Machine électrique Dans la conception des grandes génératrices de courant alternatif, on est guidé par trois facteurs es sentiels qui retiennent particulièrement l'attention des constructeurs et des usagers, à savoir le refroidisse ment, le rendement, l'encombrement.
L'accroissement rapide de la puissance unitaire au cours de ces dernières années a pu être réalisé grâce à la fois à des artifices de construction, à l'amé lioration de la qualité de certains matériaux, et à la pratique du refroidissement direct des bobinages, qui permet une utilisation toujours plus poussée des ma tériaux, laquelle aura pour conséquence une diminu tion du rendement pour des puissances encore ac crues.
Les difficultés inhérentes aux trois facteurs ci- dessus mentionnés et en relation avec les puissances unitaires dépassant celles des plus grandes machines en cours de construction, peuvent être surmontées s'il est fait usage de la propriété qu'ont les métaux presque purs portés à basse température, par exem ple par de l'hélium, de l'air, ou de l'hydrogène à l'état liquide ou même gazeux, de présenter une très faible résistance au passage du courant électrique.
La présente invention concerne le refroidisse ment des enroulements de machines électriques. Elle a pour objet une machine électrique dont les enrou lements sont refroidis au moyen d'un fluide à très basse température, et dans laquelle les barres d'en roulement sont composées de fils de faible diamètre ou de rubans de faible épaisseur, en métal ou en al liage conducteur aussi' pur que possible, isolés les uns des autres, et séparés du circuit magnétique qui les supporte et du milieu extérieur, à la fois par un iso lant thermique et par un isolant électrique.
Cette machine électrique est caractérisée en ce que l'isolant thermique entourant l'ensemble des fils ou des rubans conducteurs, ou une partie de ceux-ci, est en partie évidé, de manière à constituer un en semble de canaux longitudinaux, se trouvant en con tact avec les conducteurs électriques, et parcourus par le fluide refroidisseur.
Ce fluide peut être produit par un système cryo- génique contrôlé, complété par les accessoires né cessaires à la circulation dudit fluide et au maintien d'une température constante dans le bobinage re froidi, correspondant par exemple aux pertes mini males de l'enroulement.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, trois formes de réalisation de l'invention concernant plus particulièrement les bobinages induits de turbo- alternateurs.
La fig. 1 représente, en coupe partielle, suivant un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, l'une des encoches uniformément réparties d'un sta tor d'alternateur, contenant deux barres d'enroule ment de section circulaire.
La fi'g. 2 est une coupe partielle, suivant un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, faite dans une encoche contenant deux barres de section rectangulaire.
La fig. 3 représente une coupe, suivant aussi un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, faite dans une encoche du stator, les barres étant dé doublées.
Suivant l'exemple représenté sur la fig. 1, chaque barre d'enroulement 1 est composée de fils en métal, tel que le cuivre ou l'aluminium par exemple, ou en alliage conducteur, aussi purs que possible, d'un dia- mètre faible, par exemple une fraction de millimètre, isolés entre eux soit par une couche d'oxyde, soit par un émail ou un produit synthétique, et torsadés ensemble, de manière que la barre ait une certaine rigidité qui peut être accentuée par une imprégnation dans une résine thermodurcissable occupant les in terstices et que chacun d'eux occupe toutes les posi tions dans la hauteur de la barre,
réalisant ainsi une transposition équivalente à celle d'une barre clas sique, du type Roebel par exemple, ce qui permet de réduire sensiblement l'ensemble des pertes dues au courant dans la totalité de l'enroulement ; l'ensemble des fils conducteurs de chaque barre est entouré de segments 2 juxtaposés, en matériau présentant une grande résistance au passage de la chaleur, et en partie évidés de manière à constituer un ensemble de canaux 3 longitudinaux, en contact avec les con ducteurs électriques, dans lesquels circule un fluide à basse température qui assure le refroidissement des fils sur une grande surface ;
si c'est nécessaire, on prévoit un canal supplémentaire 4, dans l'axe de la barre, qui peut être obtenu par suppression d'un cer tain nombre de torons de fils, ainsi qu'un complé ment d'isolation thermique 5, constitué d'un ruban à grand pouvoir isolant recouvrant les segments 2, afin de diminuer l'importance des appareils cryogé- niques. Un isolant diélectrique 6 sépare les barres de la masse du circuit magnétique 7.
Les barres sont reliées aux collecteurs d'amenée et d'évacuation du fluide refroidisseur par l'inter médiaire de douilles appropriées raccordées à des tubes de préférence en matériau isolant, l'ensemble étant isolé du milieu extérieur par un recouvrement à faible conductibilité thermique ; les extrémités des barres et les douilles sont recouvertes par surcroît d'un isolant électrique ; une - connexion métallique entre ces dernières assure la liaison électrique entre les barres.
Ces dispositions, permettant de faire passer des courants intenses dans un petit volume de conduc teurs, présentent le double avantage de diminuer très sensiblement le volume des machines ainsi que leurs pertes globales, ou d'augmenter sensiblement leur puissance en maintenant leur poids et leur rende ment à des valeurs données.
Dans l'exemple de la fig. 2, les barres sont de forme rectangulaire ; elles peuvent être composées de fils, comme dans l'exemple de la fig. 1, ou de ru bans minces isolés entre eux comme les fils et dis posés de manière que l'empilage des rubans soit fait suivant la hauteur des encoches ; la compacité et la rigidité de ces barres composées de rubans peuvent être assurées par une imprégnation de résines ther modurcissables ; des cornières 8 sont appliquées aux angles de la barre afin de ménager des conduits 9 pour le passage du fluide refroidisseur ; les isolants thermique 5 et diélectrique 6 séparent les conduc teurs et le fluide de l'extérieur.
L'exemple de la fig. 3 concerne le cas où la lar geur des barres rend préférable leur division en deux parties 10 et 11 afin de mieux assurer leur refroidis sement. On retrouve les mêmes éléments que dans l'exemple de la fig. 2, avec un canal supplémentaire 12 en contact avec les deux parties de barre 10 et 11.
Electric machine The design of large alternating current generators is guided by three essential factors which particularly attract the attention of manufacturers and users, namely cooling, efficiency and size.
The rapid increase in unit power over the last few years has been achieved thanks both to construction techniques, to the improvement in the quality of certain materials, and to the practice of direct cooling of the coils, which allows ever more extensive use of materials, which will result in a reduction in efficiency for even higher powers.
The difficulties inherent in the three factors mentioned above and in relation to the unit powers exceeding those of the largest machines under construction, can be overcome if use is made of the property of almost pure metals at low temperature. temperature, for example by helium, air, or hydrogen in the liquid or even gaseous state, to present a very low resistance to the passage of electric current.
The present invention relates to the cooling of the windings of electrical machines. It relates to an electrical machine whose windings are cooled by means of a fluid at very low temperature, and in which the rolling bars are made of small diameter wires or thin ribbons, made of metal or in al binding conductor as' pure as possible, isolated from each other, and separated from the magnetic circuit which supports them and from the external environment, both by a thermal insulator and by an electrical insulator.
This electrical machine is characterized in that the thermal insulation surrounding all of the conductive wires or tapes, or part of them, is partly hollowed out, so as to constitute a set of longitudinal channels, located in contact with the electrical conductors, and through which the cooling fluid passes.
This fluid can be produced by a controlled cryogenic system, supplemented by the accessories necessary for the circulation of said fluid and for maintaining a constant temperature in the cooled coil, corresponding for example to the minimum losses of the coil.
The appended drawing represents, by way of example, three embodiments of the invention relating more particularly to the induced windings of turbo-generators.
Fig. 1 shows, in partial section, along a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor, one of the evenly distributed notches of an alternator sta tor, containing two winding bars of circular section.
The fi'g. 2 is a partial section, along a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor, made in a notch containing two bars of rectangular section.
Fig. 3 shows a section, also along a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor, made in a notch of the stator, the bars being doubled.
Following the example shown in FIG. 1, each winding bar 1 is made of metal wires, such as copper or aluminum for example, or of a conductive alloy, as pure as possible, with a small diameter, for example a fraction of a millimeter , isolated from each other either by an oxide layer, or by an enamel or a synthetic product, and twisted together, so that the bar has a certain rigidity which can be accentuated by an impregnation in a thermosetting resin occupying the interstices and that each of them occupy all the positions in the height of the bar,
thus achieving a transposition equivalent to that of a conventional bar, of the Roebel type for example, which makes it possible to substantially reduce all of the losses due to the current in the whole of the winding; all the conductive wires of each bar are surrounded by juxtaposed segments 2, made of a material having a high resistance to the passage of heat, and partly hollowed out so as to constitute a set of longitudinal channels 3, in contact with the electrical conductors , in which circulates a fluid at low temperature which ensures the cooling of the wires over a large area;
if necessary, an additional channel 4 is provided, in the axis of the bar, which can be obtained by removing a certain number of strands of wires, as well as an additional thermal insulation 5, made up of a high insulating tape covering the segments 2, in order to reduce the importance of cryogenic devices. A dielectric insulator 6 separates the bars from the ground of the magnetic circuit 7.
The bars are connected to the coolant fluid inlet and outlet manifolds by means of appropriate sockets connected to tubes preferably made of insulating material, the assembly being isolated from the external environment by a covering with low thermal conductivity; the ends of the bars and the sockets are additionally covered with an electrical insulator; a - metallic connection between the latter provides the electrical connection between the bars.
These arrangements, making it possible to pass intense currents through a small volume of conductors, have the double advantage of very appreciably reducing the volume of the machines as well as their overall losses, or of significantly increasing their power while maintaining their weight and rendering them ment to given values.
In the example of FIG. 2, the bars are rectangular in shape; they can be composed of wires, as in the example of fig. 1, or thin ru bans insulated from one another like the wires and arranged so that the stacking of the ribbons is done according to the height of the notches; the compactness and rigidity of these bars composed of ribbons can be ensured by an impregnation of thermosetting resins; angles 8 are applied to the corners of the bar in order to provide conduits 9 for the passage of the cooling fluid; the thermal 5 and dielectric 6 insulators separate the conductors and the fluid from the outside.
The example of fig. 3 relates to the case where the width of the bars makes it preferable to divide them into two parts 10 and 11 in order to better ensure their cooling. The same elements are found as in the example of FIG. 2, with an additional channel 12 in contact with the two bar parts 10 and 11.