Brevet FR2003321A1 — publié le 19691107

Dans les enroulements magnétiques supraconducteurs qui emmagasinent une très forte quantité d'énergie, il est souhaitable de maintenir le nombre de spires en dessous d'une valeur déterminée, afin de limiter la tension qui se produit lorsque cette 5 énergie emmagasinée est dégagée dans des résistances extérieures, par exemple dans le cas d'une transition. Ceci conduit à des courants d'excitation de plusieurs milliers d'ampères. Les conducteurs pouvant supporter des intensités si élevées sont constitués par de larges bandes foimées d'un métal bon conducteur et pourvues d'une 10 mince couche d'une substance supraconductrice dure ou reliées à un grand nombre de fils supraconducteurs minces (brins) qui sont tous branchés en parallèle«La bande métallique bonne conductrice de courant sert de conducteur de stabilisation dans le cas de variations brusques du courant dans le supraconducteur. Pour obte-15 nir de grandes surfaces de refroidissement, la bande est de préférence réalisée large et mince» Une bobine ainsi agencée présente cependant de gros inconvénients : lors de son excitation, il se produit des pertes importantes par pénétration du champ magnétique dans la 20 large couche supraconductrice ou bién dans les boucles supraconduc-trices formées par les différents fils branchés en parallèle. En conséquence, une grande quantité du fluide de réfrigération, par exemple de l'hélium, s'évapore et la dépense entraînée par le refroidissement lors de l'excitation et de la désexcitât!on de la 25 bobine est très importante* Un autre inconvénient est le fait que la valeur et la répartition du champ magnétique daHs un enroulement ainsi agencé varient encore pendant des jours et des semaines après l'affichage d'un courant d'excitation constant. XI n'est par conséquent pas possible, en pratique, de faire en sorte que le 30 champ magnétique reste constant en différents points d'un assez grand volume, et cela pendant des périodes assez longues. Ceci a par exemple un effet très perturbateur dans le cas de chambres à bulle où la répartition du champ dans le volume utile ne doit pas varier pendant un certain temps. 35 On connaît déjà des bobines formées de câbles à plusieurs brins torsadés, dans lesquels les brins ne sont cependant pas isolés entre eux. Les brins sont disposés soit dans la bande métallique normalement conductrice ou bien ils sont reliés entre eux par une soudure à l'étain. Aussi les difficultés préci-kO tées sont-elles pratiquement rencontrées avec la même force lors 69 06084 2 2003321 de l'excitation et de la désexcitation de grosses bobines.XI appartient donc à la présente invention de diminuer les influences perturbatrices du champ radial lors de l'excitation et de la désexcita- sorte tion de grosses bobines de telle/qu'aucun flux magnétique radial 5 n'agisse pratiquement dans les boucles dont chacune est formée par deux brins et leurs points de connexion. L'invention concerne une bobine supraconductrice à courant continu en forme de disque, de grandes dimensions et de forte intensité de champ, comportant au moins deux enroulements en 10 disque branchés en série^dans lesquels sont noyés des brins supraconducteurs qui, séparés les tins des autres, sont branchés en parallèle au moins aux extrémités de la bobine. Suivant l'invention, les brins sont réalisés sous forme de fils, ils sont isolés entre eux et chaque boucle formée par deux brins et leurs points 15 de jonction communs est décomposée en boucles partielles par permutation des brins, de sorte qu'il n'y a pratiquement aucun flux radial dans l'ensemble de la boucle et que les tensions périphériques (tensions de boucle) dans les boucles partielles s*annulent mutuellement. 20 Dans une bobine se composant de deux demi-bobines symétriques par rapport à un plan radial, les brins supraconducteurs de la bande sont isolés selon l'invention les tans par rapport aux autres, dans le plan de symétrie situé entre les demi-bobines et pénètrent sans permutation dans la demi-bobine suivante. Sui-25 vant l'invention, on utilise de préférence le principe, de la bobine à double disque. Dans un tel bobinage constitué de bobines partielles doubles comportant chacune un enroulement à double disque, il est très avantageux, selon l'invention, de prévoir, entre des bobines partielles adjacentes, des permutations ou des 30 croisements des brins dans au moins une partie de chaque demi- bobine. La bobine selon l'invention présente un haut degré de perfection lorsque la bande est exécutée telle que les "barres de Roebel", de manière que les permutations des brins se répètent pério diquement à l'intérieur de la bande et de façon continue sur toute 35 la longueur de celle-ci. A cet effet, on peut par exemple prévoir au moins une permutation de brins par spire» Selon l'invention, l'ensemble de la bobine peut être divisée en deux ou en un autre nombre pair d'enroulements partiels à répartition symétrique de champ. Les brins isolés les uns des 40 autres d'une bande, par exemple au nombre de cent, peuvent être 69 06034 3 2003321 permutés aux points de jonction des enroulements partiels de manière qu'il ne se produit aucun flux dans les différentes boucles de la bobine, c'est-à-dire que les flux ijrésentent, dans les enroulei^sr,ts partiels, des orientations opposées à celle 5 de l'ensemble de boucle. On peut ei'fectuer le branchement en parallèle des brins aussi bien à l'intérieur du cryostat de la bobine qu'à l'extérieur, à la température ambiante. La permutation, appelée également "torsadage" des différents brins peut aussi être prévue sur un conducteur 10 de faible longueur suivant le type de la "barre de Roebel". Le pas de torsadage, c'ost-à-dire 1'écartement entre deux points de permutation adjacents, (croisement) de deux brins, peut être par exemple de l'ordre du mètre 0 Dans une bobine dont le conducteur a un kilomètre de long-, chaque brin occupe alors la même position 15 par rapport au champ magnétique et il n'existe aucune boucle traversée par un champ magnétique notable0 Pour mieux comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire à titre indicatif et non limitatif plusieurs modes de réalisation représentés sur le dessin annexé sur lequel t 20 - la figure 1 représente la partie centrale d'une bobine comportant plusieurs enroulements simples en forme de disque ; - la figure 2 représente la partie centrale d'une bobine comportant plusieurs enroulemente en forme de doubles-disques; - les figures 3a et 3b montrent le passage des brins d'un enroule-25 ment-disque au suivant, sans permutation des brins de la bande; - les figures 4a et 4b montrent la structure d'une bande comportant des brins supraconducteurs disposés à la façon d'une "barre de Roebel"; - la figure 5 est une coupe d'un mode de réalisation d'une bobine 30 selon l'invention; - les figures 6a et 6b montrent, en plan et en coupe, la bande de renforcement à canaux incliné suivant la figure 5» La figure 1 représente la partie centrale d'une bobine à courrait continu qui est formée de plusieurs bobines élé-j5 aencaires ou anraulonents-disques 11 à 17- Le courant est amené fie l'extérieur aux enroulements- disques aycait un numéro d'ordre pair, tandis que les ancres sont alimentés de l'intérieur. Pour que les potentiels magnétiques ne s'annulent pas ,v;ais s'amplifient, on choisit pour les deux groupes de disques des sens de bobinage -iO opposés. La bobine comporte un plan de symétrie 18 et un axe 19. 06084 4 2003321 Le champ magnétique est symétrique par rapport au plan de symétrie 18 La figure 2 représente une bobine à courant continu selon l'invention comportant des bobines doubles élémentaires constituées chacune d'un enroulement en double-disque. Des parties identiques sont désignées par les mêmes références que sur la figure 1o Les enroulements-disques 11 à 17 de la figure 2 peuvent être considérés coi;ime les enroulements partiels de bobines doubles-disques qui sont groupées par paires. Dans la disposition de la figure 2, l'inversion des brins, à savoir leur croisement, est effectuée en considérant le champ de la bobine non seulement au centre, dans le plan de symétrie 18, mais également après chaque bobine double élémentaire qui se compose d'un enroulement en double-disqueo Les inégalités de composition de flux ou la compensation de ces inégalités correspondent à la disposition de la figure 1 « La transition, c'est-à-dire le passage d'une bobine double élémentaire à la suivante suivant le pourtour extérieur et intérieur de la bobine est matérialisée sur la figure 2 par les lignes 24 et 25 et elle est mise en évidence de façon schématique sur les figures 3a et 3k* La figure 3a montre le cas où il est prévu une inversion de la position des brins 1 à m, par exemple entre les enroulements—disques 13 et 14, comme l'indiquent les lignes 24 de la figure 2. La figure 3jb montre le cas d'une transition de la bobine 15 située à gauche du plan de symétrie 18 à la bobine 16 située à droite du plan, de symétrie 18 (en concordance avec les lignes 25), l'inversion étant obtenue par le champ magnétique symétrique sans changer l'ordre des brins» L'avantage de la disposition représentée sur les figures 2 et 3 consiste entre autres dans le fait que la ten- 69 06084 5 2003321 sion entre deux brins est abaissée lorsqu'on excite et désexcite rapidement» En particulier, lorsque l'énergie magnétique est débitée dans des résistances extérieures dans le cas d'une transition de bobine, la tension U aux bornes de la bobine peut 5 atteindre plusieurs milliers de volts» Lorsque chaque bobine élémentaire est maintenue dans un support isolé, la tension entre deux spires adjacentes ne s'élève malgré tout qu'à U/n; elle est par conséquent faible, vu l'influence du nombre de spires n. Cependant dans une disposition telle que celle de la figure 1, 10 la tension entre les brins, par exemple entre les brins 1 et 2, peut dépasser la tension entre spires au centre de la bobine. Bile est alors égale à U/a.m, a étant fonction du rapport entre le champ radial et le champ global. Lorsque, par exemple, m est égal à n/100 seulement, la tension entre les conducteurs élémen-15 taires peut devenir plusieurs fois supérieure à la tension entre spires. Cela nécessite la prévision d'une isolation relativement efficace entre les brins. Pour un grand nombre p de bobines élémentaires, la tension entre les brins diminue, par contre, dans une disposition suivant les figures 2 et 3 jusqu'à la valeur 20 U/a.m.p, de sorte que l'isolation des brins peut être choisie plus mince* La tension entre les brins d'une bande est réduite au maximum lorsqu'on prévoit un torsadage (permutation croisée) des brins sur un pas relativement petit, comme pour une barre 25 de Roebel. S'il est prévu par exemple que chaque spire contient q fois le pas, la tension entre des conducteurs élémentaires adjacents tombera à une valeur inférieure à u/a.n.m.q. Cette tension est suffisamment faible pour qu'il suffise d'une mince couche d1oxyde comme isolation des brins de la bande. Une bande 30 ayant la structure d'une barre de Roebel est représentée schéma-tiquement sur les figures 4a et 4b. Les brins supraconducteurs 40 disposés à l'intérieur de la bande en zig-zag entre un bord longitudinal de cette bande et l'autre bord sont par exemple placés sur une bande-support 41 qui est représentée en coupe 35 sur la figure 4b. La figure 4b est une coupe faite suivant la ligne A-B de la figure 4a. La bande-support 4l peut être en acier. Conformément à l'invention, on obtient une solution particulièrement avantagèuse lorsque la bande d'une bobine à disque pour courant continu est agencée à la façon d'une barre 40 de Roebel à armature : l'enveloppement de plusieurs fils formés 69 06084 6 2003321 d'une matière supraconductrice, par exemple d'un alliage de nio-bium et de zirconium contenant un métal de stabilisation, est techniquement plus simple et moins coûteux à réaliser que l'insertion d'un grand nombre de fils supraconducteurs dans une bande 5 de cuivre ou d'aluminium de grande largeur, lorsqu'on s'efforce d'obtenir une liaison aussi intime que possible entre le supraconducteur et le métal de stabilisation. Lorsqu'on utilise un tel conducteur stabilisé et multifilaire, le surcroît de travail est pratiquement négligeable pour torsader les différents brins, cette 10 opération étant exécutée à la manière de la barre de Roebel si le conducteur est du type plato On obtient ainsi l'avantage substantiel de réduire les pertes lors de l'excitation et d'obtenir une répartition de champ plus stable dans le temps. La subdivision des différents brins permet en outre d'augmenter le surface de 15 refroidissement par un fluide, tel que par exemple de l'hélium, sans avoir à augmenter de façon sensible le volume du fluide de refroidissement. Il est alors avantageux d'entourer les différents brins d'une bande de fibres de verre. De cette manière, le liquide de refroidissement peut également pénétrer entre les brins placés 20 les uns à côté des autres, tandis que simultanément des forces peuvent être transmises sans difficulté dans toutes les directions. Comme conducteur de stabilisation, on peut par exemple utiliser du cuivre ou de l'aluminium. L'aluminium est avantageux, car il est moins coûteux et peut facilement enrober un 25 supraconducteur. XI est alors avantageux d'utiliser comme bande de renforcement un alliage d'aluminium de haute résistance à la traction et de grand module d'élasticité. Cet alliage d'aluminium doit également présenter un coefficient de dilatation thennique ne s*écartant pas sensiblement de celui de l'aluminium pur. Lorsqu'on. 30 utilise du cuivre pour la stabilisation, il est avantageux d'employer pour l'armature un acier allié amagnétique, par exemple un alliage connu dans le commerce sous le nom de "Remanit" ou bien du titane. A l'aide des figures 5, 6a et 6b, on va décrire 35 ci-après la structure d'une bobine selon l'invention, réalisée à partir d'une bande agencée à la manière d'une barre de Roebel t dans l'exemple considéré, chaque bande contient quatre vingts brins supraconducteurs 50 formés de fils de 0,25 mm de diamètre réalisés dans uri alliage de "niobium-zirconiùm 33*. Sur la figure 5, ko on a représenté en coupe transversale deux conducteurs élémentaires 69 06084 "7 i 2003321 51 et 52» L'axe de la bobine esc orienté parallèlement à la droite 57* Les brins 30 sont encoures d'une gaine 53 en cuivre d'environ 2 1 mm de section droite. Chaque brin de cuivre présente une section droite d'environ 0,7 x 1,6 mm à bords chanfreinés. Il 5 est entouré d'une bande 54 en fibres de verre, en particulier non coulée, de 0,1 mm d'épaisseur et d'environ 2 mm de largeur, le pas d'enroulement étant d'environ 5 mm, de manière que 60/É> environ de la surface du brin ne soient pas recouverts par les fibres de verre. Les brins sont enroulés avec un pas d'environ 1 m 10 sur une bande 60 de "Remanit" d'environ 1,2 mm d'épaisseur. La bande 60 de "Remanit" qui a été représentée en plan sur la figure 6a et en section droite sur la figure 6b, comporte sur les deux faces des canaux transversaux 61, obtenus par laminage, orientés légèrement en oblique et présentant une profondeur de 0,1 mm, 15 une largeur d'environ 5 mm et un écartement d'environ 5 mm. Lors de l'enroulement, on peut prévoir entre deux spires des bandes 55 de "Remanit" de même type mais un peu plus larges. Les bandes 55 servent à absorber et à transmettre la rjression axiale des brins» Les enroulements-disques qui sont formés d'un grand nombre de 20 spires et assemblés comme indiqué sur la figure 5 , s'appuient, dans l'exemple considéré, sur des flasques isolants 56 ayant environ 2 mm d'épaisseur, qui laissent subsister entre eux des canaux radiaux» Les flasques isolants 56 transmettent la pression axiale des disques aux bandes 55 et ils déchargent ainsi les brins de 25 la somme des pressions axiales des bobines partielles» Un avantage essentiel de la bobine selon l'invention consiste en ce que, malgré l'isolation mutuelle des brins de la bande, il ne risque pas de se produire de Modification sensible de la surface libre de la bande, c'est—à-dire aucune 30 altération de la possibilité de refroidissement de cette bande» Lorsqu'on doit s'attendre à l'apparition de tensions relativement grandes - de l'ordre de plusieurs milliers de volts — entre les brins d'une bande, il est avantageux de placer des isolateurs entre les brins entourés par le métal de sbabilisation» Le reste 35 de la surface du mécal de stabilisation peut alors rester dégagé. Lorsqu'il ne risque de se produire entre les différents brins que des tensions relativement faibles (de l'ordre de plusieurs volts dans le cas d'une bande du type de la barre de Roebel), il suffit généralement de prévoir une oxydation extérieure du métal 40 de stabilisation entourant les brins» La couche d'oxyde qui en 06084 ° 2003321 coure complèteiuoiit 1-2 «;éi-al de stabilisation remplit alors la fonction de l1 isolateurc Une telle coacJie d'oxyde serait par exe pie parfaitement suffisante pour assurer l'isolation dans l'exon pie de la figure 5« La bande en fibres de vene sex't uniquement améliorer encore l'effet de refroidissement0 BAD ORIGINAL 69 06084 9 2003321 REVENDICATIONS 1• Bobine supraconductrice à courant continu dont les dimensions et le champ magnétique sont importants et qui comporte au moins deux enroulements en forme de disque branchés en série 5 et réalisés au moyen d'une bande conductrice dans laquelle sont incorporés des brins supraconducteurs, séparés les uns des autres et branchés en parallèle au moins aux extrémités de la bobine, cette bobine étant caractérisée par le fait que les brins sont filiformes et isolés entre eux et par le fait que chaque boucle 10 formée par deux brins et leurs points de jonction communs est divisée en boucles élémentaires par permutation des brins de telle sorte qu'aucun flux radial n'agisse en pratique dans 1'ensemble de la boucle et que les tensions périphériques (tensions de boucles) produites dans les boucles élémentaires lors d'une excita-15 tion ou d'une désexcitation se compensent mutuellement* 2* Bobine supraconductrice suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que, dans le cas d'une bobine comportant deux moitiés symétriques par rapport à un plan radialf les brins supraconducteurs de la bande sont isolés entre eux dans le plan 20 de symétrie entre les demi-bobines et pénètrent sans permutation dans la demi-bobine suivante. 3* Bobine supraconductrice suivant les revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que, dans le cas d'une bobine formée de bobines doubles élémentaires comportant chacune un enrou-25 lement en double-disque, il est prévu entre deux bobines doubles élémentaires, qui sont adjacentes que les brins de la bande sont permutés au moins dans une partie de chaque demi-bobine. 4* Bobine supraconductrice suivant les revendications 1 à 3» caractérisée par le fait que la bande présente une structure 30 du type de la barre de Roebel (barre croisée), de manière que les permutations des brins se répètent périodiquement à l'intérieur de la bande et de façon continue sur toute la longueur de bande'* 5* Bobine supraconductrice suivant la revendication 4f caractérisée par le fait que la barre croisée est maintenue par 35 des bandes d'armature qui absorbent les forces radiales et axiales exercées sur les brins* 6* Bobine supraconductrice suivânt la revendication 5, caractérisée par le fait que les bandes d'armature comportent des canaux qui sont obtenus par un travail de déformation et per- 40 mettent au liquide de refroidissement d'arriver jusqu'aux différents brins*