Brevet FR2909493A1 — publié le 20080606

La présente invention concerne un procédé d'amortissement du déplacement sous l'action d'une force extérieure d'au moins un piston d'un moteur électrodynamique linéaire. L'invention concerne également un circuit d'alimentation d'une bobine d'induction d'un moteur électrodynamique linéaire pour la mise en oeuvre dudit procédé. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des machines cryogéniques à cycle alterné, machines Stirling ou tubes à gaz pulsé, mettant en oeuvre des moteurs électrodynamiques linéaires à pistons, et plus spécialement les machines cryogéniques destinées à être io embarquées dans des engins spatiaux tels que les satellites d'observation de la Terre. Dans cette application, les moteurs électrodynamiques linéaires jouent le rôle de compresseur du fluide utilisé, de l'hélium par exemple. Le principe de fonctionnement d'un moteur électrodynamique linéaire est basé sur la génération par des bobines d'induction de forces magnétiques 15 cycliques qui viennent animer d'un mouvement rectiligne au moins une masse mobile, ou piston, montée sur un palier mécanique, lequel développe du fait de sa construction une force de rappel élastique axiale proportionnelle au déplacement du piston. Ce dernier est donc caractérisé par une fréquence de résonance mécanique déterminée par la masse mobile, la raideur du palier, la 20 raideur magnétique et la charge fluidique. Le pilotage du moteur consiste alors à appliquer aux bobines d'induction un courant d'excitation à la fréquence de résonance mécanique du piston et de son palier, de manière à obtenir une amplification naturelle du mouvement de déplacement du piston. 25 Cependant, l'efficacité d'un tel mécanisme dépend en grande partie des forces d'amortissement, notamment de frottement, qui tendent à s'opposer au mouvement du piston proportionnellement à sa vitesse. En effet, la performance optimale est obtenue lorsque l'amplification naturelle à la résonance mécanique est maximale, c'est-à-dire lorsque les forces 30 d'amortissement du piston sont minimales. C'est pourquoi de gros efforts ont été faits, lors de la conception de ce type de moteurs, pour minimiser les causes d'amortissement au niveau du piston. 2909493 2 Il en résulte, par conséquent, que de tels moteurs présentent des propriétés d'amortissement très réduites, ce qui les rend particulièrement sensibles aux sollicitations mécaniques externes, vibrations et chocs notamment. En effet, toute vibration ou choc appliqué aux interfaces du 5 moteur, proche de la fréquence de résonance mécanique, se trouve amplifié par le piston. Ceci se traduit par des oscillations du piston de forte amplitude, supérieure aux limites physiques imposées par les dimensions du compresseur. Des chocs internes peuvent alors se produire entre le piston et les butées mécaniques du compresseur, engendrant ainsi différents types de io dommage susceptibles d'altérer les performances du moteur en termes d'efficacité et de durée de vie. On comprend que ces inconvénients soient particulièrement préjudiciables dans le cas de moteurs devant être embarqués dans des engins spatiaux. L'environnement mécanique sévère durant le lancement des 15 engins induit en effet des vibrations et des chocs répétés des pistons des moteurs contre le carter des compresseurs. De plus, compte tenu des durées de vie demandées, de 5 à 10 ans, il est non seulement nécessaire de franchir sans dommage l'étape de lancement, mais aussi d'assurer un fonctionnement optimal pendant la durée complète de la mission. Or, les chocs subis pendant 20 la durée du lancement ne permettent pas de garantir ces objectifs et constituent une cause potentielle d'échec de la mission. Différentes solutions ont déjà été proposées pour limiter le déplacement des pistons de moteurs électrodynamiques linéaires lorsqu'ils sont sollicités par des forces extérieures, telles que chocs et vibrations. 25 Une première solution consiste à court-circuiter les bobines d'induction du moteur. Lorsque le piston est mis en mouvement par des charges mécaniques externes, le flux magnétique dans les bobines varie, et, si les bobines sont court-circuitées, une force contre-électromotrice apparaît dans les bobines selon la loi de Lenz et génère une force magnétique qui s'oppose 30 au déplacement du piston, ce qui crée un amortissement. Cependant, dans cette solution connue, la force magnétique générée reste faible et insuffisante pour amortir les hauts niveaux vibratoires, d'autant 2909493 3 qu'elle est définie par les dimensions physiques fixes des bobines et des aimants et n'est donc pas ajustable. Une deuxième solution propose d'implémenter dans le compresseur des capteurs de position pour connaître à tout moment la position et la vitesse 5 des pistons. Une électronique de pilotage interprète ces informations et fournit l'énergie électrique nécessaire pour maintenir les pistons à leur position neutre. Les inconvénients de cette solution sont une implémentation de capteurs de position difficile, coûteuse et risquée en termes de fiabilité et de io durée de vie, ainsi qu'une électronique de contrôle complexe et également coûteuse. Une troisième solution consiste à introduire dans le compresseur un mécanisme de blocage du piston. Cette dernière solution est très difficile à réaliser en pratique et risquée 15 en terme de fiabilité. Aussi, un but de l'invention est de proposer un procédé d'amortissement du déplacement sous l'action d'une force extérieure d'au moins un piston d'un moteur électrodynamique linéaire comprenant au moins une bobine d'induction à laquelle le piston est magnétiquement couplé, qui 20 permettrait d'obtenir que l'amplitude de la force d'amortissement générée soit ajustable à l'intensité de la force extérieure appliquée au piston, même lorsque cette intensité est très élevée, et ceci sans avoir recours à une implantation intrusive d'équipements supplémentaires, tels que des capteurs de position ou de vitesse. 25 Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait que ledit procédé comprend les étapes consistant à : - détecter dans ladite bobine d'induction un courant induit par ledit déplacement du piston, - générer et appliquer à la bobine d'induction un courant d'amortissement 30 amplifié par rapport audit courant induit. De même, un circuit d'alimentation d'une bobine d'induction d'un moteur électrodynamique linéaire pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, est remarquable en ce que ledit circuit d'alimentation comprend : 2909493 4 - une source de tension destinée à fournir un courant d'excitation à ladite bobine d'induction, - un premier module de détection de courant apte à fournir un premier signal proportionnel audit courant d'excitation, 5 - un deuxième module de détection de courant apte à fournir un deuxième signal proportionnel à un courant amplifié par rapport audit courant d'excitation, - un amplificateur différentiel apte à fournir et appliquer à ladite source de tension un signal de commande proportionnel à la différence entre lesdits io premier et deuxième signaux fournis respectivement par lesdits premier et deuxième modules de détection. Ainsi, on comprend que l'invention permet de limiter le déplacement du piston dû aux vibrations et aux chocs en introduisant un amortissement actif du mouvement du piston. Cet amortissement additionnel est réalisé par le 15 biais du moteur qui génère une force magnétique qui s'oppose au mouvement du piston proportionnellement à sa vitesse. Il ne s'agit donc pas d'un contrôle actif du déplacement du piston, au moyen de capteurs par exemple, mais d'une force d'amortissement autorégulée qui s'amplifie avec la vitesse de déplacement du piston. 20 On remarquera également que l'amortissement recherché est réalisé par un dispositif externe au moteur, ne nécessitant aucun aménagement intérieur particulier ni aucun mécanisme pouvant en diminuer la fiabilité. En outre, le circuit électronique associé est réduit à une chaîne d'amplification simple de conception et peu coûteuse en comparaison avec 25 une électronique de contrôle dédiée. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'un moteur 30 électrodynamique linéaire. La figure 2 est un schéma d'un circuit d'alimentation des bobines d'induction du moteur de la figure 1. 2909493 5 La figure 3 est un graphe donnant le déplacement du piston en échelle logarithmique en fonction de la fréquence de vibration pour plusieurs valeurs du gain G. Sur la figure 1 est représenté un moteur électrodynamique linéaire 5 destiné par exemple à être intégré en tant que compresseur dans une machine cryogénique à cycle alterné du type Stirling, tube à gaz pulsé ou autre, et machines cryogéniques à flux continu du type Joule-Thomson. Le moteur de la figure 1 comporte deux pistons 10, 20 chargés de comprimer un fluide cryogénique, comme de l'hélium. io En fonctionnement, les deux pistons 10, 20 se déplacent en sens contraire parallèlement à l'axe X-X du moteur selon un mouvement alternatif dont la fréquence est choisie sensiblement égale à la fréquence fo de résonance de l'ensemble électromoteur et sa charge fluidique, cette fréquence fo étant définie essentiellement par la masse mobile, la raideur des 15 paliers, la raideur magnétique et la charge fluidique. Une valeur typique de fréquence de résonance est par exemple de 50 Hz. A cette fréquence, l'amplitude du mouvement des pistons est alors maximale et n'est limitée que par les forces d'amortissement dues aux divers frottements mécaniques, lesquels sont rendus les plus faibles possible pour une efficacité maximale du 20 moteur. Par ailleurs, le mouvement alternatif des pistons est obtenu en appliquant à des bobines 11, 21 d'induction un courant d'excitation périodique à la fréquence fo de résonance, ici de 40 Hz. Le couplage magnétique des pistons 10, 20 avec les bobines 11, 21 est réalisé au moyen d'aimants 25 permanents portés par les pistons. Hors fonctionnement, en particulier au cours de la phase de lancement d'un engin spatial dans lequel le moteur de la figure 1 est embarqué, les pistons sont libres, et, de ce fait, peuvent être le siège de forces extérieures de vibrations et de chocs dont la composante à une fréquence f, de 30 résonance, correspondant à un cas sans charge fluidique, est naturellement amplifiée, ceci d'autant plus que l'amortissement est très faible du fait que dans cette configuration la charge fluidique sur le compresseur est négligeable. Tout se passe comme si le compresseur ne contenait pas de 2909493 6 fluide susceptible d'opposer une résistance hydrodynamique au mouvement des pistons. L'amplitude du déplacement des pistons devient alors très importante, dépassant la course maximale autorisée. Il en résulte un risque de chocs des pistons contre les butées mécaniques du compresseur, ce qui peut 5 entraîner de sérieuses dégradations des performances du moteur. Afin de remédier à cette situation, l'invention propose d'utiliser un circuit d'alimentation des bobines 11, 21 d'induction du type de celui représenté sur la figure 2. D'une manière générale, ce circuit permet, d'une part, de fournir aux io bobines le courant d'excitation nécessaire au fonctionnement nominal du moteur, et, d'autre part, d'amortir le déplacement des pistons lorsque le moteur est hors fonctionnement, les pistons étant montés libres, lors d'une phase de lancement par exemple. L'amortissement du déplacement des pistons est obtenu par la mise en oeuvre d'un procédé consistant dans un 15 premier temps à détecter dans les bobines 11, 21 d'induction un courant induit par le déplacement des pistons, puis à générer et appliquer aux bobines d'induction un courant d'amortissement amplifié par rapport au courant induit. Ce courant d'amortissement produit sur les pistons une force électromagnétique opposée au mouvement et dont l'amplitude varie 20 proportionnellement à la vitesse de déplacement des pistons avec un coefficient de proportionnalité égal au gain d'amplification appliqué. Il s'agit donc d'un mécanisme d'amortissement autorégulé et ajustable dont le gain peut être choisi à volonté en fonction des caractéristiques du moteur et de l'environnement considéré. 25 A cet effet, le circuit 100 d'alimentation de la figure 2 comprend une source 110 de tension comprenant un étage 111 de modulation PWM ( Pulse Wave Modulation ) destiné à commander la commutation d'un étage 112 de transistors MOSFET. En fonctionnement nominal du moteur, c'est-à-dire par exemple lors 30 d'une mission spatiale, la source 110 de tension fournit aux bobines 11, 21 le courant d'excitation nécessaire au déplacement des pistons 10, 20. Le courant délivré par la source 110 est donc filtré à la fréquence fo de résonance des pistons par un filtre 120 centré autour de cette fréquence. 2909493 7 Quel que soit le mode de fonctionnement du moteur, nominal ou en phase de lancement, un premier module 130 de détection de la tension de sortie fournit sur une première borne 151 d'entrée d'un amplificateur différentiel 150 un premier signal V, de tension, proportionnel au courant 5 d'excitation. Une seconde borne 152 de l'amplificateur différentiel 150 reçoit un deuxième signal V2 de tension qui dépend du mode de fonctionnement considéré. En fonctionnement nominal, le commutateur 160 est placé sur la io position 161 et le signal V2 est une tension Vc de consigne à la fréquence fo de résonance. La valeur de cette tension Vc est définie en fonction des besoins de puissance requise. On comprend que, si la tension V, de sortie devient différente de sa valeur de consigne V2(=Vc), l'amplificateur différentiel 150 fournit sur une borne 153 de sortie un signal d'erreur apte à commander la 15 source 110 de tension de manière à ramener la tension V, de sortie à sa valeur nominale de consigne V2(=Vc). Le circuit 100 d'alimentation fonctionne donc en boucle d'asservissement sur la tension V, de sortie. En phase de lancement, le commutateur 160 est placé sur la position 162 et le deuxième signal V2 de tension est cette fois fourni par un deuxième 20 module 140 de détection de courant comprenant une résistance Rs de shunt placée sur le circuit d'alimentation. Le courant traversant par la résistance Rs est transformé en une tension, laquelle est amplifiée par un amplificateur différentiel 141. Cette tension V2 est alors comparée à la tension V, de sortie de la même façon que dans le cas d'un fonctionnement nominal. Ainsi, 25 lorsque les pistons 10, 20 se déplacent sous l'effet de vibrations ou de chocs pendant la phase de lancement, un courant induit I;nd est produit dans les bobinesl1, 21 selon la loi de Lenz. Le module 140 détecte ce courant induit et fournit sur la borne d'entrée de l'amplificateur différentiel 150 la tension V2 correspondante. La source 110 de tension reçoit alors de l'amplificateur 30 différentiel 150 un signal d'erreur entre la tension V, de sortie et la tension V2. La source 110 de tension fournit alors aux bobines 11, 21 la tension correspondante à un courant d'excitation I';nd=G.I;nd amplifié d'un facteur de gain G par rapport au courant induit I;nd. Ce courant d'excitation amplifié 2909493 8 exerce sur les pistons 10, 20 une force de Laplace s'opposant à leur mouvement. Il en résulte un amortissement du déplacement des pistons d'autant plus grand que le gain G d'amplification est grand. Le circuit 100 d'alimentation fonctionne dans ce cas en boucle d'autorégulation ajustable en 5 fonction du gain G. La valeur du gain G à utiliser est définie par le constructeur à partir des caractéristiques techniques du moteur et de l'environnement considéré. Le graphe de la figure 3 montre l'amortissement du déplacement des pistons en fonction de la fréquence et du gain G, la fréquence f, de résonance io étant de 40 Hz. On constate qu'en effet l'amortissement augmente lorsque le gain augmente. REVENDICATIONS 1. Procédé d'amortissement du déplacement sous l'action d'une force extérieure d'au moins un piston (10, 20) d'un moteur électrodynamique linéaire comprenant au moins une bobine (11, 21) d'induction à laquelle le piston est magnétiquement couplé, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes consistant à : - détecter dans ladite bobine d'induction un courant induit (Iind) par ledit déplacement du piston, -générer et appliquer à la bobine (11, 21) d'induction un courant (I'ind) io d'amortissement amplifié par rapport audit courant induit. 2. Circuit d'alimentation d'une bobine (11, 21) d'induction d'un moteur électrodynamique linéaire pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit (100) d'alimentation comprend : 15 - une source (110) de tension destinée à fournir un courant d'excitation à ladite bobine (11, 21) d'induction, - un premier module (130) de détection de courant apte à fournir un premier signal (V,) proportionnel audit courant d'excitation, - un deuxième module (140) de détection de courant apte à fournir un 20 deuxième signal (V2) proportionnel à un courant amplifié par rapport audit courant d'excitation, - un amplificateur différentiel (150) apte à fournir et appliquer à ladite source (110) de tension un signal de commande proportionnel à la différence entre lesdits premier et deuxième signaux fournis respectivement par lesdits 25 premier (130) et deuxième (140) modules de détection. 3. Application du procédé selon la revendication 1 et du circuit d'alimentation selon la revendication 2 à des moteurs électrodynamiques linéaires embarqués dans des engins spatiaux.