Brevet FR2589646A1 — publié le 19870507

-, - 2589646 Machine synchrone à enroulements stator et rotor supraconducteurs La présente invention concerne une machine synchrone à rotor solidaire d'un arbre porté par des paliers, à enroulements stator et rotor supraconducteurs refroidis par de l'hélium à très basse tempéra- ture, chacun des enroulements et l'entrefer étant dans une enceinte sous vide. On a déjà proposé dans le brevet FR-A-2319233 de la Demanderesse et d'Electricité de France de refroidir le supraconducteur d'un cryoalternateur par une circulation d'hélium sous une pression supé- rieure à sa pression critique et à une température voisine de 4K, cet hélium parcourant un circuit à partir d'un réfrigérateur à hélium, l'hélium partiellement réchauffé au contact du rotor étant renvoyé à l'aspiration du réfrigérateur. Ce brevet ne prévoyait pas que le stator soit également supra- conducteur, mais il était normal de prévoir dans ce cas en parallèle un second circuit assurant le refroidissement du stator. Un tel système de refroidissement est relativement complexe et onéreux, et nécessite un système de canaux de circulation de l'hélium dans les enroulements du stator, de dimensions plus importantes que celles du rotor. La présente invention a pour but de procurer une machine syn- chrone à enroulements stator et rotor supraconducteurs comportant un système de refroidissement plus simple et moins coûteux. La machine synchrone selon l'inventeur est caractérisée en ce que les enroulements du stator sont refroidis par un bain d'hélium liquide, en ce que ceux du rotor sont refroidis par une circulation d'hélium au-dessus de sa pression critique, la circulation d'hélium au-dessus de sa pression critique et le bain d'hélium liquide font partie d'un circuit de réfrigération d'hélium initialement sous pres- sion élevée, détendu à une pression un peu supérieure à sa pression critique, refroidi dans un échangeur disposé dans le bain d'hélium liquide, réchauffé au contact des enroulements du rotor, puis liquifié par détente et réuni au bain d'hélium liquide. De préférence, les enroulements du stator et du rotor sont dis- posés dans des enceintes sous vide scellé, et l'entrefer est relié à - 2 - 2589646 une source de vide, et séparé des paliers de l'arbre par des joints à huile résistant au vide. Ces vides peuvent d'ailleurs être communs, comme proposé dans la demande de brevet français n 8515416 du 17 octobre 1985. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence à la figure schématique unique du dessin annexé, un alternateur synchrone selon l'invention. L'alternateur comprend des enroulements statoriques triphasés en matériau supraconducteur 1 et des enroulements rotoriques 2 également supraconducteurs. Du stator partent des conducteurs triphasés 3 vers l'utilisation. Le rotor est porté par un arbre 4, et sa périphérie, délimitée par la cloison cylindrique 21, est séparée du stator par un entrefer 5. En vis-à-vis de la cloison 21, le stator est séparé de l'entrefer par la cloison cylindrique 22. Autour du stator est disposé un circuit magnétique feuilleté 6, empêchant le flux magnétique de sortir de la machine. Le circuit de réfrigération des enroulements est le suivant. Un réfrigérateur à l'hélium de type connu 7 comprime de l'hélium à une pression élevée et à une température suffisamment basse. Cet hélium refoulé par le conduit 8 passe dans une vanne de détente 9, o elle se détend à une pression de 3 bars absolus, un peu supérieure à sa pres- sion critique. Il est sous-refroidi dans les tubes d'échange de chaleur représentés schématiquement en 10, immergés dans un bain d'hé- lium liquide 12 sous pression très légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Ainsi refroidi à environ 4,2 K, il se rend par le conduit 11 à un joint tournant à baïonnette disposé dans l'arbre 4 du rotor, tel que celui qui a fait l'objet du brevet FR-A-2319233 du 22 Juillet 1975, et de son certificat d'addition FR-A-2371806, aux noms de la Demanderesse et d'Electricité de France, qui sépare les flux d'hélium entrant dans le rotor et d'hélium sortant réchauffé. Ce joint tournant et le joint tournant sur le flux de retour de l'hélium, concentrique au premier, sont schématisés par le cercle re- père 13. Du joint tournant l'hélium passe par le conduit 14 dans l'enve- - 3- 2589646 loppe 15 entourant les enroulements supraconducteurs du rotor. Il pas- se dans des canaux de refroidissement de ces enroulements, qu'il re- froidit à environ 5 K, puis revient par le conduit 16 dans un second joint tournant entourant le précédent et séparant le flux d'hélium légèrement réchauffé (4, 5 K) de la température ambiante. De oe joint tournant, l'hélium sous pression supérieure à sa pression critique passe par le conduit 17 dans la vanne de détente 18, au voisinage de la pression atmosphérique, o il se liquéfie en grande partie, puis est introduit dans le bain d'hélium liquide 12. Les va- peurs formées dans le bain d'hélium liquide, tant par l'échange de chaleur avec les enroulements du stator que par celui avee l'hélium gazeux sous pression supérieure à sa pression critique dans l'échan- geur 10, sont évacuées par le conduit 19 et renvoyées au compresseur du réfrigérateur à hélium 7. L'ensemble du stator et du rotor est contenu dans une enveloppe commune 20 portant des paliers 23 de support de l'arbre du rotor. L'entrefer 5, relié à une source de vide non représentée, est séparé de l'atmosphère ambiante par des joints à huile tenant au vide 24. Les enroulements du rotor sont reliés à une alimentation électrique par des conducteurs 25, 26. Le stator est muni sur sa périphérie du côté de l'entrefer d'un tube de transition thermique et de transmission du couple 27. -,- 2589646 REVENDICATIONS x 1/ Machine synchrone à rotor solidaire d'un arbre porté par des pa- liers (23), à enroulements stator (1) et rotor (2) supraconducteurs refroidis par de l'hélium à très basse température, chacun des enrou- lements et l'entrefer (5) étant dans une enceinte sous vide, caractérisée en ce que les enroulements du stator sont refroidis par un bain d'hélium liquide (12), en ce que ceux du rotor sont refroidis par une circulation d'hélium au-dessus de sa pression critique (14, 15, 16), et en ce que la circulation d'hélium au-dessus de sa pression critique et le bain d'hélium liquide font partie d'un circuit de réfrigération d'hélium, initialement sous pression élevée, détendu (8) à une pres- sion un peu supérieure à sa pression critique, refroidi dans un échan- geur (10) disposé dans le bain d'hélium liquide, réchauffé au contact des enroulements du rotor, puis liquéfié par détente (18) et réuni au bain d'hélium liquide (12). 2/ Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les enrou- lements du stator et du rotor sont disposés dans des enceintes sous vide scellé, et en ce que l'entrefer (5) est relié à une source de vide, et séparé des paliers (23) par des joints à huile résistant au vide (24).