Brevet FR2680483A1 — publié le 19930226

"Dispositif de régulation à filtres de fréquences pour régler l'entrefer de systèmes de sustentation électro- magnétique" L'invention concerne un dispositif de régulation muni de filtres de fréquences pour réguler les entrefers de systèmes de sustentation électro- magnétique entre une fondation et une machine. Selon le document DE-31 17 971, on connaît un moyen de régulation pour adapter de façon optimale quant à la puissance, l'entrefer de véhicules à sustentation électromagnétique, le moyen de régulation comportant des éléments non linéaires et servant à éliminer de la régulation, des incidents qui ne se produisent en principe que pendant une courte période. Pour cela, sur les segments de trajet à dérangement important de trajectoire, on augmente la valeur de consigne de l'entrefer Or, cette régulation présente l'inconvénient d'être une régulation d'un intervalle constant qui maintient l'entrefer à une valeur20 constante dépendant de la fréquence des parasites de trajet Cette régulation fonctionne ainsi comme un couplage rigide entre le véhicule d'une part et les segments de trajet d'autre part L'action de ce couplage se compare à une suspension mécanique dure25 dont la rigidité statique de ressort serait infiniment grande Un autre inconvénient de cette régulation est de ne pas présenter d'amortissement phonique dans la plage inférieure et la plage moyenne des fréquences sonores. Dans des bateaux ou des sous-marins, dans le cas de positionnement électromagnétique à l'aide de la régulation d'entrefer constant, (technique décrite au brevet DE-31 17 971) les vibrations nécessaires du système de sustentation correspondant, par exemple, aux unités d'alimentation en courant, aux machines motrices ou aux moteurs auxiliaires, sont transmises à la fondation et à la coque du navire ce qui présente le risque d'une localisation sonar Dans d'autres structures flottantes telles que des avions, des autobus, des chemins de fer ou des constructions en acier ou en béton renforcé, dans le cas d'une régulation constante de l'entrefer d'un système de support électromagnétique, il y a un couplage phonique de corps, important pour les machines dans la zone des fréquences phoniques moyennes et inférieures ce qui présente l'inconvénient d'un niveau sonore élevé. La présente invention a pour but de créer un dispositif de régulation correspondant au type défini ci-dessus, ainsi qu'une régulation pour des systèmes de sustentation électromagnétiques, offrant un amortissement phonique élevé, réduisant au minimum le bruit des corps et assurant le découplage des vibra- tions de la machine et des mouvements d'une structure susceptible d'entrer en oscillation. Ce problème est résolu selon l'invention en ce que le dispositif de régulation comporte des éléments d'un circuit de régulation copiant de manière électromagnétique un ressort mécanique à rigidité de ressort dépendant de la fréquence sonore variable et d'un moyen d'amortissement pour amortir le bruit et des filtres de fréquence pour les fréquences sonores. Un avantage de la solution de l'invention réside dans la rigidité de ressort, adaptable aux fréquences sonores et à l'amortissement du système de sustentation électromagnétique Dans les éléments du circuit de régulation, pour la copie électromagnétique d'un ressort mécanique à rigidité de ressort variable dépendant de la fréquence sonore et à amortissement, on associe les valeurs de rigidité de ressort et d'amortissement pour les fréquences sonores Dans le cas d'impulsions isolées et de variations de charge quasi statiques, le dispositif de régulation permet d'atteindre une rigidité élevée de ressort comme celle atteinte par la régulation d'intervalle constant d'un système de sustentation électromagnétique Pour les fréquences sonores moyennes, élevées et les ultra- sons, le dispositif de régulation donne une rigidité de ressort et un amortissement tendant vers zéro Une telle solution ne peut se réaliser que de manière approximative à l'aide des systèmes mécaniques usuels à ressort et amortisseur. L'invention résout ce problème des inconvénients liés au système de sustentation électromagnétique avec couplage du son des basses et moyennes fréquences. Selon une réalisation préférentielle de l'invention, la fondation comporte des bobines magnétiques avec des noyaux du système de sustentation électromagnétique et les induits correspondants sont placés dans le corps de la machine Cela offre l'avantage que la machine ne comporte que les éléments purement passifs du système de sustentation électromagnétique de sorte qu'il n'y a pas de câbles de passage de courant ni de bobines ou de noyaux de fer massifs du système de support électromagnétique qui augmenteraient la masse de la machine à sustenter. En outre, les éléments actifs du circuit de régulation tels que la bobine magnétique, l'ampèremètre, le capteur de trajet de flux magnétique et de force sont accessibles de manière très pratique pour l'entretien. Pour mesurer le flux magnétique comme résultant du passage du courant électrique dans les bobines magnétiques, on utilise de préférence des capteurs de flux magnétique montés dans le système de sustentation électromagnétique et qui coopèrent avec un organe de réglage de courant et un moyen de régulation pour régler et réguler le courant électrique traversant les bobines magnétiques. Selon une autre réalisation de l'invention, comme action du courant électrique à travers les bobines électromagnétiques, au lieu du flux magnétique, on utilise la force détectée à l'aide d'un capteur de force Pour cela, on a des boîtes de mesure dynamométrique dans la fondation entre les fondations et les noyaux magnétiques et qui coopèrent par un élément de circuit de régulation avec l'organe de réglage de courant pour le réglage de la rigidité de ressort et de l'amortissement en fonction de la fréquence du son. Ces réalisations de l'invention offrent l'avantage qu'à l'aide du dispositif de réglage de courant, des capteurs de flux magnétique et des boîtes de mesure dynamométrique, on peut faire passer un courant de compensation dépendant de la fréquence du son à travers les bobines magnétiques, ce courant étant réglé pour neutraliser les effets forcés du son sur les fondations et qui résultent de la machine. Pour une autre réalisation préférentielle de l'invention, le système de support ou sustentation électromagnétique comporte une second bobine magnétique (bobine de compensation) pour injecter des courants de compensation dans chaque palier électromagnétique Cela offre l'avantage que le dispositif de régulation peut commander un courant de compensation séparément, en fonction de la fréquence du son, ce courant pouvant être mis à un niveau facilement accessible sur le plan des mesures et de la régulation, par le libre choix du nombre de spires de la bobine de compensation. Pour améliorer le guidage du flux magnétique, on prévoit selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention du palier magnétique d'un système de support électromagnétique, des aimants circulaires ou annulaires avec des bobines annulaires et des noyaux en forme de pot, les capteurs de déplacement sont placés dans des perçages centraux des noyaux en forme de pot Les noyaux en forme de pot sont réalisés de préférence en un matériau faiblement ohmique, non sous forme de lamelles, pour développer des courants de Foucault intenses, ce qui s'est avéré comme particulièrement avantageux pour l'atténuation phonique d'ondes sonores de haute fréquence Un autre avantage de la réalisation des paliers électroma- gnétiques comme segments annulaires ou circulaires est la réduction du champ magnétique parasite à l'extérieur de l'entrefer et des pièces de fer conduisant le flux magnétique. Suivant une autre caractéristique avantageuse de l'invention, un élément du circuit de régulation comporte un filtre de fréquences assurant aux fréquences sonores basses et moyennes, une régulation active à l'aide de capteurs de flux magnétique ou de boîtes dynamométriques et des capteurs de déplacement pour le courant électrique traversant les bobines électromagnétiques et qui bloque la régulation active aux fréquences phoniques élevées Aux fréquences phoniques basses et moyennes, la régulation active assure la simulation électromagnétique d'un ressort mécanique à rigidité de ressort variable en fonction de la fréquence phonique et de l'atténuation pour l'amortissement du son Par un dimensionnement approprié des paliers électromagnétiques du système de support, les fréquences sonores élevées et ultra soniques des oscillations de l'entrefer créent des forces antagonistes avantageuses s'exerçant sur la fondation comme résultant des tensions induites par les variations de l'entrefer et du courant ainsi créé dans les bobines et des courants de Foucault dans le fer du circuit magnétique La rigidité du ressort s'annule ainsi pour les fréquences phoniques élevées et celles des ultrasons, pour assurer un amortissement complet du son engendré par le corps. Un avantage important de l'invention est que ce dispositif de régulation permet de réaliser de préférence des dispositifs pour le support avec amortissement phonique de machines à l'aide de systèmes de support électromagnétique ayant plus de trois paliers électromagnétiques par direction dans l'espace, sans induire dans la machine des couples de flexion ou autres contraintes Il est inutile d'utiliser de coûteux calculateurs ou unités de régulation, principales, pour compenser de tels couples de flexion ou de telles contraintes, ce qui est avantageux, lorsque chaque palier électroma- gnétique d'un système de support sur-déterminé de manière statique, à plus de trois paliers par direction spatiale est équipé d'un dispositif de régulation selon l'invention. Une régulation préférentielle utilisant le dispositif de régulation selon l'invention prévoit que les courants électriques traversant les bobines des électro-aimants sont régulés par des organes de réglage d'intensité de façon que la fondation soit maintenue par trois forces alternées qui sont engendrées par les vibrations de la machine Des impulsions isolées telles que des chocs ou des contraintes brutales, ainsi que des contraintes permanentes, constantes, ou variant lentement, telles que des mouvements de roulis sont transmises par exemple aux fondations, de façon non amortie jusqu'à environ 5 Hz et sont amorties de façon croissante jusqu'à 15 Hz Au-delà de 15 Hz, la régulation réalise un amortissement phonique pratiquement égal à 100 % et qui pour 1000 Hz passe dans un amortissement phonique pratiquement égal à 100 % assuré par l'induction électromagnétique. La régulation selon l'invention est utilisée de préférence pour réguler l'intervalle et assurer l'isolation des oscillations pour des systèmes de support qui portent des ensembles fermés comprenant par exemple un moteur avec un générateur fournissant le courant, sur un bateau ou d'autres installations sensibles au bruit Lorsqu'on supporte un couple de la machine comme par exemple un moteur ou une machine engendrant une force, les courants électriques traversant les bobines des électro-aimants sont de préférence réglés, en plus en tenant compte du couple. Lorsqu'on transmet des puissances ou des accélérations, comme par exemple celles des moteurs de véhicule, on règle les courant électriques traversant les bobines des électro-aimants en tenant également compte de la puissance ou de l'accélération. Des exemples de réalisation préférentiels de l'invention seront décrits ci-après à l'aide des dessins annexés dans lesquels La figure 1 est schéma bloc d'un dispositif de régulation coopérant avec une masse à soutenir et un électro-aimant. La figure 2 montre un schéma d'un aimant circulaire pour réguler un amortissement acoustique. La figure 3 est un schéma d'un palier pour amortir le son engendré par un corps, en vue de face, avec des aimants de guidage et de support. La figure 4 montre le schéma d'un palier pour amortir le bruit engendré par un corps, et comportant des aimants de guidage et de support pour un groupe embarqué dans un bateau, l'ensemble étant vu de dessus. La figure 1 représente un schéma bloc d'un dispositif de régulation composé d'un élément de circuit de régulation 1 et d'un élément de circuit de régulation 5 coopérant avec une masse 2 à soutenir et un électro-aimant 3 L'élément de circuit de régulation 1 comprend comme partie intégrante un organe de régulation et un organe de réglage du courant traversant les bobines de l'électro- aimant 3 et le cas échéant d'un autre organe de régulation et d'un autre organe de réglage du courant traversant une seconde bobine électromagnétique pour réguler et commander des courants de compensation destinés à neutraliser les efforts exercés sur la fondation De plus, des filtres de fréquences sont montés dans l'élément de circuit de régulation 1 Ces filtres pondèrent les fréquences parasites 8 et règlent les courants traversant les bobines des électro-aimants à l'aide de capteurs 4, 6 sous la forme de capteurs de déplacement et d'une boîte dynamométrique ou d'un capteur de flux magnétique en coopérant avec l'élément de circuit de régulation 5 pour représenter une caractéristique de ressort (rigidité du ressort et amortissement) par l'élément de circuit de régulation 1 On simule ainsi dans la plage des fréquences comprise entre 5 et 15 Hz pour l'électro-aimant 3, un ressort mécanique à transfert dynamique de force décroissante vers les fréquences plus élevées. Dans la plage de fréquences comprise entre Hz et 1000 Hz, le capteur 6 détermine la grandeur caractéristique de la force magnétique alternative et asservit le courant traversant les bobines électromagnétiques de façon à s'opposer au flux magnétique et ainsi à la variation des forces Ainsi, malgré les variations de l'entrefer engendrées par les vibrations de la masse 2 comme par exemple dans le cas d'un groupe électrogène formé d'un moteur et d'un alternateur, le flux magnétique est maintenu constant, si bien qu'aucune force alternative n'est transmise par exemple à des électro-aimants situés au niveau des fondations. Comme grandeur caractéristique de la force alternative, on peut détecter le flux magnétique alternatif dans l'entrefer par un capteur de flux magnétique 6 composé par exemple d'une bobine d'induction ou d'une boîte dynamométrique ou de plaquette dynamométrique. Le courant traversant les bobines des électro-aimants est détecté par un capteur de courant 7. La figure 2 montre le schéma d'un aimant circulaire 9 pour la régulation servant à l'amortissement acoustique L'aimant circulaire 9 comprend un noyau de fer 10 en forme de pot, ce qui réduit au minimum le flux parasite dans l'environnement Au centre de l'aimant circulaire, il y a un perçage central 11 recevant un capteur de déplacement La bobine électromagnétique 12 est placée coaxialement à l'intérieur du noyau de fer et cette bobine n'est pas recouverte par le noyau de fer du côté de l'entrefer 13 L'induit 14 de l'électro-aimant est relié solidairement à la machine à soutenir alors que la bobine électromagnétique 12 et le noyau de fer sont portés par les fondations. La bobine électromagnétique 12 doit être alimentée par le dispositif de réglage de courant de l'élément du circuit de réglage avec des courant importants quasi statiques (entre O et 15 Hz) avec une intensité de l'ordre de 10 A pour soutenir une machine. Pour l'amortissement actif dans la plage des fréquences comprises entre 15 Hz et 100 Hz, on superpose à ces courants quasi statiques (entre O et Hz) des courants du domaine de m A par le dispositif de régulation selon l'invention Les courants induits dans la bobine électromagnétique par les variations de l'entrefer résultant de vibrations d'une fréquence supérieure à 1000 Hz doivent traverser l'organe de réglage de courant sans que celui-ci n'assure un asservissement La régulation active est bloquée pour de telles fréquences. Pour réaliser un amortissement propre important de l'électro- aimant 3, on réalise la bobine de l'électro-aimant 12, le noyau de fer 10 et l'induit 14 de l'électro-aimant pour que les courants induits par les variations d'entrefer et appartenant à la plage des fréquences acoustiques, soient aussi importants que possible et puissent passer sans être gênés par la régulation active Pour cela, la largeur de la fenêtre de l'enroulement des bobines magnétiques 12 dans le noyau de fer 10 est relativement grande par rapport à la hauteur de la fenêtre de l'enroulement et la bobine électromagnétique 12 est faiblement ohmique. il Le matériau du noyau de fer qui conduit le flux magnétique et l'induit de l'électro-aimant ne sont pas formés de lamelles contrairement à la pratique des noyaux de fer des transformateurs; ces pièces sont réalisées de manière massive en un matériau à aimantation douce, à bonne conduction électrique, pour que des courants de Foucault intenses se développent de manière à augmenter l'amortissement propre. Une autre réalisation de l'aimant circulaire prévoit que l'aimant comprenne deux bobines magnétiques avec un noyau de fer 10 dans la position de la bobine 12 Une bobine est réalisée comme bobine de support avec un grand nombre de spires recevant une puissance importante du régulateur de courant La seconde bobine sert de bobine de compensation; elle comporte un nombre plus réduit de spires et reçoit une puissance plus faible du second régulateur d'intensité Le régulateur d'intensité de la bobine de support n'a pas à assurer les exigences de précision aussi élevées pour réguler l'amortissement acoustique. En outre, les courants nécessaires à l'amortissement acoustique actif, dans la bobine de compensation ne sont plus dans le domaine des m A du fait du nombre de spires plus faible de cette bobine; au contraire ces courants peuvent être relevés dans une plage plus facile pour les techniques de régulation La demande de puissance plus faible de la bobine de compensation permet l'utilisation d'un amplificateur de puissance non cadencé pour le second organe de réglage de courant servant à l'amortissement acoustique actif. La figure 3 montre le schéma d'un palier à amortissement phonique du corps d'un groupe générateur 19 avec un aimant de guidage 17 et un aimant de support 18, en vue de face, reposant sur les fondations 20 d'un navire Pour l'amortissement acoustique, l'aimant de guidage 17 et l'aimant de support 18 sont conçus pour que la régulation selon l'invention fonctionne entre un châssis 21 portant les noyaux et les bobines des aimants et le groupe d'alimentation 19 équipé des induits correspondants des électro-aimants Pour absorber les contraintes impulsionnelles en forme de chocs, on a des absorbeurs de chocs 23 entre le châssis 21 et les fondations 20. Pour régler la rigidité et l'amortissement du ressort dans l'élément de circuit de régulation (figure 1 bloc 5), on fait en sorte qu'en cas de mouvement de roulis et de tangage du navire ou en cas de slamming du véhicule, la machine 24 soit portée et guidée dans les limites étroites de l'entrefer 29. Pour des fréquences acoustiques inférieures à 15 Hz, on simule à l'aide du dispositif de régulation, des ressorts mécaniques dans les paliers électromagnétiques suivant les réglages de l'élément de circuit de régulation (figure 1, référence 5) la rigidité et l'amortissement du ressort diminuant alors avec la fréquence Dans la plage des fréquences supérieures à 15 Hz, la machine 19, 24 soutenue, peut vibrer librement entre les entrefers 29 sans que les forces ne soient transmises au châssis 21 ou aux fondations 20 Pour des fréquences supérieures à 1000 Hz, l'amortissement propre par les courants induits dans la bobine et les courants de Foucault dans les électro-aimants 17 et 18 est tellement élevé que sans régulation active, le son n'est pas transmis aux fondations. La figure 4 montre le schéma d'un palier à amortissement du son du corps en vue de dessus dans le cas d'un groupe d'alimentation 19 d'un navire comprenant un moteur 28 et un générateur 27 Le montage comporte deux aimants de guidage et de support 17, 18 Le grand nombre des paliers nécessaires avec des aimants de guidage longitudinal 25 de guidage transversal 26 et le support 18, montre clairement les contraintes qu'un tel système de support et de guidage exerce sur un groupe embarqué 24, si les paliers électromagnétiques comportent des régulateurs d'intervalle constant sans régulateur principal Dans cet exemple, chaque palier pris séparément est équipé du système de régulation selon l'invention qui simule dans l'entrefer, un ressort mécanique pour des contraintes permanentes et alternées, intenses, à des fréquences inférieures à 15 Hz. R E V E N D I C A T I O N S 1) Dispositif de régulation pour assurer la régulation de système de support ou de sustentation électromagnétique à entrefer, entre des fondations et une machine, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte des éléments de circuit de régulation ( 1 et ) pour la simulation électromagnétique d'un amortissement mécanique et d'un ressort à rigidité variable dépendant de la fréquence du son, pour assurer l'amortissement phonique, l'élément de circuit de régulation comportant en plus d'un organe de réglage de courant, des filtres de fréquences conçus pour qu'aux fréquences basses et moyennes du son, il réalise une régulation active à l'aide de capteurs de flux magnétique ( 6) et/ou de boîtes dynamométriques et/ou de capteurs de déplacement ( 4) pour le courant électrique traversant les bobines magnétiques et que cette régulation active soit bloquée aux fréquences phoniques élevées. 2) Dispositif de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines d'électro-aimants ( 12) avec les noyaux magnétiques ( 10) du système de sustentation électromagnétique sont prévus sur les fondations et en ce que l'induit correspondant ( 14) de l'électro-aimant est associé à la machine. 3) Dispositif de régulation selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le système de sustentation électromagnétique comporte une deuxième bobine pour injecter des courants de compensation pour chaque palier électromagnétique. 4) Dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système de sustentation électromagnétique comporte des capteurs de flux magnétique ( 6) qui coopèrent avec un organe de réglage de courant pour régler le courant électrique alimentant les bobines électromagnétiques ( 12, 15, 16). ) Dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les fondations comportent des boîtes dynamométriques placées entre les fondations et les noyaux d'électro- aimants ( 10) et ces boîtes coopèrent avec l'organe de réglage d'intensité pour régler la rigidité et l'amortissement des ressorts en fonction de la fréquence du son. 6) Dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le système de sustentation électromagnétique comporte des paliers électromagnétiques formés d'aimants annulaires avec une bobine annulaire et un noyau en forme de pot, le noyau comportant un perçage central ( 11) pour recevoir des capteurs de déplacement ( 4). 7) Dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les noyaux en forme de pot et les induits correspondants ( 14) sont réalisés en un matériau non lamellé, (stratifié) faiblement ohmique pour développer des courants de Foucault intenses. 8) Dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément de circuit de régulation ( 1) comporte des filtres de fréquences qui réalisent une régulation active à l'aide des capteurs de flux magnétique ( 6) ou des boîtes dynamométriques et des capteurs de déplacement ( 4) du courant électrique traversant les bobines des électro-aimants aux fréquences basses et moyennes du son, alors qu'aux fréquences sonores élevées, ces moyens bloquent la régulation active. 9) Dispositif pour soutenir des machines avec amortissement du son engendré par le corps des machines par un dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le système de sustentation électromagnétique comporte plus de trois paliers électromagnétiques par direction spatiale avec chaque fois un dispositif de régulation par palier. ) Régulation de système de sustentation électromagnétique à l'aide du dispositif selon la revendication 9 ou du dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les courant électriques sont régulés à travers les bobines des électroaimants par des organes de réglage de courant de façon que les forces alternatives engendrées par les vibrations de la machine ne soient pas induites dans les fondations. 11) Régulation selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'à l'aide des éléments de circuit de régulation ( 1 et 5) simulant de manière électromagnétique une caractéristique de ressort avec une rigidité et un amortissement de ressort dépendant de la fréquence, est maintenue selon la fonction de support prédéterminé aux basses fréquences inférieures à 5 Hz et cette régulation règle un amortissement et une rigidité décroissante lorsque la fréquence du son augmente, pour une plage de fréquences comprises entre et 1000 Hz et cette régulation assure un amortissement et une rigidité de ressort tendant vers zéro pour des fréquences de son, élevées supérieures à 1000 Hz. 12) Régulation selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que les courants électriques à travers les bobines des électro-aimants sont commandés dans le cas du soutient de groupe formé du moteur et de la machine, en fonction de la position et du poids. 13) Régulation selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisées en ce que les courants électriques à travers les bobines des électro-aimants pour le soutient de machine motrice de véhicule sont commandés en fonction de la puissance de l'accélération et du couple.