Dimensionnement d'une machine synchrone supraconductrice.

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1 Remerciements

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Mes remerciements les plus sincères à toutes les personnes qui ont contribué de prés ou de loin à l'élaboration de ce travail

Je remercie piètrement ALLAIl le tout puissant de m'avoir donné le courage et la volonté de mener à terme ce mémoire.

J'adresse mes vifs remerciements :

A mon encadreur Mr Hocine Bouchekhou pour son encadrement, son soutien sans failles et sa disponibilité ses conseils et ses qualités scientifiques ont été très précieux pour mener à bien ce travail

Je tiens également à remercie et exprimer mon profond respect aux membres de jury d'avoir accepté de juger ce travail.

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1 Dédicace

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Je dédie ce modeste travail

A ma mère avec toute mon affection.

Amon père avec toute ma reconnaissance.

A mes frères Abd elbaki ,Fakhreddine ,Fawzi et Chaker "Allah Yrahmo" A mes sœurs Soumia, Ilham, Naziha et Bouchra.

A mes petits neveux Taym AIlah ,Mohammed Eyad et Mohammed Ziyad A tous mes Amis

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1 Table des Mtières

Introduction générale

Chapitre I:Histoire et applications de La supraconductivité

1. Introduction

1. 1 Supraconductivité

1.2 Les différents types des supraconducteus

1.2.1 Propriétés des supraconductems

1.2.1.a. Généralités

1.2.1.b. Supraconducteur de type 1 1.2.1.c. Supraconducteu de type 11

1.2. 2 Grandeus critiques I.2.2.a. Température critique I.2.2.b. Densité de courant critique I.2.2.c. Champ critique

1.3 Les différentes applications

1.3.1 Les applications industrielles 1.3.1.a. Stockage d'électricité

1.3.1.b. Générateus et moteurs électriques

1.3.1.c. Les aimants pemanents supraconducteus 1.3.1.d. Les tramsfomateurs

1.3.1.e. Les limiteus du courant

1.3.2 Les applications civiles

I.3.2.a. Les trains à lévitation magnétique I.3.2.b. La magnétohydrodynamique I.3.2.c. Les applications médicales I. 3.2.d. Les applications scientifiques 1.3. 3 Autres applications

„..:..+...,:-;.Ù._:.î_:^:,-\.,..._...14

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I. 3. 3. a. Les câbles supraconducteurs (tmnsport de puissance électrique) I.3.3.b. Les motetms couples pom la propulsion navale

1.4 Modèles des supraconducteus

1.4.1 Le modèle de l'état critique

15 16 17 17 18 18 19 20 21 22 22 23 23 23 24

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Table des Matières

a. Le modèle avec la loi en puissance b. Le modèle avec la loi exponentielle

1.5 Conclusion

11. 1 Introduction

Chapitre H: Machine Electriques Supraconductrices

11.2 Les machines électriques supraconductrices

11.2.1 Moteur asynchrone

11.2.2 Moteu à courant continu

11.2.3 Machines synchrones

II.2.3.a Moteur Synchrone à pôles saillants

II.2.3.b Altemateu synchrone à pôles saillants II.2.3.c Moteu synchrone à flux axial

ll.2.3.d Moteur synchrone à hystérésis ll.2.3.e Moteu synchrone à flux piégé

II.2.5.f Moteur synchrone à aimants permanents

11.2.3.g. Moteur homopolaire

II.2.3.h. Moteur synchrone à réluctance

11.2.6 Moteur à griffe

11. 7. Conclusion

111.1 Introduction

Chapitre IH: Matériaux Supraconducteurs en Electrotechnique

111.2 1es éléments supraconducteurs dans les machines électriques

111 .2.a les matériaux Supraconducteus à basse températue critiq 111.2.b Les matériaux Supraconducteus à Haute Température Critique

III.2.c. M882 44 44 44 45 51

111.3 Comportements spécifiques d'un supraconducteu : piégeage et écrantage ... 53 111 .3 a. Piégeage de flux

111 .3 b. Mécanisme « d'écrantage »

111 .4 Applications des matériaux supraconducteus en électrotechnique

111. 5 Descriptif de topologies

111.5.1 Topologies de machines à « supraconducteus filaires » 111.5.2 Topologies de machines à « supraconducteurs massifs »

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Table des Matières

III.5.2.a. Machine à reluctance variable III.5.2.b. Machines à barrière de flux 111. 6 Technologies associées

a. Les matériaux b. La cryogénie

111. 7 Conclusion

Chapitre IV: Dimensionnement d'une MachÉne Supraconductrice à Ré]uctance Variable

IV.1 Introduction

IV.2 Structure de la machine étudié IV .2.a Structue de 1'induit

IV.2.b. Topologie de 1'inducteur

IV.3 Structue complète de la machine

IV.4 Modélisation de la machine par éléments finis IV.4.1 définition des paramètres et démarches de l'étude IV.5 Résultats de simulation

IV.6 Conclusion

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Introduction Générale

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1 Introduction Généra le

Introduction Générale

Conducteur magique ! . . .un conducteur qu'on peut considérer "parfait", un conducteur

qui ne s'oppose pas au passage d'un cotmt électrique, comme un bateau qui naviguerait

dans me mer sans vague, sms résistance à l'eau, sms ffottement c'est extraordinaire, c'est le rêve du génie électrique qui est devenu une réalité, c'est l'histoire des supraconducteus.

Heike Kamerlingh Onnes découvrit en 19] 1 ]'absence de résjstivjté é]ectrique du mercure refroidi à 1'hélium liquide (-269 °C ou 4.2K) 1ors de ses études sur la liquéfaction de l'hélium. Ce nouvel état du matériau sera appelé état supraconductem.

Avec la découverte des supraconducteurs et les nombreux progrès des systèmes cryogéniques, l'homme n'a jamais cessé de vouloir utiliser les supraconducteus de mille et une façons. Utiliser leurs caractéristiques électriques pour transmettre de l'énergie sans perte, générer des champs magnétiques intenses, tout cela pounait sewir ! C'est ainsi que par exemple, les câbles de transport d'électricité, les transfomateurs et les aïmants de l'Imagerie par Résonance Magnétique ont vu le jour. Ils sont tous de fabuleux exemples d'utilisation des propriétés de la supraconductivité.

Dans le domaine de la conversion électromécanique de l'énergie (moteur et générateur), les supraconducteus conduïsent à des gains significatifs en temes de puissance massique et volumique. Par rapport aux topologies conventionnelles, l'utilisation des supraconducteurs dans les machines électriques permet ainsi un véritable saut technologique. En effet, 1es supraconducteurs utilisés sous fome de fil au niveau des machines électriques pemettent d' augmenter 1'amplitude de 1' induction magnétique dans 1'entrefer.

Dans certaïnes conditions, m supracûnducteur peut être utilisé pom piéger m champ

magnétique, mais aussi comme un dispositif d'écrantage du champ. Cela permet de guider les lignes de champ magnétique. Ije matériau est alors utilisé, non plus pou canaliser le champ

magnétique comme l'on procédait habituellement avec les matériaux fenomagnétiques, mais

pom le dévier, c'est l'effet diamagnétique.

Par ailleus, le développement des supraconducteurs massifs, notamment grâce à la découverte des supraconducteus à haute température critique en 1986, pemiet d'envisager de

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Introduction Générale

Depuis plusieurs années, des laboratoires dans le monde ont s'intéressent à l'intégration des matériaux supraconducteurs dans les machines électriques toumantes. Leur but étant d'augmenter la compacité du moteur, c'est-à-dire, de diminuer le rapport poids-puissance. C'est dans ce contexte que ce mémoire de master a été initialement proposé.

Le travai] présenté repose sur l'étude dune structure d'une machine synchrone entièrement supraconductrice, dont Ja partie fixe (jnduït} utilisant des bobjnes supraconductrices pour créer le champ magnétique du stator, et la partie toumante (1'inducteur) utilisant des pastilles supraconductrices (fome massif) comme écrans magnétiques pour but d'écranté les lignes de champ.

Le manuscrit est composé de quatre chapitres. Le premier chapitre conduit le lecteu

rapidement depuis la découverte du supraconducteur jusqu'aux recherches en cours, en

détaillant les Œffërentes applications des matériaux supraconducteurs, leus propriétés et les différents types ainsi que les modèles des supracûnducteus.

Dans le deuxième chapitre, nous présentons les différents types des machines électriques supraconductrices, en détai]lant son princjpe ds fonctionnement suivant l' emplacement des éléments supraconducteurs dans ces machines.

Dans le chapitre suivant, nous présentons un état de l'art sur les matériaux supraconducteurs pour 1'utilisation dans le domaine de 1'électrotechnique. Nous détaillant les différentes fomes des matériaux supraconductetms massifs ou filaires, à basse et à haute température critique ainsi que sont utilisation daris les machines synchrones supraconductrices à réluctance variable. Le chapitre est clôturé par des techniques (technologies) associé au reffoidissement des machines électriques y a compris les matériaux supraconducteus.

Dams le demier chapitre, nous étudions théoriquement notre topologie de machine synchrone supraconductrice. Nous présentons le dimensionnement de ce prototype de ]a machine, dont la totalité de conception sera détaillés, en passant par le dimensionnement de l'induit et de l'inducteu et le choix technologiques des éléments supraconducteus utilisés, ainsi que le calcul de couple et de ses ondulations.

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ChaDitre 1 Histoire et ADDlications de la Supraconductivité 1. Introduction

Les applications des supraconducteurs sont de plus en plus présentes dans les projets électrotechniques actuels. Ces matériaux permettamt de transporter des couants très élevés et de générer des champs magnétiques importants, trouvent un intérêt avéré dans le domaine des fortes puissances.

En effet, l 'utilisation des supraconducteuis en électrotechnique est très intéressante pour les fortes puissances, et de nombreuses app]jœtions te]les que les limjteus de courant, ]e stockage d'énergie, les lignes de transport, les aimants, les transformateurs et les machines toumantes apportent des résultats encourageants en vue d'une généralisation fiiture de tous ces systèmes. Cet engouement se caractérise également par 1'activité du monde industriel, qui propose de plus en plus de projets à matériaux supraconducteus pour l'électrotechnique. Ces projets sont menés par des équipes mixtes, via des partenariats avec des laboratoires universitaires ou privés, voire par des équipes de recherche exclusivement industrielle. Cet engouement se représente également par le déve]oppement d' me branche industrielle dédiée à ces matériaux, et aux systèmes cryogéniques permettant leur bonne utilisation.

1.1 Supraconductivité

La supraconductivité est la propriété que possèdent certains matériaux de conduire le

courant électrique sans résistance à condition que leur températue soit inférieure à une

certaine valeur appelée température critique {Tc). Ces matériaux supraconducteurs s'opposent également à tout champ magnétique exteme.

En 1911, 1ors de recherche sur les propriétés physiques du mercure à très basse température, Gilles Holst, étudiant sous la direction du physicien Néerlandais Kamerlinst Omes, aurait laissé 1'expérience s'emporter et faire apparaître une résistance non mesurable. Une erreur profitable pour la physique et en particulier le domaine de l'électrotechnique.

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Figure 1.1 : Première liquéfaction de l'hélium Œleinke Kamerlingh Omes -1908-)

Le terme non mesurable de la résistance du mercure signifiait lors de la première expérience que sa valeur chute de façon considérable en dessous d'une température, défirie

coriime température critique Tc (Fig.1.1). Kamerlingh Omes reçu le Prix Nobel de physique en 1913 suite à cette découverte.

En 1933,1es chercheus allemands Walter Meissner et Robert Oschsenfeld découvrirent que les matériaux supraconducteu.s repoussaient les champs magnétiques. Ce phénomène est connu sous le nom "Effet Meissner". Un aimant en mouvement au-dessus d'un conducteur

induit un courant dans ce demier : C'est le principe des générateurs. En revanche, si le

conductem est remplacé par un supraconductem, alors le courant induit crée un champ magnétique égal et opposé au champ magnétique de 1'aimant, ce qui repousse ce dernier. On peut ainsi ffiire léviter un aimant au dessus d'un matériau supraconducteu. (Voir figure 1.2)

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Figure 1.2 : Aimant lévitant au dessus d'un supraconducteu.

De même, des travaux essentiels menés par Œnzbmg et Landau rapportent me caractérisation macroscopique des supraconductems grâce à l'équation de Schrôdinger. Cette théorie, reprise par Abrikosov, a fait ressortir deux types de supraconductetms, dont seulement ce" de la seconde catégorie sont utilisables. Un Prix Nobel a été délivré en 2003, à Abrikosov et Ginzbug pour leus travamL Landau étant décédé en 1968. Jusqu'à 1986, la supraconductivité concernait seulement les très basses températures, et plusieurs applications refroidis à l'aide d'hélium liquide se sont vues développées, par exemple les appareils d'imagerie médicale. Cependant une nouvelle découverte, apporte un regard nouveau sur la supraconductivité : les supraconducteus à hautes températures critiques ŒTC). La découverte d'm matériau à température critique de 35K a été réalisée par Berdnoz et Müller, en étudiant une structure perovskite de cuiwe à base de lanthane. 11 reçoive le Prix Nobel en

1987.

Depuis les recherches sur ces matériaux céramiques n'ont cessées, et des matériaux tels que le BSCCO ou l'YBCO, de températues critiques pouvant approcher les 115K, pemettent

d'envisager des applications à 1'azote liquide.

En 2001, un nouveau supraconducteu attire l'attention, le diborure de magnesium (MgB2). Ce supraconducte" situé à mi-chemin des supraconducteurs à basses et hautes températures critiqœs à l'avantage de proposer m fil facilement réalisable, grâce sa structme

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Chanitre l Histoire et Ai}plications de la sui}raconductivité

et son processus de fabrication PIT Œowder ln Tube). 11 pemet d'envisager des applications à

des températures d'environ 20K, ou il présente des caractéristiques intéressantes (matériel

médical, motem électrique, transfomatem... ). La figure suivamte représente évolution des matériaux supræonducteurs en fonction du temps.

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Figure 1.3 : Evolution des supméoriducteuÉ

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ChaDitre 1 Histoire et ADDlications de la Supraconductivité

1.2 Les différents types des supraconducteurs

1.2.1 Propriétés des supraconducteurs

l.2.1.a. Généra]ités

Un supraconducteur est un matériau qui a un comportement physique particulier en fonction de la températue, de la densité de courant ]e parcourant et du champ magnét].que

exteme. Ce matériau aura donc un état supraconducteur si ces trois caractéristiques se trouvent sous la surface critique régit par ces trois grandeurs (Fig.1.4), en dehors il atma un

compor[ement dissipatif appelé état nomal.

Figure 1.4 : Surface critique délimitant l'état supraconducteur de l'état nomàl

L'état supraconducteur se caractérise par une résistance relativement faible, non

mesurable en courant continu

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ChaDitre l Histoire et Api}lications de la supraconductivité

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Figure 1.5 : Allure de la résistance d'un matériau supraconductem (a) et d'un conducteu normal (b) en fonction de la température.

Déjà énoncé dans l'historique, les matériaux supraconducteurs utilisés sous la surface critique (T, J, B) sont imperméables au champ magnétique pour des valeurs inférieures au second champ magnétique coercitif (Hc2), c'est l'effet Meissner qui caractérise donc un « diamagnétisme parfait ».

Pou qu'un matériau soit supraconducteu il faut que les trois paramètres ; températme T, demité de courant J et champ magnétique H soient inferieus à ses paramètres critiques Tc

Jc et Hc. Cependant tous les supraconducteus n'ont pas le même comportement en présence d'un champ magnétique, on distingue les supraconducteus de t)pe 1 et les supraconducteurs

de type 11.

I.2.1.b. Supraconducteur de type 1

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Pou ces types de supraconducteus il n'existe qu'un seul champ magnétique critique, et ainsi que deux états : supraconducteur ou nomal. Le champ magnétique pénètre partiellement dans le matériau sm une longueu, appelée longueu de London, dans laquelle se développe des super comants. I.es supraconductems de ce type, comme l'étain et le plomb, caractérisent les premières découvertes. Le champ critique étant relativement faible, cela explique que les supraconducteus de t]pe 1 n'ont pas d'applications industrielles actuellement.

I.2.1.c. Supraconducteur de type 11

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Figure 1.7 : Supraconducteu de t)pe 11.

H *+_fi,Jffiï

Les supraconducteus de type 2 possèdent deux champs critiques, si le premier est très

faible, 1e second peut atteindre plusieurs dizaines de Tesla . De plus la densité de courant

critique peut atteinùe des valeus impor[antes, ces deux caractéristiques favorisent l'utilisation de ces matériaux dans le domaine de 1'électrotechnique. L'état Meissner se caractérise par un diamagnétisme parfait.

L'état mixte se caractérise par une pénétration partielle du champ magnétique sous fome de vortex, et donc d'un diamagnétisme partiel. Ces vortex sont définis par un même flux magnétique, ïls comportent un cœu à l'état nomal entoué par une zone supraconductrice ou se développent des super-courants. Afin de réduire les échauffements locaux dus au déplacement des vortex, ceux-ci sont ancrés dans des microstructures, la densité de courant critique est ainsi celle qui correspond à une force de Lorentz supérieure à la force d' ancrage des vortex.

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Chal'itre 1 Histoire et AnDlications de la Sui}raconductivité

Les matériaux supraconducteurs utilisés en é]ectrotechnique sont tous de types 11, qu'ils soient à basse ou haute température critique.

1.2.2 Grandeurs critiques l.2.2.a. Température critique

La températue critjque d'un supraconducteu est une températue dépendant du

matériau, de la densité de courant le parcourant et du champ magnétiqœ exteme appliqué. Pou les matériaux à basse température critique, elle rx3ut atteindre des valeus d'une quinzaine de degré Kelvin. On les utilisera donc essentiellement à l'hélium liquide.

Pour les matériaux à haute température critique, elle peut atteindre des valeus allant jusqu'à

120 degrés Kelvin, les applications couvrent donc une large gamme de fluide (hélium liquide, hélium gaz, néon liquide, néon gaz, hydrogène, azote liquide, azote gaz).

I.2.2.b. Densité de courant critique

Pou les supraconducteu de type 1, il existe une densité de cotmant critique, au-delà de cette valeur le supraconducteur transite vers l'état normal.

Pour les supraconducteurs de type 11, la densité de courant critique est celle qui développe des forces de Laplace supérieme à celle d'ancrage des vortex. Ce phénomène,

appelé flux flow, apporte des échauffements themiques dans le matériau et caractérise ainsi sa transition vers l'état norinal. Cette valem est généralement déteminée par le champ

électrique. Suite à plusieus retours su expérience un seuil arbitraire de l HV/cm a été choisi pour les matériaux à haute température critique {0,1HV/cm pour les LTS), ce seuil défini la densité de courant critique sur une coube exprimant la tension en fonction de la densité de courant aux bomes d' un échantillon supraconducteur.

I.2.2.c. Champ critiflue

11 dépend également du type de supraconducteur, comme expliqué précédemment, un champ critique relativement faible pour ceux de premier type et deux champs critiques séparés d'une zone d'état mixte pour ceux de second type.

De manière générale, le champ magnétique critique comespond à la valem du champ exteme,

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ChaDitre 1

_{H_i_Stoireet_ALPPËia±Î9±sj±asupracondTc_t±}

transiter ce matériau à l'état normal, pom me densité de courant nulle et une températue

minimale.

1.3 Différentes applications

Les avantages essentiels des supraconducteurs sont 1'absence de pertes en champ continu et les très fortes densités de courant admissibles. Les ampères-tours non dissipatifs sont considérables, d'où la possibilité de produire, pratiquement sans pertes, des inductions magnétiques élevées dans des volumes importants. Un courant induit dans une bobine supraconductrice soigneusement court-circuitée est pratiquement persistant à l'échelle

hunaine, d'où le stockage possible de l'énerÈe. La transition natuelle et automatique de

l'état supraconducteur à l'état résistif par dépassement de la surface critique peut être exploitée dans certains dispositifs très innovamts.

1.3.1 Applications industrielles

l.3.1.a. Stockage d'électricité

Une application industrielle la plus intéressante est le stockage d'énergie dans une bobine de supraconducteur refroidi à 1'hélium liquide. En effet, les pertes de puissance peuvent se révéler très contraignantes pour certaines industries qui perdent alors leur productivité et donc un bénéfice important. Le stockage de 1'électricité se fait sous forme de courant continu qui circule indéfiriment dans une bobine supraconductem soumise à un

champ magnétique. On a vu dans le chapitre précédent pou un supraconducteu de type 1 que

lorsque celui-ci était soumis à un champ magnétique alors un courant s'installait dans le

supraconducteu créant un champ magnétique s'opposant entièrement au champ exteme. Ce

courant ne subit aucune perte résistive et circule donc indéfiniment tant que le supraconducteur est maintenu en dessous de sa température critique. (Fig.1. 8).

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Energie

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Lignës de sta"p magnétiqüe

Figure 1. 8 : Principe général de stockage d'énergie par supraconducteur

Ce système pemiet donc de délivrer une forte puissance en un temps très court, ce qui permet à certaines chàînes de production de ne pas s'interrompre lors d'une chute de tension ou d'une coupuiie de très courte durée. Une compagnie, Supraconductivité, Inc de Madison, Wisconsin propose ce système qui délivre 750kw en 2 secondes. Cependant le système est

très coûteux car il s'agit de reffoidissememt à l'hélium liquide et de plus, il consomme 50kw

en pemanence pou la réffigération et quelques pertes électriques aux endroits où le système ne peut être reffoidi.

I.3.1.b. Générateurs et moteurs électriques

Les générateus et moteurs électriques à bobinage supraconducteu sont une application importante de la supmconductivïté. En effet, un générateu électrique à bobinage supraconducteur a un rendement beaucoup plus élevé, proche de 99% contre un rendement de 50% pour un altemateur conventionnel. De plus, sa taille est diminuée de moitié par rapport à un génératem conventionnel. Les circuits magnétiques classiques ont deux principales lîmitations : l'jnduction magnétique créée est limjtée (2 T), et leus pojds et encombrements sont plutôt contraignants. On utilise donc dans ces machines synchrones des inducteurs

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bobinés avec du câble supraconducteu afin d'avoir un champ magnétique très important dans

1'entrefer de la machine.

I.3.1.c. Les aimants permanents supraconducteurs

Un supraconducteu massif peut aussi être utilisé comme aimmt pemanent. En

refroidissant à champ nul un supraconducteur à haute température critique, puis en 1'exposant à une variation rapide du champ magnétique, il va piéger le champ magnétique. Le champ piégé dans le supraconducteu est lié à des courants induits par la loi de LerLz. Ces courants se développent comme dans un métal normal, à panir de la surface extérieure, mais contrairement aux matériaux résistifs, ils ne s'ainortissent pas puisque la résistivité est nulle.

Lorsque le champ extérieu diminue, la répartition des courants change pou s'opposer à cette

nouvelle variation et tendre à piéger 1'induction. Pour que le supraconducteur piège

efficacement le champ magnétique il faut que le champ extérieu atteigne Lme valeu appelée

champ de pénétration Hp. L'exemple suivant conceme une plaque supraconductrice de largeur 2a, infiniment longue suivant les axes y et z, soumise à un champ extérieur He suivant l'axe y. Après l'annulation du He la plaque piège um champ magnétique, dont la répartition dépend de la valeur du champ extérieur appliquée. Nous présentons sur la figure 1.9 1a répart£tion du courant et du champ magnétique à 1'intérieur de la plaque.[15]

-ü 01 a -a

(a) H`.<Hp (b) H=Hp

Figurc 1.9 : Répartition du champ magnétiquc ct du courant à ] 'jntéricur du suprf}conductcur après la disparition du champ extérieu.

Cette propriété de piégeage du champ magnétique a été utilisée pour réaliser un moteur à s pôles. L'inducteur du moteur est composé de s disques, jouant le rôle d'aimants

pemments, placés su un cylindre non ferromagnétique, Cet inducteu est reffoid à l'azote.

Le refroidissement des disques supraconducteurs se fait sans champ magnétique. Les disques

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Chanitre 1 Histoire et Annlications de la SuDraconductivité

supraconducteus seront magnétisés à l'aide d'une bobine en cuivre. En appliquant une impulsion du courant de 7620 A durant 2 ms, une induction magnétique de 1,6 T sera générée près de la surface du disque. Cette valetm va diminuer pour se stabiliser à 0,6 T après 20 ms.

D'autres études ont montré qu'on peut avoir des aimants pemanents supraconductetms avec

des valeurs très élevées d'induction magnétique pouvant atteindre 11,4 T à 17 K pour un disque de 26 mm de dïamètre et de 12 mm d'épaisseur.

I.3.1.d. Les transformateurs

L'une des applications des supraconducteurs en électrotechnique conceme les

transfomateus. Pou cette application les pertes en régime altematif des supraconducteus

restent un inconvénient majetm. Les études effectuées ont montré des performances

remarquables de ce type de transformateurs. En effet, par rapport à un transformateur

conventionnel, les pertes peuvent diminuer de 30%, ]e volume de 50% et le poids de 70% . La société Siemens a iiéalisé et testé avec succès uri transfomateur de 1 MVA [6].

I.3.1.e. Les limiteurs du courant

Le fonctionnement des limiteurs supraconducteurs est basé sur la transition de l'état supraconducteur vers l'état normal de ces matériaux. Cette transition en un temps très bref fait des supraconducteus de bons limiteurs. En présence d'un court-circuit dans le réseau électrique, le coumnt augmente rapidement et dépasse le courant critique du supraconducteur.

Ce demier en transitant à l'état nomal voit sa résistance augmenter ce qui entraîne me

limitation du couant du court-circuit. La puissance dissipée dans le matériau supraconducteur juste après la transition est considérable et qui peut entraîner la destruction du dispositif. L'avantage des limitetms supraconducteus par rapport aux dispositifs conventionnels de protection est leur temps de réponse et la possibilité d'être utilisés pour des niveaux de tensions très élevées. Plusieurs travaux ont été effectués sur les limiteurs supraconducteurs.

Une étude su les limiteurs de courant continu et une comparaison avec les limiteurs en courant altematif a été établie.

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1.3.2 Les applications civiles

L3.2.a. Les trains à lévitation magnétique

En 1977, les japonais ont constmit ]e pmtotype ML500, m train qui gjsse à quelques

centimètiies au-dessus de la voie à 5001m/h. C'est 1'effet Meissner qui est utilisé pour cette

application. En effet, on a placé des aimmts dans les trains qri se font repousser par des

bobines supraconductrices court-circuitées Œobines de lévitation) situées sur le côté de la voie

qui font alors léviter le train et lui permettent de le guider latéralement. Ensuite, en changeant

les polarités d'autres bobines supraconductrices positionnées elles aussi latéralement (bobines

de propulsions), on exerce une attraction/répulsion qui permet de faire avancer le train (Fig. 1 . 10).

Figure 1.10 : Positionnement des bobines su la voie du Magl,ev.

Ces trains à lévitation piiésentent plusiems avantages : outre le fait qu'ils circulent à de

très hautes vitesses, ce quï raccoucit la dLmée des trajets, ils n'usent pas les voies car il n'y a

pas de contact direct, et le problème du captage du courant par pantographe ne se pose plus.

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Cependant, la mise en place des inffastructures et la réffigération de kilomètres de bobines sont extrêmement onéreuses, ce qui tend à ffeiner sa commercialisation. Les Etats-Unis ont

estimé un coût de 10 à 30 millions de dollars par mile terrestre.

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I.3.2.b. La magnétohydrodynamique

Des recherches sont actuellement menées sur la magnétohydrodynamique (M.H.D.).

Cette nouvelle technolotie pemettrait de mouvoir les navires sans hélices. Lorsque l'on plonge Lm solïde conducteu dans m champ magnétique et qu'on lui applique me différence de potentiel, créant un champ électrique constant et perpendiculaire au champ magnétique précédent, une forœ de Lorentz est créée et le solide se déplace. Cette expérience peut être conduite également en remplaçant le soljde par un fluide conducteur. Ainsj, en appljquant un champ magnétique et un champ électrique à l'eau de mer, on peut agir sur celle-ci et propulser

un navire. 11 n'existe qu'un seül prototype à taille réelle de ce t)pe de navire : le Yamato I (Fig.1.11) construit par le Japon (projet qui a débuté en 1985).

Figme 1 . 1 1 : Yamato 1

Bien que les rendements énergétiqœs soient égaux voire supérieurs (dans un fiitur proche) aux modes de propulsion conventionnelle, les coûts engendrés par ce t5pe d'installation demeuent très élevés. La Russie, les Etats-Unis et la France se sont aussi lancés dans cette recherche mais il faut attendre une avmcée technoloSque importante en matière de supraconductem avant que ce système soit commercialisé.

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I.3.2.c. Les app]ications médicales

L'application médicale la plus connue est l'imagerie par résonance magnétique (I.R.M.). L'I.R.M. est basée su le principe suivant : un noyau atomique doté d'un moment magnétique et soumis à une induction Bo constante décrit un mouvement de précession autou de son axe avec une vitesse angulaire proportionnelle à Bo. En appliquant un champ magnétique perpendiculaire à Bo, on observe un phénomène de résonance si ]a fféquence d'excitation f est égale à la vitesse angulaïre de précessjon. On recuejlle ainsi un signa] caractérist].que. L'induction de polarisation Bo varie dans l'espace, et f aussi donc, ce qui permet l'obtention

des images.

L'induction magnétique de 0,5 à 4T nécessaire ne peut être obtenue qu'à l'aide d'aimants supraconducteus. De plus, mise à part la phase d'établissement du courant, l'alimentation électrique n'a p]us lieu d'être. Le besoin de réffigération de ces supraconducteus est très faible une fois en service, Le patient ne subit aucun effet nocif connu à ce jour.

Une autre apphcation sur le même principe que l'I.R.M. est la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN). A la différence de l'I.R.M., deux champs magnétiques orthogonaux entrent en jeu (un à haute fréquence, 1'autre continu). Sous leurs effets, les noyaux entrent en précession et émettent des signaux que l'on recueille ensuite pom l'analyse de la nature, la composition ch£mjque et la structure des échamtillons. Les ajmants supraconducteurs peuvent produire les inductions magnétiques de l'ordre de 7-13T nécessaires.

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Figure 1.12 : Imageur médical supraconducteur (source photo : Philips Medical System)

L3.2.d. Les app]ications scientifiques

La recherche nécessite de plus en plus d'aimmts puissants afin de pemettre l'étude des

propriétés physiques de certains matériaux sous 1'effet de champs magnétiques. Seuls les

aimmts supraconducteus peuvent créer de tels champs magnétiques. Dans les accélérateurs de particules, on a besoin de ces aimants pour guider ces particules et les accélérer dans des faisceaux. On fait appel ensuite à d'autres supraconducteus pour détecter les particules

élémentaires obtenues lors des collisions. Enfin, une application scientifique conceme les

Tokamaks qui sont des réacteurs de fi]sion nucléaire qui commencent à être expérimentés. Dans ces réacteurs, on essaie d'assembler deux atomes légers pou ne former qu'un seul atome, ce qui libère me énome quantité d'énerSe. Pom ce ffire, il faut chauffer les noyaux à

environ 100 millions de degrés mais sans qu'ils touchent les parois du réacteur. On doit alors

les maintenir dans m état de plasma grâce à m champ magnétique riportant qui ne peut être foumi que par des aimants supraconducteus.

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L3.3 Autres applications

Les applications les plus avancées avec des supraconducteurs à haute température

critique sont les câbles de transport ou transport de puissance électrique et les motetms couples de propulsion navale.

I.3.3.a. Iæs câbles supraconducteurs (transport de puissance é]ectrique)

C'est une des applications les plus prometteuses car elle pemettrait de transporter la puissance en limitant les pertes et autorisant une tension plus faible. Un des avantages est

aussi la différence de poids du câble.

Figure 1.13 : câble supraconducteu

Un des principaux intérêts du câble supraconducteu est sa capacité de transport nettement plus forte (factem 3 à 5) dans un encombrement donné, en tenamt compte de la place nécessaire pom le refioidir. Cela en fait Line solution particulièrement attrayante pour résoudre le problème d'augmentation de la puissance électrique dans certaines grandes métropoles intemationales. Un câble supraconducteur réutilisant le passage d'un câble actuel, mais d'une capacité en puissance 5 fois plus élevée, présente une alternative économique très intéressante au développement d'un nouveau passage pom un câble iiésistif de plus forte

capacité : c'est le retrofit. Sa signature thermique nülle apporte beaucoup de souplesse dans

l'installation d'm câble, en particulier dans des endroits impossibles pou les câbles classiques. Du point de vue des pertes, le câb]e supraconducteu. est plus favorable qu'un câble classique seulement au-delà d'un certain courant, compte tenu des pertes du cryostat.

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Par ailleurs un supraconducteur présente quand même des (petites) pertes lorsqu'il est parcouru par un cotHrant altematif, à 50 ou 60 Hz par exemple. À travers de nombreuses réalisations, la technologie des câbles supraconducteurs a acquis ume certaine maturité. Par exemple la société Nexans [www.nexans.fr] comptabilise déjà au total

12 années d'expérience opérationnelle avec de nombreux câbles réalisés. Elle exploite notamment depujs mars 2008 ]es 600 m de câb]e supraconducteur le plus pujssant au monde (600 mégawatts) aux États-Unis (projet LIPA).

L3.3.b. Les moteurs couples pour la propuLsion nava]e

Une autre application conceme ]es moteurs couples pou la propulsion navale. Les navires s'électrifient de plus en plus pour tend revers le navire tout électrique.

L4 Modè[es des supraconducteurs

Un certain nombre de lois et de modèles macroscopiques ont été proposés pour

modéliser les comportements des supraconducteus. L'enjeu majeu des recherches conceme

la modélisation de la loi de comportement E-J (champ électrique/densité de couant), en tenant compte de la température et du champ magnétique propre ou extérieur, afin de les intégrer dans ]es équations de Maxwell. Ces modèles sont utilisés pou mener des calculs sm les phénomènes de dissjpation d'énergie {comme par exemple les pertes altematives AC), ainsi que pour le dimensionnement des dispositifs utilisant les matériaux supraconducteurs. Nous commencerons par présenter le modèle de l'état critique de Bean, qui est un modèle simple caractérisé par un seul paramètre. Généralement, 1e modèle de Bean est utilisé pour mener des calculs analytiques sous certaines hypothèses. Ensuite, nous présenterons le modèle en puissance puis le modèle exponentiel, ils pemettent de mieux approcher le comportement réel des supraconducteurs car ils prennent en compte la décroissance des performances des conductems supraconducteurs en fonction de ] 'induction magnétique et de son orientation.

1.4.1 I.e modèle de l'état critique

Ce modèle a été introduit par C. P. Bean en 1962 [01], daris le but d'étudier l'aimantation des supraconducteurs massifs. Selon ce modèle, 1a densité de courant dans un

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constante à une température fixe déteminée par les propriétés du matériau supraconducteur

[11].

Figure 1.14: Caractéristique E(J) basée su le Modèle de Bem

Ce modèle se traduit mathématiquement par l'écriture de l'équation du champ

magnétique suivante :

A+B = +_ uoj:c Ou A+B = 0

(1.1)

La simplicité d'application de ce modèle su des fomes simples telles que : cylindre, plaque infiniment longue ,... etc., pemet de développer des calculs analytiques afin d'étudier les pertes en régime variable (AC), ou les phénomènes de magnétisation [03]. Par ailleurs,

l'utilisation de ce modèle dans les loÈciels de calcul numérique est peu commode à cause de sa discontinuité. DarLs ce travail, ce modèle est présenté à titre indicatif et n'est pas utilisé

pour nos différents calculs.

1.4.2 Modèles empiriques

a. Le modèle avec la loi en puissance

Ce modèle n'a pas de base théorique, il est obtenu par l'interpolation des coubes de la caractéristique non linéaire E-I des matériaux supraconducteus, cette demière est obtenue en

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Chanitre l Histoire et APDlications de ]a supraconductivité

effectuant une mesure tension-comant sm m échantillon supraconducteu. Cette loi est

définie par deux paramètres : 1a densité de courant Jc et 1'index-n (appelé aussi exposant-n).

E cx ]n + Ë __ E=

/c q.2)

Ec est un critère définj arbïtrajrement à partir de consïdérations expérimentaJes, et Jc ]a valeur de densité de courant qui correspond à Ec. Conventionnellement pou les HTc on prend Ec =

1 # V/cm. Ce modèle pemet d'approcher le comportement des supraconducteurs d' une manière satisfaisante à des densités de coLmt infërieues et autou de Jc, au-delà ce modèle prédit ui accroissement en puissance du champ électrique E, alors que les observations expérimentales montrent une transition de 1 ' état supraconducteu à 1 ' état nomal, donc un comportement linéaire de la caractéristique E-J [02]. Aussi, on peut observer que pom me valeu de l'index n égale à 1, on retrouve une ]oj de compor[ement ljnéaire, àlors que pour des valeurs de n très grandes (>200) on s'approche plutôt du modèle de 1'état critique de Bean

[04].

Le modè)€ de Em4 : JCŒ) st nŒ)

La densité de courant critique Jc est considérée constante dans les deux modèles

présentés plus haut: 1a loi en puissance et l'état critique de Bean, alors qu'en réalité il existe

une dépendance vis-à-vis du champ magnétique, quï a été montrée expérimentalement. Afin de prenùe en compte cette influence, Kim [07] a proposé un premier modèle qui inclue la valeur absolue de 1' induction magnétique 8.

E t¥/m'

---TT---"4m!:,

t

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Jc(B)-#o

JcO : constante égale la densité de courant critique sous champ nul (A/mm2 )

80 : corLstante caractérisant le matériau (Telsa)

(1.3)

La formule de Kim décrit un compoftement isotrope, alors que les supraconducteurs HTc sont fortement arisotropes, l'orientation du champ magnétique à me influence importamte su ]a densité de courant critique du supraconducteu [10].

La Figme 1.16 (droite) montre la définition de 1'orientation parallèle et perpendiculaire du

champ magnétique su ruban supraconducteu. La Figure 1. 16 (gauche) montre un exemple de

1'influence de 1'orientation du champ magnétique sur un ffl DI-BSCCO à 77 K.

ü ± Œ.3 B.l Œ _§ Œ _E

8 fTësb}

Figure 1.16: (gauche) Jc en fonction de 8// et B+à 77 K des rubans Di-BSCCO (droite) définition de l'orientation parallèle et perpendiculaire su un ruban.

En augmentan[ 1e nombre de paramètres de variation de la formule de Kim, de deux à quatre, une autie forme de loi généralisée de ce modèle est proposée par plusieurs auteurs [05,

13], celui-ci repose su quatre paramètres :

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Chal'itre 1 Jc(Bll, Bl)

Histoire et AnDlications de la Sui}raconductivité

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JcO: constante égale la densité de courant critique sous champ nul (A/mm 2 ) BO : constante caractérisant le matériau (Telsa)

k : facteur d'anisotropie (<1)

f3 : coefficient caractérisant la dépendance vis-à-vis du champ magnétique

Egalement, l'exposant-n est l'un des paramètres importants de la ]oi en puissance, plusieurs auteurs [08, 09, 14] ont montré qu'il se comporte de la même manière que la densité de courant Jc vis-à-vis de l'induction magnétique. De ce fait, une loi de comportement similaire à la formule de Kim peut être utilisée :

n(BII,Bl)

-1+ no

K2Ba+Bî

Bno

no : constante représentant la valeur de n sous champ nul

Bno : constante caractérismt la dépendance du n vis-à-vis de 8 (Telsa)

k : facteur d'arisotropie

(1.5)

Plusiems autres travaux ont été consacrés à l'élaboration d'autres modèles empiriques de modélisation de comportement Jc(B) et n{B), en tenant compte de leurs décroissances en fonction de 1'induction magnétique et de l'angle d'orientation. Le lecteur pourra se reporter à la référence [ 12] qui énumère les autres modèles utilisés par la commLmauté scientifique.

b. Le modèle avec la ]oi exponentielle

Le modèle exponentiel est utilisé pour la modélisation de la loi non linaire E-J des

supraconducteus à basse température LTS; il pemet de considérer les dépendances à la

température T, à l'induction magnétique 8 ainsi qu'à la densité de courant critique Jc [04, 06]. Ce modèle a été utilisé dans les années quatre-vingt en Russie et en Europe de l'Est [02].

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ChaDitre 1 (1.6)

Histoire et Ai}Dlications de la Sui}raconductivité

E(T,B,J)=Jpnexp(¥+±+±)

Tc : Température critique (Kelvin)

To : constante caractérisant la dépendance à la températue (Kelvin)

Bo : constante caractérisant la dépendance à l'induction magnétique (Telsa) Jo : constante caractérisant la dépendance à la densité de courant (A/m2 )

pn : La résistivité électrique nomale du supraconducteu

1.5 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons présenté, me brève historique sur la supraconductivité. Une présentation des caractéristiques des matériaux supraconducteurs a été faite, comme la températue critique, le champ ainsi que la densité de courant critique.

Un supraconducteu est un matériau qui a un comportement physique partjcuher en

fonction de la température, de la densité de courant le parcourant et du champ magnétique

exteme. Les supraconducteus n'ont pas le même comportement en présence d'un champ

magnétique, on distingue les supraconducteurs de type 1 et les supraconducteurs de type 11. Nous avoris cité aussi les différents domaines d'applications des supraconducteurs. Les applications les plus avancées avec des supraconducteus à haute température critique sont les câbles de transport ou transport de puissance électrique et les moteurs couples de propulsion navale. Les avantages essentiels des supraconducteus sont l'absence de pertes en champ continu et les très fortes densités de courmt admissibles.

Parmi les applications importantes dans le domaine d'électrotechnique, les générateurs et les moteurs électriques qui sont l'objectif du prochain chapitre.

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ChaDitre ll Machines Electriaues supraconductrices

H.1 Introduction

En fonction du type de supraconducteur utilisé, on a deux générations différentes de machines supraconductrices. Jusqu'à la fin des années 90 ce sont les supraconducteus à basse

températme critique qui étaient les plus utilisés dans la réalisation de ces machines. Après la

découverte des supraconducteurs à haute température critique et le développement de ces matériaux, une autre période a commencé. Actuellement la quasi-totalité des machines, réaljsées ou étudiées, contiennent des supmconducteus à haute température critique. Les supraconducteurs à basse température critique sont néanmoins encore très présents,

notamment dans le domaine médical poLH réaliser les systèmes d'imagerie à résonance

magnétique IRM ou dans le domaine des grands instruments de la physique (accélérateurs de

particules, générateuis de fiision. . . ). [ 16]

H.2 Les machines électriques supraconductrices

Les 20 dernières années nous offient ainsi un panel large de réalisations et projets de motetms supraconductems. En vue de la conception de ces machines électriques sera divisé

comme suit :

* Moteu asynchrone,

# Machine à couant continu,

ü Machines synchrones,

Ë Machines spéciales (à griffes),

n2.1 Moteur asynchrone

Plusieurs solutions de moteurs asynchrones à cage à supraconducteus ont été

envisagées, la structure imaginée proposamt une cage d'écureuil HTS. Korea Electric Power

Research lnstitute a conçu le prerier rotor t5pe de machine asynchrone supraconductrice, en

assemblamt deux couronnes d'un alliage alumirium cuivre par des bames en BSCCO [19], ils

ont ainsi développé un motem de 750W à 1710tr/min. Les moteus asynchrones fonctionnant grâce aux pertes rotoriques, dues à sa résistance, au démanage les barres supraconductrices transitent à 1'état normal, ce qui créé un fort couple (grande variation de résistance du BSCCO). Une fois l'état supraconducteu recowré, l'avantage principal de ce moteu est de permettre de fort comant induit dans les bames supraconducrices. On a ainsf un démarrage en

deux temps, dépendant de la valeu de la résistance de la partie supraconductrice (Figure 2.1 ).

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Chapitre 11 Machines Electriaues SuDraconductrices

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EEEE

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;-`+.\`\

L+`,- MSteur d'mducüm HTS

~4+ ..,. MûteLÉg dmdittion ¢Ûmremiomel

tûÛ8 Û6Û4

Glissement

ë2

G lissement Û

Figure 2.1 : Moteur asynchrone supraconducteur, couple en fonction du glissement [19] L' université de Fukui a également proposé un moteur asynchrone supraconducteur avec une cage entièrement supraconductrice. Deux structures ont été réalisées : une gage d'écureuil entièrement en BSCCO [20] [21], puis un second rotor à barres massives en YBCO et deux solénoïdes en BSCCO dans le rôle des couronnes de court-circuit (Figure 2.2). Afin d'éviter un emballement themique lors du démarrage du moteur et 1'apparition de « quench », ils proposent de contrôler la température jusqu'au point de fonctionnement nominal. Ces deux prototypes sont utilisés dans un environnement entre 65K et 77K, à 1'azote liquide et offre des caractéristiques respectives de 1.5kw-1720tr/min et 1.3kw-1800tr/min. Contrairement aux

machines synchrones supraconductrices, ces moteurs ont m facteu de puissance relativement

faible.

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ChaDitre 11 Machines Electriaues Supraconductrices

H.2.2 Moteur à courant continu

Une première étude a été menée par RC Supraconductivity à Cambridge [STO] sur la possibilité de concevoir un moteu supraconducteur à courant continu, en utilisant des pastilles en YBCO comme des aimants pemanents. Un banc d'essai (Figure 2.3) a été réalisé pour étudier l'interaction, dans un plan, entre des bobines supraconductrices et des

supraconducteus massifs ayant un flux piégé. Des résultats intéressants su les efforts

appliqués sur l'aimant supraconducteur ressortent de ces essais, avec un flux piégé de O.5T

sous 77K. Solénoïde latéral Aimant chambre vide

s§Ë

/

Solénoïde axial Figure 2.3 : Représentation du banc d'essai 11.2.3 Machines synchrones

Cette catégorie de machines supraconductrices regroupe près de 90% des machines réalisées, avec une structure dominante de moteu synchrone à pôles saillants, où la partie supraconductrice conceme un inducteu toumant. On pouiTait appeler ces machines des « cryo-copies », consistant à reprendre un moteur classique cuivre et à remplacer la paftie enroulement à courant continu par des bobines supraconductrices.

II.2.3.a Moteur Synchrone à pôles saillants

On y retrouve en particulier les moteurs réalisés par American Superconductor et Siemens, avec des réalisations pouvant atteindre 36.5MW pour la demière, principalement pou des applications dédiées à la marine.

Le choix d'une structure classique à inducteur supraconducteur demeue la plus répandue pour les machines de forte puissance, proposant ainsi un cryostat mobile et la

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Chapitre ll Machines Electriaues suDraconductrices nécessité d'utiliser des joints toumants de t)pe ferrofluide [29]. Cependant des làboratoires, universitaires ou industriels Japonais proposent des machines avec une cryogénie fixe, à structure inversée : à induit toumant et inducteu fixe exteme [30] [31], cela simpl£fie considérablement la conception du cryostat ainsi que l'alimentation des bobines

supraconductrice, mais l'inconvérient majeu est la réduction de la puissance maximale disporible.

On relève aussj la volonté de travajl]er à des jnductions radiales dans l'entiiefer de

l'ordre de 1 Tesla, tout comme les machines classiques. Ceftaines structures proposent des dents statoriques en fibre de verre pour limiter la saturation de la culasse exteme [32] (Figure 2.4), mais également associées à un refroidissement à l'huile des enroulements d'induit. Ce qui permet d'augmenter le couple massique.

Figure 2.4 : Moteur synchrone 5MW {d' American Superconductor) [AMSC]

La majorité des machjnes de ce type a un système de refrojdissement réaljsé par une

circulation de gaz via le cœur du rotor (Figue 2.4), avec un refi.oidissement des bobines par

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Chapitre ll Machines Electriaues suDraconductrices

supraconducteu priviléÈé est le BSCCO sous forme de pancake, pemettant de grandes

longueurs grâce à une bonne homogénéité du fil. Des premières études avec des fils de

seconde génération (YBCO) concement actuellement beaucoup de projet [33], même si de premiers essais sont positifs, il est actuellement dfficile d'obterir me bobine avec m fil long

et d'envisager ainsi des moteurs de fortes puissances.

Figure 2.5 : stator du moteu 36.5MW d'American Superconductor (2009)

H.2.3.b Alternateur synchrone à pôles saillants

Ces machines ont pour la plupart une structure à pôles saillants, facilement réalisable pour des dimensions importantes. On peut les classifier en deux catégories liées à la période

où elles ont été réalisées ; celles à inducteus en NbTi et celles à inducteus en BSCCO. En

effet, Super GM [34] [35], différents laboratoires Coréens [36] [37] [38] [39] et le MT [40]

proposent des machines à inducteu en NbTi, pour des altematems allant jusque 83MVA. Plus

d'actualité, General Electrics [41], Siemens [29] et l'université de Southampton [42]

propûsent des altematems de quelques lookvA à 4MVA, pour des vitesses de 3000 à 3600 tr/min, à un inducteur en BSCCO reffoidit au environ de 20K avec de l'hélium ou du néon sous fome gazeuse.

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ChaDitre 11 Tube de couple \ t ` v-+r --...

Machines Electriaues SuDraconductrices

relroklss4mf | lki uid®|

Couverture magnétique Valve Chaude

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Figure 2.6 : Coupe de l'altemateu 70MW de Super GM

L'intégralité des structures proposées repose sur des topologies classiques à inducteur supraconducteu tournant, donc à cryostat tournant alimenté en fluide cryogénique par l'axe. La transition thermique entre la partie froide du rotor et 1'arbre rotor chaud transmettant le couple se fait par des « torque tube » placés dans la zone à vide secondaire.

L'application envisagée pour les altemateus synchrones de forte puissance est essentiellement la production d' énergie.

II.2.3.c Moteur synchrone à flux axial

Les machines synchrones à flux axial consistent en une structure dite discale, où le stator et le rotor sont en vis-à-vis. Le champ magnétique est alors créé suivant 1'axe avec des

enroulements en « pétales de fleus ». Cette topoloÈe pemet d'envisager des machines à

double rotor, on peut ainsi augmenter la puissance de la machine en disposant de deux inducteurs et d'un induit central (ou inversement), sans doubler 1'encombrement global.

Plusieus structures ont été proposées, la répartition des recherches su ce type de

structures conceme le Japon,1'Espagne et le Portugal. On djstingue deux catégories : - Machines avec bobines supraconductrices,

- Machines avec des matériaux supraconducteus (bulks) Bobines sui)raconductrices :

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Au Japon, IHI Corporation est portetH de plusieus projets, de la machine à inducteu supraconducteur de 22kw refroidis à 1'azote liquide par un cryo-cooler (figure 2.7), à la machine composée seulement d' enroulements supraconductems de 12. 5kw

Le moteu de 22kw [43] comporte un inducteu supraconducteur fixe et un induit

toumant, l'avantage est de disposer d'un système cryogénique simple. Le cryo-cooler, utilisé

à me température de 77 K avec de l'azote liqu.de, fonctionne donc avec une pujssance

cryogénique importante. La structure détaillée (figure 2.6), montre un inducteur

supraconducteur central, composé de s bobines à supraconducteu à haute température

critique contemnt du Ho-123, un cryostat, 1e tout placé sur un axe fer en tôle laminé. Deux induits extériems toumants pemettent de transmettre le couple.

t`r}i"

ih i ±3 Bobîne

NOË:&u,ndeeàgmature

Noyau de fer d'armature

Bare de contrôle

J- + --`

--L---.

Figue 2.7. Moteur synchrone à flux axial de 22kw par IHI « Bulk » :

Deux prototypes originaux proposent des moteurs synchrones à flux axial, où la partie

supraconductrice est un inducteu tournant composé de pastilles en YBCO (ou GDBacuo).

Ces deux machines de fàïble puissance sont reffoidies à l'azote liqride et pemettent dans un premier temps de vérifier le bon fonctionnement d'une structure axiale. Les bulks sont dans un premier temps magnétisés, grâce à 1'armature. Une fois le flux piégé grâce aux bobinages statoriques, on obtient des aimants « permanents » supraconducteurs et l'amature peut être

(45)

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1

1 I

I

1

1 I

ChaDitre 11 Machines E]ectriaues SuDraconductrices

utilisée dans le rôle d'induit pou le fonctionnement de machine électrique. Des premiers résultats conduisent à un champ magnétique radial pouvant atteindre au maximum 1.04T à 77K, pour une application avec un rotor à s bulks [44]. Des comparaisons su des moteurs

discaux de même dimension ont pemis de faire appara^itre un gain d'un rapport 3 su la valeu du couple moteur entre un moteu à inducteur à aimants pemanents et un inductem à s

pastilles d'YBCO reffoidïs dans un bain d'azote liquide [45].

H.2.3.d Moteur synchrone à hystérésis

Les premières machines électriques à hystérésis « classiques » ont été réalisées avec des

inducteus en fer, réalisé à partir d'un anneau rotorique en fer `dur', sans encoche rotorique

ni bobines de champ, la conception est donc relativement simple. Le principe de fonctionnement utilise le cycle d'hystérésis. Ces moteurs sont des moteurs de petites puissamces, généra]ement inférieures à 1.5 kw, de faibles perfomances : facteu de puissance et rapport couple sur volume faibles. L'intérêt de telle machine est de foumir des moteurs précis à couple constant du démarrage au fonctionnement nominal (vitesse de synchronisme). Les applications utilisant ce type de chaines sont les enregistreuLrs su rubans magnétiques, les disques durs et horloges, et des équipements de précisions.

L'utilisation des supraconducteurs pour des machines à hystérésis a débuté avec

l'apparition des supraconducteus massifs à haute températue critique, au début des années

90. Le champ magnétique altematif créé par 1'induit étant en interaction avec le rotor supraconducteu, ce qui engendre une variation de courant dans les grains et entre les grains de ce matériau.

Le fonctionnement de ces machines :_ ___ __ __ _ _______ __ _ _ _ _ _ _____ _

Le stator cuivre créé un champ magnétique toumant radial dans l'entrefer, le cylindre supraconducteur est à 1'intérieu de ce champ magnétique variable. 11 est dans un état mixte, les vortex vont essayer de s'ancrer en m nouvel état d'équilibre. Les mouvements de ces vortex induisent des « supercourants » entre graim dans le supraconducteur massif, ce qui a pour effët de le magnétiser. L'interactiûn des deux champs magnétiques produit ainsi un couple motetm, il est proportionnel aux pertes par hystérésis dans le matériau supraconducteur. Le choix du matériau supraconducteur pour ce type de moteur est essentiel, puisque sensible à la pénétration du champ magnétique, ainsi les matériaux de type 1,