WO2023105160A1 - Electric machine comprising a de-energising valve - Google Patents

Electric machine comprising a de-energising valve Download PDF

Info

Publication number
WO2023105160A1
WO2023105160A1 PCT/FR2022/052267 FR2022052267W WO2023105160A1 WO 2023105160 A1 WO2023105160 A1 WO 2023105160A1 FR 2022052267 W FR2022052267 W FR 2022052267W WO 2023105160 A1 WO2023105160 A1 WO 2023105160A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
stator
vacuum chamber
superconducting
valve
Prior art date
Application number
PCT/FR2022/052267
Other languages
French (fr)
Inventor
Sabrina Siham AYAT
Rémi Luc Stéphane DORGET
Rémy BIAUJAUD
Original Assignee
Safran
Universite De Lorraine
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran, Universite De Lorraine filed Critical Safran
Publication of WO2023105160A1 publication Critical patent/WO2023105160A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • 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
    • 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
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/06—Machines characterised by the presence of fail safe, back up, redundant or other similar emergency arrangements

Definitions

  • TITLE Electrical machine with de-excitation valve
  • the present invention relates to the de-excitation of superconducting electrical machines.
  • Propulsion systems for electric or hybrid aircraft require the use of electric motors capable of competing with, or even exceeding, the performance of internal combustion engines.
  • Electrical machines intended for the propulsion of electric aircraft are characterized by electrical power densities greater than about 20 kW per kg.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a superconducting electrical machine 1 with flux barriers and axial flux without magnetic core, also called without iron, has been represented in figure 1.
  • Figure 1 illustrates in particular the rotor and stator of such an electric machine 1.
  • the electric machine 1 comprises a stator 2 comprising an annular superconducting inductor 3 as well as one or more arrangements 5 of electromagnetic coils 6 forming an armature, the inductor 3 being coaxial with the arrangements 5 of electromagnetic coils 6. More precisely, the stator 2 comprises a part of the inductor 3. In particular, the part of the inductor 3 included in the stator 2 comprises for example a superconducting DC coil.
  • the electric machine also comprises a rotor 7 comprising superconducting pads 8 arranged radially inside the annular inductor and rotating with respect to the stator 2.
  • the inductor 3 therefore comprises a superconducting DC coil 3 placed at the stator 2 and superconducting pellets 8 placed in the rotor 7.
  • the axis of rotation of the rotor corresponds to the axis of the axial flow of the electric machine 1.
  • the superconducting pellets 8 are cooled, with helium, nitrogen or hydrogen for example, and realize the variation of the magnetic field thanks to the diamagnetic response of the superconducting pellets 8.
  • the superconducting pads 8 have for example a circular shape or a section annular, the latter shape improving the power density of the electric machine.
  • FIG. 1 corresponds to an axial flux machine comprising a rotor 7 flanked by two stators 2.
  • a set of pellets 8 is flanked on either side by an arrangement 5 of coils electromagnetic 6.
  • an arrangement 5 of electromagnetic coils is flanked on either side by a set of superconducting pads 8.
  • a mechanical solution consists in segmenting a shaft of the machine in such a way as to prevent drive-in in the event of a breakdown, which however leads to the destruction of the shaft of the machine.
  • An electromagnetic solution is to turn off magnetic field sources, for example magnets or electromagnets.
  • the object of the present invention is therefore to overcome the aforementioned drawbacks and to facilitate rapid and reliable de-energization of an electrical machine, for example during a breakdown.
  • the subject of the present invention is an electric machine comprising a rotor, a stator, and a vacuum enclosure, the rotor and/or the stator comprising a superconducting material, the rotor and/or the stator which comprises the superconducting material being placed in the 'vacuum enclosure, the electric machine further comprising a system for cooling the rotor and/or the stator placed in the vacuum enclosure, and a valve placed through a peripheral wall of the vacuum enclosure.
  • the opening of the valve makes it possible to connect the interior of the vacuum enclosure with the exterior in order to rapidly increase the internal temperature of the enclosure and to eliminate the superconducting effects of the material. superconductor. Indeed, the thermal insulation provided by the vacuum is broken and heat transfers by convection take place between the air and the rotor and/or the stator.
  • the vacuum chamber is placed in an environment comprising air whose temperature is at least 5 Kelvin higher than the temperature of the rotor and/or of the stator placed in the vacuum chamber.
  • the electric machine further comprises a solenoid valve controlling the opening and closing of the valve according to a setpoint.
  • the vacuum chamber includes a temperature sensor.
  • the stator includes an annular inductor and an armature including at least one arrangement of electromagnetic coils, and wherein the rotor includes superconducting pads mounted radially within the inductor.
  • another subject of the invention is an aircraft comprising at least one turbomachine as defined above.
  • FIG 1 which has already been mentioned, illustrates schematically and in exploded view the rotor and stator of an electrical machine with flux barriers according to the state of the art
  • FIG 2 schematically illustrates an embodiment of an electric machine according to the invention.
  • the rotor 7 and the stator 2 each comprise an element made of superconducting material.
  • the stator 2 comprises for example a superconducting annular inductor 3 and an armature comprising at least one arrangement 5 of electromagnetic coils 6.
  • the rotor 7 comprises for example superconducting pads 8 mounted radially inside the inductor 3 of the stator 2.
  • the rotor 7 and the stator 2 are placed within the vacuum enclosure 10 and the vacuum enclosure 10 is connected to the cooling system 11.
  • the electric machine 1 places the enclosure vacuum 10 under vacuum and cools the rotor 7 and the stator 2 using the cooling system 11 in order to promote the superconducting behaviors of the stator 2 and the rotor 7.
  • valve 12 makes it possible to keep the vacuum chamber 10 airtight. In its open position, the valve 12 creates a communication between the inside and the outside of the vacuum chamber 10.
  • the valve 12 During operation of the electric machine 1, the valve 12 is in the closed position. If it is desired to de-energize the electric machine 1, for example if a fault is detected, the valve 12 is opened. The vacuum from the vacuum vessel 10 creates a suction and the air outside the vacuum vessel 10 enters the vacuum vessel 10 and increases the internal temperature of the rotor and stator in the vacuum vessel 10 by due to the loss of thermal insulation provided by the vacuum.
  • the vacuum chamber 10 is preferably placed in an environment comprising air whose temperature is at least 5 Kelvin higher than the internal temperature of the vacuum chamber 10 when the latter is cooled. In this way, the opening of the valve 12 ensures an increase in the internal temperature of the vacuum chamber 10.
  • the valve 10 is for example kept open for the time necessary for the temperature to increase.
  • the vacuum enclosure 10 comprises for example a temperature sensor 15, for example a thermocouple, in order to supply the temperature information to a remote computer 16 controlling the de-energization of the electric machine 1.
  • the temperature sensor temperature is placed on the rotor and/or the stator, so as to precisely measure their temperature.
  • the electric machine 1 comprises a solenoid valve 17 controlling the opening and closing of the valve 12.
  • the solenoid valve 17 is for example controlled by an instruction sent from the remote computer 16.
  • the remote computer 16 implements a method of de-energizing the electric machine 1 by implementing a first step 21 of detecting a fault in the electric machine 1.
  • the fault may come from a mechanical or electrical problem.
  • a step 22 of opening the valve 12 is performed for the time that the internal temperature of the vacuum chamber 10 increases beyond a predefined temperature threshold. For example, an operator predetermines in the remote computer 16 a temperature at which the superconducting materials no longer have any effect.
  • the temperature sensor 15 measures the temperature and sends it to the remote computer 16.
  • a step 23 of stopping the cooling system 11 is carried out in parallel with the opening of the valve 12 in order to accelerate the increase in the internal temperature of the vacuum chamber 10.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)
  • Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)

Abstract

The invention relates to an electric machine that comprises a rotor (7), a stator (2), and a vacuum chamber (10), the rotor (7) and/or the stator (2) comprising a superconducting material, the rotor (7) and/or the stator (2) that comprises the superconducting material being placed in the vacuum chamber (10). The electric machine further comprises a cooling system (11), placed in the vacuum chamber (10), for cooling the rotor and/or the stator, and a valve (12) passing through a peripheral wall (13) of the vacuum chamber (10).

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION
TITRE : Machine électrique à soupape de désexcitation TITLE: Electrical machine with de-excitation valve
Domaine technique Technical area
La présente invention concerne la désexcitation de machines électriques supraconductrices. The present invention relates to the de-excitation of superconducting electrical machines.
La présente invention est applicable à des machines électriques entièrement ou partiellement supraconductrices, dans des configurations dans lesquelles l’ induit ou l’ inducteur seul pouvant (peut) être supraconducteur. The present invention is applicable to entirely or partially superconducting electrical machines, in configurations in which the armature or the inductor alone can (can) be superconductive.
Une application particulièrement intéressante de l’ invention concerne les turbomachines destinées à l’ alimentation de réseaux de bord d’ aéronefs en énergie électrique. A particularly interesting application of the invention relates to turbomachines intended for supplying electrical energy to aircraft on-board networks.
Techniques antérieures Prior techniques
Les systèmes de propulsion pour aéronef électrique ou hybride nécessitent l’utilisation de moteurs électriques capables de rivaliser avec, voire dépasser, les performances des moteurs thermiques. Propulsion systems for electric or hybrid aircraft require the use of electric motors capable of competing with, or even exceeding, the performance of internal combustion engines.
Les machines électriques destinées à la propulsion des avions électriques sont caractérisées par des densités de puissance électrique supérieures à environ 20kW par kg . Electrical machines intended for the propulsion of electric aircraft are characterized by electrical power densities greater than about 20 kW per kg.
Dans ce contexte, l’utilisation de machines les plus efficaces possible est avantageuse pour pouvoir atteindre ces niveaux de densité de puissance. In this context, the use of the most efficient machines possible is advantageous in order to be able to achieve these levels of power density.
L’utilisation de machines supraconductrices permet en premier lieu d’ obtenir une bonne efficacité. The use of superconducting machines makes it possible in the first place to obtain good efficiency.
En effet, lorsqu’ ils sont refroidis à une température inférieure à leur température critique, les matériaux supraconducteurs ont une résistivité nulle, qui permet une circulation des courants continus sans pertes. Indeed, when they are cooled to a temperature below their critical temperature, superconducting materials have zero resistivity, which allows direct currents to circulate without losses.
A cette température, ils présentent également une réponse diamagnétique pour toute variation du champ magnétique. Ce comportement est analogue à celui d’une barrière de champ magnétique. L’ absence de résistivité des matériaux supraconducteurs à une température inférieure à leur température critique permet donc d’ augmenter la densité de courant circulant dans les conducteurs. At this temperature, they also exhibit a diamagnetic response to any change in the magnetic field. This behavior is analogous to that of a magnetic field barrier. The absence of resistivity of superconducting materials at a temperature below their critical temperature therefore makes it possible to increase the current density flowing in the conductors.
En effet, l’ absence de pertes par effet Joule dans les conducteurs supraconducteurs permet d’éviter une augmentation linéaire des besoins en refroidissement avec l’ augmentation de la puissance des moteurs électriques supraconducteurs. Il reste néanmoins nécessaire de les refroidir à des températures inférieures à leurs températures critiques, typiquement inférieures à 100 Kelvin voire 150 Kelvin. Indeed, the absence of losses by Joule effect in the superconducting conductors makes it possible to avoid a linear increase in the needs in cooling with the increase in the power of the superconducting electric motors. It is nevertheless necessary to cool them to temperatures below their critical temperatures, typically below 100 Kelvin or even 150 Kelvin.
On a représenté sur la figure 1 un exemple de mode de réalisation d’une machine électrique 1 supraconductrice à barrières de flux et à flux axial sans noyau magnétique, également appelée sans fer. La figure 1 illustre en particulier les rotor et stator d’une telle machine électrique 1. An exemplary embodiment of a superconducting electrical machine 1 with flux barriers and axial flux without magnetic core, also called without iron, has been represented in figure 1. Figure 1 illustrates in particular the rotor and stator of such an electric machine 1.
La machine électrique 1 comprend un stator 2 comprenant un inducteur 3 supraconducteur annulaire ainsi qu’un ou plusieurs agencements 5 de bobines électromagnétiques 6 formant un induit, l’ inducteur 3 étant coaxial aux agencements 5 de bobines électromagnétiques 6. Plus précisément, le stator 2 comprend une partie de l’ inducteur 3. En particulier, la partie de l’ inducteur 3 comprise dans le stator 2 comprend par exemple une bobine supraconductrice à courant continu. The electric machine 1 comprises a stator 2 comprising an annular superconducting inductor 3 as well as one or more arrangements 5 of electromagnetic coils 6 forming an armature, the inductor 3 being coaxial with the arrangements 5 of electromagnetic coils 6. More precisely, the stator 2 comprises a part of the inductor 3. In particular, the part of the inductor 3 included in the stator 2 comprises for example a superconducting DC coil.
La machine électrique comprend également un rotor 7 comprenant des pastilles 8 supraconductrices disposées radialement à l’ intérieur de l’inducteur annulaire et rotatives par rapport au stator 2. L’inducteur 3 comprend donc une bobine supraconductrice à courant continu 3 placée au stator 2 et des pastilles 8 supraconductrices placées au rotor 7. L’ axe de rotation du rotor correspond à l’ axe du flux axial de la machine électrique 1. Les pastilles 8 supraconductrices sont refroidies, à l’hélium, à l’ azote ou à l’hydrogène par exemple, et réalisent la variation du champ magnétique grâce à la réponse diamagnétique des pastilles 8 supraconductrices. Les pastilles 8 supraconductrices ont par exemple une forme circulaire ou de section annulaire, cette dernière forme améliorant la densité de puissance de la machine électrique. The electric machine also comprises a rotor 7 comprising superconducting pads 8 arranged radially inside the annular inductor and rotating with respect to the stator 2. The inductor 3 therefore comprises a superconducting DC coil 3 placed at the stator 2 and superconducting pellets 8 placed in the rotor 7. The axis of rotation of the rotor corresponds to the axis of the axial flow of the electric machine 1. The superconducting pellets 8 are cooled, with helium, nitrogen or hydrogen for example, and realize the variation of the magnetic field thanks to the diamagnetic response of the superconducting pellets 8. The superconducting pads 8 have for example a circular shape or a section annular, the latter shape improving the power density of the electric machine.
L'exemple plus particulièrement illustré à la figure 1 correspond à une machine à flux axial comportant un rotor 7 encadré par deux stators 2. Dans ce cas, un ensemble de pastilles 8 est encadré de part et d'autre par un agencement 5 de bobines électromagnétiques 6. En variante, on pourrait également avoir un stator encadré par deux rotors. Dans cette variante, un agencement 5 de bobines électromagnétiques est encadré de part et d'autre par un ensemble de pastilles supraconductrices 8. The example more particularly illustrated in FIG. 1 corresponds to an axial flux machine comprising a rotor 7 flanked by two stators 2. In this case, a set of pellets 8 is flanked on either side by an arrangement 5 of coils electromagnetic 6. As a variant, one could also have a stator framed by two rotors. In this variant, an arrangement 5 of electromagnetic coils is flanked on either side by a set of superconducting pads 8.
Dans un mode de fonctionnement en générateur, l’inducteur 3 crée un champ magnétique intense, les pastilles 8 supraconductrices provoquent la variation de ce champ magnétique, et les bobines électromagnétiques 6 sont exposées au champ magnétique variable créé par la rotation du rotor 7. Une force électromotrice est ainsi générée selon la loi de Faraday. In a generator operating mode, the inductor 3 creates an intense magnetic field, the superconducting pads 8 cause the variation of this magnetic field, and the electromagnetic coils 6 are exposed to the variable magnetic field created by the rotation of the rotor 7. A electromotive force is thus generated according to Faraday's law.
Dans le contexte de l’ aviation, la gestion des pannes au sein des machines électriques est primordiale afin de garantir la fiabilité globale des aéronefs. En cas de panne, il est impératif de limiter l’impact de celle-ci. Par exemple, une machine électrique génératrice défectueuse poursuivant sa rotation peut perturber les systèmes environnants en y injectant des courants ou tensions non désirés et non contrôlés. In the context of aviation, the management of breakdowns within electrical machines is essential in order to guarantee the overall reliability of aircraft. In the event of a breakdown, it is imperative to limit its impact. For example, a faulty generating electrical machine continuing to rotate can disrupt surrounding systems by injecting unwanted and uncontrolled currents or voltages into them.
Des solutions existent pour limiter l’ impact d’une panne de machine électrique. Une solution mécanique consiste à segmenter un arbre de la machine de façon à empêcher un entraînement en cas de panne, ce qui entraîne cependant la destruction de l’ arbre de la machine. Une solution électromagnétique consiste à éteindre les sources de champ magnétique, par exemple les aimants ou les électroaimants . Solutions exist to limit the impact of an electrical machine breakdown. A mechanical solution consists in segmenting a shaft of the machine in such a way as to prevent drive-in in the event of a breakdown, which however leads to the destruction of the shaft of the machine. An electromagnetic solution is to turn off magnetic field sources, for example magnets or electromagnets.
Cependant, ces solutions ne sont pas directement applicables aux machines électriques supraconductrices qui nécessitent usuellement une isolation par le vide et un refroidissement. En effet, les importants champs magnétiques mis en œuvre dans les machines supraconductrices complexifient leur démagnétisation. Exposé de l’invention However, these solutions are not directly applicable to superconducting electrical machines which usually require vacuum insulation and cooling. Indeed, the large magnetic fields implemented in superconducting machines complicate their demagnetization. Disclosure of Invention
La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de faciliter une désexcitation rapide et fiable d’une machine électrique, par exemple au cours d’une panne. The object of the present invention is therefore to overcome the aforementioned drawbacks and to facilitate rapid and reliable de-energization of an electrical machine, for example during a breakdown.
La présente invention a pour objet une machine électrique comprenant un rotor, un stator, et une enceinte à vide, le rotor et/ou le stator comprenant un matériau supraconducteur, le rotor et/ou le stator qui comprend le matériau supraconducteur étant placé dans l’ enceinte à vide, la machine électrique comprenant en outre un système de refroidissement du rotor et/ou du stator placé dans l’enceinte à vide, et une soupape placée au travers d’une paroi périphérique de l’ enceinte à vide. The subject of the present invention is an electric machine comprising a rotor, a stator, and a vacuum enclosure, the rotor and/or the stator comprising a superconducting material, the rotor and/or the stator which comprises the superconducting material being placed in the 'vacuum enclosure, the electric machine further comprising a system for cooling the rotor and/or the stator placed in the vacuum enclosure, and a valve placed through a peripheral wall of the vacuum enclosure.
Ainsi, lors d’une panne, l’ ouverture de la soupape permet de relier l’intérieur de l’enceinte à vide avec l’ extérieur afin d’ augmenter rapidement la température interne de l’ enceinte et de supprimer les effets supraconducteurs du matériau supraconducteur. En effet, l’ isolation thermique assurée par le vide est rompue et des transferts de chaleur par convection ont lieu entre l’ air et le rotor et/ou le stator. Thus, during a breakdown, the opening of the valve makes it possible to connect the interior of the vacuum enclosure with the exterior in order to rapidly increase the internal temperature of the enclosure and to eliminate the superconducting effects of the material. superconductor. Indeed, the thermal insulation provided by the vacuum is broken and heat transfers by convection take place between the air and the rotor and/or the stator.
Avantageusement, l’enceinte à vide est placée dans un environnement comprenant de l’ air dont la température est au moins de 5 Kelvin supérieure à la température du rotor et/ou du stator placé dans l’ enceinte à vide. Advantageously, the vacuum chamber is placed in an environment comprising air whose temperature is at least 5 Kelvin higher than the temperature of the rotor and/or of the stator placed in the vacuum chamber.
Dans un mode de réalisation, la machine électrique comprend en outre une électrovanne contrôlant l’ ouverture et la fermeture de la soupape en fonction d’une consigne. In one embodiment, the electric machine further comprises a solenoid valve controlling the opening and closing of the valve according to a setpoint.
Avantageusement, l’ enceinte à vide comprend un capteur de température. Advantageously, the vacuum chamber includes a temperature sensor.
Dans un mode de réalisation, le stator comprend un inducteur annulaire et un induit comprenant au moins un agencement de bobines électromagnétiques, et dans laquelle le rotor comprend des pastilles supraconductrices montées radialement à l’intérieur de l’ inducteur. In one embodiment, the stator includes an annular inductor and an armature including at least one arrangement of electromagnetic coils, and wherein the rotor includes superconducting pads mounted radially within the inductor.
Avantageusement, l’inducteur est réalisé en matériau supraconducteur. L’ invention a également pour objet une turbomachine comprenant au moins une machine électrique telle que définie précédemment. Advantageously, the inductor is made of superconducting material. The invention also relates to a turbomachine comprising at least one electric machine as defined above.
En outre, l’invention a encore pour objet un aéronef comprenant au moins une turbomachine telle que définie précédemment. In addition, another subject of the invention is an aircraft comprising at least one turbomachine as defined above.
L’ invention a enfin pour objet un procédé de désexcitation d’une machine électrique telle que définie précédemment, le procédé comprenant les étapes suivantes : Finally, the subject of the invention is a method for de-energizing an electrical machine as defined above, the method comprising the following steps:
Détection d’une panne dans la machine électrique ; etDetection of a breakdown in the electrical machine; And
Ouverture de la soupape jusqu’ à augmentation de la température du rotor et/ou du stator placé dans l’enceinte à vide au-delà d’un seuil de température prédéfini pour lequel le matériau supraconducteur n’ a plus d’ effet supraconducteur. Opening of the valve until the temperature of the rotor and/or the stator placed in the vacuum chamber increases above a predefined temperature threshold for which the superconducting material no longer has a superconducting effect.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
D’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’ invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’ exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : Other aims, characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description, given solely by way of non-limiting example, and made with reference to the appended drawings in which:
[Fig 1 ] dont il a déj à été fait mention, illustre schématiquement et en vue éclatée les rotor et stator d’une machine électrique à barrières de flux selon l’ état de la technique ; [Fig 1] which has already been mentioned, illustrates schematically and in exploded view the rotor and stator of an electrical machine with flux barriers according to the state of the art;
[Fig 2] illustre schématiquement un mode de réalisation d’une machine électrique selon l’ invention ; et [Fig 2] schematically illustrates an embodiment of an electric machine according to the invention; And
[Fig 3] illustre les étapes du procédé selon l’ invention. [Fig 3] illustrates the steps of the method according to the invention.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation Detailed description of at least one embodiment
On a représenté schématiquement sur la figure 2 un schéma simplifié d’un mode de réalisation d’une machine électrique 1. There is shown schematically in Figure 2 a simplified diagram of an embodiment of an electrical machine 1.
Les rotor 7 et stator 2 visibles sur la figure 1 représentent un mode de réalisation particulier de rotor 7 et stator 2 de la machine électrique 1 illustrée à la figure 2. Toute autre machine supraconductrice ou tout autre agencement de rotor et de stator peut également convenir. Ladite machine électrique 1 comprend donc un rotor 7, un stator 2, une enceinte à vide 10 et un système de refroidissement 11. The rotor 7 and stator 2 visible in FIG. 1 represent a particular embodiment of rotor 7 and stator 2 of the electric machine 1 illustrated in FIG. 2. Any other superconducting machine or any other arrangement of rotor and stator may also be suitable. . Said electrical machine 1 therefore comprises a rotor 7, a stator 2, a vacuum chamber 10 and a cooling system 11.
Dans ce mode de réalisation le rotor 7 et le stator 2 comprennent chacun un élément en matériau supraconducteur. In this embodiment the rotor 7 and the stator 2 each comprise an element made of superconducting material.
Comme illustré à la figure 1 , le stator 2 comprend par exemple un inducteur 3 annulaire supraconducteur et un induit comprenant au moins un agencement 5 de bobines électromagnétiques 6. As illustrated in FIG. 1, the stator 2 comprises for example a superconducting annular inductor 3 and an armature comprising at least one arrangement 5 of electromagnetic coils 6.
Le rotor 7 comprend par exemple des pastilles supraconductrices 8 montées radialement à l’ intérieur de l’inducteur 3 du stator 2. The rotor 7 comprises for example superconducting pads 8 mounted radially inside the inductor 3 of the stator 2.
Dans ce mode de réalisation, le rotor 7 et le stator 2 sont placés au sein de l’ enceinte à vide 10 et l’ enceinte à vide 10 est reliée au système de refroidissement 11. En fonctionnement, la machine électrique 1 place l’ enceinte à vide 10 sous vide et refroidit le rotor 7 et le stator 2 à l’ aide du système de refroidissement 11 afin de favoriser les comportements supraconducteurs du stator 2 et du rotor 7. In this embodiment, the rotor 7 and the stator 2 are placed within the vacuum enclosure 10 and the vacuum enclosure 10 is connected to the cooling system 11. In operation, the electric machine 1 places the enclosure vacuum 10 under vacuum and cools the rotor 7 and the stator 2 using the cooling system 11 in order to promote the superconducting behaviors of the stator 2 and the rotor 7.
Dans un autre mode de réalisation, seul le rotor 7 comprend un élément supraconducteur. Dans ce mode de réalisation, seul le rotor 7 est placé dans l’ enceinte à vide 10 et seul le rotor 7 est refroidi. In another embodiment, only the rotor 7 comprises a superconducting element. In this embodiment, only the rotor 7 is placed in the vacuum chamber 10 and only the rotor 7 is cooled.
A l’inverse, dans un dernier mode de réalisation, seul le stator 2 comprend un élément supraconducteur et seul le stator 2 est placé dans l’enceinte à vide 10 pour être refroidi. Conversely, in a last embodiment, only the stator 2 comprises a superconducting element and only the stator 2 is placed in the vacuum enclosure 10 to be cooled.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 2, la machine électrique 1 comprend une soupape 12 placée au travers d’une paroi 13 de l’ enceinte à vide 10. En particulier, la paroi 13 de l’ enceinte à vide 10 est perforée afin de pouvoir y introduire la soupape 12. La soupape 12 peut ainsi être introduite dans des enceintes à vides pour machines électriques déj à existantes, de manière simple et à faible coût. La soupape 12 peut atteindre une position ouverte et une position fermée. In the embodiment illustrated in Figure 2, the electric machine 1 comprises a valve 12 placed through a wall 13 of the vacuum chamber 10. In particular, the wall 13 of the vacuum chamber 10 is perforated in order to be able to introduce the valve 12 therein. The valve 12 can thus be introduced into vacuum enclosures for electrical machines that already exist, simply and at low cost. The valve 12 can reach an open position and a closed position.
Dans sa position fermée, la soupape 12 permet de garder l’ enceinte à vide 10 hermétique. Dans sa position ouverte, la soupape 12 crée une communication entre l’ intérieur et l’ extérieur de l’ enceinte à vide 10. In its closed position, the valve 12 makes it possible to keep the vacuum chamber 10 airtight. In its open position, the valve 12 creates a communication between the inside and the outside of the vacuum chamber 10.
En fonction de la qualité de vide désirée à l’ intérieur de l’ enceinte à vide 10, un pompage actif effectué par une pompe comprise dans l’ enceinte à vide peut être nécessaire pour maintenir le vide à l’ intérieur de l’ enceinte. Lors de l’ ouverture de la soupape 12, il existe deux cas de figure. Dans un mode de mise en œuvre, la pompe est active et aspire l’ air qui entrera encore plus rapidement à l’intérieur de l’ enceinte (accélération du réchauffement) . Dans un autre mode de mise en œuvre, la pompe peut être éteinte en même temps que l’ ouverture de la soupape 12. Depending on the quality of vacuum desired inside the vacuum chamber 10, active pumping carried out by a pump included in the vacuum enclosure may be required to maintain the vacuum inside the enclosure. During the opening of the valve 12, there are two scenarios. In one mode of implementation, the pump is active and draws in the air which will enter even more quickly inside the enclosure (acceleration of the heating). In another mode of implementation, the pump can be turned off at the same time as the opening of the valve 12.
Durant le fonctionnement de la machine électrique 1 , la soupape 12 est en position fermée. Si l’ on souhaite désexciter la machine électrique 1 , par exemple si une panne est détectée, la soupape 12 est ouverte. Le vide de l’ enceinte à vide 10 crée une aspiration et l’ air extérieur à l’ enceinte à vide 10 entre dans l’ enceinte à vide 10 et augmente la température interne du rotor et du stator dans l’enceinte à vide 10 en raison de la perte de l’isolation thermique procurée par le vide. During operation of the electric machine 1, the valve 12 is in the closed position. If it is desired to de-energize the electric machine 1, for example if a fault is detected, the valve 12 is opened. The vacuum from the vacuum vessel 10 creates a suction and the air outside the vacuum vessel 10 enters the vacuum vessel 10 and increases the internal temperature of the rotor and stator in the vacuum vessel 10 by due to the loss of thermal insulation provided by the vacuum.
En particulier, l’ enceinte à vide 10 est de préférence placée dans un environnement comprenant de l’ air dont la température est au moins 5 Kelvin supérieure à la température interne de l’ enceinte à vide 10 lorsque celle-ci est refroidie. De cette manière, l’ ouverture de la soupape 12 assure une augmentation de la température interne de l’ enceinte à vide 10. In particular, the vacuum chamber 10 is preferably placed in an environment comprising air whose temperature is at least 5 Kelvin higher than the internal temperature of the vacuum chamber 10 when the latter is cooled. In this way, the opening of the valve 12 ensures an increase in the internal temperature of the vacuum chamber 10.
Pour un matériau supraconducteur maintenu à sa température critique de fonctionnement, par exemple 50 Kelvin, une augmentation de 5 Kelvin suffit pour supprimer l’ effet supraconducteur et donc désexciter la machine électrique 1. For a superconducting material maintained at its critical operating temperature, for example 50 Kelvin, an increase of 5 Kelvin is enough to suppress the superconducting effect and therefore de-energize the electrical machine 1.
La soupape 10 est par exemple maintenu ouverte le temps nécessaire à la température pour augmenter. L’enceinte à vide 10 comprend par exemple un capteur de température 15 , par exemple un thermocouple, afin de fournir les informations de température à un ordinateur distant 16 commandant la désexcitation de la machine électrique 1. Dans un mode de réalisation, le capteur de température est placé sur le rotor et/ou le stator, de manière à mesurer précisément leur température. En outre, la machine électrique 1 comprend une électrovanne 17 contrôlant l’ ouverture et la fermeture de la soupape 12. L’ électrovanne 17 est par exemple commandée par une consigne envoyée depuis l’ ordinateur distant 16. L’ ordinateur distant 16 met en œuvre un procédé de désexcitation de la machine électrique 1 en mettant en œuvre une première étape 21 de détection d’une panne dans la machine électrique 1. La panne peut provenir d’un problème mécanique ou électrique. The valve 10 is for example kept open for the time necessary for the temperature to increase. The vacuum enclosure 10 comprises for example a temperature sensor 15, for example a thermocouple, in order to supply the temperature information to a remote computer 16 controlling the de-energization of the electric machine 1. In one embodiment, the temperature sensor temperature is placed on the rotor and/or the stator, so as to precisely measure their temperature. In addition, the electric machine 1 comprises a solenoid valve 17 controlling the opening and closing of the valve 12. The solenoid valve 17 is for example controlled by an instruction sent from the remote computer 16. The remote computer 16 implements a method of de-energizing the electric machine 1 by implementing a first step 21 of detecting a fault in the electric machine 1. The fault may come from a mechanical or electrical problem.
Puis, une étape 22 d’ ouverture de la soupape 12 est effectuée le temps que la température interne de l’ enceinte à vide 10 augmente au- delà d’un seuil de température prédéfini. Par exemple, un opérateur prédéfinit dans l’ ordinateur distant 16 une température à laquelle les matériaux supraconducteurs n’ ont plus d’ effets. Le capteur de température 15 mesure la température et l’ envoie à l’ ordinateur distant 16. Then, a step 22 of opening the valve 12 is performed for the time that the internal temperature of the vacuum chamber 10 increases beyond a predefined temperature threshold. For example, an operator predetermines in the remote computer 16 a temperature at which the superconducting materials no longer have any effect. The temperature sensor 15 measures the temperature and sends it to the remote computer 16.
Optionnellement, une étape 23 d’ arrêt du système de refroidissement 1 1 est effectuée en parallèle de l’ ouverture de la soupape 12 afin d’ accélérer l’ augmentation de la température interne de l’ enceinte à vide 10. Optionally, a step 23 of stopping the cooling system 11 is carried out in parallel with the opening of the valve 12 in order to accelerate the increase in the internal temperature of the vacuum chamber 10.

Claims

9 REVENDICATIONS 9 CLAIMS
1. Machine électrique comprenant un rotor (7), un stator (2) , et une enceinte à vide ( 10), le rotor (7) et/ou le stator (2) comprenant un matériau supraconducteur, le rotor (7) et/ou le stator (2) qui comprend le matériau supraconducteur étant placé dans l’ enceinte à vide ( 10), caractérisée en ce qu’ elle comprend en outre un système de refroidissement ( 1 1 ) du rotor et/ou du stator placé dans l’ enceinte à vide ( 10) et une soupape ( 12) placée au travers d’une paroi ( 13) périphérique de l’ enceinte à vide ( 10) , l’ enceinte à vide ( 10) étant placée dans un environnement comprenant de l’ air dont la température est au moins de 5 Kelvin supérieure à la température du rotor et/ou du stator placé dans l’ enceinte à vide ( 10) . 1. Electrical machine comprising a rotor (7), a stator (2), and a vacuum chamber (10), the rotor (7) and / or the stator (2) comprising a superconducting material, the rotor (7) and /or the stator (2) which comprises the superconducting material being placed in the vacuum chamber (10), characterized in that it further comprises a cooling system (11) for the rotor and/or the stator placed in the vacuum chamber (10) and a valve (12) placed through a peripheral wall (13) of the vacuum chamber (10), the vacuum chamber (10) being placed in an environment comprising the air whose temperature is at least 5 Kelvin higher than the temperature of the rotor and/or of the stator placed in the vacuum chamber (10).
2. Machine électrique selon la revendication 1 , comprenant une électrovanne ( 17) contrôlant l’ ouverture et la fermeture de la soupape ( 12) en fonction d’une consigne. 2. Electrical machine according to claim 1, comprising a solenoid valve (17) controlling the opening and closing of the valve (12) according to a setpoint.
3. Machine électrique selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle l’enceinte à vide ( 10) comprend un capteur de température ( 15) . 3. Electrical machine according to one of claims 1 and 2, wherein the vacuum chamber (10) comprises a temperature sensor (15).
4. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 , dans laquelle le stator (2) comprend un inducteur (3) annulaire et un induit comprenant au moins un agencement (5) de bobines électromagnétiques (6) , et dans laquelle le rotor (7) comprend des pastilles supraconductrices (8) montées radialement à l’ intérieur de l’ inducteur (3) . 4. Electrical machine according to any one of claims 1 to 3, wherein the stator (2) comprises an annular inductor (3) and an armature comprising at least one arrangement (5) of electromagnetic coils (6), and wherein the rotor (7) comprises superconducting pads (8) mounted radially inside the inductor (3).
5. Machine électrique selon la revendication 4, dans laquelle l’ inducteur (3) est réalisé en matériau supraconducteur. 5. Electrical machine according to claim 4, in which the inductor (3) is made of superconducting material.
6. Turbomachine comprenant au moins une machine électrique ( 1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5. 6. Turbomachine comprising at least one electric machine (1) according to any one of claims 1 to 5.
7. Aéronef comprenant au moins une turbomachine selon la revendication 6. 7. Aircraft comprising at least one turbomachine according to claim 6.
8. Procédé de désexcitation d’une machine électrique ( 1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’ il comprend les étapes suivantes : Détection (étape 21) d’une panne dans la machine électrique (1) ; et 8. A method of de-energizing an electric machine (1) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises the following steps: Detection (step 21) of a fault in the electrical machine (1); And
Ouverture (étape 22) de la soupape (12) jusqu’à augmentation de la température du rotor et/ou du stator placé dans l’enceinte à vide (10) au-delà d’un seuil de température prédéfini pour lequel le matériau supraconducteur n’a plus d’effet supraconducteur. Opening (step 22) of the valve (12) until the temperature of the rotor and/or of the stator placed in the vacuum chamber (10) increases beyond a predefined temperature threshold for which the superconducting material no longer has a superconducting effect.
PCT/FR2022/052267 2021-12-10 2022-12-07 Electric machine comprising a de-energising valve WO2023105160A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FRFR2113315 2021-12-10
FR2113315A FR3130466A1 (en) 2021-12-10 2021-12-10 Electrical machine with de-excitation valve

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023105160A1 true WO2023105160A1 (en) 2023-06-15

Family

ID=80225518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2022/052267 WO2023105160A1 (en) 2021-12-10 2022-12-07 Electric machine comprising a de-energising valve

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3130466A1 (en)
WO (1) WO2023105160A1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4486800A (en) * 1981-12-23 1984-12-04 Siemens Aktiengesellschaft Thermal method for making a fast transition of a superconducting winding from the superconducting into the normal-conducting state, and apparatus for carrying out the method

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4486800A (en) * 1981-12-23 1984-12-04 Siemens Aktiengesellschaft Thermal method for making a fast transition of a superconducting winding from the superconducting into the normal-conducting state, and apparatus for carrying out the method

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
COLLE A ET AL: "Test of a Flux Modulation Superconducting Machine for Aircraft", vol. 1590, no. 1, 1 July 2020 (2020-07-01), GB, pages 012052, XP055948447, ISSN: 1742-6588, Retrieved from the Internet <URL:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1590/1/012052/pdf> DOI: 10.1088/1742-6596/1590/1/012052 *
COLLE ALEXANDRE ET AL: "Design of a superconducting machine and its cooling system for an aeronautics application", EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL APPLIED PHYSICS., vol. 93, no. 3, 16 November 2020 (2020-11-16), FR, pages 30901, XP055948738, ISSN: 1286-0042, DOI: 10.1051/epjap/2020200027 *

Also Published As

Publication number Publication date
FR3130466A1 (en) 2023-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6734584B1 (en) Thermal barrier and cooling air deflector for totally enclosed motor
EP2272155B1 (en) Electric motor
US11502590B2 (en) Radial-gap type superconducting synchronous machine, magnetizing apparatus, and magnetizing method
FR2817088A1 (en) Rotating machine used as turbo-pump includes integral generator producing current to operating magnetic bearings supporting rotor
FR2857794A1 (en) DEVICE FOR COOLING AN ELECTRIC MACHINE, PARTICULARLY A SYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE WITH PERMANENT MAGNETS
JP2006521076A (en) Electric machine having magnetic flux adjusting means
EP2097965A2 (en) Overmoulded or canned electrical machine
FR3093599A1 (en) Superconducting electrical machine and method of magnetizing superconducting pellets
FR2476772A1 (en) MOTO-PUMP GROUP PROTECTS AGAINST WEAR OF BEARINGS
CN110912376B (en) Motor with a motor housing
EP3900170B1 (en) Electric machine with device for forcibly demagnetising permanent magnets
FR2795253A1 (en) DRIVE SYSTEM FOR A MOTOR VEHICLE COMPRISING A THERMAL TRANSMISSION ARRANGEMENT FOR THE ROTOR
JP6249905B2 (en) Cryogenic liquid pump
US9018805B2 (en) Superconducting machines
WO2023105160A1 (en) Electric machine comprising a de-energising valve
WO2019097160A1 (en) Electrical machine of a turbomachine comprising a rotor cooled by a cooling channel
US10084366B2 (en) Apparatus and method for in-situ charging of superconductors
US20040239201A1 (en) Methods and apparatus for assembling homopolar inductor alternators including superconducting windings
EP4070442A1 (en) Flux barrier electric motor with superconducting armature and inductor
WO2023105147A1 (en) Method for de-energizing a superconducting electric machine via current injection
FR3071369A1 (en) ELECTRIC MACHINE COMPRISING A STATOR HAVING AN INTERNAL TUBULAR SLEEVE
Keysan et al. A modular superconducting generator for offshore wind turbines
KR101507306B1 (en) Field coil protecting apparatus and method of superconducting rotating electric machine
WO2011113887A2 (en) Permanent-magnet electric motor comprising a segmented stator
FR3131126A1 (en) Electrical machine with superconducting magnetic screens

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22843852

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE