Brevet FR2372536A1 — publié le 19780623

La présente invention concerne les machines électriques, notamment les machines électriques à refroidissement cryogénique. L'invention est appliquée aux machines électriques telles que les moteurs, les génératrices, les convertisseurs utilisés dans des centrales nucléaires, thermiques et des centrales d'autres types ainsi qu'au domaine des transports et de l'aviation. I1 est également avantageux d'utiliser l'invention dans d'autres dispositifs lorsqu'un arbre doit sortir d'une zone froide dans le milieu ambiant. Actuellement, on prête une grande attention à l'élaboration des machines électriques basées sur le phénomène de la supraconductibilité, lorsque la résistance des circuits électriques se rapproche de zéro. On connaît des matériaux qui sont capables de réaliser ce phénomène à une température voisine de celle du zéro absolu c'est pourquoi on a recours à-un liquide cryogénique, par exemple l'hélium liquide, pour refroidir les enroulements d'excitation de telles machines jusqu'à une telle température à laquelle ils deviennent des supraconducteurs (En règle générale, cette température est de -50K environ). Les machines électriques à refroidissement cryogénique utilisant un montage ordinaire sont dotées d'un enroulement supra conducteur, fixé sur le rotor logé dans un boîtier étanche calorifugé, à 11 intérieur duquel est maintenu un vide de protection. L'enroulement d'excitation supraconducteur est doté d'un systeme de refroidissement cryogénique. La zone froide (basse) de l'enroulement d'excitation doit être calorifugée par rapport au milieu extérieur, l'isolement total de l'entraînement de la machine étant impossible du fait qu'au moins une extrémité de l'arbre d'entraînement du rotor doit faire saillie à l'extérieur.Etant donné que l'arbre, sert à recevoir et à transmettre un couple moteur il est réalisé massif donc il canalise la majeure partie de la chaleur (jusqu'à 50%) vers l'enroulement supraconducteur. I1 en découle un problème de refroidissement de l'arbre du rotor et donc de création d'une isolation thermique entre l'enroulement et l'arbre du rotor qui permette de faire en sorte que la chaleur se propageant le long de l'axe, parvienne à l'enroulement de façon limitée. On connaît une machine électrique à refroidissement cryogènique dans laquelle la transmission de la chaleur par l'arbre vers l'enroulement supraconducteur du rotor est limitée grâce à des orifices pratiqués aux endroits où la partie centrale du rotor est reliée à l'arbre et destinés à évacuer l'agent frigorifique de la cavite du rotor. Chassé de la cavité, l'agent frigorifique assure le refroidissement des extrémités de l'arbre du rotor. Le défaut de cette construction réside dans un refroidissement peu efficace qui s'explique par le fait que la surface qui cède la chaleur n'est pas grande et que la possibilité de l'augmenter en pratiquant d'autres orifices est limitée par la condition à laquelle doit satisfaire la résistance mécanique de l'arbre du rotor. On connatt également une autre machine électrique à refroidissement cryogénique comprenant un rotor creux avec un enroulement d'excitation supraconducteur auquel sont connectées des barres d'alimentation, un système de refroidissement avec un canal d'amenée d'un agent frigorifique vers l'enroulement d'excitation supraconducteur réalisé suivant l'axe de l'arbre du rotor, un dispositif de refroidissement des extrémités de l'arbre du rotor et des canaux pour évacuer l'agent frigorifique de l'enroulement superconducteur. Comme dispositif de refroidissement des extrémités de l'arbre du rotor, on utilise des bouchons calorifuges, montés dans la partie centrale du rotor creux aux endroits où il est relié à l'arbre du rotor. Les surfaces conjuguées des bouchons calorifuges et de la partie centrale du rotor sont dotées d'ailettes réalisées en hélice. L'amenée de l'agent frigorifique (gaz ou liquide) à l'enroulement d'excitation supraconducteur se fiait par un canal pratiqué suivant l'axe de l'arbre du rotor et débouchant à l'une des extrémités de l'arbre. La pénétration de la chaleur dans la cavité du rotor, provoque la vaporisation de l'agent frigorifique et les vapeurs ainsi obtenues parviennent aux espacements entre la surface intérieure de la partie centrale du rotor et la surface extérieure des bouchons calorifuges. Pendant son déplacement entre les ailettes vers les canaux d'évacuation, l'agent frigorifique absorbe la chaleur qui pénètre de l'extérieur à partir des extrémités de l'arbre. Cependant, dans cette machine, le refroidissement des extrémités de l'arbre du rotor est peu efficace parce que les jonctions des extrémités de l'arbre à la partie centrale du rotor sont dépourvues de protection contre la chaleur venant de l'extérieur, de sorte qu'une quantité considérable de chaleur pénètre dans la cavité du rotor. La présence des éléments complémentaires de refroidissement (bouchons calorifuges) des extrémités de l'arbre du rotor complique l'organisation de la machine électrique et la rend plus encombrante. Un autre défaut de cette construction est que le gaz, chauffé pendant son parcours entre les ailettes, est éjecté par les canaux d'évacuation de l'agent frigorifique à l'intérieur de la machine électrique dépourvue de collecteur d'agent frigorifique usé. I1 est à noter que les barres d'alimentation de cette machine ne sont pas calorifugées et constituent une canalisation pour la chaleur de l'extérieur. L'invention vise à mettre au point une machine électrique à refroidissement cryogénique dans laquelle la conception de l'arbre du rotor permettrait de refroidir ses extrémités suivant toute la longueur et la section de l'arbre. Elle a donc pour objet une machine électrique à refroidissement cryogénique -comprenant un enroulement d'excitation supraconducteur, auquel sont branchées des barres d'alimentation et logé dans un rotor creux dont l'arbre présente un canal axial pour amener un agent frigorifique vers l'enroulement d'excitation supraconducteur, caractérisée en ce que les extrémités de l'arbre du rotor sont formées d'au moins de deux tubes coaxiaux raccordés au moyen d'un filetage, les jeux dudit filetage étant destinés à évacuer l'agent frigorifique et à refroidir les extrémités de l'arbre du rotor. Afin de pouvoir refroidir les deux extrémités de l'arbre et les faire participer à l'évacuation de l'agent frigorifique usé, il faut que leurs filetages présentent des pas de sens contraire. Pour augmenter l'évacuation de la chaleur par l'augmentation de la vitesse du mouvement du gaz, il faut que le sens du filetage, dont les jeux sont utilisées pour évacuer l'agent frigorifique, colncide avec le sens du mouvement du gaz. Pour augmenter l'efficacité du refroidissement et interdire l'accès de la chaleur par l'intermédiaire des barres d'alimentation, il est avantageux de les loger dan des encoches pratiquées sur le profil du filetage. I1 est avantageux de raccorder les tubes coaxiaux des extrémités de l'arbre au moyen d'un filetage à plusieurs filets ce qui permet d'augmenter les surfaces d'échange de chaleur tant des extrémités de l'arbre que des barres d'alimentation disposées sur le profil du filetage. Une telle exécution de la machine électrique à refroidissement cryogénique permet de refroidir les extrémités de l'arbre suivant toute leur longueur et suivant la section de l'arbre ainsi que de réduire considérablement, de 3 à 4 fois en comparaison avec les machines connues, la transmission de la chaleur par l'arbre dans la cavité du rotor. Un avantage majeur d'une telle conception de l'arbre de rotor de la machine électrique réside dans la simplicité de conception de la machine elle-même, la réduction de son encombrement, l'augmentation de sa fiabilité et, par conséquent, dans la diminution de 5 fois au moins du rapport masse/puissance de la machine électrique qui est un des principaux indices des installations énergétiques. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif ressortiront de la description détaillée d'un exemple concret de réalisation, en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la Fig. 1 représente la vue d'ensemble en coupe longitudinale de la machine électrique à refroidissement cryogénique suivant l'invention; la Fig. 2 est une coupe du profil de filetage de l'arbre du rotor de la machine électrique suivant l'invention montrant les barres d'alimentation. La machine électrique à refroidissement cryogénique comprend un rotor creux 1 l'arbre 2 duquel repose sur des paliers 3 placés dans des flasques d'extrémité 4 d'un boîtier étanche 5 sur la surface intérieure duquel est fixé un enroulement statorique 6. Entre le boîtier 5 et le rotor 1, on maintient un vide qui fait fonction d'isolation thermique du rotor 1. Pour maintenir le vide on a disposé des joints à vide tournants 7 dans les flasques d'extrémité 4. Le rotor creux 1 est constitué par un cylindre amagnétique 8 à l'intérieur duquel est fixé un enroulement d'excitation 9 au moyen d'une résine époxy. L'enroulement d'excitation 9 est fabriqué en un matériau supraconducteur, par exemple du niobium-étain (Nb3Sn). I1 peut être aussi fabriqué d'autres matériaux possédant une bonne conductibilité tels que le niobium-zirconium et niobium-titane. L'enroulement d'excitation 9 est refroidi jusqu'à ce qu'il devienne supraconducteur, au moyen de l'agent frigorifique 10 qui remplit la cavité du cylindre amagnétique 8. Comme agent frigorifique, on utilise l'hydrogène liquide ou l'hélium à l'état liquide et gazeux. L'agent frigorifique 10 est amené à l'enroulement d'excitation 9 par une conduite etanche sous vide 11 logée dans un canal axial 12, à partir de l'une des extrémités de l'arbre 2. Pour évacuer l'agent frigorifique 10 de l'enroulement d'excitation 9, le rotor 1 est doté de deux chambre 13 formées par les surfaces d'extrémité du cylindre amagnétique 8 et de l'enroulement -d'excitation 9.Les extrémités de l'arbre 2 du rotor 1 sont réalisées sous forme de deux tubes coaxiaux 15 et 16 raccordés au moyen d'un filetage, dont les jeux forment les canaux 14 destinés à évacuer l'agent frigorifique 10 et communiquant avec les chambres 13. Selon le couple moteur à transmettre-et la quantité de chaleur transmise par l'arbre à l'enroulement d'excitation 9, le filetage peut être pratiqué sur toute la longueur de la jonction des tubes ou seulement sur certains tronçons. En outre, le nombre de ces tubes coaxiaux raccordés au moyen du filetage peut être supérieur à deux. I1 est avantageux de réa- liser un filetage à plusieurs filets ce qui permet d'augmenter la surface d'évacuation de la chaleur de réduire la résistance à la circulation de l'agent frigorifique et d'obtenir le gradient de température imposé le long de l'arbre. Dans le but d'assurer le passage indispensable au gaz, on doit réaliser le filetage avec un jeu garanti, par exemple, en forme de filetage trapézoidal à profil tronqué incomplet. Pour refroidir les deux extrémités de l'arbre 2 du rotor 1, il faut pratiquer le filetage aux extrémités de l'arbre 2 dans des directions opposées. On les choisit en fonction du sens du mouvement du gaz. La direction du mouvement de l'agent frigorifique doit coincider avec la direction du filetage. Les canaux 14 communiquent avec le collecteur de gaz 17, qui entoure les extrémités de l'arbre 2. L'enroulement d'excitation 9 est alimenté par l'interme- diaire de barres en cuivre 18 (Fig.2) qu'il faut refroidir car le conducteur électrique est aussi un conducteur de chaleur. Pour éliminer l'accès de la chaleur, on a logé les barres d'alimentation 18 dans les canaux 14 d'évacuation de l'agent frigorifique 10. A cet effet, dans le profil du filetage, on a pratiqué des encoches 19 destinées à recevoir les barres d'alimentation 18. Ces dernières peuvent être placées sur le profil du filetage tant extérieur qu'intérieur des tubes 15 et 16. L'hélium liquide utilisé comme agent frigorifique 10 est amené par la conduite 11 à l'enroulement d'excitation supraconducteur 9. La chaleur, qui pénètre dans la cavité du rotor 1, fait se vaporiser l'hélium dont les vapeurs parviennent aux chambres 13 et s'échappent de la cavité du rotor 1 par les canaux 14 d'évacuation de l'agent frigorifique 10 pour refroidir les deux extrémités de l'arbre 2 du rotor 1 et les barres d'alimentation 18, logées dans les encoches 19 et ensuite parvenir au collecteur de gaz 17. Le sens de la circulation de l'agent frigorifique est indiqué par les flèches, sur la Fig.l. REVENDICATIONS 1. Machine électrique à refroidissement cryogénique comprenant un enroulement d'excitation supraconducteur auquel sont bran chées des barres d'alimentation et logé dans un rotor creux, dont l'arbre présente un canal axial destiné à amener l'agent frigorifique vers l'enroulement d'excitation supraconducteur, caractérisée en ce que les extrémités de l'arbre du rotor sont formés d'au moins deux tubes coaxiaux raccordés au moyen d'un filetage, les jeux duquel servent à évacuer l'agent frigorifique et à refroidir les extrémités de l'arbre du rotor. 2. Machine électrique suivant la revendication 1, caractérisée, en ce que les filetages sur les extrémités de l'arbre sont de sens contraires. 3. Machine électrique suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisée, en ce que le sens du filetage, dont les jeux sont destinés à évacuer l'agent frigorifique, coincide avec le sens de circulation de l'agent frigorifique 4. Machine électrique, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que dans le profil du filetage, dont les jeux sont destinés à évacuer l'agent frigorifique sont pratiquées des encoches recevant les barres d t alimentation. 5. Machine électrique, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les tubes coaxiaux de l'arbre du rotor sont raccordés au moyen d'un filetage à plusieurs filets.