ES2286989T3 - Dispositivos resonante, tal como batidor o generador de fuerza. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo resonante que tiene un sistema de masa-muelle compuesto por una masa principal que tiene al menos un elemento másico principal y por al menos un elemento de muelle y que tiene al menos una masa adicional (10) y un dispositivo de acoplamiento (204) adecuado para acoplar la masa adicional (10) a la masa principal (1) y para desacoplarla, para modificar la frecuencia de concordancia del dispositivo, caracterizado porque la masa adicional comprende un elemento másico adicional (102) que se mantiene en posición mediante un dispositivo elástico (115) que presenta un grado de libertad elástica en una dirección sensiblemente paralela a una dirección principal de las oscilaciones de la masa principal (1).
Description
Dispositivo resonante, tal como batidor o
generador de fuerza.
La presente invención se refiere a un
dispositivo resonante que comprende un sistema de
masa-muelle que asocia una masa principal y un
muelle, utilizable como batidor pasivo o activo en concordancia para
amortiguar una vibración o también como generador de fuerzas
dinámicas para aplicar fuerzas a una estructura.
La concordancia se obtiene seleccionando la masa
y la rigidez del muelle para que, por ejemplo, la frecuencia propia
del conjunto masa-muelle sea igual a la de la
vibración a generar o a amortiguar.
Una adaptación entre el dispositivo y la o las
vibraciones a amortiguar plantea algunos problemas. Uno de estos
problemas es que, para los dispositivos conocidos, la frecuencia de
concordancia es fija y por lo tanto el dispositivo solamente puede
utilizarse para un funcionamiento a una frecuencia dada.
Se conoce a partir de la Solicitud de Patente
JP-01120453 la modificación del valor de la masa
principal para atraer magnéticamente masas adicionales. Se conoce a
partir de la Solicitud de Patente EP-676 559 la
modificación del valor de la masa principal haciendo variar la
cantidad de fluido en una cavidad. Estos dispositivos no son
adecuados para un dispositivo tal como un batidor que se somete a
vibraciones cuyo nivel puede ser elevado.
La presente invención pretende permitir un
ajuste de frecuencia de un dispositivo resonante tal como un batidor
activo o pasivo.
Con este fin, la invención se refiere a un
dispositivo resonante pasivo o activo tal como se define en la
reivindicación 1.
El dispositivo puede caracterizarse porque
contiene al menos un conjunto electromagnético que comprende dos
dispositivos complementarios de los cuales el primero presenta al
menos una pieza electromagnética y de los cuales el segundo
presenta al menos un electroimán, estando uno de los dos
dispositivos complementarios acoplado a la masa principal y estando
el otro dispositivo complementario acoplado a una masa adicional,
estando los dos dispositivos dispuestos uno frente al otro, de
manera que cuando uno de los electroimanes se activa los dos
dispositivos complementarios están unidos mecánicamente, de modo que
la masa principal y dicha masa adicional se acoplan.
Al menos una pieza electromagnética puede estar
acoplada por ejemplo de forma elástica a la masa principal, estando
entonces al menos un electroimán acoplado a dicha masa adicional.
Dicho acoplamiento elástico, que se realiza por ejemplo con ayuda
de una lámina flexible, puede presentar un grado de libertad
elástica en una dirección sensiblemente perpendicular a una
dirección principal de las oscilaciones de la masa principal, por
ejemplo la dirección de generación de las fuerzas.
El dispositivo puede caracterizarse porque un
primer dispositivo complementario contiene dos piezas
electromagnéticas separadas una de la otra y unidas a dicha lámina
flexible y porque un segundo dispositivo complementario contiene
dos electroimanes dispuestos frente a las dos piezas
electromagnéticas. Los dos electroimanes pueden estar unidos a al
menos una pieza de conexión.
Otras características y ventajas de la invención
aparecerán mejor después de la lectura de la siguiente descripción,
que se proporciona a modo de ejemplo no limitante, junto con los
dibujos adjuntos, en los cuales:
- la figura 1 representa un dispositivo que
comprende un sistema de masa-muelle utilizable en el
marco de la presente invención;
- la figura 2 representa un realización
preferida en relación con el primer aspecto de la invención y que
también es utilizable en el marco del segundo aspecto de la
invención;
- la figura 3 es una vista lateral del
dispositivo de acuerdo con la figura 2;
- la figura 4 representa una realización
preferida de un módulo de masa adicional;
- la figura 5 representa un dispositivo de masa
ferromagnética, utilizable para acoplar una masa adicional;
- la figura 6 ilustra un dispositivo de acuerdo
con el segundo aspecto de la invención, cuyas curvas de respuesta
se presentan en la figura 7.
El dispositivo que se representa en la figura 1
tiene un elemento másico 1 de masa m3 que, en el caso de un batidor
activo, incorpora un generador electrodinámico o de reluctancia
variable. Una placa 5 fijada al elemento 1 tiene en sus extremos
dos muelles 3 que confieren al sistema de
masa-muelle constituido de este modo una rigidez
K3. Estos dos muelles 3 descansan sobre plataformas cilíndricas 31
apoyadas sobre una platina 2 que se acopla a una estructura de la
que se quieren amortiguar las vibraciones o a la que se le quieren
comunicar vibraciones.
En la parte superior, la placa 5 tiene una
plaquita 6 en cuyos extremos se fijan las ramas 81 de dos muelles 8
que presentan dos ramas opuestas 81 y 83 separadas por una ranura 82
y unidas entre sí por los sectores 85. En la parte inferior, el
elemento 1 presenta una platina 7 en cuya parte inferior se monta
una placa 6 en cuyos extremos se fijan las ramas 91 de dos muelles
9 semejantes a los muelles 58 y que presentan dos ramas opuestas 91
y 93 separadas por una ranura 92 y unidas por sectores 95. Las ramas
83 y 93 de los muelles 8 y 9 se unen con montantes 84
perpendiculares al plano de la platina 2 y que se unen a ésta.
Estando las placas 6 unidas a la placa 5 y la platina 7, los
muelles 8 y 9 permiten centrar el conjunto
masa-muelle 3 durante el movimiento perpendicular
de su eje con respecto al plano de la platina 2.
Los montantes 84 pueden utilizarse para disponer
masas adicionales que pueden acoplarse a la masa principal 1 o
desacoplarse de esta, para modificar la masa dinámica del batidor y
por lo tanto modificar las condiciones de resonancia.
Como se muestra en la figura 4, un módulo 10 de
masa adicional para añadir una masa m4 a la masa principal m3 tiene
dos electroimanes 102 montados en los dos extremos de los brazos de
unión 110 y 111, recortados en 112 para permitir el paso de un
montante 84. Los muelles 115 que presentan brazos 116, forman un
trayecto en zigzag, que se separan mediante ranuras 117 que se
prolongan a partir de bordes opuestos 113 y 119. Estos muelles 115
sirven para suspender y guiar la masa m4 que está compuesta por los
dos electroimanes 102 y las piezas de conexión 110 y 111.
Cada muelle 115 se monta sobre dos pares de
tirantes 101 y 103. Los tirantes 101 se unen a una placa fija 120
unida por su abertura 125 al montante 84. Los tirantes 103, montados
en la parte opuesta de los tirantes 101, se unen al electroimán
correspondiente 102. Para cada electroimán, hay dos pares de
tirantes 101 superiores e inferiores y dos pares de tirantes 103
superiores e inferiores. De este modo se obtiene un grado de
libertad de forma paralela a la dirección de desplazamiento del
elemento 1, es decir de forma perpendicular al plano de la platina
2.
La figura 5 muestra el dispositivo 20 que
permite acoplar la masa adicional m4 (referencia 10) a la masa
principal 3. El dispositivo tiene dos masas ferromagnéticas 204 por
ejemplo laminadas y montadas en el extremo de una lámina de flexión
201 fijada al nivel de sus aberturas 202 en una cara lateral de la
platina 7. Esta lámina de flexión presenta gran rigidez en la
dirección de desplazamiento de la masa 1 del batidor, es decir, de
la vibración a generar o a atenuar, pero una rigidez mucho más
reducida en el plano perpendicular a dicha dirección de
desplazamiento.
Como se muestra en la figura 2, las masas
ferromagnéticas 204 se sitúan en frente de los electroimanes 102.
De esta manera, los circuitos magnéticos de los electroimanes 102 se
vuelven a cerrar sobre las masas magnéticas 204.
El acoplamiento se realiza de la siguiente
manera: la activación de los electroimanes 102 provoca la aplicación
de las masas 204 sobre la superficie de los electroimanes 102, y
por lo tanto un acoplamiento mecánico de la masa adicional. Dado
que la platina 7 está unida en su desplazamiento a la masa
principal, la masa adicional se arrastra también en un movimiento
paralelo al eje de los montantes 84, que se hace posible por el
efecto de suspensión que proporcionan los muelles laminados
115.
Cuando los electroimanes 102 se desactivan, las
masas 204 se separan de los electroimanes 102 y la masa adicional
se desacopla de la masa principal.
La realización de las figuras 2 a 5 permite
realizar una modificación de la masa del batidor mediante el
acoplamiento de una o varias masas adicionales de valores precisos,
lo que permite cambiar la frecuencia del batidor para procesar las
vibraciones cuya frecuencia puede cambiar.
En el ejemplo que se representa, se excitan
simultáneamente los cuatro electroimanes para acoplar los dos
módulos 10 del elemento principal 1.
De este modo puede añadirse la cantidad de masa
que se desee y dar al batidor nuevas frecuencias de
coordinación.
La fijación de las masas adicionales
permite:
- -
- por un lado, cuando no están acopladas a la masa principal, que permanezcan frente a la lámina de flexión unida a la masa del batidor durante todo el recorrido de éste,
- -
- por otro lado, que sigan el movimiento de la masa principal en modo conectado.
Este resultado se obtiene gracias a los muelles
con láminas 115 que son lo suficientemente rígidos en el plano
perpendicular a la dirección del movimiento del batidor para evitar
su movimiento en este plano y lo suficientemente flexibles en la
dirección del movimiento del batidor para acompañarlo en sus
desplazamientos, fijándose la flexibilidad para realizar con la
nueva masa y las características anteriores del batidor la nueva
coordinación de éste. La rigidez de las láminas puede completarse
con la de los muelles que se actúan en paralelo con ellas para
realizar la nueva coordinación, (lo que vuelve, en algunos casos, a
conectar al batidor inicial un nuevo batidor colocado en
paralelo).
El dispositivo descrito permite generar grandes
fuerzas dinámicas a baja frecuencia de acuerdo con una consigna
emitida por un cajetín electrónico.
La fuerza se genera de manera inercial, es decir
utilizando el principio de acción y reacción que se aplica a una
masa excitada por una fuerza. La masa está compuesta por la masa del
cuerpo del generador.
La invención puede ponerse en práctica con ayuda
de un generador de reluctancia variable incorporado a la masa
principal 1 y comandado por una calculadora numérica cuyo algoritmo
lineal permite conocer la característica de
fuerza-desplazamiento, a la vez como generador de
fuerza y de masa en un sistema de masa-muelle para
introducir grandes fuerzas a baja frecuencia en una estructura.
Cuando se desea generar una fuerza sobre una
estructura S cualquiera sin hacer fuerza sobre otra estructura, el
principio básico consiste en hacer fuerza sobre una masa de reacción
m2. La fuerza magnética U creada entre la estructura y la masa m2
genera una fuerza Ft en la estructura S. Esta fuerza se relaciona
con U mediante la relación Ft = H\cdotU. donde H es una función
de transferencia proporcionada por las características del montaje
del generador:
H(p) =
m2p^{2}/(m2p^{2} +
K2)
P es la variable de Laplace
K2 designa la rigidez de la unión elástica entre
la masa m2 y la estructura S.
De manera general, la masa m2 está compuesta por
la masa móvil de un generador electromagnético (con reluctancia
variable) o de un generador electrodinámico.
La masa m2 y la unión elástica de rigidez K2
constituyen un sistema mecánico oscilante del que se puede
aprovechar la amplificación de la resonancia en el límite de los
movimientos del eje admisibles.
Esta técnica se utiliza habitualmente con
generadores electrodinámicos (bobinas sumergidas en un campo
constante).
Sin embargo, está técnica que utiliza
generadores electrodinámicos es difícil de emplear cuando se buscan
niveles elevados de fuerzas transmitidas Ft (típicamente superiores
a 1 kN), ya que conduciría a una masa y a un tamaño prohibitivos de
los imanes permanentes creadores del campo magnético.
La utilización de generadores con reluctancia
variable que proporcionan grandes fuerzas en un volumen más
reducido no es posible a baja frecuencia, ya que su recorrido está
limitado por la necesidad de tener entrehierros reducidos para
generar la fuerza.
La solución se obtiene excitando un sistema
oscilante de masa-muelle a una frecuencia cercana a
su frecuencia propia. Entonces nos beneficiamos del coeficiente de
amplificación de dicho sistema, sin tener la necesidad de generar
una gran fuerza inicial.
El esquema de montaje (véase la figura 6) emplea
un generador que tiene una masa m2 suspendida con una rigidez K2,
que excita a la masa m3 del sistema de masa-muelle
auxiliar, que tiene una masa auxiliar m3 y que presenta una rigidez
K3.
La masa m2 está compuesta por la masa principal
1 que se acopla a un generador del que constituye la masa móvil. La
rigidez K2 se define por los muelles 3.
Designando como Z_{2} la amplitud del
movimiento de la masa m2 con respecto a la masa m3, tenemos:
Z_{2}/U = [(m2
+ m3)p^{2} + K3)]/[m2 \cdot m3 \cdot p^{4} + (K2 \cdot m2 +
m2 \cdot K3 + K2 \cdot m3)p^{2} + K2 \cdot
K3]
Ft/U = -K3
\cdot m2 \cdot p^{2}/[m2 \cdot m3 p^{4} + (K2 \cdot m2 + m2 \cdot K3
+ K2 \cdot m3)p^{2} + k2 \cdot
K3],
lo que permite determinar las tres
frecuencias propias f0, f1 y f2, que se relacionan con los
parámetros de masa y rigidez mediante la siguiente
fórmula:
f_{0} =
{^{1}/_{4}}\ \pi\ (m2 \cdot K2 + K2 \cdot m3 + K2 \cdot m2 -
\sqrt{\Delta}
- \quad
- f_{1} = {^{1}/_{2}}\ \pi\ \sqrt{K3/(m2 + m3)}
f_{2} =
{^{1}/_{4}}\ \pi\ (m2 \cdot K3 + K2 \cdot m3 + K2 \cdot m2 +
\sqrt{\Delta}
\Delta =
(m2^{2} \cdot K3^{2} - 2m2 \cdot m3 \cdot K2 \cdot K3 + 2m2^{2}
\cdot K3 \cdot K2 + K2^{2} \cdot m3^{2} + 2K2^{2} \cdot m3 \cdot m2
+ K2^{2} \cdot m2^{2})/(m2 \cdot
m3)
Estas fórmulas se traducen en las
representaciones gráficas que se dan en la figura 7, con los
siguientes valores:
- \quad
- K3 = 2.2 \ 10^{5}\ N/m
- \quad
- m3 = 4\ kg
- \quad
- K2 = 1.518 \ 10^{6}\ N/m
- \quad
- m3 = 13.7\ kg.
La curva superior presenta el módulo de la
función de transferencia Ft/U, la curva central presenta el módulo
de la función de transferencia Z_{2}/U y la curva inferior
presenta la fase de la función de transferencia Z_{2}/U.
El dispositivo presenta dos frecuencias de
resonancia f_{0} y f_{2} para las que existe una gran
amplificación de la fuerza generada y una frecuencia de
anti-resonancia f_{1} que corresponde al modo
propio de las masas m2 + m3 en el muelle K3.
Como se desea generar fuerzas a baja frecuencia,
se pueden regular las masas y las rigideces para la que la
frecuencia de resonancia f_{0} o f_{1} sea la de la
utilización.
Si el generador de fuerza se maneja a la
frecuencia f_{0}, se observa que la amplitud z_{2} puede hacerse
muy grande y conducir a la saturación, o incluso a la destrucción
del accionador. Por el contrario, se observa que esta amplitud se
vuelve muy reducida entorno a la anti-resonancia
f_{1}. En el caso de un generador de reluctancia variable, esta
amplitud z_{2} es la variación del entrehierro, lo que hace que
pueda utilizarse un entrehierro reducido y, como consecuencia,
pueda tenerse una gran fuerza generada.
Si se maneja a la frecuencia f_{1}, el hecho
de tener un desplazamiento z_{2} reducido conduce a utilizar el
accionador con reluctancia variable por la razón observada
anteriormente. Entonces es casi imposible hacer que el accionador
se sature mecánicamente ya que z_{2} sigue siendo muy reducido sea
cual sea la U. La limitación de uso ya no se debe a la resonancia
que siempre es difícil de controlar, sino a la intensidad máxima que
puede admitir el generador.
A esta frecuencia, la relación Ft/U es siempre
superior a 1, lo que hace que se aproveche también la amplificación
mecánica.
Es por lo tanto a la frecuencia f_{1} a la que
se debe conseguir generar la mayor cantidad de fuerza Ft
transmitida a la estructura. Su valor depende esencialmente de la
intensidad máxima de la corriente que se hará circular en los
bobinados del generador de reluctancia variable.
Para garantizar que las 3 frecuencias f_{0},
f_{1}, f_{2}, respetan la relación
f_{2}>f_{1}>f_{0}, es preciso seleccionar las masas y
rigideces de modo que:
- f_{1} sea la frecuencia del máximo de Ft deseada
- f_{2} = k \cdot f_{1} con k > 1, idealmente 2 < k< 4
- dada m2, k2 \approx m2 (2 \pi f_{2})^{2} (este valor se ha calculado en modo desacoplado, lo que da en una primera aproximación un resultado sobreestimado que se puede corregir manualmente más adelante).
Entonces tenemos K3 = (m2 + m3) (2 \pi
f_{2})^{2}, siendo m3 una masa unida a la construcción
mecánica (carcasa del accionador, ½ de la masa de K3 y K2 ...).
Para una fuerza Ft máxima para la masa total dada, es interesante
maximizar m2 con respecto a (m2 + m3).
Respetando estas relaciones, lógicamente
tendremos f_{0} < f_{1}.
El generador es preferiblemente del tipo de
reluctancia variable con una masa móvil auxiliar de valor m2,
ajustándose la masa principal al valor m3.
Teniendo los muelles de lámina una flexibilidad
elevada en el sentido de las vibraciones deseadas y siendo rígidos
en las otras direcciones, permiten guiar la masa m2. Para esto puede
utilizarse un montaje del mismo tipo que para la masa adicional
m4.
Se señala sin embargo, que podría utilizarse
otro tipo de guía ya que la amortiguación eventual que podría
introducir sería menos inoportuna que para un sistema que trabaja
con la resonancia de frecuencia f_{0}, dado que con la frecuencia
de anti-resonancia f_{1} el coeficiente de
aplicación se modifica poco con una amortiguación eventual,
mientras que se modifica mucho con la resonancia.
Claims (9)
1. Dispositivo resonante que tiene un sistema de
masa-muelle compuesto por una masa principal que
tiene al menos un elemento másico principal y por al menos un
elemento de muelle y que tiene al menos una masa adicional (10) y
un dispositivo de acoplamiento (204) adecuado para acoplar la masa
adicional (10) a la masa principal (1) y para desacoplarla, para
modificar la frecuencia de concordancia del dispositivo,
caracterizado porque la masa adicional comprende un elemento
másico adicional (102) que se mantiene en posición mediante un
dispositivo elástico (115) que presenta un grado de libertad
elástica en una dirección sensiblemente paralela a una dirección
principal de las oscilaciones de la masa principal (1).
2. Dispositivo resonante de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de
acoplamiento tiene al menos un conjunto electromagnético que
comprende dos dispositivos complementarios de los que el primero
presenta al menos una pieza electromagnética (204) y de los que el
segundo presenta al menos un electroimán (102), estando uno de los
dos dispositivos complementarios acoplado a la masa principal (1) y
estando el otro dispositivo complementario acoplado a una dicha
masa adicional (10), disponiéndose los dos dispositivos uno en
frente del otro, de tal manera que cuando uno dicho electroimán
(102) se activa, dos dichos dispositivos complementarios (102, 204)
están unidos mecánicamente, de modo que la masa principal (1) y
dicha masa adicional (10) se acoplan.
3. Dispositivo resonante de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque al menos una pieza
electromagnética (204) se acopla a la masa principal (1) y porque
al menos un electroimán (102) se acopla a dicha masa adicional
(10).
4. Dispositivo resonante de acuerdo con la
reivindicación 3, caracterizado porque el acoplamiento entre
dicha pieza electromagnética (204) y la masa principal (1) es
elástico.
5. Dispositivo resonante de acuerdo con la
reivindicación 4, caracterizado porque dicho acoplamiento
presenta un grado de libertad elástica en una dirección
sensiblemente perpendicular a una dirección principal de las
oscilaciones de la masa principal (1).
6. Dispositivo resonante de acuerdo con una de
las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque dicho
acoplamiento elástico se realiza mediante al menos una lámina
flexible (201).
7. Dispositivo resonante de acuerdo con la
reivindicación 6, caracterizado porque un primer dispositivo
complementario tiene dos piezas electromagnéticas (204) separadas
la una de la otra y unidas a dicha lámina flexible (201) y porque
un segundo dispositivo complementario tiene dos electroimanes (102)
dispuestos frente a las dos piezas electromagnéticas (204).
8. Dispositivo resonante de acuerdo con la
reivindicación 7, caracterizado porque los dos electroimanes
(102) están unidos a al menos una pieza unión (110).
9. Dispositivo resonante de acuerdo con una de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho
dispositivo elástico (115) presenta al menos una lámina
elástica.
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