Brevet FR3130475A1 — publié le 20230616

Ce procédé de désexcitation d’une machine électrique comprenant un inducteur à effet supraconducteur et un induit comprend une étape (12) d’injection d’un courant électrique dans l’induit de manière à générer des pertes dans l’inducteur à effet supraconducteur jusqu’à augmentation de la température de l’inducteur à effet supraconducteur au-delà d’un seuil de température prédéfini pour lequel l’inducteur n’a plus d’effet supraconducteur. Figure pour l’abrégé : Fig 2 Procédé de désexcitation d’une machine électrique supraconductrice par injection de courant La présente invention concerne la désexcitation de machines électriques supraconductrices. La présente invention est applicable à des machines électriques entièrement ou partiellement supraconductrices, dans des configurations dans lesquelles au moins l’inducteur est supraconducteur. Une application particulièrement intéressante de l’invention concerne les turbomachines destinées à l’alimentation de réseaux de bord d’aéronefs en énergie électrique. Techniques antérieures Les systèmes de propulsion pour aéronef électrique ou hybride nécessitent l’utilisation de moteurs électriques capables de rivaliser avec, voire dépasser, les performances des moteurs thermiques. Les machines électriques destinées à la propulsion des avions électriques doivent avoir comme caractéristiques des densités de puissance électrique supérieures à environ 20kW par kg. Dans ce contexte, l’utilisation de machines les plus efficaces possible est avantageuse pour pouvoir atteindre ces niveaux de densité de puissance. L’utilisation de machines supraconductrices permet en premier lieu d’obtenir une bonne efficacité. En effet, lorsqu’ils sont refroidis à une température inférieure à leur température critique, les matériaux supraconducteurs ont une résistivité nulle, qui permet une circulation des courants continus sans pertes. A cette température, ils présentent également une réponse diamagnétique pour toute variation du champ magnétique. Ce comportement est analogue à celui d’une barrière de champ magnétique. L’absence de résistivité des matériaux supraconducteurs à une température inférieure à leur température critique permet donc d’augmenter la densité de courant circulant dans les conducteurs. En effet, l’absence de pertes par effet Joule dans les conducteurs supraconducteurs permet d’éviter une augmentation linéaire des besoins en refroidissement avec l’augmentation de la puissance des moteurs électriques supraconducteurs. Il reste néanmoins nécessaire de les refroidir à des températures inférieures à leurs températures critiques, typiquement inférieures à 100 Kelvin voire 150 Kelvin. On a représenté sur la un exemple de mode de réalisation d’une machine électrique 1 supraconductrice à barrières de flux et à flux axial sans noyau magnétique, également appelée sans fer. La machine électrique 1 comprend un inducteur à effet supraconducteur 2 comprenant un bobinage annulaire 3 et des pastilles supraconductrices 5 à barrière de flux. Le bobinage annulaire 3 est par exemple en matériau supraconducteur ou dans un autre matériau non supraconducteur. La machine électrique comprend également un induit 6 comprenant un ou plusieurs agencements de bobines électromagnétiques 7, l’inducteur à effet supraconducteur 2 étant coaxial aux agencements de bobines électromagnétiques 7. Les pastilles supraconductrices 5 sont disposées radialement à l’intérieur du bobinage annulaire 3 et rotatives par rapport au bobinage annulaire. En particulier, les pastilles supraconductrices constituent le rotor 8 de la machine électrique tandis que l’induit et le bobinage annulaire constituent le stator 10 de la machine électrique. L’axe de rotation du rotor 8 correspond à l’axe du flux axial de la machine électrique 1. Les pastilles supraconductrices 5 sont refroidies, à l’hélium, à l’azote ou à l’hydrogène par exemple, et réalisent la variation du champ magnétique grâce à la réponse diamagnétique des pastilles supraconductrices 5. Les pastilles supraconductrices 5 ont par exemple une forme circulaire ou de section annulaire, cette dernière forme améliorant la densité de puissance de la machine électrique 1. L'exemple plus particulièrement illustré à la correspond à une machine à flux axial comportant un rotor 8 encadré par deux stators 10. Dans ce cas, un ensemble de pastilles 5 est encadré de part et d'autre par un agencement de bobines électromagnétiques 7. En variante, on pourrait également avoir un stator encadré par deux rotors. Dans cette variante, un agencement de bobines électromagnétiques 7 est encadré de part et d'autre par un ensemble de pastilles supraconductrices 5. Dans un mode de fonctionnement en générateur, le bobinage annulaire 3 crée un champ magnétique intense axial, les pastilles supraconductrices 5 provoquent la variation de ce champ magnétique par barrière de flux, et les bobines électromagnétiques 7 sont exposées au champ magnétique variable créé par la rotation du rotor 8. Une force électromotrice est ainsi générée selon la loi de Faraday. Dans le contexte de l’aviation, la gestion des pannes au sein des machines électriques est primordiale afin de garantir la fiabilité globale des aéronefs. En cas de panne, il est impératif de limiter l’impact de celle-ci. Par exemple, une machine électrique génératrice défectueuse poursuivant sa rotation peut perturber les systèmes environnants en y injectant des courants ou tensions non désirés et non contrôlés. Des solutions existent pour limiter l’impact d’une panne de machine électrique. Une solution mécanique consiste à segmenter un arbre de la machine de façon à empêcher un entraînement en cas de panne, ce qui entraîne cependant la destruction de l’arbre de la machine. Une solution électromagnétique consiste à éteindre les sources de champ magnétique, par exemple les aimants ou les électroaimants. Cependant, ces solutions ne sont pas directement applicables aux machines électriques supraconductrices qui nécessitent usuellement une isolation par le vide et un refroidissement. En effet, les importants champs magnétiques mis en œuvre dans les machines supraconductrices complexifient leur démagnétisation. La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de faciliter une désexcitation rapide et fiable d’une machine électrique, par exemple au cours d’une panne. La présente invention a pour objet un procédé de désexcitation d’une machine électrique comprenant un inducteur à effet supraconducteur et un induit, le procédé comprenant une étape d’injection d’un courant électrique dans l’induit de manière à générer des pertes dans l’inducteur à effet supraconducteur jusqu’à augmentation de la température de l’inducteur à effet supraconducteur au-delà d’un seuil de température prédéfini pour lequel l’inducteur n’a plus d’effet supraconducteur. Ainsi, lors d’une panne, l’injection d’un courant électrique dans l’induit va générer un champ tournant dans la machine électrique, ledit champ tournant à une vitesse différente de celle de l’inducteur à effet supraconducteur, ou d’un de ses composants. Ce champ tournant va générer des pertes thermiques dans les composants supraconducteurs de l’inducteur à effet supraconducteur, ayant pour effet de réchauffer l’inducteur à effet supraconducteur et d’ainsi supprimer ses effets supraconducteurs. Dans un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une étape de détection d’une panne dans la machine électrique avant l’étape d’injection d’un courant électrique. Avantageusement, la machine électrique comprend un circuit de refroidissement de l’inducteur à effet supraconducteur, et le procédé comprend en outre une étape de fermeture du circuit de refroidissement en parallèle de l’étape d’injection d’un courant électrique. Avantageusement, l’inducteur à effet supraconducteur comprend des pastilles supraconductrices. Dans un mode de mise en œuvre particulier, l’inducteur à effet supraconducteur comprend un bobinage annulaire en matériau non supraconducteur. Dans un autre mode de mise en œuvre, l’inducteur à effet supraconducteur comprend un bobinage annulaire en matériau supraconducteur. Dans un mode de mise en œuvre, l’étape d’injection d’un courant électrique s’effectue par injection d’un courant électrique continu dans l’induit. Dans un autre mode de mise en œuvre, l’étape d’injection d’un courant électrique s’effectue par injection d’un courant électrique alternatif dans l’induit de la machine électrique, ladite machine électrique comprenant un rotor et un stator auxquels sont positionnés respectivement l’un ou l’autre de l’induit ou de l’inducteur à effet supraconducteur, le courant alternatif ayant une fréquence différente de la fréquence équivalente à la rotation du rotor par rapport au stator. Avantageusement, la machine électrique est triphasée et fonctionne en courant alternatif, l’induit comprenant au moins un agencement de bobines électromagnétiques, et l’inducteur à effet supraconducteur comprenant du YBaCuO ou du MgB2, préférentiellement du MgB2. L’invention a également pour objet un programme d’ordinateur configuré pour mettre en œuvre le procédé tel que défini précédemment lorsqu’il est exécuté par l’ordinateur. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : dont il a déjà été fait mention, illustre schématiquement et en vue éclatée les induit et inducteur d’une machine électrique à barrière de flux selon l’état de la technique ; illustre les étapes du procédé selon l’invention ; illustre schématiquement un mode de fonctionnement nominal d’une machine électrique dans un premier mode de mise en œuvre du procédé selon l’invention avec un dispositif d’injection de courant continu ; illustre schématiquement un mode de fonctionnement pour la désexcitation d’une machine électrique dans un premier mode de mise en œuvre du procédé selon l’invention avec un dispositif d’injection de courant continu ; et illustre schématiquement un dispositif d’injection de courant alternatif pour la désexcitation d’une machine électrique dans un second mode de mise en œuvre du procédé selon l’invention ; illustre schématiquement et en vue éclatée les induit et inducteur d’un mode de réalisation d’une machine électrique supraconductrice à laquelle peut s’appliquer le procédé de désexcitation selon l’invention ; et illustre schématiquement et en vue éclatée les induit et inducteur d’une variante du mode de réalisation de la d’une machine électrique supraconductrice à laquelle peut s’appliquer le procédé de désexcitation selon l’invention. Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation Pour la description de la présente demande, l'inducteur réfère dans tous les modes de réalisation à la partie d'une machine électrique qui est, en fonctionnement normal, le siège des champs magnétiques à courants continus. Lors de la rotation du rotor, l'inducteur, qu'il soit placé au stator ou au rotor, voit un champ magnétique qui n'est pas variable dans le temps. L'induit réfère à la partie d'une machine électrique qui est, en fonctionnement normal, le siège des champs magnétiques à courants polyphasés alternatifs. Lors de la rotation du rotor, l'induit, qu'il soit placé au stator ou au rotor, voit un champ magnétique qui est variable dans le temps. Le fonctionnement normal réfère au cas où la fréquence des courants alternatifs polyphasés circulant dans l'induit correspondent à la vitesse de rotation du rotor. On a représenté sur la différentes étapes d’un procédé de désexcitation d’une machine électrique 1. A titre d’exemple, le procédé peut être mis en œuvre pour une machine électrique 1 selon la . Cependant, il peut être mis en œuvre pour toute machine électrique 1 comprenant un induit 6 et un inducteur à effet supraconducteur 2. L’inducteur à effet supraconducteur 2 peut, par exemple, comprendre un bobinage annulaire 3 supraconducteur ou non ainsi que des pastilles supraconductrices 5 pour barrière de flux ou pour aimantation. Dans tous les cas, l’inducteur à effet supraconducteur 2 comprend au moins un élément comprenant un matériau supraconducteur. L’inducteur n’a d’effet supraconducteur que s’il est refroidi. La machine électrique 1 peut donc comprendre optionnellement un circuit de refroidissement afin de refroidir l’inducteur à effet supraconducteur 2 pendant son fonctionnement. Dans une première étape 11, on détecte une panne dans la machine électrique 1. Le procédé de désexcitation est en effet particulièrement intéressant dans une situation où une panne est détectée. Le procédé permet alors de désexciter rapidement la machine électrique 1 afin que la panne ne nuise pas davantage au bon fonctionnement du réseau électrique et d’éléments situés à proximité de la machine électrique 1. Dans une seconde étape 12, on injecte un courant électrique dans l’induit 6. En particulier dans le mode de réalisation de la machine électrique 1 illustrée à la , on injecte un courant électrique dans les bobines électromagnétiques 7. Dans un premier mode de mise en œuvre, l’étape 12 d’injection d’un courant électrique s’effectue par injection d’un courant continu. Dans un second mode de mise en œuvre, l’étape 12 d’injection d’un courant électrique s’effectue par injection d’un courant alternatif. Dans une configuration selon la dans laquelle l’induit 6 est au stator 10 et les pastilles supraconductrices 5 de l’inducteur à effet supraconducteur 2 sont au rotor 8, les pastilles supraconductrices 5 tournent à une vitesse V par rapport à l’induit 6 en mode de fonctionnement nominal de la machine électrique 1. L’injection de courant dans l’induit 6 est effectuée de manière à former un champ magnétique, fixe ou non par rapport à l’induit 6, mais tournant par rapport à l’inducteur à effet supraconducteur 2. Lorsqu’un courant électrique est injecté dans l’induit 6 pendant l’étape 12, l’inducteur à effet supraconducteur 2 est soumis à un champ tournant et donc à un champ magnétique variable qui génère des pertes dans le matériau supraconducteur. En particulier, les pertes dues à la pénétration du champ magnétique variable dans le matériau supraconducteur sont appelées pertes par hystérésis et sont dues au comportement magnétique hystérétique des matériaux supraconducteurs. De plus, des pertes par couplage apparaissent également et sont dues aux boucles de courant entre deux filaments supraconducteurs de fils supraconducteurs, les boucles de courant se refermant au travers d’une matrice conductrice qui les sépare. Les pertes générées provoquent néanmoins un échauffement du matériau supraconducteur de l’inducteur à effet supraconducteur 2, permettant la désexcitation de la machine électrique 1, l’inducteur à effet supraconducteur 2 n’étant plus maintenu à une température suffisamment basse. En particulier, l’étape 12 d’injection d’un courant électrique est effectuée jusqu’à augmenter la température de l’inducteur à effet supraconducteur 2 au-delà d’un seuil de température prédéfini pour lequel l’inducteur n’a plus d’effet supraconducteur. Le seuil de température prédéfini est équivalent à la température critique du matériau supraconducteur utilisé. La plupart du temps, une élévation de température de 5 Kelvin au-dessus de la température critique d’un matériau supraconducteur suffit à supprimer ses effets supraconducteurs. La quantité d’énergie à fournir pour augmenter la température de 5 Kelvin dépend néanmoins du matériau supraconducteur utilisé. Par exemple, l’utilisation du YBaCuO (« Yttrium barium copper oxyde » en termes anglo-saxons) nécessite cinq fois plus d’énergie que l’utilisation du MgB2 (« Magnesium diboride » en termes anglo-saxons). En parallèle de l’étape 12, une étape 13 de fermeture du circuit de refroidissement est optionnellement effectuée pour stopper le refroidissement de l’inducteur à effet supraconducteur 2 et ainsi faciliter le réchauffement de celui-ci et la désexcitation de la machine électrique 1. On a représenté sur les figures 3A et 3B un dispositif d’injection de courant continu 14 dans un induit 6 configuré pour réaliser l’étape 12 d’injection d’un courant électrique continu selon le premier mode de mise en œuvre du procédé de désexcitation. En particulier, les figures 3A et 3B illustrent le cas d’une machine électrique triphasée et fonctionnant en courant alternatif. Le dispositif d’injection de courant continu 14 comprend une alimentation en fonctionnement nominal 15 de l’induit 6. L’alimentation en fonctionnement nominal 15 comprend un convertisseur 16 permettant de convertir le courant continu de la source de courant continu 17 en courant alternatif propre à l’alimentation de l’induit 6 en mode de fonctionnement nominal. L’alimentation en fonctionnement nominal 15 comprend également un interrupteur 18. Le dispositif d’injection de courant continu 14 comprend également pour l’induit 6 une alimentation pour la désexcitation 20 de la machine électrique 1. L’alimentation pour la désexcitation 20 utilise directement la source de courant continu 17 et comprend un interrupteur 21 et une résistance 22 pour ne pas endommager l’induit 6. La source de courant continu 17 de tension U peut également être une source de courant alternatif, un convertisseur étant alors placé dans l’alimentation pour la désexcitation 20 plutôt que dans l’alimentation en fonctionnement nominal 15. Le mode de fonctionnement nominal est illustré à la . Dans ce mode de fonctionnement, l’interrupteur 18 est fermé tandis que l’interrupteur 21 est ouvert. Le mode de fonctionnement pour la désexcitation de la machine électrique 1 est illustré à la . Dans ce mode de fonctionnement, l’interrupteur 18 est ouvert tandis que l’interrupteur 21 est fermé de sorte qu’un courant normalisé I=1 entre dans l’induit 6 par une phase et ressort par les deux autres phases avec I= ½. Le courant permet ainsi de former un champ magnétique générant des pertes dans l’inducteur à effet supraconducteur 2. On a représenté sur la un dispositif d’injection de courant alternatif 25 dans un induit 6 configuré pour réaliser l’étape 12 d’injection d’un courant électrique alternatif selon le second mode de mise en œuvre du procédé de désexcitation. En particulier, la illustre le cas d’une machine électrique triphasée et fonctionnant en courant alternatif. Le dispositif d’injection de courant alternatif 25 comprend une alimentation en fonctionnement nominal 15 de l’induit 6. L’alimentation en fonctionnement nominal 15 comprend un convertisseur 16 permettant de convertir le courant continu de la source de courant continu 17 en courant alternatif propre à l’alimentation de l’induit 6 en mode de fonctionnement nominal. Le dispositif d’injection de courant alternatif 25 comprend en outre un capteur 26 de mesure de la vitesse de rotation du rotor 8 par rapport au stator 10. Le dispositif d’injection de courant alternatif 25 comprend également un module de commande 27 du convertisseur 16. En mode de fonctionnement nominal, le module de commande 27 contrôle la fréquence f des courants électriques pour que celle-ci corresponde à la vitesse V de rotation du rotor par rapport au stator. En particulier, pour une machine électrique 1 comprenant p paires de pôles, la relation reliant la fréquence f et la vitesse V est V = 2*pi*f/p. En mode de fonctionnement pour la désexcitation de la machine électrique 1, le rôle du module de commande 27 est d’injecter des courants électriques à une fréquence f ne correspondant pas à la vitesse V de sorte que l’inducteur à effet supraconducteur 2 soit soumis à un champ magnétique tournant et variable, générant ainsi des pertes dans l’inducteur à effet supraconducteur 2. En particulier, plus la différence de vitesse entre le champ tournant et l’inducteur à effet supraconducteur 2 sera élevée, plus les pertes seront importantes. On a représenté sur la une vue d’un exemple de mode de réalisation d’une machine électrique 28 supraconductrice à laquelle peuvent également s’appliquer les étapes 11, 12 et 13 du procédé de désexcitation. La machine électrique comprend également un inducteur à effet supraconducteur 33 comprenant des pastilles supraconductrices 34. Dans ce mode de réalisation, les pastilles supraconductrices sont des pastilles dites aimantées et forment des pôles positifs 35 et des pôles négatifs 36. L’injection d’un courant électrique dans l’induit 29 permet ainsi de générer des pertes dans l’inducteur à effet supraconducteur 33 jusqu’à supprimer son effet supraconducteur. On a représenté sur la une vue d’une variante du mode de réalisation illustré à la d’une machine électrique 28 supraconductrice à laquelle peuvent également s’appliquer les étapes 11, 12 et 13 du procédé de désexcitation. En particulier, la machine électrique 28 comprend également un induit 29 triphasé, l’induit comprenant des bobines formant une première phase 30, une deuxième phase 31 et une troisième phase 32. La différence avec le mode de réalisation illustré à la est que la machine électrique 28 comprend un inducteur à effet supraconducteur 37 comprenant des bobinages 38 supraconducteurs à courant continu formant des pôles positifs 35 et des pôles négatifs 36. L’injection d’un courant électrique dans l’induit 29 permet ainsi de générer des pertes dans l’inducteur à effet supraconducteur 37 jusqu’à supprimer son effet supraconducteur. Procédé de désexcitation d’une machine électrique (1 ; 28) comprenant un inducteur à effet supraconducteur (2 ; 33 ; 37) et un induit (6 ; 29), caractérisé en ce qu’il comprend une étape (12) d’injection d’un courant électrique dans l’induit (6 ; 29) de manière à générer des pertes dans l’inducteur à effet supraconducteur (2 ; 33 ; 37) jusqu’à augmentation de la température de l’inducteur à effet supraconducteur (2 ; 33 ; 37) au-delà d’un seuil de température prédéfini pour lequel l’inducteur n’a plus d’effet supraconducteur. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une étape (11) de détection d’une panne dans la machine électrique (1 ; 28) avant l’étape (12) d’injection d’un courant électrique. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel la machine électrique (1 ; 28) comprend un circuit de refroidissement de l’inducteur à effet supraconducteur (2 ; 33 ; 37), et dans lequel on effectue en outre une étape (13) de fermeture du circuit de refroidissement en parallèle de l’étape (12) d’injection d’un courant électrique. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’inducteur à effet supraconducteur (2 ; 33 ; 37) comprend des pastilles supraconductrices (5). Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’inducteur à effet supraconducteur (2 ; 33 ; 37) comprend un bobinage annulaire (3) en matériau non supraconducteur. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’inducteur à effet supraconducteur (2 ; 33 ; 37) comprend un bobinage annulaire (3) ou un bobinage (38) en matériau supraconducteur. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape (12) d’injection d’un courant électrique s’effectue par injection d’un courant électrique continu dans l’induit (6 ; 29). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’étape (12) d’injection d’un courant électrique s’effectue par injection d’un courant électrique alternatif dans l’induit (6 ; 29) de la machine électrique (1 ; 28), ladite machine électrique comprenant un rotor (8) et un stator (10) auxquels sont positionnés respectivement l’un ou l’autre de l’induit (6 ; 29) ou de l’inducteur à effet supraconducteur (2 ; 33 ; 37), le courant alternatif ayant une fréquence différente de la fréquence équivalente à la rotation du rotor (8) par rapport au stator (10). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la machine électrique est triphasée et fonctionne en courant alternatif, l’induit (6 ; 29) comprenant au moins un agencement de bobines électromagnétiques (7), et l’inducteur à effet supraconducteur (2 ; 33 ; 37) comprenant du YBaCuO ou du MgB2, préférentiellement du MgB2. Programme d’ordinateur configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 lorsqu’il est exécuté par l’ordinateur.