Brevet FR2391541A1 — publié le 19781215

La présente invention se rapporte au domaine de la construction des grosses machines électriques et, plus particulièrement, aux bobines à spires multiples pour pales de machines électriques. La présente invention peut être appliquée avantageusement à la réalisation des pales de machines électriques synchrones à a les saillants, en particulier des pôles des gros moteurs synchrones à faible vitesse ou des générateurs hydro-électriques bulbes à refroidissement direct par eau dont les spires des bobines de pôle sont disposées en plusieurs rangées suivant la section et en plusieurs couches suivant la hauteur de pôle. Les pôles, par exemple d'un rotor d'une machine électrique, comportent un noyau Constitué d'un empilage de t81es d'acier découpées et une bobine faite d'un conducteur enroulé sur le noyau et comportant une isolation entre les spires. Cette bobine fait partie du bobinage d'excitation du rotor de la machine électrique. Une augmentation importante de la puissance unitaire des machines électriques nécessite l'augmentation de la force magnéti- sante des -bobinages d'excitation. Cela oblige à augmenter l'efficacité du refroidissement des bobinages et à utiliser un refroidissement direct par liquide. Dans des pôles rotoriques refroidis à l'eau on réalise une évacuation de la chaleur au moyen d'eau circulant à l'intérieur de conducteurs creux de la bobine de pôle, ceux-ci ayant en règle générale une section droite rectangulaire en forme de canal. Dans-un tel bobinage il est difficile de placer les spires de la bobine de pale l'une au-dessus de l'autre en une rangée verticale, comme il est d'usage dans les bobinages ordinaires refroidis par air, sans queleas cotes géométriques d'un noyau de pale, parti culièrement sa hauteur, soient considérablement augmentées. On est amené à réaliser la bobine en plusieurs rangées qui sont adjacentes l'une à l'autre et qui embrassent le noyau de pôle, et dans le cas d'une bobine à plusieurs rangées de spires, il est nécessaire de prévoir une connexion électrique correspondante des spires de ces rangées.Dans une bobine à spires multiples peuvent être exécutées plusieurs connexions électriques qu'on réalise habituellement à 1' aide d'une brasure forte, et leur emplacement dans la bobine a une grande importance, surtout dans le cas d'un bobinage refroidi par liquide où il est nécessaire de pouvoir accéder facilement à ces connexions dans le but de leur revision et de leur réparation. Les bobines de pôle enroulées en une seule rangée sont largement connues. Dans ces bobines, il n'y a pas de connexions soudées entre les spires, sauf dans les cas où la longueur totale de toutes les spires de la bobine dépasse une longueur de conducteur donnée. Les défauts d'une telle bobine consistent en ce que, pour les dimensions d'un pale et d'une section de conducteur données, on ne peut pas enrouler un grand nombre demandé de spires, et en ce que la hauteur de la bobine est supérieure à la hauteur totale de tous les conducteurs placés en une rangée verticale, avec leur isolation entre spires, puisque une couche horizontale de la bobine est oecu- pée par ses extrémités. On connaît aussi des bobines de pôle à spires multiples composées de bobines élémentaires réalisées en une couche horizontale de spires disposées en spiral autour du noyau du pôle. En fonction du nombre nécessaire de spires dans une rangée verticale, la bobine de pôle est composée d'un nombre correspondant de bobines élémentaires superposées suivant la hauteur. Dans ces bobines de pôle, les extrémités des bobines élémentaires sont raccordées respectivement l'une à l'autre par brasure, et les raccordements des extrémités se trouvent à l'extérieur aussi bien qu'à l'intérieur de la bobine de pôle. Les défauts d'une telle bobine de pôle sont les suivants - elle présente un grand nombre de raccordements soudés, inférieur au nombre de bobines élémentaires ou de couches horizontales d'une unité, ce qui complique la fabrication de la bobine de pôle et abaisse sa fiabilité - elle comporte des raccordements disposés sur la paroi intérieure de la bobine de pôle et, pour cette raison, est d'un accès difficile pour la révision et la réparation, ce qui est surtout indésirable dans le cas de bobines de pôle à refroidissement direct par liquide où des fuites du liquide par les raccordements sont possibles. - elle a une hauteur importante dans le cas d'un nombre impair de couches horizontales, du fait qu'il est nécessaire de sortir le conducteur de l'intérieur de la bobine vers l'extérieur, la hauteur de la bobine de pôle étant égale à la somme des hauteurs des spires de la bobine et de l'isolation entre spires plus la hauteur d'une couche occupée par les extrémités de la bobine. Ces défauts mènent à une augmentation des dimensions de la bobine de pôle, à une dégradation de ses caractéristiques et, au bout du compte, à une diminution de la fiabilité de la machine électrique dans son ensemble. On connaît aussi des bobines de pôle comportant deux rangées verticales de spires et assemblées en deux demi-bobines. Parmi les défauts d'une telle bobine de pôle on peut citer la présence de raccordements entre spires à l'intérieur et à l'extérieur de la bobine, de même que le fait que les extrémités de la bobine occupent aussi une couche horizontale entière de spires, tout comme dans la bobine de pale précitée. On connaît encore une bobine à-spires multiples combinée qui est composée de bobines élémentaires. Cette bobine de pôle comporte trois bobines élémentaires à une seule rangée, ou trois bobinages, dont deux sont superposés suivant la hauteur et sont placés autour du troisième bobinage, la hauteur totale des deux bobinages extérieurs étant égale à hauteur de bobinage intérieur. Les raccordements électriques des-bobinages entre eux sont réalisés dans le jeu existant entre le bobinage intérieur et, les bobinages extérieurs.Parmi les défauts d'une telle bobine, on peut citer une complication de la réalisation des raccordements des bobinages entre eux et un accès difficile pour la révision de ceux-ci, surtout sur les côtés latéraux de la bobine, et il en résulte qu'on ne peut assurer un entretien normal, ni la fiabilité de la machine électrique. L'invention vise à fournir une bobine à spires multiples pour pôle de machine électrique qui permette d'obtenir une quantité minimale de raccordements des spires de bobine entre elles, et la localisation de ces raccordements uniquement à l'extérieur de la bobine, tout en diminuant les dimensions de celle-ci. A cet effet, l'invention a pour objet une bobine à spires multiples pour pôle de machine électrique, comportant plusieurs couches suivant sa hauteur et plusieurs rangées suivant son épaisseur et composée de bobinages distincts connectés électriquement entre eux, caractérisée en ce que chaque bobinage est réalisé en une seule rangée suivant son épaisseur et occupe toute la hauteur de la bobine, les bobinages ayant le même nombre de spires enroulées dans le même sens, étant disposés l'un dans l'autre concentriquement, et étant orientés de telle manière que des premières extrémités de tous les bobinages sont disposées dans une position voisine sur une face frontale de la bobine et que les secondes extrémités de tous les bobinages sont disposées dans une, position voisine sur l'autre face frontale de la bobine, toutes les extrémités de tous les bobinages étant dirigées vers la même paroi latérale de la bobine et étant connectées à l'extérieur de cette paroi de la bobine. Selon l'un des modes de réalisation de l'invention dans lequel la bobine polaire est constituée de trois bobinages, on applique une tension d'alimentation à la première extrémité du bobinage extérieur et à la seconde extrémité du bobinage de milieu; et les premières extrémités des bobinages de milieu et intérieur sont soudées respectivement aux secondes extrémités des bobinages intérieur et extérieur, moyennant quoi les trois bobinages' de la bobine se trouvent connectés en série. La bobine à spires multiples suivant l'invention pour pôle de machine électrique assure une augmentation d'une spire de la hauteur utile de la bobine dans chaque rangée verticale, ce qui conduit à un coefficient de remplissage élevé de la zone polaire de la machine électrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation donné à titre d'exemple et illustré par les dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 est une vue en coupe transversale partielle d'un pôle de machine électrique avec bobine polaire à spires multiples étant suivant l'invention, montées sur ce pale; - la Fig. 2 est une vue en perspective avec arrachement partiel suivant la longueur de la bobine d'une bobine polaire à spires multiples sans isolation entre spires. -En examinant la Fig. 1, on voit une bobine à spires multiples 1 d'un pale 2 de machine électrique, qui comporte trois rangées verticales et seize couches horizontales de spires enroulées autour d'un noyau 3 du pale 2 sur une couche isolante 4, ces rangées étant disposées entre une rondelle isolante supérieure 5 et une rondelle isolante inférieure 6. La bobine polaire 1 est constituée de conducteurs en cuivre 7 à section rectangulaire pourvus de canaux 8 pour la circulation d'un liquide de refroidissement, et isolés de façon classique par un isolant 9, Sur la Fig.2, on peut voir que la bobine à spires multiples 1 est formée de trois bobinages distincts 10, 11, 12, qui sont placés l'un dans l'autre concentriquement.Le périmètre intérieur du bobinage extérieur 10 est sensiblement égal au périmètre extérieur du bobinage de milieu I1, et le périmètre-intérieur du bobinage du milieu est sensiblement égal au périmètre extérieur du bobinage in térieur 12. Chacun des bobinages 10, il et 12 est enroulé en une seule rangée suivant 1' épaisseur, et les bobinages-possèdent le même nombre de spires, ou de couches, suivant la hauteur à savoir, seize spires. Le bobinage extérieur 10 a des extrémités 15 et 16, et le bobinage intérieur 12 a des extrémités 17 et 18, respectivement. Les bobinages 10, 11 et 12 ont le même-sens d'enroulement et sont disposés l'un par rapport à l'autre de telle façon que leurs premières extrémités 13, 15 et 17 respectivement, sont disposées dans une position voisine sur la face frontale supérieure de la bobine 1, tandis que leurs autres extrémités, 14, 16 et 18 respectivement, sont disposées dans une position voisine sur la face frontale inférieure delta bobine 1, toutes les extrémités de tous les bobinages 10, 11 et 12 étant dirigés du même côté.Les éléments de connexion 19, 20 des extrémités des bobinages 10, 11 et 12 sont cour bés de façon appropriée, suivant des anglès s déterminés par la sec- tion du conducteur, comme représenté sur la Fig.2, et sont disposés du côte extérieur par rapport à 'l'une des parois latérales de la bobine assemblée 1. Les bobinages 10, 11 et 12 sont connectés en série : l'ex- trémité 13 du bobinage extérieur 10 est destinée à être reliée à une source -d'alimentation (non représentée'),, et Irautre extrémité 14 de ce bobinage 10 est -c, connectée, par ltintermédiaire de l'élément de connexion 19, à l'extrémité 17 du bobinage intérieur 12, au moyen de brasures fortes 21, 22.Une autre extrémité 18 du=bobinage intérieur 12 est connectée, par lsintermédiaire de ltélément de con nexion20, à ltextrémité 15 du bobinage de milieu Il, au moyen de brasures fortes 23 set 24, ltextrémité 16 du bobinage de milieu 11 étant aussi destinée à être reliée à une source d'alimentation (non représentée). Ainsi, pour un nombre impair de bobinages, les extrémités 13 et 16 de la bobine complète 1 sont constituées par les ex trémités des bobinages extérieur at ,de milieu. La fabrication de la bobine complète 1 est réalisée par assemblage des bobinages distincts, ou par enroulement d'une bobine à trois rangées avec isolement entre les rangées sur le même mandrin et en une seule opératison. La bobine à spires multiples pour pôle de machine électrique suivant l'invention, tout en ayant une hauteur minimale, peut avoir n'importe quel nombre de couches horizontales de spires, pair ou impair, permet de diminuer la complexité de fabrication, d'assemblage et des essais technologiques, de même que de simplifier l'entretien en service et d'augmenter la fiabilité de l'ensemble de la machine électrique grâce à une diminution du nombre de raccors soudés et à la disposition de tous les raccords sur le côté extérieur de la bobine. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Bobine à spires multiples pour pôle de machines électriques comportant plusieurs couches suivant sa hauteur et plusieurs rangées suivant son épaisseur et composée de bobinages distincts connectés électriquement entre eux, caractérisée en ce que chaque bobinage est réalisé en une seule rangée suivant son épaisseur et occupe toute la hauteur de la bobine, les bobinages ayant le même nombre de spires enroulées dans le même sens, étant disposés l'un dans l'autre de façon' concentrique , et étant orientés de telle ma niere que des premières extrémités de tous les bobinages sont disposées dans une position voisine sur une face frontale de la bobine, et que les secondes extrémités de tous les bobinages sont disposées dans une position voisine sur l'autre face frontale de la bobine, toutes les extrémités de tous les bobinages étant dirigées vers la même paroi latérale de la bobine et étant connectées à l'extérieur de la bobine. 2 - Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans le cas où la bobine est constituée de trois bobinages, 'on applique une tension d'alimentation à la première extrémité du bobinage extérieur et à la seconde extrémité du bobinage de milieu, et les premières extrémités des bobinages de milieu et intérieur sont soudées respectivement aux secondes extrémités des bobinages intérieur et extérieur, moyennant quoi les trois bobinages de ladite bobine sont connectés en série.