Une nouvelle invention fait disparaître les vibrations

Lorsque tout tremble, la précision est généralement impossible. Quiconque a déjà essayé de prendre une photo avec des mains tremblantes ou de prendre des notes manuscrites lors d’un trajet en bus cahoteux le sait. Dans les mesures techniques de précision, même des vibrations beaucoup plus faibles constituent un problème majeur, par exemple avec des microscopes à haute performance ou des miroirs de télescopes parfaitement alignés. Même les plus petites vibrations, qui ne sont même pas perceptibles par l’homme, peuvent rendre le résultat de mesure inutilisable.

La Tu Wien a inventé une nouvelle technologie d’amortissement des vibrations qui résout ce genre de problèmes de manière inhabituelle : on utilise des aimants électropermanents. Il s’agit d’aimants qui, comme les aimants permanents ordinaires, conservent leur magnétisme en permanence sans nécessiter d’alimentation électrique, mais qui sont en plus équipés d’une bobine de sorte que leur magnétisation peut être modifiée extrêmement rapidement par une impulsion électrique. Cela permet, par exemple, de supprimer activement les vibrations dans les miroirs des grands télescopes et d’augmenter ainsi considérablement leurs performances.

L’étude est publiée dans la revue Transactions IEEE sur l’électronique industrielle.

Une plateforme flottante avec une précision nanométrique

Le système d’amortissement des vibrations de Tu Wien se compose d’une base fixée de manière fixe et d’une plate-forme flottante située au-dessus. La plate-forme est suspendue dans l’air et maintenue en place par de fortes forces magnétiques. Plusieurs actionneurs électromagnétiques peuvent ensuite ajuster la position de la plate-forme avec une grande précision en quelques fractions de seconde, même lorsqu’une charge de plusieurs kilogrammes est montée sur cette plate-forme.

« Dans les applications sensibles, comme le positionnement de segments de miroir, la position de cette plate-forme doit être maintenue stable à quelques dizaines de nanomètres près », explique le professeur Ernst Csencsics de l’Institut de technologie d’automatisation et de contrôle de la Tu Wien.

« Cela n’est possible que si l’on parvient à compenser même les vibrations les plus infimes du sol, comme celles qui se produisent lorsque quelqu’un passe devant le laboratoire, ou celles causées par les vibrations normales des bâtiments. »

La position de la plate-forme doit donc être mesurée avec une extrême précision et tout mouvement doit être immédiatement neutralisé. Cela permet de supprimer très efficacement les vibrations, en particulier les vibrations à basse fréquence, qui constituent généralement un problème dans de telles applications.

Les électroaimants ont besoin d’une puissance constante

« Pour amortir les vibrations de manière active, on utilise généralement des électroaimants », explique le professeur Georg Schitter, directeur de l’institut. « Un courant circule dans des bobines dans un champ magnétique et, selon l’intensité de ce courant, différentes forces peuvent être générées. Cela fonctionne très rapidement et avec précision. »

L’inconvénient majeur de cette technologie est que le courant doit circuler en permanence, sinon les forces magnétiques disparaissent instantanément. Un aimant permanent, en revanche, peut conserver ses propriétés magnétiques pendant une durée indéterminée sans apport d’énergie externe, une fois qu’il a été magnétisé par un champ magnétique très puissant.

Les aimants permanents du quotidien, tels que ceux que l’on connaît sur les tableaux magnétiques ou les aimants de réfrigérateur, sont également fabriqués de cette manière : il faut un matériau magnétisable adapté et l’exposer une fois à un champ magnétique puissant. Cela crée un ordre magnétique dans le matériau, ce qui lui permet de rester magnétique en permanence.

Remagnétiser les aimants permanents de manière ciblée

Les chercheurs ont désormais réussi à combiner les avantages des électroaimants et des aimants permanents dans l’amortissement des vibrations en utilisant un aimant dit électropermanent.

« Il s’agit d’un aimant permanent qui est également équipé d’une bobine », explique Csencsics.

Tant que la force de l’aimant permanent est dans la plage correcte, aucune puissance n’est nécessaire et la plate-forme flottante est maintenue en place. Seules de petites mesures correctives des actionneurs sont nécessaires pour compenser les vibrations.

Cependant, si la force de l’aimant permanent n’est plus appropriée, par exemple parce que le poids reposant sur la plate-forme flottante a changé ou parce qu’elle doit être inclinée, des méthodes plus drastiques sont alors utilisées : une impulsion de courant courte et forte est envoyée à travers la bobine, créant un champ magnétique très fort pendant un moment et modifiant ainsi également la magnétisation de l’aimant permanent.

En sélectionnant la bonne intensité d’impulsion magnétique, l’aimant permanent peut être réglé sur un nouveau point de fonctionnement, auquel il reste ensuite constant sans nécessiter d’alimentation en énergie.

Prototype fonctionnel, brevet en instance

Ce contrôle peut être automatisé : le système reconnaît automatiquement s’il est encore proche du point de fonctionnement souhaité ou si une remagnétisation est nécessaire.

« Nous avons développé la technologie de contrôle nécessaire au cours des deux dernières années et elle fonctionne déjà très bien », déclare Csencsics. L’invention a déjà été brevetée avec le soutien de l’équipe de recherche et de transfert de Tu Wien.

« Avec notre prototype, nous avons montré qu’une suppression des vibrations extrêmement précise et économe en énergie est possible », explique Schitter.

« Cette technologie serait parfaite pour les grands télescopes, par exemple, qui sont constitués de plusieurs segments de miroirs. Le télescope doit pouvoir être aligné sur différentes zones du ciel, et les miroirs doivent ensuite être alignés avec une grande précision et maintenus stables dans chaque position. C’est exactement à cela que notre technologie serait idéale. »

En principe, la technologie d’amortissement des vibrations par aimants électro-permanents pourrait bien sûr également être appliquée à d’autres domaines, tels que la production de précision de puces semi-conductrices et de grandes optiques de haute qualité, d’actionneurs adaptatifs ou de technologie de mesure de précision en laboratoire.

« Partout où l’on a besoin de la plus grande précision possible qui pourrait être perturbée par des vibrations, notre technologie est une solution intéressante », affirment les chercheurs.