WO2022157441A1 - Protection des bobines d'une machine électrique - Google Patents

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WO2022157441A1
WO2022157441A1 PCT/FR2022/050072 FR2022050072W WO2022157441A1 WO 2022157441 A1 WO2022157441 A1 WO 2022157441A1 FR 2022050072 W FR2022050072 W FR 2022050072W WO 2022157441 A1 WO2022157441 A1 WO 2022157441A1
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WO
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flux barrier
superconducting
armature
coils
electrical machine
Prior art date
Application number
PCT/FR2022/050072
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Inventor
Sabrina Siham AYAT
Rémi Luc Stéphane DORGET
Benjamin DAGUSE
Original Assignee
Safran
Universite De Lorraine
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Publication date
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    • 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
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/24—Aircraft characterised by the type or position of power plants using steam or spring force
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
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    • 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 the field of electrical machines comprising superconducting pads which can in particular be used in aircraft.
  • the invention applies to electrical machines comprising magnetized or non-magnetized pads, to electrical machines with superconducting magnets or superconducting flux barriers, to entirely superconducting machines (superconducting armature and inductor) or partially superconducting (armature or superconducting inductor) as well as radial or axial flux superconducting machines.
  • a superconducting material is a material which, when cooled to a temperature below its critical temperature, has zero resistivity, thus offering the possibility of circulating direct currents without losses. From this, several phenomena ensue, such as the diamagnetic response for any variation of the magnetic field, making it possible to produce excellent magnetic shielding.
  • an electric machine comprises an inductor and an armature.
  • the inductor comprises an HTC coil made with HTC wires which generates a magnetic field modulated by superconducting pads, which act as magnetic screens.
  • the armature comprises a three-phase copper winding system comprising an arrangement of coils which rest on a ferromagnetic or non-magnetic support. The rotation of the screens varies the magnetic field and induces, by Lenz's law, an electromotive force in the coils.
  • the dimensioning of such a machine leads to an axial flow structure without a rotating supply system (ring/brush type). Maintenance and safety problems, brought about by a ring/rotating brush system, are therefore avoided.
  • This electric machine is partially superconductive insofar as only the inductor is made of a superconductive material, as opposed to a totally superconductive machine in which all the active parts are designed with superconductive materials.
  • the term “inductor” will denote the HTC coil and the superconducting pads configured to modulate the magnetic flux created by the HTC coil. It will be noted that, in a superconducting electric machine with flux barriers, the diamagnetic behavior of the superconducting pellets when they are cooled out of the field is used.
  • the superconducting pads are in this case non-magnetized and form a screen (screening) which deflects the field lines when they are immersed in a magnetic field. The magnetic field is then concentrated and of high amplitude between the non-magnetized superconducting pads and low downstream of them.
  • the superconducting pads can be magnetized and form superconducting magnets. We then speak of a machine with superconducting magnets.
  • the pellets are made of at least one of the following materials which have in particular very good screening characteristics: YBCO (acronym for Yttrium Barium Copper Oxide for mixed oxides of Barium, Copper and Yttrium), in GdBCO (acronym for Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen), in NbTi (for niobium-titanium), in MgB2 (magnesium diboride) or any material RE-Ba-Cu-0 or RE can be any earth rare.
  • YBCO acronym for Yttrium Barium Copper Oxide for mixed oxides of Barium, Copper and Yttrium
  • GdBCO acronym for Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen
  • NbTi for niobium-titanium
  • MgB2 manganesium diboride
  • RE-Ba-Cu-0 or RE can be any earth rare.
  • Pellets are generally obtained through the germ growth process. Reference may in particular be made to the article by M. Morita, H. Teshima, and H. Hirano, “Development of oxide superconductors”, Nippon Steel Technical Report, vol. 93, p. 18-23, 2006 for more details on this method.
  • this type of process consists in forming a crystal by progressive solidification of material on the surface of a pre-existing seed.
  • the pellets thus obtained are therefore generally of circular or rectangular shapes.
  • the inter-grain connection associated with this manufacturing process tends to decrease pellet performance.
  • An object of the invention is to provide a superconducting machine in which the risks of deformation of the armature coils are reduced without reducing the efficiency of the electrical machine.
  • Another object of the invention is to increase, in a simple and effective manner, the power density of superconducting machines.
  • the invention applies to any type of superconducting machine, which include in particular partially superconducting or totally superconducting machines, with flux barriers or superconducting magnets, with axial or radial flux.
  • a superconducting electric machine comprising an inductor comprising superconducting pads distributed circumferentially around an axis of the electric machine and an armature comprising coils, each coil having an edge radially inner and a radially outer rim, the radially inner rim and the radially outer rim extending in a circumferential direction with respect to the axis.
  • the electric machine further comprises at least one flux barrier extending circumferentially with respect to the axis, each flux barrier extending between the superconducting pads and the armature so as to at least partially cover the at least one of the radially outer edge and the radially inner edge of all or part of the coils of the armature.
  • the flux barrier at least partially covers at least one of the radially outer border and the radially inner border of all the armature coils; the flux barrier covers the entire radially outer edge and/or the entire radially inner edge of all or part of the coils of the armature; each coil further has side edges connecting the radially inner edge and the radially outer edge, the flux barrier covering at most 10% of the side edges;
  • the flow barrier is discontinuous and comprises at least one slot extending in a direction substantially radial relative to the axis;
  • the electrical machine further comprises an insulating layer housed in the slot; the flux barrier at least partially covers the radially inner edge; she can then be continuous over its entire circumference in the case of an axial flux electric machine;
  • the flux barrier has an annular shape; the flux barrier comprises a series of ring sectors, each ring sector extending between two superconducting pads; the flux barrier is fixed on the armature or on the
  • the invention proposes an aircraft comprising an electric machine according to the first aspect.
  • FIG. 1 is an exploded and schematic view of an example of an axial flux electric machine according to the prior art
  • FIG. 2a is a simplified, exploded and perspective view of an electrical axial flux machine in accordance with a first embodiment of the invention, in which the flux barrier is fixed on the superconducting pads;
  • Figure 2b is a simplified, exploded and perspective view of an alternative embodiment of Figure 2a;
  • Figure 3 is a front view of an embodiment of an annular flux barrier
  • FIG. 4a is a simplified, exploded and perspective view of an axial flux electrical machine according to a second embodiment of the invention, in which the flux barrier is fixed to the coils of the armature;
  • FIG. 4b is a simplified, exploded and perspective view of a radial flux electrical machine in accordance with a third embodiment of the invention, in which the flux barrier is fixed to the coils of the armature;
  • FIG. 4c is an alternative embodiment of the radial flux electric machine of FIG. 4b;
  • Figure 5a is a simplified, exploded and perspective view of an electric axial flux machine according to a fourth embodiment of the invention, in which the flux barrier is mounted radially inside the coil of the inductor;
  • Figure 5b is a simplified, exploded and perspective view of a radial flux electric machine according to a fifth embodiment of the invention, in which the flux barrier is mounted radially inside the coils of the induced;
  • Figure 6 is a schematic view of an aircraft comprising an electric machine according to the invention.
  • FIG. 7 illustrates an example of an aircraft that may include an electric machine in accordance with one embodiment of the invention.
  • FIG. 1 is shown schematically a superconducting axial flux electric machine 1 with flux barriers according to one embodiment of the invention conventionally comprising a rotating part, or rotor, and a fixed part, or stator.
  • the axis X of the rotor is referred to as its axis of rotation.
  • the axial direction corresponds to the direction of the X axis and a radial direction is a direction perpendicular to this axis and passing through it.
  • the circumferential (or lateral) direction corresponds to a direction perpendicular to the axis X and not passing through it.
  • internal (respectively, interior) and external (respectively, exterior), respectively, are used with reference to a radial direction such that the internal part or face of an element is closer to the X axis than the external part or face of the same element.
  • the electric machine 1 with superconducting axial flux comprises an armature 2 and an inductor 3.
  • the armature 2 comprises an arrangement 4 of non-superconducting electromagnetic coils 5, generally made of copper.
  • the inductor 3 comprises a superconducting coil 6 coaxial with the arrangement 4 of the electromagnetic coils 5 of the armature 2 and superconducting pads 7 mounted on a carrier structure 8 which are arranged in the same plane orthogonal to the axis X and radially inside the superconducting coil 6.
  • the inductor 3 further comprises a stator yoke comprising an iron crown 8.
  • the rotor is formed by the superconducting pads 7 which are driven in rotation around an axis of rotation extending in the axial direction.
  • the stator is formed by the arrangement 4 of electromagnetic coils 5 and the superconducting coil 6.
  • the superconducting pads 7 are made of superconducting material and are distributed equidistantly around the axis of rotation, which allows a spatial variation of the electromagnetic field in the air gap.
  • the superconducting pads 7 are non-magnetized.
  • the superconducting pads 7 could be magnetized.
  • the pellets are made of YBCO (English acronym for Yttrium Barium Copper Oxide for Mixed Oxides of Barium, Copper and Yttrium), in GdBCO (English acronym for Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen), in NbTi (for niobium-titanium), MgB2 (magnesium diboride) or any RE-Ba-Cu-0 material where RE can be any rare earth.
  • YBCO English acronym for Yttrium Barium Copper Oxide for Mixed Oxides of Barium, Copper and Yttrium
  • GdBCO English acronym for Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen
  • NbTi for niobium-titanium
  • MgB2 manganesium diboride
  • RE-Ba-Cu-0 material where RE can be any rare earth.
  • the superconducting coil 6 of the inductor 3 is a static superconducting coil supplied with direct current. If necessary, when the electric machine 1 comprises a yoke 4, the latter ensures mechanical strength of the electromagnetic coils 5 of the armature 2. In other words, the inductor 2 is superconducting while the armature 3 is non-superconductive.
  • the superconducting pads 7 can have any suitable shape.
  • each superconducting pad 7 has, in a manner known per se, the shape of a full (solid) disk (as illustrated in FIG. 1).
  • the superconducting pad 7 can be hollow in order to adapt its shape to the penetration thickness of the magnetic field in the pad 7.
  • Each superconducting pad 7 comprises for this purpose a circumferential wall which has:
  • the inner face extends radially inside the outer face.
  • the superconducting pad 7 is therefore hollow in that it has a cavity which, as will be seen in what follows, can be emerging, passing through or enclosed in the superconducting pad 7.
  • the cavity is preferably empty (devoid of material) .
  • the superconducting pad 7 can comprise one or more additional walls dividing the cavity into several parts. If necessary, a through hole can be formed in all or part of the walls. Reference may be made to document FR2020/052301 in the name of the Applicant for more details on these different embodiments of superconducting pads 7 with cavity.
  • the shape of the superconducting pads 7 is adapted (optimized) so as to maximize the screening/mass ratio of the pads 7, that is to say that the shape of the superconducting pellets 7 is adapted so that the variation of the axial component of the induced magnetic field, and therefore the shielding of the magnetic flux, is maximum, while minimizing the mass of the superconducting pellets 7. It is thus possible to obtain an increase in the speed of rotation of the rotor and therefore of the power of the electric machine 1 .
  • the superconducting pads 7 can have a polygonal shape presenting at least five sides.
  • pad 7 has a hexagonal shape, preferably that of a regular isometric hexagon.
  • face 8 of each superconducting pad 7 has the geometry and dimensions of a ring sector.
  • ring sector we will understand here the shape delimited on the one hand by two coaxial circles, of different diameters, and on the other hand by two line segments from the center of the circles.
  • the ring sector thus comprises two opposite curved sides and two opposite straight sides.
  • the coils 5 of the armature 2 can also have any suitable shape.
  • the coils 5 can in particular have the shape of a ring sector, as illustrated in FIGS. 2, 4a, and 5a.
  • each coil has a radially inner edge 10, a radially outer edge 9 and lateral edges 11 which connect the radially inner edge 10 and the radially outer edge 9.
  • the radially outer edge inner 10 and the radially outer edge 9 extend in a circumferential direction relative to the axis X while the side edges 11 are substantially radial.
  • the electric machine 1 further comprises a flux barrier 12 extending circumferentially with respect to the axis X, between the superconducting pads 7 and the armature 2 so as to at least partially cover the radially outer edge 9 of all or part of the coils 5 of the armature 2.
  • the flux barrier 12 is positioned so as to mask the radially outer edge 9 of the coils 5.
  • the magnetic field is then screened at the level of the radially outer edge 9 of the coils 5 and redirected from the armature 2 towards the active regions of the electric machine 1, that is to say radially towards the side edges 11 and the radially inner edge 10 of the coils 5, which makes it possible to increase the power density of the machine electrical 1.
  • the flux barrier 12 is placed in front of the armature 2 so as to at least partially cover the radially outer edge 9 of all the coils 5 of the armature 2. In this way, the magnetic field is shielded at the level of the outer radial edge of the coils 5 over the entire circumference of the armature 2. The armature 2 is thus protected from possible deformations and the power density of the electric machine 1 is maximized.
  • the flux barrier 12 is preferably made of a superconducting material.
  • the flux barrier 12 can be made of any of the superconducting materials envisaged for the superconducting pads 7 listed above. If necessary, the flux barrier 12 can be made of the same superconducting material as the pads 7.
  • the flux barrier 12 is placed in front of the armature 2 so as to cover the entire radially outer edge 9 of the coils 5. However, in order not to degrade the power density of the electric machine 1, at the plus 10% of the surface of the side edges 11 of the coils 5 of the armature 2 are covered by the flux barrier 12.
  • the flux barrier 12 can be fixed on the armature 2 or on the inductor 3.
  • the flux barrier 12 is fixed on a rotating part (rotor) of the electrical machine 1, for example on the superconducting pads 7 and/or on the supporting structure 8 on which the superconducting pads 7 are mounted.
  • a flux barrier 12 having a greater thickness (of the order of ten to twenty millimeters in thickness) and therefore to improve the shielding of the magnetic field.
  • the flux barrier 12 when the flux barrier 12 is fixed at the level of the rotor, it can be made in one piece with the superconducting pads 7 used for the modulation of the flux. These pads 7 are typically thicker than the flux barrier 12 used for protection (good screening quality being required for the modulation of the field).
  • the flux barrier 12 and the pellets 7 are in one piece, for simplicity of production, they may have the same thickness. A consequence is then the improvement of the screening for the 'protective' flux barrier 12 .
  • the flux barrier 12 can be mounted on the stator, for example on the coil 6 of the inductor 3 or on the coils 5 of the armature 2.
  • the thickness of the flux barrier 12 may be less than one millimeter so as not to interfere with the operation of the electric machine 1. Indeed, when the flux barrier 12 is mounted on the coils 5 of the armature 2, it is then at the level of the air gap of the electric machine 1. However, this air gap must be as small as possible because it is directly proportional to the torque of the electric machine (and therefore to its power). This is why in this configuration, it is preferable to limit the thickness of the flux barrier 12.
  • An external radius of the flux barrier 12 is greater than or equal to an external radius of the superconducting pads 7 in order to ensure effective screening of the magnetic field at the level of the radially external edges of the coils 5 of the armature 2.
  • external radius of the flux barrier 12 it will be understood here the maximum radius of the flux barrier 12, measured from the axis X of rotation.
  • flux barrier 12 when flux barrier 12 is attached to superconducting pads 7 or to their supporting structure 8, said flux barrier 12 extends at least partially radially outside of superconducting pads 7.
  • the flux barrier 12 can extend substantially continuously around the X axis of rotation.
  • flux barrier 12 includes at least one discontinuity 13 to prevent flux barrier 12 from shielding the magnetic field within superconducting pads 7. Indeed, in the absence of discontinuity 13, current loops would be liable to form at the periphery of the superconducting pads 7, thus shielding the magnetic field inside the pads 7, which would harm the operation of the electric machine 1 .
  • the discontinuity 13 can be obtained by the very shape of the flux barrier 12, which can comprise a plurality of sections separated from each other, or by making a slot 13 in the flux barrier 12 (as illustrated in Figure 3) , said slot 13 thus making it possible to break the current loops.
  • an insulating layer 14 can be placed in the slot 13 formed in the flux barrier 12. The thickness of the slot 13 can then be substantially equal to the thickness of the insulating layer 14.
  • the insulating layer 14 may for example comprise a polyimide film such as Kapton having a thickness of 0.025 mm.
  • the flux barrier 12 may have a height substantially equal to the height of the radially outer edge 9 of the coils 5. By height, we understand here the dimension along a direction radial to the X axis of rotation.
  • flux barrier 12 is generally annular in shape. More precisely, as illustrated in FIGS. 3, 5a and 5b, the flow barrier 12 can have the shape of a disk in which a through orifice is made so as to obtain an annular band. As indicated above, the annular band 12 can be substantially continuous. If necessary, the annular band 12 comprises a slot 13 configured to break the current loops and, optionally, an insulating layer 14 placed in the slot 13 (as illustrated in FIG. 3).
  • the flux barrier 12 when attached to the rotor, may comprise a series of sections 12a, for example ring sectors 12a, extending circumferentially around the X axis of rotation and equidistributed on the circumference.
  • Each ring sector 12a of the flux barrier 12 extends between two adjacent superconducting pads 7.
  • Each ring sector 12a can be attached to at least one superconducting pad 7.
  • each ring sector 12a can be attached to two adjacent pads 7.
  • each ring sector 12a can be made in one piece with at least one superconducting pad 7 adjacent.
  • a discontinuity 13 must be provided so as not to continuously connect all the superconducting pads 7: if necessary, at least one of the ring sectors 12a then comprises at least one slot 13 in which an insulating layer 14 may optionally be inserted as described above, in order to prevent the formation of current loops.
  • the superconducting pads 7 may also have a maximum radius substantially equal to the outer radius of the flux barrier 12 in order to ensure effective screening of the magnetic field at the level of the radially outer edges of the coils 5 of the armature 2. It will be noted that, in this configuration, the maximum radius of the superconducting pads 7 is greater than the conventional maximum radius of the superconducting pads of electrical machines of the prior art, so that the radially outer part of the superconducting pads 7 forms part of the flux barrier 12 and covers at least partially the radially outer edge 9 of all the coils 5 of the armature 2 .
  • the flux barrier 12 comprises a set of sections 12a together forming a crown which extends over the entire periphery of the part (support structure, superconducting pads 7, coil of the inductor 3 or coils 5 of the armature 2) of the electric machine 1 on which it is fixed.
  • Sections 12a of crown 12 can have any suitable shape and are evenly distributed around axis X of rotation.
  • the sections 12a of the crown 12 can each have the shape of a ring sector, the height of which is substantially equal to the height of the radially outer edge 9 of the coils 5.
  • At least one discontinuity 13 is formed in the flow barrier 12 so as not to continuously connect all the sections 12a.
  • at least one of the sections 12a of the crown 12 comprises at least one slot 13 in which an insulating layer 14 can optionally be inserted as described above, in order to prevent the formation of current loops.
  • the sections 12a of the crown 12 can be separated two by two, if necessary with the interposition of an insulating layer 14 between two adjacent sections 12a.
  • the electric machine 1 comprises an additional flux barrier 12' extending circumferentially with respect to the axis X, between the superconducting pads 7 and the armature 2 so as to at least partially cover the radially inner edge 10 of all or part of the coils 5 of the armature 2 (see for example FIG. 6).
  • the additional flux barrier 12' is positioned so as to mask the radially internal edge 10 of the coils 5. Indeed, the forces at the level of the radially internal edge 10 (or foot) of the coils 5 do not produce no torque either.
  • the magnetic field is then screened at the level of the radially internal edge 10 of the coils 5 and redirected from the armature 2 towards the active regions of the electric machine 1, that is to say say radially in the direction of the side edges 11 and the radially outer edge 9 of the coils 5, which makes it possible to increase the power density of the electric machine 1 and to protect the radially inner edge 10 from deformations.
  • the additional flux barrier 12' can have the same configurations (mounted on the armature or the inductor, on the rotor part or the stator part; annular shape (first shape embodiment) or in a sector of rings (second or third embodiment); etc.), the same constituent materials and the same thickness as the flux barrier 12, except that it is positioned in front of the radially inner edge 10 of the coils 5 and not in front of the radially outer edge 9.
  • the additional flux barrier 12' is placed in front of the armature 2 so as to at least partially cover the radially inner edge 10 of all the coils 5 of the armature 2.
  • the additional flux barrier 12' may have a height substantially equal to the height of the radially inner edge 10 of the coils 5.
  • an electric machine 1 (with axial or radial flux) can comprise at least one of the flux barrier 12 covering at least partially the radially outer edge 9 of the coils 5 and the additional flux barrier 12' covering at least least partially the radially inner edge 10 of the coils 5.
  • the additional flow barrier 12 ' can be continuous over its entire circumference.
  • the formation of current loops in the additional flux barrier 12′ in this type of electric machine 1 does not have the consequence of screening areas useful for generating the torque of the electric machine 1. It will however be noted that the presence of discontinuities in the additional flow barrier 12' does not interfere with its operation.
  • the flux barrier 12 (and/or, where appropriate, the additional flux barrier 12') can be obtained by growth of germs or by stacking of ribbons.
  • the manufacturing process comprises the following steps:
  • the part obtained by seed growth preferably has the shape of a disc and the machining step consists of making an orifice central traversing in the disk so so as to get the tape.
  • the part obtained by seed growth can also have the shape of a disc and the machining step consists in producing a through central hole in the disc and to form the different sections of the crown.
  • the part obtained by seed growth can have the shape of a disk or a rectangle and the machining step consists of make the coaxial circle portions and the two line segments that connect them to obtain the ring sector.
  • the manufacturing process comprises the following steps: pre-cutting the ribbons according to the shape (annular strip, crown, ring sectors) of the flow barrier 12, 12 '; stacking of the ribbons thus precut in a conventional manner to obtain the flow barrier 12, 12'; and optionally, machining the superconducting pad 7 thus obtained.
  • the flux barrier 12 is continuous around its circumference, machining of one or more slots 13 and, if necessary, insertion of an insulating layer 14 as described above.
  • the flux barrier 12 and the superconducting pads 7 can be formed integrally and in one piece.
  • the flux barrier 12 and the superconducting pads 7 can be fabricated simultaneously by seed growth or by stacking ribbons.
  • the thickness of the flux barrier 12 is then equal to the thickness of the superconducting pads 7 (generally, of the order of ten to twenty millimeters).
  • the flux barrier 12 when the flux barrier 12 is fixed on the stator, the flux barrier 12 is preferably produced by stacking tapes in order to be able to obtain thicknesses of less than one millimeter.
  • the inductor 3 comprises a front superconducting coil 6 and a rear superconducting coil 6' which are annular and coaxial with the axis of rotation X and superconducting pads 7 mounted on a support structure 8 which are arranged circumferentially with respect to the axis X.
  • the armature 2 for its part comprises an arrangement of coils 5 arranged circumferentially with respect to the axis X, radially outside the superconducting pads 7.
  • the coils 5 of the armature 2 can each have a substantially rectangular shape, one larger side of which extends parallel to the axis X of the rotor. Coils 5 are assembled edge to edge along their longest side so as to define a substantially cylindrical assembly around the X axis of rotation.
  • the invention described above then applies mutatis mutandis to the coils 5 of the armature 2 of an electric machine 1 with radial flux.
  • the radially outer edge 9 of the coils 5 then corresponds to the edge of the coils 5 (small side of the rectangle) which is adjacent to the front superconducting coil 6 while the radially inner edge 10 corresponds to the edge of the coils 5 which is opposite the radially outer edge 9 and which is adjacent to the rear superconducting coil 6'.
  • the side borders 11 correspond to the long sides of the rectangle.
  • the flux barrier or barriers 12, 12' can be placed radially inside the armature 2 so as to at least partially cover the radially outer 9 and/or inner 10 edge of all the coils 5 of the armature 2.
  • the electric machine 1 can therefore comprise a flux barrier 12 at the level of the radially outer edges 9 of the coils 5 and/or a flux barrier 12' at the level of the radially inner edges 10.
  • fluxes 12, 12' can be fixed on the armature 2 or on the inductor 3, that is to say mounted radially inside the coil or coils 6, 6' of the inductor 3 (figure 5b), on the coils 5 of the armature 2 or on the superconducting pads 7, as illustrated in FIGS. 4b and 4c.
  • the flux barriers 12, 12' can also have any of the shapes described above and include at least one discontinuity 13 to prevent the flux barrier 12 from shielding the magnetic field within the superconducting pads 7.
  • the electric machine 1 can in particular be used in an aircraft 100.

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  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)

Abstract

La présente invention concerne une machine électrique (1) supraconductrice comprenant un inducteur (3) comprenant : - des pastilles supraconductrice (7) réparties circonférentiellement autour d'un axe (X) de la machine électrique (1), - un induit (2) comprenant des bobines (5), chaque bobine (5) présentant une bordure radialement interne (10) et une bordure radialement externe (9) circonférentielles, et - au moins une barrière de flux (12, 12') s'étendant circonférentiellement par rapport à l'axe (X), chaque barrière de flux (12) s'étendant entre les pastilles supraconductrices (7) et l'induit (2) de sorte à recouvrir au moins partiellement l'une au moins parmi la bordure radialement externe (9) et la bordure radialement interne (10) de tout ou partie des bobines (5) de l'induit (2).

Description

PROTECTION DES BOBINES D’UNE MACHINE ELECTRIQUE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine des machines électriques comprenant des pastilles supraconductrices pouvant notamment être utilisées dans des aéronefs. En particulier, l’invention s’applique aux machines électriques comprenant des pastilles magnétisées ou non-magnétisées, aux machines électriques à aimants supraconducteurs ou à barrières de flux supraconductrices, aux machines entièrement supraconductrices (induit et inducteur supraconducteurs) ou partiellement supraconductrices (induit ou inducteur supraconducteur) ainsi qu’aux machines supraconductrices à flux radial ou axial.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Une partie de l’ingénierie se préoccupe des futurs moyens de transport en cherchant à rendre les systèmes plus écologiques. Dans le domaine du transport aérien, différents projets et prototypes ont déjà vu le jour, comme SOLAR IMPULSE ou l’E-FAN d’Airbus. Les préoccupations environnementales, la réduction de la consommation de carburant et de bruit sont tant de critères qui encouragent l’utilisation de machines électriques. Pour pouvoir supplanter les technologies actuelles, les constructeurs aéronautiques travaillent sur l’augmentation de la puissance massique de ces machines électriques. Ainsi, une étude est conduite sur le gain qu’apporterait les matériaux supraconducteurs HTC (acronyme de haute température critique) pour les actionneurs embarqués.
Un matériau supraconducteur est un matériau qui, lorsqu’il est refroidi à une température inférieure à sa température critique, présente une résistivité nulle offrant ainsi la possibilité de faire circuler des courants continus sans pertes. De cela, plusieurs phénomènes en découlent comme la réponse diamagnétique pour toute variation du champ magnétique, permettant de réaliser d’excellents blindages magnétiques.
De manière connue en soi, une machine électrique comprend un inducteur et un induit. L’inducteur comprend une bobine HTC réalisé avec des fils HTC qui génère un champ magnétique modulé par des pastilles supraconductrices, qui font office d’écrans magnétiques. L’induit, quant à lui, comprend un système de bobinage triphasé en cuivre comprenant un agencement de bobines qui reposent sur un support ferromagnétique ou amagnétique. La rotation des écrans fait varier le champ magnétique et induit, par la loi de Lenz, une force électromotrice dans les bobines. Le dimensionnement d’une telle machine conduit à une structure à flux axial sans système d’alimentation tournant (type bague/balais). La maintenance et les problèmes de sécurité, apportés par un système bague/balais tournant, sont donc évités. Cette machine électrique est partiellement supraconductrice dans la mesure où seul l’inducteur est réalisé dans un matériau supraconducteur, par opposition à une machine totalement supraconductrice dont toutes les parties actives sont conçues avec des matériaux supraconducteurs.
Dans ce qui suit, on désignera par « inducteur » la bobine HTC et les pastilles supraconductrices configurées pour moduler le flux magnétique crée par la bobine HTC. On notera que, dans une machine électrique supraconductrice à barrières de flux, on utilise le comportement diamagnétique des pastilles supraconductrices quand elles sont refroidies hors champ. Les pastilles supraconductrices sont dans ce cas non-magnétisées et forment un écran (écrantage) qui dévie les lignes de champ, lorsqu’elles sont plongées dans un champ magnétique. Le champ magnétique est alors concentré et de forte amplitude entre les pastilles supraconductrices non-magnétisées et faible en aval de celles-ci. En variante, les pastilles supraconductrices peuvent être magnétisées et former des aimants supraconducteurs. On parle alors de machine à aimants supraconducteurs.
Généralement, les pastilles sont réalisées dans l’un au moins des matériaux suivants qui possèdent notamment de très bonnes caractéristiques d’écrantage : en YBCO (acronyme anglais de Yttrium Barium Copper Oxide pour Oxydes mixtes de Baryum, de Cuivre et d'Yttrium), en GdBCO (acronyme anglais de Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen), en NbTi (pour niobium-titane), en MgB2 (diborure de magnésium) ou tout matériau RE-Ba-Cu-0 ou RE peut être n’importe quelle terre rare.
Les pastilles sont généralement obtenues grâce au procédé de croissance de germe. On pourra notamment se référer à l’article de M. Morita, H. Teshima, et H. Hirano, « Development of oxide superconductors », Nippon Steel Technical Report, vol. 93, p. 18-23, 2006 pour plus de détails sur ce procédé. En particulier, ce type de procédé consiste à former un cristal par solidification progressive de matière sur la surface d’un germe préexistant. Les pastilles ainsi obtenues sont donc généralement de formes circulaires ou rectangulaires. En variante, il a également été proposé de réaliser les pastilles par frittage. Cependant, la connexion inter-grain associée à ce procédé de fabrication a tendance à diminuer les performances des pastilles. Un autre procédé consiste à utiliser des rubans supraconducteurs (ou « tapes » en anglais) pour la fabrication des pastilles supraconductrices. On parle dans ce cas d’empilements de rubans (ou « stack of tapes » en anglais). Ces pastilles, dont le noyau supraconducteur est renforcé par la matrice des rubans les constituant, présentent une bonne tenue mécanique. Cette bonne tenue mécanique est particulièrement avantageuse lorsque les pastilles sont magnétisées (machine à aimants supraconducteurs).
Toutefois, la Demanderesse s’est aperçue du fait que, dans une machine électrique comprenant des pastilles supraconductrices, les forces générées à la périphérie externe des bobines de l’induit, qui peuvent s’élever à 100 N par exemple, ont tendance à déformer les bobines ce qui crée des problèmes mécaniques de structure et est susceptible de réduire l’efficacité de la machine électrique.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de proposer une machine supraconductrice dans laquelle les risques de déformation des bobines de l’induit sont réduits sans pour autant réduire l’efficacité de la machine électrique.
Un autre but de l’invention est d’augmenter, de manière simple et efficace, la densité de puissance des machines supraconductrices.
L’invention s’applique à tout type de machine supraconductrice, qui comprennent notamment les machines partiellement supraconductrices ou totalement supraconductrices, à barrières de flux ou à aimants supraconducteurs, à flux axial ou radial.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, une machine électrique supraconductrice comprenant un inducteur comprenant des pastilles supraconductrice réparties circonférentiellement autour d’un axe de la machine électrique et un induit comprenant des bobines, chaque bobine présentant une bordure radialement interne et une bordure radialement externe, la bordure radialement interne et la bordure radialement externe s’étendant suivant une direction circonférentielle par rapport à l’axe. Par ailleurs, la machine électrique comprend en outre au moins une barrière de flux s’étendant circonférentiellement par rapport à l’axe, chaque barrière de flux s’étendant entre les pastilles supraconductrices et l’induit de sorte à recouvrir au moins partiellement l’une au moins parmi la bordure radialement externe et la bordure radialement interne de tout ou partie des bobines de l’induit.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la machine électrique selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : la barrière de flux recouvre au moins partiellement l’une au moins parmi la bordure radialement externe et la bordure radialement interne de toutes les bobines de l’induit ; la barrière de flux recouvre toute la bordure radialement externe et/ou toute la bordure radialement interne de tout ou partie des bobines de l’induit ; chaque bobine présente en outre des bordures latérales connectant la bordure radialement interne et la bordure radialement externe, la barrière de flux recouvrant au plus 10% des bordures latérales ; la barrière de flux est discontinue et comprend au moins une fente s’étendant suivant une direction sensiblement radiale par rapport à l’axe ; la machine électrique comprend en outre une couche isolante logée dans la fente ; la barrière de flux recouvre au moins partiellement la bordure radialement interne ; elle peut alors être continue sur toute sa circonférence dans le cas d’une machine électrique flux axial ; la barrière de flux présente une forme annulaire ; la barrière de flux comprend une série de secteurs d’anneau, chaque secteur d’anneau s’étendant entre deux pastilles supraconductrices ; la barrière de flux est fixée sur l’induit ou sur l’inducteur ; la barrière de flux est solidaire des pastilles supraconductrices ; la machine électrique comprend en outre une bobine coaxiale à l’axe s’étendant radialement autour des pastilles supraconductrices, la barrière de flux étant fixée sur une face radiale interne de la bobine de l’inducteur ; un rayon externe de la barrière de flux est supérieur ou égal à un rayon externe des pastilles supraconductrices ; et/ou la machine électrique comprend une barrière de flux recouvrant au moins partiellement la bordure radialement externe de tout ou partie des bobines de l’induit et une barrière de flux supplémentaire s’étendant circonférentiellement par rapport à l’axe, ladite barrière de flux supplémentaire s’étendant entre les pastilles supraconductrices et l’induit de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement interne de tout ou partie des bobines de l’induit.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un aéronef comprenant une machine électrique selon le premier aspect.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 est une vue explosée et schématique d’un exemple de machine électrique à flux axial selon l’art antérieur ;
La figure 2a est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une machine électrique à flux axial conforme à un premier mode de réalisation de l’invention, dans laquelle la barrière de flux est fixée sur les pastilles supraconductrices ;
La figure 2b est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une variante de réalisation de la figure 2a ;
La figure 3 est une vue de face d’un exemple de réalisation d’une barrière de flux annulaire ;
La figure 4a est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une machine électrique à flux axial conforme à un deuxième mode de réalisation de l’invention, dans laquelle la barrière de flux est fixée sur les bobines de l’induit ; La figure 4b est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une machine électrique à flux radial conforme à un troisième mode de réalisation de l’invention, dans laquelle la barrière de flux est fixée sur les bobines de l’induit ;
La figure 4c est une variante de réalisation de la machine électrique à flux radial de la figure 4b ;
La figure 5a est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une machine électrique à flux axial conforme à un quatrième mode de réalisation de l’invention, dans laquelle la barrière de flux est montée radialement à l’intérieur de la bobine de l’inducteur ;
La figure 5b est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une machine électrique à flux radial conforme à un cinquième mode de réalisation de l’invention, dans laquelle la barrière de flux est montée radialement à l’intérieur des bobines de l’induit ;
La figure 6 est une vue schématique d’un aéronef comprenant une machine électrique conforme à l’invention.
La figure 7 illustre un exemple d’aéronef pouvant comprendre une machine électrique conforme à un mode de réalisation de l’invention.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Dans ce qui suit, l’invention va être décrite et illustrée dans le cas d’une machine électrique à flux axial partiellement supraconductrice à barrières de flux avec des pastilles non- magnétisées. Comme cela a déjà été indiqué plus haut, ceci n’est cependant pas limitatif, l’invention s’appliquant mutatis mutandis à des machines électriques comprenant des pastilles magnétisées, à des machines électriques à aimants supraconducteurs, à des machines électriques entièrement supraconductrices (induit et inducteur supraconducteurs) ainsi qu’à des machines électriques à flux radial.
Sur la figure 1 est représentée schématiquement une machine électrique 1 à flux axial supraconductrice à barrières de flux selon un mode de réalisation de l’invention comprenant de manière conventionnelle une partie tournante, ou rotor, et une partie fixe, ou stator.
Dans la présente demande, on appelle axe X du rotor, son axe de rotation. La direction axiale correspond à la direction de l'axe X et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe et passant par lui. Par ailleurs, la direction circonférentielle (ou latérale) correspond à une direction perpendiculaire à l'axe X et ne passant pas par lui. Sauf précision contraire, interne (respectivement, intérieur) et externe (respectivement, extérieur), respectivement, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de l'axe X que la partie ou la face externe du même élément. De manière connue en soi, la machine électrique 1 à flux axial supraconductrice comprend un induit 2 et un inducteur 3. L’induit 2 comporte un agencement 4 de bobines électromagnétiques 5 non supraconductrices, généralement en cuivre. L’inducteur 3 comporte une bobine supraconductrice 6 coaxiale à l’agencement 4 des bobines électromagnétiques 5 de l’induit 2 et des pastilles supraconductrices 7 montées sur une structure porteuse 8 qui sont disposées dans un même plan orthogonal à l’axe X et radialement à l’intérieur de la bobine supraconductrice 6. Optionnellement, l’inducteur 3 comprend en outre une culasse statorique comportant une couronne de fer 8. Ici, le rotor est formé par les pastilles supraconductrices 7 qui sont entraînées en rotation autour d’un axe de rotation s’étendant selon la direction axiale. Le stator est formé par l’agencement 4 de bobines électromagnétiques 5 et la bobine supraconductrice 6.
Les pastilles supraconductrices 7 sont en matériau supraconducteur et sont réparties de manière équidistante autour de l’axe de rotation, ce qui permet une variation spatiale du champ électromagnétique dans l’entrefer. Ici, les pastilles supraconductrices 7 sont non-magnétisées. En variante, les pastilles supraconductrices 7 pourraient être magnétisées. Par exemple, les pastilles sont réalisées en YBCO (acronyme anglais de Yttrium Barium Copper Oxide pour Oxydes mixtes de Baryum, de Cuivre et d'Yttrium), en GdBCO (acronyme anglais de Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen), en NbTi (pour niobium-titane), en MgB2 (diborure de magnésium) ou tout matériau RE-Ba-Cu-0 où RE peut être n’importe quelle terre rare.
La bobine supraconductrice 6 de l’inducteur 3 est une bobine supraconductrice statique alimentée en courant continu. Le cas échéant, lorsque la machine électrique 1 comprend une culasse 4, celle-ci assure une tenue mécanique des bobines électromagnétiques 5 de l’induit 2. En d’autres termes, l’inducteur 2 est supraconducteur tandis que l’induit 3 est non- supraconducteur.
Les pastilles supraconductrices 7 peuvent présenter toute forme adaptée.
Dans un premier mode de réalisation, chaque pastille supraconductrice 7 présente, de manière connue en soi, la forme d’un disque plein (solide) (comme illustré sur la figure 1 ).
Dans un deuxième mode de réalisation, la pastille supraconductrice 7 peut être creuse afin d’adapter sa forme à l’épaisseur de pénétration du champ magnétique dans la pastille 7. Chaque pastille supraconductrice 7 comprend à cet effet une paroi circonférentielle qui présente :
- une première bordure,
- une deuxième bordure opposée à la première bordure
- une face interne reliant la première bordure et la deuxième bordure
- une face externe opposée à la face interne et - une cavité formée entre la première bordure, la deuxième bordure et délimitée par la face interne de la paroi circonférentielle.
La face interne s’étend radialement à l’intérieur de la face externe. La pastille supraconductrice 7 est donc creuse en ce qu’elle présente une cavité qui, comme on le verra dans ce qui suit, peut être débouchante, traversante ou enfermée dans la pastille supraconductrice 7. La cavité est de préférence vide (dépourvue de matériau).
Optionnellement, la pastille supraconductrice 7 peut comprendre une ou plusieurs parois supplémentaires divisant la cavité en plusieurs parties. Le cas échéant, un orifice traversant peut être formé dans tout ou partie des parois. On pourra se référer au document FR2020/052301 au nom de la Demanderesse pour plus de détails sur ces différentes formes de réalisation de pastilles supraconductrices 7 avec cavité.
Dans un troisième mode de réalisation illustré sur les figures 2, 4a et 5a, la forme des pastilles supraconductrices 7 est adaptée (optimisée) de sorte à maximiser le rapport écrantage/masse des pastilles 7, c’est-à-dire que la forme des pastilles supraconductrices 7 est adaptée afin que la variation de la composante axiale du champ magnétique induit, et donc l’écrantage du flux magnétique, soit maximal, tout en minimisant la masse des pastilles supraconductrices 7. On peut ainsi obtenir une augmentation de la vitesse de rotation du rotor et donc de la puissance de la machine électrique 1 . A cet effet, les pastilles supraconductrices 7 peuvent avoir une forme polygonale présentant au moins cinq côtés. Par exemple, la pastille 7 présente une forme hexagonale, de préférence celle d’un hexagone régulier isométrique. En variante, la face 8 de chaque pastille supraconductrice 7 présente la géométrie et les dimensions d’un secteur d’anneau. Par secteur d’anneau, on comprendra ici la forme délimitée d’une part par deux cercles coaxiaux, de diamètre différent, et d’autre part par deux segments de droite issus du centre des cercles. Le secteur d’anneau comprend ainsi deux côtés opposés courbes et deux côtés opposés droits.
On pourra se référer au document FR2020/052301 au nom de la Demanderesse pour plus de détails sur ces différentes formes de réalisation de pastilles supraconductrices 7
Les bobines 5 de l’induit 2 peuvent également présenter toute forme adaptée. De manière connue en soi, les bobines 5 peuvent notamment présenter une forme de secteur d’anneau, comme illustré sur les figures 2, 4a, et 5a.
Quelle que soit la forme des bobines 5 de l’induit 2, chaque bobine présente une bordure radialement interne 10, une bordure radialement externe 9 et des bordures latérales 11 qui relient la bordure radialement interne 10 et la bordure radialement externe 9. La bordure radialement interne 10 et la bordure radialement externe 9 s’étendent suivant une direction circonférentielle par rapport à l’axe X tandis que les bordures latérales 11 sont sensiblement radiales. Afin de réduire les risques de déformation des bobines 5 de l’induit 2 tout en améliorant la densité de puissance de la machine électrique 1 , la machine électrique 1 comprend en outre une barrière de flux 12 s’étendant circonférentiellement par rapport à l’axe X, entre les pastilles supraconductrices 7 et l’induit 2 de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement externe 9 de tout ou partie des bobines 5 de l’induit 2. En d’autres termes, la barrière de flux 12 est positionnée de sorte à masquer la bordure radialement externe 9 des bobines 5. En effet, les forces au niveau de la bordure radialement externe 9 (ou tête) des bobines 5 (qui peuvent par exemple atteindre 100 N) ne produisent pas de couple. Or, comme nous l’avons vu plus haut, ces forces tendent à déformer les bobines 5. Grâce à la barrière de flux 12, le champ magnétique est alors écranté au niveau de la bordure radialement externe 9 des bobines 5 et redirigé de l’induit 2 vers les régions actives de la machine électrique 1 , c’est- à-dire radialement en direction des bordures latérales 11 et de la bordure radialement interne 10 des bobines 5, ce qui permet d’augmenter la densité de puissance de la machine électrique 1.
De préférence, la barrière de flux 12 est placée devant l’induit 2 de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement externe 9 de toutes les bobines 5 de l’induit 2. De la sorte, le champ magnétique est écranté au niveau de la bordure radiale externe des bobines 5 sur toute la circonférence de l’induit 2. L’induit 2 est ainsi protégé des déformations éventuelles et la densité de puissance de la machine électrique 1 est maximisée.
La barrière de flux 12 est de préférence réalisée dans un matériau supraconducteur. En particulier, la barrière de flux 12 peut être réalisée dans l’un quelconque des matériaux supraconducteurs envisagés pour les pastilles supraconductrices 7 listés plus haut. Le cas échéant, la barrière de flux 12 peut être réalisée dans le même matériau supraconducteur que les pastilles 7.
Dans une forme de réalisation, la barrière de flux 12 est placée devant l’induit 2 de sorte à recouvrir toute la bordure radialement externe 9 des bobines 5. Toutefois, afin de ne pas dégrader la densité de puissance de la machine électrique 1 , au plus 10% de la surface des bordures latérales 11 des bobines 5 de l’induit 2 sont recouvertes par la barrière de flux 12.
La barrière de flux 12 peut être fixée sur l’induit 2 ou sur l’inducteur 3.
De préférence, la barrière de flux 12 est fixée sur une partie tournante (rotor) de la machine électrique 1 , par exemple sur les pastilles supraconductrices 7 et/ou sur la structure porteuse 8 sur laquelle sont montées les pastilles supraconductrices 7. Cette configuration permet en effet d’utiliser une barrière de flux 12 ayant une épaisseur plus grande (de l’ordre de dix à vingt millimètres d’épaisseur) et donc d’améliorer l’écrantage du champ magnétique. En effet, lorsque la barrière de flux 12 est fixée au niveau du rotor, elle peut être monobloc avec les pastilles supraconductrices 7 utilisées pour la modulation du flux. Ces pastilles 7 sont typiquement plus épaisses que la barrière de flux 12 servant à la protection (une bonne qualité d’écrantage étant requise pour la modulation du champ). Cependant, lorsque la barrière de flux 12 et les pastilles 7 sont monobloc, par simplicité de réalisation, elles pourront avoir la même épaisseur. Une conséquence est alors l’amélioration de l’écrantage pour la barrière de flux 12 ‘protectrice’.
En variante, la barrière de flux 12 peut être montée sur le stator, par exemple sur la bobine 6 de l’inducteur 3 ou sur les bobines 5 de l’induit 2. Dans ce cas, l’épaisseur de la barrière de flux 12 peut être inférieure à un millimètre pour ne pas gêner le fonctionnement de la machine électrique 1. En effet, lorsque la barrière de flux 12 est montée sur les bobines 5 de l’induit 2, elle se trouve alors au niveau de l’entrefer de la machine électrique 1. Or, cet entrefer doit être aussi petit que possible car il est directement proportionnel au couple de la machine électrique (et donc à sa puissance). C’est pourquoi dans cette configuration, il est préférable de limiter l’épaisseur de la barrière de flux 12.
Un rayon externe de la barrière de flux 12 est supérieur ou égal à un rayon externe des pastilles supraconductrices 7 afin d’assurer un écrantage efficace du champ magnétique au niveau des bordures radialement externes des bobines 5 de l’induit 2. Par rayon externe de la barrière de flux 12, on comprendra ici le rayon maximal de la barrière de flux 12, mesuré depuis l’axe X de rotation. Par rayon externe des pastilles supraconductrices 7, on comprendra ici le rayon maximal desdites pastilles 7, mesuré depuis l’axe X de rotation.
Ainsi, lorsque la barrière de flux 12 est fixée sur les pastilles supraconductrices 7 ou sur leur structure porteuse 8, ladite barrière de flux 12 s’étend au moins partiellement radialement à l’extérieur des pastilles supraconductrices 7.
La barrière de flux 12 peut s’étendre de manière sensiblement continue autour de l’axe X de rotation. Toutefois, la barrière de flux 12 comprend au moins une discontinuité 13 pour éviter que la barrière de flux 12 n’écrante le champ magnétique au sein des pastilles supraconductrices 7. En effet, en l’absence de discontinuité 13, des boucles de courant seraient susceptibles de se former à la périphérie des pastilles supraconductrices 7, écrantant ainsi le champ magnétique à l’intérieur des pastilles 7, ce qui nuirait au fonctionnement de la machine électrique 1 .
La discontinuité 13 peut être obtenue par la forme même de la barrière de flux 12, qui peut comprendre une pluralité de sections séparées les unes des autres, ou en réalisant une fente 13 dans la barrière de flux 12 (comme illustré sur la figure 3), ladite fente 13 permettant ainsi de casser les boucles de courant. Optionnellement, pour garantir la discontinuité de la barrière de flux 12, une couche isolante 14 peut être placée dans la fente 13 formée dans la barrière de flux 12. L’épaisseur de la fente 13 peut alors être sensiblement égale à l’épaisseur de la couche isolante 14. La couche isolante 14 peut par exemple comprendre un film polyimide tel que du Kapton présentant une épaisseur de 0,025 mm.
La barrière de flux 12 peut présenter une hauteur sensiblement égale à la hauteur de la bordure radialement externe 9 des bobines 5. Par hauteur, on comprendra ici la dimension suivant une direction radiale à l’axe X de rotation.
Dans une première forme de réalisation, la barrière de flux 12 est de forme globalement annulaire. Plus précisément, comme illustré sur les figures 3, 5a et 5b, la barrière de flux 12 peut présenter la forme d’un disque dans lequel est réalisé un orifice traversant de sorte à obtenir une bande annulaire. Comme indiqué plus haut, la bande annulaire 12 peut être sensiblement continue. Le cas échéant, la bande annulaire 12 comprend une fente 13 configurée pour casser les boucles de courant et, optionnellement, une couche isolante 14 placée dans la fente 13 (comme illustré en figure 3).
Dans une deuxième forme de réalisation (figure 2a), lorsqu’elle est fixée sur le rotor, la barrière de flux 12 peut comprendre une série de sections 12a, par exemple des secteurs d’anneau 12a, s’étendant circonférentiellement autour de l’axe X de rotation et équiréparties sur la circonférence.
Chaque secteur d’anneau 12a de la barrière de flux 12 s’étend entre deux pastilles supraconductrices 7 adjacentes.
Chaque secteur d’anneau 12a peut être solidaire d’au moins une pastille supraconductrice 7. Par exemple, chaque secteur d’anneau 12a peut être solidaire des deux pastilles 7 adjacentes. Le cas échéant, chaque secteur d’anneau 12a peut être fabriqué d'une pièce avec au moins une pastille supraconductrice 7 adjacente. Toutefois, comme indiqué ci- avant, une discontinuité 13 doit être ménagée afin de ne pas relier de manière continue toutes les pastilles supraconductrices 7 : le cas échéant, au moins l’un des secteurs d’anneau 12a comprend alors au moins une fente 13 dans laquelle peut éventuellement être insérée une couche isolante 14 comme décrit plus haut, afin d’empêcher la formation de boucles de courant.
Dans cette forme de réalisation, les pastilles supraconductrices 7 peuvent en outre présenter un rayon maximal sensiblement égal au rayon externe de la barrière de flux 12 afin d’assurer un écrantage efficace du champ magnétique au niveau des bordures radialement externes des bobines 5 de l’induit 2. On notera que, dans cette configuration, le rayon maximal des pastilles supraconductrices 7 est plus grand que le rayon maximal conventionnel des pastilles supraconductrices des machines électriques de l’art antérieur, de sorte que la partie radialement externe des pastilles supraconductrices 7 fasse partie de la barrière de flux 12 et recouvre au moins partiellement la bordure radialement externe 9 de toutes les bobines 5 de l’induit 2.
Dans une troisième forme de réalisation illustrée sur les figures 2b et 4a-4c, la barrière de flux 12 comprend un ensemble de sections 12a formant ensemble une couronne qui s’étend sur toute la périphérie de la partie (structure support, pastilles supraconductrices 7, bobine de l’inducteur 3 ou bobines 5 de l’induit 2) de la machine électrique 1 sur laquelle elle est fixée. Les sections 12a de la couronne 12 peuvent présenter toute forme adaptée et sont équiréparties autour de l’axe X de rotation. Par exemple, les sections 12a de la couronne 12 peuvent chacune présenter une forme de secteur d’anneau dont la hauteur est sensiblement égale à la hauteur de la bordure radialement externe 9 des bobines 5.
Au moins une discontinuité 13 est ménagée dans la barrière de flux 12 afin de ne pas relier de manière continue toutes les sections 12a. Par exemple, au moins l’une des sections 12a de la couronne 12 comprend au moins une fente 13 dans laquelle peut éventuellement être insérée une couche isolante 14 comme décrit plus haut, afin d’empêcher la formation de boucles de courant. En variante, les sections 12a de la couronne 12 peuvent être séparées deux à deux, le cas échéant avec interposition d’une couche isolante 14 entre deux sections 12a adjacentes.
Optionnellement, afin d’améliorer encore la protection de l’induit et la densité de puissance de la machine électrique 1 , la machine électrique 1 comprend une barrière de flux 12’ supplémentaire s’étendant circonférentiellement par rapport à l’axe X, entre les pastilles supraconductrices 7 et l’induit 2 de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement interne 10 de tout ou partie des bobines 5 de l’induit 2 (voir par exemple figure 6). En d’autres termes, la barrière de flux 12’ supplémentaire est positionnée de sorte à masquer la bordure radialement interne 10 des bobines 5. En effet, les forces au niveau de la bordure radialement interne 10 (ou pied) des bobines 5 ne produisent pas non plus de couple. Grâce à la barrière de flux 12’ supplémentaire, le champ magnétique est alors écranté au niveau de la bordure radialement interne 10 des bobines 5 et redirigé de l’induit 2 vers les régions actives de la machine électrique 1 , c’est-à-dire radialement en direction des bordures latérales 11 et de la bordure radialement externe 9 des bobines 5, ce qui permet d’augmenter la densité de puissance de la machine électrique 1 et de protéger la bordure radialement interne 10 des déformations.
La barrière de flux supplémentaire 12’ peut présenter les mêmes configurations (montée sur l’induit ou l’inducteur, sur la partie rotor ou la partie stator ; forme annulaire (première forme de réalisation) ou en secteur d’anneaux (deuxième ou troisième forme de réalisation) ; etc.), les mêmes matériaux constitutifs et la même épaisseur que la barrière de flux 12, à l’exception du fait qu’elle est positionnée devant la bordure radialement interne 10 des bobines 5 et non devant la bordure radialement externe 9. Ainsi, la barrière de flux supplémentaire 12’ est placée devant l’induit 2 de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement interne 10 de toutes les bobines 5 de l’induit 2.
La barrière de flux supplémentaire 12’ peut présenter une hauteur sensiblement égale à la hauteur de la bordure radialement interne 10 des bobines 5.
On notera qu’une machine électrique 1 (à flux axial ou radial) peut comprendre l’une au moins parmi la barrière de flux 12 recouvrant au moins partiellement la bordure radialement externe 9 des bobines 5 et la barrière de flux supplémentaire 12’ recouvrant au moins partiellement la bordure radialement interne 10 des bobines 5.
Par ailleurs, dans le cas d'une machine axiale comme illustré sur la figure 6, et contrairement à la barrière de flux 12 placée au niveau de la bordure radialement externe 9, la barrière de flux supplémentaire 12’ peut être continue sur toute sa circonférence. En effet, la formation de boucles de courant dans la barrière de flux supplémentaire 12’ dans ce type de machine électrique 1 n’a pas pour conséquence d’écranter des zones utiles à la génération du couple de la machine électrique 1. On notera toutefois que la présence de discontinuités dans la barrière de flux supplémentaire 12’ ne gêne pas son fonctionnement.
Procédé de fabrication
La barrière de flux 12 (et/ou, le cas échéant, la barrière de flux supplémentaire 12’) peut être obtenue par croissance de germes ou par empilement de rubans.
Lorsque la barrière de flux 12, 12’ est obtenue par croissance de germes, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :
- réalisation d’une pièce type pastille conventionnelle, en forme de disque ou de rectangle par croissance de germes selon la forme finale la plus approchante de la barrière de flux 12 ;
- usinage de la pièce ainsi obtenue de sorte à obtenir la forme finale de la barrière de flux 12.
Dans le cas d’une barrière de flux 12, 12’ du type bande annulaire (figure 3), la pièce obtenue par croissance de germes a de préférence la forme d’un disque et l’étape d’usinage consiste à réaliser un orifice central traversant dans le disque de sorte de sorte à obtenir la bande.
Dans le cas d’une barrière de flux 12, 12’ du type couronne comprenant une pluralité de secteurs jointifs, la pièce obtenue par croissance de germes peut également avoir la forme d’un disque et l’étape d’usinage consiste à réaliser un orifice central traversant dans le disque et à former les différentes sections de la couronne. Dans le cas d’une barrière de flux 12, 12’ comprenant plusieurs secteurs d’anneaux distincts, la pièce obtenue par croissance de germes peut avoir la forme d’un disque ou d’un rectangle et l’étape d’usinage consiste à réaliser les portions de cercle coaxiaux et les deux segments de droite qui les relient pour obtenir le secteur d’anneau.
Lorsque la barrière de flux 12, 12’ est obtenue par empilement de rubans, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : prédécoupage des rubans suivant la forme (bande annulaire, couronne, secteurs d’anneaux) de la barrière de flux 12, 12’ ; empilement des rubans ainsi prédécoupés de manière conventionnelle pour obtenir la barrière de flux 12, 12’ ; et optionnellement, usinage de la pastille supraconductrice 7 ainsi obtenue. optionnellement, lorsque la barrière de flux 12 est continue sur sa circonférence, usinage d’une ou de plusieurs fentes 13 et, le cas échéant, insertion d’une couche isolante 14 telle que décrite ci-avant.
Le cas échéant, lorsque la barrière de flux 12 est fixée sur les pastilles supraconductrices 7, la barrière de flux 12 et les pastilles supraconductrices 7 peuvent être formées intégralement et en une seule pièce. En d’autres termes, la barrière de flux 12 et les pastilles supraconductrices 7 peuvent être fabriquées simultanément par croissance de germes ou par empilement de rubans. L’épaisseur de la barrière de flux 12 est alors égale à l’épaisseur des pastilles supraconductrices 7 (généralement, de l’ordre de dix à vingt millimètres).
On notera que, lorsque la barrière de flux 12 est fixée sur le stator, la barrière de flux 12 est de préférence réalisée par empilement de rubans afin de pouvoir obtenir des épaisseurs inférieures à un millimètre.
Application aux machines électriques à flux radial
Dans le cas d’une machine supraconductrice à flux radial (voir par exemple les figures 4b, 4c et 5b), l’inducteur 3 comporte une bobine supraconductrice avant 6 et une bobine supraconductrice arrière 6’ qui sont annulaires et coaxiales à l’axe de rotation X et des pastilles supraconductrices 7 montées sur une structure porteuse 8 qui sont disposées circonférentiellement par rapport à l’axe X. L’induit 2 quant à lui comprend un agencement de bobines 5 disposées circonférentiellement par rapport à l’axe X, radialement à l’extérieur des pastilles supraconductrices 7.
Les bobines 5 de l’induit 2 peuvent chacune présenter une forme sensiblement rectangulaire dont un plus grand côté s’étend parallèlement à l’axe X du rotor. Les bobines 5 sont assemblées bord à bord le long de leur plus grand côté de sorte à définir un ensemble sensiblement cylindrique autour de l’axe X de rotation.
L’invention décrite ci-avant s’applique alors mutatis mutandis aux bobines 5 de l’induit 2 d’une machine électrique 1 à flux radial. La bordure radialement externe 9 des bobines 5 correspond alors à la bordure des bobines 5 (petit côté du rectangle) qui est adjacente à la bobine supraconductrice avant 6 tandis que la bordure radialement interne 10 correspond à la bordure des bobines 5 qui est opposée à la bordure radialement externe 9 et qui est adjacente à la bobine supraconductrice arrière 6’. Les bordures latérales 11 correspondent quant à elles aux grands côtés du rectangle. En particulier, la ou les barrières de flux 12, 12’ peuvent être placée radialement à l’intérieur de l’induit 2 de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement externe 9 et/ou interne 10 de toutes les bobines 5 de l’induit 2. La machine électrique 1 peut donc comprendre une barrière de flux 12 au niveau des bordures radialement externes 9 des bobines 5 et/ou une barrière de flux 12’ au niveau des bordures radialement internes 10. Par ailleurs, la ou les barrières de flux 12, 12’ peuvent être fixées sur l’induit 2 ou sur l’inducteur 3, c’est-à-dire montées radialement à l’intérieur de la ou des bobines 6, 6’ de l’inducteur 3 (figure 5b), sur les bobines 5 de l’induit 2 ou sur les pastilles supraconductrices 7, comme illustré en figures 4b et 4c. Les barrières de flux 12, 12’ peuvent en outre présenter l’une quelconque des formes décrites ci-avant et comprendre au moins une discontinuité 13 pour éviter que la barrière de flux 12 n’écrante le champ magnétique au sein des pastilles supraconductrices 7.
La machine électrique 1 peut notamment être utilisée dans un aéronef 100.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Machine électrique (1 ) supraconductrice comprenant un inducteur (3) comprenant des pastilles supraconductrice (7) réparties circonférentiellement autour d’un axe (X) de la machine électrique (1 ) et un induit (2) comprenant des bobines (5), chaque bobine (5) présentant une bordure radialement interne (10) et une bordure radialement externe (9), la bordure radialement interne (10) et la bordure radialement externe (9) s’étendant suivant une direction circonférentielle par rapport à l’axe (X), la machine électrique (1 ) étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre au moins une barrière de flux (12, 12’) s’étendant circonférentiellement par rapport à l’axe (X), chaque barrière de flux (12) s’étendant entre les pastilles supraconductrices (7) et l’induit (2) de sorte à recouvrir au moins partiellement l’une au moins parmi la bordure radialement externe (9) et la bordure radialement interne (10) de tout ou partie des bobines (5) de l’induit (2).
2. Machine électrique (1 ) selon la revendication 1 , dans laquelle la barrière de flux (12, 12’) recouvre au moins partiellement l’une au moins parmi la bordure radialement externe (9) et la bordure radialement interne (10) de toutes les bobines (5) de l’induit (2).
3. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la barrière de flux (12, 12’) recouvre toute la bordure radialement externe (9) et/ou toute la bordure radialement interne (10) de tout ou partie des bobines (5) de l’induit (2).
4. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque bobine (5) présente en outre des bordures latérales (11 ) connectant la bordure radialement interne (10) et la bordure radialement externe (9), la barrière de flux (12, 12’) recouvrant au plus 10% des bordures latérales (11 ).
5. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle la barrière de flux (12, 12’) est discontinue et comprend au moins une fente (13) s’étendant suivant une direction sensiblement radiale par rapport à l’axe (X).
6. Machine électrique (1 ) selon la revendication 5, comprenant en outre une couche isolante (14) logée dans la fente (13).
7. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle la barrière de flux (12’) recouvre au moins partiellement la bordure radialement interne (10), ladite barrière de flux (12’) pouvant être continue sur toute sa circonférence dans le cas d’une machine électrique (1 ) flux axial.
8. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle la barrière de flux (12, 12’) présente une forme annulaire.
9. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle la barrière de flux (12, 12’) comprend une série de secteurs d’anneau (12a), chaque secteur d’anneau (12a) s’étendant entre deux pastilles supraconductrices (7).
10. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 9, dans laquelle la barrière de flux (12, 12’) est fixée sur l’induit (2) ou sur l’inducteur (3).
11. Machine électrique (1 ) selon la revendication 10, dans laquelle la barrière de flux (12) est solidaire des pastilles supraconductrices (7).
12. Machine électrique (1 ) selon la revendication 10, dans laquelle l’inducteur (3) comprend en outre une bobine (6, 6’) coaxiale à l’axe (X) s’étendant radialement autour des pastilles supraconductrices (7), la barrière de flux (12) étant fixée sur une face radiale interne de la bobine (5) de l’inducteur (3).
13. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 12, dans laquelle un rayon externe de la barrière de flux (12) est supérieur ou égal à un rayon externe des pastilles supraconductrices (7).
14. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 13, comprenant une barrière de flux (12) recouvrant au moins partiellement la bordure radialement externe (9) de tout ou partie des bobines (5) de l’induit (2) et une barrière de flux supplémentaire (12’) s’étendant circonférentiellement par rapport à l’axe (X), ladite barrière de flux supplémentaire (12’) s’étendant entre les pastilles supraconductrices (7) et l’induit (2) de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement interne (10) de tout ou partie des bobines (5) de l’induit (2).
15. Aéronef (100) comprenant une machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 14.
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