Moteur supraconducteurs à flux axial
Introduction et contexte
Les accouplements magnétiques permettent de transmettre, sans contact mécanique, le couple produit par un "dispositif entraînant" vers sa charge. Cette transmission peut se faire à travers une paroi parfaitement étanche ce qui permet d'isoler deux atmosphères différentes. Ceci s’avère très pratique dans des applications telles que la réfrigération, les industries chimique et pharmaceutique...
Par rapport à une solution avec contact mécanique (engrenages), ce type de transmission magnétique évite les usures mécaniques, ne nécessite aucune lubrification et très peu d’entretien et présente une protection naturelle contre les surcharges (couple de décrochage).
Le but de nos études est de transmettre le couple créé par un moteur supraconducteur (dans un milieu cryogénique) vers sa charge mécanique à température ambiante. Cela permet de s'affranchir des "torque tube" qui présentent des problèmes mécaniques et thermiques.
Objectif
Nous proposons l’étude d’une machine supraconductrice à flux axial composée d’un stator bobiné en cuivre et d’un inducteur avec des solénoïdes supraconducteurs à hautes températures critiques (HTc). Ce type de machine est adapté pour des applications de fortes puissances (plusieurs MW) avec de faibles vitesses de rotation (quelques centaines de tr/min), comme la propulsion de navire.
Un accouplement magnétique, intégré au moteur, est utilisé pour transmettre le couple de l’inducteur supraconducteur vers la charge à température ambiante sans contact. On peut ainsi se passer des « torques tubes » qui sont habituellement présents dans les moteurs supraconducteurs pour relier mécaniquement l’inducteur à la charge et ainsi réduire les pertes thermiques par conduction. De plus, les accouplements magnétiques offrent une protection naturelle contre les surcharges mécaniques
Problématique scientifique
Pour évaluer les performances de la solution proposée, nous avons développé un modèle analytique en 3D prenant en compte le comportement non linéaire des supraconducteurs en fonction du champ magnétique appliqué et de la température de fonctionnement. Ce modèle est ensuite intégré dans un processus de dimensionnement utilisant un algorithme génétique multi objectifs. Les résultats de cette optimisation montrent un gain en compacité (machine avec accouplement magnétique) 2 à 3,5 fois plus importants par rapport à des machines conventionnelles.
Un prototype de machine supraconductrice à flux axial avec accouplement magnétique intégré est aussi réalisé. La conception, la fabrication et les tests sont présentés. Tous les résultats sont validés par des calculs par éléments finis.
Contact
Smaïl MEZANI : smail.mezani@univ-lorraine.fr
Thierry LUBIN : thierry.lubin@univ-lorraine.fr
Jean LEVEQUE : jean.leveque@univ-lorraine.fr
