Moteur électrique comportant un inducteur avec un élément supraconducteur intégré entre des bobinages

Le domaine de l'invention est celui des moteurs électriques et notamment des moteurs de puissance à base de pièces supraconductrices.

De manière connue, les machines supraconductrices présentent l'intérêt de pouvoir être plus compactes, plus légères et plus efficaces par rapport aux machines conventionnelles. II a déjà été proposé une machine comportant une armature conventionnelle en terme de rotor couplée à un inducteur statique supraconducteur basé sur une concentration du flux de champ magnétique créé. Dans ce type de machine l'inducteur peut être maintenu statique car utilisant des propriétés de supraconductivité nécessitant des moyens cryogéniques.

L'inducteur est constitué comme illustré en figure 1 A, de deux solénoïdes dans lesquels circulent des courants électriques opposés H et i ₂ , générant des champs magnétiques Bi et B ₂ , entre les deux solénoïdes Si et S ₂ . Un ensemble de plusieurs plaques P ₁ de matériau supraconducteur relient les deux solénoïdes. Ces plaques et leur orientation ont pour fonction d'écranter la composante normale du champ magnétique et ainsi imposer des lignes de champ entre les plaques.

Afin d'améliorer davantage les performances de ce type de moteur électrique de puissance en intensifiant le champ magnétique crée, la présente invention propose un moteur électrique comportant un nouveau type d'inducteur à base de matériau supraconducteur.

Plus précisément la présente invention a pour objet un moteur électrique comportant un dispositif d'induction de champ magnétique et un dispositif de champ induit en rotation l'un par rapport à l'autre, caractérisé en ce que le dispositif d'induction comporte un ensemble de deux bobinages conducteurs autour d'un axe parcourus par des courants de même sens et une pièce centrale, placée entre les deux bobinages, comprenant un élément supraconducteur disposé dans un plan incliné par rapport à l'axe des bobinages canalisant le champ magnétique produit par les bobinages de part et d'autre du plan incliné.

Selon une variante de l'invention, les deux bobinages conducteurs du dispositif inducteur sont parcourus par un même courant.

Selon une variante de l'invention, le dispositif inducteur comporte une pièce monolithique comportant un premier bobinage à une première extrémité, un second bobinage à une seconde extrémité, la pièce centrale en matériau supraconducteur étant intégrée au centre de ladite pièce monolithique.

Selon une variante de l'invention, la pièce monolithique est une fibre de verre présentant une fente dans laquelle est introduite la pièce centrale.

Selon une variante de l'invention, les bobinages conducteurs du dispositif inducteur sont en matériau supraconducteur.

Selon une variante de l'invention, les bobinages conducteurs du dispositif inducteur sont en matériau de type YBaCuO ou BSCCO. Selon une variante de l'invention, l'élément supraconducteur de la pièce centrale est en YBaCuO.

Selon une variante de l'invention, la pièce centrale comporte un substrat recouvert d'une couche de matériau supraconducteur. Typiquement l'épaisseur peut être comprise entre environ quelques centaines de nanomètres et quelques millimètres.

Selon une variante de l'invention, le moteur de l'invention comprend en outre des moyens cryogéniques pour refroidir la pièce centrale.

Avantageusement ces moyens cryogéniques sont de type vase Dewar. Selon une variante de l'invention, le dispositif induit comporte au moins un ensemble de bobinage conducteur.

Selon une variante de l'invention, le dispositif induit comporte au moins trois ensembles de bobinages conducteurs conduisant à un système triphasé. Selon une variante de l'invention, le dispositif induit comporte au moins trois séries d'enroulements imbriqués, chaque série étant alimentée par une phase d'un système triphasé.

Selon une variante de l'invention, le moteur comporte en outre des moyens de mise en rotation du dispositif induit.

Selon une variante de l'invention, le moteur comprend en outre des contacts glissants, par exemple des balais, permettant de relier électriquement la partie mobile à une source d'alimentation fixe.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :

- la figure 1 A illustre un exemple d'inducteur à base de matériau supraconducteur selon l'art connu ; - la figure 1 B illustre le principe de fonctionnement d'un moteur selon l'invention ;

- la figure 2 schématise un exemple de moteur de l'invention ;

- la figure 3 illustre un exemple de réalisation de moteur comportant un dispositif inducteur équipé de moyens cryogéniques selon l'invention ;

- la figure 4 illustre un exemple de dispositif de champ induit utilisé dans un moteur de l'invention ;

- la figure 5 illustre un exemple de moteur selon l'invention comportant des moyens de mise en rotation du dispositif induit.

La figure 1 B illustre le principe de fonctionnement d'un moteur selon l'invention. Plus particulièrement, elle illustre le principe de réalisation de l'inducteur. L'inducteur comporte au moins deux solénoïdes, ou deux bobinages, Bn, Bi ₂ coaxiaux parcourus par un courant qui génère un champ magnétique 1. L'inducteur comporte par ailleurs une plaque supraconductrice Psupra- Cette plaque supraconductrice, par sa propriété d'écrantage, détourne sur une face le flux magnétique induit par le premier solénoïde Bn dans une direction orientée sensiblement à 45° du plan dans lequel elle se situe, et détourne son autre face le flux magnétique induit par le deuxième solénoïde Bn dans la même direction. La plaque supraconductrice est inclinée par rapport à l'axe des solénoïdes, par exemple d'un angle sensiblement égal à 45°. Un pôle nord N et un pôle sud S d'un champ magnétique est ainsi crée dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de solénoïdes. La propriété diamagnétique d'un supraconducteur permet d'obtenir un écran magnétique parfait, ou quasiment parfait, et ainsi d'obtenir la variation

spatiale du flux magnétique telle qu'illustrée par la figure 1 B. C'est grâce à cette variation spatiale que l'on peut créer un champ magnétique.

La figure 2 présente de façon simplifiée un exemple de réalisation d'un moteur selon l'invention, dans le cas où l'induit produit un champ tournant par l'intermédiaire d'un bobinage triphasé symbolisé par trois bobines B ₂ - _I , B ₂₂ , B ₂₃ . L'invention peut aussi s'appliquer dans le cas où le champ tournant est produit par un bobinage monophasé.

De manière générale, le moteur électrique de l'invention fonctionne sur le principe de l'interaction de deux champs magnétiques.

Selon la variante de l'invention décrite ci-après, un inducteur alimenté en courant continu crée un champ magnétique statique. Il est à noter que le champ pourrait également être tournant avec un inducteur tournant. Comme le montre la figure 2, l'inducteur proposé est donc constitué :

- de deux bobinages Bn et Bi ₂ autour d'un axe C, en série permettant de créer une induction magnétique, parcourus par des courants électriques dans le même sens \-\ et i ₂ et, - d'une plaque supraconductrice P _sup ra qui, par sa propriété d'écrantage du champ magnétique, canalise les lignes de champ de part et d'autre de ses surfaces. Le champ magnétique résultant BM et B _r2 est représenté par les flèches noires sur le schéma de la figure 2. Les axes des bobines Bn , Bi ₂ de l'inducteur sont dans un premier plan p-i. L'inducteur est placé à l'intérieur d'un induit symbolisé par les trois bobinages B ₂ - _I , B ₂₂ , B ₂₃ parcourus par des courants électriques d'un système électrique triphasé et dont les axes sont positionnés dans un second plan p ₂ perpendiculaire audit premier plan. Les trois bobinages solidaires dans une structure classique non représentée sur le schéma de la figure 2, sont le siège d'une tension induite. Un mouvement de rotation relatif est ainsi créé entre l'induit et l'inducteur sous l'effet de ce couple.

De façon inverse, il est tout aussi possible d'envisager de faire fonctionner cette machine tournante en générateur de tension en prévoyant

de coupler des moyens de mise en rotation de l'induit par exemple dans lequel les bobinages ne sont plus alimentés.

Plus précisément et selon l'invention, le système inducteur comporte pour générer un champ magnétique élevé, au moins deux bobinages enroulés autour d'un élément, intégrant une pièce en matériau supraconducteur destinée à permettre aux lignes de champ magnétique créé par lesdits bobinages de converger de manière à générer une concentration de champ magnétique et ainsi créer un champ magnétique particulièrement intense. Les bobinages Bn et Bi ₂ sont avantageusement constitués de matériau supraconducteur.

Le champ magnétique ainsi induit peut en retour créer au sein des bobines alimentées en courant, une rotation permettant la mise en fonctionnement du moteur électrique.

Les matériaux supraconducteurs permettent d'atteindre des niveaux d'induction magnétique qu'on ne peut avoir avec des matériaux classiques. Dans un moteur conventionnel, l'induction a une amplitude de 2 Teslas (de -1 T à +1 T). Avec cette structure, il est possible d'envisager, au minimum, de doubler cette valeur et, par conséquent, augmenter le couple électromagnétique dans les mêmes proportions.

Selon l'invention, le fait de positionner l'élément massique supraconducteur selon un axe oblique faisant un angle d'environ 45° avec l'axe des bobines Bn et Bi ₂ permet de générer additionnellement deux champs magnétiques résultants BM et B _r2 et donc d'amplifier les performances par rapport à celles obtenues avec les architectures de l'art antérieur.

Exemple de réalisation :

L'inducteur peut avantageusement être constitué d'une fibre de verre comportant à la fois les deux bobinages et la plaque supraconductrice. L'intérêt de la fibre de verre réside notamment dans le faible poids qu'elle constitue ainsi que sa tenue en température. Les enroulements conducteurs sont avantageusement également en matériau supraconducteur de type NbTi.

Ils peuvent également être réalisés en BiSrCaCuO ou bien encore en YBCO. Typiquement le diamètre de la fibre peut être d'environ quelques dizaines de millimètres. La plaque supraconductrice intégrée dans la fibre de verre peut quant à elle avantageusement être réalisée en YbaCuO et présenter une épaisseur de l'ordre de quelques millimètres. Dans le cas de dépôt d'une couche de matériau supraconducteur sur un substrat, l'épaisseur de cette couche peut typiquement être comprise entre environ quelques nanomètres et quelques micromètres.

L'inducteur ainsi réalisé est immergé dans des moyens cryogéniques de type cryostat. Le cryostat peut être monté verticalement.

L'inducteur peut ainsi être refroidi jusqu'à une température de fonctionnement inférieure à 4,2 K en utilisant de l'hélium liquide.

De manière générale, les fluides cryogéniques sont contenus dans des récipients spécifiques appelés vase Dewar dans leur forme la plus simple. Celui-ci est constitué de deux vases l'un dans l'autre séparés usuellement par du vide ou par un isolant et le plus souvent d'un écran thermique anti-radiatif. Les vases sont dans la quasi-totalité des cas en métal et rarement en verre ou fibre de verre.

L'isolant standard pour la réalisation de moteur supraconducteur est le vide, au moins un vide secondaire, et les parois des vases sont métalliques. Le deuxième point crucial dans la réalisation d'un cryostat est l'écran antiradiation. Son rôle est de réduire les pertes par rayonnement entre le bain cryogénique et l'air ambiant. Le principe consiste soit à intercaler un écran à une température intermédiaire entre celle du bain et l'ambiante entre les parois du cryostat, soit à utiliser des feuilles d'aluminium réfléchissante. Il existe deux types d'écrans :

• Le super isolant qui est une feuille d'aluminium de quelques micromètres ou dizaines de micromètres d'épaisseur, analogue à une couverture de survie, séparée par un isolant. On empile entre 20 et 40 couches de super isolant dans le vide d'isolation sans les comprimer pour éviter une conduction à travers cet écran.

• Un écran refroidi est une paroi métallique, insérée dans le vide d'isolement, que l'on refroidi en récupérant des frigories des vapeurs du bain cryogénique à environ 8OK.

• La qualité du vide d'isolement est primordiale pour le bon fonctionnement du cryostat. Un des problèmes que l'on rencontre est celui du dégazage des matériaux qui au fil du temps relâchent des particules qui détériorent le vide. Pour cela on a intérêt à utiliser des matériaux soigneusement dégraissés qui naturellement dégazent peu ou à placer dans le vide un matériau qui absorbe les particules. Sinon, à faible température le dégazage devient quasiment nul et l'on peut considérer qu'après avoir atteint la température d'ébullition de l'azote il disparaît.

II est à noter que des précautions particulières dans l'assemblage du cryostat ou des pièces sous vide doivent être prises pour éviter que des particules d'air puissent être piégées et se libérer intempestivement, par exemple lors du fonctionnement d'un moteur supraconducteur, entraînant une rupture du vide qui peut elle-même entrainer une transition brutale des enroulements supraconducteurs.

Dans le moteur de l'invention, l'inducteur équipé de ses moyens cryogéniques est placé dans un premier plan perpendiculaire à un second plan, ledit second plan comportant des bobinages constituants l'induit. Selon l'invention, l'inducteur comportant ses moyens cryogéniques est maintenu statique alors que le dispositif constituant l'induit est susceptible d'être en rotation.

Avantageusement et selon une autre variante de l'invention, les moyens cryogéniques étant toujours fixes, il peut également être envisagé une liaison tournante entre un dispositif inducteur tournant et lesdits moyens cryogéniques.

Ce dispositif constituant l'induit comporte un ensemble d'au moins trois bobines et parcourues par des courants triphasés, produisent au centre géométrique de l'ensemble un champ tournant à une vitesse égale à la pulsation des courants. Si chaque bobine crée en ce centre un champ d'amplitude Bm, la somme des trois champs est représentée par un vecteur d'une amplitude constante, égale à 3 Bm/2.

Le champ magnétique tournant ainsi créé peut interagir avec le champ magnétique intense créé par le dispositif inducteur pour générer un couple magnétique.

Exemple de réalisation d'un moteur selon l'invention :

Les figures 3, 4, 5 illustrent un mode de réalisation possible d'une machine tournante selon l'invention mettant en évidence le dispositif inducteur (figure 3), le dispositif de l'induit (figure 4), et une vue de la machine complète regroupant ces deux éléments (figure 5).

Dans cet exemple, l'inducteur 10 reste immobile, il est placé au milieu d'un ensemble de bobinage rotatif 1 1 , l'induit. Un tel mode de réalisation simplifie la mise en œuvre du refroidissement de l'inducteur, en effet dans ce cas le système cryogénique peut lui aussi rester immobile. Comme indiqué précédemment, l'inducteur comporte par exemple deux bobines 101 , 102 parcourues par un courant de même sens i et séparées par la plaque P _sup ra orientée selon un angle de 45° par rapport à leur axe commun C. Une enveloppe cylindrique 21 et des moyens de fixation non représentés permettent par exemple de maintenir la plaque supraconductrice fixe par rapport au bobinage selon l'angle d'orientation souhaité, 45° par exemple. Une base 22 comporte par exemple l'ensemble des connexions électriques nécessaires aux bobines pour assurer leur alimentation en courant i.

L'induit 1 1 tourne donc autour de l'inducteur 10, il comporte classiquement trois séries d'enroulements imbriqués 12, chaque série étant alimentée par une phase d'un système triphasé. Le nombre d'enroulements correspond au nombre de pôles magnétiques de l'inducteur 10, en l'occurrence deux pôles. Un champ magnétique tournant est alors créé à l'intérieur de l'induit qui interagit avec le champ magnétique produit par l'inducteur 10. Le couple électromagnétique ainsi formé entraîne la rotation de l'induit.

Un dispositif de contacts glissants 13, par exemple des balais, permet de relier électriquement les enroulements 12 à une source d'alimentation fixe.

La machine tournante peut avoir un fonctionnent réversible. Dans un premier mode de fonctionnement, l'induit est alimenté par un système d'alimentation électrique triphasé entraînant son mouvement de rotation. Il peut par exemple être relié par une ceinture 14 pour entraîner un dispositif en rotation 15, ayant alors la fonction de moteur électrique.

Dans l'autre mode de fonctionnement, l'induit est entraîné en rotation, par exemple par un moteur électrique secondaire. Dans ce cas, l'induit devient une source d'alimentation triphasée.