1 La présente invention concerne une machine tournante, du typeThe present invention relates to a rotating machine, of the 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. comprising: - an inductor comprising a superconducting winding, - an armature comprising, on the one hand, a magnetic ring disposed coaxially with the inductor and delimiting with the inductor an annular air gap and, on the other hand, windings consisting of conductors disposed within the air gap, the windings defining successive turns, each turn having at the ends of the armature of the frontal formed of regions of the cusp of the driver constituting the windings, Nowadays, the electric motors of high power of synchronous type implement an inductor comprising electromagnets consisting of superconducting son operating at the temperature of nitrogen or liquid helium.
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. The armature comprises several windings, and in particular three spatially offset windings, so as to create a rotating magnetic field when the three windings are fed by three phases of an alternating current, the three phases being phase shifted temporally. The use of superconducting wires makes it possible to obtain a very powerful rotor, which makes it possible to supply a very high intensity alternating current through the windings of the inductor. However, the power density of such motors is limited by the permissible current density in the windings of the armature, which prevents full benefit from the benefits resulting from the use of superconducting windings on the inductor. The object of the invention is to propose a superconducting inductive synchronous type rotating machine having a high power density. To this end, the subject of the invention is a synchronous rotary machine of the aforementioned type, characterized in that the windings extend over the entire inner surface of the annular air gap, and the front ends are arranged at least on 50% of their length, measured along the axis of the armature, 2908563 2 in the annular gap and in the axial size of the magnetic ring. According to particular embodiments, the machine comprises one or more of the following characteristics: the front faces are arranged at least over 90% of their length measured along the axis of the armature in the annular gap and in the axial size of the magnetic ring; the front ends are arranged at least over 100% of their length measured along the axis of the armature in the annular gap and in the axial space of the magnetic ring; - The windings are corrugated, each conductor being wound along the circumference of the magnetic ring in a given direction by running alternately from one end to the other of the magnetic ring; The conductors define, from one end to the other of the magnetic ring, helical sections devoid of sections extending in the direction of the axis of the rotating machine; each helix section is inclined relative to the axis of the rotating machine by a constant angle along the length of the armature; The magnetic ring comprises a circulation network of a cooling fluid and means for forced circulation of the fluid in said network; the magnetic ring is devoid of teeth projecting radially between the conductors of the windings; and the inductor is a rotor of the machine and the armature is a stator of the machine. The invention also relates to a method of manufacturing a rotary machine characterized in that it comprises, for the manufacture of the armature, the rotation of a magnetic ring about its axis and the winding of the rotor. a conductor on the magnetic ring from a distribution shuttle alternately circulating from one end to the other of the magnetic ring, during the rotation of the magnetic ring.
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.The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example and with reference to the drawings, in which: FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a machine synchronous driver according to the invention; FIG. 2 is a diagrammatic expanded view of the stator winding of the machine of FIG. 1; FIG. 3 is a perspective view illustrating the embodiment of the winding of FIG. 2; and FIG. 4 is a view identical to that of FIG. 1 of an alternative embodiment of a synchronous rotary machine according to the invention. The rotary machine 10 illustrated in Figure 1 is intended to constitute a high power electric motor, for example for the propulsion of a ship.
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.The machine 10 comprises an inductor 12, here the rotor, rotatably mounted about an axis XX and an armature 14, here the stator, surrounding the inductor 12. The inductor and the armature are arranged coaxially around one the other. The inductor 12 comprises electromagnets 15 comprising superconducting coils 16 fed by a direct current as known per se. The inductor 12 further comprises low temperature holding means of the superconducting conductors. The armature 14 comprises a magnetic ring 18 formed of a stack of magnetic sheets. An annular air gap 20 is delimited between the inner surface of the magnetic ring 18 and the outer surface of the inductor 12. Windings 22 suitable for creating a rotating field are arranged in the air gap 20. These windings are carried by the internal surface of the magnetic ring 18 and constitute the windings of the armature 14. The windings are formed of non-superconducting conductors, and in particular insulated copper conductors. The windings 22 advantageously cover the entire inner surface of the magnetic ring 18. Preferably, the ring is devoid of any magnetic tooth engaged between the conductors of the windings.
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.An example of a winding consisting of these windings is illustrated in Figure 2. This winding consists of three identical windings for a three-phase power supply and defining four successive poles. The winding is preferably formed of corrugated windings, that is to say that the conductors constituting each winding are wound around the axis of the armature in a determined direction while traveling from one end to the other of the armature. Thus, each conductor describes on the inner surface of the armature a boustrophedon or zigzag path.
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.In the example considered, each conductor extends over six successive turns of the armature in a given direction being, at each turn, slightly offset from the previous turn. Similarly, the same conductor is wound at the inner periphery of the armature in the same number of turns by being shifted by a polar pitch. The conductors thus rolled define four groups of successive turns forming the four poles. Each group of turns has six turns. The same pattern is reproduced for each of the three phases, the conductors being angularly offset along the periphery of the armature for each phase. Preferably, the sections of the windings formed from one axial end to the other end of the armature constitute helical sections forming an angle, for example about 45, with the axis of rotation of the inductor. Preferably, the helix sections are devoid of any rectilinear section extending parallel to the axis of the inductor. Preferably, at all points, the helix sections are of constant inclination with respect to the axis of the inductor. Thus, each pole is formed globally by conductors delimiting a rhombus. Advantageously, the windings are completely contained in the axial size of the magnetic ring, that is to say in the interval between the two axial ends of the magnetic ring.
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.More generally, and according to the invention, the front ends 23 formed of the cusp portions of the conductors forming the windings are arranged for at least 50% of their length in the axial space of the magnetic ring 18 and in the annular air gap. 20. The length of the front end 23 is measured along the axis of the inductor. Preferably, this proportion is greater than 90% and especially close to 100%. In general, the term "frontal" means the cusp portions of the windings which extend in a direction having a non-zero component along the periphery of the armature and which are present in the same half of the length of the armature. armature. Advantageously, the windings are formed by the combination of opposite frontal. The fact that the fronts are on most of their extent in contact with the magnetic ring 18 allows a facilitated evacuation of the heat produced in the coils through the magnetic ring and thus allows the circulation of a current of high intensity in the windings. The rotating machine comprises, in the embodiment illustrated in FIG. 1, an outer liner 24 defining a network 26 for circulating a cooling fluid such as water. This lining 24 extends along the entire periphery of the magnetic ring 18. It comprises an inlet pipe 28 at one end and an outlet pipe 30 at the opposite end, a pump 32 ensuring a circulation for the first time. It is understood that with such an arrangement, optimum homogenous cooling by conduction of the windings 22 can be obtained from the liquid cooling of the magnetic ring 18. Indeed, most of the conductors of the windings 22 are in contact with the magnetic ring 18. Thus, the current density allowed by the windings 22 can be considerably increased compared to an engine in which the front ends are protruding from the ends of the magnetic ring of the armature and are therefore poorly cooled. Thus, in such a rotating machine, even if the surface of the windings of the windings defined by the conductors is smaller than the surface obtainable with turns having their faces disposed outside the magnetic ring, the satisfactory cooling Conductors make it possible to circulate a very high current density in the conductors, which compensates for the loss of surface area of the windings. The increase in the current density that can circulate makes it possible to take advantage of the inductor with superconducting conductors.
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.For the manufacture of such a winding, and as illustrated in Figure 3, a shuttle 40 is moved in translation parallel to the axis of the magnetic ring 18 while the latter is moved in rotation about its axis. During the rotation of the magnetic ring, the wire is progressively unwound while the shuttle 40 circulates alternately from one end to the other of the armature. FIG. 4 shows an alternative embodiment of a rotating machine according to the invention. As before, this comprises cooling means which, in this embodiment, are formed by pipes 50 passing longitudinally from one side to the magnetic ring 18. These pipes 50 are interconnected to form a circulating a circulation of a cooling fluid and they are connected to a pump 52 ensuring the circulation of the fluid. As before, satisfactory cooling of the windings is achieved, allowing a high current density in the armature and thus a high power density through optimized use of the superconducting conductor inductor. Alternatively, the armature is disposed within the inductor. Still alternatively, the inductor is fixed and forms the stator while the armature is movable and forms the rotor.