Brevet FR2721150A1 — publié le 19951215

La présente invention concerne le domaine technique des moyens conçus pour assurer la conversion d'une énergie électrique en une énergie mécanique par application de la loi de Laplace. L'invention vise, plus précisément, les systèmes appelés habituellement générateurs de vibrations conçus pour convertir un courant électrique variable dit de pilotage, en efforts et déplacements variables pouvant être qualifiés de vibratoires. Les générateurs de vibrations trouvent une première application avantageuse relevant de l'analyse vibratoire et visant la mesure de caractéristiques dynamiques d'un matériau, d'une structure, d'un système ou d'un capteur par exemple. Il s'avère, également, particulièrement avantageux d'utiliser les générateurs de vibrations dans le domaine de l'application de vibrations antagonistes à des vibrations présentées par un objet ou un système en fonctionnement, de façon à réduire l'impact des vibrations dans leur environnement. D'une manière plus précise, les générateurs de vibrations peuvent ainsi être utilisés par exemple pour le contrôle actif des vibrations transmises par le groupe motopropulseur des véhicules, de façon à réduire notamment le bruit dans l'habitacle, ou à bord d'un navire pour lui permettre de rester silencieux, à savoir furtif, D'une manière connue, un générateur de vibrations électrodynamiques comporte un aimant associé à une pièce polaire statique délimitant un entrefer à l'intérieur duquel une bobine se déplace en translation. La bobine, qui est placée dans le champ d'induction magnétique créé par l'aimant, est parcourue par un courant de commande, de sorte que la bobine est soumise à une force dite de Laplace entraînant son déplacement. Des générateurs existent dans une très large gamme de forces d'excitation vibratoires (de quelques Newtons à plus de 100 KN), mais au prix de masses d'encombrements et de coûts de réalisation très élevés. Les générateurs habituels sont dimensionnés de manière à obtenir des accélérations élevées, c'est-à-dire que la masse des éléments mobiles (bobine, support de bobine) ou partiellement mobiles (ressort de guidage et de rappel vers la position d'équilibre) est minimisée. Or, il s'avère que dans beaucoup d'applications, ces générateurs sont associés à des structures de masse très importante (plusieurs dizaines de kg). Dans ce cas, le dimensionnement optimal du générateur conduit à une masse de cuivre (qui constitue la bobine) approximativement égale à celle de l'aimant utilisé. Dans ce cas, les générateurs de structure habituelle présentent une très forte inductance de la bobine, une masse et un encombrement importants des pièces polaires et une fragilité particulière du dispositif élastique de guidage et de rappel de la bobine, le plus souvent constitué de lames ajourées. Par ailleurs, le champ magnétique secondaire créé par la bobine est susceptible d'entraîner la démagnétisation de l'aimant. L'objet de la présente invention vise donc à remédier aux inconvénients énoncés ci-dessus en proposant un générateur de vibrations électrodynamiques conçu pour réduire, de façon importante, la masse des pièces polaires par rapport aux solutions existantes, et ce, pour une puissance équivalente. L'objet de l'invention vise également à offrir un générateur de vibrations électromagnétiques adapté pour diminuer de façon importante les pertes de rendement et pour minimiser le champ démagnétisant susceptible de dégrader irréversiblement les aimants lors d'utilisations extrêmes avec des courants électriques excessifs. Un autre objet de l'invention est également de proposer un générateur de vibrations électromagnétiques conçu pour assurer une meilleure rigidité des bobines et simplifier leur guidage. Pour atteindre les divers objectifs ci-dessus, le générateur de vibrations électrodynamiques selon l'invention, est du type multipolaire et comporte au moins un système élémentaire multipolaire comprenant - une pièce polaire statique, - une pièce polaire mobile placée à distance et en vis-à-vis de la pièce polaire statique, - au moins deux moyens créant chacun un champ d'induction magnétique s'établissant entre les deux pièces polaires et présentant entre eux un sens contraire, lesdits moyens étant montés l'un à côté de l'autre sur l'une des pièces polaires, - et au moins deux bobines montées l'une à côté de l'autre sur l'autre pièce polaire en étant placées chacune dans un champ d'induction magnétique différent, les bobines étant parcourues par des courants de sens contraire, de manière à obtenir la création d'une force adaptée pour déplacer la pièce polaire mobile. Le générateur de vibrations électrodynamiques selon l'invention comporte ainsi au moins un circuit magnétique multipolaire formé par une série de couples bobine-aimant alternativement polarisés. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une coupe en élévation illustrant le principe de fonctionnement d'un générateur multipolaire de vibrations électrodynamiques. La fig. 2 est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation d'un générateur multipolaire conforme à l'invention. Le générateur 1 de vibrations électrodynamiques, tel qu'illustré à la fig. 1, est du type multipolaire et, plus précisément, bipolaire. Le générateur 1 comporte, en effet, un système élémentaire multipolaire 2 comprenant une pièce polaire statique 3 montée à distance et en vis-à-vis d'une pièce polaire mobile 4 guidée en translation rectiligne par tous moyens appropriés non représentés. Le système multipolaire 2 comporte, également, au moins deux moyens 5, 6 créant chacun un champ d'induction magnétique B s'établissant entre les deux pièces polaires 3, 4 et présentant entre eux une polarité opposée ou un sens contraire. Dans l'exemple illustré, les moyens 5, 6 sont constitués par des aimants. Bien entendu, il pourrait être envisagé de réaliser les moyens 5, 6 de production du champ d'induction par l'intermédiaire d'électroaimants. Les aimants 5, 6 sont montés sur l'une des pièces polaires, à savoir la pièce polaire fixe 3 dans l'exemple illustré. Les aimants 5, 6 sont portés par la pièce polaire fixe 3 en étant situés l'un à côté de l'autre et en offrant chacun, une face principale 5,, 61 tournée vers la pièce polaire mobile 4 et une face principale opposée 52, 62 accolée à la pièce polaire statique 3. Chaque face 5,, 61 des aimants délimite ainsi un entrefer avec la pièce polaire mobile 4 placée en vis-à-vis. Par exemple, les faces 51 52 de l'aimant 5 sont polarisées respectivement Sud-Nord, tandis que les faces 6" 62 de l'aimant 6 sont polarisées respectivement Nord-Sud. Les aimants 5, 6 sont ainsi montés tête-bêche pour offrir des polarités alternées. Il s'ensuit que le flux des aimants se referme localement par proximité, de sorte que des lignes de flux statique s'établissent entre les pièces polaires 3, 4 à partir des aimants, en formant ainsi un circuit magnétique statique 7 commun aux deux aimants. Selon une caractéristique avantageuse, les aimants 5, 6 sont écartés l'un de l'autre, de manière que leurs bords voisins 5, 6, se trouvent distants l'un de l'autre, d'une mesure appropriée pour éviter que les lignes de champ se rebouclent d'un aimant sur l'autre. A titre d'exemple, I'écart entre les bords voisins des aimants est supérieur ou égal à l'épaisseur des aimants. Dans une variante préférée de réalisation, il peut être prévu de monter sur chacune des faces principales 5,, 61 des aimants, une plaque polaire non représentée, de forte perméabilité, par exemple réalisée en un matériau ferromagnétique doux, de sorte que par continuité à l'interface, les lignes de champ, qui sortent des plaques polaires, présentent une direction perpendiculaire à la face active des plaques. La mise en oeuvre de ces plaques polaires permet de limiter la perte des lignes de champ par effet de bord, dans la mesure où les lignes de champ sont redressées et canalisées entre les pièces polaires. Le système élémentaire multipolaire 2 comporte, également, au moins deux bobines 8, 9 montées sur l'autre pièce polaire, à savoir celle mobile 4 dans l'exemple illustré. Les bobines 8, 9, dont seulement quelques brins conducteurs 10, 11 sont dessinés sur la fig. 1, sont montées l'une à côté de l'autre, pour constituer deux couples d'aimants-bobines 5, 8 et 6, 9. Chaque bobine 8, 9 est placée dans l'entrefer d'un aimant respectivement 5, 6, en ayant leurs brins conducteurs 10, il placés selon une direction perpendiculaire à celle du champ d'induction magnétique B. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les bobines 8, 9 sont parcourues par des courants de sens contraire, de manière à obtenir, en combinaison avec le champ d'induction magnétique B, la création d'une force dite de Laplace adaptée pour déplacer les bobines 8, 9 et, par suite, la pièce polaire mobile 4 dans la direction fl. Sur le dessin de la fig. 1, le courant circulant dans la bobine 8 est dirigé de façon à rentrer dans le plan de la feuille, tandis que le courant circulant dans la bobine 9 est dirigé de façon à sortir du plan de la feuille. Bien entendu, il peut être envisagé d'obtenir le même effet en réalisant des bobinages de sens inversé pour les deux bobines alimentées par un courant de même sens. La répétition des pôles aimant/bobine présente l'avantage, à induction égale, de diviser la section des pièces polaires par le nombre de pôles, le flux des aimants se refermant localement par proximité. Il apparaît ainsi une diminution importante de la masse des pièces polaires pour la même puissance, car les flux magnétiques étant divisés ou fractionnés par le nombre de pôles, les sections des pièces polaires requises pour guider et fermer les lignes de champ sont réduites d'autant, tout en assurant les mêmes densités de flux magnétique suffisamment basses pour éviter le risque de saturation du circuit magnétique. Par ailleurs, le champ magnétique créé par la bobine est faible car les bobinages sont fractionnés et parce que le champ magnétique créé par les bobines ne traverse pas les aimants dar.s le sens de sa magnétisation. En effet, les lignes de flux dynamiques, représentées par le repère 12 sur la fig. 1, s'établissent de part et d'autre de chacun des couples bobine-aimant, en se refermant dans les pièces polaires 3, 4. De plus, il est à noter que les flux créés par chaque bobine successivement s'annulent mutuellement, à l'exception, toutefois, des flux de fuite non compensés apparaissant dans les entrefers. Il s'ensuit une réduction importante de self-inductance. Selon une variante de réalisation préférée, les bobines 8, 9 sont montées entre des éléments conducteurs non ferro-magnétiques 13 s'étendant à partir de la pièce polaire mobile 4, en saillie pour venir s'établir sensiblement jusqu'au plan contenant l'enveloppe extérieure des bobines. Les éléments conducteurs 13 sont destinés à diminuer encore l'inductance haute fréquence des bobines en bloquant le flux par effet de peau. Selon une autre caractéristique de l'invention, L'aimant 5, 6 et la bobine 8, 9 associée possèdent des surfaces en regard, dont les dimensions sont sensiblement identiques. De préférence, la mesure de la bobine prise dans la direction de déplacement f1 est légèrement supérieure à celle de l'aimant associé, de façon que toute la face 5,, 6, d'un aimant se trouve en vis-à-vis de la bobine correspondante, même lorsque la pièce polaire mobile 4 se trouve dans des positions extrêmes de déplacement. Il est à noter que pour obtenir un dimensionnement optimal du système, il convient de diminuer les pertes par effet Joule. Il s'ensuit, comme cela a été dit précédemment, que le volume d'un aimant doit être égal au volume de matériau constitutif de la bobine associée. Dans la mesure où les surfaces en regard, pour chaque couple bobine-aimant, sont sensiblement identiques, l'épaisseur de l'aimant est sensiblement égale à celle de la bobine. La fig. 2 illustre un exemple de réalisation d'un générateur de vibrations électrodynamiques I présentant une forme de révolution et comportant ainsi deux systèmes élémentaires bipolaires 2,, 22. Chaque système élémentaire 2,, 22 est ainsi défini de part et d'autre d'un plan de symétrie longitudinal passant par l'axe de révolution A du générateur. Selon cette variante de réalisation préférée, la pièce polaire statique 3 est réalisée sous la forme d'un tube externe, à l'intérieur duquel est montée, de manière concentrique, la pièce polaire mobile 4 constituée par un cylindre ou un tube interne. Le tube interne 4 est guidé en déplacement, à chacune de ses extrémités, à l'aide d'un système de liaison élastique 15. Chaque système 15 est constitué, par exemple, par un flasque 16 fixé sur une extrémité du tube interne 4 et montée fixement par l'intermédiaire d'une tige 17 et d'un écrou 18, sur un plot élastique 19 supporté par le tube externe 3. Les aimants 5 et 6 sont réalisés sous une forme annulaire en étant fixés sur la face interne du tube 3. Dans le même sens, les brins conducteurs des bobines 8, 9 sont enroulés autour du tube interne 4, de manière que la polarité de chacune des bobines 8, 9 se trouve inversée de part et d'autre du plan de révolution de l'ensemble, soit par câblage, soit à l'aide du sens du courant. Dans cette variante de réalisation, les éléments conducteurs non ferromagnétiques 13 sont constitués par des bagues réalisées, par exemple, en laiton et fixées sur le tube interne 4 pour venir s'établir à chacune des extrémités des bobines 8, 9. Selon une autre caractéristique avantageuse, le tube interne 4 est aménagé pour comporter une ou plusieurs lumières 21 s'étendant sur au moins toute la longueur de chacune des bobines 8, 9, de façon à éviter la création d'une force antagoniste. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. A cet effet, il doit être noté qu'il peut être prévu de réaliser un générateur de vibrations électrodynamiques dont le système élémentaire multipolaire comporte un nombre de pôles ou de couples aimant-bobine supérieur à deux. II peut ainsi être envisagé de placer successivement côte à côte, selon le principe défini ci-dessus, un nombre plus important de couples aimant-bobine en fonction de l'application visée. Dans le même sens, il doit être considéré qu'il peut être intéressant, dans certaines applications de réalisation, un générateur de vibrations électrodynamiques comportant un nombre de systèmes élémentaires multipolaires supérieur à deux. Par exemple, il peut être prévu de monter, à l'intérieur du tube interne 4 ou à l'extérieur du tube externe 3, un ou plusieurs systèmes élémentaires multipolaires conformes à l'invention. De même, il est à noter que la position des bobines et des aimants peut être intervertie, de sorte que les bobines se trouvent fixées sur la pièce polaire fixe 3, tandis que les aimants sont portés par la pièce polaire mobile 4. REVENDICATIONS: 1 - Générateur multipolaire de vibrations électrodynamiques, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un système élémentaire multipolaire (2) comprenant - une pièce polaire statique (3), - une pièce polaire mobile (4) placée à distance et en vis-à-vis de la pièce polaire statique, - au moins deux moyens (5, 6) créant chacun un champ d'induction magnétique s'établissant entre les deux pièces polaires (3, 4) et présentant entre eux un sens contraire, lesdits moyens étant montés l'un à côté de l'autre sur l'une des pièces polaires, - et au moins deux bobines (8, 9) montées l'une à côté de l'autre sur l'autre pièce polaire en étant placées chacune dans un champ d'induction magnétique différent, les bobines (8, 9) étant parcourues par des courants de sens contraire, de manière à obtenir la création d'une force adaptée pour déplacer la pièce polaire mobile. 2 - Générateur multipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines (8, 9) sont montées entre des éléments conducteurs non ferromagnétiques (13) s'étendant à partir de la pièce polaire permettant de limiter le champ magnétique créé par les bobines. 3 - Générateur multipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (5, 6) de création des champs d'induction magnétique sont constitués chacun par un aimant. 4 - Générateur multipolaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque aimant (5, 6) est pourvu, sur sa face délimitant l'entrefer avec une bobine associée, d'une plaque polaire à forte perméabilité à partir de laquelle les lignes de champ s'établissent selon une direction perpendiculaire à la plaque. 5 - Générateur multipolaire selon l'une des revendications l à 4, caractérisé en ce que chaque aimant (5, 6) possède un volume sensiblement égal au volume de la bobine (8, 9) associée. 6 - Générateur multipolaire selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque aimant (5, 6) et bobine (8, 9) associée possèdent des surfaces en regard de dimensions sensiblement identiques. 7 - Générateur multipolaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce polaire (4) portant les bobines (8, 9) est aménagée pour présenter une lumière (21) s'étendant sur la longueur de chacune des bobines, de façon à éviter la création d'une force antagoniste. 8 - Générateur multipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces polaires (3, 4) sont réalisées sous la forme d'un cylindre interne monté concentriquement à l'intérieur d'un tube externe, les moyens (5, 6) de création des champs d'induction et les bobines (8, 9) étant réalisés sous la forme d'anneaux montés entre les deux tubes polaires, de manière à constituer un double système élémentaire multipolaire. 9 - Générateur multipolaire selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un autre système élémentaire multipolaire placé à l'intérieur du tube polaire interne et/ou à l'extérieur du tube polaire externe.