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

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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
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.................................................................................................................