Brevet FR2347811A1 — publié le 19771104

L'invention concerne les machines électriques, et notamment, les alternateurs synchrones à poles non saillants (turbo-alternateurs) refroidis par gaz, employés dans la production industrielle d'énergie, notamment dans les centrales thermiques. On connatt des alternateurs synchrones à pales non saillants à refroidissement par gaz des parties actives - enroulement du rotor et fer du stator -, dans lesquelles le gaz de refroidissement (de préférence de lthydrogène), pulsé par des ventilateurs, circule à travers des canaux radiaux du stator et arrive dans l'entrefer entre le stator et le rotor pour refroidir 11 enroulement du rotor. L'accroissement de la puissance spécifique des alternateurs et l'augmentation des charges spécifiques en courant sont suivie par 1' augmentation de la rigueur des perscriptions relatives aux paramètres du système de refroidissement par gaz. Notamment, il est nécessaire d'avoir une circulation intensive du gaz dans les canaux ra diaux du fer du stator avec un faible échauffement de ce gaz dans 1' entrefer entre le stator et le rotor, de façon à assurer un refroidissement efficace et uniforme de toutes les parties actives de 1' alternateur. On connatt des alternateurs synchrones à piles non saillants refroidis par gaz, dans lesquels la circulation de la veine gazeuse à l'intérieur du volume actif de l'alternateur s'effectue dans les directions radiale et tangentielle par rapport à l'axe de rotation du rotor. L'alternateur synchrone à pôles non saillants connu comprend un rotor dont l'arbre porte à ses extrémités des ventilateurs ayant des zones de dépression à l'entrée et des zones de surpression à la sortie et un stator constitué par une carcasse dans laquelle sont incorporés des réfrigérants de gaz et un noyau. Dans la zone active, le rotor a des rainures dans lesquelles est logé l'enroulement d'excitation. te noyau du stator, entourant le rotor, se compose de plusieurs paquets, constitués par empilage de tôles annulaires dans lesquels est logé l'enroulement du stator dont les connexions frontales sont fixées aux extrémités du noyau. Les paquets du noyau du stator sont séparés entre eux par des entretoises radiales dont les surfaces constituent, conjointement avec les surfaces des paquets, des canaux de ventilation radiaux suivant lesquels le gaz de refroidissement circule dans la direction radiale. En ce qui concerne la veine de gaz, l'entrefer entre le rotor et le noyau du stator est séparé de la zone de dépression des ventilateurs et de la zone des connexions a'extrémité de l'enroulement du stator par des cloisons annulaires placées à proximité des faces d'extrémité du noyau. L'enceinte entre la carcasse et la surface extérieure du fer est partagée par des cloisons radiales en un nombre pair de compartiments, qui sont mis en communication entre eux denx par deux pour la veine de gaz par l'intermédiaire de l'entrefer. Le premier des compartiments de chaque paire est destiné à 1' entrée de la veine de gaz, et le second est destiné à la sortie de la veine de gaz issue des canaux du noyau et circulant sous l'effet des ventilateurs. On assure ainsi le refroidissement par gaz de la zone active et de la zone d'extrémité du noyau du stator comprenant les connexions d'extrémité de l'enroulement du stator. Dans l'alternateur connu l'entrée des réfrigérants de gaz est mise en communication avec les compartiments de sortie de l'enceinte formée par la carcasse et la surface extérieure du noyau du stator, et la sortie des réfrigérants de gaz est mise en communication avec les zones en dépression des ventilateurs. Dans un tel circuit, pendant son cheminement des réfrigérants de gaz à la zone active, le gaz de refroidissement est réchauffé par les calories se dégageant dans les ventilateurs et dans la zone frontale du stator. Un inconvénient important de cet alternateur connu à pôles non saillants consiste en ce que, par suite du passage du gaz issu des réfrigérants de gaz à travers la zone de dépression des ventilateurs et la zone d'extrémité du stator, sa température à l'entrée de la zone active est bien plus haute qu'à la sortie des réfrigérants de gaz, ce qui restreint l'efficacité de refroidissement du noyau du stator et de l'enroulement du rotor. Tout cela ne permet pas d'abaisser la température desdites parties actives pour un niveau prédéterminé des charges électromagnétiques de l'alternateur, et ne permet pas d'accroitre ces charges pour une température admissible prédéterminée du noyau du stator et de l'enroulement du rotor. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indi tués. On s'est proposé de créer un alternateur synchrone à pales non saillants de conception telle qu'elle permettrait de lui conférer une haute fiabilité, grâce à un refroidissement plus efficace de sa partie active, ainsi que pour une température admissible prédéterminée de sa partie active, de diminuer le poids et l'encombrement et d'aceroitre les charges électromagnétiques de l'alternateur. Elle a donc pour objet un alternateur à pales non saillants synchrone, comprenant un rotor avec des ventilateurs ayant des zones de dépression à l'entrée et des zones de surpression à la sortie et un stator constitué par une carcasse dans laquelle sont logés des réfrigérants de gaz, par un noyau entourant le rotor et composé de paquets avec des canaux radiaux et par un enroulement statorique avec des connexions d'extrémité fixées aux faces d'extrémité du noyau, dans lequel le stator comporte des cloisons annulaires placées à proximité des faces d'extrémité de son noyau pour séparer, en ce qui concerne la veine de gaz, l'entrefer entre le rotor et le noyau du stator des zones en dépression des ventilateurs, l'enceinte entre la carcasse et la surface extérieure du noyau du stator étant divisée par des cloisons radiales et un nombre pair de compartiments mis en communication entre eux deux par deux pour la veine de gaz par I' in- termédiaire de l'entrefer entre le rotor et le stator, le premier compartiment de cheque paire de compartiments étant destiné à lten- trée de la veine de gaz dans les canaux du noyau et le second compartiment étant destiné à la sortie de la veine de gaz des canaux radiaux du noyau sous l'effet des ventilateurs, ce qui assure le refroidissement par gaz de la zone active et de la zone des connexions d'extrémité, caractérisé en ce que l'entrée des réfrigérants de gaz est mise en communication directe avec la sortie des ventilateurs, la sortie des réfrigérants de gaz est mise en communication avec le premier compartiment de chaque paire de compartiments et 1' entrée de chaque ventilateur est mise en communication avec la sortie du second compartiment de chaque paire de compartiments par l'intermédiaire de la zone des connexions d'extrémité de l'enroulement du stator. L'alternateur synchrone à pales non saillants suivant l'inven- tion est doué d'une fiabilité accrue et présente en outre un avantage notable, consistant en ce que son poids et son encombrement peuvent être diminués pour un niveau prédéterminé de températures admissibles dans sa zone active. Ceci est obtenu grâce à l'accroissement de l'efficacité du refroidissement par le gaz, résultant du fait que le refroidissement de la zone active est assuré par le gaz venant directement des réfrigérants de gaz et n'ayant donc été soumis à aucun échauffement. On assure ainsi un abaissement de la température des parties actives - noyau du stator et enroulement du rotor - pour un niveau prédéterminé des charges électromagnétiques de l'alternateur; il devient aussi possible d'accroitre lesdites charges pour une température admissible prédéterminée dans la zone active. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples et sur lesquels la Fig. 1 représente en perspective, la: vue schématique d'ensemble d'un alternateur synchrone à pôles non saillants suivant l'invention, sur laquelle des flèches montrent la circulation des veines de gaz de refroidissement; la Fig. 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la Fig. 1; la Fig. 3 est une coupe longitudinale de l'alternateur suivant la ligne III-III de la Fig. 2; la Fig. 4 est une coupe suivant la ligne IV-IV de la Fig. 2. On va examiner un alternateur synchrone à pales non saillants sur un exemple de turbo-alternateur dont le rotor et le noyau du stator sont refroidis par hydrogène. Un tel turbo-alternateur est représenté partiellement à la Fig. 1 (l'autre partie de l'alternateur est symétrique à celle représentée). A chacune des extrémités du rotor 1 est monté un ventilateur 2, à l'entrée duquel il y a une zone de dépression et à la sortie duquel il y a une zone de surpression. L'entrée de la veine de gaz dans le ventilateur 2 est montrée par une floche 3 et la sortie de la veine de gaz du ventilateur 2 est montrée par une flèche 4. Le noyau 7 du stator, entourant le rotor 1, se compose de paquets 8 de tôles ayant des canaux de ventilation radiaux 9. Le noyau 7 est séparé du rotor 1 par un entrefer 10, obturé aux extrémités du rotor 1 par des cloisons annulaires 11, ne permettant pas le passage direct de la veine de gaz de l'entrefer 10 à la zone de dépression du ventilateur 2. L'enceinte entre la carcasse 5 du stator et la surface extérieure du noyau 7 du stator (Fig. 2) est partagée en un nombre pair de compartiments 12 et t3 à l'aide de cloisons radiales 14i Dans 1' exemple concret considéré, le nombre de ces compartiments est de quatre: deux compartiments 12 et deux compartiments 13. Xes compartiments 13 sont les compartiments d'aspiration. Pour la circulation du gaz ils sont mis en communication avec les zones de dépression des ventilateurs 2 (Fig. 1). Les compartiments 12 (Fig. 2) sont des compartiments de refoulement. Ils sont mis directement en communication avec la sortie des réfrigérants de gaz 6 (Fig. 1). La Fig. 3 représente la coupe de l'alternateur suivant un compartiment 12, faisant apparaître que le compartiment 12 situé entre la carcasse 5 et la surface extérieure 7 est en communication suivant la veine de gaz avec la sortie des réfrigérants de gaz 6, montrés en coupe. La Fig. 4 représente la coupe de l'alternateur suivant le compartiment 13, faisant apparattre que (flèche 3) le compartiment 13 situé entre la carcasse 5 du stator et la surface extérieure du fer 7 est en communication suivant la veine de gaz avec la zone d'entrée en dépression du ventilateur 2, montré en coupe. Pour empêcher le passage direct de gaz d'un compartiment 12 (Fig. 2) à un compartiment 13 dans la zone d'extrémité (dans la zone des connexions d'extrémité 15 (Fig. 3) de l'enroulement du stator), il est prévu des cloisons d'extrémité 16, qui prolongent les compartiments 13 (Fig. 2) au-delà de la zone active de l'alternateur. Ces cloisons 16 (Fig. 3) interdisent l'entrée dans les compartiments 12 du gaz réchauffé dans la zone active et allant à l'entrée du ventilateur 2. L'alternateur à pôles non saillants synchrone suivant l'invention fonctionne de la façon suivante. Quand le rotor 1 et les ventilateurs 2 tournent, sous l'effet des ventilateurs 2 le gaz chauffé par les pertes dans la zone active est aspiré dans les zones d'extrémité du stator (flèche 3, Fig. 1) et refoulé dans les réfrigérants de gaz 6 (flèche 4). Le gaz refroidi jusqu'à une température prédéterminée requise, dans les réfrigérants 6 (Fig. 7) en sort pour aller directement aux compartiments 12 entre la carcasse 5 du stator et la surface extérieure du noyau 7, comme montré par la flèche t7. Ensuite, le gaz de refroidissement parcourt les canaux radiaux 9, en extrayant la chaleur des paquets de tôles 8 du noyau 7 du stator, et passe par l'entrefer 10 entre le rotor 1 et le noyau 7 (Fig. 2) du stator. Dans l'entrefer 10, dans le secteur du compartiment 12 le gaz de refroidissement se déplace dans la direction tangentielle, comme montré par la flèche 18, et extrait la chaleur du rotor 1. En circulant sous l'effet du mouvement du rotor 1, la veine de gaz arrive dans le secteur du compartiment 13 voisin, passe dans ce compartiment en parcourant les canaux radiaux 9 entre les paquets de tale 8 du noyau 7 où elle refroidit celui-ci. La veine de gaz parcourt le compartiment 13 entre la surface extérieure du noyau 7 et la carcasse 5 du stator, puis, suivant la flèche 3 (Fig. 4), elle va à la zone des connexions d'extrémité 15 de l'enroulement du stator, refroidit cette zone et revient à la zone d'entrée de dépression du ventilateur 2. La veine de gaz est alors de nouveau refoulée dans les réfrigérants de gaz 6 (Fig. 4, Fig. 1) et le cycle de refroidissement de la zone active de l'alternateur se répète. Le rotor 1 est en outre refroidi par le gaz grâce à un système connu d'auto-ventilation obtenue à l'aide de prises de gaz. Une telle admission directe aux compartiments 12 (Fig. 2) du gaz froid sortant des réfrigérants de gaz 6 avec aspiration simultanée du gaz chaud dans les compartiments d'aspiration 13 à travers la zone d'extrémité supprime l'influence du chauffage du gaz dans la zone d'extrémité et dans les ventilateurs 2 sur la température du rotor 1 et du noyau 7 du stator. Dans un alternateur synchrone à pôles non saillants doté d'un tel circuit de refroidissement par gaz, on obtient les conditions les plus favorables de refroidissement de la zone active, telles que le niveau de la température du rotor 1 et du noyau 7 du stator est minimal et sa distribution est uniforme suivant la longueur de l'alternateur. En outre, un tel refroidissement accroit la fiabilité de l'alternateur et permet, pour une température admissible prédéterminée, de diminuer le poids et l'encombrement de l'alternateur, ou bien, si cela est nécessaire, d'accroitre les charges électromagnétiques. L'alternateur à pôles non saillants suivant l'invention peut être efficacement utilisé à grande échelle dans les installations industrielles de production d'énergie. Revendication Alternateur synchrone à pôles non saillants, comprenant un rotor avec des ventilateurs sur son arbre ayant des zones de dépression à l'entrée et des zones de surpression à la sortie et un stator constitué par une carcasse dans laquelle sont logés des réfrigérants de gaz, par un noyau avec des canaux radiaux qui entoure le rotor et par un enroulement statorique avec des connexions d'extrémité fixées aux faces d'extrémité du noyau, dans lequel, en ce qui concerne la veine de gaz, l'entrefer entre le rotor et le noyau du stator est séparé des zones de dépression des ventilateurs par des cloisons annulaires placées à proximité des extrémités du noyau et l'enceinte entre la carcasse et la surface extérieure du noyau du stator est partagee par des cloisons radiales en un nombre pair de compartiments mis en communication entre eux, pour la veine de gaz, par l'intermédiaire de l'entrefer, le premier compartiment de chaque paire de compartiments étant destiné à l'entrée de la veine de gaz dans les canaux du noyau et le second compartiment étant destiné à la sortie de la veine de gaz de ces canaux sous l'effet des ventilateurs, ce qui assure le refroidissement par le gaz de la zone active et de la zone des connexions d'extrémité, caractérisé en ce que l'entrée de gaz des réfrigérants de gaz est mise en communication directe avec la sortie des ventilateurs, la sortie gaz des réfrigérants de gaz est mise en communication avec le premier compartiment de chaque paire de compartiments et l'entrée de chaque ventilateur est mise en communication avec la sortie du second compartiment de chaque paire de compartiments par l'intermédiaire de la zone des connexions d'extrémité de l'enroulement du stator.