Que peuvent apporter les supraconducteurs aux moteurs

Que peuvent apporter les supraconducteurs aux moteurs
électriques, les structures conventionnelles sont-elles toujours
adaptées ?
OLIVIER BARRE(1), BELLEMAIN NAPAME(2)
(1)Lycée G.EIFFEL , France, (2) Jeumont Electric, France
Email : [email protected].
1. Introduction.
Imaginer qu’un matériau mis à une température
proche du zéro absolu est capable de conduire le
courant électrique sans présenter la moindre résistance,
est une hypothèse physique qu’aucune loi ne peut
introduire. C’est pour cette raison que ce phénomène
ne sera découvert que durant une expérimentation ou le
protocole d’essai ne fut pas respecté. Heike
Kamerlingh Onnes et Gilles Holst observe la
supraconduction dans le mercure à 4° K en 1911.
L’histoire des sciences et techniques est constellée de
découvertes accidentelles [1]. Les produits ainsi
obtenus sont parfois utilisés quotidiennement sans que
leurs utilisateurs se posent la moindre question sur
leurs origines. C’est le cas pour le polycarbonate ou le
Téflon. D’autres composants, comme le nylon, ont
suivi une voie plus conventionnelle et ont demandé
près de 8 années de travail à leur inventeur avant
d’arriver dans notre vie quotidienne. Les problèmes
d’industrialisation restent néanmoins des problèmes
d’actualité pour toute innovation. Il faut se souvenir
que la synthèse du polyéthylène ne fut possible
qu’après la seconde guerre mondiale, dès que les
réacteurs furent capables de travailler à hautes
pressions et à hautes températures. Dans le cas des
supraconducteurs, les basses températures requises
Résumé : Le brevet lié à la machine asynchrone est déposé par le physicien serbe Nikola Tesla en 1887. Cela
fait plus d’un siècle que son architecture est établie et semble immuable. En 1889, Michail Ossipowitsch
Doliwo-Dobrolski, électricien d'origine russe, invente le moteur asynchrone triphasé à rotor à cage d’écureuil.
Celui-ci sera finalement construit industriellement à partir de 1891. Une vingtaine d’années plus tard, le
phénomène de supraconduction fut découvert fortuitement en 1911 par un étudiant en physique, Gilles Holst
sous la direction du physicien néerlandais Kamerlingh Onnes. Ces deux découvertes sont centenaires et
cependant, l’utilisation des supraconducteurs en suppléance des conducteurs en cuivre dans les moteurs
électriques n’est qu’exceptionnelle. Les basses températures requises pour rendre la supraconduction possible
ne sont que des éléments qui pénalisent leur utilisation. De plus, la réalisation de conducteurs utilisables dans
les machines n’est guère aisée. Les matériaux sont nouveaux et pour certains équipements d’âge respectable,
comme les moteurs asynchrones, l’utilisation exclusive de supraconducteurs parfaits conduirait à détruire les
effets physiques qui sont responsables de leurs rotations. La présentation qui va suivre est basée sur l’analyse
des documents relatifs à la supraconduction, les plus anciens ont quinze ans et les plus récents datent de 2008.
L’objectif est de revenir sur les principes physiques mis en œuvre dans les machines électriques et d’introduire
pas à pas la problématique liée à l’utilisation des supraconducteurs.
(<23°K) ne furent relevées qu’en 1986, quand deux
chercheurs du laboratoire IBM de Zurich découvrirent
que les cuprates, comme l’oxyde de baryum-lanthane-
cuivre, étaient encore supraconducteurs à la
température de 35°K [2]. Les premières applications
électriques liées aux supraconducteurs se sont orientées
vers le transport ou le stockage de l’énergie et les
limiteurs de courants [3] [4] [5] [6]. Les moteurs
électriques furent abordés mais restent encore des
objets de laboratoire [7] [8] [9] [10]. Par exemple, un
taxi à propulsion électrique, utilisant un moteur à
supraconducteur, est présenté par Sumitomo Electric
cette année au G8 d’Hokkaido. Bien que cette
application soit représentative des efforts en cours,
Sumitomo Electric estime qu’il faudra attendre au
moins 10 ans pour rencontrer régulièrement de tels
moteurs. Ce seront les équipements lourds comme les
trains ou les bateaux qui en seront les premiers
bénéficiaires [11] [12] [13]. Dans cet article, l’aspect
comportemental des supraconducteurs sera abordé en
premier. Puis, le principe de Nicolas Tesla : le champ
tournant, sera confronté au supraconducteur. Un
exemple intermédiaire : le palier magnétique servira de
support pour montrer la remise en cause des démarches
de conception. Finalement, il apparaitra au travers de
quelques réalisations, qu’il est illusoire de penser

remplacer le cuivre par des supraconducteurs pour
améliorer les performances [14].
2. Supraconducteurs de type I et de type II.
L’absence de résistance électrique est le principal
intérêt de ces éléments, cela permet d’envisager le
transport de l’énergie électrique sans la moindre perte.
Les basses températures requises pour l’obtention de
cet état sont les éléments les plus pénalisants [15]. Par
exemple, les plus basses températures sont obtenues
avec de l’hélium liquide (4,2°K à 1 atm.), mais pour
obtenir et conserver cet hélium liquide quelques
précautions doivent être prises. Il ne faut pas oublier la
superfluidité associée à ce liquide. L’hydrogène liquide
(20,2°K à 1 atm) est lent à produire à cause de la
transformation d’ortho-hydrogène en para-hydrogène
qui assure sa stabilité [16]. Finalement, le gaz liquéfié
le plus intéressant économiquement est l’azote liquide
(77°K à 1 atm). Dans les basses températures, comme
hélium liquide, les supraconducteurs sont du type I
alors que pour des températures un peu plus élevées les
supraconducteurs sont du type II [17]. La température
de changement d’état n’est toutefois pas le seul critère,
à 27 °K le néon est 40 fois plus réfrigérant que l’hélium
et 3 fois plus réfrigérant que l’hydrogène.
La supraconductivité ne s’obtient que dans un
domaine défini par trois paramètres : la température, la
densité de courant et le champ magnétique (Fig.1).
Pour que le matériau reste dans un état
supraconducteur, les paramètres doivent être inférieurs
aux paramètres critiques : Tc (température critique), Jc
(densité de courant critique) et Hc (champ critique).
Dans cette situation, une propriété nouvelle apparait :
l’effet Meissner ou le diamagnétisme parfait. Ce
dernier permet de conduire des expériences de
lévitation. Il suffit de regarder les vidéos du train
magnétique du département de physique de l'Université
de Sherbrooke (http://www.tp.physique.usherbrooke.ca). A
partir du moment où la température est maintenue
Figure-1 : Représentation tridimensionnelle du domaine
de validité de l’état supraconducteur du câble Ag-Bi.
basse et que le champ magnétique engendré par les
aimants reste en dessous de Hc, ce train peut continuer
à exécuter ses tours de circuit sans le moindre
ralentissement. C’est ce comportement diamagnétique
qui va permettre de classer les supraconducteurs en
supraconducteur de type I ou de type II (Fig.2 et 3)
[18] [19]. Dans tous les cas, il faudra placer le
supraconducteur à une température bien plus faible car
il devra transporter un courant et sera soumis à un
champ magnétique. Ainsi, si certains supraconducteurs
ont une température critique Tc de plus de 77°K, ils
devront être utilisés à une température bien inférieure
quand ils seront en situation.
Figure-2 : Pour un supraconducteur de type I, le retour
de l’état supraconducteur diamagnétique à l’état normal se
fait brutalement, dès que le champ extérieur imposé dépasse
Hc.
Figure-3 : Pour un supraconducteur de type II, le retour
de l’état supraconducteur diamagnétique à l’état normal se
fait par l’intermédiaire d’un état mixte dès que le champ
extérieur imposé dépasse Hc1 et est inférieur à Hc2.
Un supraconducteur de type I voit son
diamagnétisme disparaitre dès que le champ

magnétique imposé dépasse la valeur Hc. Par contre,
un supraconducteur de type II possède un état
intermédiaire, dit état mixte, où la perméabilité
magnétique augmente régulièrement avec l’intensité du
champ. C’est pour cette raison qu’un supraconducteur
de type II sera caractérisé par deux valeurs de Hc (Hc1
et Hc2, Fig. 3). Ce nouveau domaine induit dans le
matériau des pertes d’origine magnétique [20] [21]
[22]. Finalement, ces deux types de supraconducteurs
ont des propriétés et des comportements différents et
seul le type II conduit à des réalisations industrielles
avec comme désagrément de présenter des pertes par
hystérèse dans le cas du transport des courants
alternatifs. Une telle situation se retrouvera dans les
machines à courants alternatifs.
3. Stator et génération du champ magnétique.
Les équations de type bilan de puissances, associées
aux moteurs, permettent de calculer rapidement les
courants absorbés en fonction des caractéristiques
mécaniques de la charge. Ces équations sont jumelées
au schéma équivalent pour une phase qui permet
d’explorer avec une certaine justesse le domaine de
fonctionnement de la machine. Toutefois, comme
l’approche retenue est une approche magnétique, la
présentation qui va suivre reposera en particulier sur
les interactions magnétiques entre le stator et le rotor.
Le premier élément important pour toute machine
fonctionnant sur un réseau polyphasé est le moyen
retenu pour engendrer le champ magnétique dans le
stator. Bien que le premier moteur conçu par Nicolas
Tesla utilise une source diphasée (Fig. 4) [23], il fixa la
structure de ce type de machine [24]. Dans le cas d’une
source triphasée, trois bobines placées à 120 ° l’une de
l’autre peuvent engendrer un champ tournant si elles
sont alimentées par trois courants sinusoïdaux déphasés
de 120 °. L’intérêt de cette structure est de conserver le
module du champ tournant constant. L’utilisation des
supraconducteurs, pour assurer le transport du courant
dans les bobines, ne changera rien au principe retenu.
Toutefois, le remplacement des conducteurs en cuivre
par des supraconducteurs n’est pas aussi aisé. Avant
l’arrivée des oxydes de cuivre en 1986,
supraconducteur haute température (HTS) [25], le
choix était limité au Niobium-Titane (NbTi) [26] et aux
éléments du groupe A15 (Nb3Sn,…) [27]. Les bonnes
caractéristiques de ces supraconducteurs permettaient
d’en faire des filaments extrêmement fins qui, une fois
assemblés, pouvaient supporter des courants de
plusieurs milliers d’ampères. Les températures
critiques de ces anciens éléments (LTS, Low
Temperature Superconductors) sont de l’ordre de 10-
20° K et les champs critiques B0 dépassent les 30
Teslas. L’utilisation des oxydes de cuivre, aussi
dénommés YBCO ou BSCCO, est effective dans le
transport de l’énergie électrique mais posent encore
des problèmes pour les machines [28] [29]. Par
exemple, pour le transport : la société AMSC
(AMerican Superconductor Corporation) a fabriqué un
câble YBCO de 100 m en 2006 et a installé le plus long
câble BSCCO près de new-york en 2008 [30]. Ces
deux réalisations utilisent l’azote liquide comme
réfrigérant.
Dans le cas des moteurs électriques, les conducteurs
ne sont pas seuls, la plus grande partie de la masse
vient des parties ferromagnétiques. La disparition des
pertes ohmiques ne cache pas les pertes par hystérésis
associées aux matériaux composant le stator. Ces
matériaux avaient leur justification dès lors que les
conducteurs en cuivre limitaient la densité de courant
dans les bobines. L’augmentation de l’induction est
assurée simplement par la grande perméabilité relative
des matériaux ferromagnétiques. L’imperfection de ces
matériaux, saturation et cycle d’hystérésis, sont des
obstacles à l’amélioration du rendement du système. La
recherche d’un excellent rendement conduit à chasser
les éléments qui produisent des pertes. Finalement, il
serait intéressant de faire disparaitre les matériaux
ferromagnétiques. Un brevet américain proposait
d’ailleurs de remplacer ce stator rigide par un fluide
ayant des propriétés magnétiques. Ce fluide servant
aussi de réfrigérant pour les supraconducteurs [31]. La
suppression pure et simple de cet élément n’est pas
exclue puisqu’un moteur utilisant un stator à air fut
construit et testé en 2002 [32]. Toutefois, en l’absence
de circuit magnétique, le champ ne sera plus circonscrit
au moteur et un rayonnement indésirable se fera sentir
à proximité.
Figure-4 : Image issue d’une émission canadienne, « Les
Archives Oubliées », ou Nicolas Tesla présente le principe de
son moteur à induction. Deux bobines, puis trois par la suite,
seront associées à une source de courant triphasé pour
engendrer un « champ tournant ». (Vidéo complète
disponible sur : http://www.dailymotion.com)

4. L’exemple du palier magnétique.
Un exemple simple va permettre de mieux mettre
en évidence le problème posé. Un palier magnétique
conventionnel est utilisé comme support pour cette
analyse (Fig. 5) [33]. L’objectif est de maintenir en
position, sans le moindre contact, un arbre tournant à
grande vitesse (Repère 1, Fig 5.) en utilisant les effets
attractifs d’électroaimants fixes situés en périphérie
(Repère 2, Fig 5.). Bien que les champs générés soient
fixes, l’exemple sera suffisant pour arriver à la
conclusion recherchée, c'est-à-dire une remise en cause
des choix techniques réalisés.
Dans la figure 5, la répartition spatiale du champ est
donnée par simulation [34]. Il apparait qu’un niveau
correspondant à la saturation est atteint dans le stator
(1,5 Tesla). Cela veut dire qu’il est inutile d’augmenter
les courants dans les enroulements pour augmenter
l’attraction sur la partie mobile du palier, la valeur de
l’induction étant limitée, la valeur de la force associée
l’est aussi. Pour éviter cette limitation liée à la matière,
il suffit de la retirer ! Il ne reste plus que de l’air et plus
aucune limitation. Hélas, pour retrouver le même
niveau d’attraction, Il faut augmenter le courant qui va
circuler dans les bobines de maintien. Un courant 40
fois plus intense est requis pour retrouver les mêmes
niveaux d’attraction. Cette solution ne sera
envisageable que si les bobines sont réalisées en
supraconducteurs. Dans la solution ainsi obtenue, le
principe d’attraction est conservé et la partie mobile est
inchangée. Cette solution est à éviter. Il restera une
saturation au niveau de la partie mobile (Fig 6.).
Figure-5 : Représentation des lignes de flux associées à
un palier magnétique conventionnel. Dans cette
représentation, la partie mobile du palier (1) est attirée par
la partie fixe (2) contenant les bobinages de génération des
champs magnétiques. (Simulation réalisée au moyen de
FEMM 4 .2)
Figure-6 : Représentation des lignes de flux associées à
un palier magnétique n’ayant plus de noyau fixe
ferromagnétique. Pour obtenir le même niveau d’effort, le
courant a été multiplié par 40. Des fuites magnétiques de
plusieurs dizaines de milli-tesla vont se rencontrer dans des
zones ou il n’y avait auparavant aucun champ parasite.
Comme la partie tournante est inchangée (1), une saturation
magnétique peut toujours apparaitre. (Simulation réalisée
sous FEMM 4.2)
Pour obtenir une solution acceptable, il faut revenir
sur le choix initial ayant induit cette solution.
Puisqu’un supraconducteur est aussi un diamagnétique
parfait, il est possible d’utiliser la répulsion magnétique
plutôt que l’attraction. Il suffit de remplacer la partie
mobile de ce palier par un corps supraconducteur. Cette
structure présente un nouvel intérêt, car la position
désirée est naturellement obtenue. Les bobines
supraconductrices repoussent systématiquement cette
partie mobile au centre du dispositif. En examinant la
distribution de champ (Fig.7), il apparait que cette fois
le rotor ne pouvant accepter le moindre flux
magnétique, il est automatiquement centré par la
répulsion engendrée par les bobines périphériques.
Figure-7 : Dans cette simulation, le rotor amagnétique
est maintenu au centre du dispositif par le simple fait qu’il
n’accepte pas d’être traversé par le moindre champ
magnétique. Il se centre de lui-même dans le dispositif.
(Simulation réalisée sous FEMM 4.2)

(a)
(b)
Figure-8 : Palier industriel de la société NEXANS, le
stator (a) cryogénique impose au rotor passif (b), constitué
de pastilles supraconductrices (b), de rester au centre du
dispositif.
Cette structure qui repose sur l’utilisation des
supraconducteurs aussi bien pour le stator que le rotor
est celle qui est retenue par la société NEXANS pour
fournir, depuis quelques années, un palier
supraconducteur sans contact pour les applications
industrielles [35]. Une partie fixe cryogénique
engendre les champs magnétiques qui permettent de
garder la partie mobile constitué de 270 plaquettes de
supraconducteur (YBCO) au centre du système (Fig.8).
Cet exemple est une bonne illustration des remises
en cause des conceptions issues de l’utilisation des
conducteurs en cuivre. Si les supraconducteurs sont
considérés comme des conducteurs sans perte, des
augmentations considérables de courant sont donc
autorisées. Il n’est généralement pas recommandé
d’utiliser les matériaux magnétiques classiques pour
guider le flux magnétique. Ceux-ci vont limiter
l’induction à leurs niveaux de saturation. Les stators à
air apparaissent naturellement avec comme principal
aspect positif une réduction immédiate de poids. Il est
clair que les machines à supraconducteur auront
naturellement les meilleures puissances massiques du
marché. Cette caractéristique peut expliquer le
développement des éoliennes utilisant des générateurs
à supraconducteurs [49].
5. Le rotor et l’utilisation du champ statorique
Quittons cet exemple et revenons sur le principe de
Nicolas Tesla. En présence de ce « champ tournant »,
la création d’un couple mécanique s’obtient très
facilement en insérant une seconde source de champ
magnétique dans le stator. Cette source peut être un
aimant ou un électro-aimant et aussi un circuit fermé
qui va voir se développer un courant qui servira à créer
cette autre source de champ magnétique [36].
Pour la solution à aimant permanent ou à
électroaimant, cela conduit à la machine synchrone.
Pour la seconde solution, c’est naturellement la
machine asynchrone. Les récentes réalisations
s’orientent plutôt vers des machines de type synchrone
et les applications envisagées sont d’ordres maritimes
ou aéronautiques. Cette orientation est compréhensible
quand l’aspect puissance massique revient à l’esprit.
Les architectures sont globalement conservées, les
machines peuvent être à flux axial ou radial. De plus, le
matériau supraconducteur peut aussi remplacer
l’aimant permanent. Il peut être magnétisé tout comme
les aimants permanents [37] [38] [39]. Cette propriété
physique est mise en œuvre dans la prochaine
réalisation abordée : un moteur synchrone réalisé au
Japon.
Dans le domaine maritime, les laboratoires japonais
ont étudié un moteur comportant des aimants
supraconducteurs au rotor et des enroulements
supraconducteurs au stator [40]. Cette machine à flux
axial, sans aucun circuit magnétique métallique, est
destinée à la propulsion des navires. Le principal
critère est la fourniture d’un fort couple mécanique à
très faible vitesse de rotation. Une puissance de 36,5
MW à 120 trs/min est tout à fait envisageable. En
2006, un article scientifique donne les spécifications de
ce moteur et, en particulier, le moyen utilisé pour
aimanter les supraconducteurs massifs insérés dans le
rotor. La machine ainsi testée, dont l’aspect général est
donné dans la figure 9, est prévue pour délivrer une
Figure-9 : Moteur synchrone expérimental construit pa
r
les laboratoires japonais dans le but de fournir des moyens de
p
ropulsion pour les navires de surface.