PROCEDIMIENTO DE EQUILIBRADO DEL MOVIMIENTO DE LAS MASAS MÓVILES DE UN MOTOR ELECTRODINÁMICO BILINEAL.

Procedimiento de equilibrado del movimiento de las masas móviles imantadas (10,

20) de un motor electrodinamico bilineal que comprende dos masas móviles imantadas (10, 20) que se desplazan en sentido contrario paralelamente al eje (XX) del motor según un movimiento alterno animado por las fuerzas magneticas de bobinas (11, 21) de inducción, constituyendo las masas móviles imantadas dos pistones alineados en el interior de una misma camara de compresión y que oscilan en oposición mecanica, comprendiendo el citado procedimiento etapas consistentes en:

facilitar al menos un primer sensor magnetico (12) y al menos un segundo sensor magnetico (22) aptos para proporcionar respectivamente una primera señal electrica (s1 (t) ) y una segunda señal electrica (s2 (t) ) respectivamente representativas del movimiento de la primera (10) y de la segunda (20) masa móvil imantada, registrar una señal de error (Ls (t) ) igual a la diferencia entre las citadas primera (s1 (t) ) y segunda (s2 (t) ) señales electricas y efectuar un analisis armónico de la citada señal de error, aplicar a la bobina (11) de la primera masa móvil imantada (10) una señal de excitación sinusoidal (e1 (t) ) a un frecuencia f0 dada, aplicar iterativamente a la bobina (21) de la segunda masa móvil imantada N señales de excitación sucesivas (e2n (t) ) , siendo una señal de excitación de rango n (0 : n : N -1) igual a una serie de Fourier de orden n de frecuencia fundamental f0, siendo ajustado en amplitud y en fase el termino de orden n de la citada serie de modo que se reduzca al minimo la componente a la frecuencia n.f0 de la citada señal de error, tomar para señal de excitación de la bobina (21) de la segunda masa móvil imantada la señal de excitación (e2N1 (t) ) obtenida en la iteración de rango N -1.

Procedimiento de equilibrado del movimiento de las masas m6viles de un motor electrodinamico bilineal La presente invenci6n se refiere a un procedimiento de equilibrado del movimiento de las masas m6viles de un motor electrodinamico bilineal.

La invenci6n encuentra una aplicaci6n particularmente ventajosa en los ambitos de las maquinas criogenicas de ciclo alterno, maquinas Stirling o tubos de gas pulsado, que ponen en practica motores electrodinamicos bilineales de masas m6viles que forman pistones, y de modo mas particular de las maquinas criogenicas destinadas a ser embarcadas en ingenios espaciales tales como los satelites de observaci6n de la Tierra. En esta aplicaci6n, los motores electrodinamicos bilineales hacen la funci6n de compresor del fluido utilizado, helio por ejemplo.

El principio de funcionamiento de un motor electrodinamico bilineal esta basado en la generaci6n por bobinas de inducci6n de fuerzas magneticas ciclicas que animan de un movimiento rectilineo a las masas m6viles imantadas que constituyen los pistones del motor, los cuales estan montados en cojinetes mecanicos que desarrollan debido a su construcci6n una fuerza de solicitaci6n elastica axial proporcional al desplazamiento de las masas m6viles. Estas ultimas estan caracterizadas por tanto por una frecuencia de resonancia mecanica, determinada por la masa en movimiento, la rigidez del cojinete, la rigidez magnetica y la carga fluidica.

El gobierno del motor consiste entonces en aplicar a las bobinas de inducci6n una corriente de excitaci6n a la frecuencia de resonancia mecanica de las masas m6viles imantadas, de manera que se obtenga una amplificaci6n natural del movimiento del desplazamiento de los pistones.

En los compresores electrodinamicos bilineales, las masas m6viles de los pistones estan alineadas en el interior de la misma camara de compresi6n y oscilan en oposici6n mecanica a la frecuencia de la corriente de excitaci6n de las bobinas, generalmente una corriente sinusoidal. Este ensamblaje presenta la ventaja de un equilibrado natural de las masas m6viles en movimiento, lo que no es el caso de los compresores lineales monopistones.

Sin embargo, las tolerancias sobre los parametros mecanicos y magneticos, como la masa, la rigidez mecanica y magnetica, el alineamiento, etc., conducen a respuestas mecanicas de los dos semimotores ligeramente diferentes para una consigna electrica identica, y por consiguiente inducen vibraciones del motor en el eje de desplazamiento de las masas m6viles de los pistones.

En una aplicaci6n de observaci6n de la Tierra por satelite, este nivel vibratorio residual conduce a la degradaci6n de la toma de vistas, esto tanto mas cuanto que el entorno mecanico severo durante el lanzamiento en terminos de vibraciones y de choques del lanzador, asi como el entorno termico en 6rbita que excluye cualquier transferencia termica por convecci6n, imponen fijar el compresor de manera rigida a la estructura del satelite, lo que favorece la propagaci6n de las vibraciones generadas por el compresor hacia los otros equipos fijados igualmente a la estructura del satelite, especialmente las camaras de toma de vistas.

Ademas, habida cuenta de las duraciones de vida de servicio util demandadas, entre 5 y 10 aios, es necesario seguir la evoluci6n del equilibrado del compresor con el fin de garantizar un nivel minimo de vibraciones inducidas a todo lo largo del envejecimiento.

Las soluciones actuales para reducir las vibraciones residuales debidas a un defecto de equilibrado del movimiento de las masas m6viles consisten en optimizar la consigna de la corriente de gobierno de una de las masas m6viles con respecto a la otra, segun un sistema maestroesclavo.

A tal efecto, sensores de esfuerzo o aceler6metros estan colocados en relaci6n mecanica con el compresor de manera que facilitan una medici6n de las vibraciones inducidas, en el compresor, por un eventual desequilibrio entre los desplazamientos de los dos pistones. La consigna 6ptima de la corriente de gobierno del pist6nesclavo es obtenida cuando la medici6n de vibraciones recogida por los sensores de esfuerzos o los aceler6metros es minima.

Los sensores de esfuerzo son arandelas piezoelectricas colocadas en las interfaces mecanicas de fijaci6n del compresor con la estructura del satelite. Este tipo de sensores presenta sin embargo un cierto numero de inconvenientes.

En primer lugar, si bien estos son capaces de medir vibraciones residuales propias del compresor, los sensores de esfuerzo pueden igualmente registrar aquellas que provienen de otros equipos fijados a la misma estructura mecanica del satelite. La medici6n de las vibraciones buscadas se encuentra por tanto perturbada por el entorno mecanico del compresor.

Siendo los sensores piezoelectricos malos conductores termicos, hay que prever un camino termico diferente del camino mecanico que pasa por las arandelas para evacuar las disipaciones termicas del compresor, a saber el calor de compresi6n del gas, las perdidas por efecto Joule, por corriente de Foucault, por histeresis, etc. A titulo de ejemplo, un camino termico especifico puede estar realizado por trenzas conductoras colocadas en cortocircuito en las arandelas piezoelectricas. Resulta, asi, evidentemente, una integraci6n compleja y mas cara.

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Finalmente, es muy dificil obtener una redundancia de estos sensores de esfuerzo, habida cuenta de su implantaci6n mecanica especifica.

Asimismo, la utilizaci6n de aceler6metros dispuestos en el compresor no conduce a resultados satisfactorios por las razones siguientes.

La medici6n facilitada por los aceler6metros presenta generalmente una baja relaci6n entre seial y ruido debido a las masas importantes a las cuales queda fijado el compresor. Ademas, la fuerza transmitida es reconstituida por interpretaci6n de la medici6n de aceleraci6n segun la masa efectiva, resultante de las masas m6viles, dificil de evaluar y por tanto imprecisa.

Como en los sensores de esfuerzo, la medici6n de aceleraci6n es perturbada por el entorno mecanico alrededor del compresor, lo que conduce a la medici6n de aceleraciones que no dependen del compresor.

En realidad, la medici6n de aceleraci6n esta bien adaptada a un montaje del compresor en suspensi6n y no a un montaje en una interfaz rigida por fijaci6n con pernos.

Sin embargo, un montaje tradicional en suspensi6n, necesario para una medici6n correcta de la aceleraci6n, desacopla la estructura de las interfaces y por tanto impone condiciones dificilmente compatibles con las aplicaciones espaciales, como la creaci6n de un camino termico especifico para evacuar las disipaciones de calor y la colocaci6n de un mecanismo de bloqueo de la suspensi6n, y despues de desbloqueo cuando el compresor debe soportar cargas mecanicas externas.

Finalmente, los aceler6metros y su acondicionamiento asociado son caros.

El documento GB 2 318 887 A divulga un procedimiento de reducci6n de vibraciones de una maquina criogenica de tipo Stirling basado en la medici6n directa de vibraciones con la ayuda de un sensor de fuerza que detecta las vibraciones.

La invenci6n tiene por objetivo entonces proponer un procedimiento de equilibrado del movimiento de las masas m6viles imantadas de un motor electrodinamico bilineal, que permita la puesta en practica del sistema de gobierno maestroesclavo anteriormente mencionado, a partir de mediciones de desplazamiento de las masas m6viles que no sean perturbadas por el entorno mecanico externo al motor.

Este objetivo se logra, de acuerdo con la invenci6n, debido a que el citado procedimiento comprende etapas de acuerdo con la reivindicaci6n 1.

Asi, se comprende, en primer lugar, que el procedimiento de acuerdo con la invenci6n funciona sobre la base de seiales representativas del desplazamiento de las masas m6viles facilitadas por sensores magneticos, tales como sensores de efecto Hall, colocados por ejemplo en el carter del motor, que interceptan una densidad, variable en funci6n de su desplazamiento, del flujo magnetico generado por las masas m6viles imantadas.

Resulta asi que las mediciones de desplazamiento obtenidas son independientes del entorno del motor, al menos en tanto que ningun otro equipo en la proximidad del motor facilite una densidad magnetica variable.

Por otra parte, se comprende tambien que el procedimiento iterativo propuesto por la invenci6n consiste en construir una seial de excitaci6n para la masa m6vilesclava como una serie de Fourier de la... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de equilibrado del movimiento de las masas m6viles imantadas (10, 20) de un motor electrodinamico bilineal que comprende dos masas m6viles imantadas (10, 20) que se desplazan en sentido contrario paralelamente al eje (XX) del motor segun un movimiento alterno animado por las fuerzas magneticas de bobinas (11, 21) de inducci6n, constituyendo las masas m6viles imantadas dos pistones alineados en el interior de una misma camara de compresi6n y que oscilan en oposici6n mecanica, comprendiendo el citado procedimiento etapas consistentes en:

facilitar al menos un primer sensor magnetico (12) y al menos un segundo sensor magnetico (22) aptos para proporcionar respectivamente una primera seial electrica (s1 (t) ) y una segunda seial electrica (s2 (t) ) respectivamente representativas del movimiento de la primera (10) y de la segunda (20) masa m6vil imantada, registrar una seial de error (Ls (t) ) igual a la diferencia entre las citadas primera (s1 (t) ) y segunda (s2 (t) ) seiales electricas y efectuar un analisis arm6nico de la citada seial de error, aplicar a la bobina (11) de la primera masa m6vil imantada (10) una seial de excitaci6n sinusoidal (e1 (t) ) a un frecuencia f0 dada, aplicar iterativamente a la bobina (21) de la segunda masa m6vil imantada N seiales de excitaci6n sucesivas (e2n (t) ) , siendo una seial de excitaci6n de rango n (0 : n : N -1) igual a una serie de Fourier de orden n de frecuencia fundamental f0, siendo ajustado en amplitud y en fase el termino de orden n de la citada serie de modo que se reduzca al minimo la componente a la frecuencia n.f0 de la citada seial de error, tomar para seial de excitaci6n de la bobina (21) de la segunda masa m6vil imantada la seial de excitaci6n (e2N1 (t) ) obtenida en la iteraci6n de rango N -1.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicaci6n 1, en el cual los citados sensores magneticos (12, 22) son sensores de efecto Hall.

3. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el cual las dos masas m6viles imantadas (10, 20) forman dos pistones encargados de comprimir un fluido criogenico y se desplazan en sentido contrario paralelamente al eje (XX) del motor segun un movimiento alterno cuya frecuencia f0 es elegida igual a la frecuencia de resonancia del conjunto motor.

4. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el cual el movimiento alterno de los pistones es obtenido aplicando a bobinas (11, 21) de inducci6n una seial de excitaci6n sinusoidal a una frecuencia f0, siendo realizado el acoplamiento magnetico de los pistones con las bobinas (11, 21) por medio de imanes permanentes llevados por las masas m6viles imantadas (10, 20) .

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicaci6n 3, en el cual se aplica a la bobina (11) de la primera masa m6vil imantada (10) , denominada « masamaestra », una seial de excitaci6n e1 (t) , y a la bobina (21) de la segunda masa m6vil imantada (20) , denominada « masaesclava », una seial de excitaci6n e2 (t) , siendo estas seiales de excitaci6n peri6dicas de frecuencia f0, siendo registrada y sometida a un analisis arm6nico la seial de error Ls (t) = s1 (t) -s2 (t) peri6dica de frecuencia f0 de manera que se efectua una descomposici6n en N componentes de Fourier de frecuencia n.f0 con 0 : n : N -1, siendo C0, .Cn, .CN1 la amplitud respectiva de las componentes de Fourier de la seial de error Ls (t) , se aplica una seial de excitaci6n sinusoidal a la frecuencia f0a la masamaestra (10) :

e1 (t) = A1.sen (2ºf0t)

y despues, se efectua una iteraci6n de la seial de excitaci6n de la masaesclava (20) de la manera siguiente:

se aplica a la masaesclava (20) una primera seial de excitaci6n de frecuencia nula (n = 0)

e20 (t) = B0

el coeficiente B0 es entonces ajustado a un valor 6ptimo B0' tal que el coeficiente correspondiente C0 de la seial de error sea minimo, a continuaci6n se aplica a la masaesclava (20) una nueva seial de excitaci6n:

e21 (t) = B'0 + B1.sen (2 ºf0t+ <1)

y se ajustan el coeficiente B1 y la fase <1 de manera que se reduzca al minimo el coeficiente C1 de la seial de error, siendo B'1 y <'1 los valores correspondientes, en el rango de iteraci6n n, se aplica a la masaesclava (20) una seial de excitaci6n e2n (t) dada por:

e2n (t) = B'0 + B'1.sen (2ºf0t+ <'1) + B'2.sen (2 (2.f0) t + <'2) + . + Bn.sen (2º (n.f0) t + <n)

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y despues se ajustan de nuevo, el coeficiente Bn y la fase <n para reducir al minimo el coeficiente Cn, la iteraci6n continua de este modo hasta el ultimo rango n = N -1, la seial 6ptima de excitaci6n de la masa m6vilesclava (20) vale al final:

N−1 e (1) = eN−1 (1) = B'0 +∑B'n.sen (2π (nf0) 1 + ϕ'n )

22 n=1

6. Aplicaci6n del procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5 a la reducci6n de las vibraciones de los motores electrodinamicos bilineales.

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