FR2758867A1 - Systeme d'entrainement a tolerance de balourd pour un appareil rotatif - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un appareil rotatif comprenant un arbre (12) portant un rotor (14), une source d'entraînement (22) pour l'arbre, ainsi que des moyens (38) pour mesurer la vitesse de rotation de l'arbre (12). Selon l'invention, un stabilisateur (40) est relié à une partie de l'arbre, le stabilisateur étant sensible aux moyens de mesure de la vitesse, et imposant une force dirigée axialement sur l'arbre, pour minimiser des vibrations de l'arbre à des vitesses de rotation critiques. Application à des centrifugeuses dépourvues de vibrations.par.
Description
I>()' R I \ \' \'RE1,11. IOT)''.\'T'1
La présenCIte ilunnleiOn COnCOl'nO Ln appar'eil rotatif colln'prnalt
- Lin 1arbrc présentalit unll position d(e non1tagce d'Lun rotor à u1nL emplacement adé-
quat sur l'arbre, cet emplacement dc montage d( rotor subdivisant l'arbre en une première partie et une deuxième partie - une source motrice pour entraîner en rotation ledit arbre relié à ladite première I0 partie de l'arbre; - des moyens de mesure tachymétrique pour mesurer ladite vitesse de rotation dudit arbre, Le système d'entraînemlent, pour un appareil rotatif (tel qu'un centr-ifugeur) comprend typiquement un arbre dont l'une des extrémités est rcliée à une source I 5 d'entraînement (par exemple un moteur électrique). L'arbre supporte une charge à un certain point sur sa longueur. Une caractéristique implicite d'un tel système d'entraînement est le défaut de balance des charges ou le balourd. Même un très faible défaut de balance dans la distribution des masses pour le reste symétriques autour de l'arbre d'entralînement peut être à l'origine de vibrations dommageables. La
2(10 grandeur du balourd impose Lune charge sur les paliers.
Ce problème peut être abordé en fournissant une certaine flexibilité à l'arbre d'entraînement. Cependant, à mesure que cet appareil rotatif accélère pour atteindre sa vitesse de fonctionnement, le système passe par plusieurs vitesses critiques. Un arbre minlce, de forme allongée, qui tourne autour de son axe longitudinal, présente certaines fréquences naturelles de vibrations qui se manifestent à ces vitesses critiques. Le passage par une telle vitesse critique provoque la vibration du système d'entraînement qui, à son tour, accentue la charge imposée sur les paliers. Cette
augmentation de la charge peut diminuer de façon notable la durée de vie d'un palier.
Dans l'exemple d'une centrifugeuse, la vibration peut ainsi avoir un effet négatif sur
l'échantillon en cours de traitement à l'intérieur du rotor de la centrifugeuse.
On a proposé différentes méthodes dans l'art, afin de résoudre le problème des vibrations générées par le passage du système d'entraînement d'un appareil rotatif par la vitesse de rotation critique. Une solution consiste à essayer d'amortir les vibrations imposées sur le système. Le brevet US 5 026 341, au nom de Giebeler, est un exemple d'un système rotatif pour utilisation dans une centrifugeuse, qui limite les
défilexions de l'arbre et amortit ainsi les vibrations.
Une autre solution dont un exemple est l'agencement décrit dans le brevet US-
A-4 236 426 au 1nom de Meinke et coil., consiste à varier les caractéristiques plhy-
Si.LIs LI u L s t.mc d'enaSr dSt IIC JlcUilt d "'uneLC Ia LILII l_'n dC l\ itlsse. [ a.e eultLi- t Cesr tqe. J)Ilp illCe pr'lleliC' partic ill duOJilie d' \il.sI 1Cde l'api a I'eilri Il riidite du
s SteIllu CSt telle qLLIC l v\itesSe C'itiLILIle SC Situe ben aIli-dela d'luti seuil de \'itesse I)lé-
déterminé. ('epelndaint. uLille Ibois ce seuil de vitesse passé. la rigidité du svstème est soumise à une variation dynamique de sorte que la vitesse critique du système
d'entraînement modifié se situe ài une vitesse qui est bien en-dessous du seuil prédé-
terminé. Ainsi, lorsque l'appareil accélère en passant par son plein régimre de vitesse afin d'atteindre sa vitesse de tfonctionnement. on évite les vitesses critiques associées avec les systèmes d'entraînement originaux et modifiés. Dans un agencement tel qu'illustré dans le brevet au nom de Meinke et coil., des ressorts, des amortisseurs et/ou des masses sont accouplés et désaccouplés de façon active en réponse à des variations de la flèche de l'arbre. Ces accouplage et désaccouplage présentent l'effet
de varier les vitesses de rotation critiques.
La mnise en oeuvre de l'un quelconque des moyens décrits ci-dessus nécessite habituellement un mécanisme complexe afin de réaliser l'interaction entre les partlies rotatives et les parties non rotatives du système d'entraînement. Dans les deux cas. i I peut en résulter des difficultés techniques. En conséquence, vu ce qui précède. on croit avantageux de proposer un agencement du type susceptible de varier dynamiquement la rigidité du système d'entraînement, mais qui néanmoins
n'implique pas une complexité mécanique excessive.
La présente invention propose donc un appareil rotatif comprenant un arble présentant une position de montage d'un rotor à un emplacement approprié sur l'arbre. cet emplacement de montage du rotor subdivisant l'arbre en unle preminière partie et une deuxième partie; une source motrice pour entraîner en rotation ledit arbre relié àa ladite première partie dudit arbre; des moyens de mesure tachymlét,'iqulC pour mesurer ladite vitesse de rotation dudit arbre, caractérisé en ce qu'il comprend un stabilisateur relié à ladite deuxième partie dudit arbre en étant sensible auxdits moyens de mesure de la vitesse pour imposer une force dirigée axialement sur ledit arbre, afin de minimiser des vibrations dudit arbre à des vitesses de rotation
critiques.
Selon Uin autre mode de réalisation, la deuxième partie de l'arbre présente Lune
extrémité, le stabilisateur comprenant un organe magnétostrictif relié de façon folnc-
tionnelle à l'extrémité de la deuxième partie de l'arbre.
Selon encore uin autre mode de réalisation, l'organe magnétostrictif comprend
une bobine électrique disposée autour d'un élément magnétostrictif.
Selon un autre mode de réalisation encore, la bobine génère un champ magné-
tique autour de l'élément magnétostrictif lorsqu'un courant d'excitation est appliqué à
la bobine.
%e lon cmnCoc n ai.trc m11ode dc réaliSationI. l'élément lllas. ntOStlictil se dililte
dilis c S i,l / bohilic u'cucre unI champ 11elllaOtile.
Sclon cuIcore un ant'c node de réalisation. l'élément smangtostrictit sc rèdutc it
dans le sens axial lorsque la bobine génrère un champ magnétique.
Selon enlcorC un autre mode de réalisation, le stabilisateur impose une force de
compression axiale sur l'arbre.
Selon encore un autre mode de réalisation, le stabilisateur impose une tforce de
traction axiale sur l'arbre.
Selon encore un autre mode de réalisation, la deuxième partie de l'arbre I () présente une extrémité, le stabilisateur comprenant un organe fileté entraîné par un
moteur, reliée de façon fonctionnelle à l'extrémité de la deuxième partie de l'arbre.
L'invention propose également un appareil rotatif comprenant: un arbre rotatif présentant une première extrémité et une deuxième extrémité; un moteur relié à ladite première extrémité dudit arbre pour entraîner en rotation ledit arbre; un élément magnétostrictif adapté pour venir en contact avec ladite deuxième extrémité dudit arbre; une bobine électrique entourant ledit élément magnétostrictif; et des moyens de mesure tachymétriques reliés audit arbre, caractérisé en ce que, dans le cas o ledits moyens de mesure tachymétrique indiquent que l'arbre approche d'une
vitesse de rotation critique, on envoie un courant électrique par ladite bobine (44).
générant ainsi un champ magnétique qui est suffisant pour provoquer une déformation axiale dudit élément magnétostrictif afin d'appliquer une force axiale de
stabilisation audit arbre rotatif.
Selon un autre mode de réalisation encore, le champ magnétique provoque une
extension de l'élément magnétostrictif pour qu'il appuie contre l'arbre rotatif.
Selon uni autre mode de réalisation, l'élément magnétostrictif est relié à l'arbre rotatif. Selon encore un autre mode de réalisation, le champ magnétique provoque un rétrécissement de l'organe magnétostrictif afin d'exercer une force de traction sur
l'arbre rotatif.
Selon un autre mode de réalisation, un rotor est monté sur ledit arbre rotatif.
Selon un autre mode de réalisation encore, le rotor est monté à un point
sensiblement central de l'arbre rotatif.
Selon un autre mode de réalisation, la deuxième extrémité de l'arbre rotatif est
logée dans une bague non magnétique.
Selon encore un autre mode de réalisation, il comprend en outre un châssis par
lequel s'étend l'arbre rotatif.
Selon un autre mode de réalisation, l'arbre comprend au moins un organe
d'isolation pour minimiser le transfert de vibrations.
Selon un autrc mod e o de ré lisation. la rc ere cxtrm ilté de l'arbre rotalif esr
Ioe'ce dans un paIllir liixe.
ill\nvenlltioll propose égalcmenllt un cenritfugeur comprenant: un arbre roilatif présentant deux extrémités: un rotor monté sur l'arbre rotatif. caractérisé en ce qu' il S comprend des moyens susceptibles d'appliquer une force axiale à au imoins tulle extrémité de l'arbre rotatif afin de minimiiser les vibrations dudit arbre rotati ' au
lorsque ledit arbre rotatif passe par au moins une vitesse critique.
L'invention sera mieux comprise à partir de la description détaillée qui suit en
rapport avec les dessins annexés, dans lesquels - la figure I est une vue en section transversale d'un système d'entraînement pour
un appareil rotatif muni d'un composant magnétostrictif relié de façon foic-
tionnelle à l'extrémité d'un arbre rotatif: et - la figure 2 est une vue en section transversale d'un appareil rotatif muni d'un organe à vis motorisé, relié de façon fonctionnelle à une des extrémités d'Lun
arbre rotatif.
La présente invention sera mieux comprise en référence aux figures. dans
lesquelles la figure I illustre un système d'entraînement 10 pour Uin appareil rotatiF.
Le système d'entraînement 10 selon cette invention peut être utilisé avec tout type d'appareil rotatif, tel qu'une centrifugeuse ou un volant. Le système d'entraînement 10 comprend un arbre 12 qui est adapté à recevoir un rotor 14 à une position de montage de rotor 16 disposée à toute position prédéterminée adéquate le long tde l'arbre 12. De préférence, la position de montage du rotor 16 est disposée au point central de l'arbre 12. la position de montage du rotor 16 divise l'arbre 12 en Line
partie supérieure 12T, et une partie inférieure I 2L.
Une partie de l'arbre 12, typiquement la partie inférieure 12L. est fixée ài unile source de force motrice 22 (par exemple un moteur électrique), qui constitue unlc source d'une force d'entraînement pour la rotation de l'arbre 12 autour d'un axe de rotation CL. L'axe de rotation CL est illustré comme s'étendant verticalement cn
passant par l'arbre 12, bien que l'on comprendra que le système de la présente inven-
tion est également susceptible d'être mis en oeuvre dans un appareil dans lequel l'arbre 12 est disposé horizontalement. La rotation de la partie supérieure 121 d
l'arbre 12 est supportée latéralement par une bague 46 réalisé en un matériau no11011-
magnétique adéquat. La partie inférieure 12L de l'arbre 12 est supportée par LIn
palier 26. Le palier 26 est fixé de façon rigide dans son boîtier de palier 30L.
Un élément magnétostrictif 50 est en appui contre une partie supérieure I 2T de
l'arbre 12, à l'intérieur de la bague 46, le rôle de cet élément étant explicité ci-
dessous. L'intervalle entre l'arbre 12, I'élément 50 et la bague 46 est définie par un
jeu 46G. La bague 46 est montée de façon rotative dans le palier 28.
l'apparcil Comprend un c hissis 30 par' lequel passe l'arbre 12. ILa structure du ClleIssis 3() cOHstfle Un emplaceme;U adOqtléL de <mntagc pour la souTcL mllotl'icC 22 ct les palicrs 2O. 2,1I.. ch&ssis 3) peut également étlrC isolé du point (le vuLe ics
ibralions de l'extérieur au too en d'une pluralité d'organes d'isolation 34.
Un tachymètre 38 pour surveiller la vitesse de rotation de l'arbre 12 est prévu.
Le tachymètre 38 peut être réalisé sous toute forme traditionnelle comme il est bien connu dans l'art, et peut être associé de façon lonctionnelle avec l'arbre 12 à toute position ac'équate. Un signal qui représente la vitesse de rotation de l'arbre 12 est
fourni en sortie par le tachymètre 38 sur une ligne 38L.
I() Selon la présente invention, le système d'entraînement 10 comprend, en outre, un stabilisateur qui est généralement identifié par le chiffre de référence 40, pour imposer une force dirigée selon la direction axiale sur l'arbre 12. La force imposée sur l'arbre 12 par le stabilisateur 40 peut être une force exerçant une compression axiale ou une force de traction axiale. Le stabilisateur 40 est relié de façon fonctionnelle à la partie de l'arbre 12 qui n'est pas reliée à la source motrice 22. Dans l'agencement illustré sur les figures, le stabilisateur 40 est ainsi relié à la partie supérieure 12T de l'arbre 12. La bague 46 est reliée à cette même partie de l'arbre 12 a laquelle est relié le stabilisateur 40 imposant une force. La grandeur de la force dirigée selon le sens axial imposée par le stabilisateur 40 sur l'arbre 12 est déterminée en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre 12, telle que déterminée par le tachymètre 38. Pour cela, le stabilisateur 40 est relié de façon fonctionnelle à
la ligne de sortie 38L du tachymètre 38.
Le stabilisateur 40 imposant une force comprend, de préférence, un composant magnétostrictif qui est relié de façon fonctionnelle à l'élément magnétostrictif 50. Le composant magnétostrictif comprend une bobine 44 qui entoure l'élément 50. Un courant traversant la bobine 44 génère un champ magnétique qui exerce une influence sur l'élément 50. L'élément magnétostrictif 50, réalisé en un alliage magnétostrictif tel que du Terfenol-D fabriqué par Etrema Products Inc., se dilate ou rétrécit dans le sens axial sous l'influence du champ magnétique. La grandeur de
cette dilatation est une fonction prédéterminée de l'intensité du champ magnétique.
L'intensité du champ. et ainsi la grandeur de la force, sont déterminées par la gran-
deur du courant d'excitation. La grandeur du courant est déterminée, à son tour, en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre 12, telle qu'indiquée par le signal sur la ligne 38L du tachynmètre 38. Dans le mode de réalisation illustré, le stabilisateur
d'imposition de force 40 est monté sur la chambre 32.
Lors de son tonctionnement, au fur et à mesure que la vitesse de l'arbre 12 approche d'une vitesse critique connue, la bobine électromagnétique 44 est excitée afin d'appliquer une force axiale à l'arbre 12. Vu que le palier inférieur 26 est fixe, () toutel lorsC appliquc'l I'xolr ppitc lposée dc ':11rhi'C 12 va \I \ oir l'et.t de varier sa liaitilC.' l;lld, l cl Il I "il l;i x - i ri i ll lici 12 l';l'- 2. 12 peu)LLt decalcrla 1 lositollo) de la vitesst cr'i ineq ^LoLs de la \itLcssc actul lc.1i. d'ctiolflemlt. ()n comprendlta que ccette variation di rigidité se produit presquL instantanément. Si la lorce axiale appliquée est une lforce de compression, et si sa grandeur s'approche des grandeurs données par la formule de Euler pour des colonnes. la rigidité latérale s'approche de zéro. Dans une variante. le stabilisateur imposant une force axiale peut être réalisé
de taçon mécanique commne illustré sur la figure 2. Ies chiffi-es de références v ont-
la même signification que sur la figure 1. Dans ce mode de réalisation, un moteur électrique 55 (par exemple un moteur du type pas à pas) entraîne un élément fileté
associé 57 qui s'appuie contre l'extrémité d'une partie supérieure 12T de l'arbre 12.
Le déplacement axial de l'élément fileté 57 et, en conséquence, la grandeur de la force imposée sur l'extrémité de l'arbre 12, est déterminé en fonction de la vitesse dcl l'arbre 12. De préférence, un vérin à vis, tel que ceux utilisés dans des presses. est utilisé. Le calcul de la force nécessaire pour stabiliser l'arbre 12 est une fonction du
couple appliqué par le moteur 55 à l'arbre 12.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles i
l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention.
Ii]V DNI)( 'ATI()NS I;n appareil rotatil' comprenant:
- t arbre (12) lprésenlitanit tLue position cde monitage d'Lun rotor (I 4)1 à un empla- S cce ient adéquat sur- l'arbre (12), cet emplacement de montage du rotor subdivi-
salt l'arbrc cn lune premnicLre partie et une deuxieme partie (12L, 12T); - Lue sourc e motrice (22) poul' Cnllllraicr enl rotation ledtil arbre re'lié ài ladite première partie (1 2L) de larbre;
- des nmoyerns de mesure tachlmtritliqlle (38) pour Mesurer ladite vitesse de rota-
I () tion dudit arbre, caracteérisé en ce qu'il comprend un stabilisateur (44) relié à ladite deuxième partie (12T) dudit arbre en étant sensible auxdits moyens de mesure de la vitesse pour imposer unlle foirce dirigée axialeiment sur ledit arbre, afin de minirniser des vibrations
dudit arbre à des vitesses de rotation critiques.
2.- L'appareil rotatif selon la revendication 1. caractérisé en ce que ladite deuxième partie (12T) dudit arbre présente une extrémité, ledit stabilisateur (44) comprenant un organle magnétostrictif (44, 50) relié de façon fonctionnelle à ladite
extrémité de ladite deuxième partie de l'arbre.
( 3.- L'appareil rotatif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe magnétostrictif comprend une bobine électrique (44) disposée autour d'un élément
magnétostlrictif (50).
) 4.- IL'appareil rotatif selon la revendication 3, caractérisé en ce (que ladite bobine génère un champ magnétique autour dudit élément magnétostrictif (50)
lorsqu'un courant d'excitation est appliqué à ladite bobine (44).
5.- L'appareil rotatif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit élément magnétostrictif se dilate dans le sens axial lorsque ladite bobine (44) génère
un champ magnlltiCLue.
6.- L'appareil rotatif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit élément magnétostrictif se rétrécit dans le sens axial lorsque ladite bobine (44)
génère un champ magnétique.
7.- L'appareil rotatif selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce que ledit
stabilisateur impose une force de compression axiale sur ledit arbre.
8.- I 'a xiilrc.il ritmIii,lOl l re\ L)llic ihm 1 I 2. cPSèct. Cis l cn cequ Ce Ice-ir
slail isatelvr ipillpsc uillc lo0ce de tractiol saxi.l t11 lcdit arbc.
9.- I,'appar-eil rota.tifl selon l'une quelconque dLes revendications I a 8. carac-
térisé cn cc que laditc deuxième partie dudit alrbre présente une extrémiteé. ledit staLbil isateur comprcnant Lin or-.ane filcté (57) entraîné par uin moteur (55), lclièe dc
façon lfonctionnelle à l'extrémité de la deuxième partie ( I 2T) de l'arbre.
1 0 10.- lIn appareil rotatif'colmprcnant:
- un arbre rotatif (12) préselntant une première extrémité et une deuxième extrl-
mité - Ulln moteur relié à ladite premlièrle extrémité dudit arbre pour entraînler Cen rotation ledit arbre; - un élément inagnétostrictif adapté pour venir en contact avec ladite deuxième extrémité dudit arbre: - une bobine électrique (44) entourant ledit élément magnétostrictif (50); et
- des moyens de mesure tachymétriques (38) reliés audit arbre.
caractérisé en ce que, dans le cas o ledits moyens de mesure tachiymétriquLIc indiquent qcue l'arbre approche d'une vitesse de rotation critique, 01on envoie (Il courant électrique par ladite bobine (44), générant ainsi un champ magnétique qui est suiffisanit pour provoquer une déformation axiale dudit élément magnétostrictil'
(50) afin d'appliqluer une force axiale de stabilisation audit arbre rotatif (12).
I 1.- I'apparleil rotatif' selon la revendication 10, caractérisé eni ce que ledit chalmp magnétique provoque urie extension dudit élémenit nîagnétostrictil'f pour qul'il
appuie COlntre ledit arbre rotatif (1 2).
12.- L'appareil rotatif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit
élément magniétostrictifcest relié audit arbre rotatilf'.
13.- L'appareil rotatif selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit champ magnétique provoque un rétrécissement dc l'organe mnagnétostrictif afin
d'exercer une force de traction sur ledit arbre rotatif.
14.- L'appareil rotatif selon l'une quelconque des revendications 10 à 13.
caractérisé en ce qu'un rotor (14) est monté sur ledit arbre rotatif (12).
1 5.-.'apparcil aotiil seohm la Lc cndcal(llionll 14. caractérisé Cn ce que ledi
Iotor CI St nliolO n unl point scSilcmcl cllcellln-dl duîdit arbre rotll'.
1(.- I.'appareil rotatilf selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractéris cn cc quc ladite dcuxième extrémité dudit arbre rotatif est logée dans une
bagtic (4(0) 1no1 magn11ét iqLuc.
17.- L'appareil rotatif selon l'une quelconque des revendications 10 à 16,
carlactériscé cil ce qu'il comprend en outre un châssis (30) par lequel s'étend ledit arbre
I t) rotatil.
18.- L'appareil rotatif selon l'une quelconque des revendications 10 à 17,
caractérisé cri ce que ledit arbre comprend au moins un organe d'isolation (34) pour
minimiîmser le lransfert (le \ibrations.
19.- I,'appareil rotatif selon l'une quelconque des revendications 10 à 18,
caractérisé en ce que ladite première extrémité dudit arbre rotatif est logée dans un
palier fixe (26).
20.- Un centrl-ifugeur comprenant - un arbre rotatif (12) présentant deux extrémités; - un rotor (14) monté sur ledit arbre rotatif; caractlérisé en ce qu'il comprend des rnoyens susccptibles d'appliquer une force axiale à au 1moins unLe extrémité dudit arbre rotatif afin de minimiiser les vibrations
2'5 dudit arbre rotatif lorsque ledit arbre rotatif passe par au moins une vitesse critique.
Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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