FR2894004A1 - Amortisseur a inertie contenant un ferrofluide - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un amortisseur à inertie fixé sur une structure(6) soumise à des vibrations, comprenant un boîtier (1) muni d'une cavité comportant un complexe comprenant une source (2) de champ magnétique incorporée dans un fluide (3) magnétique. L'invention se caractérise en ce que ledit complexe (2,3) est mobile au sein de la cavité et en ce que ladite cavité comporte des moyens (5, 11, 14) destinés à stabiliser ledit complexe dans une position définie de la cavité. L'invention s'applique en particulier à la stabilisation d'antennes telles que des antennes de satellites.

Description

AMORTISSEUR A INERTIE CONTENANT UN FERROFLUIDE La présente invention

concerne des amortisseurs à inertie à fluides magnétiques et leurs utilisations comme systèmes destinés à limiter voire supprimer rapidement les vibrations de structures.

Il existe deux grands types de fluides magnétiques, les ferrofluides et les fluides magnétorhéologiques. Les ferrofluides sont des solutions colloïdales comprenant des particules ferromagnétiques, comme la magnétite, d'une taille de quelques nanomètres dans un fluide dispersif tel que le kérosène ou une huile minérale ou synthétique. Les particules ferromagnétiques sont recouvertes d'une couche de surfactant pour éviter leur agglomération. Le premier ferrofluide stable a été obtenu par Rosensweig et al. en 1965. Par la suite, la technologie de synthèse des ferrofluides s'est perfectionnée et les ferrofluides ont été utilisés en lubrification et en hydraulique. Les fluides magnétorhéologiques sont des suspensions de particules magnétiques multi-domaines, comme le fer ex-carbonyle OTE, d'une taille voisine de 1 pm dans un fluide suspendant tel que l'huile silicone. Afin d'éviter une sédimentation et une agrégation des particules magnétiques multi-domaines, les fluides magnéto-rhéologiques sont stabilisés par des polymères ou des solutions concentrées en particules colloïdales, telles que les gels de silice. Les fluides magnétorhéologiques sont notamment utilisés pour des amortisseurs semi-actifs ou encore dans la robotique.

Bien sûr, on a cherché à développer des amortisseurs comportant des ferrofluides comme systèmes de dissipation d'énergie. De tels amortisseurs sont notamment divulgués dans les documents brevets publiés sous les numéros US 5,984,385 et US 4,123,675. Le document US 5,984,385 concerne des systèmes d'amortisseurs réduisant les vibrations par un mécanisme de vérin télescopique à fluide magnétorhéologique. Le document US 4,123,675 concerne des systèmes d'amortisseurs à inertie utilisant des ferrofluides. Les amortisseurs à inertie décrits dans ce document comprennent un aimant permanent incorporé dans un boîtier rempli de ferrofluide. De tels amortisseurs à inertie présentent une faible sensibilité et une efficacité réduite pour des fréquences et amplitudes d'oscillations faibles. Ceci car l'élément inertiel de ces amortisseurs est peu mobile dans son boîtier et, par conséquent, réagit peu à de faibles vibrations. De plus, ils nécessitent l'utilisation de réservoirs hermétiques spéciaux pour contenir les ferrofluides. Compte tenu de ce qui précède, un problème que se propose de résoudre l'invention est de réaliser un amortisseur à inertie contenant des fluides magnétiques, permettant de limiter voire de supprimer rapidement les vibrations de structures, y compris à des fréquences et amplitudes de vibrations faibles.

La solution de l'invention à ce problème posé a pour premier objet un amortisseur à inertie fixé sur une structure soumise à des vibrations, comprenant un boîtier muni d'une cavité comportant un complexe comprenant une source de champ magnétique incorporée dans un fluide magnétique, caractérisé en ce que ledit complexe est mobile au sein de la cavité et en ce que ladite cavité comporte des moyens destinés à stabiliser ledit complexe dans une position définie de la cavité.

Elle a pour second objet l'utilisation d'un tel amortisseur pour la stabilisation d'antennes, de câbles, de pylônes ou de panneaux. Lorsqu'un amortisseur à inertie comprend un boîtier muni d'une cavité comportant un complexe comprenant une source de champ magnétique incorporée dans un fluide magnétique, il permet la dissipation d'énergie. En outre, lorsque le complexe dudit amortisseur est mobile au sein de la cavité et lorsque ladite cavité comporte des moyens destinés à stabiliser ledit complexe dans une position définie de la cavité, l'amortisseur présente les avantages suivants : - il forme une structure simple ; - il présente une sensibilité élevée aux fréquences et amplitudes de vibrations faibles par le fait que la source de champ magnétique, qui constitue l'élément inertiel de l'amortisseur est suffisamment mobile dans son boîtier. Cette source de champ magnétique subit des déplacements importants à l'intérieur du boîtier même à de faibles amplitudes de vibrations imposées à la structure ; et - son étanchéisation n'est pas nécessaire car la fuite de fluide magnétique peut être évitée par le confinement dudit fluide par la source de champ magnétique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description non limitative qui va suivre, rédigée au regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 montre l'amortisseur à inertie, selon 30 un premier mode de réalisation de l'invention, fixé sur une structure soumise à des vibrations; - les figures 2 à 5 détaillent l'amortisseur à inertie selon un premier mode de réalisation de l'invention ; et - les figures 6 à 8 illustrent des amortisseurs à inertie selon des modes de réalisation alternatifs de l'invention. Ainsi que cela est montré à la figure 1, le boîtier 1 de l'amortisseur est fixé sur une structure 6 qu'il doit stabiliser. Parmi les structures pouvant être stabilisés par les amortisseurs selon l'invention, on choisira avantageusement les antennes, les câbles, les pylônes ou les panneaux.

De façon préférée, les amortisseurs selon l'invention sont fixés sur les parties terminales des structures, préférentiellement où les vibrations sont les plus importantes. On notera que l'amortisseur selon l'invention est en particulier destiné à l'amortissement des vibrations en mouvement de translation telles que par exemple des oscillations verticales et horizontales. Par antenne, on entend un dispositif permettant de rayonner ou de capter à distance des ondes dans un appareil ou une station d'émission ou de réception. A titre d'exemples non limitatifs d'antennes, on peut citer les antennes en parapluie, les antennes boucle, les antennes doublet filaires, les antennes yagi-uda, les antennes quart d'onde, les antennes rideau, les antennes paraboliques ou les antennes de satellites.

Par câble, on entend un lien d'une certaine section composé de fils métalliques, de fibres naturelles et/ou synthétiques qui comprend un ou plusieurs torons, eux-mêmes éventuellement enroulés autour d'une âme. A tire d'exemples non limitatifs de câbles, on peut citer notamment les câbles électriques de lignes à haute tension, les câbles coaxiaux, les câbles à fibres optiques, terrestres ou sous-marins. Par pylône, on entend un support élancé, généralement vertical formé par des matériaux quelconques 35 comportant un fût tronconique, cylindrique ou polygonal.

A titre d'exemples non limitatifs de pylônes, on peut citer les pylônes supports, les pylônes réacteurs, les pylônes radio, les pylônes hertziens, les pylônes de rotors, les mâts, les espars, les vergues ou les bout-dehors d'un bateau. Par panneau, on entend une structure plane de grande surface et de faible épaisseur, généralement rectangulaire. A titre d'exemples non limitatifs de panneaux, on 10 peut citer les panneaux d'affichages, les panneaux de signalisation ou les panneaux solaires. Selon un premier mode de réalisation de l'invention tel qu'illustré à la figure 2, l'amortisseur comporte un boîtier 1 muni d'une cavité 4 comportant un complexe 15 formé d'une source 2 de champ magnétique incorporée dans un fluide magnétique 3. Selon l'invention, le boîtier 1 peut être de formes géométriques diverses. Préférentiellement, le boîtier 1 de l'amortisseur selon l'invention est un cylindre obturé 20 à ses extrémités ou un parallélépipède rectangle. Par ailleurs, le boîtier 1 des amortisseurs est composé de matières métalliques non magnétiques, naturelles ou synthétiques. De façon préférentielle, le boîtier 1 des amortisseurs est composé de polyméthacrylate de méthyle 25 (plexiglas ) . Selon l'invention, la cavité 4 du boîtier est remplie par du vide ou au moins un gaz immiscible. Par gaz immiscible, on entend un gaz qui ne se mélange pas avec le fluide magnétique ou qui ne se 30 dissout pas, ni au repos, ni lors d'un mouvement du complexe formé d'une source 2 de champ magnétique incorporée dans un fluide magnétique 3, à l'intérieur du boîtier 1. A titre d'exemples non limitatifs de gaz immiscibles 35 pouvant remplir la cavité 4 selon l'invention, on peut citer le diazote, le dioxygène, l'argon, le dioxyde de carbone, le néon, l'hélium, le monoxyde d'azote, le krypton, le méthane, le dihydrogène le protoxyde d'azote, le xénon, le dioxyde d'azote, l'ozone ou le radon, pris seuls ou en mélanges. De façon préférentielle, le gaz est un mélange comprenant au moins du diazote à une concentration comprise entre 60 et 85% et du dioxygène à une concentration comprise entre 15 et 40%. Plus préférentiellement, le gaz est de l'air. La source 2 de champ magnétique selon l'invention est un aimant permanent ou un électroaimant. Par aimant permanent, on entend un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, exerçant une force d'attraction sur tout matériau ferromagnétique. De préférence, les aimants contiennent au moins un des éléments chimiques suivants : fer, cobalt ou nickel ou un élément chimique de la famille des Lanthanides. A titre d'exemples non limitatifs d'aimants permanents, on peut citer l'alnico (alliage d'aluminium, de nickel, de fer et de cobalt), les ferrites, le Samarium Cobalt ou le Néodyme fer bore. Par électroaimant, on entend un organe électrotechnique produisant un champ électromagnétique lorsqu'il est alimenté en électricité. I1 est généralement formé d'un bobinage et d'une pièce en matériau ferromagnétique doux appelé circuit magnétique. Quand le bobinage est parcouru par un courant électrique, il crée un champ magnétique canalisé par le circuit magnétique. La forme donnée au circuit magnétique permet de régler le champ magnétique, soit en concentrant l'effet du champ magnétique, soit en le canalisant. La puissance de l'électroaimant dépend de l'intensité du courant électrique et du nombre d'enroulement de fil. Au passage du courant, le noyau se comporte comme un aimant, mais en coupant le courant, les propriétés magnétiques disparaissent. Ainsi, la variation du champ magnétique permet un réglage fin de la viscosité du fluide magnétique et autorise donc un contrôle semi-actif de l'amortisseur. Ce contrôle semi-actif permet un ajustement de la raideur et de l'amortissement de l'amortisseur. Selon l'invention, le matériau ferromagnétique doux 10 est constitué d'un barreau de fer doux incorporé dans le fluide magnétique 3. Le bobinage parcouru par un courant électrique selon l'invention peut se situer dans ou à l'extérieur du boîtier 1. Avantageusement, il se situe à l'extérieur du 15 boîtier. Préférentiellement, la masse de la source 2 de champ magnétique selon l'invention représente 0,1 à 10% de la masse totale de la structure 6 à stabiliser. Plus préférentiellement, la masse de la source 2 de champ 20 magnétique représente 1 à 5% de la masse totale de la structure 6. Le fluide magnétique 3 selon l'invention est avantageusement un ferrofluide pur. Par ferrofluide, on entend une solution colloïdale 25 de particules ferromagnétiques d'une taille de quelques nanomètres dans un fluide dispersif. Avantageusement, les particules ferromagnétiques de ferrofluide sont recouvertes d'une couche de surfactant pour éviter leur agglomération. A titre d'exemples non limitatifs de 30 ferrofluides pouvant être utilisés, on peut citer les solutions colloïdales de particules de magnétite respectivement dans du kérosène et dans de l'huile silicone 45V10. De façon particulière, lorsque la cavité du boîtier 35 est remplie par du vide, la tension de vapeur du ferrofluide doit être inférieure à la pression du vide. A titre d'exemple non limitatif de ferrofluide utilisable lorsque la cavité du boîtier est remplie par du vide, on peut citer les ferrofluides dont le fluide porteur est une huile perfluorée ou un éther polyphényle. L'amortisseur selon l'invention comprend en outre un moyen 5 élastique ou mobile destiné à stabiliser le complexe 2 et 3 dans une position définie de la cavité. Préférentiellement, ce moyen 5 permet de maintenir le complexe 2 et 3 stabilisé dans la partie centrale de la cavité 4. De préférence, le complexe est maintenu stabilisé dans la partie centrale de la cavité 4 par le moyen 5 contre au moins une paroi du boîtier 1. De préférence encore, le complexe est maintenu stabilisé dans la partie centrale de la cavité 4 par un moyen 5 contre la paroi supérieure du boîtier 1. Le moyen 5 élastique ou mobile selon le premier mode de réalisation de l'invention est composé de une à dix plaques en contact direct avec le complexe 2 et 3 et inclinées par rapport aux parois du boîtier 1. De préférence, le moyen élastique ou mobile 5 est composé de 1 à 5 plaques. De préférence encore, le moyen selon l'invention est composé de 2 à 4 plaques. L'inclinaison des plaques a pour effet d'éviter que ledit complexe 2 et 3 se déplace et vienne se loger sur l'une ou l'autre des parois latérales du boîtier 1, ce qui entraînerait une diminution voire la suppression du pouvoir amortissant de l'amortisseur. Sous cette forme maintenue stabilisée par le moyen 5 élastique ou mobile, le complexe 2 et 3 comporte des surfaces libres qui lui permettent des déplacements, préférentiellement horizontaux, dans le boîtier 1. Ce sont ces déplacements qui permettent une dissipation visqueuse de l'énergie. La source 2 de champ magnétique, élément inertiel en mouvement dans les fluides magnétiques 3 permet d'amortir les vibrations exercées sur une structure 6 et donc une stabilisation rapide de ladite structure 6, telle qu'illustrée dans la figure 1. La figure 3 illustre une première variante du premier mode de réalisation de l'invention, dans laquelle l'amortisseur tel que décrit précédemment contient en outre une surface 7 dans la cavité 4. Selon cette variante, le moyen 5 permet de maintenir le complexe 2 et 3 stabilisé dans la partie centrale de la cavité 4. De préférence, le complexe est maintenu stabilisé dans la partie centrale de la cavité 4 par le moyen 5 contre au moins une surface 7. Selon une deuxième variante du premier mode de réalisation de l'invention, telle qu'illustrée à la figure 4, l'inclinaison du moyen 5 élastique ou mobile est réglable par rapport aux parois longitudinales du boîtier 1, et permet d'adapter l'efficacité de l'amortissement en fonction du type de structure à stabiliser. Lorsque cette inclinaison est augmentée, l'amplitude de déplacement de la source 2 de champ magnétique est diminuée et les forces de répulsions sont augmentées. Ce réglage fin du moyen élastique ou mobile est rendu possible par un changement de pression d'un ou plusieurs gaz ou d'un ou plusieurs liquides amenés dans la cavité 8, située entre la paroi inférieure du boîtier et le moyen 5 élastique ou mobile, par un orifice 9. Ce réglage fin permet de déformer le moyen élastique ou de déplacer le moyen mobile. Selon une troisième variante du premier mode de réalisation de l'invention illustrée à la figure 5, le réglage fin de l'inclinaison des moyens 5 élastiques ou mobiles, tels que décrits précédemment, par rapport aux parois longitudinales du boîtier 1 est rendu possible par la poussée, mécanique, automatique ou électromagnétique d'un élément 10 de contrôle solide. Cet élément 10 de contrôle solide permet de déformer le moyen élastique ou de déplacer le moyen mobile. Par élément de contrôle solide, on entend un élément mécanique généralement cylindrique fermé sur une face permettant un réglage réversible de la déformation du moyen élastique ou du déplacement du moyen mobile. A titre d'exemples non limitatifs d'éléments de contrôle solide, on peut citer les pistons, les boulons ou les vis.

Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 6, l'amortisseur selon l'invention comporte un boîtier 1, tel que décrit précédemment, muni d'une cavité 11 comportant un complexe formé d'une source 2 de champ magnétique incorporée dans un fluide magnétique 3. La cavité 11 du boîtier 1 comprend un moyen gazeux ou liquide. Ce moyen gazeux ou liquide, injecté de part et d'autre du complexe 2 et 3, permet de maintenir ledit complexe stabilisé dans une position définie de la cavité 11. Préférentiellement, le moyen gazeux ou liquide permet de maintenir le complexe 2 et 3 stabilisé dans la partie centrale du boîtier 1. De plus, un orifice 12 alimentant le boîtier en gaz ou en liquides permet de régler finement et de changer la pression du moyen gazeux ou liquide de façon mécanique, automatique ou électromagnétique. Ce réglage fin du changement de pression d'un ou plusieurs gaz 11 permet de moduler la force de rappel exercée sur le complexe 2 et 3 lorsque ce dernier est écarté de sa position centrale. Lorsque la pression du gaz dans la cavité 11 est augmentée, l'amplitude de déplacement de l'aimant est diminuée et les forces de répulsions sont augmentées. De façon particulière, lorsque le moyen est un moyen gazeux, les parois du boîtier 1 sont hermétiques.

Selon une première variante du deuxième mode de réalisation de l'invention illustrée à la figure 7, le moyen gazeux ou liquide, décrit précédemment, situé dans la cavité 11 est enveloppé par des coques élastiques 13 situées de part et d'autre du complexe 2 et 3. Enfin, selon un troisième mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 8, l'amortisseur selon l'invention comporte un boîtier 1, muni d'une cavité 4 comportant un complexe formé d'une source 2 de champ magnétique incorporée dans un fluide magnétique 3, tels que décrits dans les figures 1 à 5. En outre, l'amortisseur selon ce troisième mode de réalisation comprend un moyen 14 de type parois rigides destiné à stabiliser le complexe 2 et 3 dans une position définie de la cavité. Préférentiellement, le moyen 14 permet de maintenir le complexe 2 et 3 stabilisé dans la partie centrale de la cavité 4. De préférence, le complexe est maintenu stabilisé dans la partie centrale de la cavité 4 par le moyen 14 contre au moins une paroi du boîtier 1. De préférence encore, le complexe est maintenu stabilisé dans la partie centrale de la cavité 4 par un moyen 14 contre les parois longitudinales du boîtier 1. Ce moyen 14 permet de maintenir le complexe 2 et 3 stabilisé dans la partie centrale du boîtier 1 grâce aux ressorts 15. La force des ressorts 15 est réglable de façon fine à l'extérieur du boîtier, par un dispositif 16 contrôlable mécaniquement, automatiquement ou électromagnétiquement. En outre, les différents moyens réglables 5, 11 et 14 illustrés aux figures 4 à 8 permettent un contrôle semi-actif de l'amortisseur selon l'invention. L'augmentation de l'inclinaison du moyen 5, l'augmentation de pression du moyen 11 et l'augmentation de la tension appliquée au moyen 14 ont pour effet d'augmenter la force de répulsion sur le complexe 2,3 et donc la raideur générale de l'amortisseur et de diminuer sa sensibilité. Cette augmentation de la raideur de l'amortisseur est particulièrement adaptée lors de fortes sollicitations de la structure 6. A l'inverse, une diminution de la raideur de l'amortisseur et donc une augmentation de sa sensibilité est particulièrement adaptée à des faibles sollicitations de la structure 6. Par exemple, dans le cas de la stabilisation de panneaux solaires, le réglage de l'amortisseur est effectué de manière à ce que sa raideur soit importante et sa sensibilité réduite lors du lancement du satellite, donc lors de fortes sollicitations. En revanche, lors du fonctionnement sur orbite, l'amortisseur est réglé de manière à ce que sa raideur soit faible et sa sensibilité importante pour de faibles sollicitations.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Amortisseur à inertie fixé sur une structure(6) soumise à des vibrations, comprenant un boîtier (1) muni d'une cavité (4) comportant un complexe comprenant une source (2) de champ magnétique incorporée dans un fluide (3) magnétique, caractérisé en ce que ledit complexe est mobile au sein de la cavité et en ce que ladite cavité (4) comporte des moyens (5, 11, 14) destinés à stabiliser ledit complexe dans une position définie de la cavité. l0

2. Amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité (4) est remplie par du vide ou au moins un gaz immiscible.

3. Amortisseur selon la revendication 1 ou 2, 15 caractérisé en ce que la stabilisation du complexe dans une position définie est rendue possible par un moyen élastique (5), un moyen mobile (5), un moyen gazeux (11), ou un moyen de type parois rigides (14). 20

4. Amortisseur selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la déformation du moyen élastique ou le déplacement du moyen mobile est rendue possible par un changement de pression de gaz ou de liquide dans la cavité (8) situé entre la paroi du 25 boîtier et le moyen élastique ou mobile.

5. Amortisseur selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la déformation du moyen élastique ou le déplacement du moyen mobile est rendue 30 possible par le réglage d'un élément (10) de contrôle solide.

6. Amortisseur selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le moyen gazeux situé dans lacavité (11) est enveloppé par des coques élastiques (13) localisées de part et d'autre du complexe (2, 3).

7. Amortisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réglage du moyen est réalisé à l'extérieur du boîtier de façon mécanique, automatique ou électromagnétique.

8. Amortisseur selon l'une des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce que la source (2) de champ magnétique est un aimant permanent ou un électroaimant.

9. Amortisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la masse de la source 15 (2) de champ magnétique représente 0,1 à 10% de la masse totale de la structure à stabiliser, préférentiellement 1 à 5% de la masse totale de la structure à stabiliser.

10. Amortisseur selon l'une des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que le fluide magnétique est un ferrofluide pur.

11. Utilisation d'un amortisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour la 25 stabilisation d'antennes, de câbles, de pylônes ou de panneaux.