Brevet FR2377725A1 — publié le 19780811

La présente invention concerne les machines électriques et notamment les dispositifs de connexion électrique de l'enroulement rotorique d'une machine électrique synchrone avec son excitatrice. La présente invention est appliquée dans le domaine de la construction electromdcanique pour la connexion électrique de l'enroulement rotorique d'une machine électrique synchrone avec son excitatrice. Actuellement, les puissances des systèmes comprenant une machine électrique synchrone proprement dite et une excitatrice fournissant le courant électrique pour l'excitation de cette machine ont augmenté considérablement et atteignent I200 à I300 MW. Selon les projets, ces puissances peuvent atteindre I600 à 2000 MW. Plus grandes sont les puissances des machines électriques, plus forts deviennent les courants d'excitation passant par la partie tournante du système depuis l'excitatrice vers la machine électrique. Pour le transfert de tels courants de l'excitatrice à la machine électrique il est indispensable de créer des dispositifs de contact très fiables résistant à des vibrations et à des charges centrifuges élevées. On connait un dispositif de connexion électrique de l'enroulement d'une machine électrique synchrone avec son excitatrice comprenant des conducteurs disposés dans des orifices axiaux de l'arbre de rotor de la machine électrique synchrone et de l'arbre de l'excitatrice et réalisé sous forme des tiges conductrices de courant, et des disques annulaires souples conducteurs de courant isolésepar rapport à l'arbre. Les tiges conductrices de courant, distosêesdans les orifices axiaux de l'arbre de rotor de la machine synchrone et de l'arbre de l'excitatrice, sont reliées à la sortie des orifices avec des barres disques souples qui sont, à leur tour, vissées aux disques conducteurs de courant préci tbs. Un tel dispositif est de construction compliquée.En outre, les barres souples ne sont pas pratégées contre l'action des forces centrifuges, ce qui compromet la fiabilité mécanique de la construction. On connaît aussi un dispositif de connexion électrique des fils conducteurs de rotor d'une machine électrique et de celui de son excitatrice, réalisé sous forme de barres, aboutissant radialement dans la zone de demi-manchons conjugués et reliés à l'aide de boulons engagés dans des orifices ménagés dans les brides de demi-manchons. que Etant donn8 ies surfaces électriquement conjuguées du présent dispositif aboutissent à la zone des brides de demi-manchons, la superficie de la bride utilisdevpour sa destination directe, à savoir pour la transmission du couple moteur, se réduit. Mais lorsque les courants d'excitation sont forts, les sur face s conjuguées électriquement doivent être grandes; de ce fait, il convient d'augmenter sensiblement les cotes d'encombrement de la bride. En outre, le dispositif à barres conductrices de courant et leur isolation par rapport à l'arbre deviennent bien compliqués du fait que les barres de puissance pliées à angle droit par rapport à l'axe de rotation de la machine sont soumises à des charges centrifuges considérables engendrées par la rotation de l'arbre. On connatt aussi un dispositif de connexion électromécanique appliqué, dans la majorité des cas, aux machines électriques dont les enroulements rotoriques sont reliés par des contacts de raccordements. La particularité caractéristique d'une telle construction réside dans le fait qu'elle comporte un nombre trop grand de pièces et est compliquée dans une certaine mesure, par suite d'un grand nombre de contacts électriques. On connatt un dispositif à contacts d'une machine électrique synchrone conçu pour la connexion électrique de l'enroulement rotorique de la machine synchrone avec son excitatrice. Les parties à relier des sorties des enroulements rotoriques de la machine synchrone et de l'excitatrice débouchent hors d'orifices centraux des arbres, s sont pliées à angle droit et sont tournées coniques tandis qu'entre elles est monté un coin élastique conducteur de courant dans lequel est pratiquée une fente longitudinale. La construction indiquée plus haut possède deux contacts de liaison inter mEdi,aires (d'une nême polarité) ce qui rend moins fiable la connexion électrique. Dans ce cas, d'après la technologie de fabrication utilisée, on prévoit un ajustage soigneux (d'une même polarité) de quatre surfaces de contact à assembler qu'on a usinées coniques ces qui est assez compliqué. De plus, le montage nécessite d'utiliser un dispositif spécial servant à bloquer le coin au moment de la jonction des arbres de la génératrice et de ltexcitatrice. Le but de l'invention consiste à supprimer les inconvénients précités. On s'est posé le problème de rendre plus simple la technique de fabrication et de montage du dispositif et de rendre plus fiable la connexion électrique en réduisant le nombre de contacts de liaison intermédiaires et en améliorant l'orientation des surfaces établissant le contact électrique. L'invention a donc pour objet un dispositif de connexion électrique de l'enroulement rotorique d'une machine électrique synchrone avec son excitatrice, comprenant au moins deux paires de conducteurs réalisés sous forme de tiges conductrices de courant, dont une paire s'étend de l'enroulement rotorique de la machine électrique synchrone vers l'excitatrice, les tiges conductrices de courant étant pliées à angle droit de façon à former des surfaces de contact en forme deplaques, tandis que l'autre paire de tiges conductrices de courant s'étend de l'excitatrice vers le rotor de la machine électrique synchrone, le dispositif comprenant également deux coins conducteurs de courant établissant le contact avec les tiges conductrices de courant pliées, et étant caractérisé en ce qu'il comporte deux barres souples, reliant les coins conducteurs de courant avec l'autre paire de tiges conductrices de courant et deux disques iso lange sur chacun deaquels prend appui le coin conducteur de courant correspondant, du c8té de sa connexion, avec chacune de ces barres souples. I1 est avantageux que la surface d'appui de chaque coin conducteur de courant, du c8té de sa connexion avec la barre souple, et que chaque disque isolant sur lequel s'appuie cette surface d'appui du coin conducteur de courant, soient situés perpendiculairement à l'axe de rotation des rotors. I1 est avantageux aussi que chaque barre souple soit reliée avec la partie du coin conducteur de courant correspondant qui prend appui sur le disque isolant appliqué contre la face d'extrêmité du rotor. Conformément à l'objectif proposé, il est possible que chaque barre souple soit reliée à la partie du coin conducteur de courant correspondant qui se trouve en contact avec le conducteur plié à angle droit. Il: est surtout avantageux que la surface d'appui du coin conducteur de cou rant, du cOté de aa connexion avec la barre souple, soit réalisé en forme de sphère convexe, L'invention permet d'établir un contact électrique parfait entre les condocteurs des rotors de la machine électrique synchrone et de l'excitatrice, réalisés sous forme des tiges conductrices de courant. Une haute fiabilité du contact électrique est assurée, selon l'invention, par la pose automatique des surfaces de contact, l'une par rapport de l'autre, et par l'utilisation des forces centrifuges pour la création de la pression de contact. D'autres caractéristiques de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et sur lesquels: la Fig, 1 représente, en coupe longitudinale, un premier mode du dispositif de connexion suivant l'invention; la Fig. 2 représente en coupe longitudinale un deuxième mode de réalisation du dispositif suivant l'invention; la Fig. 3 montre en coupe longitudinale un troisième mode de réalisation du dispositif, suivant l'invention; la Fig. 4 est une vue du côté de la face du rotor d'excitatrice, suivant l'invention. Sur l'arbre 1 (Fig. 1) de la machine électrique synchrone est fixé un demi- manchon 2 qui est accouplé à l'aide de boulons 3 avec un demi-manchon 4, fixé sur l'arbre 5 de l'exitatrice. Dans un orifice axial de l'arbre 1 de la machine électrique synchrone (non représentée) passent deux conducteurs en forme de tiges conductrices de courant 6 et 6', venant de l'enroulement rotorique de machine électrique synchrone et, de façon analogue, dans un orifice axial de l'arbre 5 de l'excitatrice passent aussi deux conducteurs en forme de tiges conductrices de courant 7 et 7' venant de l'excitatrice (non représentée). Les tiges conductrices de courant 6 et 6', 7 et 7' sont prolongées jusqu'à l'extr8- mité de leur arbre 1 et 5 respectivement. A I'extrêmité de l'arbre 1 les tiges conductrices de courant 6 et 6' sont pliées à angle droit pour former les plaques 8 et 8' qui sont usinées de façon à former un cône. Les plaques 8 et 8' sont isolées de l'arbre 1 de machine synchrone et du demi-manchon 2, au moyen de disques de forme 9 et 9', fabriqués à partir d'une matière isolante (par exemple, en stratifié verre-résine) de façon qu'ils entourent les plaques 8 et 8'. La connexion de l'enroulement rotorique de machine synchrone avec l'excitatrice est réalisée par des coins conducteurs de courant élastiques IO et IO', fabriqués, par exemple, en cuivre à usage électrotechnique ou en laiton, ces coins étant, d'une part, en contact avec la surface conique des plaques 8 et 8' et, d'autre part, rendus solidaires (par exemple, assemblage par soudage, par brasage, par rivetage, etc.), au moyen des barres souples 11 et 11', avec les tiges conductrices de courant 7 et 7' en des points ou ces dernières débouchent de l'orifice axial de l'arbre 5 de l'excitatrice. Pour donner de la souplesse, les barres 11 et 11' sont incurvées en arc, assemblées en paquet, par exemple, de feuilles de cuivre (d'une épaisseur de 0,3 à 0,5 mm), les barres 11 et ll' étant d'une élasticité telle qu'il est possible d'obtenir un blocage fiable sur des coins conducteurs de;courant IO et IO' sans faire appel à des dispositifs de verrouillage quelconques; en mbme temps, lors de la rotation, les barres souples 11 et 11' n'empêchent pas le déplacement radial des coins conducteurs de courant IO et IO'. En vue d'assurer l'élasticité des coins conducteurs de courant IO et IO', on a pratiqué dans chacun d'eux une fente longitudinale I2 et I2'. Les coins conducteurs de courant IO et IO' sont isolés de l'arbre 5 de l'excitatrice et du demi-manchon 4 et s'appuient sur des disques I3 et I3' réalisés en une me- tière isolante (par exemple, en stratifié verre-résine). La surface d'appui de chacun des coins conducteurs de courant IO et IO' et des disques I3 et I3' est située perpendiculairement à l'axe de rotation des arbres I et 5 de la machine synchrone et de l'excitatrice respectivement. L'angle formé par la surface conique de chacun des coins conducteurs de courant IO et IO' et leurs surfaces d'appui est choisi légèrement supérieur à l'angle formé par la surface conique des plaques 8 et 8' et les surfaces d'appui des disques I3 et I3' respectivement. Les contours des coins conducteurs de courant IO et IO' sont montrés dans cette position par une ligne discontinue. La barre souple 11 est raccordée avec la partie du coin conducteur de courant qui prend appui sur le disque I3, la section de la partie précitée du coin conducteur de courant étant choisie en fonction de la valeur du courant passant par le rotor de machine synchrone. Tout ce qu'on a dit plus haut se rapporte également à la barre souple ll', au coin conducteur de courant IO' et au disque I3'. Entre les coins conducteurs de courant 10 et IO', diamétralement opposés, on a placé un disque I4 en matièrezaisolante (par exemple, en stratifié verrerésine). Une particularité distinctive du deuxième mode de réalisation du dispositif réside dans le fait que la barre souple 11 (Fig. 2) est reliée à une partie du scoin conducteur de courant IO qui est mise en contact avec la plaque 8 de la tige conductrice de courant 6, la section de la partie précitée du coincànducteurde courant IO pouvant entre choisie indépendamment de la valeur du courant passant par le rotor de la machine synchrone. Tout ce qu'on vient de dire se rapporte également à la barre souple 11', au coin conducteur de courant IO' et à la plaque 8' de la tige conductrice de courant 6'. Une particularité distinctive du troisième mode de réalisation du dispositif réside dans le fait que le coin conducteur de courant IO (Fig. 3) est réalisé plein, c'est-à-dire sans fente longitudinale I2, tandis que la surface d'appui du coin conducteur de courant IO, du côté de sa connexion avec la barre souple 11 est en forme de sphère convexe et exécutée par exemple, en forme de plaque I5 en matière caractérisée par une résistance mécanique élevée (en acier), liée d'une façon rigide au corps du coin conducteur de courant IO, par exemple, à l'aide d'un assemblage de type à queue d'aronde ou bien par un autre procédé connu (par soudage, par brasage, à l'aide d'un assemblage fileté).La surface d'appui du disque I3 est dotée dfune plaque I6, également réalisée en matière d'une résistance mécanique élevée (en acier). La résistance mécanique de la matière de la plaque I6 doit avoir une valeur un peu inférieure à celle de la matière de la plaque 15 du coin conducteur de courant IO pour que la plaque IS ne perde pas, lors de l'application des efforts mécaniques, lors de la rotation du dispositif, sa forme sphérique par suite de déformations plastiques engendrées au point de contact avec la surface d'appui de la plaque I6. Le rayon de courbure de la surface sphérique de la plaque I5 est choisi d'une valeur aussi grande que possible afin d'assurer une surface maximale de contact avec la plaque I6 et la possibilité d'une orientation relative libre des surfaces conjuguées électriquement du coin conducteur de courant IO et de la plaque 8, le centre de pression de la surface de contact précitée se trouvant dans la partie centrale de la surface de contact électrique du coin conducteur de courant IO et de la plaque 8. Tout ce qu'on vient de dire au sujet du-troisième mode de réalisation se rapporte également au coin conducteur de courant 10', à la barre souple 11' et aux plaques 15' et 16'. La fixation des disques de forme 9 et 9' de même que celle des disques I3 et I3' aux arbres 1 et 5 de machine synchrone et de l'excitatrice respectivement est réalisée par des boulons 17 (Fig.4 ). Le dispositif proposé fonctionne de la façon suivante: Lorsque la construction du dispositif de connexion du rotor de l'excitatrice avec le rotor de la machine synchrone est réalisée selon les premier et deuxième modes de réalisation, l'orientation de la surface de contact des coins conducteurs de courant IO et IO' (Fig. 1 et Fig. 2) par rapport à la surface de contact des plaques 8 et 8' est obtenue lors du serrage initial des surfaces établissant le contact, grâce à l'élasticité des coins conducteurs de courant IO et IO'. Lors de la rotation du dispositif, il y a déplacement radial des coins conducteurs de courant IO et IO' sous l'action des forces centrifuges par leur propre poids. L'orientation relative des surfaces établissant le contact des coins conducteurs de courant IO et 10' et des plaques 8 et 8' respectivement reste invariable. En même temps on obtient leur serrage réciproque étroit et uniforme. Lorsque la construction du dispositif de connexion du rotor de l'escita- trice avec le rotor de la machine synchrone est réalisée suivant le troisième mode de réalisation, l'orientation de la surface de contact des coins conducteurs de courant IO et 10' par rapport à la surface de contact des plaques 8 et 8', avec laquelle elle est connectée électriquement est obtenue au moyen d'un raccordement mécanique des surfaces établissant le contact grâce à la déformation élastique des barres souples 11 et 11'. Il est à noter qu'entre les surfaces sphériques des pièces I5 et 15' et les surfaces d'appui des pièces plates I6 et 16' respectivement il y a un jeu d'assemblage (de 2 à 3 mm) qui diminue jusqu'à 0 lors de la rotation du dispositif quand il y a déplacement des coins conducteurs de courant IO et 10' dans le sens radial. Ce déplacement des coins conducteurs de courant IO et 10' se produit sous l'action des forces centrifuges. Chacun des coins conducteurs de courant IO et IO-', grâce à la surface sphérique convexe de la plaque 15 et I5' correspondante a la possibilité de tourner dans n'importe quel sens d'un angle résultant des erreurs d'usinage et de montage du dispositif, par rapport à la surface dteW?pUi plate des ples 16 et 16', respectivEment, de sorte qu'il est possible de conserver invariable une orientation relative strictement déterminée des surfaces établissant le contact électrique des coins conducteurs de courant 10 et 10' et des plaques 8 et 8' respectivement et d'assurer leur serrage étroit et muttxel. Le dispositif proposé peut trouver une large application dans la réalisation de machines électriques synchrones de grande puissance et de vitesse élevée à courants d'excitation élevés et notamment dans les turbogénérateurs ayant une vitesse de rotation de I500 à I800 tr/mn pour des centrales électriques atomiques ainsi qu'une vitesse de rotation de 3000 a 3600 tr/mn pour des centrales électriques atomiques et thermiques. -REVENDICATIONS 1 - Dispositif de connexion électrique de l'enroulement rotorique d'une machine électrique synchrone avec son excitatrice comprenant au moins deux paires de conducteurs réalisés sous forme de tiges conductrices de courant, dont une paire est dirigée de l'enroulement rotorique de la machine électrique synchrone vers l'excitatrice, les tiges conductrices de courant étant pliées à angle droit de façon à former des surfaces de contact en forme de plaques, tandis que l'autre paire de tiges conductrices de courant est dirigée de l'excita- trice vers le rotor de machine électrique synchrone, le dispositif comprenant également deux coins conducteurs de courant établissant le contact avec les tiges conductrices de courant pliées, c a r a c t é r i s é en ce qu'il comporte en outre deux barres souples reliant les coins conducteurs de courant avec l'autre paire de tiges conductrices de courant et deux disques isolants, sur chacun desquels appuie le coin conducteur de courant correspondant, du coté de sa connexion avec chacune de ces barres souples. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que la surface d'appui de chaque coin conducteur de courant, du côté de sa connexion avec la barre souple et chaque disque isolant sur lequel s'appuie cette surface d'appui du coin conducteur de courant sont situés perpendiculairement à l'axe de rotation des rotors. 3 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, c a r a c t é r i s é en ce que chaque barre souple est reliée à une partie du coin conducteur de courant correspondant qui s'appuie sur le disque isolant appliqué contre la facé d'extrèmité de l'arbre de rotor de l'excitatrice. 4 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, c a r a c t é r i s é en ce que chaque barre souple est reliée avec une partie du coin conducteur de courant correspondant qui est en contact avec le conducteur plié à angle droit. 5 - Dispositif suivant la revendication 1, -c a r a c t é r i s é en ce que la surface d'appui du coin conducteur de courant, du coté de sa connexion avec la barre souple, est exécutée en forme de sphère convexe.