Brevet FR2986842A1 — publié le 20130816

Actuellement, la réduction des vibrations initiées par les machines tournantes s'effectue par l'adjonction des supports amortisseurs en élastomère ou en matériaux composites. Les figures 1, 2 et 3 représentent schématiquement un moteur thermique vu en bout. Seuls le supports d'une extrémité sont visibles. La figure 1 représente schématiquement une disposition classique de 2 supports antivibratoires (1) et (2) destinés à réduire les vibrations d'un moteur diesel (3). Ce type de suspension n'est cependant pas satisfaisant dans certaines applications comme -les groupes électrogènes situés à proximité des habitations tels ceux destinés à la cogénération, consistant à utiliser leur chaleur de refroidissement pour chauffer les habitations proches. -les paquebots et bateaux de plaisance, les vibrations transmises provoquant un inconfort désagréable lorsque le bateau est au mouillage -les bateaux de guerre qui doivent être les plus discrets possibles, en particulier les sous-marins conventionnels, mus par un ou plusieurs groupes diesel électrique. -et plus généralement tous les générateurs thermiques et machines tournantes dont il faut réduire les vibrations transmises à l'environnement. Pour pallier ce défaut, la technique actuelle consiste à utiliser un second étage de filtration des vibrations, constitués d'une masse (4) et de supports antivibratoires supplémentaires (5) et (6) comme indiqués figure 2 , l'ensemble étant communément appelé double suspension. Cependant cette technique est encombrante, et donc pénalisante lorsque les volumes disponibles sont limités, par exemple en construction navale. Les générateurs doivent donc être de dimensions réduites et donc moins puissants. Ceci pénalise, par exemple, les sous marins classiques: leur vitesse est réduite et la durée de charge des accumulateurs longue. L'invention selon figure 3 supprime la nécessité de cette double suspension, les supports (1) et (2) étant remplacés par des supports actifs appelés encore suspensions actives (7) et (8) et donc permet, dans un même volume d'augmenter la puissance installée comme le montrent schématiquement les figures 2 et 3, le moteur (9) pouvant alors être de dimensions bien supérieures. L'invention s'applique partout lorsqu'une une réduction des vibrations transmises, ou une réduction des volumes ou une réduction de la masse globale sont nécessaires. Elle s'applique aussi chaque fois qu'une augmentation de puissance est désirée, alors que les volumes imposés sont exigus, en particulier en amélioration des performances de la propulsion des sous marins conventionnels ou autres. Enfin le coût global direct et indirect reste inférieur à la solution dite de double suspension. Les utilisateurs potentiels sont donc, sans être exhaustif, la construction navale, civile et militaire, les installations de cogénération et plus généralement partout où la pollution due à une transmission de vibrations n'est pas souhaitée. La figure 4 représente schématiquement une suspension traditionnelle: la masse suspendue (10) est posée sur un ensemble de plots élastiques appelés aussi supports amortisseurs ou antivibratoires représentés par un ressort (11) et un amortisseur (12) La figure 5 représente schématiquement une double suspension: la masse suspendue (13) est posée sur un premier ensemble de plots élastiques représentés par un ressort (14) et un amortisseur (15), eux même posés sur une masse intermédiaire (16) importante, posée sur un ensemble de plots élastiques représentés par un ressort (17) et un amortisseur (18). La figure 6 représente schématiquement une suspension active monoaxe selon l'invention: la masse suspendue (19) est posée sur un ensemble de plots élastiques représentés par un ressort (20) et un amortisseur (21), assisté par un électroaimant (22), fixé d'une part au plan d'appui de la masse suspendue et d'autre part à l'autre plan d'appui des plots amortisseurs, l'électroaimant étant piloté par un contrôleur harmonique multifréquences dont le fonctionnement sera décrit ultérieurement. Les figures 7 à 10 montrent le comportement mécanique d'un exemple de suspension active: la figure 10 est une vue en coupe selon le plan AA visible figure 7. Les plaques (23) et (24) sont les plaques de fixation d'une part à la machine d'autre part au sol, à la cloison ou au carlingage. Cette configuration adopte 2 plots élastiques (26) et (27) d'un modèle commercial connu, l'électroaimant étant constitué d'une culasse en fer magnétique doux feuilleté ou en poudre de fer pressée puis agglomérée (25), et d'un inducteur (28) en fer magnétique doux feuilleté et d'un bobinage inducteur qui sera décrit ultérieurement. La figure 7 représente la suspension active au repos, non montée. La figure 8 représente la suspension active soumise à la force (29) - le poids - d'une partie de la machine suspendue. Les plots élastiques se tassent et l'entrefer qui est espace d'air entre la culasse et l'inducteur (31) se réduit. La figure 9 représente la diminution de cet entrefer lorsque l'électroaimant est excité et qui provoque l'attraction (30) de la culasse (25) vers l'inducteur (28). La figure 10 est une vue en coupe de la partie fixe du dispositif selon figure 7, la coupe étant effectuée selon le plan défini par les repères AA. La figure 11 est une représentation du résultat du fonctionnement de la suspension active. Le tracé (33) représente la force excitatrice générée par la machine en fonction du temps et transmise à la plaque (24) figure 7 fixée au sol. Avant le temps tO figure 11, la machine est à l'arrêt et la force transmise F 1 est constante. Ensuite, la machine est en action et génère donc des forces vibratoires transmises à la plaque (24). Le tracé (32) est une représentation de la force F2 générée par l'électroaimant, piloté par un sous ensemble de contrôle qui sera décrit ultérieurement et actionné à partir du temps tl . Le tracé (34) est une représentation de la force F3 appliquée à la plaque (24), somme résultante des forces FI et F2. Il reste une amplitude 10 ou 100 fois inférieure à la force initiale, qui est fonction des performances du sous-ensemble de contrôle. La figure 12 est semblable à la figure 7 à laquelle est ajoutée un capteur de vibration, accéléromètre ou autre (35), qui mesure les accélérations selon l'axe (36) ZZ', proportionnelles aux forces vibratoires transmises à la plaque (24) à l'exclusion des forces statiques telles que représentées figure 11 sur les tracés (32) à (34) avant le temps tO. La figure 13 représente l'accélération transmise due à la machine seule La figure 14 représente l'accélération générée par l'électroaimant La figure 15 représente la résultante, accélération réellement transmise. Selon l'invention, l'électroaimant comporte une ou plusieurs bobines excitatrices destinées à générer le champ magnétique et donc l'attraction de la culasse. Cette ou ces bobines ne comportent que très peu de spires, ce qui réduit l'inductance propre et donc d'augmente la bande passante. Cette option nécessite de générer un courant près important. Ceci est possible par l'utilisation de la commande dite en courant haché, que la mise sur le marché de semi-conducteurs de puissance a maintenant généralisée. La figure 16 représente schématiquement cette commande, appliquée à un électroaimant. La bobine (37) est alimentée en courant par un hacheur électronique (41). Le courant est contrôlé par le capteur de courant (38) . Le contrôleur numérique (39) reçoit (40) la valeur du courant à délivrer. La commande du hacheur est déterminée par les résultats de la comparaison entre courant réellement fourni mesuré par le capteur (38) et valeur de la consigne (40). La figure 17 représente la forme du courant résultant de la commande (43), qui oscille entre 2 valeurs dites de commutation. A titre indicatif, la courbe temporelle (44) représente l'allure d'un courant résultant d'une commande traditionnelle totalement inefficace car très lente. Moyens destinés à la commande de l'électroaimant: Ces moyens réduisent la force vibratoire transmise au carlingage, au sol ou à la cloison. Cette force est la résultante de la force transmise par la suspension élastique combinée à la force transmise par l'électroaimant. La relation liant ces forces est FT=FM x K +FE FT force transmise résultante FM force génératrice provenant de la machine K coefficient de réduction du à la suspension active FE force transmise par électroaimant. Les moyens algorithmiques utilisés tendent à obtenir la relation suivante : FMxK -FE-0 En ce cas la force résultante FT tend vers zéro. Pour cela la commande algorithmique de l'électroaimant génère une force d'attraction opposée à la force transmise par la suspension élastique. La force résultante est mesurée par les moyens d'un capteur de vibrations fixé à la platine de fixation au sol ou au carlingage ou à la cloison. Les moyens algorithmiques de contrôle imposent à l'électroaimant un courant constant qui maintient une force attraction permanente, ce qui augmente la compression de la suspension élastique. Ce courant de pilotage est modulé en fonction des informations fournies par le capteur de vibrations, convenablement traitées pour provoquer la réduction des vibrations transmises. La figure 18 représente un schéma de contrôleur apte au pilotage des amortisseurs actifs. Les amortisseurs actifs sont ici au nombre de 4. Seuls les électroaimants (54), (55), (56), (57) sont représentés ainsi que les capteurs piézoélectriques ou vélocimétriques (45), (46), (47), (48) .Les informations issues de ces capteurs sont démodulées par un démodulateur synchrone multifréquences (52), piloté par des fréquences synchrones de la fréquence de rotation de la machine représentée par un volant (49) dont la vitesse de rotation est mesurée par le capteur (50). Lesdites fréquences, sous-harmoniques ou harmoniques de la fréquence de rotation de la machine sont générées par un module électronique (51). Les signaux fréquentiels résultant sont traités par plusieurs algorithmes multiparamétriques (53) et leurs résultantes, convenablement assemblées et amplifiées par des amplificateurs de puissance à courant haché dont le principe a été décrit précédemment (58), (59), (60), (61) vont piloter les électroaimants des 4 amortisseurs actifs (54), (55), (56), (57). Les principaux algorithmes nécessaires comportent en particulier une suite d'algorithmes de stabilisation des puissances générées afin de pallier aux couplages mécaniques, d'algorithmes de correction des couplages dus aux non linéarités fréquentielles des plots élastiques, d'algorithmes de correction des évolutions temporelles des caractéristiques physiques des composants. Ces algorithmes ne sont pas décrits ici mais ont déjà prouvé leur efficacité dans d'autres applications. Le procédé s'applique à la réduction des vibrations selon un seul deux ou trois axes comme il sera expliqué ultérieurement. Les figures 19 et 20 représentent des vues schématiques perpendiculaires à l'axe principal de deux configurations différentes. La figure 19 correspond à l'utilisation d'un seul plot amortisseur central (59) et à 3 électroaimants. La figure 20 correspond à l'utilisation de trois plots amortisseurs (59), (60), (61) et un seul électroaimant circulaire. Ces dispositions différentes résultent de configurations particulières des machines. Les figure 21, 22, 23 et 24 décrivent deux configurations revendiquées non exclusives : La figure 21 est une coupe verticale d'une suspension active dite linéaire. La figure 22 est une vue de la partie fixe de ladite suspension. La figure 23 représente une configuration circulaire utilisant un plot amortisseur à ressort hélicoïdal enrobé d'un élastomère d'amortissement d'utilisation commerciale courante (62). Le repère (63) représente un capteur accélérométrique de contrôle, situé au plus près de la paroi du sol ou du carlingage dont il faut réduire les vibrations. L'électroaimant est constitué d'une culasse (64) et d'un inducteur (65) en poudre de fer pressée et agglomérée. La figure 24 est une vue de la partie fixe. La double suspension, appliquée aux bateaux et aux véhicules, ou à tout autre mobile présente l'inconvénient de nécessiter autour de la machine tournante un espace libre important afin de tenir compte des débattements de l'ensemble en cas de roulis ou de tangage qui s'ajoute à l'espace perdu par son volume. En effet afin de filtrer avec efficacité les fréquences propres de rotation et les harmoniques ou sous harmoniques de la machine, la fréquence de coupure de la suspension élastique doit être de quelques Hertz donc proche des fréquences de roulis et de tangage et génèrent donc des mouvements de la machine de grande amplitude. Selon l'invention les fréquences de coupure de suspension peuvent être très supérieures aux fréquences de coupure des suspensions classiques. En effet, l'atténuation des vibrations n'utilise pas le filtrage conventionnel et exploite la suspension comme moyen pour délivrer une force de rappel à la force de traction électromagnétique produite par l'électroaimant. Les débattements dus au roulis et au tangage sont donc extrêmement limités. Un cognement des pièces polaires de l'électroaimant n'est pas à craindre dans ces cas. À titre d'exemple, une suspension élastique à rigidité linéaire dont la fréquence de résonance est de 5 Hz se tasse de 50 mm; si cette fréquence de résonance est de 25 Hz elle se tasse de 2 mm. Bien que les plots anti-vibratoires présentent tous des raideurs transversales inférieures aux raideurs axiales, la transmission des vibrations horizontales risque d'être importante. Les vibrations horizontales des machines tournantes situées dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation ne sont pas négligeables. Par contre les vibrations longitudinales ne sont pas à craindre. Selon l'invention, pour pallier l'augmentation de raideur des plots élastiques, il est nécessaire d'associer au dispositif précédent au fonctionnement monoaxe un dispositif semblable à action horizontale. L'action du dispositif est alors biaxe ou triaxe. Les figures 25 et 26 décrivent une solution biaxe non limitative et efficace de cette configuration. La figure 25 représente le dispositif selon l'invention, les 2 sous ensembles étant écartés afin de mieux montrer les éléments constituants. La figure 26 est une vue de face de l'amortisseur actif ainsi constitué. Trois électroaimants sont utilisés: la position du premier (66) est identique à la description précédente. Il réduit les amplitudes vibratoires verticales en contrecarrant les déplacements des deux plots élastiques (67) et (68) qui sont représentés ici sous une forme inhabituelle, elliptique et non cylindrique. Cette forme vue de dessus figure 27 crée une raideur selon l'axe Y plus faible que les raideurs selon les axes X et Z, ce qui évite d'adjoindre un contrôle actif selon cet axe, qui est l'axe longitudinal de la machine. De part et d'autre de l'axe passant par les plots élastiques (67) et (68) et le premier électroaimant deux autres électroaimants constitués des inducteurs (69) et (70) et des culasses (71) et (72), cette dernière n'étant pas visible à action horizontale selon l'axe X déforment en cisaillement les deux plots élastiques selon un plan horizontal, jusqu'à ce que l'entrefer des deux électroaimants -qui génèrent une force identique-, soit compatible avec les déplacements maximum attendus. Le principe de contrôle de ces deux électroaimants est identique à la description déjà effectuée. La platine (73) de fixation au sol, à la cloison ou au carlingage comporte une alvéole dans laquelle est fixée l'accéléromètre de contrôle. La platine (74) est fixée à la machine tournante au droit des fixations prévues à cet effet et non représentées ici. Pour plus de clarté les fixations effectuées par des moyens connus n'ont pas été représentées. Cette description d'un suspension active biaxe, s'étend sans difficulté à un troisième axe, celui-ci reprenant les moyens développés pour l'axe horizontal X ci-dessus décrit, mais orientés selon l'axe Y, et utilisant alors un capteur de vibration triaxial. Les figures 28 et 29 représentent des enregistrements de l'efficacité de l'invention appliquée à la réduction de l'harmonique 2 d'un moteur diesel 4 cylindres, dont l'amplitude est réduite de 30 dB soit de 95.5% de la vibration incidente. L'invention s'applique dans tous les cas où une réduction importante des vibrations transmises est nécessaire, par exemple dans les véhicules terrestres, les bateaux, les aéronefs, les hélicoptères et plus généralement dans toutes les machines industrielles comportant une partie mobile en rotation. REVENDICATIONS1) Suspension active monoaxe, biaxe ou triaxe, composée de plots élastiques (26) (27) et de un ou plusieurs électroaimants (25) (28) fixés aux deux plans d'appui (23) (24) du ou des plots élastiques et pilotés par un contrôleur harmonique multifréquences (39). 2) Suspension active monoaxe, biaxe ou triaxe selon revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'un ou plusieurs électroaimants à large bande passante (25) (28) 3) Suspension active monoaxe, biaxe ou triaxe selon revendication 2 caractérisé en ce que les électroaimants (25) (28) utilisent des bobines excitatrices (37) ne comportant que très peu de spires 4) Suspension active monoaxe, biaxe ou triaxe selon revendications 2 et 3 caractérisé en ce que la commande de ces bobines (37) utilise une commande à courants hachés (41). 5) Suspension active monoaxe, biaxe ou triaxe selon revendication 1 caractérisé en ce qu'il utilise des moyens algorithmiques (53) de stabilisation des puissances générées afin de pallier aux couplages mécaniques, de correction des couplages dus aux non linéarités fréquentielles des plots élastiques (26) (27) et de correction des évolutions temporelles des caractéristiques physiques des composants. 6) Suspension active monoaxe, biaxe ou triaxe selon revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'un démodulateur synchrone multifréquences (52) 7) Suspension active monoaxe, biaxe ou triaxe selon revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'un capteur de vibrations mono, bi ou triaxial (38) (63), qui par l'intermédiaire d'algorithmes multiparamétriques (53), pilote les actions appliquées aux électroaimants (25) (28). 8) Suspension active monoaxe, biaxe ou triaxe selon revendications 2 et 3 caractérisé par l'application aux électroaimants (25) (28) d'un courant permanent modulé en fonction des informations fournies par le capteur de vibrations(38) (63), convenablement traitées pour provoquer la réduction des vibrations transmises 9) Suspension active monoaxe, biaxe ou triaxe selon revendication 1 caractérisé en ce qu'il ne nécessite pas de suspension élastique basse fréquence et donc réduit les débattements des machines en cas de roulis ou de tangage.