Brevet FR2378392A1 — publié le 19780818

La présente invention se rapporte à un enroulement triphasé à deux étages, monté en triangle pour machines électriques, notamment pour machinessupraconductrices, comportant au moins deux groupes de bobines montés en parallèle par phase. Dans la construction des machines électriques, la tension nominale des machines et le volume total de l'isolation sont très importants pour le rendement économique de la machine. On cherche à obtenir une valeur maximale de la tension nominale de la machine pour une valeur minimale du volume d'isolation. Dans le cas d'un enroulement triphasé à deux étages connu utilisé de façon courante dans la construction des grosses machines électriques, que l'on appellera dans la suite, enroulement classique, les barreaux conducteurs sont superposés radialement dans des rainures du fer du stator en deux couches. Les enroulements des trois phases sont montés en étoile ou en triangle., les groupes de bobines (il y en a au moins deux) étant montés en parallèle ou en série dans chaque phase. Dans de tels enroulements, il apparat une tension relativement élevée entre les barres conductrices et le fer, ainsi qu'entre des barres conductrices superposées ou contiguës appartenant à la même phase ou à des phases différentes, et entre des conducteurs voisins d'un étage (d'une couche) de la tête d'enroulement aux transitions de phases. Dans le cas d'un montage en triangle à deux groupes de bobines montés en parallèle par phase, par exemple, la tension aux "transitions de phases est égale à la tension totale entre phases. Les indications ci-dessus s'appliquent également en très grande partie aux enroulements d'entrefer dans lesquels les barres conductrices sont logées dans un cylindre isolant.Par suite, il faut isoler tous les conducteurs concernés de cette haute tension, ce qui représente un inconvénient considérable en particulier pour les très grosses machines classiques et les machines supraconductrices, car dans leur cas, les conditions d'encombrement et isolation deviennent d'une importance inadmissible en raison des hautes tensions qui apparaissent. Dans un autre agencement d'enroulement connu décrit dans le brevet US. NO 3.743.875, qui convient particulièrement pour les machines supraconductrices, mais peut aussi s'appliquer aux machi nes classiques, le volume de l'isolation est réduit par des artifices de construction et de montage particuliers. Le stator de la machine électrique en question comporte une partie active centrale de diame.tre extérieur réduit dans laquelle les barres conductrices sont disposées en direction axiale an deux couches superposées. On prévoit à chacune des deux extrémités de la partie active une section de plus grand diamètre extérieur où les sections terminales des barres conductrices sont réparties-en quatre couches radialement superposées.Les sections terminales des barres conductrices de chaque couche sont courbées hélicoldalement sur 90 degrés électriques au total, les directions de courbure de deux couches superposées se croisant, pour que l'on puisse réaliser les connexions séries nécessaires. Les sections terminales contiguës des barres conductrices sont isolées mutuellement pour une tension pouvant atteindre quatre fois la tension par spire. En outre, des cylindres isolants sont placés dans les deux sections terminales du stator entre les quatre couches superposées, cylindres qui doivent résister à une tension considérablement supérieure, car dans ce cas, toute la tension composée apparaît entre les conducteurs qui se croisent. L'agencement est en somme compliqué et coûteux, techniquement et financièrement. On connaît, par la demande de brevet allemand publiée avant examen DOS 2.518.786, un enroulement hexaphasé qui comprend deux enroulements triphasés partiels décalés mutuellement de 30Q (électriques), dont les zones de phase exigent 30 chacune. Les deux enroulements partiels comprenant des bobines non croisées courantes sont, dans ce cas, bobinées en sens inverse et placées dans le stator, les quatre bornes se trouvant sur des côtés différents. Cela limite la tension aux transitions de phase à 52 % de la tension entre phases de lenroulement triphasé courant équivalent, consti- tué par un montage série des deux enroulements partiels. L'inconvénient principal de cette solution consiste en ce qu'elle exige des connexions d'enroulements des deux côtés du stator, avec six dérivations pour chacun, ainsi qu'un enroulement de transformateur supplémentaire. Une autre possibilité de réduction de la tension par rapport à la masse et aux transitions de phase est indiquée dans le brevet US. N 2.745.029. Dans ce cas, les centres respectifs d'au moins une branche parallèle de chacune des trois phases comportent une connexion, sont reliés entre eux et mis à la masse. Les branches parallèles constituées par des bobines non croisées courantes sont alors bobinées dans des sens opposés et placées dans le stator, les connexions se trouvant sur des côtes opposés. La tension aux ------ transitions de phase est dans ce cas de 27 % de la tension entre phases. Le nombre de dérivations d'enroulement (neuf d'un côté et six de l'autre côté du stator) est cependant encore plus élevé que dans le cas du mode d'exécution mentionné an premier lieu.Un inconvénient commun aux deux solutions consiste également dans le besoin de trois traversées à haute tension supplémentaires sur le transfor- mateur du générateur. L'invention a pour objet un enroulement triphasé du type précité dans lequel la tension nécessaire des barres conductrices d'uns couche tant dans la partie active que dans la tête d'enroulement d'une machine électrique soit réduite par des artifices de construction techniquement peu coûteux, de façon que lton puisse obtenir une forte tension de la machine pour un faible volume de l'isolation, pour gagner ainsi de la place et économiser des frais. Un enroulement triphasé destiné à résoudre ce problème est caractérisé en ce que les bobines d'un groupe de chaque paire de groupes de bobines voisins sont croisées et les bobines de l'autre ne sont pas croisées, les saillies de la tête d'enroulement des groupes croisés étant plus longues que celles des groupes non croi sée, et le différence de tension entre barres conductrices voisines d'une couche étant en cours de fonctionnement au plus égale à une fois la tension par spire à toutes les transitions de phase Cela s'explique par le fait qu'à présent, à la transition de phase, les conducteurs voisins sont éloignés au plus d'une spire de la borne commune, et qu'en raison du déphasage de 6-00 entre les deux tensions par spire, leur différence, c'est-à-dire la tension entre les barres conductrices voisines con-cernées, n'est également égale qu'à une fois la tension par spire. L'enroulement triphasé selon l'invention peut être un enroulement bipolaire ou multipolaire, à cordes (ou à pas partiel) ou non. Il permet de gagner de la place et du volume d'isolation et il stapplique préférentiellement aux très grosses machines classiques et aux machines supraconductrices. On va décrire à présent, quatre exemples d'exécution- non limitatifs de l'invention, en regard du dessin annexé dont la figure 1 représente un enroulement triphasé qui n'est pas 8 pas partiel, à deux couches (deux étages), monté en triangle, conforme à l'art antérieur, à deux groupes de bobines en parallèle par phase; la figure 2 représente la disposition dans l'espace des groupes de bobines de l'enroulement selon la figure 1, suivant une coupe transversale de la partie active perpendiculaire à l'axe de la machine ; La figure 3 est un diagramme vectoriel de tensions, valable pour tous les enroulements triphasés conformes aux figures 1, 2 et 4 à 9 ; La figure 4 représente un enroulement triphasé non à pas partiel selon l'invention ;; La figure 5 représente la disposition dans l'espace des groupes de bobines de l'enroulement de la figure 4, suivant une coupe de la partie active perpendiculaire à l'axe de la machine ; La figure 6 représente un enroulement triphasé à pas partiel à deux couches monté en triangle conforme à l'art antérieur, à deux groupes de bobines montées en parallèle par phase ; La figure 7 représente la disposition dans l'espace des groupes de bobines de l'enroulement de la figure 6, suivant une coupe de la partie active perpendiculaire à l'axe de la machine ; La figure 8 représente un enroulement triphasé à pas partiel selon l'invention ; La figure 9 représente la disposition dans l'espace des groupes de bobines de l'enroulement de la figure 8, suivant une coupe de la partie active perpendiculaire a l'axe de la machine ;; La figure 10 représente un enroulement triphasé à deux couches monté en triangle selon l'invention, à quatre groupes de bobines montés en parallèle par phase ; La figure 11 représente la disposition dans llespace des groupes de bobines selon la figure 10, suivant une coupe transversale de la partie active de la machine perpendiculaire à l'axe de la machine ; La figure 12 représente le diagramme vectoriel des tensions correspondant à l'enroulement triphasé de la figure 10. Sur les figures, des éléments semblables sont désignés par des références numériques semblables. On se référera en premier lieu aux figures 1, 2 et 3. Ces figures se rapportent à un enroulement imbriqué bipolaire triphasé sans pas partiel conforme à l'art antérieur, comportant au total trente-six barres conductrices superposées radialement qui sont placées dans les encoches ou rainures 1 à 18 d'un stator sur deux couches 37, 38. Les barres conductrices de la couche supérieure 37 sont indiquées sur la figure 1 en traits pleins et celles de la couche inférieure 38 en tirets. Les trois phases UX, W et WZ comportent chacune deux groupes de bobines : la phase UX les groupes U1XI et U2X2, la phase W les groupes V1Y1 et V2Y2 et la phase WZ les groupes W1Zt et W2Z2.On a représenté sur la figure 2 des barres conductrices de la couche inférieure 38 rattachées à des phases séparées dans les mêmes po sitions angulaires que celles de la couche supérieure 37, car il s'agit d'un enroulement sans pas partiel. Dans la tête d'enroulement (non repré senté en coupe), la répartition des conducteurs est identique a celle de la partie active, progressant à partir de l'extrémité de la partie active, mais avec un décalage angulaire de sens contraire pour les deux couches. Tous les groupes de bobines U1X1, U2X2, V1y1, V2Y2, W1Z1 et w2 z2 sont non croisés, c'est-à-dire qu'ils progressent dans le même sens vers la droite. On a Y1-Y2 = 1, Y1 = 9 étant le pas d'enroulement du côté opposé au côté de liaison, et Y2 = 8 le pas d'enroulement du côté de liaison. Le groupe U1X1 est monté en parallèle avec le groupe U2X2, le groupe V1Y1 avec le groupe V2Y2 et le groupe W1Z1 avec le groupe W2Z2. Entre les conducteurs voisins du même groupe, par-exemple entre les conducteurs 1 et 2, la tension par spire apparaît seulement une fois. Par contre aux tran sitions de phase, par exemple entre les conducteurs (barres) 3 et 4 voisins, mais appartenant à des phases différentes, toute la tension entre phases apparat.Cela ressort du diagramme vectoriel des tensions de la figure 3, où X1 et Z2 se trouvent à des sommets différents du triangle. Il apparaît également toute la tension entre phases entre les conducteurs marginaux des groupes de la partie active superposés appartenant à la même phase, car ces conducteurs aboutissent, selon les figures 1 et 2, aux bornes opposées de la phase considérée. On a représente sur les figures 4 et 5 un enroulement sans pas partiel selon l'invention, qui est également un enroulement imbriqué bipolaire à trente-six barres conductrices superposées radialement dans les encoches 1 à 18 d'un stator sur deux couches 37, 38. L'agencement diffère de l'enroulement représenté sur les figures 1 et 2 par le fait que, bien que les groupes de bobines U1X1, V1Y1 et W1Z1 soient non-croisés, c'est-à-dire progresse dans un sens, vers la droite, les groupes de bobines U2X2, V2Y2 et W2Z2 progressent vers la gauche et sont donc croisés. Les groupes de bobines non croisés ayant pour pas d'enroulement Y1 = 9 et U2 = 8 satisfont à la condition Y1 - Y2 = 1, et les groupes de bobines croisés de pas d'enroulement Y1 = 9 et Y2 = 10 à la condition Y1 - Y2 = -1.En outre, les groupes de bobines non croisés présentent des saillies de tête d'enroulement 39 plus courtes, et les groupes croisés des saillies 40 plus longues. Entre deux conducteurs voisins de la même phase, par exemple entre les conducteurs 1 et 2 qui appartiennent tous deux à la phase UX, appa rait ici également une fois la tension par spire. Par contre, aux transi tions de phase, des conducteurs voisins, par exemple les barres 3 et 4 dont la barre 3 appartient à la phase UX et la barre 4 à la phase W2, sont à peu près au meme potentiel, lorsque les deux groupes de bobines de chaque phase sont montés en parallèle, comme le montre la figure. Cela est visible sur le diagramme vectoriel des tensions de la figure 3, où X1 et W2 se trouvent au même sommet du triangle.Un examen plus précis montre que la différence de tension entre les barres 3 et 4 est exactement égale à une fois la tension par spire, car la première barre est éloignée de la connexion X1 d'une spire et la seconde de la connexion W2 (reliée à X1) d'une spire également, et les tensions induites dans ces spires présentent un déphasage de 600, de sorte que la différence de tension est également égale à l'amplitude de la tension par phase. Une autre caractéristique de l'enroulement sans pas partiel selon l'invention consiste en ce qu'il ne règne pas dans la partie active entre les barres superposées de différence de tension, car la répartition des conducteurs, y compris les connexions des conducteurs marginaux des différents groupes aux bornes de meme nom est identique dans les deux couches, ce qui ressort directement de la figure 5. On a représenté sur les figures 6 et 7 un enroulement à pas partiel conforme à l'art antérieur. Il s'agit dans ce cas également d'un enroulement imbriqué bipolaire à 36 barres conductrices superposées radialement dans les encoches 1 à 18 d'un stator sur deux couches 37, 38. Selon un raccourcissement de 7/9 la répartition des barres conductrices de la couche inférieure 38, en ce qui concerne leur distribution de phases, est identique à celle de la couche supérieure 37, mais décalée en rotation dans la partie active d'un angle de 40( > . Tous les groupes de bobines sont non-croisés, ce qui veut dire qu'ils progressent dans le même sens, vers la droite, la relation Y1 Y2 éteint vérifiée, Y1 étant égal à 7 et Y2 à 6.Entre les conducteurs voisins du même groupe de bobines, par exemple entre les conducteurs 1 et 2, il apparaît seulement une fois la tension par spire, tandis qu'il apparaît aux transitions entre phases, par exemple entre les conducteurs 3 et 4 contigus, toute la tension entre phases. Cela ressort également de la figure 3 où X1 et Z2 se trouvent à des sommets différents du triangle. On a représenté sur les figures 8 et 9 un enroulement à pas partiel selon l'invention, dont le raccourcissement est également de -7/9. Cet enroulement se distingue de l'enroulement à pas partiel connu des figures 6 et 7 par le fait que, bien que les groupes de bobines U1X1, V1Y1 et W1Z1 ne soient pas croisés et que leurs pas de bobinage Y1 = 7 et Y2 = 6 remplissent la condition Y1 - Y2 = 1, les groupes de bobines U2X2, V2Y2 et W2 Z2 sont croisés et leurs pas Y1 = 7 et Y2 = 8 remplissent, par suite, la condition Y1 - Y2 = -1. En outre, les saillies de tete d'enroulement 39 des groupes de bobines non croisés sont également dans ce cas plus courtes que celles 40 des groupes de bobines croisés. Entre conducteurs voisins de la même phase, par exemple entre les conducteurs 1 et 2 qui appartiennent tous deux à la phase UX la tension par spire apparaît seulement une fois. Par contre, aux transitions de phase, des conducteurs voisins, par exemple les conducteurs 3 et 4 qui appartiennent à des phases différentes sont sensiblement au même potentiel, lorsque les deux groupes de bobines de chaque phase sont montés en parallèle, comme on l'a représenté sur le dessin. Cela ressort du diagramme vectoriel des tensions de la figure- 3, où X1 et W2 se trouvent ou même sommet du triangle. Les figures 10, il et 12 se rapportent à un enroulement imbriqué quadripolaire selon l'invention à 72 barres conductrices au total, qui sont superposées radialement dans les encoches 1 à 36 d'un stator sur deux cou ches 37, 38. Les trois phases UX, '(y W et comportent chacune quatre grou- pes de bobines : la phase UX les groupes U1X1, U2X2 et U3X3 et U4X4, la phase '(y les groupes V1Y1, V2Y2, V3Y3 et V4Y4, et la phase WZ les groupes W1Z1, W2Z2, W3Z3 et W4Z4.Selon un raccourcissement de 7/9, la répartition des conducteurs de la couche inférieure 38 qui est identique à celle des conducteurs de la couche supérieure 37, est décalée par rapport à elle dans la partie active d'un angle de 400. Les groupes de bobines U1X1, V1Y1, W1Z1, U3X3, V3Y3 et W3Z3 sont non croisés et leurs pas d'enroulement Y1 = 7 et Y2 = 6 remplissent la condition Y1 - Y2 = 1. Les groupes de bobines Y2X2, V2Y2, W2Z2, U4X4, V4Y4, et W4Z4 sont par contre, croisés et leurs pas d'enroulement Y1 = 7 et Y2 = 8 remplissent la condition Y1 - Y2 = -1. Les saillies de tête d'enroulement 39 des groupes de bobines non croisés sont plus courtes que celles 40 des groupes croisés. Dans ce mode d'exécution également, les conducteurs sont aux transitions de phase, par exemple les conducteurs 3 et 4, à peu près au même potentiel, lorsque les groupes de bobines de chaque phase sont montés en parallèle, comme on l'a représenté sur le dessin. Cela ressort du diagramme vectoriel des tensions de la figure 12 où X1 et W4 se trouvent au même sommet du triangle. REVENDICATIONS 1. - Enroulement triphasé à deux couches monté en triangle pour na- chines électriques, notamment pour machines supraconductrices, colportant au moins deux groupes de bobines montés en parallèle par phase, caractérisé en ce que, dans chaque paire de groupes de bobines voisins (U1Xl W2Z2) les bobines drun groupe (W2Z2) sont croisées et les bobines de l'autre groupe (U1X1) ne sont pas croisées, les saillies de tête d'enroulement 40 des groupes croisés (U2X2, V2Y2, W2Z2) étant plus longues que celles (39) des groupes non croisés (U1Xl, V1Y1, W1Z1) et la différence de tension entre conducteurs voisins (3, 4) d'une couche (37, 38) étant égale au plus, en cours de fonctionnement à une bois la tension par spire. 2. - Enroulement triphasé selon la revendication 1, caractérisé en ce que c'est un enroulement bipolaire ou multipolaire. 3. - Enroulement selon la revendication 1, caractérisé en ce que c'est un enroulement sans pas partiel. 4. - Enroulement selon la revendication 1, caractérisé en ce que c'est un enroulement à pas partiel.