Brevet FR2635618A1 — publié le 19900223

ROTOR DE MACHINE ELECTRIQUE A ENROULEMENTS D'EXCITATION SUPRACONDUCTEURS L'invention concerne les machines électriques, notamment les rotors de machines électriques à enroulements d'excitation supraconducteurs, et plus particulièrement, les rotors de cryoturboalternateurs. Les machines électriques à enroulements supraconducteurs utilisent l'effet de supraconductivité qui se produit quand les enroulements de machines électriqus sont refroidis jusqu'à 4 à 5 K, et se traduit par une chute de résistance électrique des enroulements jusqu'à une valeur négligeable. Pour atteindre la température nécessaire, les enroulements supraconducteurs sont généralement refroidis à l'hélium liquide qui circule par des canaux prévus à cet effet. Même une très faible élévation de température des enroulements entraîne la transition de l'état supraconducteur à l'état normal, la résistance électrique des enroulements croit brusquement même si l'élévation de température est locale. Une telle perte de froid locale peut être due au déplacement des parties d'enroulements pendant la rotation du rotor, lorsque les enroulements s'échauffent par suite de frottements et par l'effet de courants électriques induits dans les enroulements qui coupent le champ magnétique du stator. On connaît un rotor de machine électrique (US-A- 3 991 333) dans lequel les enroulements d'excitation supraconducteurs se présentent comme des bobines plates comportant des parties rectilignes et des têtes de bobines. Les bobines sont disposées de telle façon que leurs plans sont parallèlement entre eux, les dimensions transversales des bobines diminuant à mesure qu'elles s'éloignent de l'axe longitudinal du rotor. Les bobines sont fixées entre des plasques d'appui qui sont serrées par des boulons passant perpendiculairement aux plans des bobines. Un anneau de bandage est ajusté avec serrage par-dessus les plaques d'appui. Une telle disposition ne crée pas de bonnes conditions de refroidissement des têtes de bobines parce que, sous l'effet de forces centrifuges engendrées par la rotation du rotor, le fluide réfrigérant est repoussé de la partie centrale du rotor vers sa périphérie. Par ailleurs, un rotor construit de cette façon n'est pas suffisamment rigide, et sa rotation fait naitre dans ses enroulements des contraintes de flexion. Ces deux effets se manifestent surtout dans les rotors de grands diamètres; on ne peut donc pas adopter cette disposition pour les machines de forte puissance. Pour améliorer les conditions de refroidissement des têtes de bobines des enroulements d'excitation supraconducteurs, on fait appel à des bobines en selle. On connait un rotor de machine électrique (US-A- 4 385 248) qui se compose d'une carcasse et d'un enroulement d'excitation supraconducteur constitué de bobines en selle dont l'une entoure l'autre et dont chacune possède des parties rectilignes orientées le long de l'axe du rotor et des têtes de bobine disposées en travers de l'axe du rotor. Les têtes de bobines sont placées dans des rainures annulaires situées sur les extrémités de la carcasse du rotor. Dans chaque rainure annulaire, les têtes de bobines sont serrées contre la paroi de la rainure annulaire et entre elles au moyen de cales placées entre ces têtes de bobines et l'autre paroi de la rainure, de sorte que pour serrer les têtes de bobines sur toute leur longueur il faut, dans chaque rainure annulaire, avoir plusieurs dispositifs de calage répartis sur la circonférence de la rainure le long de sa paroi. Chaque dispositif de calage a deux cales radialement dirigées l'une contre l'autre et situées en sorte que l'une d'elles (intérieure) repose par sa base sur le fond de la rainure annulaire, tandis que la base de l'autre (extérieure) s'appuie sur l'anneau de bandage entourant le rotor. Dans la machine en fonctionnement les éléments du rotor peuvent subir des déformations qui créent des jeux dans le sens axial et en particulier, entre les têtes de bobines, entre les parois de la rainure annulaire et les têtes de bobines, entre les parois de la rainure annulaire et les têtes de bobines. Quand de tels jeux se forment, ils se rattrapent grâce au déplacement radial des cales intérieures sous l'action de forces centrifuges. Cependant, pour obtenir un rattrapement efficace de Jeux, les cales doivent posséder une masse suffisamment grande, il est donc préférable qu'elles soient métalliques. D'autre part, du O10 fait que l'épaisseur des têtes de bobines n'est pas uniforme, pour obtenir leur serrage uniforme on est obligé d'enfoncer sous pression les cales des différents dispositifs de calage à des profondeurs différentes. De ce fait, pour assembler un tel rotor, on doit procéder à l'aJustage individuel des paires de cales par leur sélection ou par leur usinage mécanique en partant du diamètre intérieur de l'anneau de bandage. L'usinage mécanique des cales métalliques directement sur le rotor fait apparaître la poussière de métal qui, se déposant sur les bobines, peut court-circuiter leurs spires. A cause de tout cela, l'assemblage du rotor devient une opération difficile. De plus, une telle fixation des têtes de bobines peut être à l'origine d'un déséquilibrage du rotor dû au déplacement des cales dans la direction tangentielle pendant la rotation du rotor. L'invention vise un rotor de machine électrique comportant un enroulement d'excitation supraconducteur et des dispositifs de calage réalisés de manière à permettre les efforts nécessaires de serrage des têtes de bobines dans le sens axial sans sélection ni usinage mécanique des éléments des dispositifs de calage, ainsi qu'à éviter le déplacement des éléments des dispositifs de calage dans le sens tangentiel et, par cela même, à simplifier l'assemblage du rotor et à exclure la possibilité de son déséquilibrage. Le but ainsi défini est obtenu grâce à un rotor de machine électrique à enroulement d'excitation supraconducteur, qui comprend une carcasse, un enroulement d'excitation supraconducteur composé de plusieurs bobines en forme de selle disposées l'une autour de l'autre et dont chacune possède des parties rectilignes étendues le long de l'axe du rotor et des têtes de bobine placées en travers de l'axe du rotor dans deux rainures annulaires prévues prés des extrémités respectives de la carcasse, et des dispositifs de calage qui se trouvent respectivement dans lesdites rainures annulaires entre la paroi de la rainure et les têtes de bobines qui y sont placées, et servent à se serrer dans le sens axial lesdites têtes entre elles et contre l'autre paroi de la rainure. Le rotor selon la présente invention est notamment remarquable en ce que le dispositif de calage contient deux anneaux qui sont situés côte à côtes dans la rainure respective coaxialement à cette rainure, les surfaces latérales desdits anneaux se trouvant en regard étant inclinées de telle façon que la distance entre elles augmente dans le sens de l'axe, et dotées chacune de plusieurs rainures radiales situées contre des rainures radiales respectivement sur la surface latérale de l'autre anneau, des boulons dont les têtes convergent vers les parties filetées des boulons et entrent dans les paires respectives de rainures situées vis-à-vis l'une de l'autre sur les surfaces latérales et des anneaux, de sorte que les bouts des tiges filetées dépassent les bords extérieurs des anneaux, alors que les surfaces convergentes des têtes de boulons s'appliquent aux surfaces latérales qui se regardent des anneaux, et des écrous engagés sur les bouts dépassants des tiges filetées des boulons respectifs. Dans cette structure, grâce à l'obliquité des surfaces des anneaux et au fait que les têtes de boulons sont convergentes quand on serre les écrous, les anneaux s'écartent et serrent les têtes de bobines entre elles et contre la paroi de la rainure annulaire. L'effort de serrage nécessaire est ici assuré sans aucune sélection particulière et sans aucun usinage mécanique supplémentaire des éléments du dispositif de calage, ceci facilitant en grande mesure l'assemblage du rotor. En disposant les boulons dans les rainures radiales des anneaux, on évite leur déplacement dans le sens tangentiel et, par conséquent, le déséquilibrage du rotor. Dans ce qui suit, l'invention est illustrée par une description détaillée d'un exemple de réalisation avec des références aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente une coupe longitudinale d'une partie du rotor de machine électrique à enroulement d'excitation supraconducteur, réalisé selon l'invention; la figure 2 montre, à une échelle plus grande, une coupe radiale suivant la ligne II-II de la partie de rotor de la figure 1; la figure 3 représente, à une échelle plus grande, une coupe suivant la ligne III- III de la figure 1. Comme le montre la figure 1, le rotor de machine électrique contient une carcasse 1 avec, près de son extrémité, une rainure annulaire 2 limitée par des parois latérales 3 et 4. Une autre rainure annulaire (non représentée) identique à la première se trouve prés de l'autre extrémité de la carcasse 1. Le rotor possède un enroulement d'excitation comprenant plusieurs bobines en forme de selle disposées l'une autour de l'autre. Chaque bobine comporte des parties rectilignes (non représentées) s'étendant le long de l'axe 5 du rotor, une tête 6 de bobine posée dans la rainure annulaire 2, et une autre tête de bobine (non représentée) posée, d'une façon similaire à la tête 6 de bobine, dans la rainure annulaire située près de l'autre extrémité du rotor. Entre les têtes 6 de bobines sont insérées des cales 7 d'une matière isolante. Une autre cale isolante 8 est placée entre la paroi 3 de la rainure annulaire 2 et la tête 6 de bobine la plus proche de cette paroi. Des segments isolants 9 (figure 2) fixés à la carcasse 1 (figure 1) avec des rubans de bandage 10, se trouvent entre le fond de la rainure annulaire 2 et les spires inférieures des têtes 6 de bobines. D'autres segments isolants 11 (figure 2) sont disposés entre les parois 3 et 4 de la rainure annulaire 2 par-dessus les têtes 6 de bobines. Un anneau de bandag2 12 est placé avec serrage sur le rotor par-dessus les segments 11. La carcasse 1 (figure 1) et les segments 9 et 11 sont percés de canaux 13 pour laisser passer le fluide réfrigérant. Entre la paroi 4 de la rainure annulaire 2 et celle des têtes 6 de bobines qui lui est la plus proche est placé un dispositif de calage 14 avec interposition, entre cette tête 6 de bobines qui lui est la plus proche est placé un dispositif de calage 14 avec interposition, entre cette tête 6 de bobine et le dispositif de calage 14, d'un anneau 15 constitué par deux demi- bagues isolantes. Les cales 7 et 8 et la bague 15 sont, elles aussi, percées de canaux (non représentés) pour la circulation de fluide réfrigérant. Le dispositif de calage 14 contient deux anneaux 16 placés côte à côte dans la rainure annulaire 2 coaxialement à cette rainure. Le diamètre intérieur des anneaux 16 est égal au diamètre de la surface cylindrique formée par les surfaces externes des segments 9, tandis que le diamètre antérieur des anneaux 16 est égal au diamètre de la surface cylindrique formée par les surfaces internes des segments 11. Des découpures radiales 17 (figure 2) séparées par des intervalles sont pratiquées sur la périphérie des anneaux 16. Les anneaux 16 sont montés de telle façon que les découpures 17 de l'un d'eux se trouvent face aux découpures respectives 17 de l'autre anneau. Les surfaces latérales 16 et 16 des anneaux 16, qui sont situées en a f regard l'une de l'autre (figure 1), ont une obliquité telle que la distance entre elles augmente dans la direction de l'axe des anneaux 16 (qui se confond avec l'axe 5 du rotor), c'est-à-dire dans le sens des surfaces cylindriques intérieures des anneaux 16. Les surfaces 16 et 16 des a f anneaux 16 sont dotées de rainures radiales 18 (figure 3) qui partent des découpures respectives 17, de sorte que les rainures radiales 18 sur la surface 16 de l'un des anneaux a 16 se trouvent contre les rainures radiales respectives 18 sur la surface 16 de l'autre anneau 16. f Le dispositif de calage 14 comporte des boulons 19 (figure 1) dont chacun possède une tête 19 et une tige a filetée 19, la tête 19 est convergente vers la partie f a filetée 19. Les boulons 19 sont disposés de telle façon 1f. que leurs têtes 19 entrent dans les paires de rainures 18 a situées en vis-à-vis sur les surfaces latérales 16 et 16 a f des anneaux 16 (figure 3), de sorte que les surfaces convergentes des têtes 19 de boulons s'appliquent aux a surfaces 16 et 16f, tandis que les tiges filetées 19 des a f' f boulons 19 (figures 1 et 2) dépassent les surfaces cylindriques externes des anneaux 16 là o se trouvent les découpures 17. Le dispositif de calage 14 contient encore des écrous 20. Les écrous 20 sont placés respectivement dans les découpures 17 des anneaux 16 sur les bouts dépassants des parties filetées 19 des boulons 19. Entre les écrous f 20 et les bords des anneaux 16 sont placées des rondelles 21. Pour réaliser les anneaux 16 on peut, comme décrit plus haut, les constituer de deux demi-bagues qu'on place dans la rainure annulaire 2 avant d'y mettre les segments 11 et l'anneau de bandage 12. On peut également exécuter les anneaux 16 en une seule pièce chacun. Dans ce cas on les découpe dans les parois 3 et 4 de la rainure annulaire 2. Lorsqu'on utilise des anneaux 16 continus, leur diamètre extérieur peut être inférieur au diamètre intérieur de la surface cylindrique constituée par les surfaces intérieures des segments 11, cette différence des diamètres suffisant à disposer les bouts des tiges filetées 19 et les écrous 20. f Alors les découpures 17 sur la périphérie de l'anneau 16 deviennent inutiles. Comme on peut voir dans les figures 1 à 3, la tête 19 du boulon 19 a la forme d'un tronc de pyramide à 4 pans a dont les pans opposés (qui s'appliquent aux surfaces 16 et a 16 des anneaux 16) sont inclinés dans les sens contraires f par rapport à l'axe du boulon 19 (figure 1), tandis que deux autres pans opposés sont parallèles audit axe (figure 2). Dans ce cas on dispose les bords latéraux de la rainure 18 (figure 3) parallèlement au rayon de l'anneau 16 qui passe au milieu de l'espace entre lesdits bords. Il est possible, pourtant, d'utiliser les boulons 19 avec des têtes en forme de cône tronqué. Alors on a intérêt à faire de sorte que les bords latéraux de la rainure 18 divergent à mesure qu'ils s'étendent de l'axe de l'anneau 16 vers sa périphérie. Lorsqu'on assemble le rotor selon l'invention, sur le fond de la rainure annulaire 2 (figure 1) entre les parois 3 et 4 on met les segments isolants 9 (voir aussi figure 2) qu'on fixe avec les rubans de bandage 10. On monte sur la carcasse 1 du rotor les bobines d'enroulement d'excitation dont les têtes 6 sont posées dans la rainure annulaire 2 par-dessus les segments 9. Ensuite, on assujettit les cales 7 et 8. En cas d'emploi des anneaux 16 continus réalisés par découpage dans les parois 3 et 4 de la rainure 2, ces anneaux doivent se trouver entre la paroi 4 et celle des têtes 6 de bobines qui en est la plus proche. En cas d'emploi d'anneaux 16 composés chacun de deux demi-bagues, ils occupent la même place, chaque paire de demi-bagues étant solidarisée sur la circonférence de l'anneau 16 par un ruban de bandage. On met en place des boulons 19 avant de monter des bagues isolantes 15, ce qui permet d'écarter les anneaux 16 et d'introduire aisément les boulons 19 entre les anneaux 16 dans les paires respectives de rainures radiales 18 (figure 3). Après cela, on met en place les demi-bagues qui constituent les bagues 15 (figure 1). Sur les parties filetées 19 des boulons 19 on met f des rondelles 21 et des écrous 20. Lorsqu'on serre les écrous 20, les boulons 19 se meuvent dans le sens radial vers les bords extérieurs des anneaux 16. Du fait que les surfaces 16 et 16 des anneaux 16 sont obliques, comme a f décrit plus haut, tandis que les surfaces des têtes 19 des a boulons 19, qui s'appliquent aux surfaces 16 et 16f, se af rétrécissent dans le sens des tiges filetées 19, les têtes 19 des boulons 19 constituent avec les anneaux 16 des a couples de cales. Ainsi, quand les boulons 19 se déplacent dans le sens radial, les anneaux 16 du dispositif de calage 14 s'écartent et serrent les têtes 6 de bobines de l'enroulement d'excitation entre elles et contre la paroi 3 de la rainure annulaire 2. Comme on le voit sur la figure 2, sur toute la longueur de la tête de bobine 6 qui est la plus proche de la paroi 4 de la rainure 2 sont répartis de façon régulière plusieurs boulons 19. On serre les écrous à plusieurs reprises en respectant une alternace d'efforts, ce qui permet d'obtenir un serrage uniforme des têtes de bobines dans le sens tangentiel. En cas d'emploi d'anneaux 16 composés de demi- bagues, avant de monter les segments isolants 11 on enlève les rubans de bandage qui encerclent ces demi-bagues. Ainsi, l'effort de serrage nécessaire des têtes 6 de bobines dans le sens axial est assuré sans sélection préalable ni usinage mécanique des éléments du dispositif de calage 14, ce qui simplifie l'assemblage du rotor. - Les anneaux 16 se présentent sous forme de deux demi-bagues, selon la description ci-dessus, les segments 11 contre lesquels butent les surfaces cylindriques externes des anneaux 16 dans les intervalles entre les découpures 17, empêchent le déplacement desdites demi- zagues dans ie sens radial lors de la rotation du rotor. Lorsque la machine électrique fonctionne, des déformations peuvent surgir dans les éléments du rotor comme, par exemple, pendant le refroidissement du rotor Jusqu'à la température du fluide réfrigérant. Dans ce cas, l'apparition de jeux dans le sens axial entre les têtes 6 de bobines de l'enroulement, ainsi que entre les têtes de bobines 6 et la paroi 3 de la rainure annulaire 2, jeux dûs aux différents coefficients de dilatation thermique des matériaux des éléments du rotor, est évitée grâce à un déplacement radial des boulons 19 sous l'effet de forces centrifuges, ce qui provoque un écartement des anneaux 16 serrant les têtes de bobines 6 et, par ce fait, assurant leur bonne fixation pendant le service du rotor. Pour cela, il est préférable de fabriquer les boulons 19 en matière lourde, notamment en métal, par exemple en cuivre ou en laiton. Comme il a été démontré plus haut, les têtes 19 des a boulons 19 (figure 2) sont placées dans les rainures radiales 18 des anneaux 16. Une telle disposition exclut tout déplacement relatif des éléments du dispositif de calage 14 dans le sens tangentiel tant à l'assemblage qu'à la rotation du rotor. Ceci permet d'éviter les déséquilibres du rotor. REVENDICATION Rotor de machine électrique à enroulement supraconducteur, qui comporte une carcasse (1), un enroulement d'excitation supraconducteur composé de plusieurs bobines en forme de selle disposées l'une autour de l'autre et dont chacune possède des parties rectilignes étendues le long de l'axe (5) du rotor et des têtes (6) de bobine placées en travers de l'axe (5) du rotor dans deux rainures annulaires (2) prévues près des extrémités respectives de la carcasse (1), et des dispositifs de calage (14) qui se trouvent respectivement dans lesdites rainures annulaires (2) entre la paroi (4) de la rainure (2) et les têtes (6) de bobines qui y sont placées, et servent à serrer dans le sens axial lesdites têtes (6) entre elles et contre l'autre paroi (3) de la rainure (2), caractérisé en ce que le dispositif de calage (14) contient deux anneaux (16) qui sont situés côte à côte dans la rainure respective coaxialement à cette rainure, les surfaces latérales (16) desdits anneaux (16) se trouvant a en regard étant inclinées de telle façon que la distance entre elles augmente dans le sens de l'axe, et dotées chacune de plusieurs rainures radiales (18) situées contre des rainures radiales respectives (18) sur la surface latérale de l'autre anneau (16), des boulons (19) dont les têtes (19) convergent vers les parties filetées (19) des af boulons (19) et entrent dans les paires respectives de rainures (18) situées vis-à-vis l'une de l'autre sur les surfaces latérales (i16) et ti6) des anneaux (16) , de a f sorte que les bouts des tiges filetées (19) dépassent les f bords extérieurs des anneaux (16), alors que les surfaces convergentes des têtes (19) de boulons s'appliquent aux a surfaces latérales (16) et (16f) qui se regardent des af anneaux (16), et des écrous (20) engagés sur les bouts dépassants des tiges filetées (19) des boulons respectifs (19).f (19).