Brevet FR3119043A1 — publié le 20220722

La présente invention concerne une machine électrique (1) supraconductrice comprenant un inducteur (3) comprenant : - des pastilles supraconductrice (7) réparties circonférentiellement autour d’un axe (X) de la machine électrique (1), - un induit (2) comprenant des bobines (5), chaque bobine (5) présentant une bordure radialement interne (10) et une bordure radialement externe (9) circonférentielles, et - au moins une barrière de flux (12, 12’) s’étendant circonférentiellement par rapport à l’axe (X), chaque barrière de flux (12) s’étendant entre les pastilles supraconductrices (7) et l’induit (2) de sorte à recouvrir au moins partiellement l’une au moins parmi la bordure radialement externe (9) et la bordure radialement interne (10) de tout ou partie des bobines (5) de l’induit (2). Figure pour l’abrégé : Fig. 2a Protection des bobines d’une machine électrique DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des machines électriques comprenant des pastilles supraconductrices pouvant notamment être utilisées dans des aéronefs. En particulier, l’invention s’applique aux machines électriques comprenant des pastilles magnétisées ou non-magnétisées, aux machines électriques à aimants supraconducteurs ou à barrières de flux supraconductrices, aux machines entièrement supraconductrices (induit et inducteur supraconducteurs) ou partiellement supraconductrices (induit ou inducteur supraconducteur) ainsi qu’aux machines supraconductrices à flux radial ou axial. ETAT DE LA TECHNIQUE Une partie de l’ingénierie se préoccupe des futurs moyens de transport en cherchant à rendre les systèmes plus écologiques. Dans le domaine du transport aérien, différents projets et prototypes ont déjà vu le jour, comme SOLAR IMPULSE ou l’E-FAN d’Airbus. Les préoccupations environnementales, la réduction de la consommation de carburant et de bruit sont tant de critères qui encouragent l’utilisation de machines électriques. Pour pouvoir supplanter les technologies actuelles, les constructeurs aéronautiques travaillent sur l’augmentation de la puissance massique de ces machines électriques. Ainsi, une étude est conduite sur le gain qu’apporterait les matériaux supraconducteurs HTC (acronyme de haute température critique) pour les actionneurs embarqués. Un matériau supraconducteur est un matériau qui, lorsqu’il est refroidi à une température inférieure à sa température critique, présente une résistivité nulle offrant ainsi la possibilité de faire circuler des courants continus sans pertes. De cela, plusieurs phénomènes en découlent comme la réponse diamagnétique pour toute variation du champ magnétique, permettant de réaliser d’excellents blindages magnétiques. De manière connue en soi, une machine électrique comprend un inducteur et un induit. L’inducteur comprend une bobine HTC réalisé avec des fils HTC qui génère un champ magnétique modulé par des pastilles supraconductrices, qui font office d’écrans magnétiques. L’induit, quant à lui, comprend un système de bobinage triphasé en cuivre comprenant un agencement de bobines qui reposent sur un support ferromagnétique ou amagnétique. La rotation des écrans fait varier le champ magnétique et induit, par la loi de Lenz, une force électromotrice dans les bobines. Le dimensionnement d’une telle machine conduit à une structure à flux axial sans système d’alimentation tournant (type bague/balais). La maintenance et les problèmes de sécurité, apportés par un système bague/balais tournant, sont donc évités. Cette machine électrique est partiellement supraconductrice dans la mesure où seul l’inducteur est réalisé dans un matériau supraconducteur, par opposition à une machine totalement supraconductrice dont toutes les parties actives sont conçues avec des matériaux supraconducteurs. Dans ce qui suit, on désignera par « inducteur » la bobine HTC et les pastilles supraconductrices configurées pour moduler le flux magnétique crée par la bobine HTC. On notera que, dans une machine électrique supraconductrice à barrières de flux, on utilise le comportement diamagnétique des pastilles supraconductrices quand elles sont refroidies hors champ. Les pastilles supraconductrices sont dans ce cas non-magnétisées et forment un écran (écrantage) qui dévie les lignes de champ, lorsqu’elles sont plongées dans un champ magnétique. Le champ magnétique est alors concentré et de forte amplitude entre les pastilles supraconductrices non-magnétisées et faible en aval de celles-ci. En variante, les pastilles supraconductrices peuvent être magnétisées et former des aimants supraconducteurs. On parle alors de machine à aimants supraconducteurs. Généralement, les pastilles sont réalisées dans l’un au moins des matériaux suivants qui possèdent notamment de très bonnes caractéristiques d’écrantage : en YBCO (acronyme anglais de Yttrium Barium Copper Oxide pour Oxydes mixtes de Baryum, de Cuivre et d'Yttrium), en GdBCO (acronyme anglais de Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen), en NbTi (pour niobium-titane), en MgB2 (diborure de magnésium) ou tout matériau RE-Ba-Cu-O ou RE peut être n’importe quelle terre rare. Les pastilles sont généralement obtenues grâce au procédé de croissance de germe. On pourra notamment se référer à l’article de M. Morita, H. Teshima, et H. Hirano, « Development of oxide superconductors », Nippon Steel Technical Report, vol. 93, p. 18–23, 2006 pour plus de détails sur ce procédé. En particulier, ce type de procédé consiste à former un cristal par solidification progressive de matière sur la surface d’un germe préexistant. Les pastilles ainsi obtenues sont donc généralement de formes circulaires ou rectangulaires. En variante, il a également été proposé de réaliser les pastilles par frittage. Cependant, la connexion inter-grain associée à ce procédé de fabrication a tendance à diminuer les performances des pastilles. Un autre procédé consiste à utiliser des rubans supraconducteurs (ou « tapes » en anglais) pour la fabrication des pastilles supraconductrices. On parle dans ce cas d’empilements de rubans (ou « stack of tapes » en anglais). Ces pastilles, dont le noyau supraconducteur est renforcé par la matrice des rubans les constituant, présentent une bonne tenue mécanique. Cette bonne tenue mécanique est particulièrement avantageuse lorsque les pastilles sont magnétisées (machine à aimants supraconducteurs). Toutefois, la Demanderesse s’est aperçue du fait que, dans une machine électrique comprenant des pastilles supraconductrices, les forces générées à la périphérie externe des bobines de l’induit, qui peuvent s’élever à 100 N par exemple, ont tendance à déformer les bobines ce qui crée des problèmes mécaniques de structure et est susceptible de réduire l’efficacité de la machine électrique. Un but de l’invention est de proposer une machine supraconductrice dans laquelle les risques de déformation des bobines de l’induit sont réduits sans pour autant réduire l’efficacité de la machine électrique. Un autre but de l’invention est d’augmenter, de manière simple et efficace, la densité de puissance des machines supraconductrices. L’invention s’applique à tout type de machine supraconductrice, qui comprennent notamment les machines partiellement supraconductrices ou totalement supraconductrices, à barrières de flux ou à aimants supraconducteurs, à flux axial ou radial. Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, une machine électrique supraconductrice comprenant un inducteur comprenant des pastilles supraconductrice réparties circonférentiellement autour d’un axe de la machine électrique et un induit comprenant des bobines, chaque bobine présentant une bordure radialement interne et une bordure radialement externe, la bordure radialement interne et la bordure radialement externe s’étendant suivant une direction circonférentielle par rapport à l’axe. Par ailleurs, la machine électrique comprend en outre au moins une barrière de flux s’étendant circonférentiellement par rapport à l’axe, chaque barrière de flux s’étendant entre les pastilles supraconductrices et l’induit de sorte à recouvrir au moins partiellement l’une au moins parmi la bordure radialement externe et la bordure radialement interne de tout ou partie des bobines de l’induit. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la machine électrique selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : - la barrière de flux recouvre au moins partiellement l’une au moins parmi la bordure radialement externe et la bordure radialement interne de toutes les bobines de l’induit ; - la barrière de flux recouvre toute la bordure radialement externe et/ou toute la bordure radialement interne de tout ou partie des bobines de l’induit ; - chaque bobine présente en outre des bordures latérales connectant la bordure radialement interne et la bordure radialement externe, la barrière de flux recouvrant au plus 10% des bordures latérales ; - la barrière de flux est discontinue et comprend au moins une fente s’étendant suivant une direction sensiblement radiale par rapport à l’axe ; - la machine électrique comprend en outre une couche isolante logée dans la fente ; - la barrière de flux recouvre au moins partiellement la bordure radialement interne ; elle peut alors être continue sur toute sa circonférence dans le cas d’une machine électrique flux axial ; - la barrière de flux présente une forme annulaire ; - la barrière de flux comprend une série de secteurs d’anneau, chaque secteur d’anneau s’étendant entre deux pastilles supraconductrices ; - la barrière de flux est fixée sur l’induit ou sur l’inducteur ; - la barrière de flux est solidaire des pastilles supraconductrices ; - la machine électrique comprend en outre une bobine coaxiale à l’axe s’étendant radialement autour des pastilles supraconductrices, la barrière de flux étant fixée sur une face radiale interne de la bobine de l’inducteur ; - un rayon externe de la barrière de flux est supérieur ou égal à un rayon externe des pastilles supraconductrices ; et/ou - la machine électrique comprend une barrière de flux recouvrant au moins partiellement la bordure radialement externe de tout ou partie des bobines de l’induit et une barrière de flux supplémentaire s’étendant circonférentiellement par rapport à l’axe, ladite barrière de flux supplémentaire s’étendant entre les pastilles supraconductrices et l’induit de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement interne de tout ou partie des bobines de l’induit. Selon un deuxième aspect, l’invention propose un aéronef comprenant une machine électrique selon le premier aspect. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : La est une vue explosée et schématique d’un exemple de machine électrique à flux axial selon l’art antérieur ; La est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une machine électrique à flux axial conforme à un premier mode de réalisation de l’invention, dans laquelle la barrière de flux est fixée sur les pastilles supraconductrices ; La est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une variante de réalisation de la ; La est une vue de face d’un exemple de réalisation d’une barrière de flux annulaire ; La est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une machine électrique à flux axial conforme à un deuxième mode de réalisation de l’invention, dans laquelle la barrière de flux est fixée sur les bobines de l’induit ; La est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une machine électrique à flux radial conforme à un troisième mode de réalisation de l’invention, dans laquelle la barrière de flux est fixée sur les bobines de l’induit ; La est une variante de réalisation de la machine électrique à flux radial de la ; La est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une machine électrique à flux axial conforme à un quatrième mode de réalisation de l’invention, dans laquelle la barrière de flux est montée radialement à l’intérieur de la bobine de l’inducteur ; La est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une machine électrique à flux radial conforme à un cinquième mode de réalisation de l’invention, dans laquelle la barrière de flux est montée radialement à l’intérieur des bobines de l’induit ; La est une vue schématique d’un aéronef comprenant une machine électrique conforme à l’invention. La illustre un exemple d’aéronef pouvant comprendre une machine électrique conforme à un mode de réalisation de l’invention. Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. Machine électrique (1) supraconductrice comprenant un inducteur (3) comprenant des pastilles supraconductrice (7) réparties circonférentiellement autour d’un axe (X) de la machine électrique (1) et un induit (2) comprenant des bobines (5), chaque bobine (5) présentant une bordure radialement interne (10) et une bordure radialement externe (9), la bordure radialement interne (10) et la bordure radialement externe (9) s’étendant suivant une direction circonférentielle par rapport à l’axe (X), la machine électrique (1) étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre au moins une barrière de flux (12, 12’) s’étendant circonférentiellement par rapport à l’axe (X), chaque barrière de flux (12) s’étendant entre les pastilles supraconductrices (7) et l’induit (2) de sorte à recouvrir au moins partiellement l’une au moins parmi la bordure radialement externe (9) et la bordure radialement interne (10) de tout ou partie des bobines (5) de l’induit (2). Machine électrique (1) selon la revendication 1, dans laquelle la barrière de flux (12, 12’) recouvre au moins partiellement l’une au moins parmi la bordure radialement externe (9) et la bordure radialement interne (10) de toutes les bobines (5) de l’induit (2). Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la barrière de flux (12, 12’) recouvre toute la bordure radialement externe (9) et/ou toute la bordure radialement interne (10) de tout ou partie des bobines (5) de l’induit (2). Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque bobine (5) présente en outre des bordures latérales (11) connectant la bordure radialement interne (10) et la bordure radialement externe (9), la barrière de flux (12, 12’) recouvrant au plus 10% des bordures latérales (11). Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle la barrière de flux (12, 12’) est discontinue et comprend au moins une fente (13) s’étendant suivant une direction sensiblement radiale par rapport à l’axe (X). Machine électrique (1) selon la revendication 5, comprenant en outre une couche isolante (14) logée dans la fente (13). Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle la barrière de flux (12’) recouvre au moins partiellement la bordure radialement interne (10), ladite barrière de flux (12’) pouvant être continue sur toute sa circonférence dans le cas d’une machine électrique (1) flux axial. Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle la barrière de flux (12, 12’) présente une forme annulaire. Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle la barrière de flux (12, 12’) comprend une série de secteurs d’anneau (12a), chaque secteur d’anneau (12a) s’étendant entre deux pastilles supraconductrices (7). Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 9, dans laquelle la barrière de flux (12, 12’) est fixée sur l’induit (2) ou sur l’inducteur (3). Machine électrique (1) selon la revendication 10, dans laquelle la barrière de flux (12) est solidaire des pastilles supraconductrices (7). Machine électrique (1) selon la revendication 10, dans laquelle l’inducteur (3) comprend en outre une bobine (6, 6’) coaxiale à l’axe (X) s’étendant radialement autour des pastilles supraconductrices (7), la barrière de flux (12) étant fixée sur une face radiale interne de la bobine (5) de l’inducteur (3). Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 12, dans laquelle un rayon externe de la barrière de flux (12) est supérieur ou égal à un rayon externe des pastilles supraconductrices (7). Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 13, comprenant une barrière de flux (12) recouvrant au moins partiellement la bordure radialement externe (9) de tout ou partie des bobines (5) de l’induit (2) et une barrière de flux supplémentaire (12’) s’étendant circonférentiellement par rapport à l’axe (X), ladite barrière de flux supplémentaire (12’) s’étendant entre les pastilles supraconductrices (7) et l’induit (2) de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement interne (10) de tout ou partie des bobines (5) de l’induit (2). Aéronef (100) comprenant une machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 14.