Brevet FR2629942A1 — publié le 19891013

Dispositif d'accumulation d'énergie dans une inductance supraconductrice La présente invention concerne un dis@ositif accumulation d energie dans une inductsnce supraconductri- ce, en vue de libérer cette Énergie sous une forme im@ui- sionnelle. Elle s'appliquera, par exemple, dans un lance electromagnetique, c'est-à-dire dans une machine lançant des projectiles avec une énergie se chiffrant en ditaines de mégajoules, par 1'effet des forces électromagnétiques développées à partir ae l'énergie stockee dans 1 inductance supraconductrice et libérée sous la forme d'une impul i on de quelques millisecondes. Dans le domaine des hautes Énergies, il est classi- que d'utiliser un dispositif d accumulation d Énergie recevant l'énergie fournie par une source a dé@it limité et capable de fournir toute l'énergie accumulée en un @ref intervalle de temps. On a utilisÉ a cette fin des bancs oe condensateurs ou des machines homooolaires. L'utilisation d'une inductance su@raconductrice dans un tel domaine semblait indiquée par le fait que l'éner@ie stockable dans une telle inductance est notablement supérieure á celle que @eut stocker un banc de condensateurs de meme encombrement. Elle Était toutefois imprati- quable en raison de ce que, en régime impuisionnel, le matériau de l'inductance ne conservait pas son État supraconducteur, du lait des pertes par hystérésis et par cou- rants induits. C'est ainsi que 1 l'on trouve decrit, dans l article "Hybrid pulsed power transformer (HFFT) : Magnet design ana results of verification experiments", de E.M.W. Leung et al, publié dans le document CS14 de la "10th International Conference on Magnet Technology (MT10), 21-25/9/87, Boston, (U.S.A.)", un transformateur d'impulsion hybride subissant une charge lente, par son enroulement primaire demeurant a l'état supraconducteur, et fournissant une décharge impul sionnelle dans un enroulement secondaire non su@racon@uc- teur. lorsque l enroulement frimaire est amene A cuitter l'état supraconducteur. On notera en passant qe le terme "hybride" vient de ce que le transformateur possède un enroulement su@ra- conducteur. dans lequel l'énergie est stockee sans pertes et un enroulement secondaire non supraconducteur servant a extraire l'énergie stockée. Les pertes au primaire du dispositif decrit dans cet article sont deja prohibitives pour certaines apolica- tions de plus, 1 Énergie thermique dissipez au primaire devant ëtre évacuée avant qu'un nouveau cvcle de fonctionnement puisse avoir lieu, la fréquence maximale d utilisa- tien du dispositif est considérablement reduite. L'arrivÉe au stade de la production de matériau: supraconducteurs multifilamentaires ne souffrant pas des restrictions mentionnées permet maintenant d'envisager l'utilisation pratique des inductances supraconductrices pour le stockage d'énergie avec restitution im@ulsionnelle. Par ailleurs, l 'accumulation d Énergie dans une inductance supraconductrice soulève, d'une manière générale un problème de pertes cryogéniques par les amenées de courant. Le probleme des amenées de courant est traite par e::emple, dans un autre contexte, dans 1 article "Designs of pulsed power cryogenic transformers", de S.K. Singh et al, @ublié dans le document CS13 de la "10th International Conference on Magnet Technology (MT10), 21-25/9/87, Boston. (U.S.A.)" , @ui décrit un transformateur d impulsion non supraconducteur pour un lanceur électromagnétique, d une structure cylindricue. avec primaire et secondaire concentriques, les amenées de courant avant une section résultant d un calcul base sur leur Échauffement adiabati que pendant l'im@ulsion. En résumé, pour limiter des pertes cryogenl- ques au niveau des amenées, celles-cl doivent avoir une section réduite. Mais pour limiter les pertes par effet Joule et l augmentation corrélative de temperature aux niveau des amenées il faut leur donner une section élevée. Le conflit entre ces exigences contradictoires est encore plus aigu dans le cas d un dis@ositif a accumulati@ d'énergie dans une inductance supraconductrice. en rai son des risques de perte de 1 l'état supraconducteur. Une soiu- tion de compromis implique toujours un surcout en movens de refroissement cryogénique. Dans le premier document cite ce problème n EST pas traité. les amenées de courant devant supporter ie courant de l'inductance supraconductrlce durant toute la charge lente de cette dernière. Un premier objet de l'invention est donc un dispo- sitif d'accumulation d'energie dans une inductance supraconductrice dans lequel les exigences contradictoires relatives au amenées de courant sont considerablement allégées. Un autre objet de l'invention est un dispositif d'accumulation d'énergie dans lequel les oertes d énergie durant la charge de l'inductance supraconductrice s@nt minimisées. Un autre objet de l'invention est un dispositif d'accumulation d'énergie dans lequel la libération impulsionnelle de l'énergie stockez s'effectue a""c de pertes minimisées. Selon une caractéristique de 1 invention, le dispo- sitif d accumulation d'énergie dans une inductance supra- conductrice en vue de la libérer sous une forme impulsion- nelle comprend, dans une enceinte froide pourvue d amenees de courant, 1 enroulement constituant l'inductance suora- conductrice et un dispositif de commutation froid bouclant l'inductance supraconductrice pour la conservation sans perte de l'énergie qu'elle contient, ainsi pLie, hors de l'enceinte froide, un condensateur, un dispositif d'alimentation pour charger le condensateur, un commutateur chau@ insÉré dans un circuit connectant ce condensateur en saris avec l'inductance supraconductrice. par lesdites amenees. et des moyens de commande comprenant des disposïtions pour ouvrir ledit dispositif de commutation froid et pour fermer ledit commutateur chaud, afin que 1 inductance se trouve connectée en série avec le condensateur et reçoive de 1 énergie de ce condensateur et ensuite pour refermer ledit disoositif de commutation froid et pour rouvrir ledit commutateur chaud, afin Que 1 inductance su@raconductrice conserve l'énergie ainsi acquise, pendant que le condensa- teur est recharge, une telle succession d'opérations étant répétée plusieurs fois pour charger par étapes l'inductance supraconductr i ce. Dans le dispositif d@accumulation d'énergie de l'invention, les amenées de courant sont ainsi utilisées par courts intervalles, le temps de chaque transfert incré- mentiel d'énergie du condensateur à 1 inductance supraconductrice. Elles peuvent donc supporter des pertes ohmiques relativement élevees sans échauffement inacceptable; ; cela oermet de leur conférer une section relativement faible réduisant d'autant le flux thermique ou elles apportent et les pertes cryogéni Dues qu'elles causent Selon une autre caractéristi@ue ae 1 'invention, le dispositif d'accumulation d énergie comDrend en outre, flore de 1 enceinte froide, un enroulement secondaire et une charge commutable, et lesdits moyens de commande comprennent aussi des dispositions intervenant lorsaue 1 inductan- ce est chargée et que la charge commutable est en circuit, pour ouvrir ledit dispositif de commutation froid et pour fermer temporairement ledit commutateur chaud, de sorte qu'une faible part de l'énergie stockée dans l'inductance supraconductrice est transférée dans 1 e condensateur, après l'ouverture dudit commutateur froid, sans dissipation notable d'énergie dans ledit commutateur froid aLt moment de son ouverture, vendant que 1 essentiel de 1 'Énergie stoc- ée, induite au secondaire est transférée à la charge sous une forme impulsionnelle. ainsi, le transfert vers la charge oe I énergie accumulée s 'effectue par ouverture de la @oucle froide eu circuit primaire et sans pertes dans l'enceinte froide. s surtension qu'on obtiendrait dans la boucle froide. sans circuit de dérivation du courant, et la dissipation d'éner- gie dans le commutateur froid, créée au moment Ce son ouverture. sont évitées au primaire gracie a la mise en circuit d'un condensateur de dérivation si n est autre que le condensateur servant au transfert d'énergie de la source à l'inductance. L'énergie retournée au condensateur pourra etre réutilisée, ce oui améliorera encore l'efficacité globale. Selon une autre caractéristique de 1 invention, ledit dispositif de commutation froid comprend la combinai- son en parallèle d'un contact métallique et ô un redresseur, de sorte que, lorsque le dispositif de commutation froid est fermé, le contact métallique permette l'établis- sement d'une boucle sans résistance, et que. lors@ue le dispositif de commutation est ouvert. pour un transfert d'énergie du condensateur a l'inductance supraconductrice le redresseur redevienne ensuite passant et boucle l'induc- tance supraconductrice des que la charge ou condensateur est sensiblement transférée dans l'inductance. Selon une autre caractéristique de 1 invention, ledit redresseur est un redresseur commandé et lesdits moyens de commande comprennent des dispositions pour le bloquer, lorsque le contact metallique d dispositif de commutation froid est ouvert afin de transférer a la charge l'énergie stockée dans l'inductance supraconductrice, et pour. lui permettre de devenir passant, lorsque le contact métallique du dispositif de commutation froid est ouvert En vue de permettre un transfert d'énergie dudit con@ensateur à l'inductance supraconductrice. Les différents objets, caractéristiques et avantages du dispositif à accumulation d'énergie de la présente invention seront maintenant exposés de fac on plus détailles dans le cours de la description qui va suivre faite en se reportant à la figure annexée oui re@r@sente le schéma de principe d'un exemple de réalisation de l'invention, fourni a titre d'exemple limitatif. La figure annexée représente donc le schéma de principe d un dispositif d accumulation d'energie dans une inductance supraconductrice en vue de la libérer sous une forme impulsionnelle conforme a la présente invention. L'utilisation de l'énergie libérée indiquée dans cet exem- ple est la propulsion d'un pro@ectile. L'énergie doit par conséquent etre maximale. le poids du pro@ectile et ou la portée du lanceur en détendant. De plus, si le dispositif doit entre mobile, le rendement doit etre également le plus élevé possible. en vue de limiter le poids de la source d'energie. Enfin, s'il s'agit d'une arme, ces cycles opératoires complets doivent entre accomplis dans une durée minimale, pour 1 obtention d une cadence de tir élevée. Il est bien évident, toutefois, que aes considerations similaires F urraient etre développées dans d autres cas d'application. Le stockage de l'énergie s'opère dans une intructan- ce supraconductrice L1. L'énergie provient d une source PS. Elle est destinée à etre liberée sous une forme impulsionnelle au profit d'une charge constituée par un projectile P. Un dispositif de commande DC ordonne le stockage de l'énergie dans l'inductance Li et sa libération impulsionnielle. L'inductance Li et ctn dispositif de commutation DC sont placés dans une enceinte froide EF. La temperature dans cette enceinte froide est telle que les conducteurs électriques soient supraconducteurs. Le dispositif de commutation DC est normalement ferme. Ce dispositif de commu- tation comprend en particulier un contact metal 1 i Cue @@ bouclant l'inductance Li et un redresseur R@ shuntant le contact Ki. Si l'on suppose que l@inductance Li est @arcou- rue par un courant I1. ce courant se maintient dans la boucle. sans pertes, en raison de ce sue tous les éléments de la boucle sont suoraconducteurs.Ce courant engendre un champ magnétique dans lequel est stockée l'energie qui a été apportée lors de l'établissement du courant. L'inductance Li peut ainsi conserver 1 énergie qui lui est apportée. Cette énergie provient d'une source de courant continu PS couplée à un condensateur C. Ce couplage @eut ëtre effectué d'une manière connue ouelconque : c'est pour quoi il est figuré par des traits interrom@us. Il @ pour effet d'entretenir, aux bornes du condensateur C. une tension élevée (plusieurs dizaines de milliers os volts par exemple) convenant à l'apport d'énergie à l'inductance Li. Dans une forme de couplage particulièrement simple, la source PS est connectée en permanence au condensateur C par des résistances de découplage. Les moyens de commande MC com@rennent des dispositions leur oermettant de connaftre les courants et tensions en divers endroits du dispositif d'accumulation et particulier, la tension aux bornes du condensateur C et le courant dans l'inductance Li. De telles dispositions os mesure sont banale en elles-memes et n ont pa"' été renre- sentées sur le schéma.. Elles permettent d 'établir que l'inductance Li n@est pas complétement chargée et @u'un cyle de transfert de charge doit encore entre accompli. Dans l'accomplissement de ce cycle d'accumulation de l'énergie, les moyens de commande MC maintiennent constamment, par une liaison cd comprenant une traversée de l'enceinte EF, le redresseur Rd en situation de se comporter comme une diode. Au début de ce cvcle d' accumulation de l'énergie. les moyens de commande MC provoquent d'abord, par une autre liai son ce comprenant une traversée T2 de l'enceinte EF. l'ouverture du contact froid Ki qui cesse de courtcircuiter le redresseur Rd ; puis les movens de commande MC provoquent, par une liaison cc. la fermeture du commutateur chaud KO, ce qui a pour effet d interromDre la circulation du courant dans la branche du dispositif de commutation froid DC, pendant la durée du transfert d'énergie du condensateur C a l'inductance Ll, par un courant I1 d intensité croissante circulant dans le circuit de transfert.Ce circuit de transfert comprend , depuis la borne inférieure de l'inductance Li, une traverse A2 de l'enceinte étanche EF. les armatures négative et @ositive du condensateur C, le commutateur KO, une inductance de protection Lc, une autre traversee Ai de l enceinte EF et la borne supérieure dia 1 inductance L1. Des qe le contact est ouvert et le commutateur KO fermé, le courant Ii passe par le condensateur C et les traversées A1 et A2 et il est augmenté du courant qu'e@gendre la tension existant au." bornes du condensateur C. Cette tension. par ailleurs. polarise en inverse et bioaue le redresseur Rd. L énergie contenue dans le condensateur C est ainsi trans@erée a l'inductance L1 par un accroissement progressif du courant @1 et du cham@ magnétique qu'il engendre. Dès que la tension aux bornes du condensateur C s'inverse, le redres- seur Rd devient @assant et la boucle se retablit pour le courant Ii dans 1 enceinte EF.Les amenées A1 et A2 ne sont plus parcourues par le courant I1. Les moyens de commande MC détectant la fin d transfert d énergie entre le condensateur C et l'inductance Li comprennent des dis@ositions Dour rouvrir le commutateur KO et refermer le dispositif de commutation froid DC, en particulier le contact Ki. Le cycle de transfert d'énergie. entre le condensateur C et l'inductance Li est terminé. Le condensateur C est maintenant rechargé, tandis que les amenées de courant A1 et A2. échauffes pendant la période de temos or elles ont été traversées par le courant il, sont refroidies par les moyens de maintien de l'enceinte EF à basse tem@érature. Un tei cycle est répéte Lin certain nombre de fois en fonction du dimensionnement du circuit (tension et courant pour la charge du condensateur C, energie totale que stocke 1 inductance Li). L'intervalle entre cycles de transfert successifs permet au amenées de courant de se refroidir et cela fait que 1 la section des amenées ce courant peut entre réduite, par rapport a ce qui @er@@ nécessaire dans un dispositif a accumulation en un seul cvcle, ou permet de charger @lus vite l'inductance supraconductrice ou permet encore des économies sur le système de refroidissement de l'enceinte froide EF.Quel oue soit l'as@ect privilégié, l'efficacité du svstème d'accumulation d énergie est amélioré. On va maintenant considérer la décharge impuision- nelle de 1 'énergie accumulée. Cette décharge a lieu sur une commande OC reçue par les moyens de commande MC et on admettra ou'elle est exécutée seulement lorsque l'inductance Li a atteint le niveau de charge prescrit, ce qui est vérifié, dans les moyens de commande MC, par la mesure du courant Ii. Les moyens de commande MC comprennent a cette fin des disDositions commandant d'abor@ 1 ouverture CL contact Ki, qui cesse de court-circuiter le redresseur Rd, et la fermeture du commutateur KO, ce qui ne modifie @as la circulation du courant dans 1 la boucle froide. Ensuite, les movens de commande MC provo@uent le bloquage @u redresseur Rd, par la liaison cd, ce qui ouvre la boucle du courant I@ dans l'enceints froide et établit un courant par le conden- sateur C, chargeant celui-ci sous une tension dont la polarité est inverse de celle qu'il recevait au cours du cvcle d'accumulation de l'énergie dans 1 inductance il. Bien entendu, étant donné les tensions et courants considérés, le terme "redresseur" corres@ond à une combinaison de composants individuels. tels que des th@ristors. en serie et en parallèle. L'enroulement L2 est magnétiquement couplé a i roulement Li. Il comporte un petit nombre de spires pour former avec l'enroulement primaire un transformateur a@ais- seur de tension et multiplicateur de courant, gr@ce à oucl on peut envisager d atteindre des courants secondaire de l'ordre du million d'ampères. Cet enroulement est connecte a deux rails Ri et R2 sur lesquels est place un proJectile a lancer P. La tension induite au secondaire L2 tend donc a faire circuler un courant de boucle secondaire 12 par les rails R1. R2 et le projectile P.L'effet électromagnétique de ce courant tend a repousser le projectile P sur les rails R1. R2. Comme les rails R1 et R2 sont de longueur limitée, oour des raisons d'encombrement du lanceur. le courant secondaire doit cro@tre le plus vite possible. il peut ainsi entre souhaitable de disposer entre le projectile et les rails un isolant destructible cédant lorsous la tension $secondaire est suffisamment élevée. Une telle solution offre encore 1 avantage que le projectile P peut etre disposé sur les rails sans cependant interférer avec le processus de charge de l'inductance supraconductrice. ci celui-ci n est pas terminé. A la fin de la décharge impulsionneile, le contact kO est ensuite réouvert, des qet le condensateur étant chargé, le courant qui le traverse s annule. de sorte que la charge accumulée par le condensateur C est conservée, en vue d'@tre réem@loyee, par ces moyens de commutation non représentés, - mai 5 du domaine de la technique courante, lors d'un cycle opératoire suivant. ce qui améliore 1 efficacite globale du dispositif. Pour finir, le contact Ki set refermé, sur ordre des moyens de commande MC lorsque le projectile a quitté les rails. Il est bien @vident que la description qui precede n'a été donnes au'a titre d'exemple non limitatif et igue de nombreuses variantes peuvent entre envisagées sans sortir bour autant du cadre de 1 invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'accumulation d énergie dans une inductance supraconductrice en vue de la libérer SOUS une forme impulsionnelle, caractérisé en ce @u'il comprend, dans une enceinte froide (EF) pourvue d'amenees Ce couranr (A1, A2), l'enroulement (Li) constituant l'inductance supraconductrice et un dispositif de commutation froid @@@@ bouclant 1 'inductance supraconductrice pour la conservation sans perte de 1 'énergie qu'elle contint, ainsi @ue crs de 1 'enceinte froide, un condensateur (C), un dispositif d'alimentation (PS) pour charger le condensateur S un commutateur chaud (KO) inséré dans un circuit connectant ce condensateur en série avec l'inductance supraconouctrice (Li), par lesdites amenées (A1, A2), et des moyens de commande (MC) comDrenant des dispositions pour ouvrir ledit dispositif de commutation froid (DC) et pour fermer le@it commutateur chaud (KO), afin que l'inductance se trauv@ connectée en série avec le condensateur et reço@ ve os l'énergie de ce condensateur et ensuite pour rsar;;ner ledit dispositif de commutation froid (DC) et pour rouvri@ ledit commutateur chaud (KO), afin que l'inductance supraconductrice (L1) conserve l'énergie ainsi acouise, tanois que le condensateur (C) est rechargé, une telle succession d'opérations étant répétée plusieurs fois pour charger par étapes 1 'i nductancs supraconductri ce 2.Dispositif d'accumulation d'énergie conforme a la revendication 1, caractérise en ce qu'il com@rend en outre, hors de 1 'enceinte froide, un enroulement secondaire (L2) et une charge commutable (P). et lesdits movens commande (MC) comprennent aussi des dispositions interve- nant lorsque l'inductance (L1) est chargée et que la charge commutable (P) est en circuit, pou@ ouvrir ledit dispositif de commutation froid (DO) et pour fermer temporairement ledit commutateur chaud (KO). de sorte qu'une partis de l'énergie stockée dans l'inductance supraconductrice (L1) est transférée dans le condensateur (C), tandis que l'essentiel de l'énergie stockée, induite au secondaire (L2), est transférée à la charge (P) sous une forme impul sionnelle. 3. Dispositif d'accumulation d'énergie conforme à la revendication 1 ou 2. caractérisé en ce que ledit dispo- sitif de commutation froid (DC) comprend la combinaison en parallèle d'un contact métallique (K1) et d un redresseur (Rd), de sorte que, lorsque le dispositif de commutation froid (DC) est ferme, le contact metaliioue (K1) permette l'établissement d'une boucle sans résistance, et que, lorsque le dispositif de commutation (OC) est ouvert, pour r. transfert d'énergie du condensateur (C) à l'inductance supraconductrice (L1), le redresseur (Rd) redevienne @as- sant et boucle l'inductance supraconductrice (L1), dès que la charge d condensateur (C) est sensiblement transféré dans l'inductance. 4. Dispositif d'accumulation d'énergie conforme à la revendication 3, caracté@isé en ce @ue ledit redresseur Rd) est un redresseur commande et lesdits movens de commande (MC) comprennent des dispositions pour le bloquer. lorsque le contact métallique (K1) du dispositif de commustation (DC) est ouvert afin de transférer a la charge (P) l'énergie stockée dans l'inductance supraconductrice (L1), et pour lui permettre de redevenir passant, lorsoue le contact métallique (K1) du dispositif de commutation (DC) est ouvert afin de permettre la reprise de la circulation du courant (I1) dans la boucle froide. à la fin d'un trans fert d'éner@ie dudit condensateur (C) à i 'inductance tsupra- conductrice (L1)