Brevet FR2329094A1 — publié le 19770520

La présente invention concerne un dispositif d' immobilisation des zones d'extrémités des barres d'enroulements statoriques d'une nachine électrique tournante. On sait que dans de grosses machines électriques tournantes, telles nue des alternateurs, les enroulements du stator appelés barres, comnortent des zones rectilignes, paralleles a l'axe de rotation et situées dans des encoches du circuit magnétique, et des zones d'extrémités extérieures aux encoches et assurant la connexion électrique des parties rectilignes. Ces barres sont, notamnent dans leurs zones d'extrémité, soumises a des forces électromagnétiques alternatives considérables, qui peuvent trovoquer des déplacements, l'usure de l'isolant entourant la barre, un court-circuit, et finalement la destruction de la machine. Il est donc tres important de réaliser un blocage énergique des zones d'extréités et ce blocage doit être assuré en plusieurs points. En ce qui concerne les sorties des barres d'enroulement c'est- -dire la partie de la zone d'extrémi~té située au voisinage immédiat des encoches, il suffit d'intercaler des cales de structure convenable entre les barres voisines de ma niere a former une voute circulaire continue dont l'axe est constitué par l'axe de rotation de la machine. Cette voute repartit entre toutes les barres les efforts tangentiels particulierement importants exercés sur certaines d'entre elles. Sur la plus grande partie de leur longueur, les zones d'extrémités sont généralement serrées entre un ensemble de support extérieur et un ensemble de sunport intérieur.Ces deux ensembles sont coaxiaux, avec la forme générale de deux surfaces tronconiques1 la distance l'axe de rotation de la machine croissant lorsqu'on s'encarte de l'entrefer. I1 sont tous deux constitués par des anneaux de support coaxiaux croisant des bras de support rectilignes situes dans des plans axiaux et stétendant selon les génératrices des deux surfaces tronconiques partir d'une extrémité "initiale" au voisinage du circuit magnétique statorique, et jusqu'à une extrémité "finale" plus éloignée de ce circuit.Les extrémités initiales des bras de support intérieur, au voisinage de l'entrefer sont reliées au bord d'un plateau de serrage épais par des boulons allongés, ou tirants qui traversent radialement les cales immobilisant les sorties des barres. La forme genérale de ce plateau est celle d'une couronne circulaire plane entourant les sorties des barres et située dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la machine. C'est entre les deux plateaux de serrage situés aux deux extrémités de la machine que sont serrees les toles de fer formant le circuit magnétique du stator. Quant aux extrémités initiales des bras extérieurs elles sont boulonnées sur le plateau de serrage de manière permettre à ces bras de supporter des efforts de flexion. Les extrémités finales des bras intérieurs et exterieurs sont reliées par des tirants qui passent a peu pres radialement entre les parties extrêmes des zones d'extrémités. Les têtes de ces tirants sont montées dans les bras exte- rieurs par l'intermédiaire de rotules permettant une légère oscillation lorsque de petits déplacements du bras intérieur sont provoques par les dilatations thermiques. Les bras intérieurs sont donc suspendus par leurs deux extremites. L'emploi de rotules pour la suppression des extrémités finales est apparu indispensable pour éviter des fractures ou des frottements lorsque la teninérature des enroulements varie. Mais chaque rotule subit à la longue une certaine usure qui crée un jeu radial permettant l'apparition de vibrations d'amDlitude d'abord faible, mais indadmissible à long terme dans certaines grosses machines. La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif dtimmobili- sation des zones d'extrémités des barres d'enroulements statoriques d'une machine électrique tournante permettant d'éviter l'utilisation de rotules susceptibles d'usure. Elle a pour objet un dispositif d'immobilisation des zones d'extrémités des barres d'enroulements statoriques d'une machine électrique tournante comnortant d'un côté du circuit magnétique statorique, - deux ensembles de support ayant chacun la forme générale d'une surface tronconique de révolution autour de l'axe de rotation de la machine et étant constitué d'anneaux qui ont le même axe que la machine, qui se succedent le long de cet axe et qui croisent, en leur étant liés, des bras qui s'détendent chacun dans un plan passant par l'axe, dtune extrémité initiale proche de l'extrémité du circuit magnétique statorique, jusqu' une extrémité finale plus éloignée de ce circuit, - l'un de ces ensembles de support étant intérieur et constitué de bras (84) d'anneaux intérieurs (86, 102), - l'autre de ces ensembles étant extérieur et constitué de bras (70), et d'anneaux (72, 73, 74) extérieurs et entourant l'ensemble intérieur, - les bras extérieurs (70) étant fixes audit circuit magnétique (2) par leurs dites extrémités proches, - un moyen de liaison (100) empêchant l'ensemble de support intérieur de s'éloigner dudit circuit magnétique, - les zones d'extrémité des barres d'enroulement (9, 10) étant serrées entre les ensembles de support intérieur et extérieur, caractérisé par le fait que les extrémités finales de plusieurs bras intérieurs (84) sont liées, à un anneau supplémentaire (106) qui entoure les zones d'extrémités des barres d'enroulement, qui n'est pas lié à l'ensemble de support extérieur et qui est plus loin du circuit magnétique statorique (2) que les anneaux (72, 73, 74) de l'ensemble de support extérieur. A l'aide des figures schématiques 1 à 3 cij ointes, on va décrire ci-après à titre non limitatif un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments qui se correspondent sur ces diverses figures y sont désignés par les mêmes numeros de référence. La figure I représente une vue en perspective d'un secteur angulaire d'une extrémité du stator d'un alternateur, montrant les zones d'extremite des barres, les ensembles de support de ces zones d'extrémité et le dispositif selon l'invention étant enlevés. La figure 2 représente une vue d'un mode de mise en oeuvre de l'invention en coupe par un plan passant par l'axe de rotation de la machine. La figure 3 représente une vue du dispositif de la figure 2, en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la machine. Le stator d'alternateur représenté sur la figure I comporte un circuit -magnétique 2 constitué de toles ferromagnétiques. Ce circuit présente comme connu, une ouverture axiale 4 dans laquelle tourne le rotor non représenté. Les mots "axe" et "axial" se rapporteront ci-après, sauf indication contraire, l'axe de la machine autour duquel tourne le rotor. Le circuit 2 est serré entre deux plateaux de serrage tels que 5, qui sont situés > ses deux extrémités. Une seule extrémité du stator est décrite et représentée, l'autre extrémité lui étant semblable. Le plateau 5 est métallique, épais et a la forme générale d'une couronne circulaire plane enterrant l'ouverture 4, le plan de cette couronne étant perpenr diculaire l'axe de rotation de la machine.Il présente une nervure 6 faisant saillie sur sa face opposée celle qui est en regard du circuit magnétique 2. Entre le plateau 5 et le circuit magnétique 2, sont disposés des doigts de serrage tels que 7 qui dépassent du plateau vers l'axe de rotation et qui permettent d'assurer le serrage sur les parties du circuit magnétique 2 situées à l'intérieur du cercle limitant ce plateau vers l'axe. Un écran magnétique 8 formé d'une feuille de cuivre et souvent appelés "amortisseur" recouvre le plateau 5 sur sa face opposée à celle qui est en regard du circuit magnétique et sur son bord inte rieur. Il permet d'éviter ltéchauffement de ces plateaux sous l'action des chaos magnétiques variables produits par les enroulements. Un intervalle d'air ou d'hydrogène est ménagé entre cet écran et le plateau de serrage pour permettre leur refroidissement.Dans la paroi cylindrique délimitant lto werture 4 sont creusées des encoches qui s'étendent parallèlement à l'axe de rotation. Ces encoches sont suffisament profondes pour contenir chacune une paire de barres d'enrculement. Chaque paire est formée par deux barres parallèles à l'axe de rotation. La barre telle que 9 située au fond de l'encoche sera appelée ci-anres barre "du premier niveau". La barre telle que 10 située au-dessus, c'est-h-dire à proximité de I'entrefer, sera appelée ci-apres barre "du deuxième niveau". Les zones d'extrémité des barres commencent, à la sortie des encoches, par une portion rectiligne dans l'alignement de l'encoche. C'est cette portion rectiligne qu'un système de cales non représenté sur la figure 1, permet d'immobiliser. Après cette portion de sortie rectiligne et parallèle à l'axe les barres préserr tent un premier coude tel que 11 avec un changement de direction inferieur à 900. Les barres présentent ensuite une portion intermédiaire faiblement incurvée qui les fait tourner autour de l'axe de rotation de la machine tout en s'éloignant du circuit magnétique et de l'axe, les barres du premier niveau tournent dans un sens opposé à celui des barres du deuxième niveau. L'ensemble de ces portions intermédiaires forme deux surfaces coniques de révolution autour de l'axe, l'une de ces surfaces étant constituée par les barres du premier niveau, l'autre par les barres du deuxième niveau. La surface conique formée par les barres du premier niveau entoure celle qui est formée par les barres du deuxième niveau en s 'écar- tant progressivement dans le sens radial.A l'extrémité de ces portions intermé- diaires les barres présentent un deuxième coude tel que 12 apres lequel elles reprennent une direction xiale c'est-à-dire parallèle à l'axe de rotation de la nachine. Immédiatement après ce coude, chaque barre du premier niveau est raccordée tt une barre du deuxieme niveau par une tete de raccordement telle que 14 située dans un plan passant par l'axe. Il doit être compris que les deux barres ainsi raccordées dans leurs zones d'extrémités occupent, à l'intérieur du circuit magnétique, des encoches présentant entre elles un décalage angulaire important autour de l'axe. Les têtes de raccordement telles que 14 permettent en outre le raccordement des enroulements au réseau électrique extérieur et à un circuit d'alimentation en fluide de refroidissement non représenté. Chaque barre est en effet composée de conducteurs élémentaires refroidis ou non par un circuit de fluide interne et entourés d'une couche isolante, elle-seme recouverte d'une couche de peinture conductrice connectee a la masse. Une telle structure des barres est bien connue et ntest pas représentée ici. Il convient d'éviter les déplacements de certaines barres sous l'action de forces électromagnétiques qui s' exercent plus particulièrement sur certaines d'entre elles dans un sens tangentiel et de répartir ces forces tangentielles sur l'ensemble des barres. En ce qui concerne les zones voisines des sorties des encoches, on utilise pour cela des cales telles que 20, représentées sur la figure 2 et intercalées chacune entre deux paires de barres sortant de deux encoches adjacentes. La figure 2 permet également de montrer les ensembles de support intérieur et extérieur isolants qui assurent l'immobilisation de l'ensemble de la zone d'extrémité des barres en dehors des zones de sortie. Pour faciliter le description les barres 9 et 10 sont représentées sur cette figure comme si elles étaient entièrement situées dans un seul et même plan passant par l'axe de rotation de la machine. Il en résulte que la tête de raccordement 14 est représentée comme si elle raccordait deux barres 9 et 10 sortant d'une même encoche. Il doit être rappelé que dans la réalité, et conformément à la figure 1, les têtes de raccor dement telles que 14 raccordent une barre du premier niveau à une barre du deuxieme niveau sortant d'une autre encoche.Les trajets des barres 9 et 10 apparaissant sur la figure 2 doivent être considérées comme représentant les surfaces coniques formées par les barres du premier et du deuxième niveau, respec tivemen t. L'ensemble de support extérieur comporte des bras tel que 70 fixées par leurs extrémités initiales au plateau de serrage 5 de manière a permettre un léger déplacement de ces bras parallelement a l'axe de rotation de la machine, lors de la dilatation thermique des barres. Ces bras sont disposées dans des plans passant par l'axe de la machine. Ils portent des anneaux de support exté- rieurs 72, 73 et 74. Ces anneaux forment des cercles complets autour de l'axe de la machine. Ils supportent les barres du premier niveau telles que 9 par l'intermédiaire de matelas conformables 76 77 et 78. Les bras 70 sont liés t ces barres par des cordons 80, 81 et 82.D'autres matelas conformables 96, 97 et 98 sont disposés entre les barres du premier niveau et celles du deuxieme. Tous ces matelas conformables sont classiquement constitués d'in feutre imprégné d'une résine polymérisable que l'on fait durcir lorsque le montage est achevé. L'ensemble de support intérieur comporte des bras de support intérieurs tels que 84 disposés dans les mêmes plans axiaux que les bras de support extérieurs tels que 70. L'extrémité initiale de ces bras, du côté du circuit magnétique 2, est suspendue au plateau de serrage 5 à l'aide de tirants 100 traversant les cales telles que 20 et vissés dans ce plateau. Ces bras de support intérieurs sont fixés au voisinage de leur milieu un anneau intérieur médian 86. Cet anneau forme un cercle complet autour de l'axe de rotation de la machine. Il est lié par des vis aux bras tels que 84. L'extrémité finale de ces bras est fixée a un anneau intérieur final 102 analogue a l'anneau 86. Des matelas conformables 104 sont interposés entre les bras tels que 84 et les barres de deuxieme niveau telles que 10. Conformément la présente invention un anneau de support isolant supplémentaire 106 entoure les tetes de raccordement 14 qui constituent les parties extrémes des zones d'extremite des barres d'enroulement telles que 9 et 10, de telle sorte que ces tetes sont serrées entre les anneaux 102 et 106 par l'intermédiaire de matelas conformables 108 et 110. Ces deux anneaux sont reliés par des tirants d'acier non magnétiques tels que 112 qui passent radialement entre les barres et qui sont tendus a l'aide d'écrous tels que 114 et 116 s'appuyant sur les anneaux 102 et 106 respectivement. L'immobilisation des têtes telles que 14 est complétée par l'interposition, entre chaque paire de barres au voisinage d'une tête, de cales telles que 118 et 120 qui s'étendent radialement, et qui ait une épaisseur mesurée dans le sens tangentiel, plus grande vers 1' intérieur. Pour assurer un blocage énergique et la formation d'une voute continue comprimée, ces cales sont tirées vers l'inte- rieur par des tirants tels que 122, visibles seulement sur la figure 3. Chacun de ces tirants s'appuie d'une part sur la face intérieure de l'anneau intérieur 102 grace a un écrou tel que 124 et d'autre part sur la face extérieure d'une cale telle que 120 grâce à un écrou tel que 126. Ils traversent radialement ces cales selon leur axe.Certaines de ces cales, telles que la cale 118 sont cependant traversées par les tirants tels que 112 qui relient les anneaux 102 et 106. Ces tirants sont alors aussi utilisés pour tirer ces cales vers l'intérieur. Pour cela ils sont munis d'un filetage coopérant avec un écrou 128 jouant le meme role que l'écrou 126. Dans un cas particulier, le diamètre de l'ouverture 4 dans le circuit magné tique du stator était de 1230 mm. Les encoches étaient au nonbre de 54. Les barres du premier niveau avaient une hauteur, mesurée dans la direction radiale, de 52,6 mm, y compris l'isolement, tandis que les barres du deuxième niveau avaient une hauteur de 67,2 mm les largeurs des barres des deux niveaux, mesurees dans la direction tangentielle étant de 49,5 mm. Les courants parcourant ces barres étaient de 13 000 A en régime normal. Dans ces conditions, les bras de support étaient constitués de résine armée de fibre de verre avec une énaisseur de 50 Tin environ mesurée dans le sens tangentiel. les anneaux étaient constitué de la même manière. Les anneaux 72, 73, 74 86 et 102 avaient des hauteurs de tordre de 60 mm mesurée radialement, et des largeurs de 80 mn mesurée parallèlement à l'axe. L'anneau supplémentaire 106 était plus gros, avec une hauteur de 70 mm, et une largeur de 100 mn. Les tirants tels que 112 étaient constitués d'acier amagnétique avec un diamètre de 16 mn. REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'immobilisation des zones d'extrémités des barres d'enroulement statoriques d'ure machine électrique tournante comportant d'un côte du circuit magnétique statorique (2), - deux ensembles de support ayant chacun la forme générale d'une surface tronconique de révolution autour de l'axe de rotation de la machine et étant constitué d'anneaux qui ont le même axe que la machine, qui se succèdent le long de cet axe et qui croisent, en leur étant liés, des bras qui s'étendent chacun, dans un plan passant par l'axe, d'une extrémité initiale proche de l'extrémité du circuit magnétique statorique jusqut une extrémité finale plus éloignée de ce circuit, - l'un de ces ensembles de support étant intérieur et constitué de bras (84) et d'anneaux intérieurs (86 et 102), - l'autre de ces ensembles étant extérieur et constitué de bras (70) et d'anneaux (72, 73, 74) extérieurs et entourant l'ensemble intérieur, - les bras extérieurs (70) etant fixes audit circuit magnétique (2) par leurs dites extrémités proches, - un moyen de liaison (100) empêchant l'ensemble de support intérieur de s'éloigner dudit circuit magnétique, - les zones d'extrémité des barres d'enroulement (9, 10) étant serrées entre les ensembles de support intérieur et extérieur, caractérisé par le fait que les extrémités finales de plusieurs bars intérieurs (84) sont liées a un anneau supplémentaire (106) qui entoure les zones d'extrémité des barres d'enroulement, qui n'est pas lié å l'ensemble de support extérieur et qui est plus loin du circuit magnétique statorique (2) que les anneaux (72, 73 74) de l'ensemble de support extérieur. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les extrémités finales de tous les bras intérieurs (84) sont liées audit anneau sunplémentaîre (106), les parties extrêmes des zones d'extrémité des barres d'enroulement (9, 10) étant serrées entre drune part ces extrémités finales qu'elles entourent et d'autre part, cet anneau supplémentaire (106) qui les entoure. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les extrémités finales des bras intérieurs (84) sont liées audit anneau supplémentaire (106) par des tirants (112) passant radialement entre les parties extrên s voisines des zones d'extrémités des barres d'enroulement (9, 10). 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les extrémités finales des bras intérieurs (84) sont liées les unes aux autres par un anneau intérieur final (102) situé sensiblement dans le même plan que ledit anneau supplémentaire (106). 51 Dispositif selon la revendication 4, caractérise par le fait que les cales (118, 120) sont disposées entre les parties extrêmes voisines des zones d'extré mités des barres d'enroulement (9, 10) de façon à ce que ces parties extrêmes forment avec ces cales une voute continue entre ledit anneau interieur (102) final et ledit anneau supplémentaire (106). 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdites cales (118, 120) forment coin en étant plus épaisse dans le sens tangentiel à leur extrémité extérieure qutd leur extrémité intérieure et sont tirées vers l'intérieur par des tirants (122, 112) s'appuyant sur ledit anneau intérieur final (102). 7/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits anneaux intérieurs sont au nombre de deux, un anneau intérieur médian (86) qui croise les bras intérieurs (84) sensiblement au milieu de leur longueur, et ledit anneau intérieur final (102), ledit moyen de liaison empêchant l'ensemble de support intérieur de s'éloigner étant constitué par des tirants (100) s'étendant radialement entre les barres d'enroulement et reliant les extrémités initiales des bras intérieurs a un plateau (5) fixé au circuit magnétique statorique (2) autour des barres d'enroulement (9, 10).