Brevet FR2445647A1 — publié le 19800725

La présente invention se rapporte aux machines électriques et a notamment pour objet une barre d'enroulement statorique pour machines électriques à courant alternatif 0 L'invention peut outre appliquée en particulier aux grosses machines électriques à vitesse réduite, notamment aux générateurs hydro-électriques. Dans la pratique mondiale des constructions électromécaniques, dans les barres dtenroulements statoriques pour machines électriques à courant alternatif, afin de supprimer les pertes additionnelles dues aux courants égalisateurs parcourant les conducteurs élémentaires des barres, on utilise largement une transposition desdits conducteurs élémentaires, c'est-a-dire le changement de la position de chaque conducteur suivant la hauteur de la barre dans sa partie d'encoche. On connatt une barre d'enroulement statorique de machine électrique (voir brevet suisse nO 526872) constituée par des conducteurs élémentaires isolés, disposés suivant la hauteur de la barre en quatre rangées. Cette construction prévoit une transposition de conducteurs élémentaires isolés avec leur passage de la première rangée verticale à la troisième, de la deuxième à la quatrième et inversement, les conducteurs élémentaires adjacents disposés dans deux rangées verticales contiguës (la première et la deuxième, ou la troisième et la quatrième) à la même hauteur de la barre, étant courbés ensemble, Les conducteurs élémentaires courbés ensemble et situés au meme niveau de2a hauteur de la barre, mais dans différentes rangées verticales, ne présentent pas les mêmes dimensions, le rayon de leur courbure étant différent : le rayon extérieur de la courbure de l'un des conducteurs doit correspondre au rayon intérieur de la courbure de l'autre conducteur. Le pas de transposition des conducteurs élémentaires dans le cas d'une transposition de 360 degrés électriques est égal à la longueur de la partie d'encoche du noyau statorique, divisée par le double du nombre de conducteurs dans une rangée verticale. Ladite conception de la barre ne peut être adaptée qu'aux machines électriques à encoches très larges du noyau statD- rique, ceci seulement en cas de très forts courants dans les barres d'enroulement. Des courants aussi forts existent dans des turbogénérateurs très puissants. Pour les machines à vitesses de rotation plus faibles que celles des turbogénérateurs, ladite conception de la barre n'est pas applicable, du fait que dans ces machines n'existent pas de si fori courants dans les barres de lwenroulement statorique, et de ce fait, les encoches du noyau statorique sont sensiblement plus étroites, les conducteurs élémentaires de la barre étant toujours disposés en deux rangées. On connais une barre dtenroulement statorique pour machine électrique à courant alternatif (voir le livre "la conception des générateurs hydro-électriques" de V.V. Dombrovsky et autres, Ed. "Energie", 1965, p. 38) comprenant des conducteurs élémentaires isolés passant suivant la longueur de la barre ét disposés en deux rangées, le nombre de conducteurs dans chaque rangée étant identique. Dans cette barre est utilisée une transposition des conducteurs élémentaires dans la partie d'encoche de la barre de 360 degrés électriques, c'est-à-dire que chaque conducteur isolé change de position suivant la hauteur de la barre dans les limites de sa partie d'encoche, occupant successivement toute les positions dans les deux rangées, chaque conducteur dans les têtes de bobines aux deux extrémités de la barre ayant la meme position.La distance suivant la longueur de la barre nécessaire pour déplacer chaque conducteur élémentaire à lwendroit occupé par le conducteur voisin de ce dernier dans la rangée est appelée "pas de transposition". Pour une transposition de 360 degrés électriques, le pas de transposition est égal à L/n, où L est la longueur de la partie d'encoche de la barre, et n, le nombre total de conducteurs élémentaires dans la barre. Dans une telle barre, la transposition des conducteurs de 360 degrés électriques assure dans la partie d'encoche l'égalité des forces électromotrices fournies par les conducteurs. Ce n'est pas le cas pour les têtes de bobines dans lesquelles, pour une position invariable des conducteurs élémentaires par rapport aux flux magnétiques enrtérieurs, les forces électromotrices apparaissant dans les différents conducteurs sont inévitablement différentes.Etant donné que tous les conducteurs sont soudés ensemble dans la tette de la barre, ces conducteurs se trouvent connectés en parallèle les uns aux autres, avec, comme cela a été mentionné plus haut, différentes forces électromotrices0 Ce fait contribue à l'apparition, à ltintérieur de la barre, de courants égalisateurs0 Avec lBaccroissement de la puissance et des charges électromagnétiques des machines électriques, la densité du flux magnétique dans les zones frontales du stator, et, de ce fait, les pertes additionnelles dans l'enroulement dues aux courants égalisateurs, augmentent0 Pratiquement, ces pertes deviennent comparables aux pertes principales dans l'enroulement, ce qui, d'une part, conduit à des échauffements locaux dangereux et à la diminution de la durée de service de l'isolation de Irenroulement, et d'autre part, limite ltaccroissement ultérieur des charges électromagnétiques et par conséquent la puissance des machines, et de plus, diminue le rendement des machines. Cet inconvénient est pallié dans la construction de la barre drenroulement statorique pour machine électrique à courant alternatif décrite dans le livre "les turbogénérateurs. Calcul et conception" par V.V. Titov et autres,(EdO "Energie", Léningrad 1967, p. 155, Fig. 3-3) et conçue de la meme façon que la dernière barre décrite plus haut, à l'exception du fait que la transposition des conducteurs élémentaires se fait sur 540 degrés électriques, cgest-à-dire qu'après la fin dcun cycle complet de transposition de conducteurs sur 360 degrés électriques, on réalise encore un demi-cycle de transposition, chaque conducteur élémentaire dans la tette de bobine, à l'une des extrémités de la barre, occupant après la transposition une position contraire de celle qugil avait dans la tette de bobine à l'autre extrémité de la barre avant la transposition ; par exemple, le conducteur qui était en position supérieure avant la transposition occupe-la position inférieure après la transposition, et vice-versa. La transposition des conducteurs d'une barre de 540 degrés électriques a permis de compenser sensiblement les forces électromotrices induites dans les conducteurs élémentaires dans les têtes de la barre, et de ce fait, de réduire considérablement les courants égalisateurs0 L'inconvénient de ladite barre réside dans son domaine d'application limité. En particulier, de telles barres ne peuvent être conçues pour les enroulements statoriques pour machines électriques à vitesse réduite, par exemple pour les hydro-alternateurs dont les stators ont des noyaux de longueu relativement faible (en général ne dépassant pas 2,5 mètres). Pour réaliser une transposition des conducteurs sur 540 degré électriques, il est nécessaire d'avoir dans les barres de l'enroulement statorique d'une telle machine un si faible pas de transposition des conducteurs qutil devient pratiquement impossible de le réaliser, ctest-à-dire qu'il est physiquemen impossible de courber les conducteurs sur un si faible angle. Ainsi, lors de la conception des barres d'enroulements statoriques pour machines électriques à vitesse réduite, il est nécessaire de satisfaire à des exigences contradictoires d'une part, dans le but de réduire les pertes additionnelles et les échauffements locaux dus aux courants égalisateurs, il est désirable d'utiliser une transposition des conducteurs dtune barre de 540 degrés électriques, et d'autre part, il faut assurer un pas de transposition convenable, ctest-à-dire assurer la fiabilité de l'enroulement et l'aptitude à la fabrication des barres. Le but de la présente invention est de créer une barre d'enroulement statorique pour une machine électrique à courant alternatif, dans laquelle la disposition relative des conducteurs élémentaires serait telle, qu'elle assurerait une réduction des pertes additionnelles et des échauffements locaux dus aux courants égalisateurs en cas dtutilisation d'une telle barre dans un enroulement statorique présentant un noyau relativement court, permettant ainsi une augmentatio du rendement et de la fiabilité de la machine électrique tout en conservant les conditions d'une fabrication commode de la barre. A cet effet, dans une barre d'enroulement statorique pour machine électrique à courant alternatif, comportant des conducteurs isolés passant suivant la longueur de la barre, disposés en deux rangées et transposés dans la partie d'encoche de la barre, selon l'invention les paires de conducteurs adjacents d'une méme rangée sont transposées ensemble. Les avantages de la présente invention sont les suivants. Premièrement, grâce à la transposition commune des deux conducteurs de la barre qui sont mutuellement adjacents dans une meme rangée, le pas de transposition augmente de deux fois, et de ce fait, il devient possible de réaliser une transposition de 540 degrés électriques dans les enroulements statoriques de machines électriques à vitesse réduite possédant des noyaux relativement courts, pour lesquels la transposition ordinaire de 540 degrés électriques d'un conducteur ne peut entre réalisée en raison du très faible pas de transposition nécessaire0 L'utilisation de transpositions deux par deux des conducteurs de 540 degrés électriques, les pertes additionnelles et les échauffements locaux dus aux courants égalisateurs dans la barre diminuent et le rendement de la machine électrique s'accrot0 Deuxièmement, l'accroissement du pas de transposition des conducteurs conduit à une simplification de la fabrication des barres et à une amélioration de la qualité de l'enroulemet statorique. Enfin, dans les machines électriques à noyaux statoriques très courts, dans lesquelles est généralement utilisé un enroulement statorique du type à bobines, il devient possible d'utiliser un enroulement à barres en se servant des barres conformes à l'invention comportant une transpositon commune des deux conducteurs mutuellement adjacents d'une même rangée de 360 degrés électriques. L'invention sera mieux comprise et autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la descri9tion explicative qui va suivre dlun mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif avec référence au dessin non limitatif annexé dans lequel - la figure 1 représente une barre d'enroulement stato-rique pour une machine électrique à courant alternatif selon l'invention (coupe transversale de la tette de bobine) - la figure 2 est une vue de la barre représentée sur la figure 1, sans isolation, du cdté de la face large de la barre - la figure 3 est une vue de la barre représentée sur la figure 1, isolation enlevée, du caté de la face étroite de la barre. La barre d'enroulement statorique pour machine électrique à courant alternatif selon ltinvention a une section rectangulaire et comprend vingt conducteurs isolés 1, 2, 3oxo. 20 (figure 1) passant suivant la longueur de la barre et disposés suivant la hauteur de la barre en deux rangées verticales entre lesquelles est placée une garniture isolante 21, chaque rangée comportant dix conducteurs, c'est-à-dire un nombre pair de conducteurs. La barre est revêtue extérieurement d'une isolation 22 de mise à la masse. Pour plus de simplicité, lesdites rangées verticales seront appelées, dans ce qui suit, "rangée de gauche" et "rangée de droite", respectivement, par rapport à la figure 1. Les conducteurs 1 à 20 sont transposés dans la partie d'encoche 23 de la barre, c'est-à-dire qu'ils changent de position dans les limites de la longueur de la barre suivant sa hauteur, en passant de la rangée gauche à celle de droite et vice versa, les paires de conducteurs adjacents, par exemple les conducteurs I et 2, d'une même rangée, étant transposées ensemble0 Les figures 2 et 3 représentent une variante de réalisation de la barre proposée avec transposition des conducteurs I à 20 de 540 degrés électriques, la figure 2 représentant une vue de la barre non isolée du côté de sa face large, et la figure 3, du côté de sa face étroite. Pour mieux illustrer l'objet de l'invention, les figures 2, 3 ne montrent pas tous les conducteurs 1 à 20 de la barre, mais seulement quelques-uns choisis arbitrairement. La transposition des conducteurs 1 à 20 de 540 degrés électriques s'effectue de la manière suivante. La longueur L de la partie d'encoche 23 de la barre est arbitrairement divisée en trois sections lis 12, 130 La longueur de chacune des sections li et 13 est égale au quart de la longueur L de la partie d'encoche 23 de la barre ; la longueur de la section 12 est égale à la moitié de la longueur L de la partie d'encoche 23. Les conducteurs 1 et 2,quidrsla tête de bobine 24, à l'une des extrémités de la barre, sont les conducteurs supérieurs dans la rangée gauche, sont au début de la transposition,transférés ensemble, par flexion, dans la rangée droite, aux endroits qu'occupaient, avant la transposition, les conducteurs 11, 12 (figure 1), le conducteur 1 étant positionné à l'endroit du conducteur Il, et le conducteur 2, à l'endroit du conducteur 120 Les conducteurs Il et 12, à leur tour, sont décalés vers le bas aux endroits des conducteurs 13, 14, respectivement, qui sont eux aussi déplacés vers le basaux endroits des conducteurs 15 et 16, respectivement, et ainsi de suite0 Les conducteurs 19, 20, qui, dans la tête de bobine 24 (figure 2), à cette même extrémité de la barre, occupent la position inférieure dans la rangée droite, sont, au début de la transposition, transférés ensemble, par flexion, dans la rangée gauche, aux endroits occupés, avant la transposition, par les conducteurs 9 et 10, respectivement (figure 1), qui sont à leur tour déplacés vers le haut aux endroits respectifs des conducteurs 7 et 8, et ainsi de suite, jusqu'à ce que les conducteurs 3 et 4 occupent les endroits libérés par les conducteurs 1 et 2, respectivement0 La longueur du tronçon t (figure 2) dans les limites duquel chaque paire de conducteurs contigus, par exemple des conducteurs 3 et 4, disposés dans une même rangée verticale, change de position de telle manière qu'elle se trouve à l'endroit occupé, au début de la transposition, par une paire de conducteurs voisine de celle-ci, par exemple 1 et 2, dtune même rangée, s'rappelle "pas de transposition1?, lequel pas, lors dtune transposition des conducteurs deux par deux de 540 degrés électriques aux sections 11 et 13, est égal au rapport L/n, où L est la longueur de la partie d'encoche 23 de la barre, et n, le nombre de conducteurs dans la barre, alors que dans la section 12 il est égal à 2L/nO Donc, dans les limites d'un pas de transposition, tous les conducteurs 1 à 20 (figure 1) sont déplacés deux par deux "suivant un cercle", dans le cas considéré, dans le sen des aiguilles d'une montre, chaque paire de conducteurs voisins d'une mdme rangée, par exemple (3 et 4), (5 et 6) etc occupant la position qui jusque là était celle de la paire de conducteurs précédant celle-ci, par exemple (1 et 2), (3 et 4) etc., respectivement, le conducteur 3 se plaçant à l'endroit du conducteur 1, et le conducteur 4, à l'endroit du conducteur 2. Ensuite, comme on peut le voir sur les figures 2 et 3, dans les limites de la section 11, les conducteurs 1 et 2 restent dans la rangée droite, en changeant progressivement de position suivant la hauteur de la barre. A la fin de la section 11 lesdits conducteurs occupent la position infériez dans la rangée droite, puis sont transférés ensemble par flexion dans la rangée gauche aux endroits qui, sur la figura 1, sont occupés par les conducteurs 9 et 10, respectivement0 Dans les limites de la section 12, les conducteurs 1 et 2 changent eux aussi progressivement de position suivant la hauteur de la barre et reviennent à la position initiale qu'ils occupaient au début de la transposition, ctest-à-dire en position supérieure dans la rangée gauche. Dans les limites de la section 13, la transposition des conducteurs 1 et 2 s'opère de la même manière que la transposition dans la section 11, comme cela a été décrit ci-dessus, et, dans la tête de bobine 25 à l'autre extrémité de la barre, lesdits conducteurs deviennent les conducteurs inférieurs et se trouvent disposés dans la rangée droite. La transposition des autres conducteurs 3 à 20 de chaque rangée verticale se fait de la même manière. Ainsi, chaque paire de conducteurs contigus 1 à 20 de chaque rangée occupe successivement toutes les positions suivant la hauteur de la barre dans les deux rangées de conducteurs, effectuant pour ainsi dire un tour et demi par rapport à sa position initiale. Dans le cas où le noyau statorique est court à tel point qu'unie transposition deux par deux des conducteurs adjacents dans une mdme rangée de 540 degrés électriques ne peut titre réalisée du fait que l'obtention du pas de transposition nécessaire est technologiquement impossible, il est possible d'effectuer une transposition desdits conducteurs de 360 degrés électriques. Dans ce cas, à une transposition de chaque paire de conducteurs correspondra celle représentée sur les figures 2, 3 dans les sections 11 et 12, à la seule différence que les- sections 11 et 12 auront une mEme longueur, égale à la moitié de la longueur L de la partie d'encoche 23 de la barre, et un pas de transposition identique, égal à 2L/n. Pendant le fonctionnement de la machine électrique, les forces électromotrices induites dans chaque paire de conducteurs I à 20 de la barre sont de valeur égale, et entre les différentes paires de conducteurs 1 à 20 n'apparaissent pas de courants égalisateurs. En même temps, par suite de la transposition commune des deux conducteurs dans les limites de chaque paire de conducteurs 1 à 20, la force électromotrice due au flux magnétique transversal dans la partie dtencoche 23 de la barre n'est pas compensée, ce qui provoque ltappa- rition de courants égalisateurs entre les deux conducteurs de chaque paire de conducteurs 1 à 20.Cependant, comme l'ont montré les études, dans le cas dcun nombre plus grand pouvant atteindre plusieurs dizaines de conducteurs élémentaires dans la barre, les pertes additionnelles dues à ces courants égalisateurs sont sensiblement plus faibles que les pertes additionnelles que 11 on réussit à supprimer en remplaçant la transposition classique de chaque conducteur de 360 degrés électriques par la transposition deux par deux de 540 degrés électriques des conducteurs d'une mdme rangée. Dans certains cas, lorsqu'on utilise des noyaux statoriques très courts (de ltordre d'un mètre de long), l'application d'une transposition par deux conducteurs adjacents dans une rangée permet même dtutiliser un enroulement à barres au 2Su dtunenroulement à bobine.Par ailleurs, il est à remarquer que dans les spires des enroulements à bobine, la transposition des conducteurs élémentaires ntest pas appliquée et, par tonséque les courants égalisateurs ont touJours lieu entre les conducteurs élémentaires d'une spire, le nombre de conducteurs dans une spire d'une-bobine étant généralement supérieur à quatre, aussi les pertes dues à ces courants égalisateurs sont-elles sensiblement plus grandes que celles qui se produisent en cas de passage à la transposition simultanée de deux conducteurs dans les enroulements à barres. Enfin, la présente invention offre pour les machines électriques à vitesse réduite un compromis acceptable entre la nécessité de diminuer les pertes additionnelles dans l'enroulement statorique, dues aux courants égalisateurs et la nécessité dtassurer un pas de transposition des conducteurs de la barre admissible du point de vue de l'aptitude à la fabrication. Bien entendu, ltinvention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu?à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la revendication qui suit. REVENDICATION Barre d'enroulement statorique pour machine électrique à courant alternatif, du type comprenant des conducteurs isolés disposés dans ladite barre en deux rangées longitudinales et transposés l'un par rapport à l'autre dans la partie de la barre qui est disposée dans l'encoche correspondante du stator, caractérisée en ce que les deux conducteurs mutuellement adjacents de chacune des paires de conducteurs d'une même rangée sont transposés ensemble0