Construction des alternateurs

Machines à courant alternatif 1955

Classification des alternateurs

Selon leur construction, on distingue:

l'alternateur à inducteur mobile

l'alternateur à induit mobile

l'alternateur à aimants permanents

l'alternateur à fer mobile ou à reluctance variable.

1. Alternateur à inducteur mobile (revolvingfield alternator)

L'inducteur de l'alternateur à inducteur mobile (Fig. 10) tourne et l'induit demeure fixe.

L'enroulement fixe permet de bien isoler l'induit et, comme aucune partie ne frotte du côté alternatif, cette machine peut produire de hautes tensions comme 13,000 volts et 36,000 volts; ceci évite une transformation de tension et donne un meilleur rendement.

À cause de ces avantages, ce type de machine demeure le plus répandu et généralement le seul utilisé pour les grandes puissances.

Tous les alternateurs de ce type ont un induit fixe et un inducteur mobile, mais leur construction varie car chaque alternateur doit convenir à la puissance utilisée et au moteur qui l'entraîne.

On subdivise donc ces alternateurs en alternateur de petite et de moyenne puissance, en grand alternateur à faible vitesse et en grand alternateur à haute vitesse.

Fig. 10. — Alternateur à courant triphasé à inducteur mobile et schéma de l'excitatrice

a) Alternateur de petite et de moyenne puissances

La partie fixe d'un alternateur se nomme le stator et la partie mobile, le rotor.

La partie fixe comprend la carcasse, le noyau et l'enroulement de l'induit.

On peut considérer la carcasse des petits alternateurs comme une large bande cylindrique en fonte ou en acier coulé ou soudé; la carcasse des autres alternateurs a la forme d'un caisson.

Les noyaux feuilletés des petits alternateurs sont constitués de plusieurs épaisseurs de tôle d'une seule pièce poinçonnées et rivetées ensemble (Fig. 11) ; les noyaux des autres alternateurs comprennent un grand nombre de segments de tôle poinçonnés, empilés en se chevauchant et serrés ensemble par deux joues boulonnées (Fig. 12).

Fig. 11. — Petit alternateur à courant triphasé à inducteur mobile, 5 kVa, 120v, 60 cycles

Fig. 12. — Formes des tôles utilisées pour les stators Courtoisie Brown & Boveri

Pendant l'empilage des tôles on laisse des espaces libres qui servent de canaux de ventilation. Le noyau terminé, on en isole les encoches.

L'enroulement de l'induit dans lequel se produit le courant alternatif comprend plusieurs sections placées les unes à la suite des autres dans les encoches du noyau. Les sections une fois en place, on pose les cales, puis on fait les joints que l'on soude et isole. Enfin, on attache solidement au stator les têtes des sections (Fig. 13).

Fig. 13. — Demi-stator bobiné d'un alternateur; les têtes de bobines sont maintenues par des couronnes robustes et de nombreuses entretoises qui empêchent tout déplacement

L'inducteur comprend un arbre d'acier, une roue polaire, des noyaux polaires, des bobines inductrices, des bagues collectrices et des balais (Fig. 14). La roue polaire en fonte, en acier coulé ou forgé, comprend une ou deux pièces qu'on équilibre parfaitement.

Fig. 14. — Inducteurs a) avec volant, b) roue polaire solide et noyaux polaires boulonnés

Les noyaux polaires feuilletés comprennent plusieurs tôles poinçonnées et rivetées ensemble. On notera aussi que les noyaux peuvent être massifs.

Il y a plusieurs façons de fixer des noyaux polaires à la jante de la roue polaire; parmi les plus employés, on trouve le mode de fixation par tenon en queue d'aronde et l'assemblage avec boulons à écrou et contre-écrou.

L'enroulement des bobines inductrices est formé de conducteurs de cuivre de section ronde, carrée ou rectangulaire (bande de cuivre), le tout bien isolé et solidement attaché. Leur polarité doit alterner (nord, sud) comme celle des pôles inducteurs d'une machine à courant continu.

On fixe à l'arbre les bagues collectrices en bronze ou en acier qu'on relie aux bobines inductrices; on relie également les balais qui frottent sur ces bagues à la source de courant continu qui sert à exciter des bobines inductrices.

Volant

Lorsqu'un moteur, dont le couple varie beaucoup pendant un tour, comme une machine à vapeur à basse vitesse, entraîne l'alternateur, il faut un volant pour emmagasiner l'énergie mécanique et assurer un mouvement rotatif régulier.

Ce volant peut être une roue de fonte ou d'acier indépendante. On peut aussi augmenter l'épaisseur de la jante de la roue polaire qui joue alors le rôle de volant.

Enroulement amortisseur

L'enroulement amortisseur (Fig. 15), aussi nommé cage d'écureuil ou enroulement en court-circuit, est formé de barres de cuivre placées dans des trous percés à la partie supérieure des noyaux polaires ; les bouts de ces barres se joignent à deux couronnes de cuivre ou plus simplement à des secteurs de cercle.

Les courants de Foucault induits dans cet enroulement amortissent les oscillations pendulaires de l'inducteur.

Fig. 15. — Inducteurs a) avec enroulement amortisseur, b) noyaux polaires fixés à l'aide de tenons en queue-d'aronde

Quant aux pôles massifs, ils agissent aussi comme amortisseurs et suffisent à la plupart des alternateurs surtout à ceux de grande puissance commandés par des turbines.

Ces alternateurs se nomment à pôles saillants (salient pôle), car les pôles disposés à la périphérie de la roue polaire font saillie comme les dents d'un engrenage.

b) Grands alternateurs à faible vitesse

Les grands alternateurs à faible vitesse comprennent un grand nombre de pôles; étroits et de grand diamètre, ils sont ordinairement du type à axe vertical.

Comme leurs grandes dimensions en rendent le transport difficile on sectionne les principaux organes de ces alternateurs en deux ou plusieurs parties démontables qu'on assemble ensuite à la centrale même.

Stator

On fabrique la carcasse du stator (Fig. 16) avec des tôles d'acier et des fers profilés soudés.

Fig. 16. — Stator et croisillon supérieur d'un alternateur à axe vertical de grande puissance à faible vitesse

À la centrale, on installe la carcasse exactement de niveau sur une base ordinairement encastrée; on ajoute ensuite la partie du stator destinée à recevoir l'enroulement statorique, le noyau.

Cette partie est formée d'un grand nombre de feuilles de tôle poinçonnées et imbriquées, fixées à la carcasse par des tenons, des boulons ou des joues de serrage.

Pendant l'imbrication des tôles on aménage des espaces libres pour servir de canaux de ventilation.

Enroulement statorique

Le noyau du stator terminé, on en isole les encoches et on pose les sections de l'enroulement les unes à la suite des autres.

Une fois les joints terminés, soudés et isolés, on enrubanne les têtes des sections qu'on fixe solidement au stator, car, lorsqu'un court-circuit ou des perturbations graves se produisent, de très grandes forces électrodynamiques agissent sur les enroulements et ces forces augmentent avec le carré du courant.

Rotor à jante feuilletée. Les rotors modernes à grand nombre de pôles et à grande puissance, généralement du type à jante feuilletée, sont assemblées à la centrale même (Fig. 17).

Fig. 17. — Rotor à jante feuilletée d'un alternateur à axe vertical

Les bras en acier soudé sont boulonnés au moyeu et à la jante qui comprend un grand nombre de segments de tôles imbriqués, serrés entre des joues au moyen de boulons.

Dans ce genre de construction, les pôles sont en général en acier moulé et fixés à la jante au moyen de tenons ou de boulons; on équilibre le tout en place.

c) Grands alternateurs à haute vitesse

Les grands alternateurs à haute vitesse de quelques pôles seulement ont un petit diamètre en comparaison de leur longueur (Fig. 18).

Fig. 18. — Fraisage des encoches du rotor du turboalternateur à courant triphasé refroidi par l'hydrogène de 143,000 kVa 10,500 v, 3,000 t/min, 50 Hz

Le stator a un enroulement à courant triphasé ordinaire dont on a fixé rigidement à des supports spéciaux les têtes de sections par leurs extrémités.

On utilise beaucoup l'alternateur bipolaire qui doit tourner à 3600 révolutions par minute pour une fréquence de 60 cycles. Cette haute vitesse de rotation exige un rotor robuste et bien équilibré afin de pouvoir résister aux effets de la force centrifuge.

C'est pourquoi, il se compose d'une pièce d'acier forgé cylindrique avec rainures longitudinales usinées. L'enroulement inducteur se répartit dans ces rainures sur toute la périphérie du rotor dont la surface lisse élimine en partie le bruit et les pertes de ventilation. Des manchons recouvrent et fixent les têtes des bobines.

Refroidissement

Le refroidissement des alternateurs à haute vitesse est difficile en raison de la grande longueur des conducteurs dans les rainures.

Comme les moyens ordinaires de ventilation ne s'avèrent pas toujours pratiques, on a recours au système de ventilation forcée à circuit fermé. Dans ce cas, l'alternateur doit être trois bagues à l'induit, à l'extrémité opposée du collecteur.

On utilise ces machines pour les basses tensions et les petites puissances.

3. Alternateur à aimants permanents
(permanent magnet alternator)

Fig. 19. — Alternateur à courant triphasé à induit mobile

L'enroulement de l'induit de l'alternateur à aimants permanents se trouve dans les rainures d'un stator laminé, tout comme celui de l'alternateur à inducteur mobile décrit plus haut. Les inducteurs sont des aimants permanents d'alnico noyés dans l'aluminium et placés sur le rotor qui agit comme inducteur et donne l'apparence d'un cylindre (Fig. 20).

Fig. 20. -— Alternateur à courant triphasé à aimant permanent

On entoure les aimants d'aluminium afin de stabiliser et de prolonger le magnétisme en le protégeant contre les variations de charge ou contre les courts-circuits.

Selon le fabricant, ces aimants retiennent leur magnétisme presque indéfiniment. De construction très simple, ces machines coûtent peu et l'absence d'excitatrice et de bobines inductrices en réduit au minimum les pannes et le coût d'entretien.

On les fabrique actuellement à partir de quelques voltampères jusqu'à environ 20 kilovoltampères et rien n'empêche d'en fabriquer de plus grande puissance.

La tension de cette machine diminue à mesure que la charge augmente et on peut en régler la tension en variant la vitesse ou en employant un appareil extérieur comme un rhéostat, une bobine de self variable, un régulateur d'induction, etc.

4. Alternateur à fer mobile ou à reluctance variable
(induction alternator)

L'induit et l'inducteur de l'alternateur à fer mobile ou à reluctance variable sont fixes et une roue de fer de forme appropriée tourne entre le noyau de l'induit et celui de l'inducteur.

Lorsque cette roue de fer fait varier la reluctance entre ces noyaux, le flux magnétique produit par l'inducteur varie dans l'enroulement de l'induit et ce dernier produit un courant alternatif.

On utilise rarement ce genre de machines.