WO2023152448A1 - Maschine comprenant pastilles supraconductrices, barriere de flux, bobine supraconductrice annulaire et un induit statorique - Google Patents

Maschine comprenant pastilles supraconductrices, barriere de flux, bobine supraconductrice annulaire et un induit statorique Download PDF

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WO2023152448A1
WO2023152448A1 PCT/FR2023/050169 FR2023050169W WO2023152448A1 WO 2023152448 A1 WO2023152448 A1 WO 2023152448A1 FR 2023050169 W FR2023050169 W FR 2023050169W WO 2023152448 A1 WO2023152448 A1 WO 2023152448A1
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superconducting
pads
flux barrier
electrical machine
flux
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Application number
PCT/FR2023/050169
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Sabrina Siham AYAT
Rémi Luc Stéphane DORGET
Rémy BIAUJAUD
Original Assignee
Safran
Universite De Lorraine
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Definitions

  • the flux barrier is substantially cylindrical of revolution; an axial thickness of the flux barrier is between 0.1 times and 1 times an axial thickness of the superconducting coil; the flux barrier is discontinuous around its circumference and comprises at least one slot extending in a direction substantially radial with respect to the axis; the electrical machine further comprises an insulating layer housed in the slot; the electrical machine further comprises a cryostat housing the superconducting coil; the cryostat is made of a conductive material, for example aluminum; an internal radius of the flux barrier is equal to an external radius of the superconducting pads; and/or an external radius of the flux barrier is strictly smaller than an internal radius of the superconducting coil.
  • the invention proposes an aircraft comprising an electric machine according to the first aspect.
  • FIG. 1 is an exploded, schematic and partial view of an example of an axial flux electric machine in accordance with one embodiment of the invention
  • Figure 3 is a front view of an embodiment of a flow barrier according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 4 represents the distribution of volume losses (W/m 3 ) within a superconducting coil in an electric machine according to the prior art, that is to say without a flux barrier;
  • FIG. 5 is a view in partial section along a plane comprising the axis of rotation of the rotor of an electric machine of an example of a cryostat and superconducting coil that can be used in an electric machine according to the invention
  • FIG. 6 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 superconducting axial flux electric machine 1 comprises an armature and an inductor 3.
  • the armature comprises an arrangement of non-superconducting electromagnetic coils 5, generally made of copper.
  • the inductor 3 comprises a superconducting coil 6 coaxial with the arrangement of the electromagnetic coils 5 of the armature and superconducting pads 7 mounted on a support structure 8 which are arranged in the same plane orthogonal to the axis X and radially to the inside the superconducting coil 6.
  • the superconducting coil 6 is also contained in a cryostat 9, which can be made of a conductive material such as aluminum.
  • the inductor 3 also 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 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 X, 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 superconducting pellets 7 and the superconducting coil 6 can be made of YBCO (English acronym for Yttrium Barium Copper Oxide for Mixed Baryum, Copper and Yttrium Oxides), in GdBCO (English acronym for Gadolinium-Barium-Copper -Oxygen), NbTi (for niobium-titanium), MgB2 (magnesium diboride) or any RE-Ba-Cu-O material, where RE can include any rare earth.
  • YBCO Korean acronym for Yttrium Barium Copper Oxide for Mixed Baryum, Copper and Yttrium Oxides
  • GdBCO English acronym for Gadolinium-Barium-Copper -Oxygen
  • NbTi for niobium-titanium
  • MgB2 manganesium diboride
  • RE-Ba-Cu-O material where RE can include any rare earth.
  • the superconducting pellets 7 and the superconducting coil 6 are generally obtained using the seed growth process.
  • this type of process consists in forming a crystal by progressive solidification of material on the surface of a pre-existing seed.
  • the parts 7, 6 thus obtained are therefore generally of circular or rectangular shapes.
  • the inter-grain connection associated with this manufacturing process tends to decrease part performance. obtained.
  • 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 shape of the superconducting pads 7 is adapted (optimized) so as to maximize the ratio screening/mass of the pads 7, that is to say that the shape of the superconducting pads 7 is adapted so that the variation of the axial component of the induced magnetic field, and therefore the screening of the magnetic flux, is maximum, while minimizing the mass of the superconducting pellets 7. It is thus possible to obtain an increase in the speed of rotation of the rotor and therefore of the power of the electric machine 1.
  • the superconducting pellets 7 may have a polygonal shape having at least five sides .
  • patch 7 has a hexagonal shape, preferably that of a regular isometric hexagon.
  • the magnetic field is generated by the superconducting coil 6. Therefore, it is enough to turn off the superconducting coil 6 to cut off the magnetic field in the superconducting electric machine.
  • This has an advantage insofar as superconducting pads 7 which are cooled in the presence of a magnetic field are not able to screen the magnetic field.
  • the magnetic field it is necessary for the magnetic field to be screened to appear at a time after the cooling of the superconducting pads 7 to allow them to play their role as magnetic screens, which is made possible by the use of the superconducting coil 6.
  • the superconducting coil 6 can therefore be turned off when the superconducting pads 7 are hot and turned on once they have cooled.
  • the flow barrier 12 has a substantially cylindrical shape of revolution around the axis X and extends substantially continuously around the axis X of rotation.
  • the flux barrier 12 includes at least one discontinuity 13 so as not to screen the magnetic field within the superconducting pads 7. Indeed, in the absence of discontinuity 13, current loops would be liable to form at the periphery superconducting pads 7, thus screening the magnetic field inside the pads 7, which would harm the operation of the electric machine 1.
  • the discontinuity 13 can be obtained by making a slot 13 in the flux barrier 12 (as illustrated in FIG. 3). Such a slot 13 thus makes 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 is placed outside the superconducting pads 7 and inside the superconducting coil 6.
  • An internal radius Ri i.e.
  • An axial thickness 10 (which corresponds to a dimension measured along an axis parallel to the axis X) of the flux barrier 12 is determined according to the intensity of the magnetic field to be screened.
  • the axial thickness 10 of the flux barrier 12 is chosen in particular so as to cover the region where the majority of the electromagnetic volume losses are generated (see FIG. 4).
  • the axial thickness 10 of the flux barrier 12 can be between 0.1 times and 1 times the axial thickness 11 of the superconducting coil 6 (see figure 1).
  • the flux barrier 12 is 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.
  • flux barrier 12 is made of the same superconducting material as superconducting pads 7.
  • the flux barrier 12 may be in one piece with the superconducting pads 7 used for flux modulation, that is to say formed integrally and in a single piece with the pads 7.
  • the flux barrier 12 and the pads 7 may have the same axial thickness.
  • the flux barrier 12 can be attached and fixed on the superconducting pads 7.
  • the axial thickness 10 of the flux barrier 12 may be different from that of the superconducting pads and determined as a function of the magnetic field at screen.
  • the flux barrier 12 can be obtained by growth of germs or by stacking of ribbons.
  • the manufacturing process comprises the following steps:
  • the machining step may in particular comprise the production of a central through hole in the disc so as to obtain the cylinder of revolution as well as one or more discontinuities 13, typically slots.

Abstract

La présente invention concerne une machine électrique (1) supraconductrice à flux axial comprenant un inducteur (6, 7) et un induit (5), l'inducteur (6, 7) comprenant :• des pastilles supraconductrices (7) mobiles en rotation autour d'un axe (X) de la machine électrique (1); et• une bobine supraconductrice (6), centrée sur l'axe (X) et s'étendant radialement à l'extérieur des pastilles supraconductrices (7), la bobine supraconductrice (6) étant configurée pour générer un champ magnétique.De plus, la machine électrique (1) comprend en outre une barrière de flux (12) réalisée dans un matériau supraconducteur qui s'étend entreles pastilles supraconductrices (7) et la bobine supraconductrice (6), ladite barrière de flux (12) étant fixée sur une paroi circonférentielle (7a) des pastilles supraconductrices (7) de sorte à être solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices (7).

Description

DESCRIPTION
TITRE :
MASCHINE COMPRENANT PASTILLES SUPRACONDUCTRICES, BARRIERE DE FLUX, BOBINE SUPRACONDUCTRICE ANNULAIRE ET UN INDUIT STATORIQUE
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 à flux axial comprenant des pastilles magnétisées ou non-magnétisées, aux machines électriques à aimants supraconducteurs ou à barrières de flux supraconductrices, aux machines entièrement supraconductrices (induit et inducteur supraconducteurs) ou partiellement supraconductrices (induit ou inducteur supraconducteur).
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 supraconductrice réalisé avec des fils en matériau supraconducteur qui génère un champ magnétique modulé par des pastilles supraconductrices, qui font office d’écrans magnétiques. La bobine supraconductrice est contenue dans un cryostat, dont la température est sensiblement égale à la température ambiante (de l’ordre de 300 K) et qui peut être réalisé dans un matériau conducteur. En comparaison, la bobine supraconductrice est généralement à une température de l’ordre de 30 K. L’induit, quant à lui, comprend un système de bobinage triphasé en cuivre comprenant un agencement de bobines qui reposent sur un support ferromagnétique ou amagnétique. La rotation des écrans fait varier le champ magnétique et induit, par la loi de Lenz, une force électromotrice dans les bobines. Le dimensionnement d’une telle machine conduit à une structure à flux axial sans système d’alimentation tournant (type bague/balais). La maintenance et les problèmes de sécurité, apportés par un système bague/balais tournant, sont donc évités.
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.
Afin de réduire au maximum le volume et la masse de la machine électrique ainsi que sa densité de puissance, la bobine supraconductrice de l’inducteur doit être placée au plus proche du rotor. Cette configuration permet en outre de limiter le coût de la machine électrique, le prix des fils supraconducteurs pouvant être élevé. Cependant, plus la bobine supraconductrice est proche du rotor, plus elle est exposée au champ magnétique modulé par les pastilles supraconductrices, ce qui peut générer des pertes en courant alternatif importantes dans la bobine supraconductrice ou dans son cryostat si celui-ci est conducteur. Il est alors nécessaire d’augmenter le refroidissement de la bobine supraconductrice et le cas échéant de son cryostat. Or, les pertes dans les éléments cryogéniques sont beaucoup plus coûteuses à évacuer que les pertes à température ambiante. Par ailleurs, l’exposition au champ magnétique peut faire perdre ses propriétés supraconductrices à la bobine supraconductrice, réduisant ainsi l’efficacité de la machine électrique.
Il a donc été proposé de conserver un cryostat en aluminium afin que les courants induits dans celui-ci protègent la bobine supraconductrice. Toutefois, une telle configuration a pour effet d’entrainer des pertes au sein du cryostat. Par ailleurs, un système de refroidissement dédié au cryostat devient nécessaire, ce qui augmente la masse de la machine électrique ainsi que sa complexité. EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de proposer une machine supraconductrice dont le volume, la masse et la densité de puissance sont optimisés.
L’invention s’applique à tout type de machine supraconductrice à flux axial, qui comprennent notamment les machines partiellement supraconductrices ou totalement supraconductrices, à barrières de flux ou à aimants supraconducteurs.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, une machine électrique supraconductrice à flux axial comprenant un inducteur et un induit, l’inducteur comprenant : des pastilles supraconductrices mobiles en rotation autour d’un axe de la machine électrique ; et une bobine supraconductrice, centrée sur l’axe et s’étendant radialement à l’extérieur des pastilles supraconductrices, la bobine supraconductrice étant configurée pour générer un champ magnétique ; et une barrière de flux réalisée dans un matériau supraconducteur qui s’étend entre les pastilles supraconductrices et la bobine supraconductrice, ladite barrière de flux étant fixée sur une paroi circonférentielle des pastilles supraconductrices de sorte à être solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la machine électrique selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : la barrière de flux est sensiblement cylindrique de révolution ; une épaisseur axiale de la barrière de flux est comprise entre 0,1 fois et 1 fois une épaisseur axiale de la bobine supraconductrice ; la barrière de flux est discontinue sur sa circonférence et comprend au moins une fente s’étendant suivant une direction sensiblement radiale par rapport à l’axe ; la machine électrique comprend en outre une couche isolante logée dans la fente ; la machine électrique comprend en outre un cryostat logeant la bobine supraconductrice ; le cryostat est réalisé dans un matériau conducteur, par exemple de l’aluminium ; un rayon interne de la barrière de flux est égal à un rayon externe des pastilles supraconductrices ; et/ou un rayon externe de la barrière de flux est strictement inférieur à un rayon interne de la bobine supraconductrice. 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 éclatée, schématique et partielle d’un exemple de machine électrique à flux axial conforme à un mode de réalisation de l’invention ;
La figure 2 est une vue simplifiée en coupe dans un plan normal à l’axe de rotation du rotor de la machine électrique de la figure 1 ;
La figure 3 est une vue de face d’un exemple de réalisation d’une barrière de flux conforme à un mode de réalisation de l’invention ;
La figure 4 représente la répartition des pertes volumique (W/m3) au sein d’une bobine supraconductrice dans un machine électrique conforme à l’art antérieur, c’est-à-dire dépourvue de barrière de flux ;
La figure 5 est une vue en coupe partielle suivant un plan comprenant l’axe de rotation du rotor d’une machine électrique d’un exemple de cryostat et de bobine supraconductrice pouvant être utilisés dans une machine électrique conforme à l’invention ;
La figure 6 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, ainsi qu’à des machines électriques entièrement supraconductrices (induit et inducteur supraconducteurs).
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 et un inducteur 3. L’induit comporte un agencement de bobines électromagnétiques 5 non supraconductrices, généralement en cuivre. L’inducteur 3 comporte une bobine supraconductrice 6 coaxiale à l’agencement des bobines électromagnétiques 5 de l’induit et des pastilles supraconductrices 7 montées sur une structure porteuse 8 qui sont disposées dans un même plan orthogonal à l’axe X et radialement à l’intérieur de la bobine supraconductrice 6. La bobine supraconductrice 6 est en outre contenue dans un cryostat 9, qui peut être réalisé dans un matériau conducteur tel que de l’aluminium. Optionnellement, l’inducteur 3 comprend en outre une culasse statorique comportant une couronne de fer 8. Ici, le rotor est formé par les pastilles supraconductrices 7 qui sont entraînées en rotation autour d’un axe de rotation s’étendant selon la direction axiale. Le stator est formé par l’agencement 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 X, ce qui permet une variation spatiale du champ électromagnétique dans l’entrefer. Ici, les pastilles supraconductrices 7 sont non- magnétisées. Dans une variante de réalisation, les pastilles supraconductrices 7 pourraient être magnétisées.
Par exemple, les pastilles supraconductrices 7 et la bobine supraconductrices 6 peuvent être réalisées en YBCO (acronyme anglais de Yttrium Barium Copper Oxide pour Oxydes mixtes de Baryum, de Cuivre et d'Yttrium), en GdBCO (acronyme anglais de Gadolinium- Barium-Copper-Oxygen), en NbTi (pour niobium-titane), en MgB2 (diborure de magnésium) ou tout matériau RE-Ba-Cu-O, où RE peut comprendre n’importe quelle terre rare.
Les pastilles supraconductrices 7 et la bobine supraconductrice 6 sont généralement obtenues grâce au procédé de croissance de germe. On pourra notamment se référer à l’article de M. Morita, H. Teshima, et H. Hirano, « Development of oxide superconductors », Nippon Steel Technical Report, vol. 93, p. 18-23, 2006 pour plus de détails sur ce procédé. En particulier, ce type de procédé consiste à former un cristal par solidification progressive de matière sur la surface d’un germe préexistant. Les pièces 7, 6 ainsi obtenues sont donc généralement de formes circulaires ou rectangulaires. En variante, il a également été proposé de réaliser les pastilles 7 et/ou la bobine 6 par frittage. Cependant, la connexion inter-grain associée à ce procédé de fabrication a tendance à diminuer les performances des pièces obtenues. Un autre procédé consiste à utiliser des rubans supraconducteurs (ou « tapes » en anglais). On parle dans ce cas d’empilements de rubans (ou « stack of tapes » en anglais). Ces pièces, dont le noyau supraconducteur est renforcé par la matrice des rubans les constituant, présentent une bonne tenue mécanique. Cette bonne tenue mécanique est particulièrement avantageuse lorsque les pièces sont magnétisées (machine à aimants supraconducteurs).
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, celle-ci assure une tenue mécanique des bobines électromagnétiques 5 de l’induit. En d’autres termes, l’inducteur 3est supraconducteur tandis que l’induit 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).
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 FR3104804 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 1 , 2 et 4, la forme des pastilles supraconductrices 7 est adaptée (optimisée) de sorte à maximiser le rapport écrantage/masse des pastilles 7, c’est-à-dire que la forme des pastilles supraconductrices 7 est adaptée afin que la variation de la composante axiale du champ magnétique induit, et donc l’écrantage du flux magnétique, soit maximal, tout en minimisant la masse des pastilles supraconductrices 7. On peut ainsi obtenir une augmentation de la vitesse de rotation du rotor et donc de la puissance de la machine électrique 1. A cet effet, les pastilles supraconductrices 7 peuvent avoir une forme polygonale présentant au moins cinq côtés. Par exemple, la pastille 7 présente une forme hexagonale, de préférence celle d’un hexagone régulier isométrique. En variante, la face 8 de chaque pastille supraconductrice 7 présente la géométrie et les dimensions d’un secteur d’anneau. Par secteur d’anneau, on comprendra ici la forme délimitée d’une part par deux cercles coaxiaux, de diamètre différent, et d’autre part par deux segments de droite issus du centre des cercles. Le secteur d’anneau comprend ainsi deux côtés opposés courbes et deux côtés opposés droits.
On pourra se référer au document FR3104803 au nom de la Demanderesse pour plus de détails sur ces différentes formes de réalisation de pastilles supraconductrices 7.
Le champ magnétique est généré par la bobine supraconductrice 6. Par conséquent, il suffit d’éteindre la bobine supraconductrice 6 pour couper le champ magnétique dans la machine électrique supraconductrice. Cela présente un avantage dans la mesure où des pastilles supraconductrices 7 qui sont refroidies en présence d’un champ magnétique ne sont pas capables d’écranter le champ magnétique. Ainsi, il est nécessaire que le champ magnétique à écranter apparaisse à un instant postérieur au refroidissement des pastilles supraconductrices 7 pour leur permettre de jouer leur rôle d’écrans magnétiques, ce qui est rendu possible par l’utilisation de la bobine supraconductrice 6. Dans l’invention, la bobine supraconductrice 6 peut donc être éteinte lorsque les pastilles supraconductrices 7 sont chaudes et allumée une fois qu’elles sont refroidies.
Les bobines 5 de l’induit peuvent également présenter toute forme adaptée. De manière connue en soi, les bobines 5 peuvent notamment présenter une forme de secteur d’anneau, comme illustré sur les figures 1 , 2 et 4.
Afin d’optimiser le volume, la masse et la densité de puissance de la machine électrique 1 , la machine électrique 1 comprend en outre une barrière de flux 12 réalisée dans un matériau supraconducteur qui s’étend entre les pastilles supraconductrices 7 et la bobine supraconductrice 6. La barrière de flux 12 est par ailleurs fixée sur la paroi circonférentielle des pastilles supraconductrices 7 (au niveau de sa partie radialement externe 7a) de sorte à être solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices 7. La partie radialement externe 7a de la paroi circonférentielle des pastilles 7 correspond ici à la partie de la pastille 7 qui s’étend circonférentiellement par rapport à l’axe X et qui est la plus éloignée de l’axe X. La barrière de flux 12 fait donc partie du rotor de la machine électrique 1 et est positionnée entre les pastilles supraconductrices 7 et la bobine supraconductrice 6 de sorte à masquer au moins partiellement la bobine supraconductrice 6. L’écrantage de la bobine supraconductrice 6 par la barrière de flux 12 permet ainsi de protéger la bobine supraconductrice 6 des variations de champ réalisées par la rotation des pastilles supraconductrices 7. Ainsi, la présence de la barrière de flux 12 permet de rapprocher la bobine supraconductrice 6 des pastilles supraconductrices 7, et donc de réduire son diamètre (et par conséquent d’améliorer la compacité et la masse de la machine électrique 1 ).
Par ailleurs, la barrière de flux 12 étant solidaire du rotor, elle n’est pas exposée à un champ variable et donc ne risque pas d’être démagnétisée.
Enfin, la présence de la barrière de flux 12 entre les pastilles supraconductrices 7 et la bobine supraconductrice 6 réduit les pertes au sein du cryostat 9 résultant de son exposition au champ magnétique variable rotorique, et supprime donc le besoin d’un système de refroidissement dédié, ce qui réduit le coût d’utilisation de la machine électrique 1. Il est en outre possible de rapprocher la paroi du cryostat 9 du rotor 7, 12.
Avantageusement, la présence de la barrière de flux 12 permet en outre d’écranter le champ magnétique en tête des bobines 5 et de rediriger le champ magnétique vers les régions actives de la machine électrique 1 , ce qui limite les risques de déformation des bobines 5 et améliore ainsi la densité de puissance de la machine électrique 1.
La barrière de flux 12 présente une forme sensiblement cylindrique de révolution autour de l’axe X et s’étend de manière sensiblement continue autour de l’axe X de rotation. Toutefois, la barrière de flux 12 comprend au moins une discontinuité 13 pour ne pas écranter le champ magnétique au sein des pastilles supraconductrices 7. En effet, en l’absence de discontinuité 13, des boucles de courant seraient susceptibles de se former à la périphérie des pastilles supraconductrices 7, écrantant ainsi le champ magnétique à l’intérieur des pastilles 7, ce qui nuirait au fonctionnement de la machine électrique 1.
La discontinuité 13 peut être obtenue en réalisant une fente 13 dans la barrière de flux 12 (comme illustré sur la figure 3). Une telle fente 13 permet ainsi de casser les boucles de courant. Optionnellement, pour assurer l’existence de la discontinuité 13 dans la barrière de flux 12 à tout moment, 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 est placée à l’extérieur des pastilles supraconductrices 7 et à l’intérieur de la bobine supraconductrice 6. Un rayon interne Ri (c’est-à-dire le rayon minimal) de la barrière de flux est donc égal au rayon externe maximal des pastilles supraconductrices 7, tandis que son rayon externe R2 (c’est-à-dire ici son rayon maximal) est strictement inférieur au rayon interne R3 de la bobine supraconductrice 6 afin d’éviter tout contact entre la barrière de flux 12 et la bobine supraconductrice 6, la barrière de flux 12 devant tourner solidairement avec les pastilles supraconductrices 7 tandis que la bobine supraconductrice doit rester fixe. Il existe donc un jeu entre la bobine supraconductrice 6 et la barrière de flux 12.
Une épaisseur axiale 10 (qui correspond à une dimension mesurée suivant un axe parallèle à l’axe X) de la barrière de flux 12 est déterminée en fonction de l’intensité du champ magnétique à écranter. L’épaisseur axiale 10 de la barrière de flux 12 est en particulier choisie de sorte à recouvrir la région où la majorité des pertes volumiques électromagnétiques est générée (voir figure 4). Ainsi, l’épaisseur axiale 10 de la barrière de flux 12 peut être comprise entre 0,1 fois et 1 fois l’épaisseur axiale 11 de la bobine supraconductrice 6 (voir figure 1 ).
La barrière de flux 12 est réalisée dans un matériau supraconducteur. En particulier, la barrière de flux 12 peut être réalisée dans l’un quelconque des matériaux supraconducteurs envisagés pour les pastilles supraconductrices 7 listés plus haut. De préférence, la barrière de flux 12 est réalisée dans le même matériau supraconducteur que les pastilles supraconductrices 7.
La barrière de flux 12 peut être monobloc avec les pastilles supraconductrices 7 utilisées pour la modulation du flux, c’est-à-dire formée intégralement et en une seule pièce avec les pastilles 7. Lorsque la barrière de flux 12 et les pastilles 7 sont monobloc, par simplicité de réalisation, elles pourront avoir la même épaisseur axiale.
En variante, la barrière de flux 12 peut être rapportée et fixée sur les pastilles supraconductrices 7. Dans ce cas, l’épaisseur axiale 10 de la barrière de flux 12 peut être différente de celle des pastilles supraconductrices et déterminée en fonction du champ magnétique à écranter.
La barrière de flux 12 peut présenter une hauteur sensiblement comprise entre 5 et 20 millimètres. Par hauteur, on comprendra ici la dimension suivant une direction radiale à l’axe X de rotation, correspondant à la différence entre le rayon externe R2 de la barrière de flux 12 et son rayon interne Ri de la barrière.
Procédé de fabrication La barrière de flux 12 peut être obtenue par croissance de germes ou par empilement de rubans.
Lorsque la barrière de flux 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 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 ; et optionnellement, insertion d’une couche isolante 14 telle que décrite ci-avant.
L’étape d’usinage peut notamment comprendre la réalisation d’un orifice central traversant dans le disque de sorte de sorte à obtenir le cylindre de révolution ainsi que d’une ou plusieurs discontinuités 13, typiquement des fentes.
Lorsque la barrière de flux 12 est obtenue par empilement de rubans, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : prédécoupage des rubans suivant la forme cylindrique de révolution de la barrière de flux 12 ; empilement des rubans ainsi prédécoupés de manière conventionnelle pour obtenir la barrière de flux 12 ; usinage d’une ou de plusieurs discontinuités 13 ; et optionnellement, insertion d’une couche isolante 14 telle que décrite ci-avant.
Le cas échéant, la barrière de flux 12 et les pastilles supraconductrices 7 peuvent être formées intégralement en une seule pièce. En d’autres termes, la barrière de flux 12 et les pastilles supraconductrices 7 peuvent être fabriquées simultanément par croissance de germes ou par empilement de rubans. L’épaisseur axiale 10 de la barrière de flux 12 peut alors être égale à l’épaisseur axiale des pastilles supraconductrices 7 (généralement, de l’ordre de dix à vingt millimètres) pour simplifier le procédé de fabrication.
La machine électrique 1 peut notamment être utilisée dans un aéronef 100.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Machine électrique (1 ) supraconductrice à flux axial comprenant un inducteur (6, 7) et un induit (5), l’inducteur (6, 7) comprenant : des pastilles supraconductrices (7) mobiles en rotation autour d’un axe (X) de la machine électrique (1 ) ; et une bobine supraconductrice (6), centrée sur l’axe (X) et s’étendant radialement à l’extérieur des pastilles supraconductrices (7), la bobine supraconductrice (6) étant configurée pour générer un champ magnétique ; la machine électrique (1 ) étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une barrière de flux (12) réalisée dans un matériau supraconducteur qui s’étend entre les pastilles supraconductrices (7) et la bobine supraconductrice (6), ladite barrière de flux (12) étant fixée sur une paroi circonférentielle des pastilles supraconductrices (7) de sorte à être solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices (7).
2. Machine électrique (1 ) selon la revendication 1 , dans laquelle la barrière de flux (12) est sensiblement cylindrique de révolution.
3. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle une épaisseur axiale (10) de la barrière de flux (12) est comprise entre 0,1 fois et 1 fois une épaisseur axiale (11 ) de la bobine supraconductrice (6).
4. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle la barrière de flux (12) est discontinue sur sa circonférence et comprend au moins une fente (13) s’étendant suivant une direction sensiblement radiale par rapport à l’axe (X).
5. Machine électrique (1 ) selon la revendication 4, comprenant en outre une couche isolante (14) logée dans la fente (13).
6. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant en outre un cryostat (9) logeant la bobine supraconductrice (6).
7. Machine électrique (1 ) selon la revendication 6, dans laquelle le cryostat (9) est réalisé dans un matériau conducteur, par exemple de l’aluminium.
8. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle un rayon interne (R1 ) de la barrière de flux (12) est égal à un rayon externe des pastilles supraconductrices (7).
9. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle un rayon externe (R2) de la barrière de flux (12) est strictement inférieur à un rayon interne (R3) de la bobine supraconductrice (6).
10. Machine électrique (1 ) selon la revendication 9, dans laquelle un rayon interne (Ri) de la barrière de flux (12) est égal à un rayon externe maximal des pastilles supraconductrices (7).
11. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 10, dans laquelle l’inducteur comprend en outre un agencement de bobines électromagnétiques (5).
12. Machine électrique (1 ) selon l’une des revendications 1 à 11 , dans laquelle la barrière de flux (12) est fixée sur partie radialement externe (7a) de la paroi circonférentielle des pastilles supraconductrices (7).
13. Aéronef (100) comprenant une machine électrique (1 ) selon l’une des revendications
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M. MONTAH. TESHIMAH. HIRANO: "Development of oxide superconductors", NIPPON STEEL TECHNICAL REPORT, vol. 93, 2006, pages 18 - 23

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