Chapitre 4 : Actionneurs supraconducteurs supraconducteurs
4.3 Machines à barrières de flux
4.3.2 Inducteur à pans coupés
Pour l’inducteur à modulation de flux de la figure 4.21, l’induction magnétique dans l’entrefer présente une valeur moyenne non nulle (figure 4.23). Cette valeur moyenne ne participe pas au transfert d’énergie et peut avoir des effets néfastes (efforts radiaux importants au niveau du stator et saturation de la culasse ferromagnétique). Pour éviter cet inconvénient, une autre topologie d’inducteur a été imaginée au laboratoire et a donné lieu à un brevet [LEV 09]. Il s’agit d’un inducteur à pans coupés supraconducteur représenté sur la figure 4.25. Cette topologie découle des machines à griffes plus classiques [BAR 95].
141 Comme le montre la figure 4.25, L’inducteur comporte toujours deux solénoïdes qui sont maintenant alimentés par des courants ayant la même direction. Le champ magnétique est dévié dans l’entrefer par l’intermédiaire d’une pastille supraconductrice positionnée au milieu des bobines et présentant une certaine inclinaison. Cette pastille joue le rôle d’un écran magnétique. La distribution du champ dans l’entrefer est alors alternative et présente deux pôles. Un induit classique est positionné sur la longueur utile de la machine correspondant à l’inclinaison de la pastille. Les lignes de retour du flux sont complexes et traversent une grande partie d’air. Cependant, les bobinages supraconducteurs qui génèrent de fort champ magnétique sans perte nous permettent ce type de topologie.
Cette structure de machine a tout d’abord été étudiée pendant la thèse de R. Moulin [MOU 10] qui a développé un modèle numérique 3D pour déterminer la distribution du champ dans l’entrefer. Un prototype de petite dimension a été réalisé par R. Alhasan pendant sa thèse [ALH 15]. Les essais réalisés sur ce prototype ont permis de valider le principe de fonctionnement et de mettre en avant les avantages et les inconvénients de cette structure. J’ai bénéficié du soutien de la région Lorraine en 2011 (40 k€) pour réaliser ce prototype.
Figure 4.25 : Machine supraconductrice à pans coupés.
Pour l’analyse de cette structure purement 3D, seule une modélisation numérique est possible. La difficulté vient du choix du modèle à utiliser pour représenter la pastille supraconductrice. Pour avoir une idée des capacités d’écrantage de la pastille, le modèle de la loi en puissance s’avère nécessaire. Cependant, les choses ne sont pas simples. Tout d’abord, le modèle est fortement non linéaire. L’exposant de la loi en puissance (4.1) peut prendre des valeurs très élevés (n > 50) pour un refroidissement à l’hélium liquide et la résolution par éléments finis n’est pas garantie dans ce cas. De plus, la simulation doit être effectuée en pas à pas dans le temps pour tenir compte de la montée du champ au niveau de la pastille et en déduire la répartition des courants induits dans celle-ci. Les temps de simulation sont alors très importants. La modélisation est multi-physique car il faut prendre en compte les effets de la température qui apparaissent dans la loi en puissance (4.1). Enfin, il faut avoir une bonne connaissance des paramètres de la pastille (caractérisation), en particulier la valeur de son courant critique et de sa dépendance vis-à-vis du champ appliqué.
142 Le calcul de la distribution des courants induits dans une pastille supraconductrice en 3D est un problème très complexe. Les études sur ce sujet n’en sont qu’à leurs débuts et sortent du cadre de ce mémoire. Des résultats commencent à être publiés dans la littérature [KAM 14], [PRA 15].
Notre objectif n’était pas de déterminer la distribution des courants dans la pastille mais d’avoir une idée des possibilités offertes par cette topologie d’inducteur en termes de distribution du champ magnétique dans l’entrefer. Par conséquent, nous avons fait le choix de considérer la pastille comme un écran parfait. Sachant que cette pastille est refroidie à l’hélium liquide et que le niveau de champ dans l’entrefer vaut environ 2 T, cette hypothèse est acceptable.
La figure 4.26, issue de la thèse de R. Alhasan, montre la répartition de l’induction radiale obtenue par éléments finis 3D dans le plan (θ,z) pour un rayon correspondant à l’alésage du stator. On obtient bien une machine à deux pôles. Cependant, la distribution du champ dans l’entrefer est très différente de celle obtenue pour une machine classique ou le passage du pôle nord au pôle sud s’effectue d’une manière plus brutale pour une valeur de θ donnée (ligne neutre). Ici, le passage est progressif et suit l’angle d’inclinaison de la pastille.
Figure 4.26 : Distribution de l’induction radiale dans le plan (θ,z) au niveau du rayon
143 Les photographies de la figure 4.27 montrent la réalisation de l’inducteur et de l’induit. Pour l’inducteur, on distingue les bobinages en NbTi placés sur des plots ferromagnétiques ainsi que la pastille supraconductrice en YBCO. Le diamètre de la pastille fait 15 cm, son épaisseur fait 1 cm. Cette pastille est située entre les deux plots ferromagnétiques avec un angle d’inclinaison d’environ 30°. L’inducteur complet fait 15 cm de haut et environ 12 cm de diamètre.
R. Alhasan a montré que l’utilisation de plots ferromagnétiques hyper saturés permet d’améliorer la distribution et la valeur de la composante radiale du champ dans l’entrefer [ALH 15], [R39], [R40]. Cependant, cela a pour effet d’augmenter fortement la masse de l’inducteur. Pour la réalisation de la machine, un induit triphasé classique a été utilisé comme le montre la figure 4.27. Cet induit comporte 48 encoches. Le bobinage est distribué et à pas diamétral. Le nombre d’encoches par pôle et par phase est suffisant pour obtenir un bon filtrage des harmoniques du champ créé par l’inducteur d’autant que l’entrefer est élevé. La longueur active de l’induit fait environ 5 cm.
Figure 4.27 : Inducteur et induit du prototype de la machine à pans coupés [ALH 15].
L’établissement expérimental de la carte de champ dans l’entrefer (distribution de l’induction radiale) pour un refroidissement à 77 K (azote liquide) a permis de valider les calculs 3D [ALH 15], en particulier l’hypothèse concernant la modélisation simple de la pastille supraconductrice. L’inducteur a ensuite été introduit dans un cryostat et refroidi à la température de l’hélium liquide. Nous avons choisi de faire tourner l’induit pour éviter de faire tourner le cryostat (inducteur fixe). Les essais complets de la machine en génératrice (essai à vide, essai en court-circuit et essai en charge) ont permis de valider le principe de fonctionnement de l’inducteur. La figure 4.28 donne les résultats de mesure des forces électromotrices pour une vitesse de 500 tr/mn et un courant de 97 A dans les bobines supraconductrices (soit environ 220 A/mm2). Ces forces électromotrices sont pratiquement sinusoïdales. Comme la machine n’a pas été optimisée, l’étude des performances n’a pas été menée mais ce travail reste à faire.
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Figure 4.28 : Mesure des forces électromotrices pour un fonctionnement en génératrice à 500 tr/mn et J = 220 A/mm2 dans l’inducteur.
4.4 Conclusion
Au cours de ce chapitre, j’ai donné un aperçu des travaux que nous avons réalisés ces dernières années au GREEN sur les applications des supraconducteurs en électrotechnique. Les résultats présentés reposent pour l’essentiel sur les travaux des doctorants et des étudiants de Master que j’ai encadrés. Ces travaux comportent un volet expérimental important. Cet aspect pratique du travail est fondamental, d’une part pour valider les modèles et d’autre part pour maîtriser cette technologie qui nécessite des moyens et des savoir-faire particuliers.
Pour garder une cohérence au document, j’ai mis en avant les outils de modélisation analytique que nous avons développés dans ce cadre. Ils ont montré tout leur intérêt pour le dimensionnement de ce type d’actionneurs, en particulier pour la détermination du courant de fonctionnement d’un bobinage supraconducteur lorsqu’il est plongé dans un environnement électrotechnique.
La réalisation de nombreux prototypes nous a montré la voie à suivre mais il reste du chemin à parcourir.
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