Brevet FR2578117A1 — publié le 19860829

La présente invention se rapporte à un rotor pour une machine électrique rotative supraconductrice. Un rotor typique du type concerné par la présente invention est illustré, en section transversale, sur la figure 1. Comme le montre la figure, des tubes cylindriques de couple 1 sont rigidement fixés aux extrémités opposées d'un arbre cylindrique creux 2 sur lequel sont montées des bobines supraconductrices de chlamp 3. Le tube droit de couple i sur la figure est rigidement fixé à un premier bout d'arbre 8, et le tube gauche de couple 1 sur la figure est rigidement fixé à un second bout d'arbre 9 qui est relié de manière motrice à une source d'entraînement ou à une charge, selon que le rotor doit 8tre utilisé comme partie d'un générateur ou d'un moteur. Le premier bout d'arbre 8 et le second bout d'arbre 9 sont tous deux supportés rotatifs par des paliers 10. Le second bout d'arbre 9 présente un certain nombre de bagues collectrices I1 qui y sont montées, par lesquelles le courant de champ est fourni aux bobines de champ 3. L'arbre 2 est entouré d'un blingage thermique d'amortissement 4 dont les extrémités opposées sont fixées au premier bout d'arbre 8 et au second bout d'arbre 9. Un blindage froid d'amortissement 5 est disposé entre le blindage thermique 4 et l'arbre 2 avec un espace longitudinal entre eux. Le blindage 4 et le blingage 5 protègent les bobines de champ 3 des champs magnétiques haute fréquence et diminuent les oscillations du rotor du fait des perturbations du système d'alimentation électrique auquel le rotor est connecté. De plus, le blindage 4 forme un joint sous vide entre l'intérieur et l'extérieur du rotor, et le blindage 5 sert de blindage contre le rayonnement pour les parties intérieures de l'arbre 2 o est contenu de l'hélium liquide. Un tube externe 6 d'hélium entoure l'arbre 2 avec un espace laissé entre sa surface externe et la surface interne du blindage 5. Les extrémités de l'arbre 2 sont scellées par des plaques extrêmes 7, et la cavité centrale 15 de l'arbre 2 est remplie d'hélium liquide. Des échangeurs de chaleur 12 sont soit disposés sur ou bien font partie des tubes de couple 1. A chaque extrémité de l'arbre 2 sont prévus des blindages latéraux 13 contre le rayonnement, qui protègent les bobines 3 d'un rayonnement latéral. Un vide est maintenu dans les espaces 14 entre le blindage 4 et le blindage 5, entre le blindage 5 et le tube externe d'hélium 6 et entre les extrémités externes de l'arbre 2 et le second bout d'arbre 9 et le premier bout d'arbre 8. Dans un rotor typique pour une machine électrique supraconductrice du type illustré, de l'hélium liquide est introduit dans la cavité centrale 15 de l'arbre 2 par des tubes non illustrés qui traversent le second bout d'arbre 9. L'hélium liquide refroidit les bobines supraconductrices de champ 3 à des températures cryogéniques auxquelles leur résistance électrique est nulle. Par suite, il n'y a pas de perte d'excitation et un champ magnétique puissant peut être produit par les bobines de champ 3 pour produire un courant électrique alternatif dans un stator, non illustré. La direction d'écoulement de l'hélium liquide à travers le rotor est indiquée par les flèches. La figure 2 montre en plus de détails la partie extrême de l'arbre 2 de la figure 1, montrant la structure d'un rotor révélé dans la divulgation de la demande de Brevet au Japon No. 57-13961. Les bobines de champ 3 sont abritées dans un évidement longitudinal 2a formé dans l'arbre 2 et elles sont maintenues contre les forces centrifuges par une bague de retenue 16 qui est ajustée à retrait sur l'arbre 2. Un espace longitudinal 19 est laissé entre la surface externe de la bague 16 et la surface interne du tube externe d'hélium 6. Cet espace 19 est rempli d'hélium liquide. Les bobines de champ 3 sont séparées les unes des autres, des côtés de l'évidement 2a o elles sont abritées, et de la surface périphérique interne de la bague de retenue 16 par des pièces électriquement isolantes d'espacement 17. En plus de produire l'isolement électrique, les pièces d'espacement 17 empêchent le mouvement latéral des bobines 3. Un trou 18 s'étendant radialement est formé entre la cavité centrale 15 de l'arbre 2 et la. surface radialement interne de l'évidement 2a o sont abritées les bobines de champ 3. Ce trou 18 est en communication de fluide avec des gorges non illustrées qui sont formées dans les pièces d'espacement 17 de façon que de l'hélium liquide puisse s'écouler de la cavité centrale 15 dans les gorges des pièces d'espacement 17 par le trou 18, pour ainsi refroidir les bobines 3. La structure conventionnelle montrée sur la figure 2 présente l'inconvénient qu'il est possible à la chaleur conduite le long du tube de couple 1 de s'écouler dans l'arbre 2 pour atteindre les bobines 3. L'écoulement de cette chaleur est illustré par les flèches sur la figure. Bien qu'une partie de cette chaleur soit absorbée par l'hélium liquide dans le trou 18 et dans les gorges non illustrées des pièces d'espacement 17, la quantité de chaleur qui atteint les bobines 3 est encore suffisamment importante pour pouvoir conduire à une rupture de supraconductivité des bobines de champ 3. Si une telle rupture de supraconductivité se produit, il est nécessaire d'arrêter la rotation du rotor. Lorsque le rotor est employé dans un générateur, une perte de supraconductivité est particulièrement grave et peut nécessiter l'arrêt de toute une unité génératrice. 257811? Comme moyen pour diminuer la quantité de chaleur qui atteint les bobines de champ 3 par conduction le long des extrémités de l'arbre 2, on a proposé d'augmenter le nombre de trous 18 s'étendant radialement entre la cavité centrale 15 et l'évidement 2a de l'arbre 2. Cependant, l'usinage d'un assez grand nombre de trous 18 nécessite beaucoup d'efforts et du fait de l'emplacement des trous 18 par rapport aux bobines 3, leur efficacité de refroidissement n'est pas nécessairemment bonne. En conséquence, l'augmentation du nombre de trous 18 n'est pas une solution satisfaisante au problème. La présente invention a pour objet de surmonter le problème ci-dessus décrit et de procurer un rotor pour une machine électrique rotative supraconductrice dans laquelle la quantité de chaleur qui atteint les bobines de champ par conduction le long des extrémités de l'arbre de support des bobines peut être fortement réduite, pour ainsi empêcher une rupture de supraconductivité et permettre un fonctionnement stable. La présente invention a pour autre objet de procurer un rotor pour une machine électrique rotative supraconductrice o la circulation de l'hélium liquide dans le rotor est améliorée. Dans un rotor selon la présente invention, une gorge s'étendant circonférentiellement est formée dans la partie extreme d'un arbre de support des bobines, entre la partie de l'arbre qui est reliée à un tube de couple et un évidement dans cette arbre, o sont abritées les bobines supraconductrices de champ. L'extrémité radialement externe de la gorge débouche dans un espace formé entre la surface externe de l'arbre de support des bobines et un tube externe d'hélium, l'espace et la gorge étant remplis d'hélium liquide. La chaleur conduite qui entre dans l'arbre de support des bobines, en provenance du tube de couple, est absorbée par l'hélium liquide dans la gorge et ne peut atteindre les bobines supraconductrices de champ. L'extrémité radialement interne de la gorge peut être scellée, ou bien elle peut reliée à la cavité centrale de l'arbre par un ou plusieurs trous s'étendant radialement par lesquels peut s'écouler de l'hélium liquide, auquel cas la circulation de l'hélium à travers l'arbre de support de bobines est améliorée. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques: détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels: - la figure! est une vue en coupe longitudinale d'un rotor pour une machine rotative supraconductrice du type auquel se rapporte la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale montrant la structure de la partie extrême d'un rotor conventionnel du type illustré sur la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale de la partie extrême du rotor selon un premier mode de réalisation de la présente invention; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale de la partie extrême d'un rotor selon un second mode de réalisation de la présente invention; et - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale de la partie extrême d'un rotor selon un troisième mode de réalisation de la présente invention. Sur les dessins, les mêmes chiffres de référence indiquent des pièces identiques ou correspondantes. Ci-dessous, on décrira un certain nombre de modes de réalisation préféré de la présente invention, en se référant aux figures 3 à 5 des dessins joints. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale de la partie extrême d'un arbre de support de bobines d'un premier mode de réalisation d'un rotor selon la présente invention. La structure générale des parties non illustrées de ce rotor est identique à celle illustrée sur la figure 1 et par conséquent l'on n'expliquera que la partie illustrée sur la figure 3. Par ailleurs, les éléments montrés sur la figure 3 qui portent les mêmes chiffres de référence que les éléments de la figure 2 ont les mêmes structures et remplissent les mêmes buts, et leur explication sera omise. La partie extrême de ce mode de réalisation diffère de la partie conventionnelle illustrée sur la figure 2 par le fait qu'une gorge 20 s'étendant circonférentiellement est formée à proximité de l'extrémité de l'arbre 2 entre le tube de couple 1 et l'évidement 2a, o sont abritées les bobines supraconductrices de champ 3. L'extrémité radialement externe de la gorge 20 débouche dans l'espace 19 entre la surface externe de l'arbre 2 et le tube externe d'hélium 6, l'espace 19 et la gorge 20 étant remplis d'hélium liquide. La profondeur de la gorge 20 doit être sensiblement la même que la profondeur de l'évidement 2a. Il n'y a pas de largeur minimum requise pour la gorge 20, et elle peut avoir la plus petite largeur pouvant être obtenue par usinage tout en produisant toujours les effets souhaités. Grace à cette gorge 20, la chaleur (indiquée par les flèches sur la figure 3) qui est conduite le long du tube de couple 1 et entre dans l'extrémité de l'arbre 257811? 2, ne peut traverser la gorge 20 et est absorbé par l'hélium liquide qui remplit la gorge 20. Par suite, les bobines supraconductrices de champ 3 sont efficacement protégées de cette chaleur conduite et il n'y a pas à craindre que la chaleur produise une rupture de supraconductivité. La figure 4 montre un second mode de réalisation d'un rotor selon la présente invention, qui diffère du mode de réalisation précédent par le fait que l'on prévoit un ou plusieurs trous traversants 21 s'étendant radialement, qui mettent l'extrémité radialement interne de la gorge 20 et la cavité centrale de l'arbre 2 en conmunication. En prévoyant ces trous 21, un trajet d'écoulement ayant une faible résistance à l'écoulement est forrië pour l'hélium liquide, qui s'écoule de la cavité centrale 15 à l'espace 19 par les trous 21 et la gorge 20 et cela augmente 1'effet de refroidissement de l'hélium liquide. La structure de' ce mode de réalisation est'par ailleurs identique à celle du rotor illustré sur la figure 1. La figure 5 illustre la partie extrême d'un troisième mode de réalisation d'un rotor selon la présente invention. Dans ce mode de réalisation, une partie de croisement entre-pSle 22 des bobines supraconductrices de champ 3 est abritée dans une fente 2b formée dans l'arbre 2 entre le tube de couple 1 et l'évidement 2a des bobines de champ 3. La gorge 20 et le trou 21 s'étendant radialement sont formés dans l'arbre 2 entre le tube de couple 1 et la partie de croisement 22 afin de protéger également cette partie 22 de la chaleur conduite le long du tube de couple 1. La structure de ce mode de réalisation est par ailleurs identique à celle du mode de réalisation illustré sur la figure 4. On peut voir que grâce à une gorge 20 s'étendant circonférentiellement qui est remplie d'hélium liquide, les bobines supraconductrices de champ 3 sont efficacement protégées de la chaleur qui entre dans l'arbre 2 par conduction le long du tube de couple 1, et que si un trou traversant 21 s'étendant radialement est prévu entre l'extrémité interne de la gorge 20 et la cavité centrale 15 de l'arbre 2, l'effet de refroidissement de l'hélium liquide peut être accru. REVEND I CATIONS 1. Rotor pour une machine électrique rotative supraconductrice du type ayant un arbre de support de bobines, des tubes de couple qui sont reliés aux extrémités opposées dudit arbre, des bobines supraconductrices de champ qui sont abritées dans un évidement formé dans ledit arbre, et un tube externe d'hélium qui entoure ledit arbre et qui forme un espace scellé entre la surface externe dudit arbre et la surface interne du tube d'hélium, ledit espace étant rempli d'hélium liquide, caractérisé en ce que ledit arbre (2) a une gorge (20) s'étendant circonférentiellement qui y est formée entre ledit évidement (2a) desdites bobines supraconductrices de champ (3) et l'un desdits tubes de couple (1), l'extrémité radialement externe de ladite gorge débouchant dans ledit espace et ladite gorge étant remplie d'hélium liquide. 2. Rotor selon la revendication i caractérisé en ce que la profondeur de la gorge précitée est sensiblement identique à la profondeur de l'évidement précité pour les bobines précitées. 3. Rotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que la largeur de la gorge précitée est la largeur miniumum que l'on puisse obtenir par usinage. 4. Rotor selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'arbre précité a une cavité (15) qui est formée en son centre et qui est remplie d'hélium liquide et un trou traversant (21) s'étendant radialement est formé dans ledit arbre entre ladite cavité et l'extrémité radialement interne de la gorge précitée. 5. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 4 caractérisé en ce que les bobines supraconductrices de champ précitées ont une partie de croisement (22) entre- pôles qui est abritée dans l'arbre précité entre l'évidement précité et la gorge précitée.