Brevet FR2908563A1 — publié le 20080516

La présente invention concerne une machine tournante, du type comportant: - un inducteur comportant un bobinage supraconducteur, - un induit comportant, d'une part, un anneau magnétique disposé coaxialement à l'inducteur et délimitant avec l'inducteur un entrefer annulaire et, d'autre part, des enroulements constitués de conducteurs disposés à l'intérieur de l'entrefer, les enroulements définissant des spires successives, chaque spire présentant aux extrémités de l'induit des frontales constituées de régions de rebroussement du conducteur constituant les enroulements, De nos jours, les moteurs électriques de forte puissance de type synchrone mettent en oeuvre un inducteur comprenant des électroaimants constitués de fils supraconducteurs fonctionnant à la température de l'azote ou de l'hélium liquide. L'induit comporte plusieurs enroulements, et notamment trois enroulements décalés spatialement, de manière à créer un champ magnétique tournant lorsque les trois enroulements sont alimentés par trois phases d'un courant alternatif, les trois phases étant déphasées temporellement. L'utilisation de fils supraconducteurs permet d'obtenir un rotor très puissant, ce qui rend possible une alimentation avec un courant alternatif de très forte intensité au travers des enroulements de l'inducteur. Or, la puissance volumique de tels moteurs est limitée par la densité de courant admissible dans les enroulements de l'induit, ce qui empêche de bénéficier pleinement des avantages résultant du recours à des enroule- ments supraconducteurs sur l'inducteur. L'invention a pour but de proposer une machine tournante de type synchrone à inducteur supraconducteur ayant une puissance volumique élevée. A cet effet, l'invention a pour objet une machine tournante synchrone du type précité, caractérisée en ce que les enroulements s'étendent sur toute la surface intérieure de l'entrefer annulaire, et les frontales sont disposées au moins sur 50 % de leur longueur, mesurée suivant l'axe de l'induit, 2908563 2 dans l'entrefer annulaire et dans l'encombrement axial de l'anneau magnétique. Suivant des modes particuliers de réalisation, la machine comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 5 - les frontales sont disposées au moins sur 90 % de leur longueur mesurée suivant l'axe de l'induit dans l'entrefer annulaire et dans l'encombrement axial de l'anneau magnétique ; - les frontales sont disposées au moins sur 100 % de leur longueur mesurée suivant l'axe de l'induit dans l'entrefer annulaire et dans l'encombrement axial de l'anneau magnétique ; - les enroulements sont ondulés, chaque conducteur étant bobiné suivant la circonférence de l'anneau magnétique dans un sens déterminé en cheminant alternativement d'une extrémité à l'autre de l'anneau magnétique ; 15 - les conducteurs définissent d'une extrémité à l'autre de l'anneau magnétique des sections d'hélice dépourvues de tronçons s'étendant suivant la direction de l'axe de la machine tournante ; - chaque section d'hélice est inclinée par rapport à l'axe de la ma-chine tournante d'un angle constant suivant la longueur de l'induit ; 20 - l'anneau magnétique comporte un réseau de circulation d'un fluide de refroidissement et des moyens de mise en circulation forcée du fluide dans ledit réseau ; - l'anneau magnétique est dépourvu de dents faisant saillie radiale-ment entre les conducteurs des enroulements ; et 25 - l'inducteur est un rotor de la machine et l'induit est un stator de la machine. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une machine tournante caractérisé en ce qu'il comporte, pour la fabrication de l'induit, la mise en rotation d'un anneau magnétique autour de son axe et le 30 dévidage d'un conducteur sur l'anneau magnétique depuis une navette de distribution circulant alternativement d'une extrémité à l'autre de l'anneau magnétique, lors de la rotation de l'anneau magnétique. 2908563 3 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une machine tour- 5 nante synchrone selon l'invention ; - la figure 2 est une vue développée schématique du bobinage du stator de la machine de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en perspective illustrant la réalisation du bobinage de la figure 2 ; et 10 - la figure 4 est une vue identique à celle de la figure 1 d'une variante de réalisation d'une machine tournante synchrone selon l'invention. La machine tournante 10 illustrée sur la figure 1 est destinée à constituer un moteur électrique de forte puissance, par exemple pour la propulsion d'un navire. 15 La machine 10 comporte un inducteur 12, ici le rotor, monté rotatif autour d'un axe X-X et un induit 14, ici le stator, entourant l'inducteur 12. L'inducteur et l'induit sont disposés coaxialement l'un autour de l'autre. L'inducteur 12 comporte des électroaimants 15 comprenant des bobinages supraconducteurs 16 alimentés par un courant continu comme connu 20 en soi. L'inducteur 12 comporte en outre des moyens de maintien à basse température des conducteurs supraconducteurs. L'induit 14 comprend un anneau magnétique 18 formé d'un empile-ment de tôles magnétiques. Un entrefer annulaire 20 est délimité entre la surface intérieure de l'anneau magnétique 18 et la surface externe de 25 l'inducteur 12. Des enroulements 22 propres à créer un champ tournant sont disposés dans l'entrefer 20. Ces enroulements sont portés par la surface interne de l'anneau magnétique 18 et constituent les enroulements de l'induit 14. Les enroulements sont formés de conducteurs non supraconducteurs, 30 et notamment de conducteurs de cuivre isolés. Les enroulements 22 recouvrent avantageusement toute la surface interne de l'anneau magnétique 18. De préférence, l'anneau est dépourvu de toute dent magnétique engagée entre les conducteurs des enroulements. 2908563 4 Un exemple de bobinage constitué de ces enroulements est illustré sur la figure 2. Ce bobinage est constitué de trois enroulements identiques permettant une alimentation triphasée et définissant quatre pôles successifs. Le bobinage est formé de préférence d'enroulements ondulés, c'est- 5 à-dire que les conducteurs constituant chaque enroulement sont enroulés autour de l'axe de l'induit dans un sens déterminé en cheminant d'une extrémité à l'autre de l'induit. Ainsi, chaque conducteur décrit sur la surface interne de l'induit un chemin en boustrophédon ou en zigzag. 10 Dans l'exemple considéré, chaque conducteur s'étend sur six tours successifs de l'induit dans un sens déterminé en étant, à chaque tour, très légèrement décalé par rapport au tour précédent. De même, un même conducteur est enroulé à la périphérie intérieure de l'induit suivant un même nombre de tours en étant décalé d'un pas polaire. Les conducteurs ainsi en- 15 roulés définissent quatre groupes de spires successifs formant les quatre pôles. Chaque groupe de spires comporte six spires. Le même motif est reproduit pour chacune des trois phases, les conducteurs étant décalés angulairement suivant la périphérie de l'induit pour chaque phase. De préférence, les tronçons des enroulements formés d'une extrémité 20 axiale à l'autre de l'induit constituent des sections d'hélice formant un angle par exemple d'environ 45 avec l'axe de rotation de l'inducteur. De préférence, les sections d'hélice sont dépourvues de tout tronçon rectiligne s'étendant parallèlement à l'axe de l'inducteur. De préférence, en tout point, les sections d'hélice sont d'inclinaison constante par rapport à l'axe de 25 l'inducteur. Ainsi, chaque pôle est formé globalement par des conducteurs délimitant un losange. Avantageusement, les enroulements sont contenus totalement dans l'encombrement axial de l'anneau magnétique, c'est-à-dire dans l'intervalle séparant les deux extrémités axiales de l'anneau magnétique. 30 Plus généralement, et selon l'invention, les frontales 23 formées des portions de rebroussement des conducteurs formant les enroulements sont disposées pour au moins 50 % de leur longueur dans l'encombrement axial de l'anneau magnétique 18 et dans l'entrefer annulaire 20. La longueur des 2908563 5 frontales 23 est mesurée suivant l'axe de l'inducteur. De préférence, cette proportion est supérieure à 90 % et notamment proche de 100%. De manière générale, on entend par frontales les portions de rebroussement des enroulements qui s'étendent suivant une direction ayant 5 une composante non nulle suivant la périphérie de l'induit et qui sont pré-sentes dans une même moitié de la longueur de l'induit. Avantageusement, les enroulements sont formés par l'association des frontales opposées. Le fait que les frontales soient sur l'essentiel de leur étendue en 10 contact avec l'anneau magnétique 18 permet une évacuation facilitée de la chaleur produite dans les bobinages au travers de l'anneau magnétique et donc permet la circulation d'un courant d'intensité élevée dans les bobinages. La machine tournante comporte, dans le mode de réalisation illustré à 15 la figure 1, un chemisage extérieur 24 délimitant un réseau 26 de circulation d'un fluide de refroidissement tel que de l'eau. Ce chemisage 24 s'étend suivant toute la périphérie de l'anneau magnétique 18. Il comporte une tubulure d'entrée 28 à une extrémité et une tubulure de sortie 30 à l'extrémité opposée, une pompe 32 assurant une mise en circulation depuis l'entrée vers la 20 sortie du liquide de refroidissement dans le circuit 26. On comprend qu'avec un tel agencement, un refroidissement homo-gène optimal par conduction des enroulements 22 peut être obtenu à partir du refroidissement par liquide de l'anneau magnétique 18. En effet, l'essentiel des conducteurs des enroulements 22 est au contact de l'anneau ma- 25 gnétique 18. Ainsi, la densité de courant admissible par les enroulements 22 peut être considérablement augmentée par rapport à un moteur dans lequel les frontales sont en saillie par rapport aux extrémités de l'anneau magnétique de l'induit et sont donc plus mal refroidies. Ainsi, dans une telle machine tournante, même si la surface des spi- 30 res des enroulements définis par les conducteurs est inférieure à la surface pouvant être obtenue avec des spires dont les frontales sont disposées en dehors de l'anneau magnétique, le refroidissement satisfaisant des conduc- 2908563 6 teurs permet de faire circuler une densité de courant très importante dans les conducteurs, ce qui compense la perte de surface des enroulements. L'augmentation de la densité de courant pouvant circuler permet de tirer profit de l'inducteur à conducteurs supraconducteurs. 5 Pour la fabrication d'un tel bobinage, et comme illustré sur la figure 3, une navette 40 est déplacée en translation parallèlement à l'axe de l'anneau magnétique 18 alors que ce dernier est déplacé en rotation autour de son axe. Lors de la rotation de l'anneau magnétique, le fil est progressivement dévidé alors que la navette 40 circule alternativement d'une extrémité à l'au- 10 tre de l'induit. Sur la figure 4 est représentée une variante de réalisation d'une ma-chine tournante selon l'invention. Comme précédemment, celle-ci comporte des moyens de refroidissement qui, dans ce mode de réalisation, sont formés par des tubulures 50 traversant longitudinalement de part en part l'an- 15 neau magnétique 18. Ces tubulures 50 sont reliées entre elles pour former un réseau de mise en circulation d'un fluide de refroidissement et elles sont reliées à une pompe 52 assurant la mise en circulation du fluide. Comme précédemment, un refroidissement satisfaisant des enroulements est obtenu, permettant une forte densité de courant dans l'induit et 20 donc une puissance volumique élevée grâce à une utilisation optimisée de l'inducteur à conducteurs supraconducteurs. En variante, l'induit est disposé à l'intérieur de l'inducteur. Encore en variante, l'inducteur est fixe et forme le stator alors que l'induit est mobile et forme le rotor. REVENDICATIONS 1.- Machine tournante (10) comportant : - un inducteur (12) comportant un bobinage supraconducteur (16), - un induit (14) comportant, d'une part, un anneau magnétique (18) disposé coaxialement à l'inducteur (12) et délimitant avec l'inducteur (12) un entrefer annulaire (20) et, d'autre part, des enroulements (22) constitués de conducteurs disposés à l'intérieur de l'entrefer (20), les enroulements (22) définissant des spires successives, chaque spire présentant aux extrémités de l'induit (14) des frontales (23) constituées de régions de rebroussement du conducteur constituant les enroulements, caractérisée en ce que les enroulements (22) s'étendent sur toute la surface intérieure de l'entrefer annulaire (20), et les frontales (23) sont disposées au moins sur 50 % de leur longueur, mesurée suivant l'axe de l'induit (14), dans l'entrefer annulaire (20) et dans l'encombrement axial de l'anneau magnéti- que (18). 2.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les frontales (23) sont disposées au moins sur 90 % de leur longueur mesurée suivant l'axe de l'induit (14) dans l'entrefer annulaire (20) et dans l'encombrement axial de l'anneau magnétique (18). 3.- Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les frontales (23) sont disposées au moins sur 100 % de leur longueur mesurée suivant l'axe de l'induit (14) dans l'entrefer annulaire (20) et dans l'encombrement axial de l'anneau magnétique (18). 4. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les enroulements (22) sont ondulés, chaque conducteur étant bobiné suivant la circonférence de l'anneau magnétique (18) dans un sens déterminé en cheminant alternativement d'une extrémité à l'autre de l'anneau magnétique (18). 5.- Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que les conducteurs définissent d'une extrémité à l'autre de l'anneau magnétique (18) des sections d'hélice dépourvues de tronçons s'étendant suivant la di-rection de l'axe de la machine tournante. 2908563 8 6.- Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque section d'hélice est inclinée par rapport à l'axe de la machine tournante d'un angle constant suivant la longueur de l'induit (14). 7.- Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisée en ce que l'anneau magnétique (18) comporte un réseau (26) de circulation d'un fluide de refroidissement et des moyens (32, 52) de mise en circulation forcée du fluide dans ledit réseau (26). 8.- Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'anneau magnétique (18) est dépourvu de dents fai-10 sant saillie radialement entre les conducteurs des enroulements (22). 9.- Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'inducteur est un rotor (12) de la machine et l'induit est un stator (14) de la machine. 10.- Procédé de fabrication d'une machine tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, pour la fabrication de l'induit (14), la mise en rotation d'un anneau magnétique (18) autour de son axe et le dévidage d'un conducteur sur l'anneau magnétique (18) depuis une navette (40) de distribution circulant alternative-ment d'une extrémité à l'autre de l'anneau magnétique, lors de la rotation de 20 l'anneau magnétique (18).