Brevet FR2426352A1 — publié le 19791214

La présente invention se rapporte aux machines électriques, et concerne plus particulièrement des machines électriques à refroidissement cryogénique. L'invention trouve son application dans les machines éleetriques, telles que moteurs, générateurs, convertisseurs alternatif-continu, que l'on utilise dans les centrales électriques nucléaires, thermiques et autres, ainsi que dans les moyens de transport et dans l'aviation. L'invention peut également entre largement utilisée dans les centrales électriques cosmiques, ainsi que dans les dispositifs qui nécessitent le refroidissement de l'enroulement électrique tournant jusqu'g attendre l'état supraconducteur. Ainsi qu'il est connu, les machines électriques à refroidissement cryogénique de conception ordinaire comportent un enroulement d'excitation supraconducteur fixé dans un rotor creux, ce dernier constituant un cryostat tournant. Le maintien de l'enroulement d'excitation à l'état supraconducteur est effectué par refroidissement dudit enroulement jusqu'aux très basses températures de l'ordre de ru4,5 E au moyen d'un agent frigorifique. Comme agent frigorique on utilise l'hélium liquide. Plus la température de l'enroulement supraconducteur et par conséquent, du supraconducteur est basse, plus le courant et l'intensité du champ magnétique qu'admet l'enroulement supraconducteur sont grands, et plus le rendement de toute la machine est élevé. L'élévation de la température de l'enroulement supraconducteur de 1 à 3 degrés a pour effet de réduire considérablement le rendement de la machine. I1 existe plusieurs schémas de machines électriques supraconductrices dans lesquelles, dans le but de maintenir l'état supraconducteur de l'enroulement d'excitation tournant, ce dernier est immergé dans l'hélium liquide. On connaît une machine électrique à refroidissement cryogénique comprenant un enroulement d'excitation supraconducteur auquel sont branchées des barres conductrices de courant, ledit enroulement étant disposé dans la cavité du rotor remplie d'un agent frigorifique et fixé sur l'arbre du rotor qui comporte un conduit axial d'amenée de l'agent frigorifique à l'enroulement d'excitation supraconducteur, réa lisé à une extrémité de l'arbre, et des conduits d'évacuation de l'agent frigorifique qui sont réalisés aux deux extrémités de l'arbre. Cependant, du fait de l'action des forces centrifuges qui agissent sur l'hélium liquide se trouvant dans le volume tournant, il se produit une élévation de la température et de la pression de l'hélium liquide, ce qui conduit à la formation d'un mélange à deux phases d' - agent frigorifique, ainsi qu'à l'accroissement de la teneur dudit mé- lange en vapeur. Plus la vitesse circonférentielle de rotation du rotor, de même que son rayon, sont élevés, plus l'élévation de la température et de la pression est grande.Une telle élévation de la température de l'hélium liquide et, par conséquent, de l'enroulement d'excitation supraconducteur tournants n'est pas désirable, car les supraconducteurs mis en oeuvre dans l'industrie, de même que les enroulements supraconducteurs qui sont réalisés à partir de ceux-ci peuvent fonctionner d'une manière satisfaisante à des températures ne dépassant pas 50 k. Un inconvénient de la machine précitée réside également dans le fait que la température de l'enroulement supraconducteur est détermi- née par la conductibilité thermique de son contact avec l'arbre, ct elle sera plus élevée en fonction de l'élévation des contraintes de compression qui apparaît à la suite de l'action des forces de compris sinon de l'enroulement supraconducteur sur l'arbre, lesdites contrain- tes étant nécessaires pour transmettre le couple de torsion de l'en- roulement supraconducteur vers le dispositif d'entraînement.Avec une fixation et un refroidissement de cette-nature de l'enroulement supraconducteur, il est difficile d'assurer un champ de température régu- lier, tant suivant la surface, que suivant le rayon. Dans le cas d'une variante prévoyant le remplissage total de la cavité intérieure du rotor par l'agent frigorifique liquide, c'est l'évacuation de sa phase gazeuse qui devient compliquée. Les pertes calorifiques et la tem- pérature de l'agent frigorifique qui sont liées au frottement et à la compression du liquide à deux phases dans le champ centrifuge, se trouvent aussi accrues. On s'est proposé de créer une machine électrique à refroidisse ment cryogénique dont la réalisation constructive de l'arbre du rotor assurerait la réduction des apports de chaleur par l'arbre du roter i l'enroulement d'excitation supraconducteur et permettrait de refroi- dir l'enroulement d'excitation uniquement par la phase liquide de l' gent frigorifique à une température de ~ A,5Q k. L'invention a donc pour objet une machine électrique à refroidissement cryogénique comprenant un enroulement d'excitation supraconducteur auquel sont branchées des barres conductrices de courant, disposé dans la cavité du rotor remplie d'un agent frigorifique, et fixé sur l'arbre du rotor qui a un conduit axial d'amenée de l'agent frigorifique à l'enroulement d'excitation supraconducteur, ledit conduit étant réalisé à une extrémité de l'arbre, et des conduits d'évacuation de l'agent frigorifique réalisée aux deux extrémités de l'arbre, caractérisée en ce que sur l'arbre du rotor sont réalisées des encoches disposées parallèlement à l'axe du rotor dans les zones de fixation de l'enroulement supraconducteur suivant toute sa longueur, lesdites encoches communiquant avec les conduits d'amenée de l'agent frigorifique, un conduit supplémentaire étant réalisé suivant l'axe de l'arbre du rotor pour évacuer l'agent frigorifique, ce dernier conduit étant disposé de l'autre obté dudit arbre et communiquant avec les encoches. I1 est également avantageux, pour réduire les apports de chaleur à l'intérieur du rotor par les barres d'amenée de courant, de disposer des barres d'amenée de courant dans le conduit supplémentaire servant à évacuer 11 agent frigorifique. Ainsi, une telle rdalisation de la machine électrique à refroidissement cryogénique permet d'élever considérablement l'efficacité de la protection thermique de l'enroulement d'excitation supraconducteur et de le maintenir à une température de 4,50 X, grace à son refroidissement par l'agent frigorifique liquide à une phase. 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 et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la Fig. 1 représente en coupe longitudinale une machine électrique a refroidisse;aent cryognique, suivant l'invention - la Fig. 2 représente à plus grande échelle une coupe suivant la ligne II - II de la Fig. 1 du rotor d. la machine électrique, suivant l'invention; - la Fig. 3 représente en coupe longitudinale à plus grande échelle une partie du conduit supplémentaire d'évacuation de l'agent frigorifique et illustre la disposition dea barres conductrices. La machine électrique à refroidissement cryogénique comprend un rotor creux 1 (Fig. l),dont l'arbre 2 s'appuie sur des paliers 3 dis posés dans des plateaux d'extrémité 4 du corps étanche 5, sur la sur- face intérieure duquel est fixé un enroulement statorique 6 (la cons- traction de l'enroulement statorique 6 ntest pas représentée en dd- tails). Dans l'espace entre le rotor 1 et le corps étanche 5 on maintien un vide qui assure le calorifugeage du rotor 1. Afin de maintenir le vide, les plateaux d'extrémité 4 portent des joints à vide tournants 7. Le rotor creux I comporte un enroulement d'excitation supraconducteur 8 fixé sur l'arbre 2 du rotor ï et disposé à l'intérieur d'une virole 9 qui forme la cavité de rotor I remplie d'un agent frigorifique 10. L'enroulement d'excitation 8 est réalisé en matière qui a des propriétés de supraconducteur aux trbs basses températures, par exem- ple, en fil de niobium-titane stabilisé par une matrice en cuivre pur. L'enroulement d'excitation 8 est refroidi Jusqu' atteinre l'état supraconducteur au moyen d'un agent frigorifique 10. Comme agent fri gorifique on utilise de l'hélium liquide à la température de 4,2 K Pour assurer le refroidissement de l'enroulement d'excitation 8, dans ce dernier sont réalisés des conduits radiaux 11 qui s1élargis sent.Le nombre de conduits 11 est limité uniquement par la rigidité de la structure de l'enroulement d'excitation supraconducteur 8. La fixation de l'enroulement d'excitation supraconducteur 8 sur l'arbre 2 est réalisée par un moyen connu, par exemple, à l'aide de frettes en plastique renforcé de fibres de verre feuilleté (sur les figures la fixation de l'enroulement est représsnti d'une manière conventionnelle)O Dans les zones de fixation de l'enroulement d'excitation 8 sur arbre 2 du rotor 1 perallelement à l'axe du rotor 1 et sur toute la longueur de l'enroulement d'excitation 8 sont réalisées des encoches 12.Les encoches 12 sont fermées par des segments 13 réalisés en matériau conducteur de la chaleur, par exemple, en bronze, et comportant des orifices qui coincident avec les conduits Il de l'enroulement d'excita- tion supraconducteur 8. Les extrémités de l'arbre 2 du rotor 1 sont réalisées en forme de deux tubes coaxiaux 14, 15 assemblés par filetage, dont les jeux constituent des conduits 16 d'évacuation de l'agent frigorifique 10. Les conduits 16 communiquent avec la cavité du rotor le Pour assurer l'arrivée de l'agent frigorifique 10 à l'enroulement d'excitation 8, l'arbre 2 du rotor 1 a un conduit axial 17 ménagé à une extrémité de l'arbre 2 et ayant la forme d'une canalisation de vide isolée. A l'autre extrémité de 11 arbre du rotor 1 et suivant son axe, est réalisé un conduit 18 d'évacuation de l'agent frigorifique 10 qui a aussi la forme d'une canalisation de vide isolée. Le conduit 17 d'amenée de l'agent frigorifique 10, de même que le conduit 18 d'évacuation de l'agent frigorifique 10 communiquent avec les encoches 12. Pour la sortie de l'agent frigorifique 10 hors des conduits 16 et 18, aux extrémités du rotor 2 sont fixés des collecteurs de gaz 19. Pour alimenter l'enroulement d'excitation 8 en courant, on a prévu des barres d'amenée de courant 20, réalisées en cuivre. Les barres d'amenée de courant 20 sont disposées dans le conduit 18 d'évacuation de l'agent frigorifique et sont connectées à des bagues collectrices de courant 21 disposées sur l'arbre 2, à l'extré- mité où est réalisé le conduit d'évacuation de l'agent frigorifique 10. Comme représenté d la Fig. 2, l'enroulement d'excitation 8 est un enroulement à deux pâles et il comporte dans ce cas deux sections. Conformément au nombre de sections, le nombre d'encoches 12 est également de deux. Si l'enroulement d'excitation 8 a un nombre de p81es différent alors les encoches sont réalisées au-dessous de chaque section de 1'enroulement supraconducteur. La largeur et la profondeur d'une encocne 12 sont choisies en fonction de la solidité requise de l'arbre 2. Entre les pâles de l'enroulement d'excitation 8 sont disposées des pièces d'insertion 22 (Pig. 2) réalisées en matière calorifuge dié- lectrique, par exemple, en micarte. Dans 1 enroulement d'excitation (Pig. 1) entre les conduits ra diaux 11 et dans les pièces d'insertion interpolaires 22 (Fig. 2) sont prévue des conduits longitudinaux 23 qui communiquent avec le jeu entre la virole 9 et l'enroulement d'excitation 8 par des orifices radiaux qui sont disposés sur toute la longueur du conduit 23. Le conduit 18 (Fig. 1) d'évacuation de l'agent frigorifique 10 est constitué de deux tubes coaxiaux 24, 25 (Fig. 3). Les barres con ductrioes de courant 20 sont réalisées sous forme de deux conducteurs en cuivre de polarités différentes qui sont disposés dans le tube in tdrieur 24. Le tube 24 est disposé dans le tube 25 et est supporté par les éléments d'appui incurvés 26 réalisés en matière calorifuge dié lectrique. Le tube extérieur 25 est fixé dans l'orifice axial de l'- arbre 2 sur des éléments d'appui à billes 27 réalisés en matière calorifuge diélectrique, par exemple, en céramique 03. Le sens de mouvement de l'agent frigorifique sur les Fig. 1, 2, 3 est indiqué par des flèches. Le refroidissement de l'enroulement d'excitation supraconducteur 8 (Fig. 1) de la machine électrique à refroidissement cryogénique '- effectue de façon suivante : L'hélium liquide utilisé comme agent frigorifique 1Q, est admis sous pression depuis une machine frigorifique (non représentée) par le conduit 17 d'amenée de l'agent frigorifique 10, dans la cavité du rotor en rotation 1.Tout d'abord l'agent frigorifique 10 est amené aux encoches 12 de l'arbore 2 ou sa phase liquide, sous l'action des forces centrifuges, est rejetée vers la surface intérieure des eeg- ments 13, tandis qu'une phase gazeuse qui s'est formée à la suite dtE- ne action de compression centrifuge préalable et de forces de frottement, s'accumule plus près de l'axe de l'arbre 2.La phase liquide de l'agent frigorifique 10, sous l'action des forces centrifuges et des forces de pression est poussée hors des encoches 12, à travers les orifices des segments 13 et les conduits 11 de 1 enroulement d'excita- tion 8 dans la cavité intérieure du rot or 1.Sur la surface intérieure de la virole 9 il se produit encore une séparation de l'agent frigo- rifique 10 avec formation de phases liquide et gazeuse, la phase liquide restant sur la surface de la virole 9, tandis que la phase gazeuse passe à travers les orifices radiaux et les conduits longitudi- naux de gaz 23(Fig. 2) vers les jeux circulaires formés par la surface d'extrémité de la virole 9 et l'enroulement d'excitation 8, pénètre dans les conduits 16 d'évacuation de l'agent frigorifique aux deux extrémités de l'arbre 2 et parvient aux collecteurs de gaz 19. En mme temps, la phase gazeuse de l'agent frigorifique 10, se trouvant dans les encoches 12, arrive dans le conduit 15 d'évacuation de l'agent frigorifique, refroidit les barres conductrices de courant 20 et est envoyée dans les collecteurs de gaz 19. Desdits collecteurs de gaz 19 l'agent frigorifique 10 est envoyé dans la machine frigorifique (non représentée). Une telle réalisation de la machine électrique permet de refroi- dir d'une manière efficace l'enroulement supraconducteur du rotor et de réduire sa température Jusqu' une valeur qui ne dépasse pas la température de l'agent frigorifique arrivant, car l'influence de la compression centrifuge dans les encoches agit faiblement sur son élévation. Une pareille réalisation du système de refroidissement de 1'enroulement permet aussi d'utiliser dtune manière efficace comme agent frigorifique de l'hélium liquide 8oue pression et à une température réduite, d'accrottre l'efficacité de la protection thermique de l'enroulement supraconducteur, ainsi que de son système de refroidissement, et d'élever en même temps le rendement de la machine électrique. Elle permet tout en gardant le mEme encombrement, d'élever la puissance de la machine électrique de 1,5 fois en comparaison avec les machines connues. - REVENDICATIONS 1 - Machine électrique à refroidissement cryogénique, compre- nant un enroulement d1excitation suppraconducteur auquel sont bran- chées des barres conductrices de courant, disposé dans la cavité du rotor remplie d'un agent frigorifique, et fixé sur l'arbre du rotor qui comprend un conduit axial d'amenée d'un agent frigorifique-à 1'- enroulement d'excitation supraconducteur, ledit conduit étant réalisé à une extrémité de l'arbre, et des conduits d'évacuation de l'agent frigorifique réalisés aux deux extrémités de l'arbre, caractérisée en ce que dans l'arbre du rotor sont réalisées des encoches disposées parallèlement à l'axe du rotor dans les zones de fixation de 1' enrou- lement supraconducteur sur toute sa longueur, lesdites encoches con- muniquant avec le conduit d'amenée de l'agent frigorifique, un conduit supplémentaire d' évacuation de l'agent frigorifique étant réali- sé suivant l'axe de arbre du rotor et disposé à l'autre extrémité dudit arbre et communiquant aussi avec les encoches. 2 - Machine électrique à refroidissement cryogénique, suivant la revendication 1, caractérisée en ce que dans le conduit supplémen taire d'évacuation de l'agent frigorifique sont disposées des barres conductrices de courant.