Brevet FR2514965A1 — publié le 19830422

2-2514965 Machine électrique synchrone à inducteur supraconducteur L'invention a pour objet une machine électrique syn- chrone (alternateur ou moteur) du type comprenant un inducteur supraconducteur fixe destiné à être parcouru par un courant continu pour créer un champ magnétique continu et des bobinages conducteurs destinés à être parcourus par des courants polyphasés, lors du fonctionnement. On connaît déjà (FR-A 2 308 237) des machines tournan- tes du type ci-dessus, qui ont l'avantage, sur les machines tournantes à supraconducteur à inducteur rotatif, de suppri- mer la nécessité de joints tournants sur le circuit du fluide cryogénique de refroidissement de l'inducteur Mais ces machines connues n'en présentent pas moins un ou plusieurn des inconvénients ci-après: l'inducteur supraconducteur est soumis à un couple d'entraînement qui oblige à le munir d'éléments de structure massifs, qui provoquent des pertes de frigories importantes; les bobinages conducteurs parcourus par des courants alternatifs sont mobiles, ce qui oblige à prévoir des contacts électriques glissants par lesquels transite toute la puissance de la machine. La présente invention vise à fournir une machine électrique synchrone à supraconducteur répondant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pra- tique, notamment en ce que les inconvénients ci-dessus sont écartés. Dans ce but, l'invention propose notamment une machine dans laquelle les bobinages conducteurs sont fixes et qui comprend un rotor portant des masses ferromagnétiques réparties angulairement et tournant dans le champ de l'in- ducteur pour créer des forces électromotrices alternatives dans les bobinages conducteurs fixes. Grâce à l'emploi d'inducteurs supraconducteurs, on peut prévoir un champ polarisant très élevé, saturant en permanence le matériau ferromagnétique, ce qui permet d'obtenir une faible valeur d'inductance pour l'induit, quelle que soit la valeur des courants d'induit Aucun contact glissant n'est nécessaire Le rotor peut être constitué par une pièce massive résistant bien aux forces centrifuges. -2- En règle générale, l'inducteur sera constitué par un enroulement de constitution similaire à un solenoide, créant un champ magnétique à symétrie axiale autour de l'axe de rotation du rotor Ce dernier devra être centré de façon précise dans l'inducteur car tout écart fait naître des forces électromagnétiques qui tendent à l'augmenter encore lors du fonctionnement. Un écran en matériau conducteur de l'électricité sera généralement prévu entre les bobinages et l'inducteur pour protéger ce dernier contre les variations d'induction au cours du fonctionnement de la machine. Le rotor pourra être constitué par une série de disques munis de plots ferromagnétiques régulièrement répartis et portés par un arbre commun, d'entrée ou de sortie de puis- sance mécanique suivant que la machine constitue alternateur ou moteur Les bobinages en matériau à conductivité normale, que l'on désignera par la suite par le terme de "bobinages d'induit" pour reprendre la terminologie habituelle, peuvent alors être disposés sur des disques isolants fixes, alter- nant avec les disques du rotor. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une machine qui constitue un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe de la machine tournante, représentée en coupe suivant un plan vertical; la figure 2 est une vue de gauche de la machine, rotor enlevé; les figures 3 et 4 sont des vues schématiques montrant, respectivement en vue de droite et en coupe, l'un des disques des bobinages d'induit; la figure 5 est un schéma de principe montrant une constitution possible du rotor, les disques qu'il porte étant représentés en coupe; la figure 6 est une vue de gauche du rotor de la figure 5; la figure 7, similaire à la figure 3, montre un disque de bobinage d'induit constituant une variante -3- la figure 8 est une vue schématique en perspective du disque de la figure 7; la figure 9, similaire à la figure 6, montre un dis- que de rotor utilisable avec le disque fixe de la figure 7. La machine tournante montrée en figures 1 et 2, utili- sable comme alternateur aussi bien que comme moteur, comprend un inducteur supraconducteur 10 destiné à être parcouru par -un courant continu en régime permanent, des bobinages conduc- teurs polyphasés fixes 12, sièges de forces électromotrices alternatives au cours du fonctionnement et qu'on appellera "induits" et un rotor 11 muni de plots ferromagnétiques qui, sous l'effet du champ produit par l'inducteur, acquiè- rent une aimantation. On décrira maintenant successivement ces-divers com- posants et les organes qui leur sont directement associés. L'inducteur supraconducteur 10 montré en Fig 1 et 2 est constitué par un enroulement cylindrique présentant un axe 13 confondu avec l'axe de rotation du rotor 11 Cet enroulement sera constitué en matériau supraconducteur clas- sique, par exemple en niobium-titane, bobiné sur un mandrin isolant suivant l'une quelconque des diverses technologies bien connues Cet enroulement est placé dans un cryostat à hélium liquide 14, de constitution également classique, muni d'un puits 15 d'alimentation en hélium liquide Ce cryostat 14, réalisé également suivant les techniques classiques mises en oeuvre par exemple sur les électro-aimants supra- conducteurs de guidage des faisceaux de particules, présente une paroi cylindrique interne 16 délimitant une ouverture d'axe 13 qui constitue un espace non refroidi. Pour protéger l'enroulement supraconducteur 10 et les parties métalliques refroidies du cryostat des champs magnétiques variables produits au cours du fonctionnement de la machine, la paroi interne 16 est revêtue intérieurement d'un écran métallique fixe 17 en matériau bon conducteur de l'électricité L'épaisseur de l'écran 17 doit être suffisante pour que les courants de Foucault qui apparaissent compensent les champs alternatifs produits par l'induit 12 et par la rotation du rotor 11 En règle générale, il suffit de donner à l'écran 17 une épais- seur double de la profondeur d'effet de peau pour les fréquences envi- sagées Pour un alternateur fonctionnant à 50 Hz, il suffit généralement d'un écran en-cuivre d'un centimètre d'épais- seur environ L'écran étant susceptible d'être soumis à des forces importantes doit être solidement fixé à la carcasse de la machine. On peut encore prévoir, autour de l'inducteur, un écran supplémentaire destiné à soustraire l'environne- ment aux champs magnétiques qu'il produit: mais dans la pratique, ce champ est peu gênant, parce que continu, et on peut omettre cet écran extérieur qui devrait être très lourd pour être ef Ficace et qui demanderait un centrage précis. Le rotor 11 peut être constitué de façon massive ou, au contraire, réalisé sous forme d'un arbre 18 sur lequel sont calés un ou plusieurs disques 19, au nombre de trois dans le mode d'exécution représenté en figures 1-et Les disques 19 sont identiques et répartis à intervalles égaux Des plots ou secteurs 20 sont formés ou rapportés sur les disques 19, à intervalles réguliers Ces plots, au nombre de douze dans le mode d'exécution montré en figure 6, doivent être en matériau ferromagnétique, ainsi générale- ment que les disques 19 Ce matériau doit être choisi avec une aimantation de saturation la plus élevée possible dans la pratique, on utilisera généralement du fer doux ou un alliage fer-cobalt Le champ fourni par l'inducteur 10 devra être tel que le matériau présente toujours son aimantation de saturation ( 2,1-Teslas dans le-cas du fer doux) Ainsi, l'aimantation n'est pas perturbée, au moins au premier ordre, par le champ de réaction d'induit et ce dernier n'aura aucune incidence défavorable sur la force électromotrice. Les bobinages d'induit 12 sont imbriqués entre les disques 19 du rotor Les bobinages proprement dits pourront être réalisés sur des supports plats isolants 21, constitués par exemple par de la résine renforcée par de la fibre de verre Ces supports plats, en forme de disque, sont fixés sur la structure de la machine, par exemple en constituant un empilement de ces disques et d'entretoises 22 (figure 1) que l'on bloque entre des flasques terminaux (non représentés) Les disques isolants sont munis sur - chaque face de rainures radiales dans lesquelles sont disposés les conducteurs 23 (Fig 3) pour constituer des bobinages multipolaires polyphasés Ces conducteurs des bobinages d'induit sont disposés et connectés suivant les règles habituelles de formation des bobinages de machines synchrones à géométrie plate et sont reliés aux bornes de puissance de la machine (non représentée). Les plots 20 (Fig 6) et les bobinages d'induit au- ront des formes adaptées les unes aux autres de façon à fournir des forces électromotrices dont la loi de variation dans le temps réponde aux besoins Lorsqu'en particulier la machine doit être couplée au réseau, ces forces électro- motrices doivent être approximativement sinusoïdales Ce résultat peut notamment être atteint en plaçant les conduc- teurs des bobinages d'induit dans des encoches qui leur donnent une forme de secteursapproximativement trapézoïdaux, tandis que les plots 20 ont une forme arrondie, telle que la surface d'enroulement couverte par un plot soit appro- ximativement sinusoïdale Mais on peut utiliser de nombreu- ses formes différentes de celles qui ont été représentées à titre d'exemples. L'encombrement donné dans le sens axial aux disques du rotor 11 et aux bobinages d'induit 12 sera le résultat d'un compromis: si on diminue l'épaisseur du disque fixe, on augmente la force électromotrice mais en contrepartie. on diminue les courants d'induit, donc la puissance de la machine Dans la pratique, la dimension axiale des disques du rotor 11 et l'inter- va J'l dse plots qui le constituent auront le même ordre de grandeur. Pour chiqîii' support plet 21 muni de ses bobinages, on pourra admpttri un qncombrwment d''nviron le quart de l'encombre- mnt Axi l d(les disques et des lots du rotor 11. Pour dissiper la chaleur dégagée par effet Joule dans les bobinages d'induit 12, on sera fréquemment amené à prévoir, dans ces bobinages, un circuit de refroidissement qui n'est pas représenté, car il peut être de type classique. Quel que soit le mode de réalisation retenu, il permet de conserver tous les avantages des machines à inducteur supraconducteur, c'est-à-dire notamment une induc- tance synchrone beaucoup plus faible que celle des grosses -6- machines de type classique, ce qui diminue notablement la puissance réactive absorbée et augmente les performances maximales, du fait que l'on ne se heurte plus à l'une des limitations habituelles du courant maximum d'induit (stabilité réduite du fait de l'augmentation de l'angle interne en fonctionnement permanent) Sur ces machines synchrones, la machine suivant l'invention présente les avantages exposés plus haut Sur les machines synchrones traditionnelles dont les enroulements sont constitués en matériau de conductibilité normale, l'invention présente l'avantage de fournir une machine dont les plots ferro- magnétiques sont en permanence complètement saturés, de sorte que leur perméabilité différentielle est voisine de la perméabilité du vide. Dans la variante de réalisation montrée en figures 7, 8 et 9, les disques 11 sont munis de plots 20 en forme de secteurs trapézoïdaux Les bobinages d'induit 12 sont constitués de conducteurs, méplats de préférence, logés dans des rainures 24 en forme de développantes de cercle creusées dans les faces latérales des disques fixes isolants. Les faces opposées d'un même disque fixe sont munies de rainures 24 orientées en sens inverse, ce qui permet, par connexion des conducteurs méplats à la périphérie externe ou interne des disques, de réaliser pour chacune des phases un bobinage ondulé. Le refroidissement de cet induit peut être assuré par exemple par circulation forcée longitudinale d'un gaz réfrigérant au travers de trous (non représentés) percés dans les disques à l'endroit des rainures 24 Ces trous ont un diamètre supérieur à la largeur des rainures, ce qui permet de refroidir les conducteurs par contact latéral du gaz avec le méplat. L'invention est susceptible de nombreuses autres variantes de réalisation, portant aussi bien sur la constitution des plots et des bobinages d'induit que sur la réalisation technologique des composants Les bobinages d'induit peuvent être disposés par rapport à l'inducteur supraconducteur de façon différente de celle qui a été repré- sentée L'écran 17 en matériau conducteur (cuivre ou alliage -2514965 -7- d'aluminium) peut avoir une épaisseur variable, de façon à assurer une atténuation maximum là o elle est nécessaire par exemple être plus épais dans ses parties terminales. Il va sans dire que de telles variantes, ainsi plus géné- ralement que toutes autres restant dans le cadre des équi- valences, doivent être considérées comme couvertes par le présent brevet. 8 - Revendications 1 Machine électrique synchrone comprenant un induc- teur supraconducteur fixe ( 10) destiné à être parcouru par un courant continu pour créer un champ magnétique continu et comprenant des bobinages conducteurs ( 12) destinés à être parcourus par des courants alternatifs polyphasés lors du fonctionnement, caractérisée en ce que les bobinages conducteurs ( 12) sont fixes et en ce que la machine comporte un rotor portant des masses ferro- magnétiques ( 20) réparties angulairement et tournant dans le champ de l'inducteur ( 10) pour créer des forces électro- motrices alternatives dans les bobinages conducteurs fixes ( 12). 2 Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'inducteur est constitué par un bobinage créant un champ magnétique à symétrie axiale autour de l'axe de rotation du rotor ( 11). 3 Machine suivant la revendication 1 ou 2, caractéri- sée en ce que l'inducteur supraconducteur est prévu pour fournir un champ suffisant pour maintenir en permanence lesdites masses ferromagnétiques-au-delà de la saturation. 4 Machine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un écran conducteur fixe ( 17) cylindrique et coaxial au rotor ( 11). 5 Machine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rotor comprend plusieurs disques régulièrement répartis dans le sens axial et comportant chacun plusieurs plots en matériau ferromagnétique ( 20) régulièrement répartis angulairement. 6 Machine suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les enroulements d'induit comportent des bobi- nages plans disposés sur des disques ( 21) en matériau isolant électrique alternant avec les disques du rotor ( 11).