Brevet FR2690289A1 — publié le 19931022

BARRE DE ROEBEL POUR UNE CONFIGURATION AMELIOREE DE DEMI-BOBINE DESTINEE A UN STATOR La présente invention concerne un appareil électrodynamique du type à induction comme un moteur ou un générateur électrique L'invention concerne plus particulièrement une configuration de Roebel améliorée de la demi-bobine d'un bobinage de stator destiné à des appareils électrodynamiques de ce genre. Les machines électrodynamiques comme les gros générateurs électriques fabriqués par la Société Westinghouse Electrique Company contiennent des bobinages polyphasés qui sont installés dans les encoches d'un noyau magnétique feuilleté Dans un générateur de ce type, le déplacement du rotor autour d'un axe décale le champ magnétique associé au rotor, induisant ainsi un courant qui circule dans chaque bobinage de phase respectif. Malheureusement, la convergence des flux magnétiques provenant du rotor et des bobinages eux-mêmes peut provoquer des tensions induites additionnelles et des courants de Foucault dans les bobinages de phase respectifs Des flux similaires affectent la partie terminale des bobinages de phase, c'est-à-dire la partie développante, située à l'extérieur des encoches C'est pour cette raison que les bobinages de phase des gros générateurs électriques sont toujours construits à partir de brins, par accumulation d'un grand nombre de brins relativement fins afin de minimiser les pertes par courants de Foucault Les flux ne sont toutefois pas uniformes et leur densité varie radialement La tension induite varie donc d'un brin à un autre, ce qui provoque des pertes excessives et un échauffement si l'on n'y remédie pas Pour améliorer cela, il est classique de transposer les brins de façon à annuler les tensions de brins non équilibrées Cela provoque une diminution des courant de circulation et de l'échauffement qui en résulte Le type de transposition le plus classique est celui décrit par Roebel dans le Brevet Américain N O 1 144 252. Les figures 1 à 3 montrent des configurations de demi-bobine de la technique antérieure Dans le stator d'un générateur électrodynamique de puissance, refroidi intérieurement par du gaz, les bobines sont faites de colonnes ou empilements de fils de cuivre ou brins et d'empilements de tubes de ventilation à travers lesquels on fait circuler un fuide de refroidissement tel que du gaz hydrogène La figure 1 montre une vue en coupe de la demi- bobine 10 d'un tel bobinage de stator refroidi intérieurement par du gaz Comme on peut le voir sur la figure 1, la demi-bobine 10 contient un seul empilement 12 de tubes 14 pour la circulation du fluide de refroidissement et des paires d'empilements de brins, respectivement 16, 18 et 20,22, placées de chaque côté de l'empilement 12 de tubes Chaque empilement de brins 16, 18, 20, 22 contient une pluralité de brins individuels 24, isolés électriquement les uns des autres et ayant une section sensiblement rectangulaire qui facilite l'empilement Dans une telle demi- bobine 10, il est classique de transposer l'empilement de brins 16 par rapport à l'empilement de brins 18 et de transposer l'empilement de brins 20 par rapport à l'empilement de brins 22 de façon à annuler autant que possible les déséquilibres de tensions qui seraient créés autrement entre brins dans les empilements respectifs. Certaines machines électrodynamiques nécessitent plus d'un empilement de tubes pour évacuer la chaleur de la demi-bobine du bobinage de stator Les figures 2 et 3 montrent une configuration de demi-bobine 26 qui a été utilisée dans le passé par la Société Westinghouse Electric Company pour les applications à empilement double de tubes. Comme on le voit sur la vue en coupe de la figure 2, la demi-bobine 26 contient un premier empilement 28 de tubes placé entre un premier empilement 30 de brins et un second empilement 32 de brins L'ensemble formé par le premier empilement 30 de brins, le premier empilement 28 de tubes et le second empilement 32 de brins est placé immédiatement adjacent à un second ensemble formé par le second empilement 34 de tubes, le troisième empilement 36 de brins et le quatrième empilement 38 de brins La figure 3 montre les transpositions 42 qui sont respectivement effectuées entre les premier et second empilements de brins 30, 32 et les troisième et quatrième empilements de brins 36 et 38. Comme on peut le voir sur la figure 3, ces transpositions sont effectuées autour des empilements de tubes 28, 34 respectifs, ce qui crée des espaces ou vides 40 importants entre les empilements de brins Les vides 40 sont en certains endroits aussi profonds que deux empilements et tendent à former un motif en chevron ouvert sur la longueur de la demi-bobine Pour supprimer les décharges par effet de couronne à l'intérieur de l'isolation de la bobine, il est nécessaire de remplir les vides 40 d'une matière diélectrique comme un feutre de Dacron O imprégné On peut facilement imaginer que cette procédure est un travail extrêmement long De plus, la perte relative de densité de la demi-bobine 26, due aux vides 40, nuit à la performance de la machine électrique. Pour former une bobine continue, les différentes demi-bobines du générateur ou du moteur électrodynamique sont reliées électriquement au niveau des parties terminales, c'est-à-dire développantes, des encoches. Jusqu'à présent, les extrémités des demi-bobines étaient séparées en des groupes spécifiques de brins qui étaient nettoyés, étamés, rassemblés en faisceaux dans des cosses et soudés dans des connecteurs séries pour minimiser la perte de puissance Cette procédure demandait également beaucoup de main-d'oeuvre, beaucoup de temps et était fastidieuse. Il est clair qu'il persiste un besoin non satisfait par la technique antérieure pour une configuration de demi- bobines à utiliser dans le stator d'une machine électrodynamique comme un générateur électrique qui contient plus d'un empilement de tubes de refroidissement, qui donne des densités de brins plus élevées avec moins de régions vides que ce qui a été fait à ce jour et dont l'installation soit moins laborieuse que celle des dispositifs connus à ce jour. Par conséquent, un objet de la présente invention est de proposer une configuration améliorée de demi-bobine destinée à un bobinage de stator dans une machine électrodynamique qui contient plus d'un empilement de tubes et qui donne un degré plus élevé de densité de brin avec moins de régions vides que cela n'a été possible jusqu'à ce jour. Un autre objet de la présente invention est de proposer une configuration améliorée de demi-bobine qui soit compatible avec une connexion d'extrémité améliorée, moins laborieuse à installer que les connexions précédemment connues. Un troisième objet de l'invention est de proposer une configuration de demi-bobine qui donne un accès plus facile aux brins pour comprimer ces brins dans la connexion d'extrémité. Pour atteindre ces objets, ainsi que d'autres, de la présente invention, un agencement d'empilements de tubes, destiné à une demi-bobine du type qui est adapté à la mise en place dans une encoche du stator d'une machine électrodynamique comme un moteur ou un générateur électrique, contient, selon un premier aspect de l'invention, au moins deux empilements de tubes, dont chacun contient une pluralité de tubes de ventilation empilés, aptes à faire circuler un fluide de refroidissement comme de l'hydrogène gazeux, les empilements de tubes étant positionnés adjacents l'un à l'autre, une première barre de Roebel sur un premier côté des empilements de tubes adjacents, cette première barre de Roebel incluant au moins deux empilements de brins qui sont transposés pour réduire les pertes de courant, et une seconde barre de Roebel sur le second côté des empilements de tubes adjacents, cette seconde barre de Roebel incluant également au moins deux empilements de brins qui sont transposés pour réduire les pertes de courant, de sorte que l'on peut utiliser l'effet de refroidissement de plus d'un empilement de tubes sans avoir les inconvénients qui sont associés à la transposition autour des empilements de tubes. Toujours selon la présente invention, une barre de Roebel destinée à une demi-bobine du type adapté à la mise en place dans une encoche d'un stator dans une machine électrodynamique comme un moteur ou un générateur électrique contient une partie formant noyau qui a des dimensions lui permettant de se loger dans une encoche du stator, une première partie développante qui est reliée axialement à la partie formant noyau, cette première partie développante étant adaptée pour être placée à l'extérieur de l'encoche de stator, à proximité de l'extrémité du stator de façon à pouvoir être reliée électriquement à un autre élément, une seconde partie développante qui est reliée axialement à la partie formant noyau au niveau de l'extrémité opposée à la première partie développante, cette seconde partie développante étant également adaptée pour être placée à l'extérieur de l'encoche de stator, adjacente à l'extrémité du stator de façon à être reliée électriquement à un autre élément, la barre de Roebel contenant une pluralité de brins conducteurs qui s'étendent pour former ladite partie formant noyau et lesdites première et seconde parties développantes, ces brins étant transposés les uns par rapport aux autres dans la partie formant noyau et dans au moins l'une des deux parties développantes afin de minimiser les pertes de puissance. Selon les modes de réalisation préférés, la configuration des brins de cette barre de Roebel peut donner une transposition totale de 7200, une transposition de 900 dans l'une au moins des deux parties développantes ou une transposition de 900 dans les deux parties développantes. Les parties développantes peuvent comprendre une partie courbe dans laquelle se produit la transposition. Les brins peuvent être associés en groupes avant la transposition pour permettre de transposer un plus grand nombre de brins dans une distance donnée Ces groupes de brins peuvent être formés dans les parties formant noyau. Ces groupes de brins peuvent être séparés en brins distincts après leur transposition Chaque groupe peut contenir deux brins Les brins peuvent être associés en groupes puis séparés en deux faisceaux distincts dans la partie formant noyau La transposition totale des brins dans la partie formant noyau peut être de 5400 et la transposition des groupes de brins associés peut être de 1800 dans chaque faisceau Les deux faisceaux de groupes de brins peuvent être positionnés au niveau des première et seconde extrémités opposées de la partie formant noyau. Les caractéristiques, objets et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée suivante, prise en conjonction avec les dessins annexés qui représentent un mode de réalisation préféré de l'invention et dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe d'une première configuration de demi-bobine de la technique antérieure; la figure 2 est une vue en coupe d'une seconde configuration de demi-bobine de la technique antérieure; la figure 3 est une vue de dessus, fragmentaire, de la configuration de demi-bobine de la technique antérieure représentée sur la figure 2; la figure 4 est une vue en perspective d'une demi- bobine construite conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 5 est une vue en coupe de la demi-bobine représentée à la figure 4; la figure 6 est une vue en perspective d'un connecteur construit conformément à un autre aspect de l'invention; la figure 7 est une représentation schématique qui montre un autre aspect d'une demi-bobine construite conformément à l'invention; les figures 8 A, 8 B et 8 C sont des représentations schématiques de la configuration de transposition totale d'une demi-bobine construite conformément à l'invention; la figure 9 est un schéma qui montre une première coupe prise selon la ligne 9-9 de la figure 8 A; la figure 10 est un schéma qui montre une seconde coupe prise selon la ligne 10-10 de la figure 8 A; la figure 11 est un schéma qui montre une troisième coupe prise selon la ligne 11-11 de la figure SA; la figure 12 est un schéma qui montre une quatrième coupe prise selon la ligne 12-12 de la figure 8 B; la figure 13 est un schéma qui montre une cinquième coupe prise selon la ligne 13-13 de la figure 8 C; et la figure 14 est un schéma qui montre une première vue de bout de la transposition qui a été représentée sur la figure 8 A. Les figures 1 à 3 ont déjà été décrites ci-dessus en référence à la description de la technique antérieure. Si l'on se rapporte maintenant aux figures 4 et 5, une demi-bobine 64 conforme à un mode préféré de réalisation de l'invention contient un agencement 44 amélioré d'empilement de tubes Dans l'agencement 44 amélioré d'empilements de tubes, un premier empilement 46 de tubes et un second empilement 48 de tubes, contenant chacun une pluralité de tubes de ventilation 50, sont placés adjacents l'un à l'autre Une première barre 52 de Roebel qui contient un premier empilement 54 de brins et un second empilement 56 de brins est placée sur un premier côté des empilements 46 et 48 adjacents de tubes Une seconde barre 58 de Roebel, qui contient un troisième empilement 60 de brins et un quatrième empilement 62 de brins, est placée sur le second côté des empilements 46, 48 adjacents de tubes, à l'opposé de la première barre de Roebel 52. Comme on peut le voir sur la figure 4, les brins du premier empilement 54 de brins sont transposés par rapport il à ceux du second empilement 56 de brins dans la première barre de Roebel, et les brins dans le troisième empilement de brins sont transposés par rapport à ceux dans le quatrième empilement 62 de brins dans la seconde barre 58 de Roebel Comme on peut le voir sur la figure 4, les transpositions entre les empilements respectifs de brins 54, 56 et 60, 62 n'impliquent pas de transposition autour des empilements de tubes 46 et 48 Par conséquent, la configuration d'empilements de tubes de la présente invention donne une densité de brins relativement élevée dans chaque barre de Roebel 52, 58 avec pratiquement aucun vide formé Par conséquent, la demi-bobine 64 n'a pas besoin que l'on y place un matériau diélectrique sur sa longueur dans le but d'empêcher les décharges par effet de couronne, contrairement aux configurations de la technique antérieure représentées sur les figures 2 et 3 Cela permet d'éliminer la nécessité d'avoir des matrices spéciales qui étaient précédemment requises pour découper le matériau diélectrique, découpage à l'emporte pièce qui était laborieux, ainsi que la mise en place individuelle des morceaux de feutre diélectrique A la place de cela, selon la présente invention, un matériau diélectrique comme une feuille de Dacrone est découpé en bandes normalisées et est mis en place facilement le long des demi-bobines avant que ces demi-bobines ne soient fixées dans les encoches du stator Un autre avantage inhérent à la position centrale des empilements 46 et 48 de tubes de ventilation est que les empilements 46 et 48 de tubes de ventilation sont moins susceptibles d'interférer avec le processus de connexion électrique des brins individuels au niveau de la partie développante du stator. En outre, la résistance mécanique combinée qui est impartie à la demibobine 64 par les deux empilements adjacents 46 et 48 de tubes aide à empêcher l'écrasement des tubes pendant le processus de tressage requis pour réaliser la transposition dans les barres de Roebel 52 et 58. Si l'on se rapporte maintenant à la figure 6, cette figure montre un connecteur série massif conforme à l'invention qui permet de relier électriquement les brins dans une première demi-bobine 68 aux brins d'une seconde demi-bobine 70 avec beaucoup moins d'effort que dans les connexions de la technique antérieure Dans le connecteur 66, les éléments de brins 72 qui correspondent à la première barre 52 de Roebel sont brasés à une cosse 82 conductrice qui comprime les extrémités des brins et cette cosse 82 est ensuite brasée à un élément conducteur 80 en cuivre L'élément conducteur 80 est à son tour brasé, dans une autre cosse conductrice, à un groupe correspondant de brins de la seconde demi- bobine 70 au niveau de sa deuxième extrémité, ou extrémité inférieure De façon semblable, un groupe de brins 74 qui correspond à la seconde barre de Roebel 58 de la première demi-bobine 68 est brasé à un élément conducteur 80 qui est à son tour brasé au niveau de son extrémité inférieure à un groupe correspondant de brins de la seconde demi-bobine 70 Les empilements 46 et 48 de tubes sont également visibles sur la figure 6. Les connecteurs séries 66 massifs représentés sur la figure 6 nécessitent beaucoup moins de travail pour être installés que les connecteurs séries de groupes de l'art antérieur Toutefois, en raison de l'élimination de la pluralité de connexions séries qui étaient utilisées dans les connecteurs de la technique antérieure, le connecteur série 66 massif conforme à l'invention est davantage susceptible de pertes de puissance provoquées par les courants de circulation et l'échauffement qui en résulte. Pour supprimer cet effet, la présente invention propose une configuration 84 améliorée de demi-bobine de Roebel qui est décrite dans les figures 7 à 14 des dessins. Si l'on se rapporte brièvement à la figure 7, une barre de Roebel d'une demi-bobine 84 contient une partie 86 formant noyau qui est dimensionnée pour être placée dans une encoche d'un stator et une première partie 88 développante qui prolonge la partie formant noyau 86 La première partie développante 88 est conçue pour être mise en place à l'extérieur de l'encoche de stator, adjacente à l'extrémité du stator, de façon à pouvoir être reliée électriquement à un autre élément, par exemple à une seconde demi-bobine, ou bien à un connecteur d'extrémité de phase La barre de Roebel 84 de la demi-bobine comporte en outre une seconde partie développante 90 qui prolonge la partie formant noyau 86 au niveau de l'extrémité de l'ensemble de stator opposée à la première partie développante 88 La seconde partie développante 90 est également conçue pour être mise en place à l'extérieur de l'encoche de stator, adjacente à une extrémité du stator opposée à la première partie développante 88 Les première et seconde parties développantes 88 et 90 incluent respectivement des première et seconde parties en forme d'arc 92 et 94 dans lesquelles les empilements de brins sont transposés pour annuler les tensions de brins non équilibrées dans les régions développantes Les parties développantes 88 et 90 contiennent aussi respectivement des première et seconde extrémités de connecteur 96 et 98 qui sont aptes à être reliées à une autre demi-bobine ou à un autre élément électrique. Les figures 8 A à 8 C représentent schématiquement la configuration de transposition de chaque barre de Roebel dans la demi-bobine construite conformément au mode de réalisation préféré de l'invention Selon un premier aspect important de l'invention, chaque brin dans une de ces barres de Roebel est configuré pour donner une transposition totale de 7200 Celle-ci comprend une transposition de 90 dans la première partie développante 88, une transposition de 5400 dans la partie formant noyau 86 et une transposition de 900 dans la seconde partie développante 90. Selon un premier aspect important de l'invention, les brins individuels, numérotés de 1 à 44 dans les figures 8 A à 8 C, sont associés en groupes pour une première transposition combinée et une seconde transposition combinée, comme indiqué sur les figures 8 A à 8 C La première transposition combinée se produit dans les premiers 1800 de la partie formant noyau 86 représentée à la figure 8 A, et la seconde transposition combinée se produit dans les derniers 1800 de la partie formant noyau 86 représentée sur la figure 8 C Dans le mode de réalisation représenté, on verra que les groupes dans lesquels sont associés les brins contiennent chacun deux brins Le but des première et seconde transpositions combinées est de permettre d'avoir une transposition de 7200 dans un espace limité se trouvant à l'intérieur de la partie de l'encoche de stator qui est assignée à chaque barre de Roebel. Les figures 9 à 13 montrent schématiquement la position des brins respectifs, numérotés de 1 à 44 dans les figures 8 A à 8 C, pour différentes étapes de la transposition de 7200 La figure 14 montre une vue de bout d'une barre de Roebel dans son ensemble, prise depuis l'extrémité de la transposition représentée sur la figure 8 A. La configuration de Roebel à 7200 de la présente invention diminue les pertes de puissance et l'échauffement par rapport aux configurations de la technique antérieure. Cette efficacité augmentée permet d'utiliser des connecteurs séries 66 massifs sans diminuer l'efficacité de la bobine par rapport aux conceptions de la technique antérieure, tout en conservant les économies substantielles de travail qu'offrent les connecteurs séries massifs 66 La configuration de Roebel de l'invention est particulièrement bien adaptée pour une utilisation dans les noyaux courts en raison de la transposition des deux brins dans la moitié du noyau La transposition combinée permet d'utiliser un plus grand nombre de brins, ce qui augmente encore davantage l'efficacité du dispositif. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Barre de Roebel pour une demi-bobine du type qui est adapté à une mise en place dans une encoche d'un stator d'une machine électrodynamique comme un moteur ou un générateur électrique, caractérisée en ce qu'une partie formant noyau ( 86) est dimensionnée pour être logée dans une encoche du stator, une première partie développante ( 88) est reliée axialement à ladite partie formant noyau, ladite première partie développante étant apte à être mise en place à l'extérieur de l'encoche de stator, adjacente à l'extrémité du stator, pour pouvoir être reliée électriquement à un autre élément, une seconde partie développante ( 90) est reliée axialement à ladite partie formant noyau au niveau de l'extrémité opposée à ladite première partie développante, ladite seconde partie développante étant également apte à être positionnée à l'extérieur de l'encoche de stator, adjacente à l'extrémité du stator, pour pouvoir être reliée électriquement à un autre élément, ladite barre de Roebel contenant une pluralité de brins conducteurs qui s'étendent pour former ladite partie formant noyau et lesdites première et seconde parties développantes, lesdits brins étant transposés les uns par rapport aux autres dans ladite partie formant noyau et dans au moins l'une desdites première et seconde parties développantes afin de minimiser les pertes de puissance. 2 Barre de Roebel selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun desdits brins est configuré pour donner une transposition totale de 7200. 3 Barre de Roebel selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que chaque brin est configuré pour donner une transposition de 900 dans une au moins desdites première et seconde partie développantes. 4 Barre de Roebel selon la revendication 3, caractérisée en ce que chaque brin est configuré pour donner une transposition de 900 dans chacune desdites parties développantes. Barre de Roebel selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites première et seconde parties développantes comprennent une partie ( 92, 94) en forme d'arc dans laquelle se produit la transposition. 6 Barre de Roebel selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits brins sont combinés en groupes avant la transposition, ce qui permet de transposer dans une distance donnée un plus grand nombre de brins. 7 Barre de Roebel selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits brins sont combinés en des groupes de brins dans ladite partie formant noyau. 8 Barre de Roebel selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits groupes de brins sont séparés en des brins individuels après transposition. 9 Barre de Roebel selon la revendication 6, caractérisée en ce que chacun desdits groupes contient deux brins. Barre de Roebel selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits brins sont combinés en groupes et séparés ensuite en deux faisceaux séparés dans ladite partie formant noyau ( 86). 11 Barre de Roebel selon la revendication 10, caractérisée en ce que la transposition totale desdits brins est de 5400 dans ladite partie formant noyau ( 86) et que lesdits groupes de brins combinés sont transposés pour une période de 1800 dans chaque faisceau. 12 Barre de Roebel selon la revendication 10, caractérisée en ce que les deux faisceaux de groupes de brins sont positionnés au niveau des première et seconde extrémités opposées de ladite partie formant noyau ( 86).