Brevet FR2511559A1 — publié le 19830218

Enroulements et structure support pour palier de tête de rotor. La présente invention concerne une machine dynamo- électrique comportant un rotor supraconducteur, et les bobinages inducteurs du rotor du dispositif dynamo-électrique, ainsi, en particulier, que la partie palier d'extrémité ou de tête des bobinages inducteurs du rotor d'un générateur électrique supra- conducteur. Les bobinages des rotors des générateurs qui ne sont pas supraconducteurs sont soumis à des forces centrifuges causees par la rotation rapide du rotor en fornctionnement Dans les réalisations typiques, ces forces sont compensées par un anneau de retenue fixé à la surface rediale extérieure de la partie palier de tête du bobinacedu rotor Dans les générateurs conven- tionnels, les enroulements du rotor nre sont pas soumiis à des forces significatives que ce soit ians le sens de l'axe ou de la circonférence. Les bobinages de rotor d'un gê narateur supraconducteur, au contraire des rotors conventionnels que l'on vient d'évoquer-, sont soumis à des forces axiales et tangentielles sensibles causées principalement par le fait que le stator d'un générateur supraconducteur typique n'utilise pas de noyau feuilleté dans ses enroulements Ainsi, les lignes de flux ne traversent pas les dents d'un bobinage de stator Elles sont dirigëes, à la place, de telle façon qu'elles exercent des forces sensibles sur le bobinage du rotor dans des directions variees. C'est pourquoi la partie palier de tête de l'enrou- lement inducteur du rotor supraconducteur nécessite un support rigide dans les directions axiales et tangentielles en plus d'un support radial normal dû aux forces centrifuges que l'on a évoquées Si les enroulements ne sont pas retenus de façon rigide, ces forces axiales et tangentielles feront se mouvoir les enroulements et provoqueront une élévation de température causée à la fois par la friction et par le travail effectué pendant ce mouvement Toute production de chaleur à l'intérieur des enroulements du rotor aurait des conséquences nuisibles sur la stabilité des températures cryogéniques du rotor supra- conducteur et doit donc être éliminée. Une autre différence significative entre les caracté- ristiques de support des bobinages du rotor conventionnels et supraconducteurs réside dans le fait que les enroulements d'un rotor supraconducteur utilisent un conducteur plus flexible et de moindre section que les enroulements de rotor plus volumineux et plus rigides d'un générateur conventionnel Le conducteur plus petit et plus flexible est plus difficile à bobiner à cause de sa tendance à quitter sa position physique désirée pendant l'opération d'enroulement ou de bobinage du rotor. Suivant la présente invention, une machine dynamo- -électrique comporte un rotor supraconducteur, ce rotor comprenant un enroulement inducteur composé d'une partie droite et une partie courbe d'extrémité, cette partie droite étant disposée dans des rainures axiales dans ledit rotor, ladite partie courbe d'extrémité s'étendant axialement depuis ces rainures, ladite partie courbe d'extrémité comportant un ensemble d'enroulements, chaque enroulement comportant un ensemble de piles de conducteurs, chaque pile comportant un ensemble de conducteurs s'étendant radialement depuis ledit rotor à un angle présélectionné par rap- port au plan perpendiculaire à l'axe dudit rotor, un ensemble de palierssupports en forme d'arc, chaque palier-support ayant une section sensiblement en forme de L comportant une patte axiale et une patte radiale, ladite pile d'enroulement étant disposée radialement adjacente à ladite patte s'étendant axia- lement et axialement adjacente à ladite patte s'étendant radia- lement, des moyens isolants pour empêcher le contact électrique entre ledit enroulement de conducteur et ledit palier-support, un cylindre de tête de palier disposé radialement à l'extérieur desdits enroulements de conducteur et desdits paliers-supports, et un tube de retenue disposé radialement à l'extérieur dudit cylindre de tête de palier. Le conducteur fin et flexible des rotors supraconducteurs, soumis pendant le fonctionnement à des forces multidirectionnel- les, nécessite, de préférence, une technique et une configura- tion d'enroulement qui compense ces conditions physiques sensi- blement différentes de celles rencontrées d'ordinaire dans les enroulements inducteurs de rotors classiques. La présente invention fournit un support physique dans la direction du rayon, de la circonférence et de l'axe pour empêcher ces forces déjà évoquées de provoquer des déplacements dans les enroulements du rotor durant le fonctionnement De plus, un enroulement de tête de palier réalisé selon l'invention est incliné par rapport à une configuration radiale directe afin de faciliter sa fabrication au moment de l'opération de bobinage. Les conducteurs du rotor sont groupés en une pile de conducteurs qui est maintenue par un palier-support en forme d'arc de section sensiblement en forme de L La pile de con- ducteurs est isolée électriquement du palier-support par un ensemble d'organes d'isolement en coin Un cylindre de tête de palier, rigide est disposé sur un rayon extérieur aux paliers-supports et aux piles de conducteurs et est maintenu par un tube rigide de retenue placé radialement à l'extérieur du cylindre de tête de palier La configuration décrite plus haut fournit un support substantiel des enroulements dans toutes les directions tout en permettant le bobinage des piles de conducteurs suivant une disposition inclinée au lieu de radiale. On va maintenant décrire l'invention, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 montre la disposition des enroulements de rotor d'un générateur conventionnel; la figure 2 est une vue en coupe des bobinages de rotor, semblable à celui de la figure 1, disposés dans un rotor conven- tionnel et engagés dans un anneau de retenue; la figure 3 montre une pile de conducteul Eet ses pièces de support associées, réalisée suivant la présente invention; et la figure 4 montre un ensemble de piles de conducteurs de rotor et de pièces de support réalisées suivant l'invention et assemblées dans un rotor supraconducteur. L'invention peut être mieux comprise à partir de la configuration des enroulements de rotor d'un générateur conven- tionnel La fiaure 1 montre les enroulements de rotor d'un rotor à deux pôles conventionnel, non supraconducteur Les enroulements comprennent les parties droites 10 destinées à être placées dans des rainures de rotor (non représentées) et les parties courbes d'extrémités ou palier de tête 12 qui s'étendent le long de l'axe à partir du corps de rotor muni de rainures Chacun des deux pôles comporte une série de spires ou de tours de conducteurs A la figure 1, il y a six tours pour chaque pôle La partie droite 10 de chaque tour s'étend le long de l'axe sur une distance présélectionnée et rejoint une partie courbe 12 La partie recourbée 14 effectue la connexion mécanique et électrique entre la partie droite et la partie courbe 12 et réalise la transition entre les conducteurs droits et les conducteurs en forme d'arc. En se référant à la vue partielle montrée à la figure 2, les conducteurs d'extrémité ou palier de tête 12 sont repré- sentés radialement à l'extérieur de l'extension 19 du rotor et axialement à l'extérieur du corps 20 de rotor principal Les pièces courbes d'extrémité 12 comportent un ensemble de conduc- teurs groupés en colonne Ces colonnes sont perpendiculaires à l'axe du rotor et sont séparées par des entretoises d'iso- lement 22 Un cylindre d'isolement 24 est disposé autourdes colonnes 12 et un anneau de retenue 26 réalise le support dans le sens radial vers l'intérieur qui empêche les déformations des enroulements 12 provoquées par les forces centrifuges pendant la rotation du rotor. On peut voir à la figure 2 que les colonnes 12 de palier de tête sont maintenues uniquement selon une direction radiale vers l'intérieur par 1 ' anneau 26 de retenue et que les entre- toises 22 d'isolement servent principalement d'entretoises, n'exerçant aucun support sensible dans le sens de l'axe ou de la circonférence Ce support minimum est suffisant dans les rotors conventionnels à cause de l'absence de forces axiales ou tangentielles sur l'enroulement 12 de tête de palier. La figure 4 montre une coupe du palier de tête et du système de support d'un rotor réalisé suivant l'invention Un ensemble de conducteurs 30 sont groupés en piles A la figure 4, dix-huit de ces conducteurs 30 sont disposés dans chaque pile mais on doit comprendre que l'on peut modifier ce nombre sans quitter l'esprit de l'invention Un ensemble de piles sont groupées en un enroulement 32 On peut voir que douze piles sont groupées ainsi, mais l'invention n'est pas limitée à ce nombre spécifique Dans cet exemple, deux cent seize conducteurs sont groupés en un enroulement 32 formant un palier de tête unique pour enroulement inducteur de rotor On doit noter que la pile de conducteur de la figure 4 peut être distinguée du palier de tête classique 12 des figures 1 et 2 par le fait que l'in- vention comporte un ensemble de piles de conducteurs 30 flexibles de section relativement faible alors qu'un palier de tête classique 12 est une colonne unique de conducteurs plus gros et plus rigides. Sur les quatre côtés de l'enroulement 32 de tête de palier sont disposées les entretoises d'isolement 34, 35, 36 et 37 Ces entretoises ont la forme d'un arc avec une section en coin comme le montre la coupe de la figure 3 Ces quatre entre- toises, 34 à 37, et l'enroulement 32 de tête de palier sont maintenus par un palier-support 40 a en forme d'arc et avec une section en L Deux autres paliers-supports, 40 b et 40 c, sont montrés à la figure 3, ils assurent de la même façon le support d'autres enroulements (non représentés) On doit voir que les entretoises d'isolement, 34 à 37, assurent l'isolation élec- trique entre l'enroulement 32, les paliers-supports adjacents 40 a et 40 b et le cylindre 50 de tête de palier. On choisit la forme de la section de ces quatre entre- toises d'isolement pour que la position du palier de tête 32 qui en résulte soit inclinée d'un angle e, prédéterminé, par rapport à une droite R perpendiculaire à l'axe du rotor Les dimensions des entretoises d'isolement 34 à 37, sont également choisies pour ménager un espace 44 dans lequel on puisse effectuez les connexions électriques entre piles de conducteurs. Puisque l'enroulement 32 est construit pile après pile, on a découvert que lès conducteurs '0 d'une pile bobinée ont tendance à quitter leur position à la tête du palier pendant le bobinage ultérieur d'autres piles si l'enroulement 32 est construit perpendiculairement à l'axe du rotor (c'est-à-dire, 9 = zéro) Mais avec un angle 4 de quelques degrés (par exemple entre 5 et 10 degrés), le conducteur 30 de tête de palier reste en position pendant le montage,et le bobinage est grandement facilité De chaque côté par rapport à l'axe de l'assemblage des entretoises d'isolement, est disposée une feuille d'isolant 46 qui augmente l'isolation électrique entre l'enroulement de palier de tête et les paliers-supports 40 et 41 à l'interface coplanaire entre les entretoises d'isolement adjacentes. Un cylindre 50 de tête de palier est disposé autour de l'assemblage déjà décrit des paliers-supports ( 40 a, 40 b et c), des piles 32 de conducteurs et des entretoises d'iso- lement ( 34 à 37) Ce cylindre 50 peut être réalisé en une seule pièce ou, de préférence, de deux ou plusieurs parties en arc. Afin d'empêcher le mouvement de l'assemblage déjà évoqué par rapport au rotor, on engage des plots ou des clavettes 48 pour fixer au rotor les paliers-supports ( 40 à 42) et le cylindre de tête de palier aux palierssupports Ces clavettes 48, les paliers-supports et le cylindre 50 de tête de palier doivent être fabriqués dans des matériaux possédant des modules et des coefficients thermiques de dilatation similaires pour égaliser les effets des températures et des forces sur ces composants. En se référant de nouveau à la figure 2, on peut voir que l'anneau 26 de retenue d'un rotor conventionnel est emmanché sur le corps 20 de rotor seulement à son extrémité sur la tête 27 Pendant le fonctionnement du rotor, sa rotation engendre des forces centrifuges qui provoquent une dilatation de l'anneau 26 de retenue dans le sens radial vers l'extérieur, sur la partie qui se trouve au-delà de ce point 27 L'anneau 26 de retenue se déplace radialement vers l'intérieur et l'extérieur à cause des variations de vitesse, de même pour les pièces 12 d'extrémité de tête de palier autour desquelles il est disposé. Ce déplacement, comme on l'a vu, est très indésirable dans un rotor supraconducteur. La figure 4 montre la distinction entre le tube de retenue 56 de l'invention et l'anneau de retenue décrit plus haut Le tube de retenue 56 est emmanché sur le rotor et l'assemblage d'enroulements sur toute sa longueur Cet emman- chement avec retrait s'étend axialement le long de la tête des palierssupports et d'une partie flasque (numéro de référence 58 à la figure 4) Le fait que l'intégralité du tube 56 de retenue soit emmanché par contraction ou retrait empêche qu'il ne se déplace avec la vitesse de rotation en fonctionnement et élimine ainsi virtuellement tous les mouvements possibles de l'assemblage de la tête de palier. On doit comprendre, bien que la figure 3 montre seu- lement un enroulement et un assemblage d'entretoises d'isolement avec des détails au voisinage du palier-support 40, que chaque palier-support (c'est-à-dire 40 a, 40 b, 40 c, etc) est associé à des assemblages similaires à celui représenté,sauf pour leurs dimensions qui dépendent de leur position axiale différentes sur le rotor 19. La figure 4 montre une coupe d'un corps 20 et une extension 19 d'un rotor avec un assemblage d'enroulement induc- teur de tête de palier fabriqué suivant l'invention Cet as- semblage de tête de palier est disposé de façon typique entre une partie flasque 58 et une partie 59 de tête ou de pôle du corps 20 de rotor, l'ensemble formant une cavité annulaire. Cette cavité contient les paliers-supports 40, les entretoises d'isolement 34 à 37, et les piles 32 de conducteurs On doit comprendre que la référence 32 désigne à la figure 4 un conduc- teur de tête de palier comportant un ensemble de conducteurs représentés à la figure 3 La figure 4 montre également le cylindre 50 de tête de palier et le tube 56 de retenue disposés radialement à l'extérieur de l'assemblage de la tête de palier et emmanchés avec retrait sur le rotor et l'assemblage des enroulements sur toute sa longueur. On réalisera plus clairement les différences entre l'invention et la construction des paliers de tête des rotors conventionnels, en comparant la conception classique repré- sentée figure 2 à l'invention montrée à la figure 4 On voit que le conducteur en forme d'arc 32 de l'enroulement de tête de palier est incliné d'un angle prédéterminé par rapport à une position radiale, alors que la colonne 12 de conducteur conventionnelle s'étend radialement par rapport au rotor De plus, l'invention fournit un support axial et tangentiel pour les conducteurs de la tête de palier, avec les palierssupports a et les entretoises d'isolement 34 à 37, alors que ce type de support n'est pas nécessaire pour les rotors classiques. Pour un support radial vers l'intérieur, le rotor classique utilise un anneau 26 de retenue en combinaison avec un tube d'isolement 24, alors que l'invention utilise un cylindre 50 de tête de palier et un tube 56 de retenue, les entretoises 37 d'isolement assurant l'isolation électrique entre les conduc- teurs de l'enroulement 32 et le cylindre 50 de tête de palier. La présente invention décrit un assemblage de tête de palier et un système de support pour rotor qui supporte les conducteurs de la tête de palier dans toutes les directions et facilite la fabrication des enroulements de rotor pendant le bobinage. REVENDICATIONS 1 Machine dynamo-électrique comportant un rotor supra- conducteur, ce rotor comprenant un enroulement inducteur composé d'une partie droite et d'une partie courbe d'extrémité, cette partie droite étant disposée dans des rainures axiales dans ledit rotor, ladite partie courbe d'extrémité s'étendant axia- lement depuis ces rainures, ladite partie courbe d'extrémité comportant un ensemble d'enroulements, chaque enroulement comportant un ensemble de piles de conducteurs, caractérisée par le fait que chaque pile ( 32) comporte un ensemble de conducteurs ( 30) s'étendant radialement depuis ledit rotor à un angle pré- déterminé (O) par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe dudit rotor, le rotor comprenant en outre un ensemble de paliers- supports ( 40 a, 40 b, 40 c) en forme d'arc, chaque palier- support ayant une section sensiblement en forme de L comportant une patte axiale et une patte radiale, ladite pile d'enroulement étant disposée radialement adjacente à ladite patte s'étendant axialement et axialement adjacente à ladite patte s'étendant radialement, des moyens isolants ( 34, 35,36,37,46) pour empêcher le contact électrique entre ledit enroulement ( 32) de conducteur et ledit palier-support ( 40), un cylindre ( 50) de tête de palier disposé radialement à l'extérieur desdits enroulements ( 32) de conducteurs et desdits paliers-supports, et un tube ( 56) de retenue disposé radialement à l'extérieur dudit cylindre de tête de palier. 2 Machine suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit cylindre ( 50) de tête de palier comporte un ensemble de pièces en forme d'arc. 3 Machine suivant les revendications 1 ou 2, caracté- risée par le fait que lesdits moyens isolants ( 34,35,36,37) comportent un ensemble d'organes isolants enforme d'arc, chacun de ces derniers ayant une section sensiblement en forme de coin. 4 Machine suivant la revendication 3, caractérisée par le fait qu'une feuille d'isolant ( 46) est disposée entre lesdit E organes isolants ( 34, 35,36,37) en forme d'arc et lesdits paliers supports ( 40 a, 40 b, 40 c). 11559 Machine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins une clavette ( 48) s'étendant radialement à travers ledit cylindre ( 50) de tête de palier et dans ledit palier-support ( 40), et au moins une clavette ( 48) s'étendant radialement à travers ledit palier-support ( 40) dans ledit rotor ( 19) - 6 Machine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que lesdits moyens isolants ( 34,35,36,37) sont disposés à proximité dudit enroulement ( 32) de conducteurs en ménageant un espace suffisant ( 44) entre lesdits moyens isolants et ledit enroulement pour pouvoir réaliser les connexions électriques entre les colonnes de conducteurs du même enroulement, et que des entretoises isolantes sont disposées à proximité desdites connexions électriques. 7 Machine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que ledit palier-support ( 40) et ledit cylindre ( 50) de tête de palier sont fabriqués dans le même matériau. 8 Machine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que ledit angle ( 9) prédéterminé des conducteurs s'étendant radialement a une valeur comprise entre cinq et dix degrés. 9 Machine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que ledit tube ( 56) de retenue est monté autour dudit rotor et dudit assemblage de tête de palier par emmanchement à retrait ou à contraction sur sensi- blement toute sa longueur.