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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

mot eurs supraconducteurs Me mbres du jury : Président : Abdellatif MIRAOUI, Professeur, SET, UTBM, Belfort Ra pporteurs : 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 2

AVANT PROPOS

e 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 soeur. 3 4

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

APITRE 2 - ULCOMAP 50

I INTRODUCTION............................................................................................................................................ 54

II PARTENAIRES.............................................................................................................................................. 55

II.1 Généralités................................................................................................................................................. 55

II.2 Missions..................................................................................................................................................... 55

III.2.a. ENEL........................................................................................................................................ 55

II.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

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

V.2.b. Analyse..................................................................................................................................... 65

V.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

CH APITRE 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

I.2.b. Cryostat.................................................................................................................................... 94

I.2.c. Induit............................................................................................................................................. 94

I.2.d. Moteur...................................................................................................................................... 96

II 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

II.2.b. Simulation par éléments finis 3 dimensions............................................................................ 103

III.2.c. Expérience.............................................................................................................................. 106

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

EXTRAPOLATION VERS DES PUISSANCES PLUS ELEVEES......................................................... 120

V.1 Structure proposée................................................................................................................................... 121

V.2 Modélisation............................................................................................................................................ 122

VI CONCLUSION............................................................................................................................................ 124

APITRE 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

V PERSPECTIVES......................................................................................................................................... 149

NCLUSION GENERALE 152

BIBLIOGRAPHIE 154

INDEX DES ILLUSTRATIONS 158

NOMENCLATURE 162

7 8

INTRODUCTION GENERALE

Les applications des supraconducteurs sont de plus en plus présentes dans les projets électrotechniques

tuels. 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). 9

Ce mémoire comporte quatre parties :

La première partie, après une rapide introduction générale sur la supraconductivité, repose sur

l"évolution des moteurs supraconducteurs, en particulier ceux à haute température critique. Pour cela, un aperçu

sur les structures envisagées et/ou réalisées, les dispositifs cryogéniques ainsi que les matériaux

supraconducteurs est essentiel pour proposer une étude de topologies et envisager les moteurs de demain.

Le deuxième chapitre propose une présentation du projet européen ULCOMAP. Il va de l"étude, en

passant par la conception, pour finir par les essais d"un moteur à inducteur supraconducteur de 250kW à

1500tr/min.

Etant confiant dans l"utilisation de matériaux supraconducteurs massifs (bulks) pour envisager de

nouvelles structures de machines tournantes, nous étudierons dans un premier temps la machine à concentration

de flux. On dispose du prototype d"inducteur et du moteur antérieurement réalisés, successivement au travers des

thèses du GREEN de messieurs Philippe Masson et El Hadj Ailam. Ce chapitre constituera la troisième partie de

ce travail sur les machines supraconductrices.

Fort de ces deux études nous proposerons une géométrie de moteur électrique supraconducteur, reposant

sur des bobines supraconductrices et des matériaux supraconducteur massif. Ce quatrième chapitre sera

exclusivement consacré à une topologie particulière et non-classique, dans l"objectif de produire des champs

magnétiques élevés dans l"entrefer. Les travaux seront traités par le logiciel de simulation par éléments finis à

trois dimensions Vector Fields®. 10

CHAPITRE 1 - MOTEURS SUPRACONDUCTEURS

11 12

TABLE DES MATIERES DU CHAPITRE 1