Dimensionnements et essais de moteurs supraconducteurs, Superconducting motor : development and test

De
Publié par

Sous la direction de Jean Lévèque
Thèse soutenue le 22 juin 2010: Nancy 1
L’actualité des travaux de recherche dans le domaine des moteurs électriques repose en partie sur des machines utilisant des matériaux supraconducteurs. En effet, ces matériaux des caractéristiques intéressantes pour des applications à champ magnétique et courant élevés, en étant refroidis à très basse température, en général de 4 à 77K. Ce qui est un paramètre important pour développer des machines de fortes puissances avec un encombrement minimal. Nous proposons d’utiliser les caractéristiques de fort courant et fort champ magnétique des fils supraconducteurs ainsi que les capacités de blindage magnétique des supraconducteurs massifs pour le développement de moteurs supraconducteurs. Nous avons développé et réalisé les essais d’une machine synchrone supraconductrice de 250kW, à inducteur supraconducteur tournant. Nous continuons les travaux sur les machines supraconductrices à topologies originales, avec la modélisation 3D d’un nouvel inducteur, à pans coupés. Mais également par de nouveaux essais et développements de la machine à concentration de flux magnétique réalisée dans des travaux précédents
-Supraconductivité
-Machine électrique
-Champ magnétique
-Écran magnétique
-Inducteur
-Concentration de flux
-Pans coupés
An important part of electrical machines research activities focus on superconducting motors. In fact, an important magnetic field and high current are possible with these materials, used at low temperature, generally 4 to 77K. These two parameters allow an interesting motor development, with higher electrical power and a minimal overcrowding. In front of high magnetic flux and high current superconducting caracteristics and bulk screening effect, we suggest several superconducting motors development. We developed and realized a 250kW synchronous superconducting motor, with a rotating superconducting inductor. Then, using 3D finite element software, we introduce an original superconducting inductor topology, nammed pan coupé. Besides, we show new test and development of the magnetic flux concentration motor constructed 4 years ago
-Supraconductivity
-Electrical machine
-Magnetic field
-Magnetic screen
-Inductor
-Magnetic flux concentration
-Pan coupé
Source: http://www.theses.fr/2010NAN10051/document
Publié le : samedi 29 octobre 2011
Lecture(s) : 475
Nombre de pages : 165
Voir plus Voir moins




AVERTISSEMENT

Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le
jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la
communauté universitaire élargie.

Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci
implique une obligation de citation et de référencement lors
de l’utilisation de ce document.

D’autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction
illicite encourt une poursuite pénale.


➢ Contact SCD Nancy 1 : theses.sciences@scd.uhp-nancy.fr




LIENS


Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4
Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10
http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm




FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES

UFR Sciences et Techniques Mathématiques Informatique Automatique
Ecole doctorale IAEM Lorraine
DFD Electronique – Electrotechnique


THÈSE


Présentée pour l’obtention du titre de

Docteur de l’université Henri Poincaré, Nancy-I
En Génie Electrique

Par

Renaud MOULIN


Dimensionnements et essais de
moteurs supraconducteurs






Membres du jury :

Président : Abdellatif MIRAOUI, Professeur, SET, UTBM, Belfort

Rapporteurs : Pascal TIXADOR, Professeur, G2ELAB/Institut NEEL, Grenoble INP

Examinateurs : Lionel DURANTAY, Directeur R&D, CONVERTEAM, Nancy
Jean LEVEQUE, Professeur, GREEN, UHP, Nancy
Abderrezak REZZOUG, Professeur, GREEN, UHP, Nancy





Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy
Faculté des Sciences & Techniques, BP 239
54506 Vandoeuvre-lès-Nancy Cedex 1 AVANT PROPOS



Je tiens tout d’abord à remercier Mr Rezzoug, professeur à l’université Henri Poincaré et ancien
directeur du GREEN, pour m’avoir accueilli dans son laboratoire et pour m’avoir permis de mener ces travaux
dans les meilleurs conditions possibles.

Je remercie Mr Miraoui, professeur à l’université de Belfort Montbéliard, pour m’avoir fait l’honneur de
présider mon jury. Je remercie également Mr Tixador, professeur à l’université de Grenoble, d’avoir accepté de
rapporter sur mon travail.

Je tiens à remercier en particulier Mr Jean Lévêque, professeur à l’université Henri Poincaré, d’avoir
accepté de diriger cette thèse. Sa disponibilité et sa collaboration, aussi efficace qu’agréable pendant les parties
expérimentales, sont importantes au bon déroulement de cette thèse. J’ai beaucoup appris à son contact.

Je remercie Mr Denis Netter, professeur à l’institut national polytechnique de Lorraine, pour les
discussions enrichissantes sur les structures de machines électriques « originales ».

Je souhaite également remercier tout le personnel du laboratoire, et en particulier Bruno, Francis,
Laurent, Lotfi, Nathalie, Smail, Thê Cuong et Thierry pour les trois agréables années passées en votre
compagnie.

Je remercie aussi Jean-Charles Mercier, directeur Business Marine à Converteam Belfort, et Lionel
Durantay, directeur R&D à Converteam Champigneulles d’avoir co-encadré ce travail. L’opportunité de mener
des travaux de recherches dans l’industrie enrichi énormément ce travail.

J’en profite pour remercier le bureau d’étude et les techniciens de l’usine de Champigneulles pour tout
le travail effectué sur le prototype. Particulièrement Daniel Durand et Jacques Enon pour leur collaboration
importante à la réalisation de ce projet. Je pense également à Christophe et Ramdane pour les heures passées sur
les nouveaux projets.

Mes pensées sont également tournées vers Ado, Alain, Claude, Cyrille, Manéa, Matthieu, Romain,
Thibaut et Yoann pour les moments passés au bureau d’étude.

Je remercie aussi les jeunes padawan supra, Gaël et Sofiane, alias Pic et Poc. Le laboratoire s’enrichis
ainsi de nouvelles expériences dans le domaine de la supraconductivité, mais également de grandes parties de
tarot et de bonnes humeurs.

Je remercie Christine Bellouard et Luc Moreau pour leur aide précieuse dans l’utilisation des PPMS. Je
remercie aussi Stéphane Suire pour sa présence à des moments importants.

Je tiens également à exprimer mes remerciements et mes meilleurs sentiments à mes amis. Leur
présence tout au long de ce travail, et en particulier pendant la période de rédaction, est inestimable. Alors merci
Bastien, Nicolas, Julien, Stan, Emilie, Phil, Stéphanie, Claire, Tom, Vince, Thomas, Zaza, Rudy, ChuChu, Patou,
Anna, Kin, Franck…

Je tiens aussi à exprimer mes remerciements à tous ceux qui ont eu la gentillesse d'assister à la
soutenance de cette thèse.

Merci aussi à tous ceux que j’ai pu oublier.

Mes remerciements vont enfin et surtout à mes parents et à ma sœur.


2 3
INTRODUCTION GENERALE 8
CHAPITRE 1 - MOTEURS SUPRACONDUCTEURS 10
I INTRODUCTION ............................................................................................................................................ 14
II SUPRACONDUCTIVITE.............................................................................................................................. 14
II.1 Historique .................................................................................................................................................. 14
II.2 Propriétés des supraconducteurs................................................................................................................ 16
II.2.a. Généralités ............................................................................................................................... 16
II.2.b. Types de supraconducteurs ...................................................................................................... 17
II.2.c. Grandeurs critiques....................................................................................................................... 18
II.3 Matériaux................................................................................................................................................... 19
II.3.a. Basse température critique....................................................................................................... 19
II.3.b. Haute température critique ...................................................................................................... 19
II.3.c. Cas particulier .............................................................................................................................. 20
II.4 Fluide cryogénique .................................................................................................................................... 21
II.5 Applications............................................................................................................................................... 21
II.6 Premier bilan.............................................................................................................................................. 22
III MOTEURS SUPRACONDUCTEURS........................................................................................................ 22
III.1 Historique................................................................................................................................................. 22
III.2 Machines synchrones ............................................................................................................................... 25
III.2.a. Moteur Synchrone à pôles saillants.......................................................................................... 25
III.2.b. Alternateur asynchrone à pôles saillants ................................................................................. 27
III.2.c. Moteur synchrone à flux axial.................................................................................................. 28
III.2.d. Moteur synchrone à hystérésis ................................................................................................. 31
III.2.e. Moteur synchrone à réluctance ................................................................................................ 32
III.2.f. Moteur synchrone à flux piégé ................................................................................................. 35
III.2.g. Moteur synchrone à aimants permanents................................................................................. 36
III.3 Moteur homopolaire................................................................................................................................. 37
III.4 Moteur asynchrone ................................................................................................................................... 38
III.5 Moteur à courant continu.......................................................................................................................... 39
III.6 Machines spéciales ................................................................................................................................... 40
III.6.a. Moteur à griffe.......................................................................................................................... 40
III.6.b. Moteur à concentration de flux ................................................................................................ 42
III. 7 Bilan général des machines post 1990..................................................................................................... 44
III.7.a. Répartition des moteurs supraconducteurs .............................................................................. 44
III.7.b. Matériaux supraconducteur ..................................................................................................... 45
III.7.c. Système cryogénique et cryogène ............................................................................................. 46
III.7.d. Evolution des machines supraconductrices au cours du temps................................................ 48
III. 8 Conclusion............................................................................................................................................... 49
CHAPITRE 2 - ULCOMAP 50
I INTRODUCTION ............................................................................................................................................ 54
II PARTENAIRES.............................................................................................................................................. 55
II.1 Généralités................................................................................................................................................. 55
II.2 Missions..................................................................................................................................................... 55
III.2.a. ENEL ........................................................................................................................................ 55
III.2.b. FUTURA COMPOSITES.......................................................................................................... 56
III.2.c. ZENERGY POWER .................................................................................................................. 56
III.2.d. WERKSTOFFZENTRUM ......................................................................................................... 57
III.2.e. CONVERTEAM MOTORS NANCY.......................................................................................... 57
III.2.f. GREEN ..................................................................................................................................... 58
4 III.2.g. SILESIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY.......................................................................... 58
III DIMENSIONNEMENT ................................................................................................................................ 59
III.1 Dimensionnement de la partie supraconducteur....................................................................................... 59
III.2 Dimensionnement du moteur ................................................................................................................... 62
IV MODELISATION DU MOTEUR................................................................................................................ 62
IV.1 Eléments finis 3 dimensions..................................................................................................................... 62
IV.1.a. Présentation générale............................................................................................................... 62
IV.1.b. Méthode de calcul..................................................................................................................... 62
IV.1.c. Matériaux non linéaire ............................................................................................................. 64
IV.1.d. Application des éléments finis .................................................................................................. 64
IV.2 Etude de l'inducteur.................................................................................................................................. 64
IV.2.a. Modèle...................................................................................................................................... 64
IV.2.b. Analyse ..................................................................................................................................... 65
IV.2.c. Champ magnétique................................................................................................................... 66
IV.2.d. Calculs des contraintes mécaniques sur fil .............................................................................. 68
IV.3 Etude du moteur ....................................................................................................................................... 69
IV.3.a. Modèle 3 dimensions ................................................................................................................ 69
IV.3.b. Calcul des tensions à vide ........................................................................................................ 69
IV.3.c. Calcul des courants de court circuit......................................................................................... 70
IV.3.d. Calcul des grandeurs électriques en charge............................................................................. 71
V ESSAIS............................................................................................................................................................. 72
V.1 Matériels.................................................................................................................................................... 73
V.2 Descente en froid....................................................................................................................................... 74
V.3 Etude de l’inducteur supraconducteur ....................................................................................................... 76
V.4 Caractérisation des bobines supraconductrices.......................................................................................... 77
V.5 Essais de la machine en générateur ........................................................................................................... 78
V.5.a. Essai à vide ................................................................................................................................... 79
V.5.b Essai en court circuit..................................................................................................................... 81
V.5.c Réactance synchrone..................................................................................................................... 82
V.5.d Essai de glissement........................................................................................................................ 83
V.5.e Essai en charge ............................................................................................................................. 84
VI CONCLUSIONS............................................................................................................................................ 85
CHAPITRE 3 - MOTEUR SUPRACONDUCTEUR A CONCENTRATION DE FLUX
86
I INTRODUCTION ............................................................................................................................................ 90
II PRINCIPE ....................................................................................................................................................... 90
II.1 Généralité................................................................................................................................................... 90
II.2 Détails de conception................................................................................................................................. 92
II.2.a. Inducteur .................................................................................................................................. 92
II.2.b. Cryostat .................................................................................................................................... 94
II.2.c. Induit ............................................................................................................................................. 94
II.2.d. Moteur ...................................................................................................................................... 96
III ETUDE DE L'INDUCTEUR........................................................................................................................ 97
III.1 Premier prototype..................................................................................................................................... 97
III.1.a. Inducteur modèle...................................................................................................................... 97
III.1.b. Simulation par éléments finis 3 dimensions.............................................................................. 99
III.1.c. Comparaisons........................................................................................................................... 99
III.2 Inducteur pour une machine électrique de plusieurs kW........................................................................ 101
III.2.a. Inducteur ................................................................................................................................ 101
III.2.b. Simulation par éléments finis 3 dimensions............................................................................ 103
III.2.c. Expérience.............................................................................................................................. 106
5 III.2.d. Comparaisons......................................................................................................................... 109
IV ESSAI MOTEUR......................................................................................................................................... 111
IV.1 Quelques modifications.......................................................................................................................... 111
IV.2 Matériels................................................................................................................................................. 112
IV.3 Essais en génératrice .............................................................................................................................. 114
IV.3.a. Modèle équivalent d’une phase statorique ............................................................................. 114
IV.3.b. Essais en charge..................................................................................................................... 119
IV.3.c. Conclusion.............................................................................................................................. 120
V EXTRAPOLATION VERS DES PUISSANCES PLUS ELEVEES ......................................................... 120
V.1 Structure proposée................................................................................................................................... 121
V.2 Modélisation............................................................................................................................................ 122
VI CONCLUSION ............................................................................................................................................ 124
CHAPITRE 4 - MOTEUR A PAN COUPÉ 126
I INTRODUCTION .......................................................................................................................................... 130
II STRUCTURE D'INDUCTEUR DE LA MACHINE ................................................................................. 130
II.1 Présentation ............................................................................................................................................. 130
II.2 Méthode de calcul.................................................................................................................................... 133
III MODELISATION DE L’INDUCTEUR A PAN COUPE........................................................................ 133
III.1 Première structure................................................................................................................................... 134
III.1.a. Première approche ................................................................................................................. 134
III.1.b. Réduction de fuites magnétiques ............................................................................................ 137
III.2 Etude de formes...................................................................................................................................... 138
III.2.a. Paramètres ............................................................................................................................. 138
III.2.b. Diamètre externe d’un solénoïde............................................................................................ 140
III.2.c. Longueur d’un solénoïde........................................................................................................ 142
III.2.d. Longueur utile ........................................................................................................................ 144
III.2.e. Diamètre interne d’un solénoïde ............................................................................................ 146
III.2.f. Conclusion.............................................................................................................................. 148
IV PERSPECTIVES ......................................................................................................................................... 149
CONCLUSION GENERALE 152
BIBLIOGRAPHIE 154
INDEX DES ILLUSTRATIONS 158
NOMENCLATURE 162



6





7 INTRODUCTION GENERALE






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

Désormais la supraconductivité commence à être connue du grand public, grâce au domaine médical, ou
a des projets titanesques tels que le LHC du CERN ou le projet de fusion nucléaire du CEA Cadarache. La
communauté de scientifiques travaillant sur les supraconducteurs et leurs applications ne cesse de s’étoffer, une
conscience collective émerge sur les possibilités d’action de ces matériaux.

En effet, l’utilisation des supraconducteurs en électrotechnique est très intéressante pour les fortes
puissances, et de nombreuses applications telles que les limiteurs de courant, le stockage d’énergie, les lignes de
transport, les aimants, les transformateurs et les machines tournantes apportent des résultats encourageants en
vue d’une généralisation future de tous ces systèmes.

Cet engouement se caractérise également par l’activité du monde industriel, qui propose de plus en plus
de projets à matériaux supraconducteurs 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 développement d’une branche
industrielle dédiée à ces matériaux, et aux systèmes cryogéniques permettant leur bonne utilisation.



Le présent travail repose sur l’étude de moteurs supraconducteurs, il est mené dans le cadre d’une
convention de thèse CIFRE entre CONVERTEAM MOTORS NANCY et le laboratoire GREEN.

CONVERTEAM MOTORS NANCY, anciennement ALSTOM POWER CONVERSION, lance son
activité de recherche dans le domaine de moteurs supraconducteurs, afin d’évaluer l’intérêt de cette technologie
et de rester compétitif dans la construction de moteurs synchrones de fortes puissances.

Le GREEN, travaillant depuis 1973 sur les applications des supraconducteurs est présent sur plusieurs
thèmes allant de la caractérisation aux systèmes. Le laboratoire a récemment proposé une structure d’inducteur
supraconducteur originale reposant sur les supraconducteurs massifs (bulks).




8

Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.

Diffusez cette publication

Vous aimerez aussi