Brevet FR2490422A1 — publié le 19820319

Dispositif de connexion entre bague collectrice et amenée de courant d'un rotor supraconducteur L'invention concerne un dispositif de connexion entre bague collectrice et amenée de courant d'un rotor supraconducteur. Elle s'applique plus particulièrement à la construction d'une machine dynamoélectrique tournante telle qu'un alternateur dont le rotor comporte des enroulements inducteurs "supraconducteurs", c'est- à-dire constitués d'un matériau devenant supraconducteur lorsqu'il est refroidi à une température suffisamment basse souvent appelée neryo- génique" et valant par exemple 4 K. Le rotor comporte alors, outre ces enroulements et les moyens de connexion électrique nécessaire à leur alimentation, un circuit de refroidissement permettant de porter les enroulements de la température ambiante jusqu'à cette température cryogénique avant la mise en fonctionnement de l'alternateur et de les y maintenir ensuite. Ces moyens de connexion électrique comporte pour chaque connexion d'une part une bague tournante classique à température ambiante coopérant avec des balais fixes, d'autre part une "amenée de courant". Le rôle d'une telle amenée (appelé en anglais "current lead") est d'assurer la connexion électrique entre un conducteur ordinaire à température ambiante, et une extrémité d'un conducteur supraconducteur tout en ne nécessitant qu'une puissance frigorifique aussi faible que possible pour le maintien de cette extrémité à la température cryogénique" malgré la chaleur apportée par l'amenée. La puissance frigorifique est la puissance électrique ou mécanique qu'il faut fournir aux organes de réfrigération, tels que des liquéfacteurs d'hélium, pour maintenir les éléments supraconducteurs à leur température de service. Une telle amenée de courant est par exemple décrite dans le brevet français n0 2 369 722 et le brevet américain correspondant n0 4 134 037. Les conducteurs disposés longitudinalement, c'est-à-dire parallè- lement à l'axe du rotor, et assurant la liaison entre les bagues et les amenées de courant sont soumis à des conditions sévères. En effet, d'une part, lors de la mise en froid du rotor qui se fait à faible vitesse de rotation, les amenées de courant se rétractent -2 - longitudinalement d'une valeur non négligeable. D'autre part les conducteurs connectées aux bagues collectrices se dilatent en service en raison de l'échauffement provoqué par le passage d'un fort courant (entre 5000 et 10000 Ampères) lorsque l'inducteur est excité. Il faut par ailleurs tenir compte des risques de claquage élec- trique résultant d'une tension pouvant atteindre 10KV en cas d'inci- dents. Ces risques sont accrus par la présence d'hélium chaud, qui est un très mauvais diélectrique. Il est bien entendu possible d'assurer la connexion entre les amenées de courant et les bagues à l'aide de conducteurs souples ondulés, de tels conducteurs pouvant être par exemple formés par des empilages de bandes de cuivre minces. Nais une telle solution présente un encombrement pratiquement incompatible avec l'espace disponible très réduit, celui-ci ne permettant pas d'utiliser des vis. La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif de connexion entre bague collectrice et amenée de courant d'un rotor supraconducteur permettant d'obtenir une connexion fiable, sans création de contrainte mécanique génante, sans risque de claquage électrique ni de mauvais contact et avec un encombrement réduit. Elle a pour objet un dispositif de connexion entre bague collec- trice et amenée de courant d'un rotor supraconducteur, ce rotor tour- nant autour d'un axe de rotation définissant une direction longitudinale, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte, - un boîtier de connexion isolant fixé au rotor et présentant une face "avantn du c8té de la bague collectrice et une face "arrière" du côté de l'amenée de courant, -3 - - au moins une tige conductrice "avant" connectée à la bague collectrice et disposée longitudinalement dans le bottier, - au moins une tige conductrice "arrière" connectée à l'amenée de courant et disposée longitudinalement dans le bottier, - un bloc métallique de contact "externe" maintenu dans le bottier au contact des tiges avant et arrière, le contact d'au moins l'une de ces tiges avec ce bloc étant réalisé par appui latéral de cette tige contre une face radialement interne de ce bloc de manière à permettre un glissement longitudinal de cette tige sur cette face, - et au moins une masselotte radialement mobile placée dans le bottier dans une position radialement interne par rapport à chaque tige disposée en appui contre la face interne du bloc de contact interne, de manière que la force centrifuge résultant de la rotation du rotor et s'exerçant sur cette masselotte fournisse une force d'appui de cette tige contre ce bloc de contact et assure ainsi un bon contact électrique lorsque le rotor a atteint sa vitesse de service. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire 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 d'une extrémité d'un rotor supra- conducteur en coupe par un plan axial. Les figures 2 et 3 représentent des vues du même rotor en coupe par des plans perpendiculaires à l'axe du rotor, selon les lignes II- II et III-III de la figure 1 respectivement. La figure 4 représente une vue d'un dispositif selon l'invention en coupe par un plan IV-IV de la figure 1, ce plan étant perpendiculaire à l'axe du rotor, l'échelle de cette figure étant agrandie. La figure 5 représente une vue du même dispositif en coupe par deux plans axiaux V-V de la figure 4. La figure 6 représente une vue du bottier du même dispositif en coupe par deux plans axiaux V-V de la figure 4. 4 - Les figures 7 et 8 représentent des vues du même boîtier, en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe, selon deux directions opposées, selon VII-VII et VIII-VIII de la figure 6, respectivement. La figure 9 représente des tiges conductrices et des blocs de contact du même dispositif, en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe du rotor, avec une échelle encore agrandie. La figure 10 représente une vue des blocs de contact du mrme dispositif, en coupe par un plan axial selon X-X de la figure 9. La figure 11 représente une vue de dessus partielle du bloc de contact externe du même dispositif, selon la flèche F de la figure 9. Conformément à la figure 1 un rotor supraconducteur tourne autour d'un axe 2. Sa rigidité est assurée par un arbre creux enveloppant, constitué de tronçons 3a, 3b, 3c de divers diamètres réunis par des flasques 3d, 3c. Il est porté par des paliers non représentés. Il comporte un inducteur 4 contenant des enroulements supraconducteurs refroidis à l'hélium liquide et alimentés en courant continu par l'intermédiaire de deux amenées de courant 6 et 7 qui, comme précédemment expliqué, permettent la transition entre la zone supraconductrice et la zone à conduction normale. Ces amenées de courant reçoivent elles mêmes le courant à travers deux bagues collectrices 8 et 10 tournant avec le rotor situées à une-extrémité "avant" de celui-ci et coopérant avec des balais fixes non représentés. Les amenées de courant rejoignent, à leur extrémité avant, un bottier de connexion isolant 12 dans la face arrière duquel elles pénètrent sous la forme de deux tiges "arrière" telles que 14, disposées longitudinalement, constituées de cuivre, et comportant un canal interne parcouru par de l'hélium provenant de l'enroulement supraconducteur et réchauffé en traversant l'amenée de courant. Les bagues collectrices sont reliées à ce m8me bottier chacune par deux tiges de cuivre telles que 16 et 18 pénétrant dans la face avant de ce boitier. Un dispositif selon l'invention a pour fonction d'assurer la connexion électrique entre les tiges avant 16 et 18 et la tige arrière 14 dans le bottier 12, en permettant des déplacements longitudinaux importants de ces tiges à vitesse nulle ou faible du rotor et en assurant à la vitesse de service le passage d'un courant pouvant atteindre 10 OOOA par exemple, sans résistance de contact génante. Bien entendu le rotor est muni de deux dispositifs selon l'invention, un pour chaque connexion entre une bague collectrice et une amenée -5 - de courant. Un seul de ces dispositifs sera décrit en détail, étant entendu qu'ils sont parfaitement symétriques par rapport à l'axe du rotor. Ces deux dispositifs sont disposés dans le boîtier 12, qui est commun et de forme générale annulaire avec un passage axial 20 pour l'arbre du rotor. Une cloison diamétrale 22 le sépare en deux compartiments symétriques isolés l'un de l'autre et contenant chacun l'un des dispositifs. Ce bottier est construit à partir de deux manchons tubulaires coaxiaux jointifs en résine thermodurcissable armée de fibre de verre, à savoir un manchon externe 12a (voir fig.6) et un manchon interne 12b, avec un évidemment médian dans chacune des faces jointives pour constituer une chambre annulaire 12c faisant tout le tour de l'axe, et des orifices tels que 16a et 14a sur les faces avant 12d et arrière 12e pour le passage des tiges telles que 14l et 16. Pour assurer une bonne tenue aux hautes tensions électriques ces orifices sont évasés vers l'extérieur du bottier, l'intervalle entre les parois des orifices et les parois latérales des tiges étant occupé ultérieurement par une résine thermodurcissable. Des orifices de faibles sections 12f permettent l'évacuation de l'hélium amené par le canal interne de la tige arrière 14. La cloison diamétrale 22 est constituée par collage de deux blocs annulaires, l'un 12g (voir fig.7 et 8) sur la paroi interne du manchon externe 12a,1'autre 12h sur la paroi externe du manchon interne 12b, de manière à permettre d'enfiler le manchon interne 12b muni du bloc 12 h dans le manchon externe 12a muni du bloc 12g, la surface de séparation entre les deux ensembles ainsi constitués étant un cylindre 23 de révolution autour de l'axe 2. Chaque dispositif selon l'invention est disposé dans l'un des deux compartiments séparés, dans la chambre annulaire 12c, par la cloison 22. Il comporte un bloc de contact externe 24 et un bloc de contact interne 26, venant presque au contact avec le précédent selon la surface 23. Des évidements longitudinaux 14a, 16a et 18 sont creusés dans les faces en regard de ces blocs pour recevoir des tiges 14, 16 et 18. La profondeur de ces évidements est suffisamment faible pour permettre un serrage de ces tiges entre ces deux blocs. -6- Des masselottes 28 disposées contre la face radialement interne du bloc de contact interne assurent ce serrage de façon efficace lorsqu'elles sont soumises à la forte force centrifuge qui résulte de la rotation du rotor à sa vitesse de service. (par exemple 3000 tours/ minute). Au contraire, lors de la mise du rotor en froid, la vitesse du rotor est faible ou nulle, et rien n'empêche les tiges 14, 16 et 18 de glisser longitudinalement par rapport aux blocs de contact. Il semble avantageux d'adopter les dispositions suivantes Les tiges avant 16, 18 sont au nombre de deux et sont disposées de part et d'autre de la tige arri Te 14 à la même distance de l'axe 2 du rotor que la tige arrière avec/décalages angulaires symétriques par rapport à cette tige, - trois masselottes 28a, 28b, 28e étant disposées chacune de manière radialement interne par rapport à une de ces trois tiges, - les blocs de contact présentant en section par un plan perpendiculaire à l'axe du rotor, la forme de secteurs de couronnes circulaires concen- triques. Chacun des blocs de contact 24, 26 est constitué par un empilement axial de t8les 36, 38 fixées les unes avec les autres en couches planes successives, la tôle étant alternativement présente 36 et absente 38 dans les couches successives de l'empilement dans des secteurs angulaires non pleins 30 situés entre deux tiges 14, 16 à distance de celles-ci, alors qu'elle est présente dans toutes les couches dans des secteurs angulaires pleins 32 incluant les tiges, de manière à permettre une flexion du bloc dans les secteurs non pleins pour rendre possible un petit déplacement longitudinal des tiges avant 16 par rapport à la tige arrière 14 même lorsque le rotor tourne à sa vitesse de service. Ces tôles sont faites de cuivre de 0,5mm d'épaisseur découpées et étamées, fixées entre elles à l'aide de rivets 34, puis par soudure. Les deux blocs sont réalisés simultanément et séparés l'un de l'autre par sciage. Une t8le sur deux est interrompue dans des secteurs angulaires non pleins. -7 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif de connexion entre bague collectrice et amenée de courant d'un rotor supraconducteur, ce rotor tournant autour d'un axe de rotation définissant une direction longitudinale, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte, - un bottier de connexion (12) isolant fixé au rotor et présentant une face "avant" (12d) du côté de la bague collectrice (8) et une face "arrière" du c8té de l'amenée de courant (6), - au moins une tige conductrice "avant" (16) connectée à la bague collectrice et disposée longitudinalement dans le boîtier, - au moins une tige conductrice "arrière" (14) connectée à l'amenée de courant et disposée longitudinalement dans le bottier, - un bloc métallique de contact "externe" maintenu dans le bottier au contact des tiges avant et arrière, le contact d'au moins l'une de ces tiges avec ce bloc étant réalisé par appui latéral de cette tige contre une face radialement interne de ce bloc de manière à permettre un glissement longitudinal de cette tige sur cette face, - et au moins une masselotte radialement mobile placée dans le bottier dans une position radialement interne par rapport à chaque tige disposée en appui contre la face interne du bloc de contact interne, de manière que la force centrifuge résultant de la rotation du rotor et s'exerçant sur cette masselotte fournisse une force d'appui de cette tige contre ce bloc de contact et assure ainsi un bon contact électrique lorsque le rotor a atteint sa vitesse de service. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre, un bloc métallique de contact "interne" disposé dans le bottier entre la masselotte et le bloc de contact externe, - un contact de chacune des tiges avant et arrière avec les blocs de contact externe et interne étant réalisé par serrage de ces tiges entre la face radialement interne du bloc externe et une face radialement externe du bloc interne, la force de serrage étant fournie par la masselotte de manière à permettre un glissement longitudinal des tiges avant et arrière par rapport aux deux blocs de contact lorsque le rotor ne tourne pas et à assurer un bon contact par serrage lorsque le rotor tourne à sa vitesse de service. -8 - 3/Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les tiges avant (16, 18) sont au nombre de deux et sont disposées de part et d'autre de la tige arrière (14) à la même distance de l'axe (2) du rotor que la tige arrière avec des décalages angulaires symétriques par rapport à cette tige, - trois masselottes (28a, 28b, 28o) étant disposées chacune de manière radialement interne par rapport à une de ces trois tiges, - les blocs de contact présentant en section par un plan perpendiculaire à l'axe du rotor, la forme de secteurs de couronnes circulaires concen- triques. 4V Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que chacun des blocs de contact (24, 26) est constitué par un empilement axial de tôles (36, 38) fixées les unes avec les autres en couches planes successives, la t8le étant alternativement présente (36) et absente (38) dans les couches successives de l'empilement dans des secteurs angulaires non pleins (30) situés entre deux tiges (14, 16) à distance de celles-ci, alors qu'elle est présente dans toutes les couches dans des secteurs angulaires pleins (32) incluant les tiges, de manière à permettre une flexion du bloc dans les secteurs non pleins pour rendre possible un petit déplacement longitudinal des tiges avant (16) par rapport à la tige arrière (14) même lorsque le rotor tourne à sa vitesse de service.