Brevet FR2762723A1 — publié le 19981030

Grand moteur synchrone à régime variable L'invention concerne un moteur synchrone qui est alimenté par un redresseur de courant et dont on peut donc faire varier le régime, qui comporte un régime maximum de plus de 4000 mi n-1 à une charge nominale d'au moins 10 MW, qui est constitué d'une machine principale et d'une excitatrice qui sont cloisonnées par rapport à l'extérieur au moyen d'un capot de machine, le circuit de refroidissement de l'excitatrice étant intégré au circuit de refroidissement de la machine principale et le rotor de la machine principale étant monté sur le même axe que le rotor de l'excitatrice et l'arbre, portant le rotor de la machine principale et le rotor de l'excitatrice, étant monté dans au moins deux paliers. Pour entraîner des pompes et des compresseurs puissants, comme des pompes d'alimentation de chaudières pour des centrales électriques et des compresseurs de gaz pour des pipelines de gaz, on utilise depuis peu des moteurs synchrones qui sont alimentés par redresseur de courant et dont on peut donc faire varier le régime. La puissance d'entraînement de ces moteurs est supérieure à 10 MW à des régimes maximum d'environ 4000 à 6500 min-1, pour un domaine de réglage de régime en fonctionnement d'environ 0,6:1. Le domaine de réglage de régime limité tient compte en l'occurrence de points de résonance qui, en raison des dimensions de la machine, apparaissent dans le domaine inférieur et dans le domaine supérieur de régime et qui ne peuvent pas être maîtrisés comme régime de fonctionnement dans le montage habituellement utilisé de l'arbre de rotor par des paliers à plateaux ou des chaises-paliers ("Energie und Automation", 1987, Cahier 9, pages 32 à 41). Une caractéristique de la construction de machines de ce genre est que la machine principale et l'excitatrice sont munies chacune d'un capot propre de machine et que les trois paliers de l'arbre de rotor sont montés à l'extérieur des capots de machine et donc accessibles à des fins d'entretien; une caractéristique supplémentaire est que le refroidissement de l'excitatrice est intégré au circuit de refroidissement de la machine principale réalisé par exemple en refroidissement à circulation d'air. Les deux capots de machine sont à cet effet reliés l'un à l'autre du point de vue de la technique de refroidissement. Pour monter des pièces tournant à assez grande vitesse de rotation dans le domaine des technologies de pointe, comme l'usinage réel à grande vitesse dans des machines-outils, le fonctionnement de compresseurs et de pompes puissants, la technique nucléaire ou les transports, il est déjà connu de monter des rotors en tirant partie de forces magnétiques et d'utiliser à cet effet des paliers magnétiques passifs ou actifs, les paliers magnétiques actifs permettant de régler les forces de sustentation ("Elektrie", 1988, cahier 10, pages 365 à 370). Il a été en l'occurrence déjà proposé de monter l'arbre de rotor d'un compresseur ou d'une turbine, dans la mesure où il a une grande longueur, par trois paliers électromagnétiques radiaux régulés et un palier électromagnétique axial, le deuxiéme palier radial étant monté au milieu des deux paliers radiaux situés aux extrémités et donc au milieu du rotor et de l'arbre de rotor (DE 26 58 687 Al). Bien qu'il soit connu d'utiliser des paliers magnétiques pour de petits moteurs électriques à haut régime (DE 25 15 608 Al), il n'est pas usuel, considérant les coûts élevés de paliers de ce genre, de les utiliser aussi pour monter des rotors de grandes machines électriques. L'invention vise, à partir d'un grand moteur synchrone du genre mentionné au début du présent mémoire, à augmenter le domaine de réglage de régime par une modification de la structure mécanique et de construction du moteur. Suivant l'invention, on y parvient par le fait que les paliers sont réalisés en paliers magnétiques actifs et montés à l'intérieur du capot de machine, commun à la machine principale et à l'excitatrice, et en ce que les paliers magnétiques sont intégrés aux circuits de refroidissement de la machine principale et de l'excitatrice en technique de ventilation. Dans un mode de réalisation de ce genre du moteur synchrone, la distance axiale entre les deux paliers du rotor de la machine principale et, éventuellement aussi, entre le rotor de l'excitatrice et le palier magnétique extérieur et donc la longueur totale de l'arbre de rotor peuvent être considérablement réduites. Cela permet, d'une part, une augmentation du régime nmax maximum du moteur synchrone, et, d'autre part, en raison de la possibilité de régler les paliers magnétiques, une augmentation du domaine de réglage du régime jusqu'à des régimes inférieurs à de petits régimes, et cela sans zone d'exclusion entre n = O et nmax. Le montage des paliers magnétiques à l'intérieur d'un capot de machine commun à la machine principale et à l'excitatrice est possible, car des paliers magnétiques ne nécessitent pas de lubrifiants, et ils nécessitent ainsi une dépense considérablement inférieure à des chaises-paliers mécaniques ainsi qu'un refroidissement sensiblement plus simple, à savoir seulement un refroidissement par air. Mais, dans ce cas, on doit assurer, par un guidage adéquat de l'air de refroidissement, un refroidissement convenable des paliers magnétiques. L'intégration en technique de ventilation des paliers magnétiques aux circuits de refroidissement de la machine principale et de l'excitatrice peut être avantageusement réalisée par le fait que la zone se trouvant au dessous du capot de machine commun est subdivisée en technique de ventilation en chambres sous pressions d'air différentes, le stator de la machine principale et les paliers magnétiques associés au rotor de la machine principale ainsi que l'excitatrice formant des zones de délimitation perméables à l'air entre les chambres sous pressions d'air différentes. On obtient en l'occurrence le mode de réalisation des paliers magnétiques en zones de délimitation perméables à l'air entre des chambres sous pressions d'air différentes, par le fait que les chambres sous pressions d'air différentes sont formées par des parois de séparation qui s'étendent perpendiculairement à l'axe de rotor sur les paliers magnétiques associés au rotor de la machine principale et qui sont rendues étanches par rapport au bâti d'ensemble, au boîtier des paliers magnétiques et au stator de la machine principale, et par le fait que la zone de délimitation formée par l'excitatrice communique, par l'intermédiaire d'un canal d'air ménagé dans le bâtit d'ensemble du moteur synchrone, avec la chambre se trouvant entre les deux paliers magnétiques du rotor de la machine principale. Suivant le type de ventilation du moteur synchrone - ventilation de l'extérieure ou ventilation propre - les ventilateurs sont insérés de part et d'autre du stator de la machine principale dans les parois de séparation ou entre le rotor de la machine principale et les paliers magnétiques associés à ce rotor. Suivant un perfectionnement de l'invention, en cas de moteur synchrone ventilé de l'extérieur, les ventilateurs sont insérés dans les parois de séparation de part et d'autre du stator de la machine principale. Suivant un perfectionnement de l'invention, en cas de moteur synchrone à ventilation propre, les ventilateurs sont montés entre le rotor de la machine principale et les paliers magnétiques associés à ce rotor. Suivant un perfectionnement avantageux, en cas de moteur synchrone ventilé par courant d'air, I'alimentation en air de refroidissement est raccordée à la chambre située entre le rotor de la machine principale et les paliers magnétiques qui y sont associés. Pour assurer la répartition d'air correspondant aux besoins d'air de refroidissement à l'intérieur du moteur, on monte de plus en technique de ventilation un élément d'étranglement en série avec chaque palier magnétique et avec l'excitatrice. Dans des moteurs synchrones de grande puissance, il pourrait être avantageux de ne pas monter flottant le rotor de l'excitatrice (comme cela est connu en soi), mais de lui associer un troisième palier propre. II peut s'agir, dans le cas le plus simple, - par exemple pour des raisons de coût - d'un palier mécanique, donc par exemple d'un palier lisse, mais notamment aussi d'un palier à roulements à dispositif anti-vibratoire extérieur. Mais on peut utiliser éventuellement aussi à cet effet, un palier magnétique commandé. Suivant un mode de réalisation de l'invention, le moteur synchrone est un moteur synchrone à trois paliers, dont celui du milieu est monté entre le rotor de la machine principale et le rotor de l'excitatrice, et le troisième palier est réalisé également en paliers magnétiques, montés sur la face extérieure de l'excitatrice et intégrés à la zone de délimitation perméable à l'air. Suivant un perfectionnement de l'invention, au moins un élément d'étranglement est monté en technique de ventilation en série aussi avec le troisième palier magnétique. Suivant un perfectionnement de l'invention, dans un moteur synchrone comportant trois paliers, dont le palier du milieu est monté entre le rotor de la machine principale et le rotor de l'excitatrice, le troisième palier est monté sur la face extérieure de l'excitatrice et réalisé en palier à roulements. Un exemple de réalisation d'un moteur synchrone modifié suivant l'invention est représenté à la figure. Ce qui est représenté s'inspire de la figure 8 à la page 37 de l'ouvrage de la littérature "Energie und Automation", 1987. La figure représente un moteur synchrone qui est alimenté par un redresseur de courant et dont on peut donc faire varier le régime, qui est monté sur un bâti d'ensemble et qui est recouvert d'un capot 2 de machine. Le moteur synchrone est constitué de la machine 3 principale comportant le stator 31 et le rotor 32, de l'excitatrice 4 comportant le stator 41 et le rotor 42, et du redresseur 51 de courant monté sur l'arbre 5 rotorique. L'arbre 5 rotorique passe à travers le capot 2 de machine. Les deux rotors 32 et 42 sont soutenus au moyen de l'arbre 5 rotorique dans les chaises 60, 61 paliers, ces chaises paliers étant réalisées en paliers magnétiques actifs. Les stators des paliers 60 et 61 magnétiques sont munis de parois 63 et 64 de séparation qui s'étendent d'abord perpendiculairement à l'axe de l'arbre 5 rotorique jusqu'au bâti 1 d'ensemble et jusqu'au capot 2 de machine et verticalement jusqu'au dessus du boîtier 33 de stator et qui deviennent des parties 34, 35 de parois s'étendant axialement et en inclinaison. Des parties de l'espace, qui servent à guider le courant d'air de refroidissement, sont délimitées au moyen de ces parois et de parties de parois qui peuvent faire partie du capot 2 de machine et qui sont rendues étanches, par rapport au boîtier du palier magnétique associé au bâti 1 d'ensemble et au boîtier 3 de stator. A cet effet, il est inséré dans les parties 34 de paroi associées aux parois de séparation des ventilateurs 68 qui sont alimentés, par des dispositifs de refroidissement 69 situés au dessus du stator 31, en air froid envoyé dans la chambre comprise entre le stator 31 et le rotor 32, d'une part, et, dans les parois 63 et 64 de séparation, d'autre part. On obtient ainsi des courants d'air froid, tels qu'ils sont indiqués par les flèches dessinées. Pour refroidir efficacement l'excitatrice 4, il est prévu en l'occurrence d'envoyer au stator 41, d'une manière qui n'est pas représentée plus en détails, par l'intermédiaire du bâti 1 d'ensemble, une partie du courant d'air de refroidissement provenant de la zone entre le stator 31 et le rotor 32, d'une part, et la paroi 64 de séparation, d'autre part. Pour refroidir le palier 62 magnétique, ce palier est raccordé par une paroi 65 longitudinale et une paroi 66 de séparation à la chambre 67 d'air de refroidissement de l'excitatrice 4 délimitée par des parois, si bien qu'une partie de l'air de refroidissement passant dans l'excitatrice doit passer aussi dans le palier 62 magnétique. Outre les paliers 60, 61 et 62 magnétiques, il est monté de plus des paliers 70, 71 et 72 mécaniques de fonctionnement auxiliaire qui exercent en même temps une fonction d'étranglement du point de vue de la technique de ventilation. Des éléments d'étranglement supplémentaires servant à subdiviser le courant d'air sont réalisés en forme d'écrans perforés raccordés aux paliers 60, 61 et 62 magnétiques et à l'excitatrice 4 à l'aide de tubulures 73, 74, 75 et 76 de guidage de l'air. L'association de paliers magnétiques et de paliers de fonctionnement auxiliaires peut s'effectuer, à des fins d'optimisation du système, aussi de telle manière que le palier de fonctionnement auxiliaire associé se trouve entre le palier magnétique et le rotor. Le palier de fonctionnement auxiliaire ne peut alors pas exercer de fonction d'étranglement. Le mode de réalisation décrit d'un moteur synchrone peut être utilisé aussi pour une génératrice synchrone. REVENDICATIONS 1. Moteur synchrone qui est alimenté par redresseur de courant et dont on peut donc faire varier le régime, qui a un régime maximum de plus de 4000 min-1 pour une charge nominale d'au moins 10 MW, qui est constitué d'une machine principale et d'une excitatrice qui sont cloisonnées par rapport à l'extérieur au moyen d'un capot de machine, le circuit de refroidissement de l'excitatrice étant intégré au circuit de refroidissement de la machine principale et le rotor de la machine principale étant monté sur le même axe que le rotor de l'excitatrice et l'arbre portant le rotor de la machine principale et le rotor de l'excitatrice étant montés dans au moins deux paliers, caractérisé en ce que les paliers (60, 61, 62) sont réalisés en paliers magnétiques actifs et montés à l'intérieur du capot (2) de machine commun à la machine (3) principale et à l'excitatrice (4) et en ce que les paliers (60, 61, 62) magnétiques sont intégrés en technique de ventilation aux circuits de refroidissement de la machine principale et de l'excitatrice. 2. Moteur synchrone suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la zone se trouvant en dessous du capot (2) de machine commun est subdivisée en technique de ventilation en chambres sous pressions d'air différentes, le stator (31) de la machine principale et les paliers (60, 61) magnétiques associés au rotor (32) de la machine principale ainsi que l'excitatrice (4) formant des zones de délimitation perméables à l'air entre les chambres sous pressions d'air différentes. 3. Moteur synchrone suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les chambres sous pressions d'air différentes sont formées par des parois (63, 64, 65, 66; 34, 35) de séparation qui s'étendent perpendiculairement à l'axe rotorique sur les paliers (60, 61) magnétiques associés au rotor (32) de la machine (3) principale et qui sont rendues étanches au bâti (1) d'ensemble, aux boîtiers des paliers magnétiques et au stator (31) de la machine principale et en ce que la zone de délimitation formée par l'excitatrice (4) communique, par l'intermédiaire d'un canal d'air ménagé dans le bâti (1) d'ensemble du moteur synchrone, avec la zone se trouvant entre les deux paliers (60, 61) magnétiques du rotor de la machine principale. 4. Moteur synchrone suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, pour un moteur synchrone ventilé de l'extérieur, les ventilateurs (68) sont insérés de part et d'autre du stator (31) de la machine principale dans les parois (63, 64; 34, 35) de séparation. 5. Moteur synchrone suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, pour des moteurs synchrones à ventilation propre, les ventilateurs sont montés entre le rotor de la machine principale et les paliers magnétiques associés à ce rotor. 6. Moteur synchrone suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, pour un moteur synchrone à ventilation par courant d'air, I'alimentation en air de refroidissement est raccordée à la zone comprise entre le rotor de la machine principale et les paliers magnétiques associés. 7. Moteur synchrone suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins un élément (73, 74, 75) d'étranglement est monté en technique de ventilation en série avec les paliers (60, 61) magnétiques. 8. Moteur synchrone suivant l'une des revendications 2 à 7, comportant trois paliers dont le palier du milieu est monté entre le rotor de la machine principale et le rotor de l'excitatrice, caractérisé en ce que le troisième palier est réalisé également au palier (62) magnétique, et monté sur la face extérieure de l'excitatrice (4) et est intégré à la zone de délimitation perméable à l'air. 9. Moteur synchrone suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'au moins un élément (76) d'étranglement est monté en technique de ventilation en série aussi avec le troisième palier (62) magnétique. 10. Moteur synchrone suivant l'une des revendications 2 à 7, comportant trois paliers dont le palier du milieu est monté entre le rotor de la machine principale et le rotor de l'excitatrice, caractérisé en ce que le troisième palier est monté sur la face extérieure de l'excitatrice (4) et est réalisé en palier à roulements.