Titre : Machine électrique tournante sans aimant et sans balai

Domaine technique

La présente invention concerne une machine électrique tournante comprenant un stator, un rotor et une bobine d'excitation du rotor, le rotor étant apte à être entraîné en rotation, relativement au stator, autour d'un axe de rotation de la machine tournante. L'invention concerne également un aéronef comprenant une telle machine électrique tournante.

L'invention s'applique au domaine de l'électrotechnique, et en particulier à celui des machines électriques tournantes.

Technique antérieure

Il est connu de recourir à une machine électrique tournante sans balais. En particulier, le document FR 3 080 231 Al décrit une machine synchrone sans aimants et sans balais.

Du fait de l'absence de balais, l'usure, au cours du temps, d'une telle machine tournante est réduite. En outre, le recours à un inducteur bobiné rend superflue l'utilisation d'aimants permanents (en particulier au niveau du rotor), et offre un contrôle et une maîtrise du flux magnétique au niveau du rotor (dit « flux rotorique »).

Néanmoins, une telle machine tournante ne donne pas entière satisfaction.

En effet, une telle machine synchrone sans aimants et sans balais produit généralement un flux rotorique plus faible que celui susceptible d'être fourni si le rotor avait été muni d'aimants permanents, ce qui en limite les performances.

Un but de l'invention est donc de proposer une machine synchrone sans aimants et sans balais qui soit plus performante que celles de l'état de la technique. Exposé de l'invention

A cet effet, l'invention a pour objet une machine synchrone du type précité, dans laquelle le stator comprend un support annulaire s'étendant dans un plan orthogonal à l'axe de rotation et une denture comportant des dents solidaires du support annulaire et s'étendant parallèlement à l'axe de rotation à partir du support annulaire, la denture délimitant une cavité intérieure du stator autour de l'axe de rotation, le stator comprenant, en outre, un bobinage enroulé autour de la denture dans un plan orthogonal à l'axe de rotation, le rotor comprenant un arbre, un premier manchon et un deuxième manchon, l'arbre s'étendant le long de l'axe de rotation et présentant deux parties périphériques, chacun du premier manchon et du deuxième manchon étant agencé radialement autour d'une partie périphérique respective et étant solidaire de ladite partie périphérique respective, le premier manchon étant réalisé dans un premier matériau supraconducteur, le deuxième manchon étant réalisé dans un deuxième matériau supraconducteur, le premier manchon comportant p premières ouvertures traversantes chacune débouchant sur l'arbre, le deuxième manchon comportant p deuxièmes ouvertures traversantes chacune débouchant sur l'arbre, p étant un entier naturel non nul, la bobine d'excitation étant fixe par rapport au stator et étant enroulée autour de l'axe de rotation, la bobine d'excitation étant agencée radialement autour d'une partie centrale de l'arbre du rotor, disposée entre les deux parties périphériques et au moins en partie non délimitée radialement par l'un du premier manchon et du deuxième manchon, de sorte que chaque première ouverture traversante forme l'un parmi p pôles magnétiques nord du rotor et chaque deuxième ouverture traversante forme l'un parmi p pôles magnétiques sud du rotor, au moins les parties périphériques et la partie centrale de l'arbre du rotor étant agencées dans la cavité intérieure du stator.

En effet, lorsque les manchons sont portés à une température inférieure à leur température critique, ces derniers présentent un comportement du type « barrière de champ magnétique » qui empêche le champ magnétique généré par la bobine d'excitation de circuler à travers les parois desdits manchons, suivant un comportement de barrière de champ magnétique analogue à l'effet Meissner observé sous très faible champ. Par conséquent, le champ magnétique est guidé dans l'arbre par les manchons, et ne peut s'échapper qu'au niveau des ouvertures traversantes, dont le nombre, la position et la forme sont susceptibles d'être optimisées pour maximiser l'efficacité de la machine tournante, ce qui compense le fait que le flux rotorique produit par une telle machine est généralement plus faible que le flux rotorique susceptible d'être produit par des aimants permanents.

Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, la machine tournante comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

- le premier matériau supraconducteur et le deuxième matériau supraconducteur sont identiques ;

- la machine électrique tournante comporte, en outre, un dispositif cryogénique configuré pour porter chacun du premier manchon et du deuxième manchon à une température inférieure à une température critique prédéterminée correspondante ;

- la bobine d'excitation est réalisée dans un troisième matériau supraconducteur, le dispositif cryogénique étant également configuré pour porter la bobine d'excitation à une température inférieure à une température critique prédéterminée correspondante ;

- le troisième matériau supraconducteur est identique au premier matériau supraconducteur et/ou au deuxième matériau supraconducteur ;

- la machine électrique tournante comprend, en outre, une source de courant continu, connectée à des bornes de la bobine d'excitation et configurée pour délivrer un courant continu présentant une intensité réglable ;

- le bobinage du stator comprend une pluralité de phases réparties sur la denture ;

- l'arbre est réalisé dans un matériau non supraconducteur.

L'invention a également pour objet un aéronef comprenant une machine électrique tournante telle que définie ci-dessus. Brève description des dessins

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig. 1] la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un premier mode de réalisation d'une machine électrique tournante selon l'invention, un carter de la machine tournante étant omis ;

[Fig. 2] la figure 2 est une représentation schématique en perspective d'un rotor de la machine tournante de la figure 1, une bobine d'excitation du rotor étant également représentée ;

[Fig. 3] la figure 3 est une vue schématique en section du rotor et de la bobine d'excitation de la figure 2, dans un plan orthogonal à l'axe de rotation de la machine tournante et traversant la bobine d'excitation ;

[Fig. 4] la figure 4 est une vue schématique en section du rotor de la figure 2, dans un plan interceptant des ouvertures traversantes du rotor et orthogonal à l'axe de rotation de la machine tournante ;

[Fig. 5] la figure 5 est une représentation schématique en perspective d'un rotor d'un deuxième mode de réalisation d'une machine tournante selon l'invention, une bobine d'excitation du rotor étant également représentée ;

[Fig. 6] la figure 6 est analogue à la figure 4, des chants de chaque ouverture traversante étant convergents suivant un axe de l'ouverture traversante, dans un sens allant vers l'axe de rotation de la machine tournante ; et

[Fig. 7] la figure 7 est analogue à la figure 4, des chants de chaque ouverture traversante étant divergents suivant un axe de l'ouverture traversante, dans un sens allant vers l'axe de rotation de la machine tournante.

Description détaillée

Une machine électrique tournante 2 (ou encore « machine tournante ») selon l'invention est illustrée par la figure 1. La machine tournante 2 est configurée pour entraîner en rotation un élément rotatif autour d'un axe de rotation X-X de la machine tournante 2 (fonctionnement dit « moteur ») ou pour générer de l'énergie électrique à partir de l'énergie mécanique fournie par ledit élément rotatif (fonctionnement dit « générateur électrique »). Comme cela ressortira de la description, la machine tournante 2 est une machine synchrone, sans aimant et sans balai.

La machine tournante 2 comprend un stator 4, un rotor 6 et une bobine 8 d'excitation du rotor 6. Un carter de la machine tournante 2 est omis sur cette figure 1.

La machine tournante 2 comporte, en outre, un dispositif cryogénique 7 et une source 9 de courant continu configurée pour alimenter la bobine d'excitation en courant continu, de préférence d'intensité réglable.

De façon classique, le rotor 6 est apte à être entraîné en rotation, relativement au stator 4, autour d'un axe de rotation X-X de la machine tournante 2.

Lors du fonctionnement en « générateur électrique », le rotor 6 est entraîné en rotation, relativement au stator 4, par un élément rotatif d'entrainement mécanique, distinct de la machine tournante 2, tel un arbre de sortie d'un moteur thermique. Une tension électrique apparaît alors entre les bornes d'un bobinage (décrit ultérieurement) du stator 4.

A l'inverse, lors du fonctionnement « moteur », une tension est appliquée entre les bornes du bobinage du stator 4, ce qui a pour effet d'entraîner le rotor 6 en rotation autour de l'axe de rotation X-X.

La bobine d'excitation 8 a pour rôle de générer un champ magnétique rotorique, dont la contribution au fonctionnement de la machine tournante 2 ressortira de la description qui va suivre.

Comme cela apparaît sur la figure 1, le stator 4 comprend un support annulaire 10 (encore appelé « culasse magnétique ») et une denture 12 (ou encore « ensemble de dents magnétiques »). Le stator comporte également un bobinage 14 enroulé autour de la denture 12.

Le support annulaire 10 s'étend dans un plan orthogonal à l'axe de rotation X-X. Par exemple, le support annulaire 10 est monobloc, c'est-à-dire formé d'une seule pièce. La denture 12 comporte une pluralité de dents 16. Chaque dent 16 est solidaire du support annulaire 10 et s'étend parallèlement à l'axe de rotation X-X à partir du support annulaire 10, de façon à délimiter une cavité intérieure 18 du stator autour de l'axe de rotation X-X.

Par exemple, la denture 12 est monobloc.

De préférence, le stator est réalisé dans un matériau ferromagnétique doux.

Le bobinage 14 du stator 4 est enroulé autour des dents 16, et est agencé du côté du support annulaire 10.

De façon connue, le bobinage 14 comprend une seule phase, ou une pluralité de phases (par exemple, trois phases), selon l'application envisagée.

Le rotor 6 comprend un arbre 20, un premier manchon 22 et un deuxième manchon 24, représentés sur la figure 2.

L'arbre 20 présente une forme cylindrique et s'étend le long de l'axe de rotation X-X. L'arbre comprend deux parties périphériques 26 et une partie centrale 28. La partie centrale 28 est disposée entre les deux parties périphériques 26 suivant l'axe de rotation X-X, et est au moins en partie non délimitée radialement par l'un du premier manchon 22 et du deuxième manchon 24.

L'arbre 20 est réalisé dans un matériau non supraconducteur. Un tel choix de matériau résulte du fait que l'arbre 20 ne doit pas faire obstacle au passage du flux magnétique Chacun du premier manchon 22 et du deuxième manchon 24 est agencé radialement autour d'une partie périphérique 26 respective de l'arbre 20, en étant solidaire de ladite partie périphérique 26 respective.

En outre, chacun du premier manchon 22 et du deuxième manchon 24 présente un diamètre externe strictement inférieur à un diamètre interne de la cavité intérieure 18 du stator 4, de sorte que, lorsque le rotor 6 est agencé dans la cavité intérieure 18, le premier et le deuxième manchon 22, 24 n'interfèrent pas mécaniquement avec le stator 4.

Le premier manchon 22 et le deuxième manchon 24 sont chacun réalisés dans un matériau supraconducteur (respectivement « premier matériau supraconducteur » et « deuxième matériau supraconducteur »). En pratique, le premier matériau supraconducteur et le deuxième matériau supraconducteur sont identiques ou non, chacun étant choisi, par exemple, dans la liste suivante : un oxyde de cuivre, de baryum et d'yttrium (YBCO) ; un oxyde de cuivre, de bismuth, de strontium et de calcium (BSSCO) ; un oxyde de cuivre, de baryum et de terre rare (ReBCO) ; ou encore du diborure de magnésium (MgB ₂ ).

Comme cela apparaît sur les figures 2 et 4, le premier manchon 22 comporte p premières ouvertures traversantes 30 débouchant chacune sur l'arbre 20, p étant un entier naturel non nul.

En outre, le deuxième manchon 24 comprend p deuxièmes ouvertures traversantes 32 débouchant chacune sur l'arbre 20.

Par exemple, et comme illustré par la figure 2, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 sont circulaires.

Par exemple, pour les valeurs de p supérieures ou égales à 2, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 sont régulièrement réparties autour de l'axe de rotation X- X.

Par exemple encore, chaque première et deuxième ouverture traversante 30, 32 présente un axe respectif orthogonal à l'axe de rotation X-X.

Chaque première et deuxième ouverture traversante 30, 32 est associée à une coordonnée angulaire respective autour de l'axe de rotation X-X. Pour permettre le fonctionnement de la machine tournante 2, chaque première ouverture traversante 30 et chaque deuxième ouverture traversante 32 présentent deux à deux des coordonnées angulaires distinctes. Par exemple, les premières ouvertures traversantes 30 sont décalées d'un angle n/p autour de l'axe de rotation X-X par rapport aux deuxièmes ouvertures traversantes 32.

Comme cela apparaît sur la figure 1, le rotor 6 est disposé de sorte qu'au moins les parties périphériques 26 et la partie centrale 28 de l'arbre 20 du rotor 6 soient agencées dans la cavité intérieure 18 du stator 4.

Comme indiqué précédemment, la bobine d'excitation 8 (également appelée « bobine d'induction ») est destinée à polariser le rotor 6, sans l'utilisation d'aimants permanents ou de balais. Cette bobine d'excitation 8 est réalisée dans un matériau supraconducteur (dit

« troisième matériau supraconducteur »), par exemple un matériau supraconducteur de la liste précitée, ou encore dans un matériau conducteur classique, c'est-à-dire non supraconducteur, par exemple du cuivre ou de l'aluminium.

Dans le cas où la bobine d'excitation 8 est réalisée dans un matériau supraconducteur, durant le fonctionnement de la machine tournante 2, la bobine d'excitation 8 est portée à une température inférieure à la température critique du matériau supraconducteur utilisé.

En outre, lorsque la bobine d'excitation est réalisée dans un matériau supraconducteur, ce matériau supraconducteur peut être le même matériau que celui du premier et/ou du deuxième manchon ou un matériau supraconducteur différent.

Lorsque la bobine d'excitation, le premier manchon et le deuxième manchon sont réalisés dans un même matériau supraconducteur, il est alors possible de placer la machine tournante 2 (ou le rotor) dans une même enceinte de refroidissement isotherme, ce qui facilite le refroidissement.

Lorsque la bobine d'excitation est réalisée dans un matériau supraconducteur différent de celui du premier et du deuxième manchon, conduisant à des contraintes de maintien de température différentes, un circuit de refroidissement en série de la bobine d'excitation et des manchons est avantageusement prévu. Dans ce cas, la bobine d'excitation et les manchons sont alimentés successivement en fluide de refroidissement, suivant l'ordre croissant de leurs températures critiques.

Par exemple, dans le cas où la bobine d'excitation présente une température critique de 30 K (kelvin) et où le premier et le deuxième manchon présentent chacun une température critique de 50 K, le fluide de refroidissement est d'abord acheminé à destination de la bobine d'excitation, et se réchauffe lors de son action de maintien au froid, à 30 K, de ladite bobine d'excitation. Toutefois, le fluide de refroidissement demeure suffisamment froid pour permettre le maintien au froid ultérieur, à 50K, des deux manchons.

Ce principe de refroidissement en série s'applique selon le même principe dans le cas où le premier manchon et le deuxième manchon sont réalisés dans des matériaux supraconducteurs différents, de sorte qu'il existe des contraintes de maintien en température différentes pour chacun parmi la bobine d'excitation, le premier manchon et le deuxième manchon. Par exemple, dans le cas où la bobine d'excitation présente une température critique de 30 K, le premier manchon une température critique de 40 K et le deuxième manchon une température critique de 50 K, le fluide de refroidissement est d'abord acheminée à la bobine d'excitation, puis au premier manchon, puis au deuxième manchon.

La bobine d'excitation 8 est connectée, par ses bornes 34, à la source de courant 9 pour être alimentée en courant électrique.

Dans un exemple d'application, la source de courant est retirée une fois la bobine d'excitation alimentée, et ladite bobine d'excitation 8 est court-circuitée.

Comme cela apparaît sur la figure 1, la bobine d'excitation 8 est agencée dans la cavité intérieure 18 du stator 4. En outre, la bobine d'excitation 8 est fixe par rapport au stator 4, par exemple solidaire de celui-ci.

La bobine d'excitation 8 est enroulée autour de l'axe de rotation X-X (figure 2) et est agencée radialement autour de la partie centrale 28 de l'arbre 20 du rotor 6.

Comme illustré par la figure 3, la bobine d'excitation 8 présente une forme annulaire, un diamètre interne de la bobine d'excitation 8 étant strictement supérieur à un diamètre de la partie centrale 28 de l'arbre 20. De cette façon, un entrefer 36 est ménagé entre la partie centrale 28 et la bobine d'excitation 8.

Le fonctionnement de la machine tournante 2 va maintenant être décrit.

Le dispositif cryogénique 7 est mis en marche, de façon à porter chacun du premier manchon 22 et du deuxième manchon 24 à une température inférieure à une température critique prédéterminée correspondante.

De préférence, la bobine d'excitation 8 est réalisée dans un matériau supraconducteur et elle est alors également portée à une température inférieure à une température critique prédéterminée correspondante.

Puis, la source de courant 9 injecte un courant continu dans la bobine d'excitation 8. Il en résulte, par induction, un flux magnétique dans l'arbre 20. Un tel flux magnétique au rotor est la conséquence d'un champ magnétique rotorique. Le premier manchon 22 et le deuxième manchon 24 présentant une température inférieure à leur température critique, un tel flux magnétique est confiné dans les premier et deuxième manchons 22, 24, et ne peut traverser les parois des manchons 22, 24. Par conséquent, le flux magnétique circule, dans la machine tournante 2, à travers les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32.

Plus précisément, le flux magnétique généré par induction dans le rotor 6 se déplace, dans l'arbre 20, depuis les deuxièmes ouvertures traversantes 32 vers les premières ouvertures traversantes 30.

Puis, le flux magnétique est transmis radialement par les premières ouvertures traversantes 30 vers les dents 16 du stator 4 qui se trouvent en regard desdites premières ouvertures traversantes 30.

Le flux magnétique 16 est ensuite acheminé axialement dans les dents 16 vers les deuxièmes ouvertures traversantes 32, et est transmis radialement par les dents 16 vers les deuxièmes ouvertures traversantes 32 qui se trouvent en regard desdites dents 16. De cette façon, chaque première ouverture traversante 30 forme l'un parmi p pôles magnétiques nord du rotor 6, et chaque deuxième ouverture traversante 32 forme l'un parmi p pôles magnétiques sud du rotor 6. Bien évidemment, en changeant le sens du courant qui circule dans la bobine d'excitation 8, les rôles des premières ouvertures traversantes 30 et des deuxièmes ouvertures traversantes 32 sont inversés.

En outre, pour un fonctionnement « moteur », le bobinage 14 est alimenté par un courant alternatif, de façon connue, ce qui génère un champ magnétique statorique. L'interaction entre le champ statorique et le champ rotorique entraîne le rotor en rotation.

Par ailleurs, pour un fonctionnement en « générateur électrique, le rotor 6 est entraîné en rotation par un élément rotatif distinct de la machine tournante 2. Il en résulte un champ rotorique tournant qui entraîne, par induction, l'apparition d'une tension alternative aux bornes du bobinage 14 du stator 4.

En variante, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 sont, non pas circulaires, mais rectangulaires, comme illustré par la figure 5. Alternativement, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 présentent une forme de tuile. Selon une autre variante, une projection de l'une au moins des premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 suivant son axe est trapézoïdale, hémicirculaire, ou présente encore toute autre forme susceptible d'améliorer les performances de la machine tournante 2.

Les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 sont, par exemple, à section constante suivant leurs axes respectifs. En d'autres termes, dans ce cas, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 présentent des chants 38 cylindriques (figure 4).

Alternativement, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 présentent des chants 38 convergents dans un sens allant vers l'axe de rotation X-X (figure 6). Selon une autre variante, les premières et deuxièmes ouvertures traversantes 30, 32 présentent des chants divergents 38 dans un sens allant vers l'axe de rotation X-X (figure 7).

Bien évidemment, toute combinaison des formes décrites ci-dessus est envisageable. Le recours à une bobine d'excitation 8 réalisée dans un matériau supraconducteur autorise l'injection, dans cette dernière, de courants électriques continus de forte intensité sans échauffement, et donc sans risque d'endommagement, lorsque la bobine d'excitation 8 est portée à une température inférieure ou égale à sa température critique. Ceci résulte du fait que, lorsqu'ils sont refroidis à une température inférieure à leur température critique, les matériaux supraconducteurs présentent une résistivité nulle. Il n'y a donc pas de pertes par effet Joule au niveau de la bobine supraconductrice. Par conséquent, l'injection de courants électriques de forte intensité dans la bobine supraconductrice est possible, ce qui se traduit par des flux rotoriques élevés, et donc de meilleures performances de la machine tournante 2.