TITRE : Machine électrique à soupape de désexcitation

Domaine technique

La présente invention concerne la désexcitation de machines électriques supraconductrices.

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.

Une application particulièrement intéressante de l’ invention concerne les turbomachines destinées à l’ alimentation de réseaux de bord d’ aéronefs en énergie électrique.

Techniques antérieures

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.

Les machines électriques destinées à la propulsion des avions électriques sont caractérisées par des densités de puissance électrique supérieures à environ 20kW par kg .

Dans ce contexte, l’utilisation de machines les plus efficaces possible est avantageuse pour pouvoir atteindre ces niveaux de densité de puissance.

L’utilisation de machines supraconductrices permet en premier lieu d’ obtenir une bonne efficacité.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 .

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

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.

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.

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.

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.

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.

Avantageusement, l’ enceinte à vide comprend un capteur de température.

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.

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.

En outre, l’invention a encore pour objet un aéronef comprenant au moins une turbomachine telle que définie précédemment.

L’ invention a enfin pour objet un procédé de désexcitation d’une machine électrique telle que définie précédemment, le procédé comprenant les étapes suivantes :

Détection d’une panne dans la machine électrique ; et

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.

Brève description des dessins

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 :

[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 2] illustre schématiquement un mode de réalisation d’une machine électrique selon l’ invention ; et

[Fig 3] illustre les étapes du procédé selon l’ invention.

Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation

On a représenté schématiquement sur la figure 2 un schéma simplifié d’un mode de réalisation d’une machine électrique 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.

Dans ce mode de réalisation le rotor 7 et le stator 2 comprennent chacun un élément en matériau supraconducteur.

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.

Le rotor 7 comprend par exemple des pastilles supraconductrices 8 montées radialement à l’ intérieur de l’inducteur 3 du 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.