Brevet FR2615334A1 — publié le 19881118

La présente invention concerne d'une façon géné- rale la construction électromécanique et a notamment pour objet un-rotor pour machine électrique cryogénique. L'in- vention est le plus avantageusement utilisable dans les cryoturbogénérateurs de grande puissance. L'efficacité d'une machine électrique cryogéni- que à enroulement d'excitation supraconducteur est déter- minée par la capacité de l'enroulement à supporter la charge de régime, cette capacité de charge de l'enroule- ment étant dans une large mesure tributaire de la qualité de sa fixation. On connaît un rotor pour machine électrique cryo- génique (US, A, 3991333) dont l'enroulement d'excitation supraconducteur est constitué par des bobines plates indi- viduelles, disposées les unes au-dessus des autres et séparées par des plaques, l'axe de ces bobines étant per- pendiculaire à celui du rotor. Les boulons répartis uni- formément selon la longueur du rotor assurent la rigidité de fixation de l'enroulement. Une telle conception de la fixation de l'enroulement d'excitation est facile à réaliser mais son inconvénient réside en ce que l'enrou- lement d'excitation n'est refroidi qu'irrégulièrement: ses têtes de bobine sont moins bien refroidies que la par- tie d'encoche. A part cet inconvénient principal, le ro- tor de conception décrite présente les limitations sui- vantes: primo, du fait que les efforts de compression fournis par le bandage portent suivant l'axe du rotor alors que les faces latérales des bobines sont disposées sous un certain angle relativement à l'axe de ces efforts, les bobines ne sont pas uniformément comprimées suivant la circonférence du rotor; secundo, le bandage retient le rotor dans son ensemble sans assurer une compression supplémentaire des bobines de l'enroulement supraconduc- teur. On connaît également un rotor pour machine élec- trique cryogénique (US, A, 3891875), comportant un enrou- lement d'excitation supraconducteur réalisé sous forme de bobines en selle disposées dans des encoches radiales de la carcasse et serrées à l'aide de cales. Les enco- ches radiales sont séparées par des dents. Chaque enco- che présente, sur ses parois latérales, des gorges axiales dans lesquelles est introduite une cale correspondante. Les cales, à travers leurs garnitures, portent sur les bobines de l'enroulement en les fixant serrées dans les encoches. La carcasse est entourée d'un bandage annulaire engagé à serrage sur les faces extérieures (cylindriques) des dents et sur les têtes des bobines de sorte qu'il y a un jeu radial entre le bandage et les faces des cales en regard de ce bandage. Le bandage assure l'étanchéité du volume de fluide réfrigérant servant à refroidir l'enroulement d'excitation. L'inconvénient de ce rotor consiste en ce que, lorsqu'on le met en froid, un éca'rt important entre les coefficients de dilatation linéaire de la matière de l'enroulement (cuivre) d'une part et de la matière de la carcasse (acier amagéntique ou alliage de titane) de l'au- tre, fait en sorte que les dimensions lineaires des bobi- nes diminuent beaucoup plus que ne le font les dimensions radiales des cales et des dents. De ce fait, le calage des bobines est affaibli, elles se défixent dans les en- coches de la carcasse. Ceci réduit la charge de régime de l'enroulement supraconducteur, dépendant de la rigidité de fixation des bobines dans les encoches de la carcasse. La réduction de la capacité de charge de l'enroulement, c'est-à-dire de son courant critique, fait baisser la marge de sécurité en courant de l'enroulement et, par là-même, la fiabilité de la machine électrique. Le but de la présente invention est un rotor pour machine électrique cryogénique dans lequel les cales servant à serrer radialement les bobines de l'enroulement d'excitation supraconducteur dans les encoches de la car- casse sont disposées de manière à supprimer, pendant la mise en froid du rotor, le relâchement du calage des bobines dû aux différentes dilatations linéaires des'ma- tériaux de la carcasse et de l'enroulement, ce qui permet d'améliorer la charge de régime de l'enroulement et, donc, la sûreté de fonctionnement du rotor. Ce but est atteint par le fait que dans le rotor d'une machine électrique cryogénique comportant une car- casse ayant des encoches radiales séparées par des dents, des bobines en forme de selle appartenant à l'enroulement d'excitation supraconducteur installées, chacune, à l'une desdites encoches et comprimées extérieurement à l'aide d'une cale introduite dans des gorges axiales ménagées sur les parois latérales de l'encoche, et un bandage annu- laire embrassant la carcasse, selon l'invention, la face extérieure de chaque cale, en regard du bandage annulaire, fait saillie dans le sens radial au-dessus des faces, en regard du bandage, des dents voisines de cette cale, le bandage annulaire est engagé radialement serré sur les faces extérieures des cales pour former un jeu radial entre ledit bandage et les dents, alors que, entre la face de chaque cale en regard de l'axe du rotor et les surfaces des gorges axiales de l'encoche recevant cette cale, orientées sur ladite face de la cale, est formé un autre jeu radial, la valeur de chacun des deux jeux ra- diaux susmentionnés étant au moins égale à la valeur de serrage du bandage. Grâce au fait que dans le rotor objet de l'in- vention, le bandage est ajusté sur les cales faisant saillie au-dessus des dents, il y a un jeu radial entre ce bandage et les dents, et grâce au fait qu'on forme un jeu radial entre les faces des cales en regard de l'axe du rotor et les surfaces respectives des gorges axiales qui reçoivent, à travers les encoches, les cales, il est devenu possible de supprimer le relâchement des bobines de l'enroulement d'excitation-dans leurs encoches surve- nant à la mise en froid du rotor et provoqué par la dimi- nution des dimensions linéaires des bobines par rapport aux encoches. Ceci s'explique par le fait que le bandage, se comprimant par suite d'une force de serrage, s'appli- que contre les cales en les déplaçant vers l'axe du rotor sans dépasser les limites reservées pour les jeux, les- quelles cales appliquent à leur tour les bobines contre le fond des encoches. La fixation ainsi améliorée des bobines permet d'accroître leur charge de régime, ce qui offre la possibilité d'augmenter la marge de sécurité en courant de l'enroulement d'excitation et, du même coup, la fiabilité du rotor. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un exemple non limitatif de sa réalisation avec références aux dessins non limitatifs annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente un rotor pour machine électrique cryogénique, selon l'invention, en coupe trans- versale de la partie d'encoche, et - la figure 2 représente la partie constructive A de la figure 1, à plus grande échelle. Le rotor d'une machine électrique cryogénique contient une carcasse 1 (figure 1) portant un enroule- ment d'excitation supraconducteur qui se compose de bobi- nes individuelles en selle 2. Chaque bobine 2 est logée dans une encoche respective radiale 3 de la carcasse 1. Les encoches radiales 3 de la carcasse 1 alternent avec des dents 4. Extérieurement,la carcasse 1 est entourée d'un bandage annulaire 5. Les bobines 2 sont radialement fixées dans les-encoches 3 de la carcasse 1 par l'inter- médiaire de cales 6 disposées dans les encoches 3 entre le bandage 5 et les bobines 2. La figure 2 montre plus en détail la disposition - des bobines 2 et des cales 6 dans les encoches 3. La cale 6 est montée dans les gorges axiales 7 pratiquées dans les parois latérales de l'encoche 3. Entre la cale 6 et la bo- bine 2 est disposée une garniture 8 de cale. Entre le fond de l'encoche 3 et la bobine est placée une garniture 9 d'encoche. Pour fixer la bobine 2 dans le sens tangentiel, on fait appel à des joints latéraux cunéiformes 10 dis- posés entre la bobine 2 et les surfaces latérales de l'en- coche 3. Les garnitures 8, 9 et le joint 10 sont consti- tués d'une matière isolante, par exemple un stratifié à fibre de verre. Conformément à l'invention, les dimensions de chaque cale 6 dans le sens radial et leur position dans l'encoche 3 sont choisies de manière que deux conditions soient respectées. Premièrement, la face extérieure de la cale 6, en regard du bandage 5, dépasse radialement de la face de chaque dent 4 voisine de cette cale et en regard du bandage 5. Deuxièmement, la cale 6 est disposée dans les gorges axiales 7 de l'encoche 3 en laissant subsister un jeu radial 11 à l'égard des surfaces intérieures 12 des gorges 7, plus éloignées du bandage 5. Le bandage annulaire 5 est serré radialement sur les faces extérieures des cales 6 en formant un jeu radial 13 entre lui et les dents 4 de la carcasse 1. En outre, dans l'arrangement du rotor objet de l'invention est prévu un jeu radial 14 entre la garniture 9 d'encoche et les joints latéraux cunéiformes 10. La valeur de tout jeu indiqué 11, 13 ou 14 ne doit pas être inférieure à la valeur de serrage du bandage annulaire 5 sur les cales 6. -La valeur de serrage du bandage 5 est à son toursélection- née en partant de la différence modifiée entre les dimen- sions radiales de la bobine 2 et celles de la dent 4 (ou de l'encoche 3), cette modification apparaissant lors de la mise en froid du rotor par suite descoefficients de dilatation linéaire différents du matériau de la carcasse 1 et du matériau de l'enroulement supraconducteur d'exci- tation. Dans les parties d'extrémité du rotor, le bandage est monté sur les têtes des bobines (non représentées) de l'enroulement supraconducteur en y interposant des joints isolants appropriés. Chacune des cales 6 est pourvue de canaux radiaux de refroidissement 15 espacés axialement selon sa longueur avec un intervalle déterminé. Ces canaux 15 communiquent, à travers des canaux semblables de. refroidissement 16, réalisés dans la bobine 2, avec des canaux de refroidis- sement 17 ménagés au-dessous des encoches dans la carcasse 1. Le jeu 13 entre les dents 4 et le bandage 5 peut être utilisé comme canal axial pour amener le fluide réfrigé- rent dans les canaux radiaux 16 de refroissement de l'en- roulement d'excitation via les canaux radiaux 15 des ca- les 6 et des canaux tangentiels 18 ménagés sur les faces extérieures des cales 6 avec le même espacement suivant leur longueur que les canaux radiaux 15. Ceci évite de réaliser des canaux axiaux identiques dans les cales mêmes, en simplifiant ainsi leur usinage. La fixation des bobines 2 dans les encoches 3 de la carcasse 1 à l'aide des cales 6 se fait à la tempéra- ture ambiante. Ensuite, le bandage 5 est ajusté, en res- pectant une valeur sélectionnée de compression, sur les faces extérieures des cales 6, l'esquelles assurent un serrage dense des bobines 2 dans les encoches 3 et leur fixation sûre à la température ambiante. Au cours de la mise en froid du rotor, les dimen- sions linéaires des bobines 2 diminuent par rapport à cel- les des encoches 3, étant donné que le coefficient de dilatation linéaire du cuivre est approximativement le double de celui du matériau de la carcasse 1, en particu- lier titane ou acier amagnétique. Au fur et à mesure que les dimensions linéaires des bobines 2 se réduisent et que leur calage se relâche, le bandage 5, sous l'effort de sa compression axiale, se contracte, ce qui devient possible grâce à son ajustement sur les cales 6 avec un jeu 13 par rapport aux dents 4. En se contractant, le bandage 5 entraîne les cales 6 disposées dans les gorges 7 en direction radiale, en les déplaçant dans l'intervalle réservé pour les jeux 11, et ceci jusqu'au moment o les cales 6 appliquent les bobines 2 contre le fond des enco- ches 3. De ce fait, les bobines 2 se trouvent maintenues en position dans le sens radial. En même temps, les cales 6 déplacent radialement 1-es joints cunéiformes 10 dans l'intervalle des jeux 14 en compensant ainsi la réduction de la largeur des bobines 2 et en les fixant dans le sens tangentiel. Grâce à la rigidité ainsi améliorée du calage des bobines dans les encoches de la carcasse, à la mise en froid du rotor, il est devenu possible d'augmenter le fac- teur de sécurité en courant de l'enroulement d'excitation supraconducteur, donc, la fiabilité du rotor dans son ensemble. D'autre part, le rotor de la présente concep- tion permet d'augmenter la puissance de la machine élec- trique cryogénique, et cela-en conservant la marge obte- nue de sécurité en courant pour l'enroulement d'excita- tion. En outre, le rotor de l'invention présente encore un avantage, celui de permettre les essais de l'enroule- ment d'excitation supraconducteur dans un cryostat stati- que, tout en assurant une fixation solide des bobines dans les encoches. Ces essais sont désirables pour les circuits magnétiques supraconducteurs des machines élec- triques de grande puissance. RE ENDIC T O R E V E N D I C A T I 0 N Rotor pour machine électrique cryogénique, du type comportant une carcasse pourvue d'encoches radiales séparées par des dents, des bobines en selle de l'enrou- lement d'excitation supraconducteur disposées, chacune, dans l'une desdites encoches et serrées, chacune, exté- rieurement à l'aide d'une cale introduite dans des gorges axiales ménagées dans les parois latérales de l'encoche, et un bandage annulaire embrassant la carcasse, caracté- risé en ce que la face extérieure de chaque cale (6), en regard du bandage annulaire (5), fait saillie radialement au-dessus des faces, en regard également du bandage (5), des dents (4) voisines de cette cale (6), en ce que ledit bandage annulaire (5) est monté radialement serré sur les faces extérieures des cales (6) en sorte qu'il se forme un jeu radial (13) entre ce bandage (5) et les dents (4), alors que, entre la face de chaque cale (6) en regard de l'axe du rotor et les surfaces (12), en regard de ladite face des gorges axiales (7) de l'encoche (3) recevant cette cale (6), un autre jeu radial (11) est formé, cha- cun desdits jeux radiaux (11) et (13) étant au moins égal au serrage du bandage (5).