Brevet FR2462046A1 — publié le 19810206

La présente invention a pu être développée et a été consacrée par l'expérimentation sur une machine en exploitation grâce à la bienveillante coopération de la Compagnie Nationale du rhÈne. Elle concerne un rotor à écran amortisseur pour alternateur à pôles saillants. Elle s'applique avantageusement aux alternateurs à basse vitesse, par exemple dans un groupe turbo-alternateur hydraulique immergé du type bulbe, appelé plus brièvement groupe bulbe. Un tel groupe fournit une puissance électrique d'au moins 5 MVA, par exemple 40 MVA. Il est disposé dans un bulbe, c'est-à-dire une enceinte profilée étanche, d'axe généralement horizontal, ce bulbe étant lui-même disposé dans l'axe d'une conduite d'eau. Il comporte une turbine dont les aubes mobiles reçoivent le flux liquide qui s'écoule tout autour du bulbe, et qui entraîne directement le rotor d'un alternateur disposé dans le bulbe. Les axes de la conduite d'eau, du bulbe, de la turbine et de l'alternateur sont confondus. Le circuit magnétique du stator d'un alternateur ou plus brièvement le circuit magnétique stator est constituée par une couronne dont la partie radialement interne comporte des encoches contenant les barres de l'enroulement stator. Le diamètre de ce circuit est toujours limité, notamment, dans le cas d'un groupe bulbe, par le diamètre que l'on peut donner au bulbe qui le contient, le diamètre de l'espace occupé par le rotor ne pouvant généralement pas être choisi supérieur à 5 ou 6 mètres. La partie mécaniquement résistante de la couronne du circuit magnétique stator, qui est limitée à la zone non affectée par le découpage des encoches, a donc une épaisseur radiale relativement faible (par exemple 10 cm). Son inertie mécanique, et donc sa rigidité, est comparativement beaucoup plus faible que celle d'un alternateur conventionnel.La vitesse de rotation des bulbes étant faible (par exemple moins de 100 ou 120 tours par minute) ces alternateurs possèdent un grand nombre de pôles qui, installés sur un diamètre limité, sont répartis sur la périphérie suivant un pas polaire relativement faible (par exemple 20 à 30 cm). Pour obtenir aux bornes de la machine une tension très voisine de la forme sinusoïdale, il est nécessaire de réaliser l'enroulement de l'induit avec un nombre d'encoches par pôle et phase fractionnaire. Un tel enroulement est très riche en harmoniques d'espace de réaction -2d'induit, en particulier en sous-harmoniques ayant des périodes spatiales couvrant plusieurs paires de pâles. De plus le diamètre réduit des groupes conduit à adopter des entrefers beaucoup plus petits que sur les machines classiques pour pouvoir maintenir une induction acceptable dans l'entrefer sans trop accroître le courant d'excitation, compte tenu du petit pas polaire de ces machines. Il en résulte que les harmoniques de denture sont plus importante sur les machines à faible vitesse que sur les grands alternateurs hydrauliques. Dans ces conditions, le fait que la faible épaisseur de la couronne du circuit magnétique stator lui donne une résistance à la flexion radiale peu élevée entraîne que les risques de vibration sont importants sous l'effet de l'harmonique de denture ou des nombreux harmoniques de réaction d'induit. Il convient de noter à ce sujet que les harmoniques de réaction d'induit ont des pas spatiaux et des vitesse de rotation par rapport au rotor très différents les uns des autres. L'harmonique de denture a, vis-à-vis du rotor, une fréquence élevée ( 8 à 12 fois la fréquence du réseau) et un pas spatial pouvant couvrir plusieurs pôles. Il résulte de ce qui précède que, quand on cherche à obtenir une grande puissance électrique en sortie d'un alternateur à basse vitesse, les vibrations de la couronne du circuit magnétique stator peuvent atteindre un niveau génant. Il est connu que dans les alternateurs usuels, les forces d'origine électromagnétiques subies par cette couronne sont limitées par la présence d'un enroulement amortisseur disposé à la périphérie du rotor. Cet enroulement est du type cage d'écureuil et est constitué par des barreaux conducteurs longitudinaux, c'est-à-dire parallèles à l'axe, noyés dans la zone externe des épanouis- sements polaires et reliant deux anneaux conducteurs disposés aux deux extrémités du rotor. Cette disposition ne permet pas à l'enroulement d'amortir efficacement les harmoniques de flux à fréquence élevée et à pas spatiaux importants, que l'on rencontre dans les alternateurs à basse vitesse et à faible entrefer, et le niveau de vibration peut alors être trop élevé. La présente invention a pour but la réalisation d'un rotor à écran amortisseur pour alternateur à pôles saillants permettant d'amortir efficacement les harmoniques de flux à fréquence élevée et à pas spatiaux importants. -3- Elle a pour objet un rotor à écran amortisseur pour alternateur à pôles saillants, ce rotor comportant - un axe de rotation longitudinal, un circuit magnétique comprenant des pôles saillant radialement vers l'extérieur, s'étendant longitudinalement, et répartis angulairement autour de l'axe, chaque pôle comportant un noyau polaire et se terminant vers l'extérieur par un épanouissement polaire, - des enroulements excitateurs entre les noyaux polaires, - des barreaux amortisseurs constitués d'un matériau bon conducteur électrique et s'étendant longitudinalement, - deux anneaux conducteurs disposés coaxialement au rotor aux deux extrémités de celui-ci, et connectés électriquement aux deux extrémités de chacun des barreaux amortisseurs pour constituer avec ces barreaux un écran amortisseur du type cage d'écureuil, - ce rotor étant caractérisé par le fait qu'il comporte des barreaux amortisseurs "interpolaires" constitués d'un matériau bon conducteur électrique et d'étendant longitudinalement entre les pôles, une partie au moins de chacun de ces barreaux étant disposés entre les épanouis- sements polaires des deux pôles voisins, - chacun de ces barreaux interpolaires étant connecté électriquement par ses deux extrémités aux deux dits anneaux conducteurs disposés coaxialement au rotor aux deux extrémités de celui-ci, de manière à constituer une cage complète. Cette disposition permet d'amortir efficacement des harmoniques de pas spatiaux très différents car la position des barreaux interpolaires non seulement les fait agir sur une partie du flux magnétique s'échappant du pôle qui échappait aux écrans amortisseurs classiques, mais encore permet de leur donner des sections aussi grandes que nécessaire pour abaisser leur résistance électrique à une valeur convenable, qui peut être plus basse que celle des barreaux classiques (barreaux "polaires"). Elle permet de plus d'obtenir un faible effet pelliculaires (en anglais "skin effect") et donc d'intercepter également les harmoniques à haute fréquence. Il convient de noter que cet écran amortisseur interpolaire, normalement associé à l'écran amortisseur polaire classique, peut également se substituer à ce dernier, le rotor n'ayant alors plus qu'une seule cage amortisseur constituée d'après la présente invention. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire - 4- ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue partielle d'un rotor selon un premier mode de réalisation de l'invention, en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe de ce rotor. La figure 2 représente une vue de dessus d'une extrémité du rotor de la figure 1, le plan de la figure étant parallèle à l'axe du rotor. La figure 3 représente une vue partielle d'un rotor selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe de ce rotor. Un rotor selon l'invention tourne autour d'un axe 2 non visible sur la figure 1, mais seulement sur la figure 2 o il se confond avec l'axe longitudinal d'un intervalle interpolaire. Le mot "longitudinal" désigne ici les directions parallèles à cet axe et le mot "radial" les direction rencontrant cet axe à angle droit, le mot "angulaire" désignant les déplacements résultant d'une rotation autour de cet axe. Sur les figures on a représenté seulement deux p8les saillants consécutifs faisant partie du circuit magnétique de ce rotor. Les noyaux de ces ptles sont représentés en 4a et 4b, et leurs épanouissements polaires en 6a et 6b. Ces épanouissements comportent des bords 8 débordant angulairement par rapport aux noyaux. Des barreaux amortisseurs classiques 10, appelés ici "polaires" sont constitués de cuivre et sont disposés dans ces épanouissements. - Ils sont connectés à leurs extrémités à des anneaux conducteurs coaxiaux au rotor destinés à former un écran amortisseur du type "cage d'écureuil". Ces anneaux sont constitués de segments polaires 12 connectés les uns aux autres par des connecteurs souples 14 constitués de bandes de cuivre. Les encoches formées par les intervalles entre noyaux polaires sont occupés par des enroulements excitateurs 16. Ce rotor tourne dans un stator 20. Selon un premier mode de réalisation de l'invention un barreau interpolaire 22, constitué d'un métal bon conducteur non magnétique (cuivre, aluminium) est disposé dans chaque intervalle entre pôles -5- du rotor. Ce barreau comporte une semelle 24 appuyée contre les faces intérieures des bords 8, et revêtue partiellement d'une couche isolante pour éviter tout contact électrique avec les pôles ou l'enroulement excitateur. Cette semelle peut jouer le rôle de cale d'encoche, c'est- à-dire bloquer les enroulements dans les encoches. Le barreau interpolaires comporte en outre deux ailes 26a et 26b faisant saillie sur la semelle radialement vers l'extérieur et disposées à proximité ou au contact des épanouissements 6a et 6b, respectivement, la distance entre les deux ailes étant supérieure à celle entre les ailes et les épanouissements. Ces ailes s'étendent radialement, de préférence aussi loin que les épanouissements polaires, ou tout au moins aussi loin que le milieu de l'épaisseur radiale de ces épanouissements. La semelle peut être éventuellement constituée d'un matériau non magnétique plus résistant mécaniquement que celui des ailes et moins bon conducteur électrique. Un connecteur souple 28 connecte les deux extrémités de chaque barreau interpolaire aux anneaux conducteurs formés par les segments 12 et les connecteurs 14. D'autres modes de connexion dont évidemment possible, telle que des connexions à travers le fer des noyaux polaires, qui est feuilleté de manière à être électriquement très résistant seulement pour les courants longitudinaux. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, analogue par ailleurs au premier, il y a deux barreaux interpolaires symétriques 30a et 30b en forme d'équerre dans chaque intervalle entre pôles. Chacun comporte une semelle telle que 32a soudée sur la face intérieure du bord 8 de l'un des épanouissements polaires, et une aile telle que 34a remontant vers l'extérieur le long de ce bord. Une cale d'encoche distincte 36 est alors nécessaire pour maintenir l'enroulement 16. L'épaisseur des ailes peut être par exemple de 4 mm, celle des semelles étant par exemple de 4 mm, ceci pour un groupe bulbe dont le rotor tourne à 75 tours par minute, présente un diamètre de 5,058m, et comporte 80 p8les avec un intervalle libre de 54 mm entre les bords de deux épanouissements polaires voisins. - 6 - REVENDICATIONS 1/ Rotor à écran amortisseur pour alternateur à pôles saillants, ce rotor comportant - un axe de rotation longitudinal, (2) - un circuit magnétique formant des pôles saillants radialement vers l'extérieur, s'étendant longitudinalement, et répartis angulairement autour de l'axe, chaque pôle comportant un noyau (4a) polaire et se terminant vers l'extérieur par un épanouissement polaire, (6a) - des enroulements excitateurs (16) entre les noyaux polaires, - des barreaux amortisseurs (10) constitués d'un matériau bon conducteur électrique et s'étendant longitudinalement, - deux anneaux conducteurs (12, 14) disposés coaxialement au rotor aux deux extrémités de celui-ci et connectés électriquement aux deux extrémités de chacun des barreaux amortisseurs pour constituer avec ces barreaux un écran amortisseur du type cage d'écureuil, - ce rotor étant caractérisé par le fait qu'il comporte des barreaux amortisseurs "interpolaires" (22) constitués d'un matériau bon conducteur électrique et d'étendant longitudinalement entre les pôles, une partie au moins de chacun de ces barreaux étant disposées entre les épanouissements polaires (6a, 6b) des deux pôles voisins, - chacun de ces barreaux interpolaires étant connecté électriquement par ses deux extrémités aux deux dits anneaux conducteurs (12, 14) disposés coaxialement au rotor aux deux extrémités de celui-ci, de manière à constituer une cage d'écureuil complète. 2/ Rotor selon la revendication 1 dans lequel les épanouissements polaires comportent des bords (8) débordant angulairement de part et d'autre des noyaux polaires, caractérisé par le fait que chaque barreau interpolaire (22) occupe plus de la moitié de l'intervalle radial occupé par les épanouissements polaires voisins (6a, 6b). 3/ Rotor selon la revendication 2 caractérisé par le fait que les barreaux interpolaire (22) comportent des semelles (24) disposées contre les faces intérieures de bords (8) des épanouissements polaires (6a, 6b). 4/ Rotor selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte un barreau interpolaire (22) dans chaque intervalle entre deux pôles voisins, ce barreau comportant une semelle (24) s'appuyant sur les faces intérieures des bords (8) des deux épanouissements polaires (6a, 6b) de ces deux pôles et au moins une aile (26a) formant ?462046 -7- saillie radiale vers l'extérieur sur cette semelle. / Rotor selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte deux dites ailes (26a, 26b) à proximité des deux épanouissements polaires (6a, 6b), la distance entre les deux ailes étant supérieure à la distance entre chaque aile et l'épanouissement polaire voisin. 6/ Rotor selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte deux barreaux interpolaires (30a, 30b) dans chaque intervalle entre deux pôles consécutifs, ces barreaux s'étendant le long des deux côtés de cet intervalle, respectivement, chacun de ces barreaux comportant une semelle (32a) fixée sur la face intérieure du bord de l'épanouissement polaire (6a) le plus proche, et une aile (34a) formant saillie radiale vers l'extérieur sur cette semelle dans l'inter- valle entre les épanouissements polaires (6a, 6b). 7/ Rotor selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des barreaux amortisseurs "polaires" constitués d'un matériau bon conducteur électrique et insérés longitudinalement dans les épanouissements polaires, ces barreaux polaires (10) étant connectés aux mêmes deux anneaux conducteurs (12, 14) que les barreaux interpolaires (22).