Étude d’un moteur supraconducteur à flux axial avec une transmission magnétique supraconductrice intégrée

Study of an axial-field HTS motor which includes a magnetic coupling

• Auteur / Autrice : Bastien Dolisy
• Direction : Jean Lévêque, Smaïl Mezani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 09/07/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en énergie électrique de Nancy (Vandœuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Tixador
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Bervas, Eric Lafontaine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Bouillault, Christophe Espanet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Induction magnétique

Supraconducteurs à hautes températures

Moteurs à aimants permanents

Moteurs électriques

Mots clés libres

Moteurs supraconducteurs

Accouplement magnétique

Modèle analytique

Optimisation

Éléments finis

Aimants permanents

HTS motors

Magnetic coupling

Analytical model

Optimization

Finites elements

Permanent magnets

Résumé

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. 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 dans ce manuscrit. Tous les résultats sont validés par des calculs par éléments finis.

The study of an axial-field high temperature superconducting (HTS) motor for applications requiring high torque densities is proposed. The HTS motor consists of a stator with copper winding and an inductor with superconducting coils. A HTS magnetic coupler is used as a part of the system, to transmit the torque from the HTS motor to the load. This solution is a good alternative to the usually used torques tubes as it results in the reduction of conduction thermal losses and offers an intrinsic protection against overloads. To evaluate the performance of the studied device, a 3D electromagnetic analytical model has been developed. This model takes into account the dependence on the applied magnetic field and temperature of the HTS material. Finally, a genetic algorithms optimization of the studied device is carried out to find the optimum geometric dimensions. The results show that the proposed solution (machine with magnetic coupling) is about 2 to 3,5 times more compact than a conventional machine drive solution. An axial-field HTS motor with integrated magnetic coupling has been also designed, constructed and tested. The test results have been checked by 3D finite element computations.