Brevet FR2710779A1 — publié le 19950407

La présente invention concerne l'application nouvelle qui est faite d'une bobine supraconductrice capable d'absorber ou d'évacuer de l'énergie magnétocalorique, cette bobine ayant également des caractéristiques qui lui sont propres. Cette nouvelle application est celle de la motorisation des véhicules à propulsion électrique, ainsi que pour des installations électriques statiques ou non telles que des bâtiments, des salles d'ordinateur, des satellites, etc. L'ensemble de ce dispositif désigné sous l'appellation générale de régénérateur magnétocalorique utilise le principe consistant à faire subir à des matériaux dont l'entropie peut être changée sous l'influence d'un champ magnétique extérieur, une aimantation ou une désaimantation combinée avec un échange de chaleur. Les matériaux généralement utilisés sont à une température comprise dans une plage dans laquelle la perméabilité magnétique décroit linéairement ou quasi linéairement, quand la température augmente. Au cours de la désaimantation isotherme de la substance, le champ passant d'une valeur à une autre valeur inférieure, une quantité de chaleur est cédée à la substance magnétique. Au cours de l'aimantation isotherme de la substance, le champ magnétique passant d'une valeur inférieure à une valeur supérieure, une quantité de chaleur est enlevée à la substance magnétique. La faisabilité technique du stockage magnétique d'énergie par supraconducteurs a été prouvée par différents essais, spécialement ceux menés au Laboratoire Los Alamos National Laboratory Bonneville Power Administration (1975-82). Une bobine de 30 mégajoules a été installée en 1983, pour réguler le fonctionnement du réseau de la Bonneville Power Administration (Etats-Unis). L'état de la technique peut être défini par différents documents. Le document WO 91-08605 concerne un dispositif de charge de moyens d'accumulation d'énergie électrique, qui comprend des moyens d'alimentation électrique continue, des moyens d'accumulation, des moyens de commutation qui relient les moyens d'alimentation aux moyens d'accumulation et dont la fermeture permet la charge de ces derniers, des moyens de commande pour comparer à un seuil de tension déterminé la tension aux bornes des moyens d'accumulation et pour commander l'ouverture des moyens de commutation lorsque le seuil est atteint par cette tension, un moyen inductif d'accumulation temporaire d'énergie magnétique et des moyens pour dérouter une énergie électrique excédentaire, essentiellement d'origine magnétique, susceptible d'apparaître dans le dispositif, au cours de la charge des moyens d'accumulation, vers des moyens capables d'absorber cette énergie excédentaire. Le document FR-A-2.659.805 a trait à un limiteur de courant comprenant une bobine ayant un premier enroulement en matériau supraconducteur et un second enroulement, les deux enroulements, bobinés en sens inverse, étant connectés en parallèle, caractérisé en ce que l'enroulement supraconducteur a un nombre de spires supérieur au moins de quatre fois à celui du second enroulement, ledit enroulement supraconducteur étant traversé par une fraction de courant total. Le document EP-A-O. 404.209 propose un élément ferromagnétique à travers lequel on fait passer un courant soit par des connexions électriques directes soit par induction. Le courant à travers l'élément ferromagnétique peut être bien supérieur à ce qui est nécessaire pour chauffer l'élément au-delà de son point de Curie effectif. Lorsque l'élément est chauffé et passe à travers sa transition de Curie effective (à savoir lorsque sa température s'élève d'en dessous de son point de Curie effectif jusqu'à, ou au-delà, de son point de Curie effectif) la variation de perméabilité de l'élément est détectée et le courant le traversant est coupé. Ensuite l'élément refroidit. Lorsque la température s'abaisse en dessous du point de Curie effectif, on rétablit totalement le courant. Le processus de chauffage et de refroidissement se répète sans arrêt. Ceci a pour résultat de maintenir l'élément à son point de Curie effectif par l'intermédiaire d'un courant pulsé alimentant l'élément. La transition de Curie peut être détectée en détectant directement les variations de perméabilité de l'élément de même qu'en utilisant un enroulement d'autotransformateur autour de l'élément ; ou bien en détectant les variations de puissance dans l'élément du fait de la variation de la résistance de l'élément lorsqu'il passe à travers le point de Curie effectif. Enfin le document EP-A-0.487.130 concerne un dispositif réfrigérant magnétique qui comprend un aimant engendrant un champ magnétique d'intensité élevée, un écran magnétique supraconducteur de forme tubulaire, un matériau thermomagnétique et un moyen de déplacement alternatif pour déplacer l'écran magnétique supraconducteur ou le matériau thermomagnétique selon un mouvement de va-et-vient. Le dispositif réfrigérant magnétique est disposé de manière qu'un processus de magnétisation quand le matériau thermomagnétique est magnétisé dans le champ magnétique d'intensité élevée et un processus de démagnétisation quand le matériau thermomagnétique est démagnétisé en étant placé dans la section creuse de l'écran magnétique se répètent sous l'action du moyen de déplacement alternatif de façon que le matériau thermomagnétique produise du froid. En utilisant la propriété d'un supraconducteur de forme tubulaire qui peut empêcher le magnétisme d'un champ magnétique externe de pénétrer dans la section creuse du tube et qui peut créer un champ magnétique d'intensité nulle dans la section creuse, le matériau thermomagnétique magnétisé dans le champ magnétique d'intensité élevée produit par l'aimant est inséré dans la section creuse de l'écran supraconducteur de forme tubulaire et il est démagnétisé dans des conditions adiabatiques pour produire du froid. Les buts essentiels de la présente invention sont de proposer une application nouvelle de ces bobinages supraconducteurs dans le stockage de l'énergie électrique, par exemple dans le fonctionnement de véhicules à propulsion électrique. A cet effet, la présente invention propose un moyen de propulsion électrique, installation électrique statique ou autres qui utilise un bobinage supraconducteur fonctionnant à des températures voisines du zéro absolu, dans lequel est placé un noyau ferromagnétique, caractérisé par le fait que le noyau est en un matériau dont la température de fonctionnement est comprise entre la température de Curie ferromagnétique et la température de Curie paramagnétique, et que cette température de fonctionnement est voisine de la température ambiante. L'invention concerne également un véhicule à propulsion électrique comportant de façon classique un châssis, une carrosserie et un moteur électrique, caractérisé par le fait que le moteur électrique est alimenté en électricité par un régénérateur magnétocalorique qui est composé par au moins une bobine faisant office d'aimant, chaque bobine enserrant un noyau métallique, chacun de ces deux éléments étant maintenu à température constante à l'aide d'échangeurs de chaleur. La bobine est en un matériau supraconducteur, dont la température de fonctionnement est voisine et inférieure à la température critique du matériau supraconducteur qui la constitue, et le noyau métallique est en une substance magnétique, dont la température de fonctionnement est inférieure à la température de Curie paramagnétique et supérieure à la température de Curie ferromagnétique du matériau magnétique qui le constitue. Le moyen ou le véhicule comporte plusieurs bobines intégrant chacune un noyau dont la disposition les unes par rapport aux autres forme un polygone ayant autant de côtés que de bobines, les axes longitudinaux desdites bobines formant également un polygone, de sorte que les champs magnétiques de toutes les bobines forment un seul et même champ sensiblement circulaire. La bobine et le noyau métallique sont contenus chacun dans une enceinte à double paroi. L'enceinte contenant la bobine est cryogénique. Chaque enceinte est connectée à au moins deux échangeurs de chaleur, l'un ayant pour fonction d'évacuer de la chaleur, l'autre ayant pour fonction d'absorber de la chaleur, ces échanges de chaleur s'effectuant avec le milieu ambiant. Le fluide permettant les échanges de chaleur au niveau de la bobine est de l'hélium liquide. Le fluide permettant les échanges de chaleur au niveau du noyau métallique est de l'air et/ou de l'eau ou de l'hélium gazeux. Le ou les échangeurs de chaleur, qui stabilisent la température de la bobine, sont pilotés par un cryostat. Les échangeurs de chaleur, qui stabilisent la température du noyau métallique, sont pilotés par un thermostat. Le cryostat et le thermostat sont connectés à une batterie électrique ou tout autre moyen d'accumulation. Le moteur électrique est connecté au régénérateur via un dispositif électronique de contrôle et un redresseur de courant, de sorte que lorsque le régénérateur est en charge, le courant alternatif fourni par le secteur, ou autres, est transformé en courant continu. Les dessins ci-joints sont donnés à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs. Ils représentent un mode de réalisation préféré selon l'invention. Ils permettront de comprendre aisément l'invention. La figure 1 est un schéma synoptique illustrant le principe de fonctionnement d'une bobine supraconductrice protégée avec application des phénomènes magnétocaloriques. A la charge de la bobine, le courant croît et le champ magnétique augmente. Le matériau ferromagnétique du noyau subit une transformation qui dégage de la chaleur, chaleur récupérée par la source de chaleur à basse température. La source de chaleur dite à basse température se situe au voisinage du point de Curie ferromagnétique et le gradient existant permet l'évacuation de la chaleur engendrée dans la matière magnétique. La figure 2 est le même schéma lors de la suppression du champ magnétique. Le matériau absorbe une certaine quantité de chaleur provenant de la source de chaleur à haute température. Source de chaleur à haute température désigne une source dont la température est au voisinage du point de Curie ferromagnétique, avec un gradient qui permet la fourniture de chaleur à la matière magnétique. La figure 3 représente l'ensemble du régénérateur magnétocalorique, le circuit du gaz primaire étant en outre représenté. La figure 4 représente une variante dans laquelle le matériau est plongé dans un bain thermostaté. La figure 5 est un schéma de la fonction électrique d'une bobine supraconductrice capable d'absorber ou d'évacuer de l'énergie magnétocalorique d'un noyau , notamment en stockage d'énergie. Enfin, la figure 6 est une illustration de l'application du régénérateur magnétocalorique dans le transport terrestre. La bobine est montée sur un véhicule électrique et assure la fourniture de l'énergie de traction. Le fonctionnement global de la présente invention est bien représenté à la figure 6. Ainsi, le véhicule à propulsion électrique 1 est composé d'une carrosserie 2, d'un moteur électrique 3, le tout étant monté sur un châssis non représenté sur la figure. Pour fonctionner de façon autonome, il convient tout d'abord d'effectuer le chargement de son régénérateur magnétocalorique 4, ce chargement s'effectue à l'aide de la prise de courant 20 présente à la surface de la carrosserie 2 du véhicule 1. Cette prise 20 permet l'alimentation en courant alternatif provenant du secteur tel que du 220 volts (V). L'électricité va ensuite pénétrer à l'intérieur du régénérateur 4, via un redresseur de courant 19, qui transforme le courant alternatif du secteur en courant continu, plus adapté au bon fonctionnement du régénérateur magnétocalorique 4. Selon la figure 3, on comprend mieux le fonctionnement du régénérateur magnétocalorique 4. Celui-ci comprend essentiellement deux circuits, l'un correspondant à la bobine 5, l'autre au noyau métallique 6. La bobine ou bobinage en matériau supraconducteur 5 est installé à l'intérieur d'une enceinte 11 à double paroi de laquelle partent des tuyauteries 25 et 26 permettant l'alimentation d'un fluide 13 de stabilisation de sa température, pouvant être constitué par de l'hélium liquide. Les tuyauteries 25 et 26 aboutissent à deux échangeurs de chaleur 7 et 8 qui permettent la stabilisation de la température au niveau de la bobine 5 par l'intermédiaire du fluide 13. A ce niveau, un seul échangeur 7 ou 8 est nécessaire ; la température de la bobine 5 étant tellement basse qu'il n'est pas obligatoire d'avoir un échangeur ayant pour fonction de réchauffer le fluide 13. Pour plus de sécurité, on peut prévoir deux échangeurs de chaleur 7 et 8 destinés à refroidir tous les deux ledit fluide 13. Cette configuration se retrouve également au niveau du noyau métallique 6, à l'exception qu'il faut, dans ce cas, deux échangeurs de chaleur 9 et 10 ayant des fonctions opposées. Ledit noyau 6 est compris à l'intérieur d'une enceinte 12 à double paroi de laquelle partent des tuyauteries 27 et 28 permettant le transport d'un fluide de stabilisation de la température du noyau métallique 6, ce fluide 14 étant constitué par de l'eau et/ou de l'air ou tout autre fluide caloporteur comme de l'hélium gazeux. Là encore, les deux échangeurs de chaleur 9 et 10 sont montés en dérivation sur les tuyauteries 27 et 28 du circuit de refroidissement ou de réchauffage du noyau métallique 6. Tous les échangeurs de chaleur 7, 8, 9 et 10 fonctionnent à l'aide de pompes 21a, 21b, 22a, 22b, 23a, 23b, 24a ou 24b permettant de débiter les fluides de stabilisation de la température 13 ou 14 selon les flèches F1 et F2, des mesures sont effectuées soit par un cryostat 15 dans le cas de la bobine 5, soit par un thermostat 16 dans le cas du noyau métallique 6. Le cryostat 15 ainsi que le thermostat 16 fonctionnent à l'aide de données générées par des sondes respectivement 33 et 34 présentes dans le corps des enceintes 11 et 12 et/ou au niveau des tuyauteries d'entrée et/ou de sortie des circuits de stabilisation de la température des fluides 13 ou 14. Ces informations permettent de contrôler à tous moments la température, d'une part de la bobine 5, et d'autre part du noyau métallique 6. Ledit cryostat 15 et ledit thermostat 16 agissent ensuite sur les échangeurs de chaleur 7 et 8 d'une part, et 9 et 10 d'autre part, par l'intermédiaire des pompes 21a à 24b du circuit de stabilisation de la température de la bobine 5, mais également du noyau métallique 6. Lorsque les pompes 21a, 22a, 23a et/ou 24a sont mises en fonctionnement, les fluides 13 ou 14 sont dirigés en direction de l'échangeur de chaleur 7 à 10 qui selon les pompes mises en fonctionnement permettent soit le refroidissement du fluide 13 ou 14 soit le réchauffement du seul fluide 14, ceci afin de permettre une stabilisation de la température dans les enceintes 11 et 12. Lorsque les pompes 21b, 22b, 23b, et/ou 24b sont mises en fonctionnement les fluides 13 et 14 ne passent plus par les échangeurs de chaleur 7 à 10, ceux-ci sont alors court-circuités. Pour un bon fonctionnement, la bobine 5, qui est en un matériau supraconducteur, fonctionne à une température qui est voisine mais inférieure à la température critique du matériau supraconducteur utilisé. Il est également nécessaire que l'intensité du courant et le champ magnétique de fonctionnement soient toujours inférieurs à l'intensité critique et au champ critique. Ainsi, dans le cas où le matériau utilisé est du niobiumtitane (NbTi), la température de fonctionnement sera de l'ordre de 4,2 kelvins (K). Si l'alliage de matériau supraconducteur est du niobium aluminium (Nb3Al), la température de fonctionnement est de 8 K, la température critique étant alors de 19 K. Toujours pour un bon fonctionnement, le noyau métallique 6 est en un matériau magnétique dont la perméabilité magnétique décroit linéairement ou quasi linéairement avec la température. De plus, ledit noyau 6 présente des plaques de transmission de chaleur 29 et 30 qui sont pourvues d'ailettes de refroidissement 31 et 32 renforçant l'effet de transmission de la chaleur vers le fluide 14. Pour pouvoir exploiter ces propriétés, la température de fonctionnement est supérieure à la température de Curie ferromagnétique et inférieure à la température de Curie paramagnétique du matériau magnétique qui le constitue. L'intérêt du choix de cette température, intermédiaire entre l'état ferromagnétique et l'état paramagnétique, réside dans le fait que dans le premier cas il n'y a plus de limitation au stockage d'énergie, car il n'y a plus de saturation due à l'aimantation, et dans le second cas, la susceptibilité magnétique du matériau utilisé est très élevée. La température du matériau magnétique du noyau 6 est augmentée par aimantation et diminuée par désaimantation. Le noyau magnétique 6 est constitué soit de fer à 70 % associé à du nickel 30%, soit en un alliage de fer à 86 % et de magnésium à 14 %, mais il peut également être constitué par du gadolinium ou un alliage de nickel-cuivre ou de nickel-zinc, etc. L'avantage de ce type de matériau est que l'effet magnétocalorique est très intense au voisinage de la température de Curie. Ainsi, une faible variation de la température entraîne une forte variation du magnétisme. Les fluides 13 et 14 sont choisis en fonction de la température de fonctionnement de la bobine 5 et du noyau 6. Donc, lorsque le véhicule 1 est alimenté en électricité par du courant alternatif transformé en courant continu par le redresseur de courant 19, celui-ci est stocké à l'intérieur de la bobine 5, ce qui va créer un champ magnétique à l'intérieur du noyau métallique 6. Contrairement à ce qui est utilisé dans l'état de la technique qui utilise des batteries classiques pour alimenter un véhicule électrique, le temps de charge est bien moins important pour une durée de fonctionnement équivalente. Ainsi, les batteries actuelles fournissent une puissance de l'ordre de 30 watts heure par kilogramme (W.h/kg) et peuvent fonctionner pendant trois heures après un branchement de huit heures. Avec la présente invention, la capacité d'énergie stockée est de l'ordre de 175 W.h/kg et permet un fonctionnement de six heures lorsque le véhicule 1 a été branché pendant huit heures. De plus, la présente invention permet de régler la tension de sortie alors qu'avec des batteries pour pouvoir augmenter le voltage, il est nécessaire de mettre plusieurs batteries en série. Le réglage de la tension s'effectue grâce au dispositif électronique de contrôle 18 qui va commander par induction la force électromotrice de l'ensemble. Il convient à ce niveau d'expliquer que le fonctionnement du régénérateur magnétocalorique 4 doit être amorcé au préalable. Ceci est dû au fait que le fonctionnement des bobines supraconductrices d'un tel dispositif à une température de l'ordre de quelques K au-dessus du zéro absolu nécessite une mise en fonctionnement du dispositif cryogénique utilisant beaucoup de puissance, c'est-à-dire coûteuse et lente. Une fois ce circuit amorcé, la batterie électrique 17 suffira pour permettre la stabilisation de la température. Bien entendu, les enceintes 11 et 12 nécessitent, avec une plus forte disposition pour l'enceinte 11 de la bobine 5, des moyens d'isolation thermique très importants. Chaque enceinte 11 ou 12 comporte deux cloisons, l'une externe, l'autre interne, de forme cylindrique. L'espace entre les deux cloisons est un espace sous vide. L'interface entre le régénérateur 4 et le moteur électrique 3 est de conception classique, il existe ainsi trois circuits électriques différents. Tout d'abord, un circuit de charge où sont montés en série le dispositif électronique de contrôle 18 ainsi que la prise permettant l'alimentation en courant provenant du secteur et le redresseur de courant 19. Monté parallèlement au dispositif électronique de contrôle 18, se trouve le régénérateur magnétocalorique 4. Un deuxième circuit appelé circuit de maintien permet de débrancher l'alimentation du courant alternatif. Pour ce faire, le deuxième circuit correspond à une dérivation en parallèle au niveau de la prise de courant 20. Celle-ci permet lorsque l'on débranche la prise de courant 20, de laisser tourner le courant électrique à l'intérieur du circuit de charge sans passer par la prise 20. Il y a donc un circuit continu qui va permettre au courant de tourner sans trop se dissiper et sans problème de destruction éventuelle des appareillages constituant le véhicule 1. Le troisième circuit permet la connexion du moteur électrique 3 sur la boucle du deuxième circuit, ceci afin de mettre en liaison directe le régénérateur 4 et le moteur 3, dans le but de faire fonctionner le véhicule électrique 1. REFERENCES 1. Véhicule à propulsion électrique 2. Carrosserie 3. Moteur électrique 4. Régénérateur magnétocalorique 5. Bobine ou bobinage en matériau supraconducteur 6. Noyau métallique 7, 8. Echangeurs de chaleur affectés à la stabilisation de la température au niveau de la bobine 5 9, 10. Echangeurs de chaleur affectés à la stabilisation de la température au niveau du noyau métallique 6 11. Enceinte de la bobine 5 12. Enceinte du noyau métallique 6 13. Fluide de stabilisation de la température de la bobine 5 ou hélium liquide 14. Fluide de stabilisation de la température du noyau métallique 6 ou air ou eau ou hélium gazeux 15. Cryostat 16. Thermostat 17. Batterie électrique 18. Dispositif électronique de contrôle 19. Redresseur de courant 20. Prise de courant 21a, 21b, 22a, 22b. Pompes du circuit de stabilisation de la température de la bobine 5 23a, 23b, 24a, 24b. Pompes du circuit de stabilisation de la température du noyau métallique 6 25, 26. Tuyauteries du circuit de stabilisation de la température de la bobine 5 27, 28. Tuyauteries du circuit de stabilisation de la température du noyau métallique 6 29, 30. Plaques de transmission de chaleur 31, 32. Ailettes de refroidissement 33. Sonde thermique en liaison avec le cryostat 15 34. Sonde thermique en liaison avec le thermostat 16 F1. Sens de déplacement du fluide 13 F2. Sens de déplacement du fluide 14 REVENDICATIONS 1. Moyen de propulsion électrique, installation électrique statique ou autres qui utilise un bobinage supraconducteur (5) fonctionnant à des températures voisines du zéro absolu, dans lequel (5) est placé un noyau ferromagnétique (6), caractérisé par le fait que le noyau (6) est en un matériau dont la température de fonctionnement est comprise entre la température de Curie ferromagnétique et la température de Curie paramagnétique, et que cette température de fonctionnement est voisine de la température ambiante. 2. Véhicule (1) à propulsion électrique comportant de façon classique un châssis, une carrosserie (2) et un moteur électrique (3), caractérisé par le fait que le moteur électrique (3) est alimenté en électricité par un régénérateur magnétocalorique (4) qui est composé par au moins une bobine (5) faisant office d'aimant, chaque bobine (5) enserrant un noyau métallique (6), chacun de ces deux éléments (5 et 6) étant maintenu à température constante à l'aide d'échangeurs de chaleur (7 ou 8, 9 et 10). 3. Moyen ou véhicule selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la bobine (5) est en un matériau supraconducteur, dont la température de fonctionnement est voisine et inférieure à la température critique du matériau supraconducteur qui la constitue, et que le noyau métallique (6) est en une substance magnétique, dont la température de fonctionnement est inférieure à la température de Curie paramagnétique et supérieure à la température de Curie ferromagnétique du matériau magnétique qui le constitue. 4. Moyen ou véhicule selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs bobines (5) intégrant chacune un noyau (6) dont la disposition les unes par rapport aux autres forme un polygone ayant autant de côtés que de bobines (5), les axes longitudinaux desdites bobines (5) formant également un polygone, de sorte que les champs magnétiques de toutes les bobines (5) forment un seul et même champ sensiblement circulaire. 5. Véhicule selon l'une quelconque des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait que la bobine (5) et le noyau métallique (6) sont contenus chacun dans une enceinte à double paroi (11 ou 12). 6. Véhicule selon la revendication 5, caractérisé par le fait que chaque enceinte (11 ou 12) est connectée à au moins deux échangeurs de chaleur (7, 8 ou 9, 10) l'un (7 ou 9) ayant pour fonction d'évacuer de la chaleur, l'autre (8 ou 10) ayant pour fonction d'absorber de la chaleur ; ces échanges de chaleur s'effectuant avec le milieu ambiant. 7. Véhicule selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le fluide (13), permettant les échanges de chaleur au niveau de la bobine (5), est de l'hélium liquide, et que le fluide (14), permettant les échanges de chaleur au niveau du noyau métallique (6), est de l'air et/ou de l'eau ou de l'hélium gazeux. 8. Véhicule selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le ou les échangeurs de chaleur (7 et/ou 8), qui stabilisent la température de la bobine (5), sont pilotés par un cryostat (15), et que les échangeurs de chaleur (9 et 10), qui stabilisent la température du noyau métallique (6), sont pilotés par un thermostat (16). 9. Véhicule selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le cryostat (15) et le thermostat (16) sont connectés à une batterie électrique (17) ou tout autre moyen d'accumulation. 10. Véhicule selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le moteur électrique (3) est connecté au régénérateur (4) via un dispositif électronique de contrôle (18) et un redresseur de courant (19), de sorte que lorsque le régénérateur (4) est en charge, le courant alternatif fourni par le secteur, ou autres, est transformé en courant continu.