Brevet FR2316774A1 — publié le 19770128

La présente invention est due aux travaux de MM BERTHET et HOISSON-FRMKIIAIJSER des Laboratoires de Marcoussis, Centre de Recherches de la Compagnie Générale d'Electricite. Elle concerne une machine électrique tournante à encoches refroidies. On sait que les machines électriques tournantes comportent le plus souvent un rotor muni de conducteurs électriques logés dans des encoches qui sont creuses dans la partie périphérique du rotor et qui s'étendent parallélement a l'axe du rotor. Pendant le fonctionnement de la machine > de la chaleur apparaît dans ces encoches et a leur voisinage Pour éviter un échauffement excessif des conducteurs, il est connu de les refroidir par un fluide de refroidissement qui peut etre par exemple de l'eau circulant dans un canal intérieur ménagé dans les conducteurs, mais qui peut aussi circuler dans l'encoche à l'extérieur des conducteurs. Dans ce cas l'espace intérieur a encoche doit entre séparé de l'espace extérieur par une paroi périphériquede manière a ce que l'encoche constitue un canal pour le fluide de refroidissement. Bien entendu, le circuit de refroidissement dans son ensemble doit etre adapté aux puissances calorifiques qu'il faut évacuer. Mais il est difficile de faire correspondre en toutes circonstances, le débit du fluide de refroidissement dans chaque encoche à- la puissance calorifique apparaissant dans cette encoche, ou, dans le cas de phénomènes transitoires, la réserve de fluide de refroidissement dans chaque encoche a la quantité de chaleur apparaissant dans cette encoche. Il peut en résulter un échauffement excessif local et une détérioration des conducteurs dans certaines encoches. Ceci peut notamment se produire dans le cas où la machine tournante est un cryoalternateur dont le rotor inducteur comporte des conducteurs supraconducteurs refroidis par de l'héîium liquide ou hypercritique. La présente invention a pour but la réalisation d'une machine électrique tournante a encoches refroidies dans laquelle on assure d'une manière particulie remuent simple l'adaptation des moyens de refroidissement des encoches aux quantité de chaleur pouvant apparaître dans ces encoches. Elle a pour objet une machine électrique tournante a encoches refroidies comportant - un rotor tournant autour d'un axe. - des encoches allongées s'étendant côte a cote dans la partie périphérique de ce rotor et étant separées de l'espace extérieur a ce rotor par une paroi peri- phérique, ces encoches étant partiellement occupées par des conducteurs, de la chaleur pouvant apparaltre dans certaines au moins de ces encoches, ou a leur voisinage - des moyens pour fournir a ces encoches un fluide de refroidissement et pour le faire circuler dans l'espace laissé libre par lesdits conducteurs, ce fluide étant soumis a la force centrifuge qui résulte de la rotation du rotor et qui crée une pression de ce fluide croissant avec la distance à l'axe, caractérisé par le fait que les canaux extérieurs et des canaux intérieurs sont creusés dans ledit rotor entre lesdites encoches et de plus lesdits conducteurs sont disposés dans ces encoches de manière a permettre audit fluide de circuler entre au moins une premiere encoche et au moins une deuxième encoche en suivant un circuit d'égalisation de température comportant quatre parties qui sont une parti exterieure formée par un canal extérieur entre une zone extérieure de la premier encoche et une zone exterieure de la deuxième encoche, une partie allant vers l'lntërieur formée par l'expace libre dans la deuxième encoche entre cette zone exterieure et une zone intérieure de cette deuxième encoche, une partie intérieure forme par un canal intérieur entre cette zone interieure de la deuxieme encoche et une zone interieure de la première encoche et une partie alLant vers l'extérieur formée par l'espace libre dans la première encoche entre cette zone intérieure et ladite zone exterieure de cette première encoche. A l'aide des figures schématiques 1 3 ci-jointes, on va décrire ci-après a titre non limitatif un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignes par les mêmes signes de référence. Les fitures la et lb représentent des vues d'un cryoalternateur selon l'invention en coupe par un plan C perpendiculaire a l'axe du rotor. La figure 2 représente une vue du rotor du meme cryoalternateur en coupe par un plan A passant par l'axe du rotor. La figure 3 représente une vue du rotor du mêne cryoalternateur en coupe par un plan B passant par l'axe du rotor. La machine tournante décrite est un cryoalternateur, et plus particulièrement le rotor 50 constituant l'inducteur de cet alternateur. Ce rotor est entraîne en rotation autour d'un axe 1, a l'intérieur d'un stator 52, a une vitesse de synchronisme, par exemple 25 tours par seconde, par l'intermédiaire d'un arbre 2. Il comporte quatre secteurs polaires constitués par des supraconducteurs formés par des conducteurs fixés a sa périphérie, à une distance de 60 cm de l'axe 1, dans des encoches telles que 6, 8, 10 et 12 creusées dans le corps du rotor. Ce corps est constitué d'une resine épo- chargée et armée de fibres de verre. Sa longueur est de plusieurs mètres. Les encoches s'étendent toutes parallèlenent à l'axe 1 sur presque toute la longueur du rotor 50. Elles ont une section sensiblement rectangulaire. Elles sont fermées vers l'extérieur par une tôle non magnetique 13, entourant le rotor 50.La partie centrale de leur section est occupée partiellement ou totalement par des conducteurs supracondue- isolés les ans des autres, en laissant subsister le long de chacune de leurs parois un espace libre de quelques millimetres d'épaisseur pour permettre la circulation du fluide de refroidissement et l'évacuation de la chaleur cree dans l'encoche et â son voisinage. Des cales isolantes non représentées sont prevues pour fixer les conducteurs 4 par rapport ê ces parois, et pour laisser en outre de l'espace libre entre conducteurs de manière nermettre leur bon refroidissement.Ces cales sont disposées de manière permettre les circulations de l'hélium radlales et circonferentielles autour des conducteurs. Chacun des quatre secteurs polaires occupe un secteur angulaire de 90. Dans chaque secteur polaire, les encoches et les conducteurs sont répartis synétriquernent de part et d'autre du plan polaire tel que le plan 14 formant le milieu du secteur polaire. Chaque demi-secteur polaire comporte des encoches décalées angulairement, à partir d'un plan interpolaire tel que le plan 15 formant le bord du secteur polaire. La partie centrale des encoches 6 et 8 est renplie par les conducteurs 4, tandis que les parties centrales des encoches 10 et 12 ne sont remplies que partlellement, c'est-a-dire qu'il reste beaucoup plus dtespace libre pour le fluide de refroidissement dans les encoches 10 et surtour 12 que dans les encoches 6 et 8. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 3, I'encoche 12 est alimentée en hélium, à 4w1 environ, sous une pression qui atteint plusieurs bars dans la partie extérieure de l'encoche, par une canalisation radiale 16, elle-meme raccordée à une canalisation d'amenee axiale 18 solidaire du rotor et elle-nene ali-mentée par des moyens fixes non représentes par l'intermédiaire d'un joint tournant non représenté. L'hélium qui a parcouru l'encoche 12 est ramene vers l'axe 1 par une canalisation radiale 20, elle-meme raccordée à une canalisation de sortie 22 disposee coaxialenent autour de la canalisation d'amenée 18. I1 resulte de la disposition décrite que seule l'encoche 12 est refroidie et que, sans autre précaution, les encoches 10, 8 et 6 risquent donc un échauffement excessif. I1 faut cependant remarquer qu'il serait possible de refroidir les encoches, 10, 8 et 6 de manière analogue, mais que meme si on le faisait il subsisterait un risque d'échauffement excessif de ces encoches. En effet, dans le cas d'un incident de fonctionnenent, par exemple un court-circuit triphasé en moyenne tension à vide, une énergie de plus d'un kilojoule peut apparaître sous forme de chaleur dans la tole 13 dans chaque denisecteur polaire. Sa plus grande partie apparat alors au voisinage des encoches telles que 6 et 8, qui contiennent relativement peu d'hélium, et narvient par diffusion jusqu'aux conducteurs 4 en un temps très court. Il en résulte un risque de détérioration des conducteurs dans ces encoches en raison de la faible quantité d'hélium qu'elles contiennent, alors qu'il existe dans les encoches telles que 10 et 12 une réserve d'hélium largement suffisante. C'est pourquoi, selon la présente invention, des canaux extérieurs tels que 24 et intérieurs tels que 20 font communiquer entre elles les zones respectivement exterieures et interieures des encoches telles que 6, 8, 10 et 12 d'un meme demi-secteur polaire. Ces canaux ont une section sensiblement rectangulaire avec une dimension radiale de 2 ou 3 mm, et une dimension de 1cm parallèlement à l'axe.Ils sont séparés des autres par des intervalles également de 1 cm parallèlement à l'axe 1. Lorsqu'il se produit un échauffement dans l'encoche 6, la densité de l'hélium devient plus faible dans cette encoche que dans l'encoche 12. Dans cette dernière encoche, sous l'action de la force centrifuge, l'hélium subit une pression tendant à l'éloigner de l'axe 1 et à la faire aller vers la zone extérieure de cette encoche. Il ira ensuite par les canaux extérieurs tels que 24 jusqu'à l'encoche 6 où il se réchauffera.En raison de sa densité devenue plus faible, la pression précédemment mentionnée et développée dans l'encoche 12 sera suffisante pour le faire aller, à l'intérieur de l'encoche X, de la zone exterieure de celle-ci jusqu à sa zone interieure, malgré la force centrifuge. I1 reviendra ensuite par les canaux intérieurs tels que 26 jusqu'à la zone intérieure de l'encoche 12. D'une manière plus générale, il apparaît que la présence des canaux extérieurs 24 et intérieurs 26 permet à l'hélium de circuler entre les encoches ce qui tend à egaliser les entropies de l'hélium au sein de ces encoches, et entraîne que, à distance égale à l'axe, et donc à pression égale, les températures seront égalisées, étant entendu que la température comme la pression croit au sein de chaque encoche quand on s'éloigne de l'axe 1. On peut remarquer que la présente invention est particulièrement intéressante dans le cas où le fluide de refroidissement est, comme décrit, de l'hélium dans des conditions hypercritiques car, pour une variation de température donnée, les variations de densite sont alors particuliérement grandes et provoquent donc un phenomène de thermosiphon particulièrement puissant. Les conditions sont dites hypercritiques pour l'hélium au voisinage de 4K lorsque la pression est supérieure à 2, 26 bars. Les variations de la densité avec la température diminuent cependant lorsque la pression augmente. I1 y a donc intérêt à ce que la pression reste inférieure à 10 bars au voisinage de l'axe. REVENDICATIONS 11 Machine électrique tournante à encoches refroidies comportant - un rotor (SO) tournant autour d'un axe (1), - des encoches allongées (6, 8, 10, 12) s'étendant cöte à cote dans la partie périphérique de ce rotor et tant séparées de ' espace extérieur à ce rotor par une paroi périphérique (13), ces encoches étant partiellement coupées par des conducteurs (4), de la chaleur pouvant apparaître dans certaines au moins o ces encoches ou â leur voisinage - des moyens pour fournir a ces encoches un fluide de refroidissement et pour ie faire circuler dans l'espace laissé libre par lesdits conducteurs, ce fluide étant soumis à la force centrifuge qui résulte de la rotation du rotor et qui crée une pression de ce fluide croissant avec la distance à l'axe, caractérisée par le fait que des canaux extérieurs (24) et des canaux intérieurs (26) sont creusés dans ledit rotor (50) entre lesdites encoches (6, 8, 10, 12) et de plus lesdits conducteurs (4) sont disposés dans ces encoches de manière à permettre audit fluide de circuler entre au moins une premiere encoche (12) et au moins une deuxième encoche (b) en suivant un circuit d'égalisation de température comportant quatre parties qui sont une partie exterleure formée par un canal extérieur (24) entre une zone extérieure de la premlere encoche (12) et une zone extérieure de la deuxième encoche (b) une partie allant vers l'interieur formée par l'espace libre dans la deuxième encoche, une partie intérieure formée par un canal intérieur (26) entre cette zone nterieure de la deuxième encoche (6) et une zone intérieure de la première encoche t12) et une partie allant vers l'extérieur formée par l'espace libre dans la première encoche (12) entre cette zone intérieure et ladite zone extérieure de cette premiere encoche. 2/ Machine selon la revendication 1, dans laquelle les dites encoches s 'étendent parallèlement à l'axe (1) du rotor (50) et ont des sections intérieures sensiblement gales caractérisé par le fait que lesdits canaux extérieurs (24) et intérieurs (2b) font communiquer une première encoche (12) dans laquelle lesdits conducteurs laissent beaucoup d'espace libre, avec une deuxieme encoche (ó) dans laquelle lesdits conducteurs laissent peu d'espace libre 1 Machine selon la revendication 2, dans laquelle l'ensemble desdites encoches 16, 8, 10, 12) et desdits conducteurs (4) forme une succession e secteurs polaires répartis angulairement autour de l'axe 1 du rotor; lesdits conducteurs 64) laissant peu d'espace libre dans les encoches (6) situées grès du bord d'un secteur polaire et beaucoup d'espace lie dans les encohes (12) situées près ou milieu d'un secteur polaire, caractérisée par le fait que lesdits canaux exte- rierus (24) et intérieurs (26) font communiquer toutes les encoches (6, 8, 10, 12) de cnaque demi-secteur situé entre le milieu (14) et un bord (15) d'un secteur polaire. 4/ Machine selon la revendication 3, caracterisé par le fait que lesdits conducteurs (4) sont supraconducteurs et ledit fluide de refroidissement est de l'hélium, dans des conditions hypercritiques dans lesdites encoches, avec une pression inférieure à 10 bars au voisinage dudit axe. i archine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite première encoche 12) est raccordée a un circuit de refroidissement (18, 16, 20, 22) à à renouveler ledit fluide de refroidissement dans cette encoche en le falsant circuler selon la longueur de cette encoche.