Brevet FR2490033A1 — publié le 19820312

La présente invention concerne l'industrie électrique et plus particulièrement les machines électriques à inducteur supraconducteur avec refroidissement par gaz des enroulements normaux. On connaît une machine électrique (voir brevet fran çais NO 1404173) comportant un rotor et un stator portant des enroulements. L'enroulement du stator, réalisé en alliage supraconducteur, est placé à l'intérieur d'un cryostat ayant pour rôle de maintenir les températures auxquelles ltétat supraconducteur de l'enroulement est possible. Ledit cryostat est constitué par un ensemble de cylindres coaxiaux réunis à leurs extrémités. Le refroidissement de l'enroulement est effectué par un agent frigorifique liquide de basse température assurant 11 état supraconducteur dudit enroulement, par exemple par de l'hélium liquide (He). Le rotor, monté sur des paliers et fabriqué en résine époxyde renforcée par des fibres de verre précontraintes, porte son enroulement. Ce dernier est constitué d'un conducteur normal, les conducteurs dudit enroulement ayant des canaux servant au refroidissement direct. A l'extérieur, le rotor est entouré par la surface intérieure du corps de cryostat, ce dernier étant fixé aux paliers du rotor. Le cryostat avec l'enroulement supraconducteur du stator est lui-même entouré d'une gaine ferromagnétique de grande épaisseur. Cette gaine peut être en meme temps la paroi extérieure du corps de cryostat, protégeant ainsi ce dernier de la pression atmosphérique extérieure. Dans la description qui va suivre, les termes "surface extérieure du cryostat1, et surface intérieure du cryostat" désignent les surfaces du corps de cryostat orientés respectivement vers le stator et le rotor. Le fait que l'enroulement du rotor est à refroidissement direct conduit à une répartition irrégulière de la température suivant la longueur de l'enroulement étant donné que l'agent frigorifique s'échauffe en circulant à travers le ca nal de refroidissement pratiqué à l'intérieur des conducteurs de l'enroulement. Cet échauffement est à l'origine du vieillissement thermique prématuré de l'isolation dans la zone des températures élevées de l'enroulement, provoquant par conséquent une baisse de fiabilité de la machine. Lorsque le corps de cryostat est fixé aux paliers du rotor, l'enroulement supraconducteur du stator subit des vibrations provenant du déséquilibre résiduel du rotor ainsi que des vibrations naissant dans les organes de travail des mécanismes commandés, tout ceci diminuant la stabilité de fonctionnement de l'enroulement supraconducteur et la fiabilité de celui-ci. L'invention vise à mettre au point une machine électrique à inducteur supraconducteur avec refroidissement par gaz des enroulements normaux dans laquelle la disposition réciproque des groupes refroidis de la machine et des canaux du système de refroidissement permette d'assurer l'égalisation de la température suivant la longueur des enroulements du stator et du rotor en rompant la liaison mécanique transmettant les vibrations du rotor à l'enroulement supraconducteur du stator, assurant ainsi une augmentation de la fiabilité de la machine. Suivant l'invention, le problème posé est résolu au moyen d'une machine électrique à inducteur supraconducteur avec refroidissement par gaz des enroulements normaux, du type comportant un stator muni d'un enroulement supraconducteur logé dans un cryostat et un rotor muni d'un enroulement refroidi disposé sur le corps de celui-ci, le rotor lui-meme étant monté sur des paliers, machine dans laquelle le stator porte un enroulement qui compense le couple électromagnétique du rotor agissant sur l'enroulement supraconducteur dustator et qui est constitué de conducteurs normaux, le stator étant doté d'un corps aux parois d'extrémité duquel est fixé le cryostat et adapté pour laisser un espace pour le passage de l'agent frigorifique gazeux entre la surface extérieure du cryostat et l'enroulement à conductibilité normale du stator. Le fait d'avoir disposé et fixé le cryostat sur le stator rompt la liaison mécanique entre le rotor et ltenrou lement supraconducteur, ce qui supprime la transmission de vibrations du rotor et des mécanismes commandés à ltenroule- ment supraconducteur. Ceci accroît la stabilité de fonctionnement dudit enroulement. Dans le même temps, le cryostat rompt la liaison thermique assurée par l'agent frigorifique entre les enroulements à conductibilité normale du stator et du rotor, ce qui supprime leur influence thermique mutuelle. I1 est intéressant de réaliser la machine électrique de façon telle que le stator et le rotor soient pourvus de noyaux divisés en paquets par des canaux radiaux ouverts de part en part, ces noyaux assurant un jeu constant entre la surface extérieure du cryostat et l'enroulement statorique normal ainsi qu'un jeu constant entre la surface intérieure du cryostat et l'enroulement du rotor. I1 est également utile que le corps du stator présente des orifices au dessus des parties frontales des sections de l'enroulement statorique et servant, ceux de la partie inférieure, à l'amenée de l'agent frigorifique gazeux, ceux des parois d'extrémité, à l'évacua- tion de l'agent frigorifique gazeux réchauffé. I1 est encore souhaitable que le corps du rotor présente des orifices assurant le passage de l'agent frigorifique gazeux vers les canaux radiaux du rotor et que des panneaux d'extrémité soient installés dans les parties avant et arrière de la machine, ces panneaux formant des chambres d'entrée pour l'admission de l'agent frigorifique gazeux qui communiquent avec l'espace intérieur du corps de rotor par l'intermédiaire desdits orifices. Le fait d' avoir divisé les noyaux dans le sens axial en paquets et d'avoir formé des canaux débouchants radiaux entre lesdits noyaux, le fait aussi d'avoir pratiqué des trous dans les tôles correspondantes du corps de stator et de rot or et de les avoir réunis convenablemènt, assurent le passage de l'agent frigorifique par les voies qui viennent d'être décrites et permettent d'accroft-re la puissance spécifique (nominale) de la machine, chacun des enroulements (du rotor et du stator) ayant son propre système de refroidissement, ce qui augmente l'efficacité de celui-ci grâce à la possibilité de régler les débits optima de l'agent frigorifique dans les circuits de refroidissement.Le courant d'agent frigorifique refroidissant l'enroulement statorique normal subit un refroidissement intermédiaire avant de passer à travers les canaux entre les parties frontales des sections de l'enroulement statorique, ce qui accrort l'efficacité du refroidissement de l'enroulement. I1 est souhaitable d'installer aux parties d'extrémité du cryostat des cloisons limitant la longueur axiale du jeu entre la surface intérieure du cryostat et l'enroulement du rotor et assurant le passage de l'agent frigorifique gazeux dans les canaux entre les parties frontales des sections du rotor. I1 est également utile de monter sur le rotor des cloisons séparant le courant d'agent frigorifique gazeux arrivant dans l'espace intérieur du corps du courant d'agent frigorifique gazeux réchauffé passant dans les canaux entre les parties frontales des sections de l'enroulement du rotor. Le fait d'avoir prévu des cloisons limitant la logé gueur axiale du jeu entre la surface intérieure du cryostat et l'enroulement du rotor permet d'utiliser l'air refroidi, lors du passage à travers le jeu, par l'enroulement du rotor et la surface intérieure du corps de cryostat pour refroidir les parties frontales de l'enroulement du rotor, ce qui permet d'égaiiser la température suivant la longueur de l'enroulement. I1 est utile de prévoir sur les parties d'extrémité du corps de stator, des chemises pour recueillir et évacuer l'agent frigorifique gazeux, chemises formant des chambres qui communiquent, par l'intermédiaire d'ouvertures pratiquées dans les parois d'extrémité du corps de stator, avec l'espace intérieur de ce dernier et avec les canaux entre les parties frontales des sections de l'enroulement du rotor. En installant, dans les parties d'extrémité du corps de stator, des chemises pour recueillir et évacuer l'agent frigorifique réchauffé, on parvient à isoler la machine du milieu extérieur et à réaliser un circuit fermé de ventilation. I1 est utile de prévoir, dans 11 espace entre la surface extérieure du cryostat et l'enroulement statorique normal, de préférence dans le sens axial, des nervures prenant appui sur la paroi extérieure du cryostat et sur le noyau du stator. En plaçant des nervures entre l'enroulement du stator et la surface extérieure du cryostat et en les fixant à la paroi extérieure du cryostat, on accroît la rigidité de la paroi extérieure du cryostat et on assure l'égalisation dudit espace suivant la circonférence. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation illustrés par les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 est une vue en coupe longitudinale de la machine électrique suivant l'invention - la Fig. 2 représente un exemple de réalisation de la machine électrique proposée avec un circuit de refroidissement ouvert - la Fig. 3 représente un exemple de réalisation de la machine électrique proposée assurant un refroidissement amélioré de l'enroulement du rotor - la Fig. 4 représente un exemple de réalisation de la machine électrique proposée avec un circuit de refroidissement fermé - la Fig. 5 montre la répartition des courants d'agent frigorifique gazeux dans les canaux radiaux du noyau du stator, - la Fig. 6 représente un exemple de réalisation de la machine électrique proposée permettant d'augmenter la rigidité de l'enveloppe extérieure du cryostat ; et - la Fig. 7 illustre l'évacuation de l'agent frigorifique réchauffé ae la machine. Comme on le voit à la Fig. 1, la machine électrique suivant l'invention comprend un stator 1 possédant un corps 2. Aux parois d'extrémité 3 dudit corps 2 est fixé un cryostat 4 à l'intérieur duquel est logé un enroulement d'exci*a- tion 5 réalisé en un matériau supraconducteur. Le refroidissement de cet enroulement est assuré par un procédé connu au moyen d'un agent frigorifique liquide, par exemple de lthé- lium liquide. Le stator 1 porte également un enroulement 6 compensant le couple électromagnétique du rotor 7, couple agissant sur 1'enroulement supraconducteur 5. L'enroulement 6 est formé, suivant une technique connue, de conducteurs normaux.Etant donné que l'enroulement 6 est parcouru par un courant égal au courant nominal du rotor, il s'y dégage une grande quantité de chaleur ; aussi faut-il considérer ledit enroulement comme un des groupes principaux de la machine électrique qu'il y a lieu de refroidir. Selon l'invention, le cryostat 4 est fixé aux parois d'extrémité 3 du corps 2 de telle sorte qu1un espace est formé entre la surface extérieure du cryostat et l'enroulement 6. Suivant le présent mode de réalisation de l'invention, des anneaux 8 sont ménagés sur la surface intérieure du corps 2, l'enroulement 6- étant fixé d'une manière connue sur ces anneaux. Le rotor 7 est monté sur des paliers 9 et il possède un enroulement 10 réalisé en conducteurs normaux. L'enroulement 10 du rotor 7 est disposé sur le corps 11 de celui-ci. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, le stator 1 et le rotor 7 peuvent être pourvus de noyaux 12, 13 (Fig.2). Lesdits noyaux sont divisés en paquets par des canaux radiaux débouchants 14, 15 dont la largeur constante est assurée par des entretoises 16. Lesdits noyaux 12 et 13 peuvent être fabriqués aussi bien en matériaux ferromagnétiques qu'en matériaux diamagné tiques. Dans ce dernier cas, les noyaux peuvent avoir des cannelures permettant une bonne fixation de l'enroulement par un procédé connu. Si les noyaux sont ferromagnétiques, le couple électromagnétique ne sera pas appliqué aux enroulements, comme dans les exemples décrits ci-dessus, mais au noyau ferromagnétique. Cette circonstance facilite considérablement le fonctionnement des enroulements. Le fait d'avoir introduit les noyaux 12 et 13 garantit un jeu constant entre les surfaces du cryostat et lesdits noyaux, étant donné que l'empilage des noyaux se fait avec plus de précision que la mise en place et la fixation des enroulements, étant donné aussi la possibilité de procéder à un traitement mécanique au besoin. Le fait que lesdits jeux soient maintenus à une valeur constante assure la régularité de la répartition de l'agent frigorifique dans les canaux radiaux débouchants et dans les jeux entre les enroulements du stator et du rotor et les parois correspondantes du cryostat. Dans la partie inférieure du corps 2 de stator sont formés des orifices 17 pour l'admission de l'agent frigorifique gazeux dans l'espace entre le noyau 12 du stator et ledit corps. Dans les parois d'extrémité de ce corps, au-dessus des parties frontales des sections de l'enroulement 6, sont pratiqués des orifices 18 pour évacuer l'agent frigorifique gazeux réchauffé. Dans le corps 11 du rotor 7 sont prévus des orifices 19 pour le passage de l'agent frigorifique gazeux vers l'espace entre le noyau 13 dudit rotor et son corps 11. Dans les parties avant et arrière de la machine électrique sont installés des panneaux d'extrémité 20 qui forment des chambres communiquant avec l'espace intérieur du corps 11 du rotor 7 par l'intermédiaire des orifices 19 et destinées â l'admission de l'agent frigDrifique gazeux. L'amenée dudit agent frigorifique dans les chambres délimitées par les panneaux d'extrémi 20 est assurée par l'intermédiaire d'orifices 21 à l'aide d'un ventilateur ou d'un autre dispositif approprié connu. Les Fig. 2 et 3 montrent, par des flèches, les voies suivies par l'agent frigorifique à l'intérieur de la machine électrique. L'exemple de réalisation de l'invention qui vient drê, tre décrit concerne un circuit de refroidissement ouvert séparé des éléments du stator et du rotor. I1 peut y avoir un autre mode de réalisation du circuit de refroidissement ouvert. Pour obtenir un refroidissement plus efficace des parties frontales des sections de ltenroulement 10 du rotor 7, sont fixées, aux parties d'extrémité du cryostat 4, des cloisons 22 (Fig.3) faisant saillie sur la surface intérieure du cryostat 4 en direction de l'enroule- ment 10 du rotor 7. Dans le présent mode de réalisation de l'invention, les cloisons 22 sont disposées radialement. Sur le corps 11 du rotor 7 sont prévues des cloisons 23 faisant salie dans le sens axial dans la zone où sont disposées les parties frontales des sections de l'enroulement 10 du rotor 7, et qui sont destinées à réduire la longueur axiale des panneaux d'extrémité et a séparer les courants d' admission et d'évacuation de l'agent frigorifique. La Fig. 4 représente le mode préférentiel de réalisation de l'invention selon lequel, sur les parties d'extrémité du corps 2 du stator 1, sont prévues des chemises 24 qui forment, des chambres communiquant, par l'intermédiaire d'orifices 18 pratiqués dans les parois d'extrémité 3 du corps 2 du stator 1, avec l'espace intérieur de ce dernier et avec les canaux entre les parties frontales des sections de ltenroule- ment 10 du rotor 7. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit permet de recueillir, dans les parties avant et arrière de'la machine, l'agent frigorifique réchauffé, de le refroidir et de le renvoyer pour le refroidissement de 3,a machine à travers les orifices 17 et 21. Pour refroidir l'agent frigorifique réchauffé et le canaliser dans les orifices 16 et 20, on peut employer des dispositifs connus tels que des refroidisseurs d'air et des ventilateurs. Pour assurer la rigidité de l'enveloppe extérieure du cryostat et la valeur constante du jeu entre la surface extérieure du cryostat et 11 enroulement statorique, sont disposées, dans ce jeu, de préférence dans le sens axial, des nervures 25 (Fig.6) prenant appui sur la surface extérieure du cryostat 4 et le noyau du stator 1. Les nervures 25 peuvent être fixées, par exemple, à la surface extérieure du cryostat 4. Le dispositif qui'vient d'être décrit fonctionne comme suit. Selon le mode de réalisation de l'invention représenté à la Fig. 1, le refroidissement de l'enroulement 6 du stator se fait grâce à l'échange convectif de chaleur entre ledit enroulement, le corps 2 du stator et le milieu environnant. Le refroidissement du rotor 7 se fait également grtce à l'échange convectif de chaleur entre l'enroulement 10 du rotor 7 et le milieu environnant. Le rotor 7 tournant donne naissance à un effet de ventilation qui consiste en ce que l'enroulement 10 du rotor s'étendant radialement peut être considéré comme un ventilateur élémentaire qui intensifie son propre refroidissement. L'intensité de son refroidissement est fonction de la vitesse de rotation du rotor 7. Selon le mode de réalisation de l'invention représenté à la Fig. 2, on peut utiliser, pour envoyer l'agent frigorifique au corps 2 du stator et refroidir l'enroulement du stator 1, un ventilateur extérieur (non représenté) ; dans ce cas, l'agent frigorifique (l'air en ltoccurence) arrive, à travers les orifices 17 pratiqués dans la partie inférieure du corps 2 du stator, dans l'espace entre ledit corps et le noyau 12 et se répartit dans les canaux radiaux débouchants 14, comme représenté aux Fig. 2 et 5 par des flèches. L'air circulant dans les canaux radiaux 14 refroidit la partie cannelée de l'enroulement 6 et ressort dans l'espace séparant l'enroule- ment 6 de la surface extérieure du cryostat 4. A cet endroit, l'air se divise en deux courants de sens opposés.Passant à travers cet espace, il baigne la paroi extérieure du cryostat dont la température est plus basse que celle de l'air, donc celui-ci s'y refroidit partiellement et parvient aux canaux formés entre les parties frontales des sections de l'enroule- ment 6 et, après avoir refroidi ces dernières, ressort par les orifices 18. Le refroidissement du rotor 7 peut être réalisé aussi bien à l'aide d'un ventilateur extérieur (non représenté) qu'en auto-ventilation de façon analogue à celle qui vient d'être décrite. Le choix de l'un des deux procédés susmentionnés de refroidissement dépend du degré d'influence de l'effet ventilatoire et finalement de la vitesse du rotor 7. En cas d'emploi d'un ventilateur extérieur, l'air de refroidissement est envoyé aux chambres d'entrée constituées par les panneaux d'extrémité 20 d'où, en passant à travers les orifices 19 dans le corps du rotor 7, il est dirigé, venant de sens opposés, vers l'espace entre le noyau du rotor 7 et le corps 11 de celui-ci. Ensuite, l'air traverse les canaux radiaux débouchants 15 ménagés dans le noyau du rotor 7, refroidit la partie cannelée de l'enroulement du rotor et parvient dans l'espace entre la surface intérieure du cryostat 4 et le noyau 13 du rotor 7. Dans cet espace, l'air est divisé en deux flots de sens opposés et, après avoir traversé ledit espace, il est évacué dans le milieu environnant. En cas d'auto-ventilation, la pression de l'air créée par les éléments tournants du rotor doit être au moins égale à celle fournie par le ventilateur extérieur. Un tel procédé de refroidissement peut être utile pour la mise au point et la mise en oeuvre de machines électriques à vitesse de rotor élevée. Selon le mode de réalisation de l'invention représenté à la Fig. 3, les entretoises 22, 23 limitent le déplacement des courants d'air dans le sens axial suivant le jeu entre la surface intérieure du cryostat 4 et l'enroulement 10 du rotor 7 en les orientant vers les canaux prévus entre les parties frontales des sections de l'enroulement du rotor 7. Le courant d'agent frigorifique qui passe à travers ledit jeu baigne la paroi du cryostat, dont la température est plus basse que celle de l'agent frigorifique (air), sty refroidit partiellement et arrive aux canaux formés entre les parties frontales des sections l'enroulement du rotor 7. Ayant quitté ces canaux, l'air est évacué dans l'atmosphère. Dans le cas od les conditions d'utilisation de la machine électrique sont telles qu'il est impossible de prévoir l'évacuation de l'agent frigorifique réchauffé vers l'atmosphère, ainsi que dans le cas où il est nécessaire de constituer un circuit de refroidissement fermé avec le concours de refroidisseurs d'air et de ventilateurs, l'air réchauffé ressortant des orifices 18 pratiqués dans les parois d'extrémité du corps du stator ainsi que l'air ressortant des canaux entre les parties frontales des sections de l'enroulement du rotor 7 est recueilli dans des chemises 24 d'où, en suivant des tubulures 26 (Fig.7), il est évacué de la machine en direction des refroidisseurs d'air (non représentés). En cas de présence de nervures 25, les courants dta- gent frigorifique passant à travers les jeux entre les surfaces correspondantes du cryostat et les enroulements du stator et du rotor sont divisés en courants parallèles. La machine électrique revendiquée assure l'égalisa- tion de la température suivant la longueur des enroulements, ce qui permet d'éviter les surchauffages locaux ainsi que de supprimer la transmission de vibrations du rotor au cryostat, ce qui accroît la stabilité de fonctionnement de l'enroulement supraconducteur. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'a' 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 des revendications qui suivent. REVEND I CATI ON S 1 - Machine électrique à inducteur supraconducteur avec refroidissement par gaz des enroulements normaux, du type comportant un stator muni d'un enroulement supraconducteur logé dans un cryostat et un rotor muni d'un enroulement refroidi disposé sur le corps de celui-ci, le rotor lui-même étant monté sur des paliers, caractérisée en ce que le stator (1) porte un enroulement (6) qui compense le couple électromagnétique du rotor (7), couple agissant sur l'enroulement supraconducteur (5) du stator et qui est constitué de conducteurs normaux, ledit stator (1) étant doté d'un corps (2) aux parois d'extrémité duquel est fixé le cryostat (4) et qui est adapté pour laisser un espace pour le passage de l'agent frigorifique gazeux entre la surface extérieure du cryostat (4) et ltenroulement statorique normal (6). 2 - Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le stator (1) et le rotor (7) sont pourvus de noyaux (12, 13) divisés en paquets par des canaux radiaux débouchants (14, azX, ces noyaux assurant un jeu cons tant entre la surface extérieure du cryostat (4) et l'enrou- lement statorique normal (6) ainsi qu'un jeu constant entre la surface intérieure du cryostat (4) et l'enroulement (10) du rotor (7), le corps (2) du stator (1) présentant au-dessus des parties frontales des sections de l'enroulement statorique (6) des orifices (17, 18) qui servent, ceux (17) de la partie inférieure, à l'admission de l'agent frigorifique gazeux, ceux (18) des parois d'extrémité, à l'évacuation de l'a- gent frigorifique gazeux réchauffé, le corps (11) du rotor (7) ayant des orifices (19) assurant le passage de l'agent frigorifique gazeux vers les canaux radiaux du rotor, des panneaux d'extrémité (20) étant disposés dans les parties avant et arrière de la machine, ces panneaux (20) formant des chambres d'entrée pour l'admission de l'agent frigorifique gazeux qui communiquent avec l'espace intérieur du corps (11) de rotor par l'intermédiaire desdits orifices (19). 3 - Machine électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que sur les parties d'extrémité du cryostat (4), sont fixées des cloisons (22) limitant la longueur axiale du jeu entre la surface intérieure du cryostat (4) et l'enroulement (10) du rotor (7) et assurant le passage de l'agent frigorifique gazeux dans les canaux formés entre les parties frontales des sections de l'enroulement (10) du rotor, le rotor étant muni de cloisons (23) séparant le courant d'agent frigorifique gazeux arrivant dans l'espace intérieur du corps (11) du courant l'agent frigorifique gazeux réchauffé passant dans les canaux entre les parties frontales des sections de l'enroulement (10) du rotor (7). 4 - Machine électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que, sur les parties d'extrémité du corps (2) du stator (1) sont disposées des chemises (24) pour recueillir et évacuer l'agent frigorifique, chemises formant des chambres qui communiquent, par l'intermédiaire d'orifices (18) ménagés dans les parois d'extrémité (3) du corps (2) du stator (1), avec l'espace intérieur de ce dernier et avec les canaux entre les parties frontales des sections de ltenroule- ment (10) du rotor (7). 5 - Machine électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que, dans l'espace entre la surface extérieure du cryostat (4) et l'enroulement statorique normal (6) sont formées, de préférence dans le sens axial, des nervures (25) prenant appui sur la paroi extérieure du cryostat (4) et sur le noyau du stator (1).