Moteurs supraconducteurs. Etat de l'art

26/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2011-6:19589
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Moteurs supraconducteurs. Etat de l'art

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	    <date dateType="Created">Sat 26 Aug 2017</date>
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80 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique Sofiane Bendali, Gaël Malé, Renaud Moulin, Jean Lévêque Université de Nancy - Laboratoire GREEN, Vandoeuvre lès Nancy Introduction La recherche dans le domaine des moteurs électri- ques supraconducteurs a débutée dans le milieu des années 60, avec comme première réalisation un alter- nateur de 12 000 tr/min [STE 1966]. Pendant 30 ans, les matériaux à basse température critique ont permis d’envisager des structures de machines synchrones ou encore à réluctances. Une première réalisation marquante est le fruit du MIT en 1969, avec la première levée des difficultés concernant les systèmes cryogéniques tournants, il s’agissait d’un alternateur 40 kVA entièrement supra- conducteur. Cette réalisation est le point de départ de travaux de recherche sur les machines électriques su- praconductrices, utilisant des bobinages en NbTi. De 1980 à 1995, des moteurs de plus en plus puissants sont proposés. Des projets de machines électriques utilisant des matériaux supraconducteurs à haute température cri- tique commencent à voir le jour au début des années 90. Il faudra attendre seulement 6 ans entre les pre- mières maquettes de laboratoire et les moteurs de puissances importantes. Les 20 dernières années offrent ainsi un panel mul- tiple et varié de réalisations et projets de moteurs su- praconducteurs [REZ 2011]. Nous dresserons un bilan des moteurs à supraconducteurs à haute température critique, des topologies des systèmes cryogéniques conçus, des matériaux supraconducteurs et cryogènes utilisés, et des températures de fonctionnement. Intérêts des supraconducteurs dans les machines électriques La puissance d’une machine électrique convention- nelle est contrainte par des limites technologiques : • La force centrifuge qui s’exerce sur les éléments du rotor en limite le diamètre. • Les pertes par effet Joule imposent une limite à la densité de courant. L’utilisation des machines supraconductrices peut repousser ces limites. En effet, les travaux réalisés jusqu’à maintenant ont montré que l’utilisation de su- praconducteur au niveau de l’inducteur permet de di- minuer considérablement les dimensions et le poids des machines pour des puissances équivalentes. Les pertes sont, elles aussi, réduites. Les applications ciblées des machines à technologie supraconductrice concernent des domaines divers : • La propulsion navale est un secteur d’application privilégié pour les moteurs supraconducteurs. Afin d’atteindre les objectifs de compacité, les différents industriels et fabricants de machines supraconductri- Moteurs supraconducteurs. etat de l'art Electric machines projects made with superconducting materials with high critical temperature have begun to emerge in the early 90's. We will review superconducting motors or generators with high critical temperature superconductors, topologies designed for cryogenic systems, cryogenic and superconducting materials used, and operating temperatures. abstract Figure 1 : Premier moteur supraconducteur alternateur 12 000 tr/min [STE1966]. REE N°6/2011 ◗ 81 Moteurs supraconducteurs. etat de l'art ces développent des moteurs avec des inductions d’entrefer de l’ordre de 2 Tesla, et un objectif de rendement équivalent à celui des machines conventionnelles classiques en cuivre, ou moteurs synchrones à aimants permanents. Les résultats obtenus montrent un important gain en compacité : couple volumique et couple massique, un rapport de 2 est géné- ralement évoqué par les fabricants, et des bonnes perfor- mances dynamiques dues à la réactance transitoire qui est relativement faible. Par ailleurs, la cryogénie des ces moteurs supraconducteurs impose des grands entrefers, celui-ci peut atteindre 2 cm, ce qui engendre un faible taux d’harmonique, et de faibles ondulations de couple. Donc, des moteurs avec une discrétion acoustique remarquable ; cette caractéristique est particulièrement importante pour les navires militaires. • La production d’électricité est un autre secteur d’applica- tion. Une puissance volumique accrue et des réactances synchrones plus faibles entrainant une meilleure stabilité du réseau, font partie des points d’intérêt de cette technologie. Dans le domaine de l’éolien, c’est un poids réduit de machi- ne pour des puissances équivalentes qui présente de l’inté- rêt. La possibilité d’avoir des générateurs supraconducteurs d’une puissance de 10 MW, avec une réduction de masse significative (inférieure à 200 tonnes), pour des vitesses de l’ordre de 10 à 15 tr/min, a suscité l’intérêt des industriels pour ce type de technologie dans le domaine de l’énergie éolienne [ABR 2010], [ABR 2011]. L’objectif principalement visé est de réaliser des éoliennes à attaque directe d’une dizaine de mégawatts. La figure 2 montre les mesures effectuées sur le moteur 5 MW-230 tr/min, d’American Superconductors. Le rende- ment est relevé jusqu’à la puissance nominale de la machine à 230 tr/min, on remarque qu'il reste relativement élevé à partir de 25 % de la charge nominale, ceci montre tout l’inté- rêt de cette technologie. Technologies associées Le développement des machines supraconductrices est fortement lié à l’amélioration des performances des maté- riaux supraconducteurs et de la cryogénie associée que nous présentons rapidement dans cette partie. - Matériaux On distingue usuellement les conducteurs de première génération à base de BSCCO, notée 1g, et les conducteurs de seconde génération à base d’YBCO déposé par des procédés physico-chimique sur un substrat, noté 2g. Les fils 1g sont actuellement les plus usités dans la réalisa- tion de bobinage, pour les applications de fortes puissances de plusieurs mégawatts. Ces dernières années, les progrès obte- Figure 2 : Rendement en fonction de la puissance d’un moteur 5 MW-230 tr/min, American Superconductor [SNI 2005]. Figure 3 : Répartition des matériaux supraconducteurs utilisés. Toutes les machines (79) 82 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique nus dans le développement des conducteurs 2g ont permis le dimensionnement et la réalisation de plusieurs machines. L’YBCO peut aussi être utilisé sous forme massive dans des machines. Contrairement aux topologies de type filaire, les structures à supraconducteurs massifs ont une puissance in- férieure à 50 kW et sont principalement développées par des universités. Pour finir, nous remarquons une récente apparition du MgB2 dans trois topologies de machines électriques. La figure 3 montre la répartition des machines par type de matériaux supraconducteurs utilisés par les différents constructeurs. Nous remarquons que la proportion des machines utilisant l’YBCO sous forme massive est la plus importante, ceci s’explique par ses propriétés d’écrantage et d’aimantation qui sont utilisées dans les machines à ré- luctance et à hystérésis, ainsi que dans les machines à flux piégé. Au second rang, nous retrouvons le fil BSCCO, qui est utilisé dans les machines synhrones à pôles saillants. Pour les machines ayant des puissances supérieures à 100 KW le fil BSCCO est majoritairement utilisé et il n’y a aucune machine à base de fil YBCO de forte puissance. - Cryogénie Théoriquement, les supraconducteurs à hautes tempéra- tures critiques permettent l’utilisation de l’azote liquide, peu cher et abondant. Des prototypes de machines ont donc été testés dans des bains d’azote ou avec une circulation azote. Néanmoins, pour avoir les performances les plus intéressan- tes possibles, les supraconducteurs sont usuellement refroi- dis à une température comprise entre 20 et 40 Kelvin. La production du froid est assurée par des machines ther- miques, appelés cryoréfrigérateurs ; ces machines sont ca- ractérisées par des courbes de puissance utile en fonction de la température, par exemple le modèle AL 330 de Cryomech, délivre une puissance de 78 watt à 30 Kelvin. Couplé à un échangeur thermique, ces cryoréfrigérateurs permettent de liquéfier ou de refroidir des gaz cryogéniques. Deux technologies ont été développées pour refroidir les inducteurs des moteurs supraconducteurs utilisant deux cryogènes distincts : • Thermosiphon : cette technologie est basée sur le principe de thermosiphon, le refroidissement se fait par conduction à partir d’une chambre cryogénique au milieu du rotor  ; pour ce principe le néon est choisi pour sa propriété dipha- sique liquide/gaz, il est injecté à l’intérieur de la chambre cryogénique à l’état liquide (27 K), puis récupéré à l’état gazeux aux environs de 30 Kelvin afin d’être liquéfié, puis réinjecté au milieu du rotor. • Circulation d’hélium gazeux : un circuit transportant le gaz cryogénique entoure les bobines HTc et les zones à refroi- dir à l’intérieur de l’inducteur, l’hélium est pompé dans le circuit aux environ de 25-30 Kelvin avec un système de pompage cryogénique, le transfert thermique se fait par conduction grâce aux contacts entre les canaux du circuit et les bobines. Il est donc nécessaire d’avoir un cryostat tournant alimenté en fluide cryogénique par un bout d’arbre. Procédé efficace mais condamnant une sortie d’arbre du moteur. La transition thermique entre la partie froide du rotor et l’arbre rotor chaud transmettant le couple se fait par des « torque tube » ayant une double fonction : • isolation thermique, pour éviter des pertes rédhibitoires • transmission du couple. Figure 4 : Température de fonctionnement. Température K REE N°6/2011 ◗ 83 Moteurs supraconducteurs. etat de l'art - Température La figure 4 représente la puissance des machines réali- sées, depuis les années 90, en fonction de la température de fonctionnement. Ces machines sont réparties sur une plage de température qui s’étend de 4,3 Kelvin à 80 Kelvin. Nous pouvons facilement distinguer des concentrations autour de trois zones de température d’utilisation : 4,2 Kelvin, 20 à 40 Kelvin, et 63 à 80 Kelvin. La plupart des machines de petite puissance sont situées dans la zone 63 à 80 Kelvin, ces machines correspondent aux prototypes universitaires refroidis avec des bains d’azote liquide à 77 Kelvin. Pour les machines d’une puissance supérieure au mégawatt la plage de 20 à 40 Kelvin domine, ces températures sont optimales pour les propriétés de BSCCO (densité de courant et champ sur fil), ce fil est majoritairement choisi pour ces puissances de machine. - Cryogène Le système de refroidissement cryogénique est condition- né par le type de fluide cryogénique utilisé. La majeure partie des machines emploie soit de l’hélium gazeux, soit du néon ; ces fluides permettent d’atteindre les températures de 20 à 40 Kelvin. Par ailleurs, nous remarquons que le pourcentage d’utilisation de l’azote liquide est non négligeable. Sa simpli- cité d’utilisation, sa disponibilité, son coût, compensent les performances médiocres des matériaux supraconducteurs à ces températures (77 Kelvin). - Type de cryogénie : fixe ou tournante ? La majorité des moteurs de forte puissance sont des ma- chines synchrones à pôles saillants, avec un induit en cuivre et un inducteur en supraconducteur. La figure 6 témoigne que pour les réalisations d’une puissance supérieure à 100 KW, la cryogénie tournante domine car il s’agit de pouvoir remplacer directement une machine classique par une machine supra- conductrice. Panoramas des machines supraconductri- ces tournantes Les machines tournantes, alternateurs ou moteurs, supra- conductrices sont toutes ou quasiment toutes synchrones. Le choix d’une structure classique à inducteur supraconducteur demeure le plus répandu pour les machines de forte puissan- ce. D’une manière générale, l’induction radiale dans l’entrefer est de l’ordre de 1 Tesla, tout comme dans les machines classi- ques. Certaines structures proposent des dents statoriques en fibre de verre pour limiter la saturation de la culasse externe et également un refroidissement à l’huile des enroulements d’induit qui permet d’augmenter le couple massique. - Moteur et alternateurs synchrone à pôles saillants Parmi les plus classiques et les plus construites, pour des grandes puissances, des machines supraconductrices, nous avons les machines synchrones à pôles saillants. Ce type de structure est facilement réalisable pour des dimensions im- portantes. • Moteurs synchrones à pôles saillants Plusieurs programmes de recherche ont été consacrés à cette topologie de machine aux États-Unis. Le moteur le plus puissant est construit par American supraconducteurs (AMSC) et Northrop Grumman en partenariat avec l’U.S. Navy’s Office of Naval Research (ONR) [GAM 2011], ce mo- teur de propulsion de navire a une puissance de 36,5 MW à 120 tr/min, et il a été testé en pleine charge avec succès. Par rapport aux moteurs classiques, ce moteur présente un bon rendement, et le gain en termes de compacité (poids Figure 5 : Cryogène. Figure 6 : Système cryogénique. 84 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique et volume) est de plus de 50 %. Les principales caractéristi- ques du moteur sont données dans le tableau 1. • Alternateur synchrone à pôles saillants Les vitesses de rotation généralement choisies pour ces gé- nérateurs, sont dans la plage 1 500-3 600 tr/min, pour des puissances supérieures au mégawatt. L’application recher- chée pour ces alternateurs synchrones de forte puissance est essentiellement la production d’énergie dans les systè- mes embarqués. Ces machines ont été conçues avec des inductions d’en- trefers de l’ordre de 1,2 Tesla, donc légèrement supérieures aux inductions rencontrées dans les machines convention- nelles en cuivre, et inférieures à celles adoptées sur les mo- teurs à pôles saillants supraconducteur, qui sont de l’ordre de 2 Tesla. Le gain espéré pour ces alternateurs, est princi- palement le rendement, puis la compacité. Le rendement des alternateurs réalisés est légèrement supérieur à ceux des alternateurs conventionnels. Par ailleurs, on constate un bon rendement sur une grande plage de puissance ; en outre, le facteur de puissance de la machine influence peu sur le rendement. Ces avantages sont un atout considérable pour les applications embarquées. Le succès de ces différentes réalisations a conduit AMSC à s’intéresser au marché éolien. NIST Advanced Technology Program a financé une étude afin de mettre au point un géné- rateur à entraînement direct pour les applications éoliennes, en utilisant le ruban 2G YBCO [SNI 2011]. Cette éolienne est dimensionnée pour une puissance de 10 MW à 10 tr/min, les caractéristiques sont résumées dans le tableau 2. En Corée du sud, DOOSAN Heavy Industries et KERI (Korea Electrotechnology Research Institute) [KWO 2008], ont mis au point un générateur, d’une puissance 1 MW à 3 600 tr/mn. Les spécifications principales sont données dans le tableau 3. L’enroulement de l’inducteur est réalisé avec le ruban 1G BSCCO, refroidi avec du néon à 30 K. Tou- tefois, au lieu d’utiliser de fil de Litz pour réduire les pertes par courant de Foucault, l’induit est réalisé avec des conduc- teurs creux refroidis directement, dans le but de simplifier la fabrication. Ce générateur est destiné principalement aux applications industrielles : entrainement de pompe et pro- duction d’énergie. Siemens a développé un alternateur de 4 MVA, dont les caractéristiques sont données dans le tableau suivant, pour des applications marines [NIC 2007]. Figure 7 : Moteur HTc de propulsion de navire 36,5 MW construit par AMSC. Puissance 10 MVA Réactance synchrone 0,3 à 0,4 Vitesse 10 tr/min Poids 180 T Facteur de puissance > 0,95 Diamètre 5 m Rendement 96 % Puissance volumique 570 kW/m3 Tableau 2 : Spécification de l’éolienne à attaque directe d’AMSC. Puissance 1 MW Fréquence 60 Hz Vitesse 3600 rpm Rendement 97.7 % Dimensions (D x L) 2.4 m x 0.7 m Paire de pôle 1 Puissance volumique 1 000 kW/m3 Tension nominale 3,3 kV Conducteur 1g BSCCO Courant nominal 181 A rms Refroidissement 30 K - Néon Tableau 3 : Spécification de l’alternateur KERI. Figure 8 : Le générateur 1 MW - 3 600 tr/min, DOOSAN-KERI. Tableau 1 : Caractéristiques du moteur 36,5 MW construit par AMSC. Puissance 36.5 MW Fréquence 16 Hz Vitesse 120 tr/min Poids 75 T Rendement 97 % Dimensions (L x W x H) 3.4 m x 4.6 m x 4.1 m Paires de pôle 8 Puissance volumique 570 kW/m3 Tension nominale 6 kV Conducteur 1g BSCCO Courant nominal 1 270 Aeff Refroidissement 30 K - He Puissance 4 MVA Fréquence 60 Hz Vitesse 3 600 tr/min Poids 6,9 T Rendement 98,7 % Dimensions (L x W x H) 3.5 m x 1.5 m x 1.8 m Paire de pôle 1 Puissance volumique 400 kW/m3 Tension nominale 6.6 kV Conducteur 1g BSCCO Courant nominal 350 A rms Refroidissement 30 K - Néon Tableau 4 : Caractéristiques de générateur 4 MVA-3 600 tr/min, Siemens. REE N°6/2011 ◗ 85 Moteurs supraconducteurs. etat de l'art - Moteur synchrone à flux axial Les machines synchrones à flux axial consistent en une structure dite discale, ou le stator et le rotor sont en vis-à- vis. Le champ magnétique est alors créé suivant l’axe avec des enroulements en « pétales de fleurs ». Cette topologie permet 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 l’encombrement global. Ces machines sont réalisées soit avec des enroulements supraconducteurs, soit avec des supraconducteurs massifs. • Machine à enroulement supraconducteurs L’équipe de recherche Japanese frontier research group, en collaboration étroite avec la compagnie IHI a développé le moteur axial le plus puissant en 2006 : 400 kW-250 tr/min, avec du ruban DI-BSCCO à l’azote liquide [OKA 2006]. Les spécifications principales du moteur sont : • Puissance : 400 kW • Vitesse : 250 tr/min • Dimensions : diamètre 1,2 m x longueur 0,8 m • Poids : 4,4 tonnes. La figure 10 montre la structure de la machine à flux axial, l’inducteur tournant est à aimant permanent, l’induit est fixe, l’enroulement est conçu avec du ruban DI-BSCCO, développé par Sumitomo Electric pour avoir des pertes al- ternatives faibles. • Machines à supraconducteurs massifs Deux prototypes originaux proposent des moteurs syn- chrones à flux axial, où la partie supraconductrice est un inducteur tournant composé de pastilles en YBCO (ou GDBaCuO). Ces deux machines, de faible puissance, sont refroidies à l’azote liquide et permettent dans un premier temps de vérifier le bien fondé d’une structure axiale. Les supraconducteurs massifs sont dans un premier temps magnétisés. Une fois le flux piégé, on obtient des aimants «  permanents  » supraconducteurs. Les premiers résultats montrent un champ magnétique radial pouvant atteindre au maximum 1.04 T à 77 K, pour une application avec un rotor à 8 supraconducteurs massifs [MIK 2006]. Des com- paraisons entre un moteur discal à aimants permanents et Figure 9 : Générateur 4 MVA - 3 600 tr/min sur le banc d’essai, Siemens. Figure 10 : Moteur à flux axial 365 kW - 250 tr/min, fabriqué par Sumitomo. 86 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique un à pastilles d’YBCO refroidies dans un bain d’azote liqui- de montrent un gain de 3 sur le couple volumique [BON 2003]. Ces deux machines sont présentées figure 11. - Moteur synchrone à hystérésis Cette topologie utilise un rotor composé d’une partie cen- trale non magnétique entourée d’un anneau présentant un cycle d’hystérésis. Les premières machines ont été réalisées en fer, sans encoche rotorique, ni bobinage. On obtient alors une structure relativement simple qui a l’avantage de four- nir des moteurs précis à couple constant du démarrage au fonctionnement nominal. Les puissances des ces machines restent réduites à quelques centaines de watts. Il est possible d’envisager de remplacer l’anneau en fer massif par un matériau supraconducteur. Le champ magné- tique alternatif créé par l’induit interagit avec ce rotor su- praconducteur et engendre dans celui-ci une variation des courants qui le magnétise. Un couple moteur proportionnel à l’hystérésis du matériau supraconducteur est obtenu par cette interaction. Celui-ci sera d’autant plus fort si le SC est entièrement pénétré. Le choix du matériau SC devient alors essentiel pour ce type de moteur avec des performances liées à la pénétration du champ magnétique. Dirigé par Moscow State Aviation Institute (MAI), un parte- nariat Russo-germanique a alors établi un ensemble d’études et de réalisations de moteurs supraconducteurs à hystérésis Figure 11 : Moteur synchrone à flux axial composé de matériaux supraconducteurs massifs, IHI [MIK2006] (gauche) et DEE University of Lisbonne [BON2003]. Figure 12 : Machine à hystérésis - (a) Machine complète, (b) Répartition du courant et du champ au niveau d’un anneau massif HTc avec un champ sinusoïdal appliqué (les parties sombres et claires montrent les courants induits dans le SC), (c) Anneau SC segmenté, ici en 8. REE N°6/2011 ◗ 87 Moteurs supraconducteurs. etat de l'art pour des puissances entre 50 W et 4 kW. Le rotor utilise di- verses topologies. En effet, la réalisation d’un anneau supra- conducteur massif de grande taille reste compliquée, c’est pourquoi des structures à rotor segmenté ont été envisagées. Les travaux menés montrent des gains de 4 à 6 sur le couple entre les machines classiques à rotor fer et celles avec des supraconducteurs [INA 2008]. L’application des machines à hystérésis supraconductrice reste limitée à de faibles puissances car les armatures conven- tionnelles utilisées génèrent un champ faible. Par conséquent, les supraconducteurs ne sont pas exploités de manière op- timale. Enfin, le fonctionnement par hystérésis en champ variable implique des pertes thermiques inhérentes aux supra- conducteurs qui nécessitent un refroidissement plus intensif. - Moteur synchrone à réluctance Au début des années 2000, et en parallèle des recher- ches sur les moteurs synchrones à hystérésis, des labora- toires et des industriels ont étudié les moteurs synchrones supraconducteurs à réluctance. Plusieurs prototypes de dif- férentes conceptions de rotor utilisant de l’YBCO massif ont été réalisés [KOV 2002], [OSW 2002]. Suivant le principe des moteurs à réluctance, proposant des rotors massifs à plots, le rotor d’une machine synchrone supraconductrice à réluctance présente des couches alter- nées de fer et d’YBCO massif suivant la largueur de l’arbre. On remplace donc les matériaux amagnétiques usuels utili- sés par des parties massives supraconductrices. Ceci permet d’augmenter les ratios entre la perméabilité magnétique sui- vant les axes longitudinaux et transverses de l’axe moteur et ainsi d’augmenter le couple de la machine tournante. Ce qui se traduit par un découplage et une augmentation de la diffé- rence entre l’inductance directe et l’inductance transverse. Les premières conceptions proposent des machines fonc- tionnant à l’azote liquide et offrent un gain en volume de 3 à 5, pour des machines de 5 à 10 kW. Ce fort gain s’explique, Figure 13 : Rotors supraconducteur s « Zèbre », « Pilz » et « Zelz », moteur à réluctance. 88 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique entre autres, par un refroidissement complet de la machine à l’azote liquide. - Moteur synchrone à flux piégé Les moteurs synchrones supraconducteurs à flux piégé utilisent des supraconducteurs massifs dans un fonctionne- ment d’aimant permanent. Plusieurs structures de machines ont été envisagées : des machines à flux axial, à flux radial [GRA 2008], [MAT 2006] ou encore des machines à réluc- tance. Ces topologies sont semblables à celles des machines synchrones à inducteur à aimants permanents. Pour l’utilisation d’aimants supraconducteurs, un système de magnétisation des supraconducteurs massifs doit être prévu dans le cryostat, la plupart des réalisations résultent du choix d’un processus dit “pulsed field”, ou un champ magné- tique intense est appliqué grâce à des bobines supraconduc- trices en un temps relativement restreint [XIA 2001]. - Moteur homopolaire Ce concept de machine a été découvert en 1831 par Michael Faraday. Le principe de fonctionnement est sim- ple : lorsque un disque est soumis à un champ magnétique constant B, orienté radialement vers l’intérieur ou l’extérieur, et simultanément parcouru par un courant électrique continu I, ce disque se met à tourner, le couple résultant est propor- tionnel au produit IxB. L’utilisation des enroulements supraconducteurs sous forme de solénoïdes, permet de produire des champs ma- gnétiques de plusieurs Teslas, et d’obtenir ainsi des machines compactes. La facilité de mise en œuvre de cette topologie, et la possibilité d’utiliser des rotors massifs, offrent un avan- tage considérable pour les applications à hautes vitesses. Cependant, l’alimentation de cette machine par des systè- mes collecteurs balais est un inconvénient majeur pour son essor. Figure 14 : Moteur synchrone à flux piégé, maquette d’illustration et prototype réalisé. Figure 15 : Principe d’une machine homopolaire. Figure 16 : Section d’une machine homopolaire supraconductrice, General Atomics [THO 2002]. REE N°6/2011 ◗ 89 Moteurs supraconducteurs. etat de l'art Le Naval Surface Warfare Center, conjointement avec le Naval Research Center, ont mis au point une machine de 125 KW, 11 700 tr/min en NbTi à l’hélium liquide. Puis, ils ont remplacé le NbTi par du BSCCO 2223, ce qui a permis d’ob- tenir une machine de 91 KW, à une température de 28 Kelvin [SUP 97]. La différence de puissance est due aux mauvaises performances du BSCCO durant cette période. L’entreprise américaine General Atomics, possède un pro- gramme de recherche qui vise à promouvoir cette structure pour la propulsion marine [THO 2002]. Après avoir étudié des prototypes de faible puissance, General Atomics a construit le plus gros démonstrateur homopolaire utilisant des supra- conducteurs à haute température critique. Cette machine à une puissance 3,7 MW. D’autres projets sont à l’étude, no- tamment un moteur de 36,5 MW, 120 tr/min. - Machines spéciales • Moteur à griffes Récemment des machines synchrones à griffes ont été réa- lisées par Central Japan Railway Compagny [WAT 2008] et Sumitomo [OYA 2008]. Ces structures reposent sur une topologie classique de machine à griffes avec des solénoï- des supraconducteurs à l’inducteur. Cette structure permet d’avoir une machine supraconductrice simple, avec des pôles fortement magnétisés, ce qui promet des solutions séduisantes pour les fortes puissances. Figure 17 : Moteur Homopolaire 3,7 MW, General Atomics. Figure 18 : Coupe du moteur synchrone supraconducteur à griffes de Central Japan Railway Compagny [WAN 2008]. Figure 19 : Vue éclatée de l’inducteur griffe, Sumitomo [OYA2008]. 90 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique La machine griffe conçue par Sumitomo a été réalisée dans un projet de voiture électrique supraconductrice, un condensé de technologie proposant une belle vitrine aux moteurs supraconducteurs. Une utilisation des dernières générations de BSCCO (Di-BSCCO) refroidis à l’azote li- quide a permis de dimensionner un moteur de 18 kW à 4  500 tr/min. La voiture «  supraconductrice  » a roulé 36 km à 30 km/h. • Moteur à modulation de flux Deux solénoïdes, bobinés en sens inverses, permettent de créer un flux magnétique axial important, qui se trouve concentré entre les plaques supraconductrices et génère une induction magnétique radiale dans l’entrefer, supérieu- re à la valeur sans écrans magnétiques [MAS 2003]. A partir de ce principe un moteur supraconducteur a été construit et testé. Les principales données de cette machine sont résumées dans le tableau 5 Conclusion Dans les deux périodes qui ont marqué l’histoire des su- praconducteurs, à basse température d’abord et à haute tem- pérature à partir de 1986, des machines électriques de type synchrone ont vu le jour essentiellement par remplacement de l’inducteur en cuivre par un inducteur supraconducteur. Dans le premier temps, cela s’est fait au prix de compli- cations technologiques au niveau de l’équipage rotorique qui devait comporter un cryostat à forte isolation thermique, pour tenir la très basse température de l’hélium liquide, des joints tournants pour permettre le transfert de ce liquide de Figure 20 : Moteur supraconducteur griffe, 18 kW - 4 500 tr/min, Sumitomo [OYA 2008]. Figure 21 : Voiture électrique supraconductrice [OYA 2008]. Figure 22 : Structure de l’inducteur. Puissance 25 kW Vitesse 750 tr/min Tension 380 V Puissance massique 460 kW/m3 Courant 40 Aeff Tableau 5 : Caractéristiques du moteur développé au GREEN. Figure 23 : Moteur supraconducteur à concentration de flux, 20 kW - 750 tr/min [AIL 2007]. REE N°6/2011 ◗ 91 Moteurs supraconducteurs. etat de l'art la partie fixe à la partie tournante, et une pièce de liaison avec la charge mécanique. Malgré toutes ces difficultés l’es- poir d’un grand gain de puissance massique et de volumique a conduit à de nombreuses réalisations et à la production de conducteurs aussi bien pour l’inducteur que pour l’induit. Dans la seconde phase, la découverte et la mise au point de matériaux dits à haute température critique mais aussi, et pour beaucoup, l’arrivée sur le marché à des prix « abor- dables » de cryoréfrigérateurs a relancé la recherche dans le domaine de la machine électrique. En plus de leur aptitude à conduire les courants sans pertes ou avec des faibles pertes en régimes variables, ces nouveaux supraconducteurs voient leurs autres propriétés (piégeage de courant, écrantage de champ) mises à profit pour imaginer des machines de for- mes et de mode de fonctionnement tout à fait originaux. Références [ABR 2010] A. B. Abrahamsen, N. Mijatovic, E. Seiler, T. Zirngibl, C.Traeholt,P.B.Norgrd,N.F.Pedersen,N.H.Andersen,J.Stergrd, “Superconducting wind turbine generators. Superconductor Science and Technology”, vol. 23, Issue 3, 2010. [ABR 2011] A. B. Abrahamsen, B. B. Jensen, E. Seiler, N. Mijatovic, V. M. Rodriguez-Zermeno, V. J. Ostegord, “Feasibility study of 5 MW superconducting wind turbine generator”, Physica C: Superconductivity and its Applications, Vol. 471, Issue 21-22, November 2011. [AIL2007]E.H.Ailam,D.Netter,J.Lévêque,B.Douine,P.Masson, A. 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[WAT 2008] Watanabe, E. et al., 2008. “Development of a superconducting claw-pole motor” Physica C: Superconduc- tivity, 468, p. 2087-2090. Jean Lévêque est né à Angers en 1963. Il est docteur de l'Insti- tut National Polytechnique de Grenoble. Il a rejoint le laboratoire GREEN de l'université de Nancy en 1993. Ses travaux de recherche portent sur l'application des matériaux supraconducteurs en génie électrique et la caractérisation électrique et la modélisation des ma- tériaux supraconducteurs. Gaël Malé est né à Saint-Dié en 1985 ; il est diplômé d'un Master en électrotechnique de l'université Henri Poincaré de Nancy. Il re- joint le laboratoire GREEN de l'université de Nancy comme docto- rant en 2008. Ses travaux de recherche portent sur l'application des matériaux supraconducteurs en génie électrique, notamment sur leur utilisation dans le cadre de topologie d'inducteur atypique. Sofiane Bendali est né en Algérie en 1983. Il obtient le diplôme de Master en électrotechnique de l’université Henri Poincaré de Nancy 1 en 2008. Actuellement, il est doctorant au sein du la- boratoire GREEN et la société Jeumont Electric. Ses travaux de recherche portent essentiellement sur le dimensionnement d’un moteur supraconducteur à haute température critique. Renaud Moulin est né à Vitry-sur-Seine, en 1983. Il a reçu le di- plôme d'ingénieur électricien de l'ENSEM, INPL, en 2006, puis ef- fectué un doctorat à l'université de Nancy, en 2009 Ses activités de recherche sont la conception de moteurs supraconducteurs et la caractérisation de matériaux supraconducteurs. les auteurs