Brevet FR2440227A1 — publié le 19800530

L'invention concerne des perfectionnements apportés aux générateurs de vibrations mécaniques de petites dimensions comportant un vibrateur du type électrodynamique. Elle a pour but de fournir un vibrateur comportant un équipage mobile de très faible masse afin de pouvoir engendrer et transmettre des forces dans une large bande de fréquences avec des niveaux d'accélération élevés. Les générateurs de vibrations utilisés pour l'étude des caractéristiques et/ou du comportement dynamique des structures en ambiance vibratoire comprennent habituellement un vibrateur comportant une bobine excitatrice solidaire d'un équipage mobile et située dans le champ magnétique d'un inducteur annulaire. La bobine est alimentée au moyen d'un générateur de courant électrique alternatif qui délivre, dans une bande de fréquences choisie, des signaux de type sinusoidal, impulsionnel,transitoire ou aléatoire. I1 y a donc production d'une force sollicitant l'équipage mobile, la grandeur de la force étant proportionnelle au courant dans la bobine et à l'intensité du champ inducteur. La force engendrée est transmise à la structure à étudier par l'intermédiaire d'une tête de fixation qui est située à une extrémité de l'équipage mobile.L'équipage mobile est muni d'un dispositif de guidage axial définissant sa position à l'intérieur de l'inducteur annulaire. Les dispositifs de guidage connus mettent en oeuvre - des lames él-astiques faisant fonction de ressort mais leur mise en oeuvre introduit des forces transversales et des modes propres préjudiciables au fonctionnement du vibrateur, - des roulements, galets, cages à billes dont la mise en oeuvre comporte des risques de grippage et introduit des forces d'inertie et de frottement limitant les performances, - des éléments déformables constitués par des tubes ou des cylindres en élas tomère disposés dans l'intervalle séparant les faces en regard de l'induc teur et de l'équipage mobile.Ce dispositif de guidage convient pour certaines applications, comme celle décrite dans le certificat d'utilité fran çais nd 2 265 463, où le générateur de vibrations est utilisé dans une installation de manutention de matieres en vrac pour éviter leur agglomération contre les parois des silos, mais il ne conduit pas à la réalisation de générateurs de vibrations mécaniques performants utilisables dans les installations d'essais de structures aéronautiques pour lesquelles on a besoin tres souvent de générateurs de vibrations de faible encombrement et qui soient capables de délivrer avec un excellent rendement des niveaux d'accélération élevés dans une large bande de fréquences de fonctionnement. L'invention remédie aux inconvénients ci-dessus. Elle a pour objet un générateur de vibrations mécaniques comprenant un vibrateur électro dynamique dans lequel un équipage mobile, muni d'une bobine d'excitation en forme d'anneau cylindrique,se déplace axialement selon un mouvement alterna tif guidé au moyen d'un dispositif de guidage et de rappel élastique à l'in térieur d'un inducteur annulaire concentrique et un dispositif de refroidisse ment, caractérisé en ce que la bobine d'excitation, alimentée au moyen d'un générateur de courant alternatif, est supportée par des ailettes radiales solidaires d'une colonne centrale et en ce que le dispositif de guidage et de rappel élastique est constitué par deux anneaux en élastomère, intercalés dans l'entrefer inducteur suivant deux plans transversaux situés de part et d'autre de la bobine et à demi encastrés, d'une part, dans une gorge prati quée dans la face annulaire interne de l'inducteur et, d'autre part, dans des portées ménagées à la périphérie de chacune des ailettes. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, l'équipage mobile comporte quatre ailettes planes disposées en croix et les anneaux en élastomère sont des bagues toriques. Le guidage de l'équipage mobile ainsi réalisé est rectiligne, sûr et précis. I1 n'est pas la source de frottements, les risques de grippage sont éliminés et il ne nécessite pas de lubrification. Le générateur selon l'invention permet la transmission de forces axiales pures. La maintenance de l'appareil, très simplifiée, est à la portée de l'utilisateur car le montage et le démontage des composants s'effectuent sans difficultés. La faible masse totale de l'équipage mobile entrain une fréquence de résonance élevée et la faible raideur du système de guidage et de rappel élastique dans la direction du déplacement permet un fonctionnement à basse fréquence. Le niveau d'accélération A (ms 2) auquel peut être soumise une structure dépend des masses respectives de la structure Es (Kg), et de l'équi page mobile Ee (Kg) ainsi que de la force nominale F (N) délivrée par le vibrateur A = F (1) Es + Ee La faible masse de l'équipage mobile du générateur de vibrations, conforme à l'invention, permet alors d'atteindre des fréquences élevées, donc des niveaux élevés d'accélération. Pour améliorer la faible dissipation thermique résultant de a fai ble masse de l'équipage mobile, l'invention prévoit d'alimenter la bobine d'une manière séquentielle et de refroidir l'ensemble au moyen d'un fluide réfrigérant en alternance avec les séquences d'alimentation. L'invention vise donc aussi un générateur de vibrations qui comprend un vibrateur comportant des bobines de champ alimentées en courant continu pour produire un champ magnétique inducteur, une bobine excitatrice montée sur l'équipage mobile, un dispositif de refroidissement des bobines, et des moyens de commande séquentielle de la source de courant continu, de la bobine mobile et du dispositif de refroidissement. Le générateur de vibrations selon l'invention et son mode de fonctionnement vont hêtre décrits à l'aide des dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une coupe d'un vibrateur électrodynamique selon l'invention. La figure 2 est une vue de l'équipage mobile dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention. La figure 3 est le schéma d'un générateur comprenant le vibrateur et ses moyens de commande. La figure 1 montre un vibrateur électrodynamique comprenant, de manière connue en soi, un électro-aimant qui comporte une pièce polaire annulaire 1 et des bobines de champ 2 alimentées par une source de courant continu et créant un champ électromagnétique constant dans un entrefer annulaire. Un équipage mobile 3, placé dans l'entrefer, comporte une bobine 4 alimentée par les signaux délivrés par une source de courant alternatif non représentée sur la figure. La bobine 4, en forme d'anneau cylindrique, est portée par un support 5 qui comprend une partie centrale cylindrique 6 et des ailettes 7 disposees transversalement en étoile. L'extrémité supérieure de la partie cylindrique 6 est perçée et taraudée pour permettre la fixation de la pièce à soumettre aux vibrations. L'équipage mobile 3 est supporté de façon à pouvoir vibrer selon l'axe XX' lorsque la bobine 4 est alimentée en courant alternatif. A cet effet, deux anneaux 81 et 82 en élastomère sont intercalés dans l'entrefer ménagé entre la paroi intérieure de la face annulaire de la pièce polaire 1 et l'équipage mobile et sont en appui, d'une part, dans une gorge pratiquée dans la pièce polaire 1, et, d'autre part, dans des portées évidées 9 ménagées à la périphérie de chacune des ailettes. Les deux anneaux, maintenus sur la pièce polaire par collage,assurent le guidage et le rappel élastique de l'équipage mobile. Un anneau métallique 10, ou bague de coupe-circuit, est fixé sur la pièce polaire 1 pour réduire l'inductance de la bobine mobile et élargir la bande de fréquence utile de fonctionnement du vibrateur. Il est constitué par une bague métallique en cuivre déposée in situ par électrolyse. Un couvercle ll, permettant le démontage rapide de l'équipage mobile, est fixé au moyen d'une vis 12 et est prolongé par un voile anti-poussières 13, en nylon. Un système de refroidissement des bobines inductrices et mobile, non représenté sur la figure est relié aux orifices 14 et 15 et assure la circulation d'un fluide réfrigérant. Dans la forme de réalisation préférentielle de l'invention, ltéqui- page mobile, représenté figure 2, comporte 4 ailettes radiales planes disposées en croix 71, 72, 73, 74, en aluminium, encastrées dans la partie centrale cylindrique 6. La bobine 4 comprend un enroulement sur plusieurscou- ches séparées par une bande isolante de soie de verre de 5 à 10/100 mm d'un fil méplat en aluminium et elle est imprégnée à l'araldite. La périphérie de chaque ailette comporte des portées évidées 91,92 symétriquespar rapport au plan médian de la bobine 4. L'équipage mobile est relié à la partie fixe 1 (fig. 1) du vibrateur au moyen de deux bagues toriques qui le retiennent ainsi en 8 points. Le matériau constituant les bagues toriques est choisi pour conférer au système une faible raideur et permettre l'obtention de forces aux basses fréquences. Les fils 16 et 17 d'alimentation de la bobine mobile sont fixés sur les ailettes au moyen d'araldite pour éviter les détériorations auxquelles sont exposés des conducteurs longs et souples qui pendent librement et sont soumis au fouettement et à des vibrations de résonance lorsqu'une de leurs extrémités est soumise à des accélérations alternatives importantes. A titre d'exemple, un vibrateur représenté figure 1, dont le volume total est 5 dm3, doté d'un équipage mobile en aluminium représenté fig. 2 et dont la masse totale est d'environ 40 g , transmet, dans une bande de fréquences de 20 à 3000 Hz, des forces de valeur efficace 150 newtonsavec une accélération de 5000 ms La figure 3 est le schéma d'un générateur de vibrations conforme à l'invention, appliqué à l'étude de structures en ambiance vibratoire. Dans cette application, on met en oeuvre des moyens pour favoriser la dissipation de la quantité de chaleur produite par les bobines afin de limiter à une valeur raisonnable la température de l'enroulement de la bobine mobile. Ces moyens consistent à limiter les durées d'alimentation électrique des bobines et à faire circuler à l'intérieur du générateur, entre les périodes d'alimentation, un fluide réfrigérant. Le vibrateur 21 est alimenté au moyen d'un générateur électrique comprenant une source de courant continu 22 connectée aux bobines de champ et un générateur de signaux alternatifs 23 dont la sortie est reliée à l'entrée de la bobine mobile. Un dispositif de refroidissement à circulation d'air, comprenant une source d'air comprimé 24, une électrovanne 28 et u détendeur 25, refroidit les bobines par ventilation forcée dans le corps vibrateur. La source de courant continu 22, le générateur de courant alternatif 23 et l'électro-vanne 28 sont commandés à distance au moyen d'un dispo sitif automatique 20 qui contrale, en outre, par des liaisons 26 et 27,les les informations de température délivrées par des thermo-couples disposés au voisinage des bobines de champ et de la bobine mobile.Pour limiter la durée de passage de courant dans le bobinage, le dispositif 20 commande successivement aux instants to, tl... t5, le déroulement des opérations suivantes to - mise en service de la source de courant continu 22 alimentant les bobines de champ, tl - mise en service du générateur de signaux alternatifs 23 alimentant la bobine mobile, t2 - coupure des signaux délivrés par le générateur 23, t3 - mise hors service de la source 22, t4 - commande de l'électrovanne 28, t5 - remise à zéro du dispositif de commande 20 qui est ainsi prêt à commander une nouvelle séquence d'opérations. La commande de remise à zéro du dispositif 20 dépend de la température des bobines mesurée par les thermo-couples. A titre d'exemple, pour que la température dans les bobines n'excède pas 150 C les durées des séquences sont respectivement to - tl = 2 s tl - t2 = 10 s. t2 - t3 = 2 s t3 - t4 = 1 s. t4 - t5 = 45 s. REVENDICATIONS 1 - Générateur de vibrations mécaniques comprenant un vibrateur électrodynamique dans lequel un équipage mobile, muni d'une bobine d'excitation en forme d'anneau cylindrique, se déplace axialement, au moyen d'un dispositif de guidage et de rappel élastique, à l'intérieur d'un inducteur annulaire concentrique, et un dispositif de refroidissement, caractérisé en ce que la bobine d'excitation, alimentée au moyen d'un générateur de courant alternatif, est supportée par des ailettes radiales solidaires d'une colonne centrale et en ce que le dispositif de guidage et de rappel élastique est constitué par deux anneaux en élastomère intercalés dans l'entrefer inducteur suivant deux plans transversaux situés de part et d'autre de la bobine et à demi encastrés, d'une part, dans une gorge pratiquée dans la face annulaire interne de l'inducteur, et d'autre part, dans des portées ménagées à la périphérie de chacune des ailettes. 2 - Générateur de vibrations selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'équipage mobile comporte des ailettes planes. 3 - Générateur de vibrations selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'équipage mobile comporte des ailettes disposées en croix. 4 - Générateur de vibrations selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les anneaux sont des bagues toriques. 5 - Générateur de vibrations selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la bobine d'excitation comprend un enroulement en spirales, sur plusieurs couches, d'un fil méplat en aluminium. 6 - Générateur de vibrations comprenant un vibrateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, des moyens pour produire un champ inducteur comportant des bobines de champ alimentées par une source de courant continu, un générateur de signaux alternatifs connecté à la bobine d'excitation et un dispositif de refroidissement comportant une source d'air comprimé, une électrovanne et un détendeur, caractérisé en ce que la source de courant continu, le générateur de signaux alternatifs et l'électrovanne sont commandés successivement au moyen d'un dispositif automatique pour assurer un fonctionnement séquentiel.