CH618817A5

CH618817A5 -

Info

Publication number: CH618817A5
Application number: CH1233177A
Authority: CH
Inventors: Michel Berthet; Roger Gillet; Andre Marquet; Francois Moisson-Franckhauser
Original assignee: Alsthom Atlantique; Electricite De France
Priority date: 1976-10-28
Filing date: 1977-10-10
Publication date: 1980-08-15
Also published as: FR2369722B1; JPS6311866B2; BE859520A; DE2748479C2; US4134037A; IT1086988B; DE2748479A1; JPS5354717A; FR2369722A1; GB1545711A

Description

La présente invention concerne un dispositif d'amenée de courant pour machine électrique tournante supraconductrice et une utilisation de ce dispositif. Le rôle d'un tel dispositif d'amenée de courant est d'assurer la connexion électrique entre une borne d'alimentation à température ambiante, et une extrémité d'un conducteur supraconducteur tout en ne nécessitant qu'une puissance frigorifique aussi faible que possible pour le maintien de cette extrémité à très basse température malgré la chaleur apportée par l'amenée. La puissance frigorifique est la puissance électrique ou mécanique qu'il faut fournir aux organes de réfrigération, tels que des liquéfacteurs d'hélium, pour maintenir les éléments supraconducteurs à leur température de service. L'invention est plus particulièrement adaptée aux machines dans lesquelles les conducteurs sont refroidis, dans le but de les maintenir dans leur état supraconducteur, par un fluide cryogénique tel que l'hélium circulant dans des conduits de refroidissement. Ce fluide, après avoir parcouru la machine, peut être utilisé totalement ou partiellement pour le refroidissement des amenées de courant. Notamment s'il est utilisé totalement, son débit est alors imposé par les conditions de fonctionnement de la machine et ne peut être modifié en fonction des perturbations affectant ces amenées.

Cette situation est différente de celle des amenées de courant classiquement utilisées pour l'alimentation électrique d'un appareillage supraconducteur baignant dans de l'hélium liquide contenu dans un cryostat. Les amenées de courant, qui plongent dans le cryostat, sont refroidies par le courant d'hélium gazeux résultant de la vaporisation de l'hélium liquide. Ce refroidissement est parfois amélioré par la présence d'ailettes métalliques transversales. Comme un accroissement de l'intensité entraîne un accroissement des pertes Joule, le débit calorifique apporté par cette amenée vers l'hélium liquide croît aussi, ainsi que le débit d'hélium vaporisé, qui refroidit l'amenée en s'echappant du cryostat. Il existe donc une auto-compensation thermique qui tend à réduire les variations de la température de cette amenée. Une telle auto-compensation n'existe pas pour les amenées de courant selon l'invention, qui sont refroidies par un fluide en phase vapeur ou hypercritique fourni à l'extrémité froide à un débit imposé par les conditions de fonctionnement de la machine.

Dans les amenées de courant classiques, ainsi que dans celles selon l'invention, on peut distinguer deux zones successives à température progressivement croissante. Ce sont :

- une zone froide : le conducteur y est mixte, c'est-à-dire qu'il comporte un matériau supraconducteur associé, en bon contact électrique et thermique, avec un conducteur métallique «normal», c'est-à-dire non supraconducteur, tel que le cuivre ou l'aluminium pur, bon conducteur électrique et thermique. La température y est suffisamment basse pour permettre la supraconductivité.

—une zone de transition, le conducteur y est normal. La température y est basse au voisinage de la zone froide et croît progressivement jusqu'à la température ambiante, qui sera qualifiée ci-après de «chaude».

Un problème important lors de la réalisation d'une amenée de courant est celui du choix de la section de conducteur normal dans la zone de transition. Si cette section est trop faible, une quantité de chaleur trop grande sera engendrée par effet Joule et devra être évacuée par le fluide de refroidissement. Si cette section est trop grande, une quantité de chaleur trop grande sera conduite par le conducteur normal de la zone chaude vers la zone froide, et devra de même être évacuée par le fluide. Pour

3

618 817.

minimiser la somme de ces deux quantités de chaleur et donc la puissance frigorifique nécessaire pour l'évacuer, il existe une section optimale, qui est sensiblement proportionnelle à la longueur de la zone de transition. Il convient de ne pas trop s'écarter du rapport optimal entre la section de conducteur s normal et la longueur de la zone de transition. La longueur de l'amenée de courant ne peut être rendue aussi petite qu'on le désirerait car c'est dans cette longueur que la quantité de chaleur totale évoquée ci-dessus doit être transférée au fluide de refroidissement. C'est pour éviter que cette longueur ne soit i o trop grande que des ailettes ont été utilisées dans des amenées de courant qui descendent dans un cryostat à bain liquide. Ces ailettes augmentent en effet les échanges thermiques entre l'amenée de courant et le fluide de refroidissement. Le problème du transfert de la chaleur entre l'amenée et le fluide se i s pose de manière encore plus critique dans le cas de l'amenée de courant selon l'invention car, en raison de l'absence de bain liquide à la partie inférieure, la temperature du fluide commence à augmenter dès que de la chaleur lui est apportée, ce qui diminue son aptitude à extraire des calories de l'amenée. 20

Les amenées de courant selon l'invention sont alimentées à leur extrémité froide par un débit d'hélium gazeux ou hypercri-tique prélevé sur le circuit général de refroidissement du rotor. La valeur de ce débit résulte du réglage d'une vanne de détente située en aval de l'amenée et débouchant sur le circuit de 25 récupération d'hélium à la température ambiante; contrairement aux amenées de courant classiques, la chaleur transmise par conduction de l'amenée selon l'invention, à son extrémité froide est pratiquement nulle.

Pour une valeur donnée du courant appliqué à une amenée 30 selon l'invention, dont la section du conducteur est fixée, il existe une valeur seuil du débit d'hélium au-dessous de laquelle il est impossible d'obtenir qu'une partie de la zone froide reste à l'état supraconducteur. On définit ainsi le débit minimal requis, sous l'intensité maximale de fonctionnement, pour que la tem- 35 pérature de la partie mixte du conducteur soit suffisamment basse pour permettre la supraconductivité, la longueur de cette partie mixte étant choisie suffisante pour permettre le transfert du courant entre le supraconducteur et le conducteur normal sur lequel il est soudé. 411

Un autre problème important apparaît lors de la réalisation d'une amenée de courant pour machine supraconductrice tournante : dans le rotor de telles machines, la force centrifuge crée des différences de pression et de température du fluide de 45 refroidissement, en fonction de la distance à l'axe du rotor. Les isothermes tendent à s'établir sous la forme de cylindres coaxiaux d'hélium dont la température et la densité croissent du rayon intérieur au rayon extérieur du rotor. Toutefois, il est également indispensable que, lors d'un arrêt de rotation de 50 courte durée de la machine supraconductrice, et ceci dans une position angulaire quelconque, le refroidissement des amenées de courant puisse être réalisé dans de bonnes conditions pour évacuer la chaleur apportée par l'extrémité chaude. Pour cela les courants de convection libre pouvant résulter, selon le méca- 55 nisme qui vient d'être décrit, du champ de gravitation terrestre doivent être éliminés également. Ces différences peuvent devenir considérables, notamment dans le cas où le fluide de refroidissement est constitué d'un gaz tel que l'hélium. Elles favorisent la création de courants de convection qui empêchent le 6() refroidissement correct de certaines parties de l'amenée de courant. Le gaz de refroidissement peut en effet circuler alors dans certaines zones avec une vitesse fortement diminuée, ou même inversée par rapport au sens de la circulation générale.

Ceci conduirait à disposer l'amenée radialment, ce qui est 65 gênant pour l'incorporation dans une machine tournante.

Un but de la présente invention est de permettre la rélisa-tion d'un dispositif d'amenée de courant pour machine électrique tournante, de constitution simple, d'encombrement faible, compatible avec une faible consommation de puissance frigorifique, et pouvant être disposé suivant une direction quelconque par rapport à l'axe du rotor, et notamment parallèlement à cet axe sans augmentation de cette consommation.

La présente invention a pour objet un dispositif d'amenée de courant pour machine électrique tournante supraconductrice comportant :

- une partie mixte dans laquellle un conducteur supraconducteur est disposé en contact électrique et thermique avec un conducteur normal.

une partie normale constituée par un conducteur normal en continuité avec le conducteur normal de la partie mixte,

et des moyens pour faire circuler un gaz de refroidissement d'abord au contact de la partie mixte pour refroidir celle-ci à une température compatible avec la supraconductivité puis au contact de la partie normale pour empêcher un apport de chaleur excessif de cette partie normale vers la partie mixte,

- des lames étant prévues pour renforcer le contact thermique entre les différents éléments du dispositif et le gaz de refroidissemnt,

dispositif caractérisé par le fait qu'il comporte un tube constitué d'un matériau bon conducteur électrique et thermique, ce tube ayant une longueur qui s'étend entre une extrémité froide et une extrémité chaude,

- une partie de la longueur de ce tube comportant ledit conducteur supraconducteur soudé à là paroi de cette partie du tube en bon contact électrique et thermique et s'étendant selon la longueur de ce tube entre l'extrémité froide et une zone intermédiaire, cette partie constituant ladite partie mixte, le reste de la longueur de ce tube constituant ladite partie normale, qui forme une zone de transition thermique entre la zone intermédiaire et l'extrémité chaude,

- une succession de plaquettes étant disposée selon la longueur de ce tube à l'interieur de celui-ci, chacune de ces plaquettes étant disposée sensiblement dans un plan perpendiculaire à la longueur de ce tube et occupant toute l'aire de la section intérieure de ce tube de manière à former à l'intérieur de ce tube une succession de chambres aplaties comprises chacune entre deux plaquettes successives,

- chaque plaquette étant percée d'un orifice de manière à permettre au gaz de refroidissement de circuler à partir de l'extrémité froide jusqu'à l'extrémité chaude, à travers la succession des chambres en passant de chaque chambre à la chambre suivante à travers l'orifice de la plaquette située entre ces deux chambres.

La présente imvention a également pour objet une utilisation du dispositif d'amenée de courant ci-dessus dans un rotor Supraconducteur tournant autour d'un axe, caractérisée par le fait que ce dispositif est disposé au voisinage d'un palier de ce rotor, son axe longitudinal étant sensiblement parallèle à l'axé de rotation.

A l'aide des figures schématiques 1 à 4, ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre'non limitatif, un exemple de mise en œuvre de l'invention. Les éléments se correspondant sur plusieurs figures y sont désignés par les mêmes numéros de référence.

La figure 1 représente une vue générale du rotor d'un cryoalternateur comportant un dispositif d'amenée de courant pour machine électrique tournante, selon l'invention, en coupe par un plan passant par l'axe de ce rotor.

La figure 2 représente une vue du dispoditif d'amenée de courant pour machine électrique tournante de la figure 1, en coupe, par un plan passant par l'axe de ce dispositif, le conducteur supraconducteur et le conducteur dé raccordement n'étant pas représentés.

618 817

4

La figure 3 représente une vue du dispositif de la figure 2, en L'épaisseur de la paroi 32 du dispositif 8 dans cette partie coupe par un plan AA perpendiculaire à l'axe de ce dispositif et es* choisie de manière à rendre aussi faible que possible l'apport passant dans la partie mixte. de chaleur à la zone intermédiaire 26 qui constitue la frontière

La figure 4 représente une vue du dispositif de la figure 2, en entre les parties mixte et normale. Cet apport de chaleur résulte coupe, par un plan BB perpendiculaire à l'axe de ce dispositif et s de deux causes. L'une est la conduction thermique de l'extré-

passant dans la partie normale. mité chaude 22, jusqu'à la zone intermédiaire 26. L'autre est le

L'amenée de courant qui va être décrite peut être utilisée dégagement de chaleur par effet Joule sous 1 action du passage pour l'alimentation électrique de l'inducteur 2 d'un cryoalterna- du courant électrique. Si 1 épaisseur est choisie trop faible,

teur d'axe 5 (figure 1). Cet inducteur est porté par des paliers 3 rapport de chaleur résultant de l'effet Joule sera trop grand. Si et comporte des enroulements 4 constitués par des conducteurs 101 épaisseur est choisie trop grande, l'apport de chaleur par supraconducteurs de type multifilamentaire, constitués par des conduction thermique sera trop grand. L'épaisseur optimale filaments de niobium-étain Nb3Sn ou de niobiumtitane NbTi dépend, pour une longueur donnée d'amenée, de l'efficacité du enrobés dans une matrice de cuivre. Ces enroulements sont refroidissement et de l'intensité du courant électrique. Elle est parcourus par un courant électrique amené par des conducteurs avantageusement plus faible que dans la partie mixte. Du point fixes 9, des contacts frottants à balais 10 et des conducteurs 1 s de vue de la puissance frigorifique totale consommée, il y a tournants 12, et pouvant atteindre une intensité de plusieurs intérêt à augmenter les longueurs des deux parties mixte et milliers d'ampères. Ils sont refroidis par un courant d'hélium normale, mais on est évidemment limité par l'espace disponible,

injecté par une canalisation axiale 6 à une température voisine Le refroidissement du tube 8 est amélioré par la présence de de 4°K et sous une pression de 1 à 10 bars. Un débit d'hélium plaquettes telles que 28 et 40 qui sont constituées du même d'environ 1 g/s est prélevé sur ce courant de refroidissement des 20 matériau que le tube 8 et qui bouchent toute la section inté-

bobinages et assure le refroidissement des amenées de courant rieure de ce tube sauf qu'elles sont percées chacune d'un orifice telles que 8 qui assurent la transition entre le conducteur normal te' que 38 et 42. Ces plaquettes sont disposées de la même .

12 et le conducteur supraconducteur 14. Son sens d'écoulement menière dans les deux parties du tube 8 mais avec des dimen-

définira les sens «amont» et «aval» mentionnés ci-dessous, sa sions différentes. Elles sont planes, et perpendiculaires à la température allant croissante de l'amont vers l'aval. 25 longueur de ce tube. Elles forment une succession de chambres

L'hélium sort des amenées 8 à une température voisine de la telles que 34 et 36 de part et d'autre de la plaquette 28.

température ambiante et est récupéré séparément dans une L'hélium passe de chaque chambre «amont» telle que 34 à la chambre périphérique non représentée sur la figure 1, entourant chambre «aval» suivante telle que 36 par l'orifice 38 percé dans l'arbre du rotor et isolée de l'atmosphère par des moyens 'a plaquette telle que 28 qui sépare ces deux chambres. Chaque d'étanchéité tournants de type connu. 30 chambre est délimitée par deux plaquettes et par la surface

Le dispositif d'amenée de courant représenté sur la figure 2 interne du tube 8. La distance entre ces deux plaquettes est est un de ceux qui sont représentés en 8 sur la figure 1. Il choisie suffisamment grande pour que la pression soit sensible-

comporte une extrémité froide, ou amont 20, à laquelle se ment uniforme dans l'ensemble de la chambre, cette pression raccordent le conducteur supraconducteur 14 de la figure 1, et subissant une chute sensible au passage à travers chaque orifice une canalisation non représentée dans laquelle circule de l'hé- 35 tel que 38. On évite ainsi l'apparition de courants de convection lium provenant des enroulements 4 et ayant servi en outre à gazeuse gênants. Le diamètre des plaquettes, leur nombre et maintenir en froid ce conducteur 14. Il a la forme générale d'un leur espacement ont été déterminés pour obtenir une surface tube cylindrique constitué de cuivre par exemple, bon conduc- importante de contact avec 1 hélium et une vitesse moyenne teur électrique et thermique. L'hélium froid pénètre dans ce d'écoulement tangentiel d'hélium entraînant un bon coefficient tube par son extrémité froide et parcourt toute sa longueur 40 d'échanges et par conséquent un écart de température restreint jusqu'à l'extrémité chaude 22 de laquelle il ressort à une tempé- entre l'hélium et les parois.

rature voisine de la température ambiante. Le diamètre des orifices 3 8 dans les plaquettes est suffisamment petit pour éviter la présence de circulations d'hélium en

Le conducteur supraconducteur 14 est soudé par exemple à sens alternés par effet de convection libre dans la section de

1 étain dans une rainure 24 qui est creusée dans la surface 45 chaque orifice; il en résulte en étagement de la température latérale extérieure du tube 8 et qui s'étend parallèlement à la d'hélium dans les compartiments délimités par les plaquettes lonqueur de ce tube sur une partie de cette longueur, appelée ici successives.

partie mixte, car le courant électrique y est transporté à la fois L'épaisseur de ces plaquettes ne doit pas être trop grande par le tube 8 et par le conducteur supraconducteur disposé dans afini d'obtenir une grande surface de contact avec l'hélium par la rainure 24. Dans cette partie «mixte», l'épaisseur de la paroi 50 un grand nombre de plaquettes. Elle ne doit pas non plus être

30 du tube 8 est relativement grande de manière — que le choisie trop faible car il faut que la chaleur puisse être transpor-

passage du courant électrique dans le sens longitudinal n'y té e par le matériau de la paroi du tube 8 jusqu'au voisinage du provoque qu'un très faible dégagement de chaleur par effet centre de chaque plaquette.

Joule. Cette disposition, associée à la présence de plaquettes Les dimensions suivantes peuvent être indiqués en mm ou identiques dans leur configuration à celles qui seront décrites 55 en valeurs relatives :

plus loin pour la partie «normale», assure dans la partie «mixte»

une température sensiblement uniforme et partout compatible Partie mixte Partie normale avec le bon fonctionnement du supraconducteur qui lui est Longueur totale 200 à 500 mm 500 à 1500 mm connecté. Sa longueur est choisie en outre suffisante pour diamètre extérieur du 50 à 100 mm 50 à 100 mm permettre, sans dégagemente gênant de chaleur, le passage du f,() tube 8

courant dans le sens transversal à travers la soudure et la paroi épaisseur de la paroi 10 à 20 mm là 2 mm du tube 6 jusqu'aux filaments supraconducteurs contenus dans du tube 8 le conducteur supraconducteur malgré la présence habituelle de parois plus ou moins résistives dans ce conducteur. En pratique, il semble qu'il y ait avantage à respecter les

Le reste de la longueur du tube 8 constitue la partie «nor- règles suivantes :

maie» du dispositif d'amenée de courant jusqu'à l'extrémité - Aire des orifices tels que 38 compris entre 0,5 et 5 % de chaude 22 à laquelle est connecté le conducteur de raccorde- l'aire des plaquettes telles que 28 dans lesquelles ils sont percés,

ment 12. — épaisseur des chambres telles que 34, entre plaquette

5

618 817

amont et aval comprise entre 1 et 10% du diamètre des chambres, ou d'une dimension transversale de celles-ci si elles ne sont pas circulaires.

Une plaquette 28 percée de l'orifice 38 et située dans la partie normale est représentée sur la figure 4. Une plaquette 40 percée d'un orifice 42 et située dans la partie mixte est représentée sur la figure 3.

Les orifices tels que 38 et 42 percés à la périphérie des plaquettes sont avantageusement disposés alternativement du côté de l'axe 5 du rotor et du côté opposé de manière à forcer l'hélium à parcourir les chambres telles que 34 suivant le diamètre du rotor.

Le tube 8 muni des plaquettes telles que 28 et 40 peut être réalisé par empilement de couronnes et de disques percés et par soudure par bombardement électronique à partir de la surface extérieure du tube, ou par brasure.

Le matériau peut être du cuivre ou alliage de cuivre, s Le dispositif comprenant une amenée 8 pour l'entrée du courant et une amenée 8 pour la sortie du courant ainsi que l'adduction et les reprises d'hélium, il convient de disposer les deux amenées de courant décrites d'une façon symétrique de part et d'autre de l'axe de rotation de la machine.

! o Les amenées de courant décrites sont avantageusement disposées hors des zones à fort champ magnétique variable, c'est-à-dire au voisinage ou au-delà du palier 3. Ceci évite l'apparition de chaleur dans ces amenées par courants de Foucault.

C

2 feuilles dessins

Claims

618 817

2

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'amenée de courant pour machine électrique tournante supraconductrice comportant :

— une partie mixte dans laquelle un conducteur supraconducteur (14) est disposé en contact électrique et thermique avec 5 un conducteur normal (30)

— une partie normale constituée par un conducteur normal (32) en continuité avec le conducteur normal de la partie mixte,

— et des moyens pour faire circuler un gaz de refroidissement d'abord au contact de la partie mixte pour refroidir celle-ci à m une température compatible avec la supraconductivité puis au contact de la partie normale pour empêcher un apport de chaleur excessif de cette partie normale vers la partie mixte,

— des lames étant prévues pour renforcer le contact thermique entre les différents éléments du dispositif et le gaz de 15 refroidissement, caractérisé par le fait qu'il comporte un tube

(8) constitué d'un matériau bon conducteur électrique et thermique, ce tube ayant une longuer qui s'étend entre une extrémité froide (20) et une extrémité chaude (22) ;

— une partie de la longuer de ce tube comportant ledit 20 conducteur supraconducteur (14) soudé à la paroi de ce tube en bon contact électrique et thermique et s'étendant selon la longueur de cette partie du tube, entre l'extrémité froide et une zone intermédiaire (26), cette partie constituant ladite partie mixte, le reste de la longueur de ce tube constituant ladite partie 25 normale qui forme une zone de transition thermique entre la zone intermédiaire et l'extrémité chaude,

— une succession de plaquettes (28,40) étant disposée selon la longueur de ce tube à l'intérieur de celui-ci, chacune de ces plaquettes étant disposée sensiblement dans un plan perpendi- 30 culaire à l'axe de ce tube et occupant toute l'aire de la section intérieure de ce tube de manière à former à l'intérieur de ce tube une succession de chambres aplaties (34,36) comprises chacune entre deux plaquettes successives.

— chaque plaquette (28,40) étant percée d'un orifice (38, 35 42) de manière à permettre au gaz de refroidissement de circuler à partir de l'extrémité froide (20) jusqu'à l'extrémité chaude (22) à travers la succession des chambres en passant de chaque chambre à la chambre suivante à travers l'orifice de la plaquette située entre ces deux chambres.
2. Utilisation du dispositif d'amenée de courant selon la revendication 1 dans un rotor supraconducteur tournant autour d'un axe, caractérisée par le fait que ce dispositif est disposé au voisinage d'un palier de ce rotor, son axe longitudinal étant sensiblement paralèle à l'axe de rotation.

parties de ces plaquettes les plus proches et les plus éloignées de l'axe du rotor.

45

50
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'aire desdits orifices (38,42) est inférieure à 5% de l'aire des plaquettes (28,40) dans lesquelles ils sont percés.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit orifice (38,42) de chaque plaquette (28,40) est percé à travers une partie de cette plaquette située à distance des parties de cette plaquette situées en regard des orifices percés dans les plaquettes voisines. 55
5. Dispositif selon la revendiacation 1, caractérisée par le fait que l'épaisseur desdites chambres (34,367) mesurée parallèlement à la longueur du tube est inférieure à 10% d'une dimension transversale de la section droite intérieure du tube

(8). m
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'épaisseur de la paroi (30,32) dudit tube est plus grande dans ladite partie mixte (30) que dans ladite partie normale (32).
7. Utilisation selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les orifices (38,40) des plaquettes (28,40) de ladite succession de plaquettes sont percés alternativement dans les

65