AIMANTATION DE PASTILLES SUPRACONDUCTRICES Bashar GONY Directeur de thèse : Bruno DOUINE Co-directeur de thèse : Kévin BERGER

Aimantation de pastilles supraconductrices Plan 1- Introduction 2- Choix de la méthode d’aimantation 3- Choix de la configuration de l’inducteur 4- Mise en œuvre dans un circuit magnétique 5- Perturbations de l’aimantation 6- Conclusion et perspectives B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Usages d’une pastille supraconductrice : 1- Introduction Usages d’une pastille supraconductrice : I- Concentration du flux magnétique : Pastille supraconductrice Moteurs électriques - GREEN (Nancy - France) II- Piégeage du champ magnétique : Pastille supraconductrice Moteur électrique – Y. Jiang et al. (UK) B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

BPastille > B Aimant 1- Introduction Les pastilles supraconductrices aimantées peuvent produire un champ magnétique supérieur à celui d’un aimant permanent : BPastille > B Aimant Record de 17 T d’induction piégée à 29 K (M. Tomita et al., 2003) En génie électrique : Sources de champ magnétique élevé. Contraintes en termes de mise en œuvre et d’environnement (perturbations). B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 1- Introduction Le remplacement des aimants permanents par des pastilles supraconductrices dans les applications en génie électrique soulève plusieurs questions : Quel est l’impact de la forme de l’inducteur ? Quel est l’effet d’un circuit magnétique sur l’aimantation des pastilles supraconductrices ? Quel est l’effet du champ magnétique extérieur sur la stabilisation du champ piégé ? B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices Plan 1- Introduction 2- Choix de la méthode d’aimantation 3- Choix de la configuration de l’inducteur 4- Mise en œuvre dans un circuit magnétique 5- Perturbations de l’aimantation 6- Conclusion et perspectives B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 2- Choix de la méthode d’aimantation Aimanter une pastille supraconductrice  provoquer l’apparition de courants induits dans la pastille supraconductrice. Temps B appliqué x y z Champ magnétique piégé (Bpiégé) : champ magnétique qui reste dans la pastille après la fin de la variation de champ magnétique appliqué. B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 2- Choix de la méthode d’aimantation Il existe trois méthodes : Field Cooling (FC) - Refroidissement sous champ Zero Field Cooling (ZFC) - Refroidissement hors champ Pulsed Field Magnetization (PFM) - Aimantation par un champ impulsionnel Cylindre infiniment long : champ magnétique de pénétration complète 𝐻 𝑝 = 𝐽 𝑐 𝑅 Happl. max≥ 2* 𝐻 𝑝 Happl. max ≥ 𝐻 𝑝 Si on utlisse le modele de bean les distribution du champ sont les mêmes Pour PFM et ZFC o B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 2- Choix de la méthode d’aimantation 2-1- Refroidissement sous champ (FC) B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 2- Choix de la méthode d’aimantation 2-2- Refroidissement hors champ (ZFC) B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 2- Choix de la méthode d’aimantation 2-3- Aimantation par un champ impulsionnel (PFM) PFM: Appliquer une impulsion de champ magnétique sur une pastille froide à T<Tc. Impulsion optimale : impulsion qui produit le maximum de champ piégé. B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 2- Choix de la méthode d’aimantation Comparaison des trois méthodes : Dans les trois méthodes, à la fin du processus d’aimantation, on obtient un champ magnétique piégé dans la pastille qui dépend : 1- de la densité de courant critique Jc(B) 2- des dimensions de la pastille 3- de la température. FC et ZFC nécessitent un champ magnétique important et constant sur une longue durée  une bobine supraconductrice est nécessaire. PFM est plus adaptée pour les applications en génie électrique car les dimensions de la bobine sont beaucoup plus petites. Dans les applications en utilisant la méthode PFM, la valeur maximale du champ piégé à 77K est 0,38T (Y Jiang, et al ). T diminue donc B augmente. A ma connaissance Cette valeur est plus élevé de la valeur maximale de champ magnétique sur la surface d’un aimant permanant NdFeB dans l’air (Br=1,2T). PFM : une simple décharge des condensateurs dans une bobine de cuivre est suffisante pour créer une impulsion de champ magnétique. B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Pastilles supraconductrices 2- Choix de la méthode d’aimantation Pastilles supraconductrices MgB2 BiSrCaCuO YBaCuO - YBCO La pastille utilisée est de type YBCO car elle présente deux avantages : 1- Densité de courant critique élevée. 2- Refroidissement plus simple (azote liquide 77 K). Diamètre = 31 mm Diamètre = 16 mm Pastilles YBCO B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices Plan 1- Introduction 2- Choix de la méthode d’aimantation 3- Choix de la configuration de l’inducteur 4- Mise en œuvre dans un circuit magnétique 5- Perturbations de l’aimantation 6- Conclusion et perspectives B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 3- Choix de la configuration de l’inducteur La forme de l’inducteur a un rôle sur la valeur du champ piégé dans la pastille. Nous allons présenter 2 types d’inducteurs : I- Bobine vortex II- Système de 3 bobines Bobine 1 Bobine 2 Bobine 3 Pastille supraconductrice Bobine 1 , et bobine 3 des vortex B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 3- Choix de la configuration de l’inducteur (bobine vortex) A partir d’une idée de remplacer un aimant permanant par une pastille supraconductrice installée sur le rotor et l’aimantation se fait par une bobine installée sur le stator,,, nous avons étudié l’aimantation par une bobine vortex installée au dessous de une pastille supra Cette bobine produit un champ magnétique ni homogène ni perpendiculaire sur les deux surface de la pastille, I (A) B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 3- Choix de la configuration de l’inducteur (système de 3 bobines) Bobines de Maxwell A partir des bobines maxwells qui se compose de 3 bobines avec des dimensions spécifiques. Nous avons étudié un système de 3 bobines 1,,,, 2,,,, et 3,,, Ces 3 bobines produit un champ homogène et perpendiculaire sur les deux surfaces (simulation) Bobine 1 Bobine 2 Bobine 3 Pastille supraconductrice Notre système de 3 bobines B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 3- Choix de la configuration de l’inducteur (distribution du champ) II- Système de 3 bobines I- Bobine vortex Bobine 1 Bobine 2 Bobine 3 Pastille supraconductrice La simulation en l’absence de la pastille Pour la même impulsion de champ: * Valeur plus élevé Champ plus homogène Je vais vous montrer maintenant la partie expérimentation pour tester ces 2 inducteurs B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

3- Choix de la configuration de l’inducteur (banc expérimental) Circuit d’aimantation par PFM C = 80 mF Ic max = 50 kA Ith max =15 kA C=80 mF, ImaxC=50 KA ImaxTh=15 KA Shunt 100mV/50A B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 3- Choix de la configuration de l’inducteur (réalisation) I- Bobine vortex II- Système de 3 bobines Bobine 1 Bobine 2 Bobine 3 Donc nous avons réalisé une bobine de 8 tours de cuivre moulé dans la résine afin d’eviter les forces qui peut s’apparatire durant l’aimantation. Nous avons réalisé ces bobine( 40, 32, 40 spires de cuivre), ces bobines aussi sont moulés dans la résine pour éviter les forces qui peut être produits, K vortex = 0,93 mT/A K système 3 bobines = 2,35 mT/A B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 3- Choix de la configuration de l’inducteur (résultats) Vortex : Imax=6000A Durée= 2,7 ms Bmax = 1,24 T Bp1= 0,25 T Bp2=0,2T 3 Bobines Imax=1034 A Durée= 20 ms Bmax = 1,34 T Bp1= 0,7 T Bp2=0,47 T B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

3- Choix de la configuration de l’inducteur (carte de champ) Sonde à effet Hall: AREPOC HHP Moteur 1 Moteur 2 Moteur 3 Mesure de la carte du champ piégé B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

3- Choix de la configuration de l’inducteur (carte de champ) Pastille supraconductrice aimantée Surface 1 I- Bobine vortex II- Système de 3 bobines Carte de champ Forme de dôme Bp3 max= 0,2 T(Vortex) 0,36T (3bobines) moins de la valeur mesuré précédemment cela est liée à l’echouaument durant la déplacement de la pastille,,,, B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

3- Choix de la configuration de l’inducteur (carte de champ) Surface 2 Pastille supraconductrice aimantée I- Bobine vortex II- Système de 3 bobines Il faut dire pour la surface 2 du système de 3 bobines: Bien évidemment on trouve une surface identique à la surface 1 B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 3- Choix de la configuration de l’inducteur (distribution de courant) Surface 3 Pastille aimantée I- Bobine vortex II- Système de 3 bobines J/ Jc J/ Jc Distribution plus homogène sur toute la surface 3 lors de l’aimantation par le système 3 bobines Densité de courant à la fin de l’aimantation par PFM (simulation) B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 3- Choix de la configuration de l’inducteur (synthèse) Bobine vortex Système de 3 bobines Bmax piégé (Tesla) 0,2 0,47 Bmax optimal appliqué (Tesla) 1,24 1,34 Courant optimal max (A) 6000 1034 Vitesse de montée (A/ms) 8368 258 Vitesse de descente (A/ms) 3042 64 Durée de l’impulsion optimale (ms) 2,7 20 Nombre de surfaces utiles de la pastille supraconductrice 1 2 Système de 3 bobines par rapport à celui de la bobine vortex: Le champ piégé est plus fort (d’environ 2,3 fois) Le courant est plus faible (d’environ 6 fois) Les deux surfaces de la pastille sont utiles La mise en place est plus difficile pour les applications de type moteur électrique B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices Plan 1- Introduction 2- Choix de la méthode d’aimantation 3- Choix de la configuration de l’inducteur 4- Mise en œuvre dans un circuit magnétique 5- Perturbations de l’aimantation 6- Conclusion et perspectives B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 4- Mise en œuvre dans un circuit magnétique Hauteur Longueur Circuit magnétique-I Lors de la mise en œuvre de la pastille supra dans les app, un circuit magnétique pourrait être existé, Afin d’étudier le rôle d’un circuit magnétique sur l’aimantation nous avons étudié,,,,,, 200 tôles ferromagnétique isolées pour réduire les courant induit,,,, Dimensions du circuit magnétique E-I Hauteur (cm) Longueur (cm) Epaisseur (cm) 13 15 7,4 Circuit magnétique-E B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

4- Mise en œuvre dans un circuit magnétique 17 SPIRES Dimensions de la pastille YBCO utilisée Dimensions de la bobine d’aimantation Diamètre (mm) Hauteur (mm) 30 16,7 Diamètre externe (mm) Diamètre interne (mm) Hauteur (mm) 62 32,6 20 B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

4- Mise en œuvre dans un circuit magnétique (Impulsion optimale) Diamètre de la pastille = 31 mm La dernière impulsion dans la procédure d’aimantation 2734A La valeur maximale de champ appliqué (T) Champ piégé 10 min après la fin de l’impulsion optimale (T) Sonde 1 1,43 0,85 Sonde 2 1,79 0,6 B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

4- Mise en œuvre dans un circuit magnétique (comparaison) I= 4745 A (sans ) >>> 2734 A (avec) B= 0,54 T (sans) <<< 0,85 T (avec) Amélioration du champ piégé (%) Baisse du courant (%) 36 43 B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 4- Mise en œuvre dans un circuit magnétique (contribution du circuit magnétique) Zones I, III, et V : évolution du champ magnétique piégé avec noyau de fer en place. Zones II et IV : évolution du champ magnétique piégé sans noyau de fer. Le circuit magnétique améliore l’aimantation de la pastille supraconductrice : Orientation des lignes de champ magnétique Aimantation du fer B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices Plan 1- Introduction 2- Choix de la méthode d’aimantation 3- Choix de la configuration de l’inducteur 4- Mise en œuvre dans un circuit magnétique 5- Perturbations de l’aimantation 6- Conclusion et perspectives B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 5- Perturbations de l’aimantation Une pastille supraconductrice aimantée dans une application de type moteur électrique peut être soumise à différentes perturbations : Perturbations impulsionnelles Perturbations alternatives Une pastille supr peut être soumis a differntes types des perturbation Nous avons choisi deux types de perturbations B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 5- Perturbations de l’aimantation 5-1- Influence du champ magnétique impulsionnel Champ piégé en fonction de la produit de la direction de champ appliquée et la tension de décharge Nous constatons que le champ impulsionnel peut avoir un effet sur le champ piégé, cette effet dépend de la direction et la valeur du champ appliqué, IL faut parler bcp difficulté des manipes chaque point c’est manipe Partie 0-1 1-2 2-3 3-4 4-1 Amplitude du champ appliqué   Direction du champ appliqué + - B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 5- Perturbations de l’aimantation 5-2- Influence du champ magnétique alternatif Ialimentation < 50 A  Bbobine 1 faible  bobine 2 en série avec bobine 1 42 SPIRES B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 5- Perturbations de l’aimantation 5-2- Influence du champ magnétique alternatif Zone I : variation forte (quelques minutes ) Zone II : variation faible (quelques jours) Amplitude et fréquence B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 5- Perturbations de l’aimantation I- Influence de l’amplitude du champ magnétique (50 Hz) zone I Premiers instants Non stable 50 Hz 32mT, et 120mT 0,2% par sec Zone de forte variation : pente ~ 0,1 % par seconde. B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 5- Perturbations de l’aimantation I- Influence de l’amplitude du champ magnétique (50 Hz) zone II Stable 50 Hz 32mT +120mT 0,002%par sec Zone de faible variation : pente ~ 0,002 % par heure (80mT en 15 jours pour un champ piégé d’environ 0,8T) B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 5- Perturbations de l’aimantation II- Influence de la fréquence du champ magnétique (32 mT) Zone I Zone de forte variation : pente ~ 0,02 % par seconde. B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 5- Perturbations de l’aimantation II- Influence de la fréquence du champ magnétique (32mT) Zone II Zone de faible variation : pente ~ 0,003 % par heure (20 mT en 30 jours pour un champ piégé d’environ 0,8 T) B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices 5- Perturbations de l’aimantation 5-2- Influence du champ magnétique alternatif La dégradation du champ augmente avec l’augmentation de l’amplitude et de la fréquence du champ alternatif. Dégradation plus importante en zone 1 que en zone 2. B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices Plan 1- Introduction 2- Choix de la méthode d’aimantation 3- Choix de la configuration de l’inducteur 4- Mise en œuvre dans un circuit magnétique 5- Perturbations de l’aimantation 6- Conclusion et perspectives B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices Conclusion Quel est l’impact de la forme de l’inducteur ? Amélioration significative en utilisant le système de 3 bobines Quel est l’effet d’un circuit magnétique sur l’aimantation des pastilles supraconductrices ? Procédé d’aimantation amélioré, champ piégé fortement augmenté Quel est l’effet du champ magnétique extérieur sur la stabilisation du champ piégé ? Pas de contre-indication à l’utilisation des pastilles supraconductrices aimantées dans les applications en génie électrique Lors de mes expérimentations, j’ai trouvé que il faut d’environ 2ans pour que la pastille perde son aimantation. Si le champ magnétique piégé baisse en dessous d’une valeur de fonctionnement de l’application, une nouvelle impulsion d’aimantation peut s’appliquer pour ré aimanter la pastille, Donc pas de ,,,,, B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Aimantation de pastilles supraconductrices Perspectives 1- Aimantation dans un circuit magnétique à plus basse température (cryocooler). 2- Réalisation d’un moteur supraconducteur avec des pastilles supraconductrices aimantées par PFM. A partir de mes travaux que j’ai fait, je vais vous montrer qqs pistes des perspectives. Il y a sûrement d’autres. 1-Réétudier la stabilité, et vérifier si les différents résultats obtenus si sont tjrs bonnes? 2- Aimantation de plusieurs pastilles en même temps ou séparément? 3- forme dôme ou forme plat comme NdFeB? 3- Réalisation d’un accouplement magnétique avec des pastilles aimantées par le système de 3 bobines. B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices

Merci pour votre attention B. Gony Aimantation de pastilles supraconductrices