Brevet FR2644304A1 — publié le 19900914

ROTOR DE MACHINE ELECTRIQUE AVEC ENROULEMENT D'EXCITATION SUPRACONDUCTEUR L'invention concerne les machines électriques et notamment les rotors de machines électriques avec enroulements d'excitation supraconducteurs, de cryoturbogénérateurs en particulier. L'enroulement d'excitation de rotor de machine électrique contient des parties qui constituent différents pôles de l'enroulement, et des connexions interpolaires entre les dites parties. On connait un rotor de machine électrique (SU, A, 201510) qui contient une carcasse et, sur elle, un enroulement d'excitation. L'enroulement est composé de deux parties qui constituent deux pôles d'enroulement, sont enrou léesdans un meme sens et contiennent chacune des bobines en forme de selle disposées l'une autour de l'autre et couplées en série. Chaque bobine en forne de selle possède des parties rectilignes qui s'étendent le long de l'axe du rotor, et des têtes de bobine orientées en travers de l'axe du rotor.L'enroulement comprend encore une connexion interpolaire entre les deux parties d'enroulement qui constituent des pôles différents; cette connexion se compose de deux barrettes courtes dont chacune raccorde entre elles, au plus court, les spires extérieures des bobines extérieures des différents pôles. Les barrettes de connexion sont disposées du côté des têtes de bobines dans des points diamétralenent opposés de la carcasse de telle façon que chaque barrette relie entre elles les parties, situées à proximité l'une de l'autre, des spires extérieures des bobines extérieures des pôles différents. Ces derniers temps beaucoup d'efforts ont été employés pour la création des machines électriques avec enroulement d'excitation supraconducteur. Pour les conducteurs qui constituent l'enroulement d'excitation de telles machines on fait appel à des matériaux possédant la propriété de supraconduction. Ea résistance électrique de ces matériaux disparaît quand ils se refroidissent jusqu'à des températures voisines du zéro absolu (4 à 50K). Alors des dégagements de chaleur dans le supraconducteur, même peu importants, peuvent élever 1a température de l'enroulement et, par conséquent, affecter sérieurement sa capacité de conduire le courant. Pour améliorer les conditions de refroidissement de l'enroulement d'excitation supraconducteur, on donne à ses bobines une forme de selle épousant le cylindre rotorique. On connait un rotor de machine électrique avec enroulement supraconducteur (DE, C, 2804654) comprant une carcasse et, sur son pourtour, un enroulement d'excitation supra- conducteur composé de deux parties qui, respectivement, constituent les deux poles de l'enroulement et sont enroulées dans un même sens. Chacune de ces deux parties de l'en- roulement contient des bobines à spires multiples en forme de selle, disposées l'une autour de l'autre et couplées en série ;; chaque bobine comporte des parties rectilignes s'étendant le long de l'axe du rotor et des têtes de bobine orientées en travers de ltaxe du rotor. 'l'enroulement d'ex- citation possède encore une connexion interpolaire entre ses parties constituant différents drôles. Si pour un tel enroulement supraconducteur on prévoit dans la zone des te tes de bobines une connexion interpolaire en forme de barrettes courtes qui raccordent extre elles les spires extérieures des bobines extérieures appartenant aux différents pôles mais situées côte à côte, comme dans les machines électriques classiques1 ceci conduira à des effets indésirables. Une telle barrette courte peut être détruite par de grands efforts thermomecaniques engendrés en régime de réfri-cérateur du rotor. Cette probabilité fait baisser la sécurité de fonctionne-.ent du rotor. Le point de ponction des parties dlenroulezent qui constituent différents pâles offre une résistance au passage du courant et, de ce fait, devient un siège de dégage- ment assez fort de chaleur lors du fonctionnement de la macnine électrique. Pour cela, la trop grande proximité de ce point et des spires de l'enroulement crée un risque d'echauffement de celui-ci.Quand la connexion interpolaire est réalisée dans la zone dPs tetes de bobines, elle se trouve dans un champ magnétique de forte intensité généré par l'enroulement d'excitation, ce qui, d'une part, fait croit- re la résistance électrique au point de~ onction des parties d'enroulement et, avec elle, le dégagement de chaleur, et d'autre part, provoque un plus fort échauffement de la connexion interpolaire si elle se déplace par rapport à la carcasse. L'échauffement de l'enroulement d'excitation, comme il a été dit plus haut, entraîne une dégradation considérable de la capacité conductrice de l'enroulement supraconducteur et, par la, une baisse de la securite de fonctionnerent du rotor.En outre, l'emDlacement de la c:oflnexion interpolaire dans la zone de têtes de bobines de l'enroule ment d'excitation empeche d'acceRSer au point de jonction des parties d'enroulement pendant 1' exécution de la conne rion interpolaire, les visites et les réparations de cette connexion. La présente invention a pour but la création d'un rotor de machine électrique avec enroulement d'excitation supraconducteur, dans lequel la connexion interpolaire est réalisée d'une manière qui permet de réduire le déage..ent de chaleur dans la connexion interpolaire et l'effet qu'il exerce sur l'enroulement d'excitation, de faciliter l'accès à la connexion interpolaire et, par cela même, d'améliorer de sécurité de fonctionnement du rotor et simplifier l'eié cution de cette connexion, les visites et les réparations. Le but visé par l'invention est atteint grâce à un rotor de machine électrique avec enroulement supraconducteur, qui contient une carcasse et, sur elle, un enroulenent d'excitation supracondùcteur comprenant deux parties qui, respectivement, constituent deux pôles de l'enroulement supraconducteur, sont enroulées dans un même sens et contie.zneni chacune des bobines à spires multiples, en forme de selle, couplées en série et disposées l'une autour de l'autre, chaque bobine possédant des parties rectiligne orientées le long de l'axe du rotor et des têtes de bobines orientées en -- travers de l'axe du rotor, et une connexion interpolaire entre les parties de l'enroulement d'excitation supraconducteur qui constituent différents pôles, rotor dans leauel selon l'invention, la connexion interpolaire est réalisée sous forme de conducteurs prolongeant les spires extérieures, les plus hautes, des têtes des bobines extérieu- res appartenant aux parties d'enroulement qui constituent différents pôles, ce prolongement va dans le sens de bobinage de ces bobines et lestidsconducteurs sont placés sur la carcasse de telle façon qu'ils s1 étendent selon la périphérie de l'enroulement d'excitation supraconducteur et sont déportés dans le sens de l'axe du rotor au-delà des spires extérieures des bobines extérieures, la jonction électrique desdits conducteurs entre eux étant réalisée sur la ligne-neutre entre les pôles. Dans une telle réalisation de la connexion interpolaire le point de jonction des parties d'enroulement qui constituent différents poles est éloigné de l'enroulement d'ex- citation proprement dit, ce qui affaiblii l'actim sur l'enroulement du dégagement de chaleur qui a lieu au point de jonction des parties d'enroulement. Du fait que la connexion interpolaire est déportée hors de la zone destêtes de bobines, celle du champ magnétique maximum, l'échauffement du point de jonction des parties de l'enroulement est moins fort. L'action du champ magnétique sur la connexion interpolaire s'affaiblit encore plus parce que le point de jonction se trouve sur la ligne neutre entre les poles. La longueur assez grande de la connexion interpolaire la préserve de destruction lors de la réfrigération du rotor. Disposée hors de la zone des têtes de bobines sur une circonférence parallèle au pourtour de l'enroulement, la connexion interpolaire est plus facilement accessible, ce qui simplifie sa réalisation, les visites et les répsra- tions. De préférence, les conducteurs de la connexion interpolaire doivent avoir une meme longueur et être joints l'un à l'autre en deux points diametralement opposés sur la ligne neutre entre les pôles. Une telle exécution de a connexion interpolaire assure une symétrie du rotor, thermique, magnétique et mécanique. D'autre part, avec une telle connexion interpolaire le point de jonction des conducteurs et le tronçon de conducteur entre deux points de jonction sont parcourus par un courant deux fois moindre que le courant d'excitation de l'enroulement, ce qui rehausse la friabilité de la connexion interpolaire. I1 est préférable de poser les conducteurs de la connexion interpolaire dens une rainure au ulnaire pratiquée sur le pourtour de la carcasse et de les fixer dans des éléments isolants en U qui les entourent et qui sont répartis le long de la rainure et séparés l'un de l'autre par des espaces laissant passer l'agent réfrigérant. Cette disposition permet d'immobiliser d'une façon su- re la connexion interpolaire sur la carcasse du rotor, ce qui diminue l'échauffement de la connexion interpolaire dû eu déplacement éventuel de ses conducteurs dans le champ magnétique pendant le fonctionnement de la machine électrique. Elle permet, par ailleurs, de refroidir la connexion interpolaire d'une façon efficace. Ci-dessous l'invention est illustrée par une description détaillée d'un exemple de sa réalisation donnée en regard des dessins annexés sur lesquels: la fig.l représente d'une façon schématique un enroulement d'excitation du rotor de machine électrique, déve loppé dans le plan du dessin, avec une connexion interpolaire réalisée selon la présente invention; la fig.2 est une vue partielle en plan d'un rotor sans an neau de bandage, développée dans le plan du dessin et présentant une coupe qui montre la posi tion des conducteurs de la connexion interpolaire par rapport aux bobines de l'enroulement; la fig.3 est une coupe suivant la ligne III-III sur la zig.2; la fig.4 est une coupe suivant la ligne IV-IV sur la fig.2; la fig.5 est une coupe suivant la ligne V-V sur la fig.2;et la fig.6 est une coupe suivant la ligne VI-VI sur la fig.2. Un rotor de machine électrique contient un enroulement d'excitation supraconducteur représenté schématiquement sur la fig.1 et comprenant deux parties 1 et 2 qui constituent respectivement deux pôles, N et S, de l'enroulement d'excitation. Comme on peut voir sur la fiv.1, les parties 1 et 2 de l'enroulement d'excitation sont bobinées dans un meme sens. La partie 1 de l'enroulement d'excitation contient plusieurs bobines à spires multiples 3, 4 et 5, en forme de selle, disposées l'une autour de l'autre et couplées en série.De même, la partie 2 de l'enroulement d'excitation contient plusieurs bobines à spires multiples 6, 7 et 8, en forme de selle, disposées l'une autos de l'autre et couplées en série, dont la position est symétrique-par rapport à celle des bobines respectives 3, 4 et 5 de la partie 1. Chaque bobine 3, 4, 5, 6, 7 et 8 possède deux branches rectilignes qui passent le long de l'axe du rotor (et sont verticales sur la fig.1), et deux têtes de bobines orientées en trz- vers de l'axe du rotor tsar la fig.1 leurs projections sont horizontales).Une connexion interpolaire est réalisée entre les parties - 1 et 2 de l'enroulement d'excitation du côté des têtes des bobines 3a, 4a, 5a, 6a, 7a et Sa des bobines respectives 3, 4, 5, 6, 7 at 8. Le fil de bobinage de l'enroulement d'excitation supra conducteur se corpose ae plusieurs centaines de fils supraconducteurs très fins fabriqués, par exemple d'un alliase titarie-niobium enserrés dans une matrice stabilisatrice faite d'un métal à haute conductibilité électrique, par exemple de cuivre. D'une manière plus détaillée la disposition des bobines de l'enroulement d'excitation et le principe de réalisation de la connexion interpolaire sont représentés sur les fig.2, 3, 4, 5 et 6. Les bobines 3 à 8 (fig.l) de l'enroulement d'excita- tion sont logées dans le noyau métallique 9 (fig.3) de la carcasse du rotor. La pose des bobines de 11 enroulement l'excitation est réalisée de façon usuelle, notamment leurs branches rectilignes sont placées dans des encoches longitudinales (non représentées) du noyau 9 de la carcasse, et les têtes des bobines, sur les surfaces latérales cylindriques des extrémités du noyau 9. Les têtes des bobines sont séparées par des pinces d'écartement en matière isolante entre lesquelles se forment des canaux de passage pour l'agent réfrigérant, par exemple de l'hélium liquide. Comme l'indique la fig.2, les têtesdes bobines 4a, 5a, 7a et 8a appartenant aux bobines respectives 4, 5, 7 et 8 (fig.l) sont séparées par des pièces d'écartement 10 (la fig.2 n'en laisse voir que deux) entre lesquelles se forment des canaux tl de refroidissement de l'enroulement d'excita- tion. Il est à noter que le nombre réel de ces canaux dépas- se largement celui visible sur la fig.2. La connexion interpolaire est constituée de deux conducteurs 12 et 13 (fig.2, 3, 4, 5 et 6) qui prolongent respectivement les spires extérieures les plus hautes 14 et 15 des bobines extérieures 5 et 8 des parties 1 et 2 de l'enroulement d'excitation, respectivement, dans le sens de bobines. Les conducteurs 12 et 13, co-,ne ceux des bobines 3 à 8, ont leur propre isolement (non représenté sur le dessin). La carcasse du rotor comporte un anneau 16 en =altière isolante placé sur l'extrémité du noyau 9 (fig.3) Pu-delà des spires extérieures 14 et 15 (fig.2) des bobines exterieures 5 et 8 (fig.1) des parties 1 et 2 de lienroulemen. d'excitation. La surface cylindrique de l'anneau 16 présente une rainure annulaire 17 (fig.2, 3, 4, 5 et 6) ouverte du côté des bobines de l'enroulement d'excitation. Dans la rainure 17 sont logés les conducteurs 12 et 13 qui, de cette façon, passent parallèlement au pourtour de l'enroulement d'excitation et sont déportés vers l'extérieur suivant l'axe du rotor en dehors des spires extérieures 14 et 15 des bobines extérieures 5 et 8. Le conducteur 12 passe du bout de la spire extérieure la plus haute 14 de la bobine extérieure 5, c'est-à-dire du milieu de la tête 5a de ladite bobine, parallèlement au pourtor de l'enroulement d'excitation presque sur toute sa longueur, et se termine au point disposé en regard du milieu de la tête de bobine 5a.Le conducteur 13 stétend du bout de la spire extérieure la plus haute 15 de la bobine extérieure 8, c'est-à-dire du milieu de la tête 8a de ladite bobine, parallèlement au pourtour de l'enroulement d'excitation presque sur toute sa longueur, et se termine au point disposé en regard du milieu de la tête de bobine 8a. Ainsi les longueurs des conducteurs 12 et 13 sont identiques. Les conducteurs 12 et 13 sont collés entre eux et fixés dans la rainure annulaire 17 au moyen d'éléments 18 en U oui les entourent et oui sont fabriqués en matière isbîan- te. Les éléments 18 en U sont répartis d'une façon régulière le long de la rainure aenalaire 17 et séparés entre eux par des espaces qui laissent passer l'agent réfrigérant. Ces espaces communiquent avec les canaux Il de refroidissement de l'enroulement d'excitation. Pour plus de simplicité, la fig.2 ne montre que quelques éléments 18 en U, tan- dis que leur nombre réel atteint plusieurs dizaines (il est égal au nombre des canaux 11). Les parties 1 et 2 de l'enroulement d'excitation, les pièces d'écartement 10 et les éléments 18 sont entourés dtun anneau de bandage 19 (fig.3, 4, 5 et 6) qui passe le long de la circonférence du rotor. Sur la fig.2 cet anneau de bandage n'est pas représenté. Les conducteurs 12 et 13 posés dans la rainure 17 (fig. 2, 3, 4, 5 et 6) ont deux jonctions électriques en deux points. Un point 20 de jonction des conducteurs 12 et 13 se trouve dans un point de la ligne neutre entre les pâles N et S, un autre point 21 colncide avec un point dia,étrP- lement opposé de la ligne neutre. I1 est à noter que la ligne neutre appartient au plan neutre dont chaque point se trouve à une même distance des deux pôles, N et S, constitués par l'enroulement d'excitation, c'est-à-dire au plan de symétrie de cet enroulement qui passe par l'axe du rotor entre les parties 1 et 2 de l'enroulement d'excitation.Ce plan coupe la surface cylindrique ou rotor suivant des lignes 22 et 23 tracées sur la fig.1 avec des traits interrompua mixtes. On peut également utiliser des conducteurs 12 et 13 plus courts et de longueurs différentes, ayant entre eux une seule jonction (au point 20 ou au point 21) dans le plan neutre entre les pôles. La jonction électrique des conducteurs 12 et 13 est réalisée selon un procédé ordinaire connu, par exenle par soudage ultrasonique. Au point de jonction les conducteurs 12 et 13 sont serrés par un tube de cuivre 24 pour sn:z?te la jonction des conducteurs et pour améliorer ainsi leur stabilisation. Toute machine électrique avec enroulement d'excitation supraconducteur fonctionne avec son rotor réfrigéré. Quand, en régime de mise en froid, on introduit un agent réfrisé- rant dans la machine électrique, la température de la carcasse du rotor et de l'enroulement d'excitation baisse de 300 OC à peu près, ce qui entre un changement considérable des dimensions de la carcasse et de ltenroulement d'excitation. Alors la connexion interpolaire, comme tout l'enroulement d'excitation d'ailleurs, est exposée à l'action d'efforts thermomécaniques considérables. La longueur de chacun des conducteurs 12 et 13 de la connexion interpolaire égale au moins un quart du pourtour de ltenroulemenç d'excitation ou, dans une variante préférable de réalisation de la connexion interpolaire, est pro cane de la longueur totale dudit pourtour. Cette étendue relativement grande des conducteurs 12 et 13 leur permet de supporter les variations de leurs cotes linéaires > dues aux chPagenents considérables de température, sans se détruire, ce qui améliore la sûreté de fonctionnement du rotor. Quand la machine électrique est en marche, un courant d'excitation circule dans les parties 1 et 2 de l'enroulement, dont la direction est indiquée par des flèches sur le fig.1. Aux points 20 et 21 de jonction des conducteurs 12 et 13 le contact électrique est en partie réalisé à travers la matrice stabilisatrice qui, à la différence du supraconducteur, oppose au courant une certaine résistance électrique. Ceci provoque aux points de jonction 2n et 21 des conducteurs 12 et 13 un dégagement de chaleur d'autant plus fort quelavaleur de résistance est plus grande. Etant donné que les points 20 et 21 de jonction des condocteurs 12 et 13 sont déportés suivant l'axe du rotor au -delà des têtes 5a et 8a des bobines extérieures 5 et 8, l'influence sur ces points de jonction du chant magnétique engendré par l'enroulement d'excitation et caractérisé par une intensité assez forte dans la zone des têtes de bobines 5a et âa, s'affaiblit. Une diminution de cette influence du chant magnétique est obtenue grRce encore au fait que les points de jonction 20 et 21 se trouvent dans le plan neutre entre les pâles N et S.En général, l'action d'un champ mag nétique de forte intensité augmente la résistance électrique d'un conducteur, il est donc évident ou'en déplaçant les points de jonction 20 et 21 vers la zone du minimun de champ magnétique on diminue leur échauffement. I1 importe aussi que les points de jonction 20 et 21, où le dégagement de chaleur est plus fort qu'ailleurs, soient éloignés des têtes 5a et Sa des bobines extérieures 5 et 8, ceci diminue l'influence de la chaleur dégagée aux points de jonction 20 et 21 sur l'enroulement d'excitation. ba réduction du dégagement de chaleur aux points de çorc- tion 20 et 21 et la diminution de l'influence de ce dégage- ent de chaleur sur l'enroulement d'excitation baisse la probabilité d'échauffement de l'enroulement et de la chute, due à cet échauffement, de sa capacité de conduire le courant, qui pourrait entralner une perte de supraconductibilité. Tcut ceci améliore la sûreté de fonctionnement du rotor. En utilisant pour la connexion interpolaire selon l'invention des conducteurs 12 et 13 d'une même longueur et en situant les points 20 et 21 de jonction électrique aux points diamétralement opposés du plan neutre, on ne dérange pas la symétrie du rotor, athermique, magnétique et mécanique, ce qui est très important si l'on veut assurer une haute fiamilité de fonctionnement du rotor à des vitesses de rotation élevées. Grâce au fait que les points 20 et 21 de jonction électrique et les tronçons des conducteurs 12 et 13 entre les points 20 et 21 de Jonction sont parcourus par un courant deux fois moindre que le courant dans l'enroulement d'excitation, la chaleur dégagée aindits ponts est distribuée plus régulièrement dans la connexion interpolaire. Avec cela, pour lesdits tronçons des~conducteurs 12 et 13 la marge de courant devient plus grande. Ces avantages a:néliorent la fiabilité de la connexion interpolaire et, avec elle, la sûreté de fonctiormement du rotor. Les vibrations éventuelles dans une machine électrique en marche peuvent provoquer des déplacements de la connexion interpolaire dans le champ magnétique de l'enroulement d'excitation. Un déplacement de la connexion interpolaire peut également être dû à l'influence des forces importantes -qui agissent sur l'enroulement d'excitation dans un champ magnétique intense. Comme indiqué plus haut, de tels déplacements, meme s'ils sont insignifiants, sont indésirables au plus haut degré, car ils provoquent un échauffement des conducteurs de la connexion interpolaire sous l'effet des forces de frotSe-ent oui agissent sur les conducteurs et des courants qui y sont induits.Les éléments 18 en U oui embrassent les conducteurs 12 et 13 logés dans la rainure 17, fixent les conducteurs d'une façon sure sur le carcase du rotor, empêchant leur déplacer.nt par rapport à la carcasse et prévenant leur échauffement qui résulterait d'un tel déplacement. Des canaux 11 de refroidissement de l'enroulement d'excitation l'agent réfrigérant pénètre dans les espaces entre les éléments 18 en U et refroidit de façon efficace la connexion interpolaire constituée par les conducteurs 12 et 13, ce cui empêche leur échauffement et l'afflux de la chaleur à l'enroulement d'excitation supraconducteur, et améliore de ce fait la sécurité de fonctionnement du rotor. La disposition de la connexion interpolaire en dehors de la zone des têtes 5a et 8a des bobines 5 et 8 sur une ligne parallèle au pourtour de l'enroulement facilite l'ac cès aux points 20 et 21 de jonction des conducteurs 12 et 13, réduisant ainsi la probabilité d'endommagement de l'enroulement d'excitation pendant 11 exécution des connexions électriques et leur réparation, et facilitant tent ces opé ratios que les visites des points de jonction. REVENDICATIONS 1. Rotor de machine électrique avec enroulement supraconducteur qui contient une carcasse (9, 16) et, sur elle, un enroulement d'excitation supraconducteur comprenant de1x parties (1 et 2) qui constituent deux piles respectifs (N et S) de l'enroulement supraconducteur, sont bobinées dans un même sens et comportent chacune des bobines à spires multiples en forme de selle (3, 4, 5, 6, 7 et 8) disposées l'une autour de l'autre et couplées en série, chaque bobine possédant des branches rectilignes qui s'étendent le long de l'axe du rotor, et des têtes de bobine (3z, 4a, 5z, 6a, 7a et 8a) orientées en travers de l'axe du rotor, et comprenant encore une connexion interpolaire entre les parties (1 et 2) de l'enroulement d'excitation supraconducteur qui constituent différents pôles (N et S), c z r a c t ér i s é en ce que ladite connexion interpolaire est réPli- sée sous forme de deux conducteurs (12 et 13) qui prolongent les spires extérieures les plus hautes (14 et 15) dPn les têtes (5a et 8a) des bobines extérieures (5 et 8) desdites parties respectives (1 et 2) dans le sens de ocoirè de ces bobines, et lesdits conducteurs sont posés sur la carcasse (9, 16) de telle façon qu'ils passent suivant la péripherie de l'enroulement supraconducteur et sont déportés dans le sens de l'axe du rotor au-delà des spires extérieures (14 et 15) des bobines extérieures (5 et 8), le jonction élec trique des conducteurs étant réalisée dans le plan neutre entre les pôles ( et S). 2. Rotor selon la revendication 1, c a r a c t é r is é en ce que lesdits conducteurs ont une ne longueur et sont joints l'un à l'autre dans deux points (20 et 21) diamétralement opposés du plan neutre entre les pâles (N et S). 3. Rotor selon la revendication 1 ou la revendication 2, c a r a c t é r i s é en ce que lesdits conducteurs (12 et 13) sont posés dans une rainure annulaire (17) pra- tiquée sur la périphérie de la carcasse (9, 16), et fixés dans des éléments isolants (18) en U qui les entourent et qui sont logés dans la rainure (1l) et séparés l'un de l'autre par des espaces pour laisse, passer un agent réXri- gérant.