selon l'invention, une bobine d'excitation du rotor étant également représentée ;
[Fig. 6] la figure 6 est analogue à la figure 4, des chants de chaque ouverture traversante étant convergents suivant un axe de l'ouverture traversante, dans un sens allant vers l'axe de rotation de la machine tournante ; et
[Fig. 7] la figure 7 est analogue à la figure 4, des chants de chaque ouverture traversante étant divergents suivant un axe de l'ouverture traversante, dans un sens allant vers l'axe de rotation de la machine tournante.
Description détaillée
Une machine électrique tournante 2 (ou encore « machine tournante ») selon l'invention est illustrée par la figure 1. La machine tournante 2 est configurée pour entraîner en rotation un élément rotatif autour d'un axe de rotation X-X de la machine tournante 2 (fonctionnement dit « moteur ») ou pour générer de l'énergie électrique à partir de l'énergie mécanique fournie par ledit élément rotatif (fonctionnement dit « générateur électrique »). Comme cela ressortira de la description, la machine tournante 2 est une machine synchrone, sans aimant et sans balai.
La machine tournante 2 comprend un stator 4, un rotor 6 et une bobine 8 d'excitation du rotor 6. Un carter de la machine tournante 2 est omis sur cette figure 1.
La machine tournante 2 comporte, en outre, un dispositif cryogénique 7 et une source 9 de courant continu configurée pour alimenter la bobine d'excitation en courant continu, de préférence d'intensité réglable.
De façon classique, le rotor 6 est apte à être entraîné en rotation, relativement au stator 4, autour d'un axe de rotation X-X de la machine tournante 2.
Lors du fonctionnement en « générateur électrique », le rotor 6 est entraîné en rotation, relativement au stator 4, par un élément rotatif d'entrainement mécanique, distinct de la machine tournante 2, tel un arbre de sortie d'un moteur thermique. Une tension électrique apparaît alors entre les bornes d'un bobinage (décrit ultérieurement) du stator 4.
A l'inverse, lors du fonctionnement « moteur », une tension est appliquée entre les bornes du bobinage du stator 4, ce qui a pour effet d'entraîner le rotor 6 en rotation autour de l'axe de rotation X-X.
La bobine d'excitation 8 a pour rôle de générer un champ magnétique rotorique, dont la contribution au fonctionnement de la machine tournante 2 ressortira de la description qui va suivre.
Comme cela apparaît sur la figure 1, le stator 4 comprend un support annulaire 10 (encore appelé « culasse magnétique ») et une denture 12 (ou encore « ensemble de dents magnétiques »). Le stator comporte également un bobinage 14 enroulé autour de la denture 12.
Le support annulaire 10 s'étend dans un plan orthogonal à l'axe de rotation X-X. Par exemple, le support annulaire 10 est monobloc, c'est-à-dire formé d'une seule pièce. La denture 12 comporte une pluralité de dents 16. Chaque dent 16 est solidaire du support annulaire 10 et s'étend parallèlement à l'axe de rotation X-X à partir du support annulaire 10, de façon à délimiter une cavité intérieure 18 du stator autour de l'axe de rotation X-X.
Par exemple, la denture 12 est monobloc.
De préférence, le stator est réalisé dans un matériau ferromagnétique doux.
Le bobinage 14 du stator 4 est enroulé autour des dents 16, et est agencé du côté du support annulaire 10.
De façon connue, le bobinage 14 comprend une seule phase, ou une pluralité de phases (par exemple, trois phases), selon l'application envisagée.
Le rotor 6 comprend un arbre 20, un premier manchon 22 et un deuxième manchon 24, représentés sur la figure 2.
L'arbre 20 présente une forme cylindrique et s'étend le long de l'axe de rotation X-X. L'arbre comprend deux parties périphériques 26 et une partie centrale 28. La partie centrale 28 est disposée entre les deux parties périphériques 26 suivant l'axe de rotation X-X, et est au moins en partie non délimitée radialement par l'un du premier manchon 22 et du deuxième manchon 24.
L'arbre 20 est réalisé dans un matériau non supraconducteur. Un tel choix de matériau résulte du fait que l'arbre 20 ne doit pas faire obstacle au passage du flux magnétique Chacun du premier manchon 22 et du deuxième manchon 24 est agencé radialement autour d'une partie périphérique 26 respective de l'arbre 20, en étant solidaire de ladite partie périphérique 26 respective.
En outre, chacun du premier manchon 22 et du deuxième manchon 24 présente un diamètre externe strictement inférieur à un diamètre interne de la cavité intérieure 18 du stator 4, de sorte que, lorsque le rotor 6 est agencé dans la cavité intérieure 18, le premier et le deuxième manchon 22, 24 n'interfèrent pas mécaniquement avec le stator 4.
Le premier manchon 22 et le deuxième manchon 24 sont chacun réalisés dans un matériau supraconducteur (respectivement « premier matériau supraconducteur » et « deuxième matériau supraconducteur »). En pratique, le premier matériau supraconducteur et le deuxième matériau supraconducteur sont identiques ou non, chacun étant choisi, par exemple, dans la liste suivante : un oxyde de cuivre, de baryum et d'yttrium (YBCO) ; un oxyde de cuivre, de bismuth, de strontium et de calcium (BSSCO) ; un oxyde de cuivre, de baryum et de terre rare (ReBCO) ; ou encore du diborure de magnésium (MgB2).
Comme cela apparaît sur les figures 2 et 4, le premier manchon 22 comporte p premières ouvertures traversantes 30 débouchant chacune sur l'arbre 20, p étant un entier naturel non nul.
En outre, le deuxième manchon 24 comprend p deuxièmes ouvertures traversantes 32 débouchant chacune sur l'arbre 20.
Par exemple, et comme illustré par la figure 2, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 sont circulaires.
Par exemple, pour les valeurs de p supérieures ou égales à 2, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 sont régulièrement réparties autour de l'axe de rotation X- X.
Par exemple encore, chaque première et deuxième ouverture traversante 30, 32 présente un axe respectif orthogonal à l'axe de rotation X-X.
Chaque première et deuxième ouverture traversante 30, 32 est associée à une coordonnée angulaire respective autour de l'axe de rotation X-X. Pour permettre le fonctionnement de la machine tournante 2, chaque première ouverture traversante 30 et chaque deuxième ouverture traversante 32 présentent deux à deux des coordonnées angulaires distinctes. Par exemple, les premières ouvertures traversantes 30 sont décalées d'un angle n/p autour de l'axe de rotation X-X par rapport aux deuxièmes ouvertures traversantes 32.
Comme cela apparaît sur la figure 1, le rotor 6 est disposé de sorte qu'au moins les parties périphériques 26 et la partie centrale 28 de l'arbre 20 du rotor 6 soient agencées dans la cavité intérieure 18 du stator 4.
Comme indiqué précédemment, la bobine d'excitation 8 (également appelée « bobine d'induction ») est destinée à polariser le rotor 6, sans l'utilisation d'aimants permanents ou de balais. Cette bobine d'excitation 8 est réalisée dans un matériau supraconducteur (dit
« troisième matériau supraconducteur »), par exemple un matériau supraconducteur de la liste précitée, ou encore dans un matériau conducteur classique, c'est-à-dire non supraconducteur, par exemple du cuivre ou de l'aluminium.
Dans le cas où la bobine d'excitation 8 est réalisée dans un matériau supraconducteur, durant le fonctionnement de la machine tournante 2, la bobine d'excitation 8 est portée à une température inférieure à la température critique du matériau supraconducteur utilisé.
En outre, lorsque la bobine d'excitation est réalisée dans un matériau supraconducteur, ce matériau supraconducteur peut être le même matériau que celui du premier et/ou du deuxième manchon ou un matériau supraconducteur différent.
Lorsque la bobine d'excitation, le premier manchon et le deuxième manchon sont réalisés dans un même matériau supraconducteur, il est alors possible de placer la machine tournante 2 (ou le rotor) dans une même enceinte de refroidissement isotherme, ce qui facilite le refroidissement.
Lorsque la bobine d'excitation est réalisée dans un matériau supraconducteur différent de celui du premier et du deuxième manchon, conduisant à des contraintes de maintien de température différentes, un circuit de refroidissement en série de la bobine d'excitation et des manchons est avantageusement prévu. Dans ce cas, la bobine d'excitation et les manchons sont alimentés successivement en fluide de refroidissement, suivant l'ordre croissant de leurs températures critiques.
Par exemple, dans le cas où la bobine d'excitation présente une température critique de 30 K (kelvin) et où le premier et le deuxième manchon présentent chacun une température critique de 50 K, le fluide de refroidissement est d'abord acheminé à destination de la bobine d'excitation, et se réchauffe lors de son action de maintien au froid, à 30 K, de ladite bobine d'excitation. Toutefois, le fluide de refroidissement demeure suffisamment froid pour permettre le maintien au froid ultérieur, à 50K, des deux manchons.
Ce principe de refroidissement en série s'applique selon le même principe dans le cas où le premier manchon et le deuxième manchon sont réalisés dans des matériaux supraconducteurs différents, de sorte qu'il existe des contraintes de maintien en température différentes pour chacun parmi la bobine d'excitation, le premier manchon et le deuxième manchon. Par exemple, dans le cas où la bobine d'excitation présente une température critique de 30 K, le premier manchon une température critique de 40 K et le deuxième manchon une température critique de 50 K, le fluide de refroidissement est d'abord acheminée à la bobine d'excitation, puis au premier manchon, puis au deuxième manchon.
La bobine d'excitation 8 est connectée, par ses bornes 34, à la source de courant 9 pour être alimentée en courant électrique.
Dans un exemple d'application, la source de courant est retirée une fois la bobine d'excitation alimentée, et ladite bobine d'excitation 8 est court-circuitée.
Comme cela apparaît sur la figure 1, la bobine d'excitation 8 est agencée dans la cavité intérieure 18 du stator 4. En outre, la bobine d'excitation 8 est fixe par rapport au stator 4, par exemple solidaire de celui-ci.
La bobine d'excitation 8 est enroulée autour de l'axe de rotation X-X (figure 2) et est agencée radialement autour de la partie centrale 28 de l'arbre 20 du rotor 6.
Comme illustré par la figure 3, la bobine d'excitation 8 présente une forme annulaire, un diamètre interne de la bobine d'excitation 8 étant strictement supérieur à un diamètre de la partie centrale 28 de l'arbre 20. De cette façon, un entrefer 36 est ménagé entre la partie centrale 28 et la bobine d'excitation 8.
Le fonctionnement de la machine tournante 2 va maintenant être décrit.
Le dispositif cryogénique 7 est mis en marche, de façon à porter chacun du premier manchon 22 et du deuxième manchon 24 à une température inférieure à une température critique prédéterminée correspondante.
De préférence, la bobine d'excitation 8 est réalisée dans un matériau supraconducteur et elle est alors également portée à une température inférieure à une température critique prédéterminée correspondante.
Puis, la source de courant 9 injecte un courant continu dans la bobine d'excitation 8. Il en résulte, par induction, un flux magnétique dans l'arbre 20. Un tel flux magnétique au rotor est la conséquence d'un champ magnétique rotorique. Le premier manchon 22 et le deuxième manchon 24 présentant une température inférieure à leur température critique, un tel flux magnétique est confiné dans les premier et deuxième manchons 22, 24, et ne peut traverser les parois des manchons 22, 24. Par conséquent, le flux magnétique circule, dans la machine tournante 2, à travers les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32.
Plus précisément, le flux magnétique généré par induction dans le rotor 6 se déplace, dans l'arbre 20, depuis les deuxièmes ouvertures traversantes 32 vers les premières ouvertures traversantes 30.
Puis, le flux magnétique est transmis radialement par les premières ouvertures traversantes 30 vers les dents 16 du stator 4 qui se trouvent en regard desdites premières ouvertures traversantes 30.
Le flux magnétique 16 est ensuite acheminé axialement dans les dents 16 vers les deuxièmes ouvertures traversantes 32, et est transmis radialement par les dents 16 vers les deuxièmes ouvertures traversantes 32 qui se trouvent en regard desdites dents 16. De cette façon, chaque première ouverture traversante 30 forme l'un parmi p pôles magnétiques nord du rotor 6, et chaque deuxième ouverture traversante 32 forme l'un parmi p pôles magnétiques sud du rotor 6. Bien évidemment, en changeant le sens du courant qui circule dans la bobine d'excitation 8, les rôles des premières ouvertures traversantes 30 et des deuxièmes ouvertures traversantes 32 sont inversés.
En outre, pour un fonctionnement « moteur », le bobinage 14 est alimenté par un courant alternatif, de façon connue, ce qui génère un champ magnétique statorique. L'interaction entre le champ statorique et le champ rotorique entraîne le rotor en rotation.
Par ailleurs, pour un fonctionnement en « générateur électrique, le rotor 6 est entraîné en rotation par un élément rotatif distinct de la machine tournante 2. Il en résulte un champ rotorique tournant qui entraîne, par induction, l'apparition d'une tension alternative aux bornes du bobinage 14 du stator 4.
En variante, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 sont, non pas circulaires, mais rectangulaires, comme illustré par la figure 5. Alternativement, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 présentent une forme de tuile. Selon une autre variante, une projection de l'une au moins des premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 suivant son axe est trapézoïdale, hémicirculaire, ou présente encore toute autre forme susceptible d'améliorer les performances de la machine tournante 2.
Les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 sont, par exemple, à section constante suivant leurs axes respectifs. En d'autres termes, dans ce cas, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 présentent des chants 38 cylindriques (figure 4).
Alternativement, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 présentent des chants 38 convergents dans un sens allant vers l'axe de rotation X-X (figure 6). Selon une autre variante, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 présentent des chants divergents 38 dans un sens allant vers l'axe de rotation X-X (figure 7).
Bien évidemment, toute combinaison des formes décrites ci-dessus est envisageable. Le recours à une bobine d'excitation 8 réalisée dans un matériau supraconducteur autorise l'injection, dans cette dernière, de courants électriques continus de forte intensité sans échauffement, et donc sans risque d'endommagement, lorsque la bobine d'excitation 8 est portée à une température inférieure ou égale à sa température critique. Ceci résulte du fait que, lorsqu'ils sont refroidis à une température inférieure à leur température critique, les matériaux supraconducteurs présentent une résistivité nulle. Il n'y a donc pas de pertes par effet Joule au niveau de la bobine supraconductrice. Par conséquent, l'injection de courants électriques de forte intensité dans la bobine supraconductrice est possible, ce qui se traduit par des flux rotoriques élevés, et donc de meilleures performances de la machine tournante 2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine électrique tournante (2) comprenant un stator (4), un rotor (6) et une bobine d'excitation du rotor (6), le rotor (6) étant apte à être entraîné en rotation, relativement au stator (4), autour d'un axe de rotation (X-X) de la machine tournante, le stator (4) comprenant un support annulaire (10) s'étendant dans un plan orthogonal à l'axe de rotation (X-X) et une denture (12) comportant des dents (16) solidaires du support annulaire et s'étendant parallèlement à l'axe de rotation (X-X) à partir du support annulaire, la denture (12) délimitant une cavité intérieure du stator (4) autour de l'axe de rotation (X-X), le stator (4) comprenant, en outre, un bobinage (14) enroulé autour de la denture (12) dans un plan orthogonal à l'axe de rotation (X-X), le rotor (6) comprenant un arbre, un premier manchon (22) et un deuxième manchon (24), l'arbre (20) s'étendant le long de l'axe de rotation (X-X) et présentant deux parties périphériques, chacun du premier manchon (22) et du deuxième manchon (24) étant agencé radialement autour d'une partie périphérique respective et étant solidaire de ladite partie périphérique respective, le premier manchon (22) étant réalisé dans un premier matériau supraconducteur, le deuxième manchon (24) étant réalisé dans un deuxième matériau supraconducteur, le premier manchon (22) comportant p premières ouvertures traversantes (30) chacune débouchant sur l'arbre (20), le deuxième manchon (24) comportant p deuxièmes ouvertures traversantes (32) chacune débouchant sur l'arbre (20), p étant un entier naturel non nul, la bobine d'excitation étant fixe par rapport au stator (4) et étant enroulée autour de l'axe de rotation (X-X), la bobine d'excitation étant agencée radialement autour d'une partie centrale (28) de l'arbre (20) du rotor (6), disposée entre les deux parties périphériques (26) et au moins en partie non délimitée radialement par l'un du premier manchon (22) et du deuxième manchon (24), de sorte que chaque première ouverture traversante (30) forme l'un parmi p pôles magnétiques nord du rotor (6) et chaque deuxième ouverture traversante (32) forme l'un parmi p pôles magnétiques sud du rotor (6), au moins les parties périphériques et la partie centrale de l'arbre du rotor (6) étant agencées dans la cavité intérieure du stator (4).
2. Machine électrique tournante (2) selon la revendication 1, dans laquelle le premier matériau supraconducteur et le deuxième matériau supraconducteur sont identiques.
3. Machine électrique tournante (2) selon la revendication 1 ou 2, comportant, en outre, un dispositif cryogénique configuré pour porter chacun du premier manchon (22) et du deuxième manchon (24) à une température inférieure à une température critique prédéterminée correspondante.
4. Machine électrique tournante (2) selon la revendication 3, dans laquelle la bobine d'excitation est réalisée dans un troisième matériau supraconducteur, le dispositif cryogénique étant également configuré pour porter la bobine d'excitation à une température inférieure à une température critique prédéterminée correspondante.
5. Machine électrique tournante (2) électrique selon la revendication 4, dans laquelle le troisième matériau supraconducteur est identique au premier matériau supraconducteur et/ou au deuxième matériau supraconducteur.
6. Machine électrique tournante (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant, en outre, une source de courant continu, connectée à des bornes de la bobine d'excitation et configurée pour délivrer un courant continu présentant une intensité réglable.
7. Machine électrique tournante (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le bobinage du stator (4) comprend une pluralité de phases réparties sur la denture (12). 14
8. Machine électrique tournante (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle l'arbre est réalisé dans un matériau non supraconducteur.
9. Aéronef comprenant une machine électrique tournante (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
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