Brevet FR2622373A1 — publié le 19890428

La présente invention se rapporte aux machines électriques, notamment aux rotors de machines électriques à enroulement d'excitation supraconducteur, et peut s'ap- pliquer le plus avantageusement aux cryoturbogénerateurs puissants. Pour protéger l'enroulement rotorique supraconduc- teur contre les champs électromagnétiques intenses, engen- drés par les courants de l'enroulement statorique lors de régimes anormaux de fonctionnement, on entoure l'enroule- ment statorique d'un écran électromagnétique. Le champ électromagnétique produit par les courants d'influence induits dans l'écran compense ces champs extérieurs de l'enroulement statorique et les empêche de pénétrer dans l'enroulement rotorique. L'interaction du champ de l'écran et de celui du stator est accompagnée de l'apparition de grands efforts dynamiques agissant sur l'écran par exem- ple un couple de torsion dynamique. On connaît un rotor à enroulement d'excitation supra- conducteur (GB, A, 135601) dans lequel, pour rendre plus résistant l'écran électromagnétique, ce dernier est muni d'une enveloppe extérieure constituée par des bagues en titane, emmanchées à l'état chaud sur ledit écran. L'écran est fixé à l'aide de boulons aux queues du rotor, placées dans des paliers, l'écran et les queues étant maintenus immobiles par rapport à la carcasse, portant sur elle l'enroulement d'excitation supraconducteur, à l'aide de goupilles. L'inconvénient d'un tel rotor réside dans le fait que, par suite de la liaison tangentielle rigide entre l'écran électromagnétique et la carcasse, le couple de tension dynamique apparaissant lors de régimes anormaux de fonctionnement, par exemple en cas de court-circuit de l'enroulement statorique ou-en cas d'asynchronisme du cou- plage sur le secteur d'une machine électrique, est trans- mis totalement sur la ligne d'arbres de la machine électri- que. Les vibrations de torsion apparaissant dans la ligne d'arbres y provoquent des contraintes mécaniques considé- rables et peuvent entraîner sa rupture. De plus, lors des régi- mes anormaux de fonctionnement, l'écran électromagnétique subit l'action des efforts radiaux qui le fléchissent et le com- priment. Ces efforts provoquent dans l'écran des contrain- tes mécaniques considérables sans que l'enveloppe exté- rieure influe notablement sur leur valeur. En outre, les matériaux utilisés pour l'écran électromagnétique, par exemple le cuivre, ont une haute conductibilité électri- que assurant l'efficacité de l'effet d'écran, mais, d'or- dinaire, ils ne possèdent pas une résistance mécanique suffisante pour faire face aux efforts électrodynamiques qui fléchissent l'écran d'un turbogénérateur puissant. On connaît également un rotor de machine électrique avec enroulement d'excitation supraconducteur (Electrical Review International, volume 204, N 14, Avril 1979 - Grande-Bretagne, "Commercial superconducting generator", pages 80-83) qui comprend un arbre intérieur constitué par une carcasse portant sur elle un enroulement d'excitation supraconducteur, un arbre extérieur constitué par une virole cylindrique assurant l'étanchéité du rotor et dont les extrémités sont rigidement reliées à des queues, et un écran électromagnétique qui comprend un cylindre intérieur fabriqué en un matériau ayant une bonne conductibilité électrique et un cylindre extérieur fabriqué en un maté- riau ayant une grande résistance mécanique. L'écran élec- tromagnétique est emmanché sur l'arbre extérieur avec ser- rage radial. Dans un tel rotor, la valeur maximale du couple de torsion transmis de l'écran sur la ligne d'arbres est déterminée par les forces de frottement entre l'écran et la virole et dépend donc du serrage choisi pour leur assemblage. Cependant,les efforts de compression qui agis- sent sur l'écran d'un cryoturbogénérateur puissant, lors de régimes anormaux de fonctionnement, sont assez impor- tants et peuvent causer une augmentation considérable des forces de frottement entre l'écran et la virole. Dans ce cas, la valeur maximale du couple de torsion transmis sur la ligne d'arbres augmente elle aussi. En outre, sous l'action de grands couples de torsion appliqués à l'écran, ce dernier peut glisser par rapport à l'arbre extérieur. Le glissement peut s'accompagner d'endommagements des surfaces de contact de l'écran et de l'arbre extérieur sous la forme de rayures, de microsoudures, etc..., sur- tout si l'écran est en titane; d'autre part, avec le développement de ces endommagements, les forces de frotte- ment augmentent également. De ce fait, la valeur maximale du couple de torsion transmis sur la ligne d'arbres sera non seulement élevée, mais augmentera au cours de l'uti- lisation de la machine électrique. Ainsi, si la puissance de la machine électrique est grande, ledit rotor présente aussi un risque de rupture de la ligne d'arbres lors de régimes anormaux de fonctionnement. L'invention vise à créer un rotor de machine électri- que à enroulement d'excitation supraconducteur assurant la réduction et la stabilisation de la valeur maximale du couple de torsion transmis de l'écran électromagnétique sur la ligne d'arbres, lors de régimes anormaux de fonc- tionnement, ce qui permet d'augmenter la résistance méca- nique du rotor. Le but ainsi posé est atteint par le fait que, dans le rotor de machine électrique à enroulement d'excitation supraconducteur comprenant un arbre intérieur constitué par une carcasse portant un enroulement d'excitation supraconducteur, un arbre extérieur constitué par une virole cylindrique assurant l'étanchéité du rotor et par des queues fixées rigidement aux extrémités de la virole cylindrique et placées dans des paliers, un écran électro- magnétique présentant un cylindre intérieur en un matériau ayant une bonne conductibilité électrique, et un cylindre extérieur en un matériau ayant une haute résistance méca- nique, ledit écran électromagnétique étant emmanché sur l'arbre extérieur avec serrage radial, selon l'invention, entre les surfaces mutuellement adjacentes de l'écran électromagnétique et de l'arbre extérieur est placée une couche de lubrifiant solide. Une telle couche de lubrifiant solide entre les sur- faces mutuellement adjacentes de l'écran électromagnéti- que et de l'arbre extérieur réduit les forces de frotte- ment entre celles-ci, tout en réduisant la valeur maximale du couple de torsion transmis de l'écran sur l'arbre, étant donné que cette valeur maximale ne peut pas dépasser le moment des forces de frottement entre lesdits éléments. De plus, en cas de glissement mutuel de l'écran électroma- gnétique et de l'arbre extérieur, la couche de lubrificant protège leurs surfaces de contact en leur évitant divers endommagements et, de ce fait, les forces de frottement entre lesdits éléments restent invariables au cours du fonctionnement de la machine électrique en permettant ainsi la stabilisation de la valeur maximale du couple de torsion reçu par l'arbre. Tout ceci assure l'augmentation de la résistance mécanique du rotor. On exposera ci-après, à titre d'exemple, une forme d'exécution particulière de la présente invention, en se référant au dessin annexé qui représente schématiquement un rotor de machine électrique à enroulement d'excitation supraconducteur selon l'invention. Le rotor de machine électrique à enroulement d'exci- tation supraconducteur selon l'invention comprend un arbre intérieur 1 constitué par un carcasse 2 portant un enroulement supraconducteur 3 entouré par un cylindre de bandage 4, et un arbre extérieur 5 constitué par une virole 6 et par deux queues 7 et 8 fixées aux extrémités de la virole 6 à l'aide de joints à brides étanches et placées dans des paliers 9. Une cavité évidée 10 ménagée à l'intérieur de l'arbre extérieur met l'enroulement supra- conducteur à l'arbri des apports calorifiques extérieurs. L'arbre extérieur 5 est assemblé avec l'arbre inté- rieur 1, par exemple à l'aide d'éléments flexibles dans le sens axial, qui ne sont pas représentés sur le dessin, n'étant pas l'objet de l'invention. Ce rotor comprend en outre un écran électromagnéti- que 11 constitué par un cylindre extérieur 12 et par un cylindre intérieur 13. L'écran électromagnétique Il est emmanché sur l'arbre extérieur 5 avec serrage radial. Le cylindre intérieur 13 de l'écran électromagnétique 11, en un matériau bon conducteur électrique, par exemple en cuivre, sert d'écran proprement dit, qui protège l'enrou- lement supraconducteur 2 des champs électromagnétiques produits par les courants de l'enroulement statorique (non représenté sur le dessin) lors des régimes anormaux de fonctionnement. Le cylindre extérieur 12, de même que la virole 6, est fabriqué en un matériau ayant une bonne résistance mécanique, par exemple en un alliage de titane, et sert à consolider l'écran électromagnétique. Dans la forme d'exécution de l'invention représentée sur le dessin, l'écran électromagnétique 11 est posé sur la virole 6 et fixé, dans le sens axial, entre son collet annulaire et la bride de la queue 7. Cependant, l'écran électromagnétique 11 peut être posé sur la virole 6 et la bride de la queue 7, mais dans ce cas-là la bride de la queue 7 est fabriquée de sorte que son diamètre soit égal au diamètre extérieur de la virole 6. Selon l'invention, entre les surfaces mutuellement adjacentes de l'écran électromagnétique 11 et de l'arbre extérieur 5 est placée une couche 14 de de lubrifiant solide, par exemple de bisulfate de molybdène. Pour obte- nir un coefficient de frottement minimum, la couche 14 est appliquée par friction de la poudre sèche. On peut fric- tionner la poudre soit sur les zones correspondantes des cylindres 12 et 13 de l'écran électromagnétique 11, soit sur des parties de surface de la virole 6 et des queues7 et 8. La deuxième variante est plus appropriée du fait que la virole 6 entre en contact avec l'écran 11 par sa surface cylindrique extérieure. Au lieu de bisulfate de molyb- dène, on peut utiliser d'autres types de lubrifiants solides, par exemple le graphite. Le type de lubrifiant solide constituant la couche 14 est choisi en tenant compte des caractéristiques du matériau dont sont fabriqués la virole 6, la queue 7 et les cylindres 12 et 13 de l'écran électromagnétique 11, mais, également de la valeur du cou- ple de torsion transmis de l'écran 11 sur l'arbre extérieur 5. Les mêmes raisons déterminent le choix du serrage entre l'écran électromagnétique 11 et l'arbre extérieur 5. Si la machine électrique fonctionne au régime nominal, les efforts qui agissent sur l'écran 11, forces centrifu- ges en premier lieu, sont statiques. De faibles sollicita- tions dynamiques lors de la mise en marche, lors des régi- mes de faible pompage, etc..., ne provoquent pas un déplacement de l'écran 11 par rapport à l'arbre extérieur , si on a choisi le serrage radial approprié. Lors des régimes anormaux de fonctionnement, par exemple en cas de courts-circuits brusques dans l'enroulement statorique, l'écran 11 subit l'action de sollicitations dynamiques considérables. En même temps, les efforts radiaux répartis régulièrement suivant la circonférence serrent l'écran 11 contre la virole 6 en augmentant leur pression de contact. Les efforts radiaux répartis irrégulièrement provoquent une flexion de l'écran 11. Le plan de flexion étant per- pendiculaire à l'axe du rotor, ces efforts sollicitent principalement la virole 6 et le cylindre extérieur 12 qui ont une haute résistance mécanique. Les efforts tangentiels appliqués à l'écran 11 font apparaître un couple de torsion dynamique. Tant que sa valeur ne dépasse pas le moment maxi- mum des forces de frottement entre l'écran 11 et l'arbre extérieur 5, l'écran 11 reste immobile par rapport à l'ar- bre extérieur 5 et, de ce fait, le couple de torsion est - totalement transmis sur l'arbre extérieur 5. Si le couple de torsion appliqué à l'écran 11 dépasse la valeur maximale du moment des forces de frottement entre l'écran 11 et l'arbre 5, le couple de torsion transmis sur l'arbre 6 n'augmente pas et reste égal à la valeur du moment maxi- mum des forces de frottement. Alors l'écran 11 tourne par rapport à l'arbre extérieur 5. Les efforts électrodynami- ques agissant sur l'écran 11, y compris le couple de torsion, sont oscillatoires et en cas d'inversion de si- gne, ils peuvent provoquer la rotation inverse de l'écran 11. L'angle de glissement de l'écran 11 par rapport à l'arbre extérieur est déterminé tant par la valeur des efforts agissant sur l'écran 11 que par ses propriétés d'inertie. La masse de l'écran 11 étant grande, cet angle est petit, ce qui conditionne la stabilité des caractéris- tiques vibratoires d'une machine électrique. La couche 14 de lubrifiant solide, appliquée entre les surfaces mutuellement adjacentes de l'écran 11 et de l'arbre extérieur 5, réduit les forces de frottement entre eux ainsi que la valeur maximale du couple de torsion transmis de l'écran 11 sur l'arbre 5. En outre, en cas de patinage de l'écran 11 sur l'arbre extérieur 5, la couche 14 protège leurs surfaces de contact en les mettant à l'abri des endommagements qui pourraient être causés par exemple par des microsoudures, ce qui, à son tour, assure la valeur constante du couple de torsion maximum transmis sur l'arbre du rotor lors de l'utilisation de la machine électrique. Cette couche 14 de lubrifiant solide se conser- ve sur la surface de l'arbre extérieur 5 (ou de l'écran 11) pendant toute la durée de fonctionnement de la machine: elle n'est pas évaporée ni décomposée à l'élévation de la température de la partie extérieure du rotor lors du ser- vice de la machine. R E V E N D I C A T I ON Rotor de machine électrique à enroulement d'excitation supraconducteur, du type comprenant un arbre intérieur constitué par une carcasse portant un enroulement d'exci- tation supraconducteur, un arbre extérieur constitué par une virole cylindrique assurant l'étanchéité du rotor et par des queues fixées rigidement aux extrémités de la virole cylindrique et placées dans des paliers, et un écran électromagnétique pourvu d'un cylindre intérieur en un matériau bon conducteur électrique et d'un cylindre extérieur en un matériau ayant une haute résistance méca- nique, ledit écran électromagnétique étant emmanché sur l'arbre extérieur avec serrage radial, caractérisé en ce qu'entre les surfaces mutuellement adjacentes de l'écran électromagnétique (11) et de l'arbre extérieur (5) est placée une couche (14) de lubrifiant solide.