Brevet FR2623949A1 — publié le 19890602

Moteur et groupe moteur. La présente invention concerne un nouveau moteur utilisant des matières supraconductrices, et en particu- lier un groupe moteur comportant des moyens de refroidis- sement. Dans un moteur à induction à cage d'écureuil usuel, une boucle en court-circuit sur elle-même est formée dans un rotor à cage d'écureuil comprenant une pluralité de barreaux conducteurs courts-circuités par deux conducteurs circulaires placés aux extrémités oppo- sées des barreaux, le rotor étant alimenté en énergie par induction électromagnétique à partir d'un stator de maniè- re à engendrer un couple. Par conséquent, le rotor à cage d'écureuil tourne à une vitesse de rotation un peu plus petite que celle du champ magnétique tournant engendré par le stator. D'autre part, dans un moteur synchrone, un champ magnétique tournant est engendré par un stator, de la même façon que dans un moteur à induction. Au démarrage, un rotor est mis en rotation suivant un principe semblable à celui du moteur à induction, de façon à lancer le moteur synchrone, puis le rotor (inducteur) est excité par un courant continu de sorte que le rotor tourne à la même vitesse de rotation eue le champ magnétique tournant en- gendre par le stator, c'est-à-dire en synchronisme. Dans le moteur à induction utilisant le rotor à cage d'écureuil usuel construit comme décrit ci-dessus, le rotor à cage d'écureuil présente une certaine résis- tance électrique de sorte que, si on applique une tension, le moteur à induction démarre et peut vaincre une charge et accélérer progressivement jusqu'à une vitesse proche de la vitesse de synchronisme. Le moteur tourne ensuite en équilibre avec le couple résistant tout en conservant un glissement, de sorte que la vitesse de rotation est légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme. Le choix de divers paramètres permet d'obtenir un couple de démarrage plus grand que le couple nominal. D'une manière générale, afin d'améliorer les ca- ractéristiques de démarrage des moteurs, on augmente la résistance du circuit secondaire mais, si on accroit la dimension des conducteurs, la capacité thermique augmente. Toutefois, dans le moteur à induction utilisant le rotor à cage d'écureuil comme décrit plus haut, la résistance du rotor à cage d'écureuil, c'est-à-dire la résistance du circuit secondaire, n'est pas prévue variable. Par conséquent, on rencontre un inconvénient en ce que, si le rotor à cage d'écureuil est largement dimensionné avec une résistance fixe, il se produit une perte électrique, proportionnelle à la résistance secondaire élevée, égale- ment dans le fonctionnement à vitesse constante après démarrage, de sorte que le rendement en service est sen- siblement réduit. D'autre part, le moteur synchrone est avantageux du point de vue du rendement et du facteur de puissance pendant la marche après son démarrage, mais on rencontre des difficultés en ce que l'isolement de l'enroulement inducteur est nécessaire, la construction est compliquée de ce fait, et on doit également prévoir des enroulements d'amortissement pour obtenir une stabilité au démarrage et une stabilité de transition comme le moteur à induc- tion, de sorte que les conducteurs ne peuvent pas avoir une dimension aussi grande que dans le rotor à cage d'écureuil du moteur à induction usuel, le couple de démarrage étant également limité. La présente invention vise à résoudre les problè- mes précités. La présente invention a pour objet princi- pal de procurer un nouveau moteur qui peut avoir un ren- dement élevé, par augmentation de la résistance d'un ro- tor à cage d'écureuil constituant une résistance de cir- cuit secondaire pour un fonctionnement en moteur à induc- tion lors du démarrage, et par annulation de la résistan- ce des enroulements inducteurs pour un fonctionnement en moteur synchrone après démarrage. Dans le moteur conforme à la présente invention, un rotor à cage d'écureuil est constitué d'anneaux d'ex- trémité et de barreaux creux ou à gorges, ces anneaux et ces barreaux étant remplis d'une matière supraconduc- trice, de sorte que des circuits bouclés en nombre égal au nombre de pales sont formés symétriquement, par rapport à l'axe principal d'un inducteur, par la matière supra- conductrice remplissant deux barreaux et les deux anneaux d'extrémité. Plus précisément, le moteur de l'invention comprend un rotor à cage d'écureuil comportant une plura- lité de barreaux conducteurs courts-circuités par deux conducteurs circulaires opposés connectés aux deux extré- mités respectives des barreaux. Il est caractérisé en ce que ledit rotor à cage d'écureuil comporte des espaces, qui peuvent être des parties creuses ou des gorges, rem- plis d'une matière supraconductrice, dans chaque barreau conducteur et chaque conducteur circulaire, et en ce que deux barreaux conducteurs respectifs sont électriquement raccordés aux deux conducteurs circulaires de sorte que la matière supraconductrice remplissant les barreaux conducteurs respectifs et les conducteurs circulaires peut former des circuits bouclés qui sont symétriques par rapport à un axe d'un pôle magnétique dudit rotor à a cage d'écureuil, en nombre égal au nombre des pôles magnétiques. Avec le moteur conforme à la présente invention, on obtient des caractéristiques de démarrage semblables à celles du moteur à induction utilisant le rotor à cage d'écureuil constitué par les conducteurs usuels, par adoption de la construction ci-dessus et démarrage à tem- pérature ambiante. En outre, puisqu'un courant continu permanent circule dans les enroulements inducteurs formés par la matière supraconductrice, lorsqu'on refroidit le rotor à une température inférieure à la température cri- tique de la matière supraconductrice après démarrage, le moteur conforme à la présente invention peut fonctionner comme un moteur synchrone, de rendement très élevé. La présente invention a également pour objet un groupe moteur comprenant des moyens de refroidissement, pour refroidir le nouveau moteur ci-dessus qui utilise des matières supraconductrices. D'autres objets et avantages de l'invention appa- raitront mieux à la lumière de la description détaillée ci-après, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe dans le plan passant par l'axe de rotation d'un rotor à cage d'écureuil de l'art antérieur; la figure 2 est une vue partielle développée le long de la direction de rotation, suivant la ligne II-II de la figure 1; et la figure 3 est une coupe partielle dans une direction perpendiculaire à l'axe de rotation, illus- trant une construction d'un noyau d'induit; la figure 4 est un graphique des courbes carac- téristiques couple-vitesse du moteur conforme à la pré- sente invention et du moteur à induction à cage d'écu- reuil usuel; la figure 5 est une coupe dans un plan passant par l'axe de rotation d'un rotor à cage d'écureuil du moteur conforme à la présente invention, suivant la ligne V-V de la figure 6; la figure 6 est une vue développée partielle le long de la direction de rotation du rotor à cage d'écureuil; la figure 7 est une coupe partielle perpendicu- laire à l'axe de rotation; la figure 8 est une vue de face illustrant un mode de réalisation d'un anneau d'extrémité; la figure 9 est une coupe schématique illustrant un premier mode préféré de réalisation du groupe moteur conforme à la présente invention; et la figure 10 est une coupe schématique d'un deuxième mode préféré de réalisation du groupe moteur conforme à la présente invention. Le moteur classique des figures 1 à 3 comprend un noyau 1 constitué d'un grand nombre de tôles en acier électromagnétique empilées, ou d'un cylindre en acier coulé. Le noyau 1 est monté solidement sur un arbre de moteur 6, au moyen de deux pièces de serrage 3 placées de part et d'autre du noyau dans sa direction axiale, de sorte que son axe coïncide avec l'axe de l'arbre 6. Une pluralité d'encoches 2 sont formées dans la direction axiale du noyau 1, par poinçonnement ou usina- ge, de manière à pénétrer dans le noyau 1, comme repré- senté sur la figure 3 qui est une coupe perpendiculaire à l'axe principal. Des barreaux conducteurs métalliques 4, par exem- ple en cuivre, aluminium ou leurs alliages, sont insérés dans les encoches respectives 2. Des anneaux circulaires d'extrémité 5, en mémes métaux conducteurs que les bar- reaux 4, sont connectés aux deux extrémités des barreaux respectifs 4 par brasage ou soudage, en court-circuit électrique, de manière à constituer le rotor à cage d'écureuil ou circuit secondaire du moteur à induction. Les composants des figures 5 à 10 qui sont indenti- ques ou correspondent à ceux qui sont représentés sur les figures 1 à 3, illustrant l'art antérieur, sont désignés par les mêmes repères. Comme on le voit sur les figures 5 et 6, dans un moteur de l'invention, un noyau 1 est constitué d'un grand nombre de tôles en acier électromagnétique empi- lées, ou formé cylindriquement en acier coulé ou autre. Ce noyau 1 est fixé sur un arbre de moteur 6 au moyen de pièces de serrage 3 placées de chaque côté du noyau dans sa direction axiale, de sorte que son axe principal coïncide avec l'axe principal de l'arbre de moteur 6. Une pluralité d'encoches 2 sont formées dans la direction axiale du noyau 1, par poinçonnement ou usina- ge, de manière à pénétrer dans le noyau 1 comme repré- senté sur la figure 7 qui est une coupe perpendiculaire à l'axe principal. Un barreau 4, constitué d'un conducteur métalli- que en cuivre, aluminium ou leurs alliages, ou autre, est inséré dans chacune des encoches 2. Des anneaux d'extrémité ou conducteurs circulaires 5, constitués d'un conducteur métallique semblable aux barreaux 4, sont connectés aux deux extrémités des barreaux respec- tifs 4 par brasage ou soudage en court-circuit électri- que, de manière à former un rotor à cage d'écureuil, ou circuit secondaire, habituellement utilisé pour un moteur à induction. Dans le moteur conforme à la présente invention, comme représenté sur la figure 7, une partie de la plura- lité de barreaux 4 présente une configuration creuse et les parties creuses 10 sont remplies d'une matière supra- conductrice 13, telle qu'une matière céramique formée d'un composé Y-BaCu-O ayant une température critique de à 100 K. D'autre part, comme représenté sur la figure 8, des gorges 11, 12 sont ménagées dans les deux anneaux d'extrémité 5 sur leurs surfaces opposées, c'est-à-dire les surfaces sur lesquelles les barreaux respectifs 4 sont montés comme représenté sur la figure 8. Les gorges 11, 12 sont remplies avec la matière supraconductrice 13 semblable à celle qui remplit les parties creuses 10 des barreaux 4 décrits plus haut. La matière supracon- ductrice 13 remplissant les parties creuses 10 des barreaux respectifs 4 et la matière supraconductrice 13 remplis- sant les gorges 11, 12 des deux anneaux d'extrémité 5 dé- finissent un circuit bouclé, par connexion électrique de points respectifs A et de points respectifs B dans la gorge 11 des deux anneaux d'extrémité 5 entre eux par l'intermédiaire des barreaux 4, comme représenté sur les figures 5 et 6, tandis que des points C et des points D dans la gorge 12 sont électriquement connectés entre eux par l'intermédiaire des barreaux, respectivement, pour former un circuit bouclé. En outre, les circuits bouclés respectifs cons- titués par ces matières supraconductrices 13 sont dispo- sés symétriquement par rapport à l'axe principal d'un pble magnétique du rotor à cage d'écureuil, indiqué par CC sur les figures 6 et 8. Pour la fabrication pratique du rotor à cage d'écureuil ayant la structure ci-dessus, on remplit les parties creuses 10 et les gorges 11, 12 des barreaux res- pectifs 4 et des anneaux d'extrémité respectifs 5 avec la matière supraconductrice 13, puis on soumet les bar- reaux et les anneaux à une cuisson et on les assemble ensuite en forme de cage cylindrique par soudage ou brasage de sorte que les matières supraconductrices sont électriquement raccordées les unes aux autres. Le moteur suivant la présente invention possède donc une structure telle que le circuit bouclé constituant les enroulements inducteurs, formé par la matière supraconductrice 13, est incorporé dans le rotor à cage d'écureuil constitué par les conducteurs usuels, grâce à cette construction. On décrit maintenant le fonctionnement du moteur conforme à la présente invention, décrit ci-dessus. Initialement, le moteur conforme à la présente invention démarre à température ambiante, ou plus exacte- ment dans une ambiance à une température supérieure à la température critique de la matière supraconductrice 13. Dans cette situation, la matière supraconductrice 13 n'est pas à l'état supraconducteur mais travaille de la même façon que le rotor à cage d'écureuil du moteur à induction usuel, pour l'ensemble du rotor. A ce moment, la résistance secondaire est relativement grande, sa va- leur étant déterminée par la résistance du conducteur métallique constituant les barreaux 4 et les anneaux d'extrémité 5. Par conséquent, si on applique une tension au stator du moteur, le rotor à cage d'écureuil fonctionne comme un rotor usuel à cage d'écureuil de résistance élevée ou un rotor à encoches profondes, de sorte que le moteur possède la caractéristique couple-vitesse sembla- ble à celle du moteur à induction usuel, représentée par la courbe (1) de la figure 4, et qu'il accélère. Par contre, si on refroidit progressivement le rotor au moyen d'un fluide réfrigérant, tel que l'azote liquide, au moment o l'accélération est terminée après le démarrage, la résistance du conducteur métallique constituant les barreaux 4 et les anneaux d'extrémité 5 diminue progressivement, de sorte que le moteur possède la caractéristique couplevitesse représentée par la courbe (2) de la figure 4. Si on refroidit davantage le rotor à cage d'écu- reuil, jusqu'à une temperature égale ou inférieure à la température critique de la matière supraconductrice 13, la matière supraconductrice 13 passe à l'état supracon- ducteur de sorte que la résistance de la matière supra- conductrice 13 devient nulle et qu'un courant continu permanent commence à circuler dans les circuits bouclés respectifs constitués par la matière supraconductrice 13 remplissant les deux anneaux d'extrémité 5 et deux bar- reaux 4, en méme temps qu'on atteint le synchronisme. Ensuite, ces circuits bouclés fonctionnent comme des enroulements inducteurs du moteur synchrone, de sorte que le fonctionnement en moteur synchrone devient possi- ble et qu'on obtient la caractéristique couple-vitesse représentée par la courbe (3) de la figure 4. Le conducteur métallique constituant le rotor à cage d'écureuil remplit non seulement la fonction de pièce de retenue pour la matière supraconductrice 13 mais également la fonction d'enroulement d'amortissement pendant la période o le moteur conforme à la présente invention fonctionne en moteur synchrone, de sorte que la stabilité de transition en moteur synchrone est égale- ment améliorée. D'autre part, bien que le circuit bouclé soit constitué simplement par combinaison de plusieurs bar- reaux partiellement creux 4 parmi les barreaux conduc- teurs et remplissage des parties creuses 10 avec la ma- tière supraconductrice 13 dans le mode de réalisation préféré décrit plus haut, si également d'autres barreaux 4 sont creux et remplis avec une matière de résistance élevée, on peut améliorer les caractéristiques de fonc- tionnement en moteur à induction au démarrage, c'est-à- dire qu'on peut en pratique supprimer le déséquilibre de la résistance secondaire. Des moyens de refroidissement sont nécessaires pour le fonctionnement du moteur conforme à la présente invention, comme décrit plus haut. On décrit maintenant un groupe moteur comprenant le moteur conforme à la pré- sente invention et des moyens de refroidissement de ce moteur. La figure 9 est une coupe schématique illustrant un premier mode préféré de réalisation d'un groupe mo- teur conforme à la présente invention. Sur la figure 9, le repère 20 désigne le moteur conforme à la présente invention, décrit plus haut. Dans le présent mode préféré de réalisation, le moteur 20 est de type hermétique, dont le carter 21 est fermé de façon étanche. Le carter 21 comporte un tube d'évacuation 35 et un tube d'amenée de réfrigérant 31, ces deux tubes étant connectés en circuit fermé au carter 21 par l'in- termédiaire d'un surpresseur 33 et d'un échangeur de chaleur 32. Le mode préféré de réalisation représenté sur la figure 9 suppose qu'on utilise une matière supraconduc- trice dite à haute température ayant une température cri- tique de 80 K ou plus, par exemple. On utilise comme ré- frigérant un fluide de réfrigération gazeux, tel que l'azote gazeux, et le rotor est refroidi à la température critique ou au-dessous par introduction du réfrigérant dans le carter 21, après le démarrage. D'autre part, la figure 10 est une coupe schéma- tique illustrant un deuxième mode préféré de réalisation d'un groupe moteur conforme à la présente invention. Dans ce mode préféré de réalisation, le moteur est du type à boîte fermée. Plus précisément, une tôle en acier non magnétique 23 est appliquée sur la face intérieure du stator 22, c'est-à-dire du côté du rotor, de manière à définir, en association avec le carter 21, une enveloppe ou boîte qui enferme le rotor de façon étanche. Un tube d'évacuation 35 et un tube d'amenée de réfrigérant 31 sont raccordés à la boite définie par le carter 21 et la plaque en acier non magnétique 23, le tube d'évacuation 35 et le tube d'amenée de réfrigérant 31 étant tous deux raccordés en circuit fermé à la boîte par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 32 et d'une pompe 34. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 10, on utilise une matière supraconductrice ayant une température critique sensiblement inférieure à 80 K, de sorte qu'on utilise pour le refroidissement un fluide réfrigérant tel que l'azote liquide et le rotor est re- froidi à la température critique ou au-dessous par in- troduction du réfrigérant dans le carter 21. Bien entendu, on peut utiliser le réfrigérant - gazeux également dans ce deuxième mode préféré de réa- lisation. Comme décrit ci-dessus en détail, avec le moteur conforme à la présente invention, le démarrage en moteur à induction à cage d'écureuil usuel, dont les caractéris- tiques de démarrage sont meilleures, est possible par démarrage dans une atmosphère à temperature ambiante. En outre, si on refroidit le rotor à cage d'écureuil à la température critique de la matière supraconductrice ou- au-dessous, pour former le circuit bouclé de matière supraconductrice à la fin de l'accélération après le dé- marrage, on effectue automatiquement l'accrochage au synchronisme et, ensuite, le fonctionnement en moteur synchrone à rendement élevé sous l'effet du courant per- manent devient possible. D'autre part, la matière supraconductrice peut être recouverte par les conducteurs métalliques usuels, de sorte qu'elle peut contribuer à l'amélioration de la stabilité de transition, comme enroulements d'amortisse- ment, et en outre sa perte, sa rupture ou autres peuvent être évitées également dans le cas o on utilise une ma- tière supraconductrice relativement fragile. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Moteur comprenant un rotor à cage d'écureuil comportant une pluralité de barreaux conducteurs (4) courts-circuités par deux conducteurs circulaires oppo- sés (5) connectés aux deux extrémités respectives des barreaux, caractérisé en ce que ledit rotor à cage d'écureuil comporte des espaces (10, 11, 12), remplis d'une matière supraconductrice (13), dans chaque barreau conducteur et chaque conducteur circulaire, et en ce que deux barreaux conducteurs respectifs (4) sont électrique- ment raccordés aux deux conducteurs circulaires (5) de sorte que la matière supraconductrice remplissant les barreaux conducteurs respectifs et les conducteurs circu- laires peut former des circuits bouclés qui sont symétri- ques par rapport à un axe d'un pôle magnétique dudit rotor à cage d'écureuil, en nombre égal au nombre des pôles magnétiques. 2. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits espaces sont des parties creuses ména- gées dans lesdits barreaux conducteurs et lesdits conduc- teurs circulaires. 3. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits espaces sont des gorges ménagées dans lesdits barreaux conducteurs et lesdits conducteurs cir- culaires. 4. Moteur suivant l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que ladite matière supraconductrice est une matière céramique formée d'un composé Y-Ba-Cu-0. 5. Groupe moteur qui comprend un moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit moteur est un moteur de type hermétique (20), et en ce que le groupe comprend des moyens de re- froidissement (31, 32, 33, 35) pour refroidir l'intérieur dudit moteur de type hermétique au moyen d'un réfrigérant gazeux. 6. Groupe moteur qui comprend un moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit moteur est un moteur de type à boite fer- mée (21, 23), et en ce que le groupe comprend des moyens de refroidissement (31, 32, 34, 35) pour refroidir l'in- térieur dudit moteur à boite fermée, au moyen d'un fluide réfrigérant. 7. Groupe moteur selon la revendication 6, carac- térisé en ce que ledit fluide réfrigérant est un réfrigé- rant liquide.