Brevet FR2444361A1 — publié le 19800711

La présente invention concerne les machines électriques et plus particulièrement, les dispositifs de fixation des têtes de bobines de l'enroulement statorique d'une machine électrique. L'invention est surtout applicable aux turbo-alternateurs de grande et de très grande puissance dans lesquels les enroulements électriques statoriques sont soumis au cours du fonctionnement de la machine, à d'importantes sollicitations de nature électrodynamique et thermique. On connatt un dispositif de fixation des têtes de bobines de l'enroulement statorique d'une machine électrique (voir, par exemple, le brevet suisse NO 413 073) comprenant un anneau isolant intérieur coaxial à l'alésage du noyau statorique et portant les têtes de bobines de l'enroulement statorique, et un anneau isolant extérieur enserrant les têtes de bobines du côté extérieur. Dans ce dispositif, les anneaux d'appui intérieur et extérieur sont solidarisés entre eux par l'intermédiaire des têtes de bobines et par des éléments les fixant à ces dernières, ledit anneau extérieur pouvant se déplacer axialement par rapport au noyau statorique, mais étant solidement lié au bâti statorique dans le sens radial. L'un des inconvénients d'une telle structure du dispositif de fixation des têtes de bobines est l'emploi d'un nombre relativement grand d'éléments d'assemblage présentant des configurations assez complexes ce qui implique une précision élevée de leur fabrication et rend plus difficiles l'assemblage et l'ajustement de l'enroulement statorique de la machine. Un autre inconvénient de cette disposition connue consiste en ce que le niveau des vibrations des têtes de bobines n'est pas suffisamment abaissé, vibrations qui prennent naissance sous l'effet de sollicitations électrodynamiques alternatives pendant le fonctionnement de la machine électrique et qui peuvent avoir pour conséquence un défaut de brasure aux jonctions des barres d'enroulement, une abrasion et un froissement de l'isolement aux endroits de fixation et à la sortie des barres des encoches du noyau ainsi qu'une déformation par fatigue des conducteurs élementaires en cuivre constituant les barres d'enroulement. 'les raisons de cet inconvénient sont les suivantes.En premier lieu, les anneaux d'appui intérieur et extérieur sont disposés à une distance relativement grande des parties d'extrémité des têtes de bobines: or, c'est justement à ces parties d'extrémité que l'on observe un niveau de vibrations maximal pendant la marche de la machine électrique. En second lieu, l'anneau intérieur présente en section transversale une surface réduite par comparaison avec celle des têtes de bobines, ce qui empêche d'accro4- tre d'une façon suffisante la rigidité totale de l'ensemble du système de fixation des têtes de bobines. Il est bien connu, cependant, que la rigidité élevée du système de fixation représente l'une des conditions indispensables pour l'abaissement du niveau de vibrations des têtes de bobines.En troisième lieu, compte tenu de l'existence de plusieurs éléments intermédiaires pour la fixation des anneaux intérieur et extérieur aux barres des têtes de bobines, la rigidité de la liaison entre les anneaux et les têtes de bobines est également compromise ce qui empêche également l'abaissement du niveau de vibrations des têtes de bobines. Parmi les inconvénients de la disposition antérieure pour la fixation des têtes de bobines, on peut citer également le fait que l'anneau extérieur est, d'une part fixé solidement au bâti statorique dans le sens radial par l'intermédiaire des éléments d'assemblage et, d'autre part, rigidement fixé à l'enroulement statorique. Ceci a pour effet que les oscillations du bâti statorique se superposent à celles des têtes de bobines au cours du fonctionnement de la machine électrique ce qui peut entraSner des déformations variables de flexion supplémentaires dans les barres d'enroulement à l'endroit de leur passage de la partie d'encoche de l'enroulement à la tête de bobine, d'où il peut résulter une altération de la solidité de ces barres et un abaissement de la sûreté de fixation des tdtes de bobines. Ainsi, la structure décrite du dispositif de fixation des têtes de bobines d'un enroulement statorique pour machine électrique ne peut pas assurer une fixation suffisamment fiable des têtes de bobines et ne permet donc pas,d'éviter complètement le risque de résonance des têtes de bobines à la fréquence des oscillations perturbatrices pendant le fonctionnement de la machine électrique. La présénte invention se propose de créer un dispositif de fixation des têtes de bobines d'un enroulement statorique d'une machine électrique dans lequel les vibrations des têtes de bobines surgissant au cours du fonctionnement de la machine soient sensiblement réduites grâce à une modification des caractéristiques mécaniques du système de fixation des têtes de bobines ce qui est rendu possible en utilisant un anneau intérieur présentant une rigidité permettant de modifier en le sens voulu la fréquence des oscillations propres du système ainsi formé par rapport à la fréquence des oscillations perturbatrices. L'invention a donc pour objet un dispositif de fixation des têtes de bobines d'un enroulement statorique d'une machine électrique comprenant deux anneaux isolants fixés l'un à l'autre dont un est disposé intérieurement et concentriquement par rapport à l'alésage du noyau statorique, cet anneau intérieur portant les têtes de bobines de l'enroulement statorique, 11 autre anneau étant extérieur et enserrant les têtes de bobines du coté extérieur, cet anneau extérieur étant relié de façon mobile au noyau statorique, ce dispositif étant caractérisé en ce que l'anneau intérieur est relié à l'anneau extérieur essentiellement dans la zone des parties d'extrémité des têtes de bobines et en ce qulà à cet anneau intérieur sont fixées des pièces en Z qui portent sur les têtes de bobines et empêchent l'anneau intérieur, grâce à l'action de saillies qu'elles possèdent, de se déplacer axialement par rapport aux têtes des bobines, la saillie de chacune des pièces en Z qui se trouve en regard de la face d'extrémité du noyau étant disposée entre les barres d'enroulement, à leur sortie des encoches du noyau, et rigidement reliée à l'un des supports qui sont reliés de façon mobile à la plaque de pression dont est muni le noyau et qui sont fixés à l'anneau extérieur. Ce dispositif de fixation des têtes de bobines d'un enroulement statorique d'une machine électrique offre l'avantage que les anneaux d'appui intérieur et extérieur sont placés essentiellement dans la zone des parties d'extrémité des têtes de bobines, c'est-à-dire, dans la zone du niveau maximal de vibration des têtes de bobines, grâce à quoi on peut abaisser sensiblement le niveau des vibrations engendrées pendant le fonctionnement de la machine électrique sous l'effet de sollicitations électrodynamiques. En outre, étant donné que dans la disposition suivant l'invention les parties d'encoche et les têtes des barres d'enroulement sont fixés par rapport au noyau statorique, et ceci de façon mobile, alors qu'elles ne sont pas as sujettes au bâti statorique, on obtient la possibilité que les tAtes de bobines peuvent se déplacer lors des dilatations thermiques ce qui réduit ainsi très notablement le risque de l'effet des vibrations du bâti statorique sur les têtes de bobines. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'anneau intérieur est fixé à l'anneau extérieur au moyen de goujons et de Joints en un matériau moulable et durcissable posé entre ces anneaux et les têtes de bobines de l'enroulement statorique. Selon une autre caractéristique, la saillie de la pièce en Z qui se trouve en regard de la face d'extrémité du noyau statorique et le support fixé à l'anneau extérieur sont reliés entre eux au moyen de goujons. Un tel assemblage des éléments constitutifs mentionnés permet un montage aisé et une sécurité satisfaisante de fonctionnement du dispositif de fixation des têtes de bobines, selon l'invention. De plus, les goujons sont fabriqués de préférence en un matériau amagnétique. Les goujons peuvent être réalisés en acier amagnétique recouvert d'un enduit isolant. Les goujons peuvent aussi être fabriqués en plastique verrerésine. En employant les matériaux précités, on évite la génération dans les goujons de courants de Foucault et l'échauffement résultant des goujons par ces courants. D'autres caractéristiques apparattront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation de l'invention en référence au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple et sur lequel la figure unique représente en coupe longitudinale une partie du stator d'une machine électrique/ équipé d'un dispositif de fixation des têtes de bobines faisant l'objet de l'invention. En se référant à cette figure unique, on voit le noyau 1 d'un turbo-alternateur puissant constitué par un empilement de tôles dans lequel sont ménagées des encoches, par exemple, l'encoche 2. L'enroulement statorique placé dans cette encoche présente les têtes d'une barre d'enroulement 3 supérieure et d'une barre d'enroulement 4 inférieure dont la jonction constitue une partie d'extrémité 5. Contre les faces d'extrémité du noyau 1 sont appliqués des organes assurant le serrage axial du paquet de tôles et comportant notamment, pour la face montrée sur le dessin, une plaque de pression 6 et un goujon de serrage 7. Le dispositif de fixation des têtes de bobines de l'en ulement statorique, objet de l'invention, comprend un anneau intérieur 8 dont la section transversale est relativement grande et qui est fabriqué à partir d'un matériau isolant. Il doit présenter un degré de rigidité suffisamment élevé pour supporter les phénomènes qui seront décrits plus loin. 'anneau intérieur 8 est concentrique à l'alésage du noyau 1 et placé à une certaine distance de la face d'extrémité de celui-ci, cette distance étant déterminée par la longueur des tetes de bobines.L'anneau 8 présente une surface interne cylindrique 9 dont le dia trie est à peu près égal à celui de l'alésage du noyau 1, et une surface externe composée d'une portion conique 10 et d'une portion cylindrique 11. 'les têtes de bobines reposent sur l'anneau intérieur 8 de telle sorte que le tronçon incliné de la tête appartenant à la barre supérieure 7 porte sur la portion conique 10, tandis nue la partie d'extrémité 5 porte sur la portion cylindrique Il de la surface externe de cet anneau. Du coté extérieur des têtes de bobines de l'enroulement statorique est monté, en les enserrant, un anneau extérieur 12 dont la section transversale est relativement petite et qui s'appuie par sa surface interne contre la partie d'extrémité 5, assurant ainsi le serrage des têtes de bobines contre 11 anneau intérieur 8. 'les anneaux extérieur 12 et intérieur 8 sont reliés l'un à l'autre à l'aide de goujons de serrage 13.En vue d'obtenir une liaison parfaite entre les anneaux 8 et 12 et les têtes de bobines, des joints 14 sont disposés entre la tête et la portion de la partie d'extrémité 5 appartenant à la barre supérieure 3, d'une part, et la surface externe 10, 11 en regard de l'anneau intérieur 8,d'autre part, ainsi qu'entre la portion de la partie d'extrémité 5 appartenant à la barre inférieure 4 et lo surface interne en regard de l'anneau extérieur 12. Ces joints 14 sont réalisés en un matériau moulable et durcissable présentant des propriétés adhésives. Ce matériau assure une étanchéité convenable du jet d'assemblage entre les têtes de bobines et les anneaux intérieur 8 et extérieur 12 en comblant entièrement les irrégularités inévitables existant dans ce jeu.Ainsi il permet d'augmenter la rigidité de la fixation des anneaux aux têtes de bobines. Des pièces en Z 15 disposées axialement et fixées à l'anneau intérieur 8, empêchent ce dernier de se déplacer axialement par rapport aux têtes de bobines. On n'a représenté au dessin au'une seule pièce en Z 15, l'une des saillies 16 de celle-ci est fixée à l'anneau intérieur 8 par un goujon 17, son autre saillie 18 étant située entre des barres supérieures 3 de l'enroulement statorique, c'est-à-dire à la sortie de ces barres de l'encoche 2 pratiquée dans le noyau 1. La configuration de la saillie 18 de la pièce 15 doit épouser celle des portions adjacentes des barres supérieures 3. L'anneau extérieur 12 est fixé par un goujon 19 à un support isolant 20 qui est enserré de façon mobile dans un étrier fabriqué en acier amagnétique et fixé à la plaque de pression 6. Cette dispo sition assure la possibilité d'un déplacement axial des têtes de bobines, et des anneaux intérieur 8 et extérieur 12, par rapport au noyau statorique 1. La pièce en Z 1 5 est rigidement fixée au support isolant 20 grâce au fait que la saillie 18 est fixée au moyen d'un goujon 22 à l'extrémité correspondante 23 du support isolant 20. Les têtes des barres supérieure 3 et inférieure 4 de l'enroulement statorique sont disposées sur des anneaux de bandage 24 portant sur le support isolant 20 et reliés ensemble à l'aide de cordons 25. Entre les anneaux de bandage 24 sont disposés des entretoises 26 qui sont fixées à leur tour au support isolant 20 par des cordons 27 logés dans des trous appropriés pratiqués dans ce support. L'étrier 21 est rigidement fixé à la plaque de pression 6 au moyen de goujons 28. 'les goujons 13, 17, 22 et 28 sont respectivement associés à des écrous 29, 30, 31 et 32a te fonctionnement du dispositif que l'on vient de décrire est le suivant. Pendant la marche du turbo-alternateur, lesÉttes de bobines de l'enroulement statorique sont soumises aux sollicitations électrodynamiques alternatives qui tendent à provoquer des vibrations des têtes de bobines, principalement radiales et tangentielles. Toutefois, dans le dispositif suivant l'invention le niveau des vibrations engendrées sera sensiblement abaissé grâce à la rigidité de l'ensemble de la structure et, en premier lieu, grâce- à la liaison rigide entre les éléments constitutifs du dispositif. Il se forme dans ce système, un circuit fermé constitué par les éléments suivants rigidement connectés entre eux: l'anneau intérieur 8, la pièce en Z 15 avec sa saillie 18, le goujon de serrage 22, le support isolant 20, l'anneau extérieur 12, les goujons de serrage 13 avec les joints 14 en un ma tériau moulable et durcissable disposés sur la partie d'extrémité 5 des têtes de bobines et l'arneau intérieur 8. Ce circuit forme un ensemble monobloc des têtes de' bobines et de leurs élém2nl;s dassen- blage qui résistent alors cornue un tout aux forces les sollicitant. Une contribution importante est, en outre, apportée à la rigidité de l'ensemble de la structure proposée par la rigidité de l' n- neau intérieur 8 dont le principe de fonctionnement est exposé ci- dessous. Be système de têtes de bobines avec les éléments d'assemblage les plus élémentaires (anneaux de bandage, cordons, etc..) possède, lorsqu'il est réuni en un tout, des caractéristiques inhérentes telles qu'une rigidité déterminée C, une masse rapportée N et une fréquence des oscillations propres exprimée par la formule En cas d'action de forces électrodynamiques alternatives, la valeur A des vibrations d'un tel système est déterminée par la valeur de la force perturbatrice F, la valeur de la rigidité C, le taux de dévIa- tion de la fréquence par rapport à la fréquence des oscillations perturbatrices # et le facteur d'amortissement r ,selon la for mule : Comme on a pu le constater, la rigidité inhérente C des têtes de bobines de l'enroulement statorique ne peut être augmentée que jusqu'à un certain niveau déterminé par les dimensions géométriques des têtes de bobines et les propriétés physiques des matériaux utilisés pour leur fixation.En même temps, la valeur de la fréquence des oscillations propres #c des têtes de bobine s'avère souvent voisine de la fréquence des oscillations perturbatrices # (100 ou 120 hertz). ans ce cas, la valeur A des variations s'accroît avec l'accroissement de la forme perturbatrice F. Si l'on veut abaisser de façon sensible le niveau A des vibrations, l'anneau intérieur 8 doit-présenter une rigidité inhérente C1 supérieure à la rigidité C que possèdent les têtes de bobines sans cet anneau.L'abaissement du niveau IL des vibrations est alors obtenu aussi bien du fait de l'augmentation de la rigidité totale déterminée par les composantes C et Ci, que par suite de la variation de la fréquence des oscillations propres de l'ensemble du système, variation qui a eu lieu en raison de la modification de la rigidité totale du système. L'augmentation de la rigidité de l'anneau intérieur 8 dans le dispositif de fixation des têtes de bobines suivant l'invention est possible gracie au choix judicieux de matériaux à module d'élasticité élevé utilisés pour la fabrication de cet anneau intérieur ainsi que par le choix convenable de la section transversale de cet anneau qui doit être compatible avec celle des têtes de bobines. Cette dernière disposition est atteinte, en rendant le diamètre intérieur de l'anneau intérieur 8 aussi petit que possible pour un turbo-alternateur particulier et en cherchant à obtenir son épaisseur optimale par l'emplacement de l'anneau essentiellement dans la zone des parties d'extrémité 5 des têtes de bobines. De façon plus détaillée, les dimensions géométriques de l'anneau intérieur 8 du dispositif de fixation des testes de bobines utilisé pour le stator d'un turbo-alternateur à deux pales, sont choisies en tenant compte des considérations suivantes. Afin que l'anneau intérieur 8, ait une rigidité voulue qui soit compatible avec la rigidité totale de l'ensemble du système de fixation, cet anneau doit présenter la fréquence fondamentale des oscillations de flexion propres dépassant celle de la sollicitation par la forme perturbatrice d'au moins 25%1.Ainsi, par exemple, dans un turbo-alternateur à fréquence de fonctionnement de 50 Hz et, donc, à fréquence des oscillations perturbatrices de 100 Hz, la fréquence fl des oscillations propres de l'anneau intérieur 8 est déterminée comme suit où h est l'épaisseur de l'anneau. R est le rayon moyen de l'anneau, et K rv 4,7. 104 cm/s, ce m coefficient dépendant principalement de la forme et du matériau de l'anneau et étant choisi en partant d'un module d'élasticité du ma tériau de l'anneau égal à E = 2,8. i 105 kg/cm2. Ainsi, en donnant à l'anneau intérieur 8 une section transversale importante et, par conséquent, une masse importante, dans la zone des parties d'extrémité 5 des têtes de bobines, on parvient à modifier également la --réawuence des oscillations propres de l'en em- ble du dispositif de fixation des têtes de bobines ce gui a aussi pour effet l'abaissement du niveau A des vibrations. Cela veut dire qu'en changeant la position de l'anneau intérieur 8 sur les têtes de bobines ou bien en imposant une section transversale de dimensions données, on peut modifier dans le sens voulu la fréquence des oscillations propres du système de fixation des têtes de bobines et, par suite, le niveau des vibrations dans ce système. Lorsque la longueur de la partie d'encoche de l'enroulement varie par suite d'une variation de sa température, les têtes de bobines se déplacent librement, ensemble avec les anneaux intérieur 8 et extérieur 12, dans le sens axial par rapport au noyau 1 du fait que le support isolant 2C fixé à l'anneau extérieur 12 et relié rigidement à l'anneau intérieur 8 par l'intermédiaire de la pièce en Z 15, peut se déplacer dans l'étrier 21 fixé à la plaque de pression 6 du noyau 1, étrier qui demeure dans ce cas immobile. De même, en cas de dilatation thermique du noyau statorique 1, le mouvement de la plaque de pression 6 n'exerce aucun effet sur la position des têtes de bobines, puisque l'étrier 21 se déplace alors librement par rapport au support isolant 20 qui est alors immobile. Dans le dispositif suivant l'invention pour la fixation des têtes de bobines, l'anneau intérieur 8, l'anneau extérieur 12, les pièces en Z 15 et les supports 20 sont fabriqués en un matériau isolant, en particulier, en plastique verre-résine à base de liants préparés à partir de résines époxy, les goujons de serrage 13,22 sont réalisés de préférence en un matériau amagnétique, en particulier, en acier amagnétique recouvert d'un enduit isolant ou bien en plastique verre-résine cité ci-dessus. Be dispositif de fixation des têtes de bobines d'un enroulement statorique d'une machine électrique assure donc : - la possibilité de choisir une rigidité requise de l'anneau intérieur, ainsi que - la possibilité de faire varier la fréquence des oscillations propres par rapport à la fréquence des oscillations perturbatrices et donc, - un accroissement sensible de la fiabilité de fixation des têtes de bobines grâce à un abaissement considérable du niveau maximal des vibrations engendrées an cours du fonctionnement de la machine électrique, moyennant l'emplacement de l'anneau intérieur rigide dans la zone des parties d'extrémité des têtes de bobines. Les éléments constitutifs du dispositif en question sont de fabrication simple, sa structure étant très pratique en ce qui concerne l'assemblage et l'exploitation de la machine électrique. Revendications 1 - Dispositif de fixation des têtes de bobines d'un enroulement statorique d'une machine électrique comprenant deux anneaux isolants reliés ensemble dont l'un est intérieur et disposé concentriquement dans l'alésage du noyau statorique en portant les têtes de bobines de ltenroulement statorique, et dont l'autre est extérieur et enserre les têtes de bobines du c8té extérieur en étant relié de façon mobile au noyau statorique, caractérisé en ce que ledit anneau (8) est relié audit anneau extérieur (12) essentiellement dans la zone des parties d'extrémité (5) des tetes de bobines (3,4) et en ce qu'à cet anneau intérieur8 sontfixées des pièces en Z (15) qui portent sur les têtes de bobines et empêchent l'anneau intérieur (8), par action de saillies (18) dont elles sont pourvues de se déplacer axialement par rapport aux têtes de bobines, la saillie de chacune desdites pièces en Z qui se trouve en regard de la face d'extrémité du noyau (1) étant disposée entre les barres d'enroulement (3,4), à leur sortie des encoches (2) du noyau (1), et rigidement reliée à l'un des supports qui sont connectés de façon mobile à la plaque de pression (6) dont est muni le noyau et- fixés audit anneau extérieur (12). 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caaactérisé en ce que ledit anneau intérieur (8) est fixé audit anneau extérieur (12) au moyen de goujons (13) et de joints (14) en matériau moulable et durcissable disposé entre ces anneaux et les têtes de bobines (5) de 1 'enroulement statorique. 3 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la saillie (18) de la pièce en Z (15) qui se trouve en regard de la face d'extrémité du noyau statorique (1) et le support (20) fixé à l'anneau extérieur (12) sont reliés entre eux au moyen de goujons (19,22). 4 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les goujons sont fabriqués en un matériau amagnétique. 5 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les goujons sont faits en acier amagnétique recouvert d'un enduit isolant. 6 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les goujons sont fabriqués en plastique verre-résine.