Brevet FR3132591A1 — publié le 20230811

La présente invention concerne une machine électrique (1) supraconductrice à flux axial comprenant un inducteur (6, 7) et un induit (5), l’inducteur (6, 7) comprenant : - des pastilles supraconductrices (7) mobiles en rotation autour d’un axe (X) de la machine électrique (1) ; et - une bobine supraconductrice (6), centrée sur l’axe (X) et s’étendant radialement à l’extérieur des pastilles supraconductrices (7), la bobine supraconductrice (6) étant configurée pour générer un champ magnétique ; la machine électrique (1) étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une barrière de flux (12) réalisée dans un matériau supraconducteur qui s’étend entre les pastilles supraconductrices (7) et la bobine supraconductrice (6), ladite barrière de flux (12) étant fixée sur une paroi circonférentielle (7a) des pastilles supraconductrices (7) de sorte à être solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices (7). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 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 à flux axial 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). 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 supraconductrice réalisé avec des fils en matériau supraconducteur qui génère un champ magnétique modulé par des pastilles supraconductrices, qui font office d’écrans magnétiques. La bobine supraconductrice est contenue dans un cryostat, dont la température est sensiblement égale à la température ambiante (de l’ordre de 300 K) et qui peut être réalisé dans un matériau conducteur. En comparaison, la bobine supraconductrice est généralement à une température de l’ordre de 30 K. 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. Afin de réduire au maximum le volume et la masse de la machine électrique ainsi que sa densité de puissance, la bobine supraconductrice de l’inducteur doit être placée au plus proche du rotor. Cette configuration permet en outre de limiter le coût de la machine électrique, le prix des fils supraconducteurs pouvant être élevé. Cependant, plus la bobine supraconductrice est proche du rotor, plus elle est exposée au champ magnétique modulé par les pastilles supraconductrices, ce qui peut générer des pertes en courant alternatif importantes dans la bobine supraconductrice ou dans son cryostat si celui-ci est conducteur. Il est alors nécessaire d’augmenter le refroidissement de la bobine supraconductrice et le cas échéant de son cryostat. Or, les pertes dans les éléments cryogéniques sont beaucoup plus couteuses à évacuer que les pertes à température ambiante. Par ailleurs, l’exposition au champ magnétique peut faire perdre ses propriétés supraconductrices à la bobine supraconductrice, réduisant ainsi l’efficacité de la machine électrique. Il a donc été proposé de conserver un cryostat en aluminium afin que les courants induits dans celui-ci protègent la bobine supraconductrice. Toutefois, une telle configuration a pour effet d’entrainer des pertes au sein du cryostat. Par ailleurs, un système de refroidissement dédié au cryostat devient nécessaire, ce qui augmente la masse de la machine électrique ainsi que sa complexité. Un but de l’invention est de proposer une machine supraconductrice dont le volume, la masse et la densité de puissance sont optimisés. L’invention s’applique à tout type de machine supraconductrice à flux axial, qui comprennent notamment les machines partiellement supraconductrices ou totalement supraconductrices, à barrières de flux ou à aimants supraconducteurs. Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, une machine électrique supraconductrice à flux axial comprenant un inducteur et un induit, l’inducteur comprenant : - des pastilles supraconductrices mobiles en rotation autour d’un axe de la machine électrique ; et - une bobine supraconductrice, centrée sur l’axe et s’étendant radialement à l’extérieur des pastilles supraconductrices, la bobine supraconductrice étant configurée pour générer un champ magnétique ; et - une barrière de flux réalisée dans un matériau supraconducteur qui s’étend entre les pastilles supraconductrices et la bobine supraconductrice, ladite barrière de flux étant fixée sur une paroi circonférentielle des pastilles supraconductrices de sorte à être solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices. 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 est sensiblement cylindrique de révolution ; - une épaisseur axiale de la barrière de flux est comprise entre 0,1 fois et 1 fois une épaisseur axiale de la bobine supraconductrice ; - la barrière de flux est discontinue sur sa circonférence 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 machine électrique comprend en outre un cryostat logeant la bobine supraconductrice ; - le cryostat est réalisé dans un matériau conducteur, par exemple de l’aluminium ; - un rayon interne de la barrière de flux est égal à un rayon externe des pastilles supraconductrices ; et/ou - un rayon externe de la barrière de flux est strictement inférieur à un rayon interne de la bobine supraconductrice. 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 éclatée, schématique et partielle d’un exemple de machine électrique à flux axial conforme à un mode de réalisation de l’invention ; La est une vue simplifiée en coupe dans un plan normal à l’axe de rotation du rotor de la machine électrique de la ; La est une vue de face d’un exemple de réalisation d’une barrière de flux conforme à un mode de réalisation de l’invention ; La représente la répartition des pertes volumique (W/m 3 ) au sein d’une bobine supraconductrice dans un machine électrique conforme à l’art antérieur, c’est-à-dire dépourvue de barrière de flux ; La est une vue en coupe partielle suivant un plan comprenant l’axe de rotation du rotor d’une machine électrique d’un exemple de cryostat et de bobine supraconductrice pouvant être utilisés dans 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 à flux axial comprenant un inducteur (6, 7) et un induit (5), l’inducteur (6, 7) comprenant : - des pastilles supraconductrices (7) mobiles en rotation autour d’un axe (X) de la machine électrique (1) ; et - une bobine supraconductrice (6), centrée sur l’axe (X) et s’étendant radialement à l’extérieur des pastilles supraconductrices (7), la bobine supraconductrice (6) étant configurée pour générer un champ magnétique ; la machine électrique (1) étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une barrière de flux (12) réalisée dans un matériau supraconducteur qui s’étend entre les pastilles supraconductrices (7) et la bobine supraconductrice (6), ladite barrière de flux (12) étant fixée sur une paroi circonférentielle (7a) des pastilles supraconductrices (7) de sorte à être solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices (7). Machine électrique (1) selon la revendication 1, dans laquelle la barrière de flux (12) est sensiblement cylindrique de révolution. Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle une épaisseur axiale (10) de la barrière de flux (12) est comprise entre 0,1 fois et 1 fois une épaisseur axiale (11) de la bobine supraconductrice (6). Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle la barrière de flux (12) est discontinue sur sa circonférence 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 4, comprenant en outre une couche isolante (14) logée dans la fente (13). Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant en outre un cryostat (9) logeant la bobine supraconductrice (6). Machine électrique (1) selon la revendication 6, dans laquelle le cryostat (9) est réalisé dans un matériau conducteur, par exemple de l’aluminium. Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle un rayon interne (R1) de la barrière de flux (12) est égal à un rayon externe des pastilles supraconductrices (7). Machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle un rayon externe (R 2 ) de la barrière de flux (12) est strictement inférieur à un rayon interne (R 3 ) de la bobine supraconductrice (6). Aéronef (100) comprenant une machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 9.