Brevet FR2218680A1 — publié le 19740913

La présente invention concerne les machines électriques synchrones et, plus particulièrement, les machines électriques synchrones de puissance destinées à transformer la puissance mécanique qu'elles reçoivent sur un arbre tournant en puissance électrique sous forme de tensions et courants alternatifs. Son application aux moteurs est toutefois également possible. On a déjà proposé d'utiliser des supraconducteurs pour constituer certains au moins des bobinages d'une machine élec- trique tournante. Les supraconducteurs sont en effet séduisants du fait que des courants extrêmement élevés peuvent y circuler avec des pertes très faibles et que corrélativement on peut, à puissance donnée, avoir un volume minimum. En contrepartie, l'emploi des supraconducteurs pour constituer un bobinage implique de maintenir celui-ci à très basse température. Dans le cas d'un inducteur tournant, l'accouplement direct entre l'inducteur et l'installation qui l'entraine constitue un trajet de fuite thermique dont l'existence se traduit par la nécessitd d'une installation frigorifique de très grande puissance. La présente invention vise à fournir une machine électrique synchrone à inducteur supraconducteur répondant mieux que les machines tournantes à bobinage supraconducteur antérieures aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle présente des pertes thermiques très réduites. Dans ce but, l'invention propose une machine électrique polyphasée synchrone à inducteur supraconducteur, caractérisée notamment en ce que l'inducteur tournant est à l'intérieur d'un arbre creux de la machine et solidarisé de l'arbre par des supports de faible résistance mécanique et de forte résistance thermique. L'arbre porte un bobinage auxiliaire dans lequel on Qit passer un courant proportionnel à la composante active du courant dans les bobinages fixes (c'est-à-dire dans l'induit, dans le cas d'un alternateur), la constante de proportionnalité étant choisie de façon telle que le couple tendant à faire tourner l'inducteur par rapport à l'arbre soit sensiblement nul. L'enroulement auxiliaire porté par l'arbre est avantageusement bobiné en quadrature électrique avec l'enroulement inducteur, de façon que l'on puisse annuler le couple sur l'inducteur avec un courant minimum dans l'enroulement auxiliaire, donc avec une dissipation thermique minimum dans cet enroulement. L'enroulement auxiliaire doit évidemment être refroidi. On peut notamment le refroidir par circulation d'eau. On peut aussi le maintenir à une température intermédiaire entre la température de l'inducteur supra-conducteur et la température ambiante. Dans ce cas, on peut par exemple le refroidir par circulation d'azote liquide. Les matériaux supra-conducteurs ont une hystérésis magnétique telle qu'il se produit un dégagement de chaleur, peu compatible avec le maintien aux basses températures nécessaires à la supraconductivité, lorsqu'ils sont soumis à des variations brutales de champ magnétique. Pour soustraire l'inducteur aux variations rapides ou périodiques du champ magnétique de l'induit que provoquent les variations de charge, on prévoit avantageusement un écran tournant entre l'inducteur et les bobinages fixes.Un tel écran, déjà prévu dans des machines synchrones antérieures à inducteur supra-conducteur, peut avoir une constitution très similaire à celle des amortisseurs des alternateurs classiques. I1 peut s'agir notamment d'un enroulement en court-circuit qui, en régime permanent, n'est soumis à aucune variation de flux et n'est donc le siège d'aucun courant. I1 peut également s'agir de barres conductrices montées en cage d'écureuil. Les conducteurs de l'é- cran peuvent être placés dans des encoches qui reçoivent également les conducteurs de l'enroulement auxiliaire. L'invention -sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe suivant un plan passant par l'axe, du dispositif constitué par un alternateur synchrone bipolaire triphasé, - la figure 2 est une vue schématique en coupe, à plus grande échelle, suivant la ligne II-II de la figure 1 et montrant des détails supplémentaires. Pour plus de simplicité, on considérera par la suite que la machine tournante illustrée aux figures 1 et 2 est un alternateur dipolaire triphasé. En conséquence, le bobinage statique sera désigné par le terme "induit". Toutefois, l'invention serait également utilisable dans le cas d'un fonctionnement en moteur synchrone. Par ailleurs, le nombre de phases pourrait être différent de trois et il pourrait y avoir plusieurs paires de pâles. L'alternateur illustré aux figures I et 2 comporte un équipage rotatif de forme générale cylindrique dans lequel sont disposes coaxialement, à partir de l'axe de la machine, l'inducteur contenu dans un cryostat, l'arbre qui reçoit la puissance motrice, un écran passif et un bobinage auxiliaire. Toutefois, une disposition différente pourrait être adoptée, en prévoyant par exemple à partir de l'axe, l'inducteur, le bobinage auxiliaire et l'écran. On pourrait également, bien que cette solution semble moins satisfaisante, utiliser un arbre plein au lieu d'un arbre creux et placer l'ensemble des bobinages et l'écran passif autour de l'arbre. La machine illustrée en figure 1, constituant alternateur synchrone, présente une constitution générale similaire à celle de la machine décrite et revendiquée dans la demande de brevet français n" 72 38967, déposée le 3 novembre 1972 par l'organisme demandeur et à laquelle on pourra se reporter. L'alternateur comporte un bâti fixe 10 (figure 2) qui porte un bobinage statorique 11 et dans lequel est monté l'équipage rotatif. L'enroulement statorique est relié par exemple à un réseau de réception d'énergie électrique. il est constitué en un matériau bon conducteur d'électricité, cuivre ou aluminium par exemple, fonctionnant aux températures usuelles des bobinages induits des alternateurs classiques. Lors du fonctionnement, la rotation de l'inducteur et celle du bobinage auxiliaire de l'équipage rotatif qui sera décrit plus loin font naitre dans l'induit 11 des forces électro-motrices. Le bâti 10 porte, à ses extrémités, des paliers 12 et 13 de centrage d'un arbre creux rotatif 14. Ces paliers sont suffisamment éloignés de l'induit et des enroulements de l'équi- page rotatif pour que le flux magnétique qui les traverse reste faible. L'équipage rotatif comporte un bobinage inducteur supraconducteur 15. Ce bobinage, dipolaire dans le mode de réalisation décrit, est parcouru par le courant continu d'excitation de la machine, constant en régime permanent. Ce bobinage inducteur 15 est réalisé suivant la technologie habituelle des aimants supra-conducteurs, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de décrire ici sa constitution en détail. Le matériau supra-conducteur peut notamment être du type composite multifilamentaire, associant des filaments élémentaires d'un alliage de niobium et de titane noyés dans une matirce de cuivre et mis sous forme de fils à section circulaire ou rectangulaire.Les différents conducteurs élémentaires convenablement isolés sont disposés, en nombre suffisant pour assurer une distribution globale de courant conduisant à un champ dipolaire, par exemple dans des rainures ou encoches ménagées à la périphérie d'un mandrin cylindrique 29. Ce mandrin 29 (figure 2) peut être en acier (magnétique ou amagnétique, les inductions étant très élevées)., en un matériau isolant ou encore en un métal ayant une bonne résistance mécanique et bon conducteur de la chaleur. Si l'on utilise une matière plastique, celle-ci est avantageusement armée de fibres. Parmi les produits métalliques utilisables, on peut notamment citer les alliages légers à base d'aluminium. Le bobinage inducteur 15 et le mandrin qui le porte sont pourvus de canaux de refroidissement destinés à permettre au fluide cryogénique de circuler.Le bobinage inducteur 15 étant soumis aux contraintes magnétiques dues à son champ propre et aux contraintes mécaniques dues à la force centrifuge lors du fonctionnement, il doit être bloqué sur le mandrin 29. Ce résultat peut être atteint en utilisant des cales d'encoches en matériau à bonne résistance mécanique, ou des frettes métalliques, ou encore une imprégnation de résine thermo-durcissable. Les procédés ci-dessus peuvent évidemment être utilisés également en combinaison. Le bobinage inducteur 15 doit être alimenté en courant continu, au moins pendant la période de démarrage. Cette alimentation peut se faire soit par une excitatrice en bout d'arbre, associée à des redresseurs statiques, soit depuis l'extérieur. C'est cette seconde solution qui est illustrée à titre d'exemple sur la figure 1, qui montre des contacts glissants 16 et 17, comprenant des frotteurs fixes et des bagues portés par une chemise 18 raccordée au mandrin supportant le bobinage inducteur. Les conducteurs reliant les contacts glissants au bobinage inducteur sont situés à l'intérieur de la chemise ; ils doivent évidemment être conçus de façon à réduire le plus possible les apports de chaleur vers la zone à basse température. Quelle que soit la solution adoptée pour alimenter le bobinage inducteur lors de la montée en régime, ce bobinage comporte avantageusement un interrupteur supraconducteur, ouvert de lors de la montée en régime et qui se ferme en régime permanent de façon à boucler sur lui-même l'enroulement inducteur et à piéger le flux nécessaire au fonctionnement. En même temps, l'alimentation peut être interrompue. Le bobinage inducteur est enfermé dans un cryostat, comportant une paroi interne 19 et une paroi externe 20. Le bobinage inducteur est fixé à la paroi externe 20 du cryostat par l'intermédiaire de pièces de centrage. Ces pièces comportent, dans le mode de réalisation décrit, la chemise 18 et des voiles 21. La paroi externe 20 du cryostat lui-même est centrée dans l'arbre et fixée à celui-ci par des organes qui doivent avoir une résistance thermique aussi élevée que possible, organes figurés en 22. En contrepartie, ces organes peuvent n'avoir qu'une résistance mécanique très limitée. Entre le cryostat et l'arbre 14 est prévu un isolement thermique, qui peut être constitué de façon classique par une chemise à double paroi sous vide, ou par un matériau classique de super-isolation. On peut également utiliser, soit isolément, soit en liaison avec les dispositifs précédents, un écran à température intermédiaire, par exemple parcouru par de l'azote liquide à 770 K. Les organes 22 peuvent être constitués de flasques ou d'organes de structure à symétrie de révolution en acier inoxydable à faible conductivité thermique. Ces liaisons peuvent être de section très faible puisque, comme on va le voir, l'inducteur n'est soumis qu'à un couple de rotation par rapport à l'arbre généralement faible, et même nul en régime permanent équilibré. Le cryostat lui-même doit être muni de moyens d'alimentation en fluide de maintien aux températures cryogéniques. Dans le mode de réalisation illustré schématiquement, ces moyens comprennent une tubulure centrale 23 qui débouche à l'intérieur du mandrin portant le bobinage inducteur 15. Par cette tubulure, on injecte le fluide cryogène, qui peut être de l'hélium liquide ou, mieux encore, de l'hélium hypercritique. L'hélium vaporisé revient dans l'espace compris entre la tubulure 23 et la chemise 18 (çette dernière étant avantageusement munie d'un isolement). L'hélium est évacué par une conduite 24 qui s'ouvre dans un collecteur fixe 25, coopérant avec la face terminale de la chemise 18 par un joint d'étånchéité tournant 26. L'arbre 14 porte un écran passif 27 et un bobinage auxiliaire 28. Dans le mode de réalisation illustré, ces deux organes sont placés à l'extérieur de l'arbre, bobinage auxiliaire en dehors. L'arbre est choisi en un matériau à haute résistance mécanique, en acier magnétique ou amagnétique en général. Il pourra être muni d'encoches radiales 30 ouvertes vers l'extérieur permettant de placer les enroulements constituant écran 27 et le bobinage auxiliaire 28. L'écran 27 peut présenter la constitution utilisée de façon habituelle sur les alternateurs à inducteurs supraconducteurs pour protéger le matériau supraconducteur contre les champs magnétiques parasites variables produits par les perturbations sur l'induit. Cet écran sera en général constitué par un enroulement en court-circuit, suivant un schéma identique aux cages d'écureuil des moteurs asynchrones. Dans le mode de réalisation illustré en figure 2, cet enroulement est placé dans des encoches 30 de l'arbre 14 qui reçoivent également les enroulements constitutifs du bobinage auxiliaire. Pour plus de simplicité, quelques encoches seulement sont représentées sur la figure 2. L'arbre porte également le bobinage auxiliaire 28. Ce bobinage est avantageusement constitué par un enroulement en quadrature électrique avec l'enroulement inducteur, de façon que l'on puisse annuler, ou du moins réduire à une valeur très faible, le couple tendant à faire tourner l'inducteur 15 par rapport à l'arbre 14, avec un courant minimum dans l'enroulement auxiliaire, donc avec une dissipation thermique minimum dans cet enroulement. Le bobinage auxiliaire dipolaire 18 peut être réalisé suivant les technique classiques de bobinage des rotors de turbo-alternateurs. Le flux magnétique produit par l'inducteur étant une fonction très décroissante de la distance radiale à partir de la surface de l'inducteur 15, le bobinage auxiliaire 28 et l'arbre doivent avoir l'épaisseur la plus faible possible compatible avec la résistance mécanique requise et avec le passage dans le bobinage de l'intensité nécessaire. Le bobinage devant être maintenu à une température compatible avec ltemploi d'isolants électriques classiques, il doit être muni d'un circuit de refroidissement non représenté. En général, on utilisera un refroidissement par eau. Toutefois, on pourra également adopter un refroidissement par fluide cryogène à une température intermédiaire entre la température de supra-conductivité et la température ambiante. On pourra notamment utiliser une circulation d'azote liquide. Le bobinage auxiliaire 28 doit être alimenté par un coutant continu dont l'intensité est proportionnelle à l'intensité de la composante active du courant alternatif débité par l'induit Il de l'alternateur. Deux solutions sont pratiquement possibles. Une première solution, qui est celle adoptée dans le mode de réalisation illustré en figure 1, consiste à utiliser un générateur de courant continu extérieur à la machine (non représenté) et une amenée de courant par contact glissant. La figure 1 montre schématiquement des contacts glissants 41 constitués par des h?-es et balais, les amenées de courant aux balais et le départ des bagues vers le bobinage 28 n'étant pas représentés. On peut également utiliser une collection du courant par métal liquide, sodium ou mercure en général. Le générateur lui-même est avantageusement constitué par des redresseurs statiques. Une autre solution consiste à monter en bout d'arbre une excitatrice qui débite sur des redresseurs statiques entrainés en rotation par l'arbre. Dans les deux cas, le courant d'alimentation du bobinage auxiliaire 28 doit être asservi à la composante active du courant débité par l'induit 11 de l'alternateur. Cet asservissement peut être excessivement simple et consister en un simple dispositif wattmétrique fournissant la valeur de la composante active à un diviseur de tension (autotransformateur par exemple) placé entre le générateur de tension et les redresseurs. Une solution plus élaborée, permettant d'atténuer encore davantage les à-coups mécaniques lors des transitoires, consiste à utiliser un circuit d'asservissement muni de circuits dérivateurs-intégrateurs. Dans tous les cas, l'ordre de grandeur de la puissance à prévoir pour l'enroulement auxiliaire sera de tordre du millième de la puissance de sortie de l'alternateur. L'induit Il est constitué par un bobinage dipolaire triphasé réparti, réalisé de façon classique en un matériau-bon conducteur de l'électricité (cuivre ou aluminium) refroidi énergiquement, par exemple par circulation forcée d'eau. Les conducteurs doivent être subdivisés et transposés pour minimiser les pertes par courants de Foucault. Dans le mode de réalisation représenté en figure 2, le bobinage induit Il est placé dans les encoches d'un support statorique qui peut être soit un isolant renforcé par des fibres, soit un acier magnétique ou amagnétique. Dans ce dernier cas, ce support statorique est feuilleté dans des plans perpendiculaires à l'axe de la machine pour éviter les pertes. La répartition et l'isolement des conducteurs dans les encoches ne seront pas décrits davantage, car il s'agit d'une technologie connue et déjà utilisée dans la fabrication des induits d'alternateurs classiques ou à inducteur supraconducteur. L'alternateur ainsi réalisé présente tout à la fois l'avantage d'avoir un inducteur solidarisé de son arbre d'entrat- nement, ce qui évite tout glissement de l'un par rapport à l'autre, et d'interposer sur le trajet thermique entre l'arbre et l'inducteur supraconducteur un trajet à haute résistance thermique, limitant considérablement la puissance de l'installation cryogénique à prévoir. L'invention ne se limite évidemment pas au mode particulier de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Machine électrique synchrone polyphasée à inducteur supraconducteur, caractérisée en ce que l'inducteur tournant est placé concentriquement à un arbre de la machine et solidarisé de l'arbre par des supports de faible résistance mécanique et de forte résistance thermique et en ce que l'arbre porte un bobinage auxiliaire dans lequel passe un courant sensiblement proportionnel à la composante active du courant dans les bobinages fixes de la machine. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'arbre est creux et contient un cryostat dans lequel est placé l'inducteur. 3. Machine électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'enroulement auxiliaire est bobiné en quadrature électrique avec l'enroulement inducteur supraconducteur. 4. Machine électrique suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que l'enroulement auxiliaire est refroidi par circulation d'eau à température proche de la température ambiante ou d'un liquide cryogénique à température intermédiaire entre l'ambiante et la température de l'inducteur. 5. Machine électrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par un écran porté par l'arbre, placé entre l'inducteur et les bobinages fixes. 6. Machine électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'on trouve dans le sens radial, à partir de l'axe, l'inducteur, l'écran, l'enroulement auxiliaire et les bobinages fixes. 7. Machine électrique suivant la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que l'arbre est muni d'encoches radiales dans lesquelles sont placés les conducteurs de l'enroulement auxiliaire et de l'écran. 8. Machine électrique suivant la revendication 5, 6 ou 7, caractérisée en ce que l'écran est constitué par un enroulement ou des barres en court-circuit. 9. Machine électrique synchrone polyphasée à inducteur supraconducteur, caractérisée en ce que l'inducteur tournant est placé concentriquement à un arbre de la machine et solidarisé de l'arbre par des supports de faible résistance mécanique et de forte résistance thermique et en ce que l'arbre porte un bobinage auxiliaire dans lequel un circuit d'asservissement muni des moyens de détection du couple tendant à faire tourner l'inducteur par rapport à l'arbre règle en permanence les courants à une valeur telle que ce couple soit sensiblement nul. 10. Machine suivant la revendication 9, caractérisée en ce que lesdits moyens sont des jauges de mesure de déformation. 11. Machine électrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'inducteur est alimenté, au moins au cours du démarrage, par un générateur de courant continu extérieur à la machine muni de contacts glissants, ou par une excitatrice en bout d'arbre dont le courant est redressé par des redresseurs statiques. 12. Machine électrique suivant la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comporte un interrupteur supraconducteur muni de moyens de commande destinés à le fermer et à court-circuiter l'inducteur sur lui-même en régime permanent.