Brevet FR2372539A1 — publié le 19780623

La présente invention concerne les machines électri que s, notamment les machines électriques à refroidissement cryogé nique. L'invention est applicable aux machines électriques telles que les moteurs, générateurs, convertisseurs utilisées dans les centrales atomiques, thermiques et autres ainsi que dans les moyens de transport et dans l'aviation. L'invention peut être large ment utilisée sur les installations électriques embarquées à bord d'engins spéciaux. Il peut être avantageux de l'employer dans d'au tres dispositifs où l'on utilise le phénomène de la supraconductivi té afin de protéger le supraconducteur contre les effets de champs magnétiques variables dans le temps. Comme on le sait les machines électriques à refroidis sement cryogénique réalisées selon un schéma classique comprekaent un enroulement d'excitation supraconducteur fixé dans un rotor creux et mobile placé dans un corps calorifuge étanche à l'intérieur du quel est maintenu un vide protecteur0 L'enroulement d'excitation supraconducteur est équipé d'un système de refroidissement cryogéni que.La zone inférieure de l'enroulement d'excitation supraconducteur doit être calorifugée: il faut 10 protéger tant contre les échanges de chaleur convectif et par rayonnement que contre l'effet de la distribution variable du champs magnétique, du cbté de l'enroulement de l'induit, causée par les composantes harmoniques supérieures et subharmoniques du champ magnétique qui induisent dans l'enroulement d'excitation supraconducteur un courant alternatif à une fréquence élevée dont la valeur est au moins six fois supérieure à celle de la fr4quence nominale. Celà engendre des pertes supplémentaires dans l'enroulement supraconducteur. D'autres supraconducteurs d'un deuxième type tout en tolérant des inductions importantes, se caractérisent par des pertes relativement grandes en courant alternatif. Les données concernant ces pertes sont contradictoires. Même en admettant que ces pertes sont des dizaines de milliers de fois plus petites que celles observées à une température normale, on doit constater que, dans ces con ditions, les pertes de puissance dans le système de refroidissement cryogénique seront importantes. Pour réduire la composante convective de la chaleur, on a recours à un isolement par le vide réalisé, en règle générale, sous forme de Jeux annulaires sous vide, et pour réduire la composante rayonnant on installe des écrans thermiques dans ces jeux annulai res sous vide. Afin de protéger l'enroulement d'excitation supraconducteur de la distribution variable du flux magnétique on installe un écran magnétique réalisé en un matériau ayant une bonne conductibilité électrique et calorifique ou bien en un matériau possédant les propriétés d'un supraconducteur. On connatt une machine électrique à refroidissement cryogénique comprenant un enroulement d'excitation supraconducteur monté dans un rotor creux entouré d'un écran magnétique réfrigéré exécuté en un matériau superconducteur. L'écran magnétique de la machine en question est constitué par de longs fils supraconducteurs placés dans une gaine réalisée en un matériau ayant une bonne conductibilité calorifique. L'écran est placé directement sur la face extérieure du rotor et refroidi grâce au fait qu'il est lié par sa conductibilité thermique à l'enroulement supraconducteur du rotor. Uhe telle implantation de l'écran est peu efficace car toute la chaleur qui y est engendrée par les champs magnétiques variable se dégage à proximité immédiate de l'enroulement supraconducteur. Celà aboutit à des pertes supplémentaires de l'agent frigorifique, et la puissance nécessaire pour compenser cette chaleur peut atteindre une valeur relativement importante. L'invention vise à réaliser une machine électrique de conception nouvelle et notamment à réaliser des écrans magnétiques destinés à accroc'ce l'efficacité de l'isolation thermique de l'enroulement d'excitation au moyen d'une protection thermique qui soit engendrée par l'interaction des champs magnétiques alternatifs, A cet effet, la présente invention a pour objet une machine électrique à refroidissement cryogénique comprenant un enroulement d'excitation supraconducteur logé dans un rotor creux qui est entouré par un écran thermique et par un écran magnétique refroidi, caractérisé en ce que 11 écran magnétique est placé à l'intérieur de l'écran thermique et en ce que, pour son refroidis- sement, il est prévu des canaux pour la circulation de l'agent frigorifique pratiqués dans l'écran thermique, les écrans thermique et magnétique étant logés dans une cavité sous vide ménagée entre le rotor et un corps étanche. Une telle réalisation de la machine électrique permet de protéger l'enroulement d'excitation contre la chaleur produite dans 1' écran magnétique et, par conséquent, de réduire la la consommation de l'agent frigorifique et, par cela même, augmenter le rendement de la machine électrique. Il est avantageux de réaliser l'écran thermique sous forme de deux cylindres coaxiaux au moins, de placer l'écran magnétique entre ces cylindres et de le coupler rigidement à ces derniers, et de pratiquer les canaux pour la circulation de l'agent frigorifique suivant une ligne en spirale dans les surfaces conjuguées de l'écran magnétique et des cylindres. Dans le but de faciliter la fabrication de la machine électrique, il est avantageux de relier rigidement les surfaces extérieure et intérieure de 1' écran magnétique et de l'écran thermique à l'aide d'un filetage présentant des jeux prévus pour la circulation de l'agent frigorifique. Pour amener et évacuer l'agent frigorifique, il est avantageux de faire communiquer également les canaux de circulation de l'agent frigorifique avec au moins deux chambres circulaires planes coaxiales à l'écran thermique et adjacentes à au moins l'une des faces d'extrémité de l'écran thermique. Afin d'augmenter la vitesse de circulation de l'agent frigorifique dans les canaux, il est souhaitable de placer dans la chambre circulaire plane d'amenée de l'agent frigorifique des moyens pour refouler l'agent frigorifique dans les canaux de circulation de l'agent frigorifique et de loger, dans la chambre d' éva- cuation de l'agent frigorifique, des moyens pour aspirer l'agent frigorifique hors des canaux afin d'obtenir une différence de pression de l'agent frigorifique en circulation. Pour assurer le refoulement de l'agent frigorifique sans chocs et pour refroidir régulièrement les surfaces d 'extrémi te de la chambre circulaire plane d'amenée de l'agent frigorifique, les moyens de refoulement peuvent être réalisés sous la forme d'aubes fixées rigidement aux surfaces d'extrémité des chambres circulaires planes. Dans le but d'assurer l'évacuation sans chocs de l'agent frigorifique hors des canaux de circulation, les moyens d'asspiration peuvent être réalisés sous la forme d'une lame en spirale fixée rigidement dans la chambre circulaire du côté de ses surfaces d'extrémité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation illustré par les dessins annexés sur lesquels: - la Sig. 1 est une vue d'ensemble en coupe longitudinale d'une machine électrique à refroidissement cryogénique suivant l'invention; - la Fig. 2 est une vue à plus grande echelle du détail Â de la Figo 1 - la ig. 3 est une vue en coupe partielle d'une variante de réalisation des écrans magnétique et thermique à chambres circulaires planes; - la Figo 4 est une vue en coupe transversale d'une chambre circulaire plane d'amenée de l'agent frigorifique; et - la Fig. 5 est une vue en coupe transversale d'une chambre circulaire plane d'évacuation de l'agent frigorifique. En se reportant aux Fig., la machine électrique à refroidissement cryogénique comprend un rotor creux 1 (Fig. 1) dont l'arbre 2 repose dans des paliers 3 placés dans les plateaux d'extrémité 4 d'un corps étanche 5 qui porte intérieurement un enroulement statorique 6. L'espace ménagé entre le rotor 1 et le corps 5 est maintenu sous vide pour assurer l'isolement thermique du rotor t. Pour maintenir le vide, des - joints tournants à vide 7 sont prévus dans les plateaux d'extrémité 4, Le rotor creux 1 est constitué par un cylindre amagnétique 8 à l'intérieur duquel un enroulement d'excitation supraconducteur 9 est fixé au moyen d'un composé epoxyde. L'enroulement d'excitation 9 est fait d'un matériau supraconducteur,- par exemple nobium d'étain NbSn.Il peut être réalisé à partir d'autres matériaux d'une bonne conductibilité tels que le nobium-zirconium ou le nobium-titane. L'espace entre le corps 5 et le cylindre amagnétique 8 est occupé par un écran thermique en acier amagnétique réalisé sous la forme de deux cylindres 10, Il coaxiaux entre lesquels est placé un écran magnétique 12. Ce dernier est fabriqué à partir dtun matériau supraconducteur, par exemple du Nb3Sn, et d'un matériau ayant une bonne conductibilité électrique, par exemple du cuivre ou de l'aluminium. Le matériau supraconducteur peut titre déposé par pulvérisation sur la surface du matériau de bonne conductibilité électrique L'écran magnétique 12 peut également Btre réalisé sous forme de fils supraconducteurs placés dans le matériau bon conducteur de l'électricité. L'enroulement d'e citation 9 9 est refroidi jusqu'à l'état supraconducteur au moyen d'un agent frigorifique 13 remplissant la cavité du cylindre amagnétique 8. L'hélium liquide peut Qtre utilisé en tant qu'agent frigorifique. Pour amener l'agent frigorifique 13 à l'enroulement d'excitation 9, il a été pratiqué dans l'arbre 2 du rotor 1 un canal axial dans lequel est placé une conduite 14. les extrémités de l'écran thermique sont associées à deux chambres circulaires planes 15 prévues pour amener l'agent frigorifique 13. Deux chamt5. bres circulaires planes 16 prévues pour l'évacuation de l'agent frigorifique 13 sont disposées coaxialement avec les chambres 15. Les chambres 15, 16 adjacentes à l'une des extrémités de l'écran thermique sont délimitées par les parois d'extrémité des cylindres coaxiaux extérieur et intérieur 10,11 de l'écran thermique et une cloison creuse 17. Dams l'écran magnétique 12, à égale distance des extrémités, sont pratiqués des orifices 18 prévus pour le retour de l'agent frigorique t3. Les Chambres d'évacuation 16 de l'agent frigorifique 13 communiquent avec des canaux 19 dtévacua- tion de l'agent frigorifique 13 formés dans l'arbre du rotor 1. l'écran magnétique 12 est refroidi par l'agent frigorifique 13 évacué de Ila cavité du cylindre amagnétique 8 et circulant dans des canaux 20 (six. 2) ménagés entre les surfaces conjuguées de l'écran magnétique 12 et des cylindres 1D, 1t. Les canaux 20 sont disposés en hélice Suivant l'exemple représenté à la figure 2, les canaux de circulation 20 de l'agent frigorifique 13 sont constitués par les jeux du filetage non-plein par l'intermédiaire duquel l'écran magnétique!12 est relié aux cylindres extérieur et intérieur 10, il de l'écran thermique. il est avantageux de réaliser un filetage à plusieurs filets pour augmenter la surface d'échange thermique. Le filetage reliant les cylindres aux extrémités opposées et aux orifices 18 est de sens opposé. La Fig. 3 représente une variante de connexion de l'écran magnétique aux cylindres extérieur et intérieur 23, 24 de l'écran thermique. L'écran magnétique 12 est réalisé sous forme d'un cylindre en cuivre 22 sur les surfaces extérieure et intérieure duquel est déposé par pulvérisation le matériau supraconducteur Nb3Rn. Les cylindres 23, 24 et l'écran magnétique 22 sont assemblés par emmanchement à la presse. les canaux 25 de circulation de l'agent frigori:2ique 13, réalisai dans les surfaces c4Juguées de l'écran magnétique et des cylindres 23, 24, sont disposés en hélice et présentent un profil rectangulaire. La chambre circulaire plane 15 d'amenée de agent frigorifique 13 comprend des aubes centrifuges 26 (Fig. 4) fixées rigidement sur les faces d'extrémité de la chambre 15. La chambre circulaire plane d'évacuation 16 de 1' a- gent frigorifique 13 est dotée d'une cloison réalisée sous la forme d'une lame 27 (Fig. 5) en spirale et fixée rigidement sur les faces d'extrémité de la chambre 16. L'hélium liquide utilisé comme agent frigorifique passe par la conduite 14, arrive à l'enroulement d'excitation supraconducteur 9, le refroidit, et est évacué vers les chambres 15 situées des deux cités de l'écran magnétique 12. Lors de la rotation du rotor 1, l'hélium qui se vaporise, pénètre dans les chambres circulaires planes 15 et s'écoule du centre vers la périphérie en refroidissant les parois des chambres 15. Pendant la rotation, les aubes 26 entrassent l'agent frigorifique 13 en lui communiquant une vitesse circulaire et l'action des forces centrifuges sur l'agent frigorifique 13 assure l'aspiration complémentaire de ce dernier hors de la cavité du cylindre amagnétique 8 et son refoulement dans les canaux 20. L'agent frigorifique 13 circule alors dans les canaux hélicordaux 20 réalisés dans le cylindre intérieur il de l'écran thermique. Ensuite, il pénètre parles orifices IS dans les canaux 20 du cylindre exté- rieur 10. En passant dans les canaux hélicoTdaux 20, l'agent fri gorifique 13, conservant sa composante rotative de vitesse, pénètre en douceur dans les chambres planes 16 dans lesquelles la lame 27 fait fonction de moyen d'aspiration de l'agent frigorifique 19 afin de créer une différence de pression dans l'agent frigorifique en mouvement. Ensuite, l'agent frigorifique 13 passe par les canaux d'évacuation 19, refroidit les faces dlextremité des chambres 16, et est évacué du rotor de la machine électrique. Une telle forme de réalisation de la machine électrique permet d'évacuer la chaleur engendrée dans l'écran magnétique par les champs magnétiques variables. En outre, une telle construction permet d'augmenter l'efficacité de la protection thermique de l'enroulement d'excita tion supraconducteur par le fait que la possibilité de pénétra- tion de la chaleur par les extrémités de la machine est diminuée grâce aux chambres circulaires planes. R V E D I C A T I O N S 1 - Machine électrique à refroidissement cryogénique comprenant un enroulement d'excitation supraconducteur logé dans un rotor creux qui est entouré par un écran magnétique refroidi et un écran thermique, caractérisée en ce que l'écran magnétique est placé à l'intérieur de l'écran thermique et en ce que des canaux pour la circulation de 1' agent frigorifique prévus pour le refroidissement de l'écran magnétique sont ménagés dans l'écran thermique les écrans magnétique et thermique étant placés dans une cavité sous vide formée entre le rotor et un corps étanche. 2 - Machine électrique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'écran thermique est constitué par au moins deux cylindres coaxiaux, l'écran magnétique étant placé entre ces cylindres et relié rigidement à ces derniers, et les canaux de circulation de l'agent frigorifique passant par les surfaces conjuguées de l'écran magnétique et des cylindres et étant disposés en hélice. 3 - Machine électrique suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les surfaces extérieure et intérieure de l'écran magnétique sont liées rigidement à I1 écran thermique au moyen d'un filetage présentant des jeux prévus pour la circulation de- l'agent frigorifique. 4 - Machine électrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les canaux de circulation de l'agent frigorifique communiquent avec au moins deux chambres circulaires planes d d'amenée et d'évacuation de l'agent frigorifique montées coaxialement à l'écran thermique et adjacentes à au moins une faoe d'extrémité de celui-ci. 5 - Machine électrique suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la chambre circulaire plane d'amenée de l'agent frigorifique comporte des moyens pour refouler l'agent frigorifique dans les canaux de circulation et en ce que la chambre d'évacuation de l'agent frigorifique comporte des moyens pour aspirer l'agent frigorifique des canaux afin de créer une différence de pression dans l'agent frigorifique en circulation. 6 - Machine électrique suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de refoulement de l'agent frigo rifique sont réalisés sous la forme d'aubes fixées rigidement aux faces d'extrémité de la chambre. 7 - Machine électrique suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens d'aspiration de lfagent frigori fique sont réalisés sous la forme d'une lame enroulée en spirale et fixée rigidement dans la chambre circulaire du côté des surfaces d1 extrémité.