Brevet FR2532794A1 — publié le 19840309

ROTOR DE MACHINE ELECTRIQUE La présente invention s'applique à la contruction électromécanique et a trait, plus particulièrement, aux rotors de machines électriques. Elle peut être avantageusement utilisée dans des machines électriques à refroidissement par liquide des enroulements inducteurs du rotor. L'un des moyens pour accroitre la puissance d'une machine électri- que, d'un turbo-générateur par exemple, consiste à augmenter les dimensions de ses parties actives, ce qui conduit finalement à une augmentation de l'encombrement de l'ensemble du turbo-générateur. Une telle e augmentation de l'encombrement d'un turbo-générateur est limitée par les caracteristiques mécaniques des matériaux qui le constituent. L'un des moyens les plus efficaces pour accroltre la puissance d'un turbo-géngrateur consiste à utiliser le principe de la supraconductibilité pour les enroulements inducteurs de son rotor. On connaît des rotors de machines électriques contenant des enroulements inducteurs munis de canaux pour la circulation d'un agent réfrigérant (voir, par exemple, les brevet U.S.A. n 3821568, et n 4013908, et le brevet allemand n" 2440132). Le refroidissement des enroulements inducteurs dans ces rotors s'effectue par de l'hélium liquide. On connait également un autre rotor de machine électrique, décrit dans le brevet français n 2210854 et qui est considéré comme le prototype de la présente invention. Ce rotor comporte une carcasse avec un enroulement inducteur supraconducteur muni de canaux orientés radialement, pour la circulation du fluide réfrigérant. Dans la carcasse, au-dessus de l'enroulement supraconducteur, des canaux distributeurs sont ménagés, tandis qu'au-dessous de l'enroulement inducteur supraconducteur est prévu un collecteur formé par une pluralité de canaux axiaux dont chacun communique avec l'un des canaux pour la circulation de l'agent réfrigérant. Les canaux distributeurs communiquent avec une source d'agent réfrigérant constituée de préférence par de l'hélium liquide. Pendant la rotation du rotor, l'agent réfrigérant parvient des canaux distributeurs dans les canaux pour la circulation de l'agent réfrigérant qui, en traversant ces canaux, retire de l'enroulement inducteur supraconducteur, la chaleur qui s'y dégage par suite de pertes thermiques dont il est le siège, pertes dues à la pénétration dans cet enroulement de la composante basse fréquence du champ magnétique alternatif, Des canaux pour la circulation de l'agent refrigerant, le fluide réchauffé" parvient dans le collecteur et de là est évacué au-dehors de la carcasse. Le debit optimal d'agent réfrigérant admis dans la carcasse du rotor est déterminé essentiellement par les pertes thermiques précédemment mentionnées qui se produisent dans l'enroulement inducteur supracondnc- teur. Cependant, au cours de la rotation du rotor de la machine électrique, il apparaît, en diverses parties dudit enroulement inducteur supraconduc- teur, des emissions de chaleur locales dues à des perturbations de nature mécanique et électromagnétique, Ces dégagenients de chaleur locaux sont susceptibles de faire revenir l'enroulement inducteur supraconducteur à l'état normal (non supraconducteur), ce qui provoque une évaporation violente del'agent réfrigérant.Dans ce cas, il est nécessaire, pour un rotor donné, d'augmenter fortement l'efficacité de refroidissement de l'en- roulement inducteur supraconducteur pour parer à ces émissions de chaleur locales qui s'y produisent. Cependant, pour rendre plus efficace le refroidissement dans un rotor donné, on est conduit à augmenter sensiblement le débit optimal d'agent réfrigérant admis dans la carcasse du rotor, ce qui abaisse la fiabilité du rotor au cours de l'exploitation normale. Le but de la présente invention est donc de réaliser un rotor de machine électrique dont la carcasse est munie de dispositions qui, en association avec les canaux distributeurs, les canaux pour la circula- tion de l'agent réfrigérant et le collecteur, permettent d'accroître l'ef ficacité du refroidissement de l'enroulement inducteur supraconducteur sans pour cela augmenter le débit d'agent réfrigérant. L'invention a pour objet un rotor de machine electrique comportant une carcasse équipée d'un enroulement inducteur supraconducteur muni de canaux sensiblement radiaux pour la circulation de l'agent réfrigérant, des canaux distributeurs ménages dans la carcasse au-dessus de l'enroulement inducteur supraconducteur et un collecteur de fluide réfrigérant situe au centre de la carcasse au-dessous de l'enroulement inducteur supraconducteur et communiquant par l'intermédiaire des canaux radiaux pour la circulation de l'agent réfrigérant avec les canaux distributeurs ménagés dans la carcasse, et est caractérisée en ce que la carcasse comporte des canaux de by-pass isolés thermiquement de l'enroulement inducteur supraconducteur et orientés de façon sensiblement radiale et qui constituent des passages de dérivation reliant entre eux les canaux distributeurs et le collecteur de fluide. L'existence de canaux de by-pass, isolés thermiquement de l'enrQu- lement inducteur supraconducteur, permet d'assurer la circulation de l'agent réfrigérant suivant un circuit fermé, notamment dans le cas où il se produit une émission locale de chaleur dans l'enroulement inducteur supraconducteur. En effet, en cas de dégagement local de chaleur dans cet enroulement, la température de l'agent réfrigérant dans les canaux de circulation s'élève, tandis que sa température dans les canaux de by-pass reste pratiquement inchangee, d'où il s'ensuit que la densité de l'agent réfrigerant dans les canaux de circulation est plus faible que dans les canaux de by-pass.Il en résulte que pendant la rotation du rotor, les forces centrifuges agissant sur l'agent réfrigérant dans les canaux de by-pass sont plus grandes que celles agissant sur lui dans les canaux de circulation, ce qui provoque la circulation de l'agent réfrigérant par les canaux de la carcasse, ce qui rend plus efficace le refroidissement de l'enroulement inducteur supraconducteur, tout en maintenant inchangé le débit de l'agent réfrigérant amené à- la carcasse. Cette disposition accroît la fiabilité de fonctionnement du rotor.On doit de plus noter que, dans ce cas, il se produit une autorégulation de la circulation de l'agent refri- gérant de telle façon que lorsque le dégagement local de chaleur dans l'enroulement inducteur supraconducteur augmente, la circulation de l'agent réfrigérant augmente également, ce q'ui accroît l'efficacité de refroidissement de l'enroulement inducteur supraconducteur9 D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation-d'un rotor de machine électrique selon 7'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé où: : - la figure 1 represente une vue d'ensemble en coupe schématique du rotor de machine électrique; - la figure 2 représente une coupe transversale faite suivant la ligne II-II de la figure 1; - la -figure 3 représente, à plus grande echalle, une partie de la carcasse et l'une des bobines de l'enroulement inducteur supraconducteur disposée dans une encoche de la carcasse; et - la figure 4 représente les canaux distributeurs en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3. Le rotor de la machine electrique (figure 1) comporte une virole extérieure 1 entourant une virole interieure 2 en matériau amagnétique et dans laquelle est disposee une carcasse 3. Dans les encoches 4 de la carcasse 3 (figures 2 et 3) sont placees les bobines 5 d'un enroulement inducteur supraconducteur 6. Entre les conducteurs 7 de chaque bobine 5 de l'enroulement inducteur supraconducteur 6 sont prévus des canaux radiaux 8 pour la circulation de l'agent réfrigérant. La surface intérieure de chaque encoche 4 est munie d'une isolation 9 et la surface extérieure de chaque bobine 5 de l'enroulement inducteur supraconducteur 6 comporte une isolation 10. Dans la carcasse 3 (figures 1, 3 et 4), au-dessus de l'enroulement inducteur supraconducteur 6, sont ménagés des canaux distributeurs 11 et 12 qui se croissent. Les canaux distributeurs 12 (figure 4) communiquent directement avec les canaux 8 pour la circulation de l'agent réfrigérant. Dans la carcasse 3 (figures 1, 2 et 3), sous les bobines 5 de l'enroulement inducteur supraconducteur 6, est menagé un collecteur de fluide 13 formé par une cavité à section transversale circulaire, dont l'axe cown- cide avec l'axe de la carcasse 3. Les canaux 8 communiquent directement avec les canaux distributeurs 12 et, par l'intermédiaire de canaux 14, avec le collecteur 13. En outre, il est prévu dans la carcasse 3, entré les bobines 5 de l'enroulement inducteur supraconducteur 6, des canaux de by-pass 15 dirigés radialement, qui constituent des voies supplémentaires reliant les canaux distributeurs 11. et 12 au collecteur 13. Les canaux distributeurs 11 communiquent directement, par une conduite 16, avec une source d'agent réfrigérant (non représentée). Comme agent réfrigérant pour l'enroulement inducteur supraconducteur 6, on utilise de préférence l'hélium liquide. Le collecteur 13 (figure 1) comporte en son centre deux orifices axiaux opposés .17 et 18. Lorsque le rotor de la machine électrique est mis en rotation, l'agent réfrigérant parvient d'abord, par la conduite 16, dans les canaux distributeurs 11, puis dans les canaux distributeurs 12 d'où il est dirigé dans les canaux 8 pour assurer. la circulation de l'agent réfrigérant de chaque bobine 5 de l'enroulement inducteur supraconducteur 6. Des canaux de circulation 8, l'agent réfrigérant s'écoule par les canaux 14, dans le collecteur 13 qui reçoit également, par les canaux de by-pass 15, l'agent réfrigérant provenant des canaux distributeurs il et 12, De cette manière, les bobines 5 de 1 'enroulement inducteur supraconducteur 6 se trouvent immergées dans un bain d'hélium liquide.Sous l'action des forces centrifuges au cours de rotation du rotor, s'opère dans le collecteur 13, la séparation de l'agent réfrigérant et de sa vapeur et cette vapeur se forme sous l'effet de la chaleur développée dans la carcasse 3 et l'enroulement inducteur supraconducteur 6 s'accumule alors dans la partie centrale du collecteur 13. Lorsque l'enroulement inducteur supraconducteur 6 est parcouru par un courant électrique, il s'échauffe par suite des pertes chimiques qui s'y développent par suite de la penétration dans cet enroulement de la composante basse fréquence du champ magnétique alternatif. En conséquence, l'agent réfrigérant parcourant les canaux 8 s'échauffe lui aussi.Dans le même temps, la température de l'agent réfrigérant dans les canaux de bypass 15 reste pratiquement inchangée, et devient inférieure à la température de l'agent réfrigérant dans les canaux -8, Il s'ensuite que la densité de l'agent réfrigérant dans ces canaux 8 devient plus faible que celle de l'agent réfrigérant dans les canaux de by-pass 15. a différence des den sités de l'agent réfrigérant dans les canaux 15 et 8 fait en sorte que les forces centrifuges qui agissent sur agent réfrigérant dans les canaux 15 deviennent supérieures à celles que subit l'agent réfrigérant dans les canaux 8.Ceci a pour effet de rompre l'équilibre hydrodynamique qui existait dans les canaux 15, 8 et 14 avant le dégagement de chaleur dans l'enroulement inducteur supraconducteur 6, si bien que l'agent réfrigérant se déplace vers le collecteur 13, par les canaux de by-pass 15, dans les canaux distributeurs 11 et 12 d'où il retourne par les canaux 8 et 14 dans le collecteur 13. De cette manière, on obtient la circulation de l'agent réfrigérant en circuit fermé. Lorsque le dégagement de chaleur dans l'enroulement inducteur supraconducteur 6 augmente, la dif férence des densités de l'agent réfrigérant dans les canaux de by-pass 15 et les canaux 8 augmente également et, donc, la vitesse de circulation de l'agent réfrigérant, ce-qui rend le refroidissement de l'enroulement inducteur supraconducteur 6 plus efficace. En cas de dégagements locaux de chaleur dans l'enroulement inducteur supraconducteur 6, il se produit ainsi une circulation intense de l'agent réfrigérant dans le système des canaux 15, 11, 12, 8, 14 et du collecteur 13, assurant un refroidissement efficace de la source d'emis- sion locale de chaleur dans l'enroulement inducteur supraconducteur 6. De cette manière, si une partie de 1 'enrojiement inducteur supraconducteur 6 dépasse la température normale par suite de dégagements locaux de chaleur, la circulation intense de l'agent réfrigérant la ramène à l'état supraconducteur sans qu'il soit nécessaire de prendre des mesures complémentaires, en particulier d'augmenter le débit de l'agent réfrigé rant. La vapeur séparée de l'agent réfrigérant est évacuée du collecteur 13 par les orifices axiaux 17 et 18 et est ensuite utilisée pour le refroi dissement des tubes de la carcasse 3- du rotor. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de 1 'invention. REVENDICATIONS 1.- Rotor de machine électrique comportant une carcasse équipée d'un enroulement inducteur supraconducteur muni de canaux sensiblement radiaux pour la circulation d'un agent réfrigérant, des canaux distributeurs ménagés dans la carcasse au-dessus de l'enroulement inducteur supraconducteur et un collecteur de fluide réfrigérant situe au centre de la carcasse au-dessous de l'enroulement inducteur supraconducteur et communiquant par l'intermédiaire des canaux radiaux pour la circulation de l'agent réfrigérant avec les canaux distributeurs ménagés dans la carcasse, caractérisé en ce qu'il est prévu dans la carcasse (3) des canaux de by-pass (15) isolés thermiquement de l'enroulement inducteur supraconducteur (6), orientés de façon sensiblement radiale et qui constituent des passages de dérivation mettant en communication entre-eux les canaux distributeurs (11, 12) et le collecteur de fluide (13).