Brevet FR3155658A1 — publié le 20250523

MOTEUR SUPRACONDUCTEUR COMPORTANT UN SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT L’invention concerne un moteur supraconducteur (100) comportant un rotor (102), un stator (112) à l’extérieur du rotor (102) et traversé par un nombre pair d’orifices (116), pour chaque paire d’orifices (116), une bobine (120) comportant une base (202) en U et des feuilles (204) en U et constituée d’un matériau supraconducteur, où les feuilles (204) sont fixées les unes sur les autres et sur la base (202), où chaque colonne d’une bobine (120) est insérée dans un des orifices (116) de la paire d’orifices (116). Avec un tel arrangement, la fabrication des bobines et leurs mises en place sont simplifiées. Fig. 1 MOTEUR SUPRACONDUCTEUR COMPORTANT UN SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT La présente invention se rapporte au domaine général des moteurs supraconducteurs et plus particulièrement aux moteurs supraconducteurs comportant un système de refroidissement. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La FIG. 5 montre un moteur supraconducteur 300 de l’état de la technique, où le moteur supraconducteur 300 est vu en coupe par un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal X dudit moteur supraconducteur 300. Le moteur supraconducteur 300 comporte un rotor 302 qui présente un cœur de rotor 304 réalisé dans un matériau ferromagnétique tel que l'ensemble des alliages de fer utilisés pour les machines électriques. Le cœur de rotor 304 est cylindrique et coaxial avec l’axe longitudinal X et il présente un alésage central 306 dans lequel est emmanché et fixé rigidement un arbre moteur 308 dudit moteur supraconducteur 300. L’arbre moteur 308 est coaxial avec l’axe longitudinal X. Le rotor 302 comporte également des aimants permanents 310 fixés au cœur de rotor 304 sur la périphérie de ce dernier. Il y a plusieurs aimants permanents 310 (ici au nombre de six) répartis angulairement et régulièrement autour du cœur de rotor 304 et espacés les uns des autres. Classiquement, les aimants permanents 310 sont magnétisés radialement par rapport à l’axe longitudinal X et de manière alternée de proche en proche. Le moteur supraconducteur 300 comporte un stator 312 disposé à l’extérieur du rotor 302 et comporte un cœur de stator 314 réalisé dans un matériau ferromagnétique tel que l'ensemble des alliages de fer utilisés pour les machines électriques. Le cœur de stator 314 prend une forme globalement cylindrique coaxiale avec l’axe longitudinal X. Au niveau de sa face cylindrique qui est orientée vers le rotor 302, le cœur de stator 314 présente des fentes 316 qui ici débouchent vers le rotor 302. Il y a plusieurs fentes 316 (ici au nombre de seize) réparties angulairement et régulièrement autour du rotor 302. Les fentes 316 successives sont séparées par une dent 318 monobloc et monomatière avec le cœur de stator 314. Les fentes 316 sont agencées par paires. Une paire de fentes 316 est formée de deux fentes 316 non successives. En particulier, les fentes 316 d’une paire de fentes 316 sont séparées de deux fentes 316 appartenant à des paires de fentes 316 différentes. Pour chaque paire de fentes 316, le stator 312 comporte une bobine 320. Une bobine 320 est enroulée dans une paire de fentes 316, autour d’une pluralité de dents 318. Chaque bobine 320 est constituée d’un ruban en matériau supraconducteur. En particulier, le ruban de matériau supraconducteur est enroulé radialement à l’axe longitudinal X dans les fentes 316 de manière à former une bobine 320. La bobine 320 forme ainsi un empilement d’un ruban supraconducteur dans chaque fente 316. Les rubans supraconducteurs sont arrangés perpendiculairement aux lignes de champs magnétiques qui sont à l’intérieur des fentes 316. Deux fentes 316 associées à une même bobine 320 sont séparées par deux fentes 316 associées à deux autres bobines 320. Les bobines 316 sont ainsi entrelacées les unes avec les autres dans les fentes 316. Le rotor 302 et le stator 312 sont classiquement logés dans un boîtier moteur 322 qui est cylindrique et fermé à ses deux extrémités par des flancs dont au moins un est percé d’un orifice central permettant le passage de l’arbre moteur 308. Le stator 312 est monté fixe à l’intérieur du boîtier moteur 322 tandis que le rotor 302 et l’arbre moteur 308 sont montés libres en rotation à l’intérieur du boîtier moteur 322. En fonctionnement, chaque bobine 320 est alimentée électriquement pour générer un champ magnétique qui interagit avec les aimants permanents 310 pour les entraîner en rotation avec le rotor 302 et l’arbre moteur 308. Le moteur supraconducteur 300 comporte un cylindre intérieur 324 et un cylindre extérieur 326 qui sont coaxiaux avec l’axe longitudinal X. Le cylindre intérieur 324 est disposé entre le rotor 302 et le stator 312, et le cylindre extérieur 326 est disposé autour du stator 312 et à l’intérieur du boîtier moteur 322. Le cylindre intérieur 324 et le cylindre extérieur 326 s’étendent entre les deux flancs auxquels ils sont fixés hermétiquement pour délimiter entre eux et les deux flancs, une chambre 328 dans laquelle est logé le stator 312 et qui peut être mise au vide. Dans le cadre d’un moteur supraconducteur 300, les bobines 320 doivent être refroidies pour améliorer leur rendement. À cette fin, pour chaque fente 316, des tubes 330 sont disposés dans le fond de la fente 316 entre la bobine 320 logée dans la fente 316 et le cœur de stator 314. Ces tubes 330 sont fluidiquement connectés à une source d’un fluide réfrigérant. Le fluide réfrigérant est alors injecté dans les tubes 330 pour refroidir les bobines 320. Bien qu’un tel arrangement donne de bons résultats, il est souhaitable de trouver un nouvel arrangement qui simplifie le procédé de fabrication des bobines et l’implantation de ces bobines dans le moteur supraconducteur. Un objet de la présente invention est de proposer un moteur supraconducteur comportant : - un rotor avec un cœur de rotor portant des aimants permanents et mobile en rotation autour d’un axe longitudinal, - un stator disposé à l’extérieur du rotor et comportant un cœur de stator réalisé dans un matériau ferromagnétique et traversé par un nombre pair d’orifices répartis angulairement et régulièrement autour du rotor, - pour chaque paire d’orifices, une bobine comportant : - une base en U avec deux premières colonnes et un premier fond fixé entre les deux premières colonnes, et - une pluralité de feuilles, chacune prenant la forme d’un U avec deux deuxièmes colonnes et un deuxième fond et étant constituée d’un matériau supraconducteur, où les feuilles sont fixées les unes sur les autres de manière à former un empilement et où ledit empilement est fixé sur la base en alignant chaque première colonne avec des deuxièmes colonnes des feuilles et le premier fond avec les deuxièmes fonds des feuilles, où chaque colonne d’une bobine est insérée dans un des orifices de la paire d’orifices. Avec un tel arrangement, la fabrication des bobines et leurs mises en place sont simplifiées puisqu’il n’est plus nécessaire d’enrouler un ruban. Avantageusement, la base est percée d’un canal avec deux ouvertures, où une ouverture débouche à l’extrémité de chaque première colonne, où les ouvertures sont destinées à être fluidiquement connectées à un circuit réfrigérant. Avantageusement, les orifices associés à une même bobine sont séparés par deux orifices associés à deux autres bobines. La présente invention a également pour objet un aéronef comprenant au moins un moteur supraconducteur selon l’invention. Avantageusement, l’aéronef comprend un circuit réfrigérant comportant une source de fluide réfrigérant, ladite source de fluide réfrigérant étant connectée fluidiquement aux ouvertures du canal de la base de la bobine, ledit canal étant configuré pour être traversé par le fluide réfrigérant entre lesdites ouvertures. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d’une bobine, comprenant : - une étape de réalisation par fabrication additive d’une base en U avec deux premières colonnes et un premier fond fixé entre les deux premières colonnes, - une étape de fourniture d’une pluralité de feuilles constituées d’un matériau supraconducteur, - une étape d’empilement de ladite pluralité de feuilles, - une étape de découpage dudit empilement de feuilles de manière à donner auxdites feuilles une forme de U avec deux deuxièmes colonnes formant les jambes du U et un deuxième fond fixé entre les deux deuxièmes colonnes, et - une étape de fixation dudit empilement de feuilles sur ladite base en alignant chaque première colonne avec des deuxièmes colonnes des feuilles et le premier fond avec les deuxièmes fonds des feuilles. Avantageusement, le procédé comprend préalablement à l’étape de découpage de l’empilement de feuilles, une étape de fixation des feuilles de l’empilement les unes aux autres. Avantageusement, le procédé comprend postérieurement à l’étape de découpage de l’empilement de feuilles, une étape de fixation des feuilles de l’empilement en forme de U les unes aux autres. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : FIG. 1 est une vue en coupe d’un moteur supraconducteur selon l’invention, FIG. 2 est une vue en perspective d’une bobine mise en œuvre dans le moteur supraconducteur selon l’invention, FIG. 3 est une vue en coupe selon la courbe III-III de la FIG. 1 , FIG. 4 est une courbe montrant les pertes en courant alternatif dans le cas de l’invention et d’un état de la technique, et FIG. 5 est une vue en coupe d’un moteur supraconducteur de l’état de la technique. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION La FIG. 1 montre un moteur supraconducteur 100 selon l’invention en coupe par un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal X du moteur supraconducteur 100 et la FIG. 3 montre une coupe au niveau de l’arc III-III. Le moteur supraconducteur 100 présente globalement la même structure que le moteur supraconducteur 300 de l’état de la technique. Le moteur supraconducteur 100 comporte un rotor 102 qui est mobile en rotation autour de l’axe longitudinal X et qui présente un cœur de rotor 104 réalisé dans un matériau ferromagnétique tel que l'ensemble des alliages de fer utilisés pour les machines électriques. Le cœur de rotor 104 est cylindrique et coaxial avec l’axe longitudinal X et il présente un alésage central 106 dans lequel est emmanché et fixé rigidement un arbre moteur 108 dudit moteur supraconducteur 100. L’arbre moteur 108 est coaxial avec l’axe longitudinal X. Le rotor 102 comporte également des aimants permanents 110 fixés au cœur de rotor 104 sur la périphérie de ce dernier. Il y a plusieurs aimants permanents 110 (ici au nombre de six) répartis angulairement et régulièrement autour du cœur de rotor 104 et espacés les uns des autres. Classiquement, les aimants permanents 110 sont magnétisés radialement par rapport à l’axe longitudinal X et de manière alternée nord-sud de proche en proche. Le moteur supraconducteur 100 comporte un stator 112 disposé à l’extérieur du rotor 102 et comportant un cœur de stator 114 cylindrique et coaxial avec l’axe longitudinal X. Le cœur de stator 114 est réalisé dans un matériau ferromagnétique tel que l'ensemble des alliages de fer utilisés pour les machines électriques. Le cœur de stator 114 est traversé par un nombre pair d’orifices 116 (ici au nombre de seize) répartis angulairement et régulièrement autour du rotor 102. Deux orifices successifs 116 sont séparés par une dent 118 monobloc et monomatière avec le cœur de stator 114. Les orifices 116 sont ici fermés en face du rotor 102, mais chaque orifice 116 peut prendre la forme d’une fente comme dans l’état de la technique. Pour chaque paire d’orifices 116, le moteur supraconducteur 100 comporte une bobine 120. La FIG. 2 montre un exemple d’une bobine 120 selon l’invention. La bobine 120 comporte une base 202 qui prend la forme d’un U avec deux premières colonnes 202a formant les jambes du U et un premier fond 202b fixé entre les deux premières colonnes 202a, ici au niveau d’une extrémité de chaque première colonne 202a et formant le fond du U. La bobine 120 comporte également une pluralité de feuilles 204, chacune prenant la forme d’un U avec deux deuxièmes colonnes 204a formant les jambes du U et un deuxième fond 204b fixé entre les deux deuxièmes colonnes 204a, ici au niveau d’une extrémité de chaque deuxième colonne 204a et formant le fond du U. Chaque feuille 204 est constituée d’un matériau supraconducteur tel que l'ensemble des alliages de fer utilisés pour les machines électriques. Les feuilles 204 sont fixées, par exemple collées, les unes sur les autres de manière à former un empilement 206 qui prend également la forme d’un U en superposant les deuxièmes colonnes 204a les unes sur les autres et les deuxièmes fonds 204b les uns sur les autres. L’empilement 206 est fixé, par exemple collé, sur la base 202 en alignant chaque première colonne 202a avec un des deux empilements des deuxièmes colonnes 204a des feuilles 204 et le premier fond 202b avec l’empilement des deuxièmes fonds 204b des feuilles 204. La bobine 120 prend ainsi la forme générale d’un U avec deux colonnes et un fond reliant les deux colonnes. Les deux colonnes sont constituées chacune de l’empilement d’une première colonne 202a et des deuxièmes colonnes 204a et le fond est constitué de l’empilement du premier fond 202b et des deuxièmes fonds 204b. Chaque colonne 202a, 204a d’une bobine 120 est insérée dans un des orifices 116 de la paire d’orifices 116 tandis que le fond 202b, 204b de la bobine 120 reste à l’extérieur comme le montre la FIG. 3 . Les colonnes 202a, 204a sont parallèles à l’axe longitudinal X. La fabrication de la bobine 120 par assemblage de feuilles 204 sur une base 202 est donc simple à réaliser et la mise en place et le remplacement de la bobine 120 est également simple à réaliser car il suffit de glisser les colonnes 202a, 204a dans les orifices 116. Avec un tel arrangement, les feuilles 204 sont arrangées parallèlement aux lignes de champs magnétiques qui sont à l’intérieur des orifices 116. Un tel arrangement permet en outre une réduction des pertes par rapport à des feuilles qui seraient placées radialement. La FIG. 4 montre l’évolution des pertes en courant alternatif du moteur pour l’invention (courbe 402) et pour un moteur avec des feuilles installées radialement (courbe 404). Sur la FIG. 4 , l’axe des abscisses représente le temps en ms et l’axe des ordonnées représente les pertes en W. Dans le mode de réalisation de l’invention présenté ici, le rotor 102 et le stator 112 sont logés dans un boîtier moteur 122 qui est cylindrique et fermé à ses deux extrémités par des flancs dont au moins un est percé d’un orifice central permettant le passage de l’arbre moteur 108. Le stator 112 est monté fixe à l’intérieur du boîtier moteur 122 tandis que le rotor 102 et l’arbre moteur 108 sont montés libres en rotation à l’intérieur du boîtier moteur 122. En fonctionnement, chaque bobine 120 est alimentée électriquement par un courant alternatif pour générer un champ magnétique qui interagit avec les aimants permanents 110 pour les entraîner en rotation avec le rotor 102 et l’arbre moteur 108. Pour chaque bobine 120, l’alimentation électrique s’effectue depuis les extrémités libres des deuxièmes colonnes 204b, c'est-à-dire au niveau des extrémités situées à l’opposé des deuxièmes fonds 204b. Les extrémités libres des deuxièmes colonnes 204b d’un des deux empilements sont ainsi électriquement connectées à une borne d’un convertisseur électrique et les extrémités libres des deuxièmes colonnes 204b de l’autre des deux empilements sont ainsi électriquement connectées à une autre borne d’un convertisseur électrique. Comme pour le moteur supraconducteur 300 de l’état de la technique, le moteur supraconducteur 100, dans le mode de réalisation de l’invention présenté ici, comporte un cylindre intérieur 124 et un cylindre extérieur 126 qui sont coaxiaux avec l’axe longitudinal X. Le cylindre intérieur 124 est disposé entre le rotor 102 et le stator 112 et le cylindre extérieur 126 est disposé autour du stator 112 et à l’intérieur du boîtier moteur 122. Le cylindre intérieur 124 et le cylindre extérieur 126 s’étendent entre les deux flancs auxquels ils sont fixés hermétiquement pour délimiter entre eux (les deux cylindres intérieur 124 et extérieur 126) et les deux flancs, une chambre 128 dans laquelle est logé le stator 112 et qui peut être mise au vide. Pour assurer le refroidissement des feuilles 204, la base 202 est percée d’un canal 208 avec deux ouvertures 208a-b. Une ouverture 208a-b débouche à l’extrémité libre d’une première colonne 202a et l’autre ouverture 208b-a débouche à l’extrémité libre de l’autre première colonne 202a et le canal 208 s’étend ainsi dans la base 202 dans les premières colonnes 202a et dans le fond 204a. Les ouvertures 208a-b sont fluidiquement connectées à un circuit réfrigérant qui assure la circulation d’un fluide réfrigérant dans le canal 208 en entrant par une ouverture 208a-b et en sortant par l’autre ouverture 208b-a. Les flèches F de la FIG. 3 montrent le sens de déplacement du fluide réfrigérant. Le circuit réfrigérant comporte par exemple un réservoir pour le fluide réfrigérant et une pompe pour mettre le fluide réfrigérant en circulation. La base 202 fonctionne comme un échangeur thermique entre le fluide réfrigérant et les feuilles 204. La base 202 est réalisée en un matériau présentant une bonne conductivité thermique comme un alliage de cuivre par exemple, de manière à assurer un transfert thermique correct tout en réduisant les pertes induites associées aux métaux purs. Comme le montre la FIG. 3 , les deux orifices 116 associés à une même bobine 120 sont séparés par deux orifices 116 associés à deux autres bobines 120, mais ils pourraient être juste voisins. La configuration représentée en FIG. 3 avec les deux orifices 116 associés à une même bobine 120 séparés par deux orifices 116 associés à deux autres bobines 120 permet une conversion électro-mécanique plus importante (c’est-à-dire permet d’obtenir plus de puissance mécanique) avec la même quantité de courant électrique en entrée, par rapport à une configuration où les orifices 116 associés à une bobine 120 seraient voisins. Le moteur supraconducteur 100 est intégré dans un aéronef comprenant un circuit réfrigérant avec une source de fluide réfrigérant qui est connectée fluidiquement aux ouvertures 208a-b du canal 208 de la base 202 de la bobine 120. En particulier, le canal 208 est configuré pour être traversé par le fluide réfrigérant entre lesdites ouvertures 208a-b. Le procédé de fabrication d’une telle bobine 120 va maintenant être décrit. Le procédé comporte à partir d’une pluralité de feuilles 204 de matériau supraconducteur, une étape E10 d’empilement de ladite pluralité de feuilles 204, les unes sur les autres. Le procédé comporte également, après l’étape E10, une étape E20 de découpage dudit empilement de feuilles 204 de manière à donner aux feuilles 204 une forme de U, avec deux deuxièmes colonnes 204a formant les jambes du U et un deuxième fond 204b fixé entre les deux deuxièmes colonnes 204a, ici au niveau d’une extrémité de chaque deuxième colonne 204a et formant le fond du U. Le procédé comporte en amont, en parallèle, ou après les étapes E10 et E20, une étape E30 de réalisation de la base 202 par fabrication additive. La base 202 en U avec les deux premières colonnes 202a et le premier fond 202b fixé entre les deux premières colonnes 202a est réalisée par fabrication additive (également connu sous l’acronyme ALM pour “Additive Layer Manufacturing” en anglais). Le procédé comprend après les étapes E20 et E30, une étape E40 de fixation de l’empilement de la pluralité de feuilles 204 en forme de U sur la base 202 en forme de U, de manière à obtenir la bobine 120 en alignant chaque première colonne 202a de la base 202 avec des deuxièmes colonnes 204a des feuilles 204 et le premier fond 202b de la base 202 avec les deuxièmes fonds 204b des feuilles 204. En particulier, l’empilement de la pluralité de feuilles 204 peut être collé sur la base 202. Selon un mode de réalisation, lors d’une étape E11, après l’étape E10 et avant l’étape E20, les feuilles 204 de cet empilement peuvent être fixées, c'est-à-dire jointes, solidarisées, par exemple collées, les unes aux autres. Selon un mode de réalisation, lors d’une étape E21, après l’étape E20 et avant l’étape E30, les feuilles 204 en forme de U de cet empilement peuvent être fixées, c'est-à-dire solidarisées, jointes, par exemple collées, les unes aux autres. La bobine 120 ainsi obtenue est ensuite intégrée dans le rotor 102 du moteur supraconducteur 100. Moteur supraconducteur (100) comportant : - un rotor (102) avec un cœur de rotor (104) portant des aimants permanents (110) et mobile en rotation autour d’un axe longitudinal (X), - un stator (112) disposé à l’extérieur du rotor (102) et comportant un cœur de stator (114) réalisé dans un matériau ferromagnétique et traversé par un nombre pair d’orifices (116) répartis angulairement et régulièrement autour du rotor (102), - pour chaque paire d’orifices (116), une bobine (120) comportant : - une base (202) en U avec deux premières colonnes (202a) et un premier fond (202b) fixé entre les deux premières colonnes (202a), et - une pluralité de feuilles (204), chacune prenant la forme d’un U avec deux deuxièmes colonnes (204a) et un deuxième fond (204b) et étant constituée d’un matériau supraconducteur, où les feuilles (204) sont fixées les unes sur les autres de manière à former un empilement (206) et où ledit empilement (206) est fixé sur la base (202) en alignant chaque première colonne (202a) avec des deuxièmes colonnes (204a) des feuilles (204) et le premier fond (202b) avec les deuxièmes fonds (204b) des feuilles (204), où chaque colonne (202a, 204a) d’une bobine (120) est insérée dans un des orifices (116) de la paire d’orifices (116). Moteur supraconducteur (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la base (202) est percée d’un canal (208) avec deux ouvertures (208a-b), où une ouverture (208a-b) débouche à l’extrémité de chaque première colonne (202a), où les ouvertures (208a-b) sont destinées à être fluidiquement connectées à un circuit réfrigérant. Moteur supraconducteur (100) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les orifices (116) associés à une même bobine (120) sont séparés par deux orifices (116) associés à deux autres bobines (120). Aéronef comprenant au moins un moteur supraconducteur (100) selon l’une des revendications précédentes. Aéronef selon la revendication précédente, en dépendance avec la revendication 2, caractérisé en ce que ledit aéronef comprend un circuit réfrigérant comportant une source de fluide réfrigérant, ladite source de fluide réfrigérant étant connectée fluidiquement aux ouvertures (208a-b) du canal (208) de la base (202) de la bobine (120), ledit canal (208) étant configuré pour être traversé par le fluide réfrigérant entre lesdites ouvertures (208a-b). Procédé de fabrication d’une bobine (120) comprenant : - une étape (E30) de réalisation par fabrication additive d’une base (202) en U avec deux premières colonnes (202a) et un premier fond (202b) fixé entre les deux premières colonnes (202a), - une étape de fourniture d’une pluralité de feuilles (204) constituées d’un matériau supraconducteur, - une étape (E10) d’empilement de ladite pluralité de feuilles (204), - une étape (E20) de découpage dudit empilement de feuilles (204) de manière à donner auxdites feuilles (204) une forme de U avec deux deuxièmes colonnes (204a) formant les jambes du U et un deuxième fond (204b), et - une étape (E40) de fixation dudit empilement de feuilles (204) sur ladite base (202) en alignant chaque première colonne (202a) avec des deuxièmes colonnes (204a) des feuilles (204) et le premier fond (202b) avec les deuxièmes fonds (204b) des feuilles (204). Procédé de fabrication d’une bobine (120) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le procédé comprend préalablement à l’étape (E20) de découpage de l’empilement de feuilles (204), une étape (E11) de fixation des feuilles (204) de l’empilement les unes aux autres. Procédé de fabrication d’une bobine (120) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le procédé comprend postérieurement à l’étape (E20) de découpage de l’empilement de feuilles (204), une étape (E21) de fixation des feuilles (204) de l’empilement en forme de U les unes aux autres.