Brevet FR2628582A1 — publié le 19890915

À ROTOR DE MACHINE ELECTRIQUE A ENROULEMENT D EXCITATION SUPRACONDUCTEUR L'invention se rapporte aux machines électriques, no- tamment aux rotors des machines électriques à enroulements supraconducteurs, et concerne plus particulièrement les ro- tors des cryoturbogénérateurs. Dans l'enroulement d'excitation d'une machine électri- que à enroulement supraconducteur on utilise en tant que matériau conducteur des supraconducteurs se caractérisant par la disparition de la résistance électrique en cas de refroidissement jusqu'aux températures proches du zéro ab- solu (4-5 K). Alors même un faible dégagement calorifique dans le supraconducteur peut provoquer l'augmentation de sa température et donc une altération rapide de la capacité de charge de l'er--oulement d'excitation. Pour augmenter la puissance de la machine électrique pn recourt à Un enroule- ment d'excitation supraconducteur à spires multiples, et pour améliorer les conditions de refroidissement de l'enrou- lement on l'exécute en forme de selle. La longueur du fil utilisé dans la fabricat;ion du bo- binage étant limitée, on réalise l'enrulement d'excitati- on sous forme de parties (sections) indépendantes s'entourarnt l'une l'autre.- _ Pour rendre les cornexions entre sec- tions plus accessibles et plus sures et poiarméliorer le re- froidissement de ces connexions, on bobine les enroulements de sorte que les deux extrémités d'une section soient cons- tituées par celles de ses spires supérieures. A cet effet on enroule le fil en commençant par son milieu, dans les deux sens opposés du bas en haut. Dans ce cas chaque sec- tion de l'enroulement d'excitation comporte deux rangées (colonnes) de spires de fil dont les extrémités constituent celles des spires supérieures de.la section. On connaît un rotor de machine électrique à enroule- ment d'excitation supraconducteur (DE, C, 2804654) compre- nant.un noyau et un enroulement d'excitation supraconduc- teur comportant des sections à plusieurs spires s'entourant l'une l'autre et connectées -en série. 'Chacune de ces sec- -2- 2628582 tions présente des parties rectilignes disposées sur le noyau le long de l'axe rotorique et des têtes de bobines disposées sur le noyau transversalement par rapport à l'axe du rotor. L'enroulement d'excitation comporte également des connexions entre sections constituées par les extrémités des spires supérieures des sections voisines, lesdites ext- rémités étant connectées entre elles. Les connexions entre sections sont logées dans des encoches spéciales prévues sur la surface latérale du noyau cylindrique du rotor auxc endroits de jonction entre les parties rectilignes et les têtes de bobines. Le fait que les connexions entre sections sont logées dans des encoches spéciales garantit la sûreté de fixation des connexions en évitant leur déplacement dans le champ magnétique du rotor au cours du fonctionnement de la machine. La réalisation des encoches pour y poser les connexions sections n'est avantageuse que lorsque chaque section de l'enroulement d'excitation est logée dans une encoche à elle sur toute sa longueur, y compris sa partie frontale. Cependant, l'exécution des encoches sur la surfa- ce cylindrique du noyau pour y loger les têtes de bobines de l'enroulement d'excitation exige beaucoup de travail, de telles encoches devant être orientées transversalement par rapport à l'axe du rotor et, de ce fait, être curvilignes. En plus de cela, dans un tel mode de réalisation du rotoril se révèle impossible de loger dans les encoches les"sections de l'enroulement préalablement formées. Alors on est obligé de bobiner les sections à même dans les enco- ches, ce qui est une opération bien compliquée exigeant beaucoup de main d'oeuvre ainsi qu'un dispositif approprié. Il est aussi à noter que la disposition de chaque section dans une encoche séparée diminue le degré de remplissage de l'enroulement en supraconducteur.ce qui rend la machine électrique moins puissante. Aux endroits de jonction entre les parties rectilignes des sections et les têtes de bobines, l'intensité du champ_ magnétique du rotor est relativement grande. L'action qu'exerce champ magnétique d'une intensité relativement - 3 - grande sur les connexions entre sections fait augmenter la résistance électrique des connexions entre sections en aug- mentant leur dégagement calorifique. En outre, l'action exe- cée par le champ magnétique d'une intensité relativement grande fait intensifier les courants tourbillonnaires indu- its dans l'enroulement d'excitation en cas de déplacement des connexions entre sections, ce qui augmente encore l'é- chauffement. Comme cela est mentionné plus haut, même une légère augmentation de température du supraconducteur occa- sionne la diminution de la capacité de charge en courant de l'enroulement d'excitation supraconducteur et rend donc le rotor moins fiable au service. De plus, le fait que les connexions entre sections sont logées d.rns les encoches de raccordement arrangées sur la surface du noyau rend ces connexions moins accessibles. Il est également à noter qu'on est obligé de prévoir une isolation individuelle pour chaque connexion entre sec- tions afin d'éviter le contact avec les parois métalliques de l'encoche. Le but de la présente invention est de fourn:ir zn ro- tor de machine électrique à enroulement d'excitation supra- conducteur dans lequel les connexion entre sections sont disposées de sorte à permettre la sûreté de leur fixation sans prévoir les encoches spéciales dans le noyau du rotor, à minimiser le dégagement calorifique dans les connexions entre sections, à rendre les connexions entre sections plus accessibles et, de ce fait, à rendre plus facile la fabrica- tion du rotor, à augmenter sa fiabilité en service et à simplifier la réalisation des connexions ainsi que les visi- tes et l'entretien de celles-ci. Le but fixé est atteint par le fait qu'on prévoit un rotor de machine électrique à enroulement d'excitation su- praconducteur comprenant un noyau- et un enroulement d'excita- tion supraconducteur comportant des sections à plusieurs spires s'entourant l'une l'autre et connectées en série, présentant chacune des parties rectilignes logées sur le noyau le long.de l'axe rotorique et des têtes de bobines disposées transversalement par rapport à l'axe rotorique, etdes connexions entre sections constituees par les extré- mités des spires supérieures des sections voisines, lesdi- tes extrémités étant connectées entre elles, dans lequel, selon l'invention, sur les spires disposées juste au-des- sous des spires supérieures des têtes de bobines des sec- tions de l'enroulement d'excitation est fixé un élément iso- lant pourvu d'encoches réalisées sur sa face opposée à celle orientée vers l'axe du rotor et s'étendant transversalement rapport à l'axe du rotor, et de canaux pour lais- ser passer le milieu réfrigérant, les connexions entre sections étant logées dansles encoches de l'élément isolant. En logeant les connexions dans les encoches de l'élé- ment isolant on garantit une fixation sûre des connexions sans prévoir les encoches spéciales dans le noyau du rotor, ce qui simplifie la fabrication du rotor. De plus, on peut placer l'élément isolant dans la zone d'action du champ magnétique d'une intensité relativement faible, ce qui di- minue l'léhauffement des connexions dans les enco- - ches de l'élément isolant et rend donc le rotor plus fiable en service. Le fait que les connexions entre sections sont dispo- sées dans les encoches de l'élément isolant placé sur l'en- roulement d'excitation rend les connexions plus accessi- bles en permettant de ne pas prévoir une isolation spéciale pour chaque connexion et en facilitant donc la réalisation, les visites et l'entretien des connexions. > La présente invention sera mieux comprise à la lectu- re de la description détailléee d'un exemple particulier de réalisation de l'invention en regard des dessins anne- xés dans lesquels: la fig.1 représente en coupe une partie de l'en- roulement d'excitation développée dans le plan du dessin et comprenant des sections logées sur la surface cylindrique du noyau du rotor et connectées selon l'invention; - 5 - 2628582 la fig.2 représente une vue en coupe longitudinale du rotor dans lequel les sections de l'enroulement d'excitation sont connectées selon l'invention; la fig.3 représente une section transversale suivant la ligne III-III de la fig.2; la fig.4 représente une section suivant la ligne IY-IY de la fig.3 à plus grande échelle. Selon la fig.1, une partie de l'enroulement d'excitati- on du rotor constituant l'un des pôles du rotor comprend des bobines 1 s'entourant l'une l'autre,connectées en série et constituée chacune de plusieurs sections 2. Chaque section 2 de la bobine 1 est réalisée en forme de selle et comp- rend deux parties rectilignes 2a disposées le long de l'axe 3 du rotor et logées dans deux encoches prévues dans la par- tie moyenne du rotor sur la surface cylindrique de son noyau 4. Dans les mêmes encoches sont également logées les parties rectilignes correspondantes 2a des autres sections 2 de la même bobine. Chaque section 2 comporte également deux têtes de bobines disposées sur la surface cylindrique du noyau 4 transversalement par rapport à l'axe 3 du rotor ent- re la partie moyenne du rotor et chacune de ses faces d'ext- rémité respectivement. La fig.1 représente les têtes de bo- bines 2b des sections 2 disposées du coté de l'une des faces d'extrémité du rotor. Les sections 2 sont connectées en sé- rie entre elles. Les autres parties de l'enroulement d'exci- tation du rotor constituant ses autres pôles sont réalisées de la même manière. Il està noter que quoique la partie de l'enroulement constituant le pole du rotor de la fig.1 comp- renne trois bobines, ceci n'est fait que pour simplifier le dessin et que dans la pratique elle peut en comprendre plus. Chaque section est bobinée avec un conducteur conte- nant plusieurs centaines de fins fils supraconducteurs réa- lisés, par exemple, en alliage titane-niobium et serrés dans une matrice stabilisatrice faite en métal ayant une haute conductibilité électrique, par exemple en cuivre. Les sections voisines sont connectées entre elles par leurs té- tes de bobines pour constituer les connexions entre sec- tions. Par connexions entre sections on entend non seulement - 6 -2628582 les connexions entre les sections d'une seule et même bobi- ne mais aussi celles entre les sections terminales des bo- bines voisines. La fig.1 représente également un élément isolant 5 pla- cé dans les têtes de bobines 2b des sections 2. L'élément 5 est muni d'encoches dirigées transversalement par rapport à l'axe 3 du rotor dans lesquelles sont logées les conne- xions entre sections ce qui sera décrit plus en détail ci-après. Chaque section 2 est réalisée par bobinage du conduc- teur, en commençant par son milieu, dans les deux sens op- posés du bas en haut. En outre, chaque section 2 comporte deux colonnes de spires du conducteur placées cote à cote. Les spires des parties rectilignes 2a des sections 2 de la même bobine sont connectées entre elles dans chacune des encoches. Les diamètre des faces terminales du noyau 4 est moindre-que le diamètre extérieur de sa partie moyenne(par- tie d'encoche) et il est choisi tel que les colonnes de spires des parties rectilignes et des têtes de bobines des sections 2 prennent appui sur les surfaces cylindriques dont les diamètres sont à peu près les mêmes. La disposition des spires dans les têtes de bobines des sections de l'enroulement d'excitation du rotor est montrée sur la fig.2 représentant une coupe transversale du rotor, ainsi que sur la fig.3 représentant la section transversale suivant la ligne III-III de la fig.2. Comme ceci est représenté sur la fig.2, la tête de bo- bine 2b de chaque section de l'enroulement d'excitation est constituée par deux colonnes de spires radiales pla- cdées côte à côte.Les colonnes de spires des têtes de bobines 2b des sections reposent sur des anneaux isolants 6 dispo- sés sur les surfaces cylindriques des faces terminales du noyau 4. L'élément isolant 5 est-plac6 sur les spires dis- posées immédiatement au-dessous des spires 7 et 8 (fig.3) des têtes de bobines 2b des sections de l'enroulement d'exoitation de sorte que sa face munie'd'encoches est orientée vers l'extérieur, tandis que la.ace opposée est orientée vers l'axe 3 du rotor (fig.2). L'élément 5 _ 7 _ 2628582 -7- est réalisé en matériau isolant, par exemple en stratifié à fibre de verre, et il est collé solidement à l'isolement propre (non représenté sur la fig.2) des conducteurs des spires sur lesquels il est placé. Les extrémités des spires supérieures 7 et 8 des sections voisines sont logées dans les encoches de l'élément isolant 5, comme cela est repré- senté sur la.fig.1, elles sont connectées entre elles et constituent des connexions 9 entre sections. Les extrémités des spires supérieures 7 et 8 sont connectées d'une manière connue. A l'endroit de leur connexion ces extrémités sont serrées dans un tube de cuivre 10 pour shwnter le tronçon de connexion des conducteurs et améliorer sa stabi- lité. Sur l'élément isolant 5, du côté des encoches, on fixe solidement un couvercle 1i (fig.2 et 3) fait en matériau électriquement isolant et servant à couvrir-les connexions 9 entre sections. L'élément isolant 5 et le couvercle 11 sont dotés de canaux pour laisser passer le milieu réfrigérant, lesdits canaux étant représentés sur la fig. 4 qui est la section dans un plan passant par ces canaux. Des dents 12 (fig.1 et 2) séparant les encoches de l'élément isolant 5 (fig.1- -4) présentent des canaux 13 (fig.1 et 4) reliant entre elles les encoches voisines dans lesquelles sont logées les connexions 9 entre sections. Au-dessous des canaux 13 se trouvent des canaux 14 reliant les canaux 13 avec des ca- naux 15 prévus entre les sections 2 des bobines. Le couver- cle 11 est également pourvu de canaux 16 (fig.3:et 4) di- rigés transversalement par rapport aux dents 12 (fig.1 et 2) de l'élément isolant 5 (fig.1-4) au-dessus des canaux 13 (fig.1 et 4) ménagés dans ces dents. Les canaux 16 (fig.3 et 4) prévus dans le couvercle 11 relient les ca- naux 13 à des canaux (non représentés sur les fi- gures) passant au-dessus des parties rectilignes des sec- tions de l'enroulement d'excitation. On utilise des éléments isolants semblables (non repré- sentés sur les figures) placés d'une façon analogue pour recevoir les connexions entre sections dans les parties - 8 -582 de l'enroulement constituant les autres poles. Les têtes de bobines des sections avec des éléments isolants et les couvercles sont entourées d'un anneau de bandage isolant 17 et d'anneaux de bandage métalliques 18 et 19 (fig. 2-4). Les anneaux de bandage 17-19 et le cou- vercle représentés sur les fig. 2-4, ne sont pas représen- tés sur la fig.1 de même que les joints isolants placés au-dessous des spires supérieures 7 et 8 et qui sont repré- sentés sur la fig.3. Lors du fonctionnement de la machine électrique on voit apparaître des vibrations pouvant occasionner le dé- placement des connexions 9 entre sections (fig. 1-4) dans le champ magnétique de l'enroulement d'excitation. Le dé- placement des connexions 9 entre sections peut également avoir lieu sous l'influence de forces importantes agissant sur l'enroulement d'excitation dans un champ magnétique de forte intensité. De tels déplacements, même s'ils sont mi- nimes, sont toujours très indésirables car ils peuvent pro- voquer l'échauffement des conducteurs de connexion entre sections par suite des forces de frottement agissant sur ces conducteurs, d'o l'apparition, dans ces derniers, de courants induits. La pose des connexions 9 entre secti- ons dans les encoches de l'élément isolant 5, fixé solide- ment sur les spires des sections 2, garantit une fixation sûre des connexions 9 entre sections en évitant leur dépla- cement par rapport à l'enroulement d'excitation ainsi que leur échauffement par suite d'un tel déplacement, ce qui rend le rotor très fiable au service. En plus, les enco- ches spéciales dans le noyau 4 ne sont pas nécessaires, ce qui simplifie la fabrication du rotor. Le contact électrique dans les connexions 9 entre sec- tions.se fait à travers la matrice stabilisatrice laquelle, à la différence d'un supraconducteur, possède-une résistan- ce électrique. Ceci provoque un dégagement calorifique dans les connexions 9 entre sections qui est d'autant plus intense que la valeur de la résistance est élevée. On sait que l'action exercée par un champ magnétique de forte intensité augmente la résistance électrique du conducteur. -9- Dans le cas o les connexions 9 entre sections sont logées dans les encoches de l'élément isolant 5,, on peut disposer ce dernier de sorte. que les. connexions 9 entre sections se trouvent placées au milieu des têtes de bobines 2b des - sections 2 o l'intensité du champ magnétique est moindre qu'aux endroits de jonction entre les parties rectilignes 2a des sections 2 et les têtes de bobines 2b. Ceci permet de diminuer l'échauffement des connexions 9 entre sections et, par suite, de rendre le rotor plus fiable au service. La disposition des connexions 9 entre sections sur la périphérie du rotor rend ces connexions 9 entré sections plus accessibles, ce qui simplifie leur réalisation, visi- tes et entretien. - 10 - oDL - 10 - 2628582 REVENDICATION Rotor de machine électrique à enroulement d'excitation supraconducteur comprenant un noyau (4) et un enroulement d'excitation supraconducteur comportant des sections (2) à plusieurs spires s'entourant l'une l'autre et connectées en série, présentant chacune des parties rectilignes (2a) dis- posées sur le noyau (4) le long de l'axe (3) du rotor et des têtes de bobines (2b) disposées sur le noyau (4) trans- versalement par rapport à l'axe (3) du rotor, et des con- nexions (9) entre sections constituées par les extrémités des spires supérieurs (7 et 8) des sections voisines, les- dites extrémités étant reliées entre elles, c a r a c t é- r i s é en ce que dans les têtes de bobines (2b) des sec- tions (2) à plusieurs spires, sur leurs spires situées juste au-dessous de leurs spires supérieures (7 et 8), est fixé un élément isolant (5) pourvu d'encoches réalisées sur sa face opposée à celle qui est orientée vers l'axe (3)- du rotor et s'étendant transversalement par rapport à l'axe (3) du rotor, et de canaux (13) pour laisser passer le mi- lieu réfrigérant, et que les connexions(9) entre sections sont disposées dans les encoches de l'élément isolant (5).