Brevet FR2426353A1 — publié le 19791214

La présente invention se rapporte aux machines électriques et concerne plus particuliérement des machines électriques à refroidissement cryogénique. L'invention trouve son application dans les machines électriques, telle que moteurs, générateurs, convertisseurs alternatif-continu que l'on utilise dans les centrales électriques nucléaires, thermi ques et autres, ainsi que dans les moyens de transport, l'aviation et l'astronautique. les machines électriques à refroidissement cryogénique de conception ordinaire comportent un rotor se présentant sous forme d'un cryostat tournant blindé du point de vue thermique et électromagnétique qui renferme un enroulement d'excitation supraconducteur maintenu à l'état supraconducteur par refroidissement jusqu'à de très basses températures de 4,5ex au moyen d'un agent frigorifique. Comme agent frigorifique on utilise le plus souvent l'hélium liquide. Un des problèmee importants se posant lors de la construction d'une telle machine réside dans le choix du système cryostatique de l'enroulement supraconducteur. L'hélium liquide arrivant d'une machine ou capacité frigorifique est amené à l'enroulement supraconducteur, il le baigne et il est ensuite évacué hors de la machine.La zone de basse température de l'enroulement d'excitation supraconducteur doit alors entre calorifugée c'est-à-dire être protégée tant contre les apports de chaleur par convection et par rayonnement, que contre les apports de chaleur dds à la conductibilité thermique des éléments de puissance.Un autre problème important qui se pose lors de la construction d'une telle machine réside dans le fait qu'il est nécessaire d'assurer a fiabilité de la machine supraconductrice, car d'une part, la construction du rotor doit supporter tout le couple de rotation transmis par l'enroulement supraconducteur et assurer en meme temps une rigidité suffisante aux contraintes thermiques pour interdire les vibrations du rotor, et d'autre part, il faut éviter un grand apport de chaleur inadmissible à l'enroulement supraconducteur, ladite garantie de fiabilité étant directement proportionnelle à la section transversale des éléments de puissance servant à fixer l'enroulement supraconducteur. On connatt une machine électrique à refroidissement cryogénique comportant un enroulement d'excitation supraconducteur disposé dans la cavité du rotor remplie par un agent frigorifique et fixé sur 1'arbre du rotor, ainsi qutun thermoécran électrique disposé dans la cavité entre le rotor et le corps dans laquelle est créé le vide et refroidi par l'agent frigorifique qui est évacué hors de la cavité du rotor à travers des chambres annulaires d'amenée de l'agent frigorifique vers le thermoécran électrique disposées à proximité immédiate des parois d'extrémité du rotor. Dans la machine électrique décrite ci-dessus la cavité du rotor remplie par l'agent frigorifique est formée par une virole dont la paroi d'extrémité est fixée sur l'arbre du rotor. l'inconvénient de cette construction consiste en ce que la paroi d'extrémité de la virole du rotor est rendue solidaire de arbre du rotor et de la paroi d'extrémité de la chambre annulaire d'amenée de l'agent frigorifique au thermoécran électrique. Une telle fixation de la virole provoque la transmission directe du flux de chaleur produit dans le thermoécran électrique, par la paroi d'extrémité de la virole du rotor, à l'hélium liquide qui remplît la cavité du rotor. I1 en est de même pour les apports de chaleur provenant du thermoécran électrique à l'enroulement d'excitation supraconducteur à travers la structu- re de l'arbre, car ledit thermoécran électrique est solidaire dudit arbre, alors que l'arbre ne comporte pas de moyens pour évacuer les apports de chaleur précités. En outre, lors de la mise en marche de la machine, pour un abai3- sement brusque de la température, la virole du rotor se trouve en état de contrainte compliquée. D'uPe part, ses parois d'extrémité sont soumises à l'action de forces axiales qui apparaissent à la suite de la dilatation (contraction) différente de la virole et, de l'arbre du rotor pour un gradient de températures élevé et autre part, elles sont soumises à l'action de la force de la pression de l'hélium liquide ainsi que des forces centrifuges qui agissent sur la virole même et sur ses parois d'extrémité. Pour cette raison, lesdites parois doivent être massives pour éviter la perte de stabilité, tant des parois ellesmimes que de la virole. On 'est proposé de créer une machine électrique à refroidisse- ment cryogénique dont la réalisation constructive du rot or permettrait de réduire considérablement les apports de chaleur par l'arbre du rotor à l'enroulement d'excitation supraconducteur. L'invention a donc pour obJet une machine électrique à refroi dissonent cryogénique comportant un enroulement d'excitation supraconducteur disposé dans la cavité du rotor remplie par l'agent frigorifique et fixé sur l'arbre du rotor, ainsi qu'un thermoécran électrique disposé entre le rotor et le corps, dans la cavité dans laquelle est créé le vide, refroidi par un agent frigorifique qui est évacué hors de la cavité du rotor k travers des chambres annulaires d'amenée de l'agent frigorifique au thermoécran électrique disposées à proximité immédiate des parois d'extrémité du rotor; caractérisé en ce que les parois d'extrémité du rotor et les parois d'extrémité des chambres annulaires d'amenée de l'agent frigorifique au thermoécran électrique possèdent des goulots coaxiaux par rapport k l'arbre du rotor, dispo sés l'un dans l'autre avec un Jeu et assemblés à leurs extrémités, le jeu entre les goulots communiquant avec la cavité entre le rotor et le corps dans laquelle est créé le vide, et en ce qu'il est prévu deux échangeurs de chaleur disposés à l'intérieur des goulots. Une telle réalisation du rotor de la machine électrique réduit les apports de chaleur dans la cavité du rotor qui arrivent au rotor, à l'enroulement d'ew itation supraconducteur par l'arbre de rotor et qui sont créés par la chaleur produite dans le thermoécran électrique, ainsi que par la chaleur arrivant par la virole du rotor. Afin de supprimer les contraintes qui apparaissent dans la virole du rotor, il eet avantageux d'exécuter les échangeurs de chaleur avec des arêtes hélicoTdales réalisées sur 11 arbre du rotor et à l'intérieur des goulots et disposées avec un Jeu 1' une par rapport k l'autre. 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 les quels - la Pig. 1 représente en coupe longitudinale, une machine électrique à refroidissement cryogénique suivant l'invention; - la Fig. 2 représente un ensemble Â de la Fig. 1, à plus grande échelle qui explique la disposition de l'échangeur de chaleur à l'intérieur des goulots; - la Fig. 3 représente à plus grande échelle un autre mode de réalisation de l'ensemble A de la figure 1;; - la Pig. 4 représente la vue générale de ltensemble Â de la Fig. 1, qui explique la réalisation de l'échangeur de chaleur, sni- vant l'invention. La machine électrique à refroidissement cryogénique comporte un rotor creux 1 (Fig. 1), dont l'arbre 2 prend appai sur des paliers 3 disposés dans des plateaux d'extrémité 4 du corps 5, sur la surface intérieure duquel est fié un enroulement statorique 6 (la structure du stator ntest pas représentée en détails). flans l'espace entre le rotor 1 et le corps 5 on maintient un vide qui sert de calorifugeage du rotor 1. Afin de maintenir le vide, dans les plateaux d'extrémité 4 sont prévus des joints à vide tonrnants 7. Le rotor creux, 1 est constitué d'unie virole cylindrique 8, dont les parois d'extrémité se raccordent à l'arbre 2 du rotor 1. A l'in- térieur de la virole 8, sur l'arbre 2 est fixé avec du compound épo xyde un enroulement 9 d'excitation supraconducteur. L'enroulement 9 d'excitation est réalisé en matériau ayant des propriétés de supra conducteur aux températures plus basses que la température critique, par exemple, en fil de niobium-titane stabilisé par une matrice en cuivre pur. Dans ltespace entre le corps 5 et la virole 8 dans lequel on maintient le vide, est disposé un thermoécran électrique 10 en matériau présentant des propriétés de supra conducteur et de bonne conductibilité électrique, ledit écran étant réalisé sous forme d'un cylindre à parois d'extrémités. L'egroulement 9 d'excitation est refroidi jusqu'à atteindre l'état supraconducteur au moyen d'un agent frigorifique 1l qui remplit la cavité du rotor 1 et circule dans des conduits (non représentés) réalisés dans ltenroulement 9 d'excitation supraconducteur. C'est l'hélium liquide qui est utilisé comme agent frigorifique Il. Pour assurer L'admission de 1' agent frigorifique 1l dans la cavité du rotor 1, son arbre 2 comporte un conduit axial réalisé à une extrémité et dans lequel est disposée une canalisation 12 isolée par vide. Les chambres annulaires 13 d'amenée de l'agent frigorique Il vers le thermoécran électrique 10 sont disposées à proximité immédiate des parois d'extrémité du rotor 1 avec un jeu sous vide. Les parois desdites chambres 13 orientées vers les extrémités du rotor 1 sont formées par les parois d'extrémité du thermoécran électrique 10. Dans le thermoécran électrique 10 sont réalisés des conduits 14 de circulation de l'agent frigorifique 11. Aux deux extrémités de l'arbre 2 du rotor 1 sont prévus des conduits 15 d'évacuation de l'agent frigorifique 11.Les conduits 15 communiquent avec les conduits 14 de circulation de l'agent frigorifique 11, de même qu'avec des collecteurs de gaz 16 disposés aux deux extrémités de 11 arbre 2 du rotor 1. Afin d'éliminer les apports de chaleur dans la cavité du rotor 1, sur l'arbre 2 du rotor 1, à ses extrémités sont montés des échangeurs de chaleur 17. Sur la figure 2 est montée à échelle agrandie la zone de disposition des échangeurs de chaleur 17. les parois d'extrémité de la virole 8 (Fig. 2) sont pourvues de goulots 18, tandis que les parois d'extrémité du thermoécran électrique 10 comportent des goulots 19. Les goulots 18 sont disposés à l'intérieur des goulots 19 et entourent l'arbre 2 du rotor 1. I1 y a un jeu entre les goulots 18 et 19. À leurs extrémités, les goulots 18 et 19 sont assemblés par soudure étanche au vide, et le jeu entre lesdits goulots communique avec la cavité entre le rotor 1 et le corps 5 dans lequel on maintient le vide, maintenu également dans le jeu. Les goulots 18 et 19 sont orientés vers la même extrémité de l'arbre 2 du rotor 1 où ils sont disposés. À l'intérieur des goulots 18 et 19 sont disposés des échangeurs de chaleur 17. Sur la Fig. 3 est représenté un autre mode de réalisation du me- me ensemble A qui est représenté sur la Fig. 2. D'après ce mode de réalisation, les goulots 20 et 21 sont orientés du côté opposé aux extrémités de l'arbre 2 du rotor 1 où lesdits goulots sont disposés. Une telle réalisation des goulots 20 et 21 permet de diminuer la longueur de l'arbre 2 du rotor 1. Sur la Fig. 4, est montré l'échangeur de chaleur 17 qui est constitué d'arêtes hélicoTdales 22 réalisées sur l'arbre 2 du rotor 1, ainsi que d'arêtes hélicoldales 23 réalisées à l'intérieur du goulot 18. Les arêtes hélicoidales 22 et 23 sont disposées avec un jeu l'une par rapport à l'autre. Le refroidissement de l'enroulement d'excitation supraconducteur 9 (Fig. 1) de la machine électrique à refroidissement cryogénique s'effectue de manière suivante. L'agent frigorifique 1l arrive sous pres sion depuis la machine frigorifique (non représentée) dans la canalisation 12 et est amené dans la cavité du rotor 1, à l'enroulement d'excitation supraconducteur 9, en le refroidissant. En sortant de la cavité du rotor 1 l'agent frigorifique 1l arrive dans les échangeurs de chaleur 17. En passant par les échangeurs de chaleur 17 l'agent frigorifique Il refroidit l'arbre 2 et les goulots 18 de la virole 8. Après avoir quitté les échangeurs de chaleur 17, l'agent frigorifique 11 est admis à travers les chambres annulaires 13 dans les conduits 14 du thermoécran électrique 10. En passant par les chambres 13 l'agent frigorifique refroidit les parois d'extrémité du thermoécran électrique LO, et le thermoécran électrique 10 lui-mSme est refroidi lors du passage de l'agent frigorifique par les conduits 14. Auprès avoir quitté le thermoécran électrique 10, 1'agent frigorifique 11 arrive dans les conduits 15 de l'arbre 2 du rotor 1, refroidit 1' arbre 2 et ensuite il est évacué dans les collecteurs de gaz 16. - REVENDICATIONS 1 - Machine électrique à refroidissement cryogénique comportant un enroulement d'excitation supraconducteur disposé dans la cavité du rotor remplie par un agent frigorifique, et fixé sur l'arbre du rotor, ainsi qu'un thermoécran électrique disposé dans la cavité entre le rotor et le corps dans laquelle est créé un vide et refroidi par un agent frigorifique qui est évacué hors de la cavité du rotor k travers les chambres annulaires d'amenée de l'agent frigorifique au thermoécran électrique disposées à proximité immédiate des parois d'extrémité du rotor, caractérisée en ce que les parois d'extrémité du rotor et les parois d'extrémité des chambres annulaires d'amenée de l'agent frigorifique au thermoécran électrique, orientées vers les parois d'extrémité du rotor comportent des goulots coaxiaux par rapport à l'arbre du rotor disposés l'un dans l'autre avec un Jeu et assemblés à leurs extrémités, le jeu entre les goulots communiquant avec la cavité entre le rotor et le corps dans laquelle on maintient le vide, et en ce qu'il est prévu deux échangeurs de chaleur disposés k l'intérieur de goulots. 2 - Machine électrique k refroidissement cryogénique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les échangeurs de chaleur sont formés par des arêtes hélicordales réalisées sur l'arbre du rotor et aussi à l'intérieur des goulots et disposées avec un jeu l'une par rapport à l'autre.