Brevet FR2359538A1 — publié le 19780217

La présente invention, due aux travaux de MM. Niche I BERTHET et François MDISSON-FRMICKHAUSER des Laboratoires de Marcoussis, Centre de Recherches de la Compagnie Générale d'Electricité concerne un rotor supraconducteur d'une machine électrique. Une telle machine peut être par exemple un alternateur dont le rotor constitue l'inducteur et comporte des enroulements supraconducteurs. Ces enroulements sont classiquement disposés dans des encoches creusées dans une couche isolante de matière isolante solide et refroidis par une circulation d'hélium liquide ou hypercritique dans les encoches. La résistance mécanique de la couche isolante est généralement trop faible pour résister aux efforts supportés par le rotor. C'est pourquoi on entoure cette couche d'une enveloppe de maintien métallique appelée "frette" qui est serre contre elle et la maintient en compression. Cette enveloppe de maintien fait partie de la zone froide du rotor. Cette zone froide est suspendue à l'aide d'éléments de transition thermique à I'intérieur d'une enceinte externe rigide métallique qui fait partie de la zone chaude du rotor. L'espace compris entre cette enceinte externe et la partie froide du rotor est évacué de maniere à utiliser le vide comme isolant thermique. Un écran thermique à température intermédiaire est de préférence disposé entre l'enveloppe de maintien et l'enceinte externe, avec des intervalles vides de part et d'autre. Cette disposition connue présente l'inconvénient que dans certaines situations accidentelles l'enveloppe métallique de maintien peut, malgré la présence de l'enceinte externe métallique ayant un rôle d'amortisseur, être soumise à un champ magnétique créé par le stator et tournant à une vitesse différente de celle du rotor. Cela se produit par exemple en cas de court-circuit accidentel sur les lignes électriques alimentées par le stator. I1 en résulte l'apparition de courants électriques et donc de chaleur dans l'enveloppe de maintien. Cette chaleur se transmet assez rapidement (par exemple en quelques secondes) jusqu'aulx encoches contenant les enroulements supraconducteurs où elle s'ajoute à la chaleur apparaissant par ailleurs dans ces enroulements lors de l'accident. Elle risque de provoquer une transition du matériau supraconducteur c'est-à-dire son retour à 11 état résistif et la transformation en chaleur de 11 énergie électromagnétique stockée dans les enroulements, ce qui aboutit à une longue interruption de fonctionnement du rotor. La présente invention a pour but la réalisation d'un rotor supraconducteur d'une machine électrique permettant d'éviter le risque de transition du matériau supraconducteur malgré une faible consommation de fluide réfrigérant. Elle a pour objet une machine électrique à rotor supraconducteur comportant - un stator muni d'enroulements conducteurs - un rotor tournant dans ledit stator autour d'un axe, - dans le rotor une couche isolante sensiblement de révolution autour de l'axe du rotor - une enveloppe métallique de maintien entourant ladite couche isolante pour augmenter sa résistance méc-anique et étant susceptible de s'échauffer par suite de la rotation du rotor dans un champ magnétique produit par le stator, - dans ladite couche isolante des logements contenant des enroulements supraconducteurs à distance de l'enveloppe de maintien - et des moyens pour faire circuler un fluide de refroidissement dans lesdits logements de manière à éviter auxdits enroulements supraconducteurs de devenir résistifs caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre - des canaux externes de refroidissement 62 répartis selon une nappe cylindrique intercalaire située entre ladite enveloppe de maintien 50 et lesdits enroulements supraconducteurs - une couche cylindrique isolante interieure 100 séparant lesdits canaux externes et lesdits enroulements supraconducteurs 3, - une couche cylindrique isolante extérieure 102 séparant lesdits canaux externes 62 et l'enveloppe métallique de maintien 50 - et des moyens de raccordements pour que le fluide de refroidissement ayant parcouru lesdits logements circule ensuite dans lesdits canaux externes en refroidissant ladite enveloppe de maintien. A l'aide des figures schématiques 1 à 5 ci-jointes, on va décrire ci-après à titre non limitatif, un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignés par les mornes références. La figure 1 représente une vue en coupe axiale d'un alternateur selon li invention. La figure 2 représente une vue du rotor de l'alternateur de la figure I en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe de ce rotor. La figure 3 représente à l1échelle agrandie une vue partielle de la figure 2. La figure 4 représente une vue du rotor de la figure 2 en coupe par un cylindre coaxial à ce rotor et coupant les encoches creusées dans ce rotor, ce cylindre étant développé et appliqué sur le plan de la figure. ta figure 5 représente schématiquement en perspective des parties principales du circuit de refroidissement du rotor de la figure 2, les canalisations conduisant le fluide de refroidissement à l'intérieur de ce rotor étant représentées par de simples traits. Selon le mode de réalisation décrit et représenté un cryoalternateur comporte une turbine non représentée et située du côté droit de la figure 1, un rotor 2 comportant des enroulements supraconducteurs 3 refroidis à 4 K par de l'hélium, formant inducteur et tournant à 25 tours/s, et un stator 4 formant induit autour du du rotor 2, et constitué de conducteurs électrique's normaux. La partie centrale du rotor 2, longue de 2 à 8 mètres, est supportée et entrainée par deux arbres horizontaux : un arbre côté turbine, comportant un élément chaud 6 de diamètre compris entre 30 et 100 cm, un flasque extérieur 8 plan circulaire, et un élément de transition thermique tubulaire 10, de plus grand diamètre compris entre le double et le triple de celui de l'élément 6 et long de 50 cm au moins, et un arbre côté "alimentation" comportant un élément chaud de petit diamètre 12, un flasque extérieur 14 et un élément de transition thermique tubulaire 16 respectivement de mêmes diamètres. L'élément chaud 6 de l'arbre côté turbine est massif et supporté par un palier 18 à température ordinaire. Il est en continuité mécanique avec l'arbre de la turbine non représentée. L'élément-chaud 12 dè l'arbre côté alimentation est creux et comporte, dans un évidement axial, des çonduits 13 d'entrée et de sortie d'hélium, ces conduits étant raccordés ;par des joints tournants 15 à un liquéfacteur d'hélium 17 représenté sur la figure 4, de manière à permettre le refroidissement de la o partie centrale du rotor 2 une température de 4 K. t' élément d'arbre 12 comporte d'autre part dans son évidement axial des dispositifs non représentés pour l'alimentation électrique du rotor, et il est supporté par un palier 22 à température ordinaire. Les flasques extérieurs 8 et 14 sont réunis par une enceinte extérieure tubulaire métallique 24 de forte épaisseur qui entoure l'ensemble dé la partie centrale du rotor 2 et des éléments de transition 10 et 15. Cette enceinte extérieure est à température ordinaire. Elle peut être constituée d'un alliage de titane avec une épaisseur de 10 cm et recouverte extérieurement d'une couche de cuivre non représentée. Elle assure la solidarisation mécanique des flasques 8 et 14 c'est-à-dire d'une part qu'elle maintient l'alignement des éléments d'arbre 6 et 12, et d'autre part qu'elle peut transmettre au flasque extérieur 14 côté alimentation le couple de rotation appliqué par la turbine non représentée à l'élément d'arbre 6. Elle est d'autre part fixée de manière étanche aux flasques extérieurs 8 et-14 et l'espace intérieur est evacué de manière à assurer une bonne isolation thermique par le vide entre cette enceinte externe 24 et la partie centrale du rotor. Cette isolation thermique est améliorée par la présence d'un écran thermique périphérique 26 placé entre l'enceinte externe 24 et la partie centrale du rotor sans sontact ni avec cette enceinte ni avec cette partie centrale. Cet écran est bon conducteur thermique et se raccorde mécaniquement et thermiquement par chacune de ses extrémités à une partie intermédiaire des éléments de transition 10 et 16 selon une disposition connue. il est réalisé de manière à ne pas être le siege de courants induits en présence de champs magnétiques variables pouvant apparaitre pendant le fonctionnement du cryoalternateur. il est refroidi par ses deux extrémités grâce au contact thermique avec les éléments de transition 10 et 16, de sorte que sa température est intermédiaire entre celle de la partie centrale froide du rotor et celle de l'enceinte externe chaude 24. Le vide est réalisé des deux côtés de cet écran. il est également réalisé dans 11 espace compris entre chacun des flasques extérieurs chauds 8 et 14 et deux flasques intérieurs froids 28 et 30 placés respectivement en regard de ces deux flasques extérieurs et limitant de part et d'autre la partie centrale froide 4 du rotor. L'isolement thermique entre ces flasques extérieurs et intérieurs est amélioré par la présence d'écrans thermiques d'extrémité 32 et 34 en forme de couronnes circulaires planes coaxiales au rotor, bonnes conductrices thermiques et se raccordant mécaniquement et thermiquement aux éléments de transition 10 et 16 dans la même région intermédiaire que l'écran 26. La partie centrale 4 du rotor et les écrans thermiques 26, 32 et 34 sont supportés par les éléments de transition 10 et 16, eux mêmes supportés par les flasques extérieurs 8 et 14. Ces éléments de transition ont en plus tous deux pour rôle de transmettre à la partie centrale du rotor le couple de rotation appliqué par la turbine non représentée. Quoique ces deux éléments de transition soient constitués de manière identique, l'élément 10 transmet une partie de ce couple plus grande que l'élément 16 en raison de la déformation élastique de l'enceinte externe 24 sous l'action du couple qu'elle transmet du flasque extérieur 8 au flasque extérieur 14. Les deux éléments de transition 10 et 16 sont constitués chacun par une virole intérieure 42 et 44 de 120 cm de diamètre extérieur et de 1 cm d'epaisseur, entourée par une virole extérieure 46 et 48 respectivement. Les deux viroles extérieures 46 et 48 sont constituées par les deux extrémités d'un tube cylindrique métallique de 120 cm de diamètre extérieur et de 1cm d'épaisseur, dont la partie intermédiaire constitue une enveloppe de maintien cylindrique 50 entourant la partie centrale froide 4 du rotor. Les deux viroles intérieures 42 et 44 forment chacune une partie d'une pièce métallique dont l'autre partie est constituée par le flasque intérieur 28 et 30 respectivement, limitant la partie centrale 4 du rotor du même côté. L'assemblage du tube 50 prolongé par les viroles 46 et 48 sur l'ensemble de la partie centrale 4 du rotor et des viroles intérieures 42 et 44 se fait par frettage, Le tube serre l'ensemble qu'il entoure, c'est-à-dire qu'il subit un effort de tension dans un plan perpendiculaire à l'axe et que l'ensemble subit un effort de compression antagoniste. On choisit cet effort de manière à ce que le tube 46, 48, 50 reste serré à la fois sur la partie centrale du rotor et sur les viroles extérieures 42, 44 lorsque le rotor est à sa vitesse de rotation maximale et lorsque le vide est réalisé à l'intérieur de l'enceinte externè 24, alors que ce l'hélium sous pression de l'ordre de 10 bars circule dans des canaux de refroidissement non représentés à l'interface entre les viroles extérieures 46, 48 et intérieures 42, 44. La partie centrale du rotor comporte un support métallique intérieur 54 réunissant les flasques intérieurs 28 et 30. L'espace limité extérieurement par l'enveloppe de maintien 50, intérieurement par le support métallique intérieur 54 et latéralement par une partie des flasques intérieurs 28 et 30 constitue une enceinte annulaire étanche qui contient les enroulements supraconducteurs 3 constituant les pôles de l'inducteur. Ces enroulements sont disposés dans des logements formant des encoches telles que 56 séparés par des blocs isolants, 52 constituant des prolongements radiaux d'une couche isolante interne 104 constituée d'un composite epoxy-filaments de verre qui assure le frettage du support métallique intérieur 54. La couche interne 52 à une épaisseur de 5 à 20 cm. Les enroulements supraconducteurs sont espacés entre eux ainsi que vis-à-vis des parois des encoches par des cales isolantes permettant le passage de l'hélium utilisé pour le refroidissement. Les enroulements supraconducteurs 3 forment quatre secteurs polaires décalés de 900 les uns par rapport aux autres autour de l'axe du rotor. Un seul secteur polaire est représenté sur la figure 4.Il comporte quatre encoches 56, 57, 58, 59 formant chacune une courbe fermée avec deux parties rectilignes parallèles à l'axe et s'étendant selon la plus grande partie de la longueur du rotor et deux parties de forme approximativement semicirculaire situees aux deux extrémités du rotor et raccordant les parties rectilignes. L'encoche extérieure extreme 56 entoure l'encoche extérieure moyenne 57 qui entoure elle-même l'encoche intérieure moyenne 58 qui entoure enfin l'encoche intérieure extrême 59. Il est possible d'assurer ainsi un refroidissement largement suffisant des enroulements supraconducteurs 3 qui n'occupent qutune fraction de la section des encoches, tant que le fonctionnement de l'alternateur est normal. Cependant, en cas de court-circuit dans les lignes électriques alimentées par le stator 4, un régime transitoire est engendré. L'enceinte externe chaude 24, lTécran thermique 26, l'enveloppe de maintien 50 et les enroulements 3 sont alors soumis à une variation locale rapide du champ magnetique qui entraine des courants induits et provoque leur échauffement.Au niveau de l'enveloppe 50 et des enroulements 3 ces variations du champ magnétique sont très fortement diminuées par la présence de l'enveloppe externe 24 qui joue le rôle d'un écran contre les champs magnétiques variables en raison de sa bonne conductibilité électrique dans toutes les directions. Dans ces conditions la quantité et le débit d'hélium circulant dans les encoches permet d'éviter que la quantité de chaleur dégagée dans les enroulements 3 provoque leur transition. Malheureusement la quantité de chaleur dégagée dans l'enveloppe de maintien 50 est relativement importante (par exemple 10 kilojoules par secteur polaire) et se transmet lentement, en quelques secondes, jusqu'aux encoches où elle risque de provoquer la transition des enroulements 3. Il serait coûteux d'augmenter la section des encoches pour qu'elles contiennent une quantité d'hélium suffisante pour absorber cette quantité de chaleur ou d'augmenter de façon permanente la vitesse de l'hélium pour que l'hélium échauffé au début de l'arrivez de la chaleur soit complètement remplacé par de l'hélium froid avant la fin de cette arrivée. C'est pourquoi, selon la présente invention, on dispose de canaux de refroidissement externes 62 répartis selon une nappe cylindrique intercalaire situés entre l'enveloppe de maintien 50 et les encoches 56-57-58-59 contenant les enroulements supraconducteurs. La nappe cylindrique de canaux 62 est séparée des encoches 56-57-58-59 par une couche cylindrique isolante intérieure 100 constituée d'un composite époxy- filaments de verre. Cette couche cylindrique isolante intérieure va du flasque intérieur métallique 28 côté turbine au flasque métallique 30 à l'extrémité opposée du rotor. s L'epaisseur de la couche cylindrique isolante intérieure 100 est de 8 mn, la nappe cylindrique de canaux 62 est séparée de 11 enveloppe de maintien 50 par une couche cylindrique isolante extérieur 102 constituée d'un composite epoxy-filaments de verre comme la couche 100. Son épaisseur est de 15 mm. Elle est située entre les mêmes plans d'extrémités que la couche 100. tes canaux de refroidissement externes 62 sont creusés dans la face de la couche cylindrique~isolante inférieure 100 au contact de la couche cylindrique isolante 102. Ils ont une largeur de 1O1mn et une profondeur de 3nm, mesurée radialement. Leur forme est hélicoldale. Ils vont d'un collecteur circulaire avant 66 coaxial au rotor à son extrémité côté turbine jusqu a un collecteur aval 68 identique au precédent mais situé à 11 extrémité du rotor côté alimentation. Ils parcourent chacun au moins un demi tour autour de l'axe du rotor. La forme helico;dale des canaux 62 disposés en parallèle entre les collecteurs 66 et 68 permet à ces canaux à prélever des quantités de chaleur égales ou étant parcourus par des débits d'hélium égaux aussi bien lorsque le rotor est immobilisé que lorsqu'il tourne. Des circuits auxiliaires non décrits ici et sans rapport avec la présente invention permettent la réfrigération des éléments de transition thermique 10 et 16 et des amenées de courant non représentées qui permettent d'alimenter électriquement les enroulements supraconducteurs 3. Le circuit principal d'hélium est alors le suivant, avec un débit de 30 à 300g/s sous une pression de 5 bars au voisinage de l'axe du rotor, la pression étant plus forte à la périphérie du rotor : l'hélium sortant du rotor est mis en circulation par un circulateur 70, qui l'envoie dans l'échangeur 17. Il entre ensuite axialement dans le rotor qu'il traverse intérieurement jusqu'à.son extrémité côté turbine. Il est alors dirigé vers les encoches intérieures extrèmes 59 par quatre canalisations 72 correspondant aux quatre secteurs polaires. Il parcourt alors ces canalisations jusqu'à leur extrémité côté alimentation, où il est dirigé, par un passage 74, vers les canalisations intérieures moyennes 58.Il parcourt ces dernières jusqu'à l'extrémité côté turbine, où il est dirigé, par un passage 76, vers les canalisations extérieures moyennes 57. Il parcourt ces dernières jusqu'à l'extrémité côté alimentation, où il est dirigé, par un passage 78, vers les encoches extérieures extrêmes 56 qu'il parcourt jusqu'à l'extrémité côté turbine, où il est dirigé, par quatre passages 80 qui traversent la couche isolante supérieure 102, vers le collecteur amont 66. Il parcourt ensuite les canaux de refroidissement externes 62 jusqu'au collecteur aval 68, d'où il retourne vers l'axe du rotor par quatre canalisations radiales 82. Il sort ensuite du rotor et revient au circulateur 70. L'épaisseur de la couche cylindrique isolante 102 est choisie pour ralentir l'écoulement de la chaleur dégagée dans l'enveloppe de maintien 50, cette chaleur se transmettant en quelques minutes, à l'hélium circulant dans la nappe de canaux de refroidissement externe 62. Le retard ainsi apporté à cette diffusion de chaleur évite que cette chaleur arrive à ce circuit d'hélium en même temps que celle qui est engendrée dans les enroulements. Il existe en effet une courte période de quelques secondes pendant laquelle les champs magnétiques variables créent de façon temporaire une altération des caractéristiques des enroulements supraconducteurs qui sont alors le siège de pertes. On évite ainsi que l'hélium contenu dans l'ensemble du circuit ne subisse un accroissement notable de sa pression et de sa température par effet de compression. La lenteur de la diffusion thermique à travers la couche isolante 102 permet en outre de répartir l'arrivée de chaleur vers les canaux 62 externes sur une période suffisament longue pour permettre, au cours de cette période une augmentation progressive en 1 minute environ, du débit d'hélium circulant par effet de thermosiphon dans les canaux au contact des enroulements puis dans les canaux de refroidissement externe. La chaleur supplementairç extraite du rotor se dilue dans une reserve externe d'hélium froid située en amont de l'échangeur 17 et non représenté.Ce circuit d'hélium permet ainsi de limiter ltechauffement temporaire d'hélium dans les canaux de refroidissement externe 62 au voisinage de 1 degré ceci évitant de créer un déséquilibre thermique important du système de réfrigération 17 recyclant l1hélium car cet hélium ne subit qutun faible échauffement. La présence de la couche isolante supérieure 102 permet également en raison de la répartition de l'arrivée de chaleur sur une longue période, d'éviter qu'un reflux de l'hélium ayant reçu dans les canaux 62 un échauffement dû à ltenergie dissipée dans la virole métallique constituée par l'enveloppe de maintien 50 ait lieu vers les canaux au contact des enroulements ; l'épaisseur de la couche cylindrique supérieure 102 est choisie suffisamment grande afin d'éviter cette possibilité de reflux d'hélium chaud ; 11 épaisseur minimale requise de la couche 102 dépend de l'énergie dissipée dans l'enveloppe de maintien 50 et de la résistance à l'écoulement presentée par le circuit d'hélium. L'épaisseur de la couche cylindrique isolante inférieure 100 est choisie pour limiter ltecoulement de chaleur résiduel par conduction transversale du composite époxy-filaments de verre, entre les canaux de refroidissement externe 62 subissant un échauffement temporaire voisin de 1 degré K et le circuit des enroulements subissant ainsi un échauffement temporaire voisin de 0,1 degré.K. La structure du rotor et le circuit d'hélium selon la présente invention permettent donc de limiter considérablement l'échauffement temporaire des conducteurs et de conserver l'état supraconducteur alors que ltenergie dissipée dans l'enveloppe de maintien 50 y crée un échauffement important, décroissant en quelques minutes à partir d'une température maximale pouvant être comprise entre 30 et 40 degrés kelvin. L'épaisseur de la couche interne 104 est choisie de préférence supérieure à celle de la couche 102 afin de différer et de réduire la valeur maximale du flux de chaleur dû à l'énergie dissipée dans le support métallique 54, diffusant radialement jusqu'à l'hélium présent au contact des enroulements. Il convient de remarquer que la présente invention n'aide à éviter la transition des enroulements supraconducteurs 3 en cas de court-circuit qu'à la condition que le débit d'hélium dans le circuit de refroidissement soit supérieure à une valeur minimale qui dépend des quantités de chaleur apparaissant dans les enroulements 3 et l'enveloppe de maintien 50, de la résistance thermique entre ces enroulements et cette enveloppe, et de la quantité d'hélium présente au voisinage des enroulements 3. Si le débit d'hélium est inférieur à cette valeur minimale la température maximale atteinte par les enroulements 3 sera plus grande dans le cas des dispositions précédemment décrites qu'en l'absence de circulation d'hélium dans les canaux 62, entre les enroulements et l'enveloppe 50. A titre d'exemple ce débit sera avantageusement d'au moins 100 g/s. Il convient de plus de remarquer que la présente invention présente des avantages non seulement comme précédemment indiqué en cas d'incident, mais encore, quoiqu'à un degré moindre, en fonctionnement normal. Elle permet en effet pour un mime debit d'hélium, et en l'absence de tout accident, de diminuer la température des enroulements 3 à puissance frigorifique constante, ou de diminuer la puissance frigorifique pour obtenir une morne température des enroulements REVENDICATIONS 1/ Machine électrique à rotor supraconducteur comportant - un stator (4) muni d'enroulements conducteurs - un rotor (2) tournant dans ledit stator autour d'un axe, - dans le rotor une couche isolante (52) sensiblement de révolution autour de l'axe du rotor - une enveloppe métallique de maintien (50) entourant ladite couche isolante pour augmenter sa résistance mécanique et étant susceptible de s'échauffer par suite de la rotation du rotor dans un champ magnétique produit par le stator, - dans ladite couche isolante des logements (56, 59) contenant des enroulements supraconducteurs (3) à distance de l'enveloppe de maintien - et des moyens pour faire circuler un fluide de refroidissement dans lesdits logements de manière à éviter auxdits enroulements supraconducteurs de devenir résistifs caractérisé par le fait qu'elle comporte en outre - des canaux externes de refroidissement (62) répartis selon une nappe cylindrique intercalaire située entre ladite enveloppe de maintien (50) et lesdits enroulements supraconducteurs - une couche cylindrique isolante intérieure (100) séparant lesdits canaux externes et lesdits enroulements supraconducteurs (3), - une couche cylindrique isolante extérieure (102) séparant lesdits canaux externes (62) et l'enveloppe métallique de maintien (50) - et des moyens de raccordements (80) pour que le fluide de refroidissement ayant parcouru lesdits logements (56, 57, 58, 59) circule ensuite dans lesdits canaux externes (62) en refroidissant ladite enveloppe de maintien (50). 2/ Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits canaux de refroidissement externes (62) ont une forme hélicoidale et parcourent chacun au moins un demi tour autour de l'axe du rotor.