GENERATEUR D'ELECTRICITE |
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| 申请号 | EP13777270.3 | 申请日 | 2013-10-15 | 公开(公告)号 | EP2909869B1 | 公开(公告)日 | 2018-03-21 |
| 申请人 | Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives; Institut Polytechnique de Grenoble; Centre National de la Recherche Scientifique; | 发明人 | VIALA, Bernard; LEBEDEV, Gor; DELAMARE, Jérome; GARBUIO, Lauric; LAFONT, Thomas; CUGAT, Orphée; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | |||||||
| 说明书全文 | L'invention concerne un générateur d'électricité. Des systèmes auto-alimentés comme, par exemple, des réseaux de capteurs autonomes sans fil nécessitent un générateur d'électricité in situ. Ces systèmes sont souvent complexes et comprennent de nombreux éléments qui sont parfois installés hors de portée. Dans ces situations, la maintenance du système est compliquée et coûteuse si, par exemple, un remplacement de batterie déchargée devenait nécessaire. Il est donc souhaitable de ne pas remplacer la batterie pendant toute la durée de vie du système afin de réduire les coûts de maintenance et d'éliminer les déchets associés. C'est dans ce contexte que des générateurs d'électricité équipés de récupérateur d'énergie ont été proposés. La récupération d'énergie est basée sur l'utilisation de sources d'énergie disponibles gratuitement dans l'environnement telles que la lumière, les changements de température, les vibrations ou autres, pour générer de l'électricité. Pour cette conversion, on utilise un convertisseur d'énergie. En sortie du convertisseur d'énergie, il est souhaitable de récupérer l'énergie sous une tension utile élevée pour être facilement mise en forme par une charge alimentée par ce générateur électrique sans trop de déperdition d'énergie. Ainsi, il a été proposé, dans la demande Ainsi, des générateurs connus d'électricité comportent :
Comme décrit dans la demande De l'état de la technique est également connu de L'invention vise à améliorer le rendement d'un tel générateur d'énergie. Le rendement est ici défini comme étant le rapport entre la quantité d'énergie réellement transmise à la charge à alimenter sur la quantité d'énergie produite par le premier convertisseur. Elle a donc pour objet un générateur d'énergie conforme à la revendication 1. Le déposant a découvert que lorsque la quantité d'énergie récupérable est faible et que le temps mis pour la récupérer est long, la baisse du rendement était en partie due à l'utilisation d'interrupteurs statiques dans le circuit de collecte.En effet, les transistors et thyristors ou similaires consomment de l'électricité lorsqu'ils commutent entre leur position fermée et ouverte. L'électricité consommée par les interrupteurs du circuit de collecte n'est donc pas transmise à la charge à alimenter par le générateur d'électricité. De plus, même dans la position ouverte, il existe toujours un courant de fuite dans les transistors et thyristors. Ce courant de fuite permet au premier convertisseur de se décharger en dehors des instants de commutation prévus. Ce problème de décharge du premier convertisseur par des courants de fuite est d'autant plus important que les variations de l'énergie à récupérer sont lentes et donc que la fréquence de commutation des interrupteurs est faible. Ainsi, la présence de transistors ou thyristors dans les récupérateurs d'énergie connus diminue leur rendement. Dans le générateur ci-dessus, l'interrupteur commandable est un interrupteur mécanique et non pas un interrupteur statique tel qu'un transistor ou un thyristor comme dans les circuits de collecte connus. Dès lors, la commutation de cet interrupteur entre les positions ouverte et fermée ne consomme pas l'énergie électrique produite par le premier convertisseur. De plus, avec l'interrupteur mécanique il n'existe pas de courant de fuite. Le circuit de collecte peut donc être utilisé pour récupérer des charges sous une tension utile élevée même si les variations de l'énergie à récupérer sont très lentes. Enfin, le fait que l'interrupteur mécanique utilisé soit un interrupteur magnétique permet de limiter la quantité d'énergie électrique consommée par cet interrupteur et son circuit de commande ce qui augmente l'autonomie du générateur. Les modes de réalisation de ce générateur peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques des revendications dépendantes. Ces modes de réalisation du générateur présentent en outre les avantages suivants :
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail. La Le générateur 2 comporte une source 4 d'énergie à récupérer et un récupérateur 6 de cette énergie. Le récupérateur 6 alimente le condensateur 3 à partir de l'énergie récupérée. La source 4 est une source d'énergie disponible gratuitement dans l'environnement du récupérateur 6. Le récupérateur 6 comporte un convertisseur 20, un circuit 30 de collecte et un dispositif 34 de commande du circuit 30. Le convertisseur 20 convertit une variation de l'énergie à récupérer en un excédent correspondant de charges électriques sur une borne 22 ou 24 de raccordement par rapport à l'autre borne 22 ou 24 de raccordement. Le circuit 30 collecte l'excédent de charges électriques sur la borne 22 ou 24 et transfert les charges électriques collectées au condensateur 3. Pour cela il est équipé d'un ou plusieurs interrupteurs mécaniques commandables Ic. Le dispositif 34 commande les interrupteurs Ic de manière à transférer l'excédent de charges électriques généré par le convertisseur 20 vers le condensateur 3 uniquement lorsque cet excédent a atteint un seuil suffisant. Les figures qui suivent décrivent plus en détail différents modes de réalisation possibles du récupérateur d'énergie adaptés à différent type d'énergie à récupérer. La Par exemple, la source 4 comporte un aimant permanent 8 dont le moment magnétique est horizontal et un moteur 10 entraînant en rotation l'aimant 8 autour d'un axe vertical parallèle à une direction Z. La direction Z est perpendiculaire aux directions X et Y. Ici, le convertisseur 20 génère un excédent de charges électriques sur la borne 22 proportionnel à la valeur absolue de l'amplitude de la composante BX. Il génère également un excédent de charges électriques sur la borne 24 proportionnel à la valeur absolue de l'amplitude de la composante BY. Puisque l'amplitude des composantes BX et BY sont en opposition de phase, lorsque l'excédent de charges électriques est maximal sur la borne 22, il est minimal sur la borne 24 et vice versa. De préférence, le convertisseur 20 est disposé à proximité de la source 4. Par exemple, la distance la plus courte entre le convertisseur 20 et la source 4 est inférieure à 10 cm et, de préférence, inférieure à 1 cm. Le convertisseur 20 est aussi apte à stocker les charges électriques produites sur les bornes 22 et 24 lorsque ces bornes sont électriquement isolées de tout autre circuit électrique extérieur susceptible de lui permettre de se décharger. Ainsi, le convertisseur 20 fonctionne aussi comme un condensateur. Par exemple, en absence de raccordement à un circuit électrique extérieur, l'excédent de charges présent sur la borne 22 ou 24 varie de moins de 50 % en plus de 1 ms et, de préférence, en plus de 1 s ou 1 mn ou 1 h. Le convertisseur 20 est décrit plus en détail en référence à la Le circuit 30 comprend deux bornes 40 et 42 d'entrée directement raccordées, respectivement, aux bornes 22 et 24. Le circuit 30 comprend également deux bornes 44 et 46 de sortie directement raccordées, respectivement, à des bornes 49A et 49B du condensateur 3. Ici, on dit que des éléments A et B sont « directement raccordés » lorsqu'il existe une liaison électrique raccordant ces éléments A et B qui ne passent pas par l'intermédiaire d'un autre composant électrique tel qu'un autre interrupteur, une autre diode ou une inductance. De plus, dans cette description, à défaut de précision contraire, le terme « raccorder » signifie « raccorder électriquement ». Le circuit 30 est conçu pour transférer les charges électriques accumulées sur les bornes 22 et 24 vers la borne 44 de sortie. A cet effet, il comporte :
La cathode de la diode 50 est électriquement raccordée à la borne 44 par l'intermédiaire d'une inductance 58. Le circuit 30 comporte également une diode 60 dont la cathode est directement raccordée entre la cathode de la diode 50 et l'inductance 58 et dont l'anode est directement raccordée à la borne 46. Les interrupteurs 48, 52, 54 et 56 sont aptes à commuter entre une position fermée dans laquelle ils conduisent l'électricité et une position ouverte dans laquelle ils ne conduisent pas l'électricité. La commutation de ces interrupteurs entre leurs positions fermée et ouverte est commandée par le dispositif 34 de commande. Un mode de réalisation de ces interrupteurs est décrit plus en détail en référence à la Le dispositif 34 commande la commutation des interrupteurs du circuit 30 pour passer, en alternance, entre :
Plus précisément, le dispositif 34 est conçu pour :
A cet effet, le dispositif 34 est ici uniquement composé de la source 4 d'énergie à récupérer. Autrement dit, dans ce mode de réalisation particulier, la source 4 d'énergie à récupérer et le dispositif 34 de commande ne sont qu'un seul et même élément. La Dans ce mode de réalisation, le convertisseur 20 comporte un transducteur magnétique associé à un transducteur électromécanique. Le transducteur magnétique est une couche 70 en matériau magnétostrictif. Le transducteur électromécanique comprend ici une couche supérieure 72 et une couche inférieure 74 en matériau piézoélectrique. Les couches 72, 74 sont directement fixées sans aucun degré de liberté, respectivement, sur le dessus et le dessous de la couche 70. Ici, les couches 70, 72 et 74 s'étendent le long d'une direction longitudinale parallèle à la direction X. La couche 70 est réalisée dans un matériau magnétostrictif dont la valeur absolue du coefficient de magnétostriction λs est supérieure à 10 ppm (partie par million) et de préférence supérieure à 100 ou 1000 ppm. Le coefficient λs est défini par la relation suivante : λs = ΔL/L, où :
Ici le coefficient λs est positif. Par exemple, le matériau magnétostrictif est le Terfenol-D ou le FeSiB. Les couches piézoélectriques sont directement collées de part et d'autre de la couche 70. Par exemple, le coefficient de couplage k de ces couches piézoélectriques est supérieur à 5 % ou 10 %. Ce coefficient de couplage est défini dans la norme ANSI/IEEE 176-1987 « ANSI/IEEE standard on piezoelectricity » ou dans les normes de la famille EN50324. Par exemple, le matériau piézoélectrique utilisé est le PZT (PbZtxTi1-xO3) ou autres. Pour plus de détails sur le convertisseur 20, le lecteur peut se référer à l'article A1 suivant :
La couche 70 permet de générer une contrainte de plusieurs dizaines de MPa sur les couches piézoélectriques 72 et 74 qui génèrent, en réponse, une tension de plusieurs dizaines de volts entre les bornes 22 et 24. Typiquement, la tension maximale générée entre les bornes 22 et 24 dépasse 200 Vdc. Il a été mesuré que l'énergie produite par un tel convertisseur peut être supérieure à 50 µJ et, de préférence, supérieure à 100 µJ en réponse à une rotation d'un quart de tour de l'aimant 8. La
Le milieu isolant est par exemple un gaz ou un liquide électriquement isolant ou un gaz sous très faible pression, c'est-à-dire une pression inférieure à 105 Pa ou 100 Pa ou 0,1 Pa. Les plots 80, 82 sont raccordés au reste du circuit 30. Les lames 84 et 86 sont réalisées en matériau magnétique. Par exemple, le matériau magnétique présente une perméabilité relative supérieure à 100 ou 1000 pour une fréquence nulle du champ magnétique. Elles s'étendent essentiellement parallèlement à une direction d'actionnement commune représentée par une flèche Fa sur la Lorsque le champ magnétique, au niveau de l'interrupteur 48, atteint une configuration d'actionnement, la force exercée par ce champ magnétique permet de déplacer les contacts 84A et 86A de la position ouverte vers la position fermée. A l'inverse, en dehors d'une configuration d'actionnement, le champ magnétique au niveau de l'interrupteur est insuffisant pour garder les contacts 84A, 86A en position fermée. L'homme du métier sait que les cartographies de champ magnétique autour d'un aimant ne se limite pas à une direction unique et que la sensibilité d'un interrupteur magnétique est complexe notamment en termes d'amplitude, de direction et de réversibilité (ou d'hystéresis). Toutefois, il sait adapter la position de l'aimant et du relais en conséquence. Ainsi, dans la suite de cette description, pour simplifier, on considère qu'une configuration d'actionnement est atteinte lorsque l'amplitude du champ magnétique, au niveau de l'interrupteur 48, dépasse un seuil de commutation Sc dans la direction Fa. A l'inverse, on considère, toujours pour simplifier, que si l'amplitude du champ magnétique parallèle à la direction Fa est inférieure à ce seuil Sc, alors les contacts 84A et 86A se déplacent, par déformation élastique des lames 84, 86, de leur position fermée vers la position ouverte puis restent dans la position ouverte. L'interrupteur 48 est donc un interrupteur normalement ouvert. La valeur du seuil Sc au-delà duquel l'interrupteur 48 commute de sa position ouverte vers sa position fermée détermine la sensibilité de l'interrupteur 48 au champ magnétique. L'interrupteur 48 est fixé sans aucun degré de liberté par rapport à la source 4. Dans le cas de l'interrupteur 48, sa direction d'actionnement est parallèle à la direction X. De plus, sa sensibilité est choisie pour que les contacts 84A et 86A se déplacent de la position ouverte vers la position fermée uniquement au moment où l'amplitude de la composante BX atteint une amplitude correspondant à un excédent de charges sur la borne 22 supérieur au seuil S1. Ainsi, la commutation de l'interrupteur 48 est directement commandée par la source 4. Plus précisément, dans le cas de la source 4 et du convertisseur 20, l'excédent de charges électriques sur la borne 22 est maximal quand le moment magnétique de l'aimant 8 est parallèle à la direction X. Ainsi, la sensibilité de l'interrupteur 48 est choisie pour que celui-ci commute vers la position fermée uniquement lorsque le moment magnétique de l'aimant 8 est aligné sur la direction X à plus ou moins 30° près et, de préférence, à plus ou moins 5° près. L'interrupteur 56 est identique à l'interrupteur 48. Les interrupteurs 52 et 54 sont identiques à l'interrupteur 48 sauf que leurs directions d'actionnement sont parallèles à la direction Y et non pas parallèles la direction X. On notera qu'ici le décalage angulaire entre les directions d'actionnement des interrupteurs 48 et 56 et des interrupteurs 52 et 54 est égal à la valeur du déphasage angulaire entre la variation de l'excédent de charges électriques sur les bornes 22 et 24. Le fonctionnement du générateur 2 va maintenant être décrit à l'aide du procédé de la Lors d'une étape 90, en permanence, la source 4 génère le champ magnétique variable. Ici, seule la direction du champ magnétique varie au cours du temps de sorte que les amplitudes des composantes BX et BY sont déphasées d'un angle de 90°. En parallèle, lors d'une étape 92, le convertisseur 20 convertit en permanence la variation du champ magnétique variable en une variation correspondante de la quantité de charges sur ses bornes 22 et 24. En parallèle de ces étapes 90 et 92, on procède à la commande du circuit de collecte 30. Pour cela, plus précisément, le circuit 30 est commandé pour collecter l'excédent de charges électriques accumulé, en alternance, sur les bornes 22 et 24 uniquement au moment où l'excédent est maximal. Initialement, le moment magnétique de l'aimant 8 est dans une direction intermédiaire entre les directions X et Y, c'est-à-dire ni parallèle à la direction X ni parallèle à la direction Y et tourne vers la direction X. Les amplitudes des composantes BX et BY sont alors inférieures au seuil de commutation Sc des interrupteurs. Dans cet état, lors d'une étape 96, la source 4 commande la commutation des interrupteurs 48, 52, 54 et 56 vers la position ouverte puis maintient ces interrupteurs dans la position ouverte. Le circuit de collecte est donc dans sa position de repos représentée sur la Ensuite, la direction de l'aimant 8 devient parallèle à la direction X. L'excédent de charges accumulé sur la borne 22 est maximal. En effet, lorsque le moment de l'aimant 8 est parallèle à la direction X, cela correspond à une déformation maximale de la couche 70 dans la direction X. A ce moment-là l'amplitude de la composante Bx dépasse le seuil de commutation Sc des interrupteurs 48 et 56. Lors d'une étape 98, la source 4 commande alors la commutation de ces interrupteurs 48, 56 vers leur position fermée. Le circuit 30 passe dans sa première position de décharge représentée sur la Ensuite, l'aimant 8 continue de tourner vers, cette fois-ci, la direction Y. La direction du moment magnétique de l'aimant 8 repasse donc dans une position intermédiaire. L'amplitude des composantes BX et BY devient inférieure au seuil Sc des interrupteurs 48, 52, 54 et 56. Lors d'une étape 100, la source 4 commande alors la commutation des interrupteurs vers la position ouverte. Le circuit 30 retourne dans sa position de repos représentée sur la Enfin, lorsque le moment magnétique de l'aimant 8 devient parallèle à la direction Y, cela correspond à une déformation maximale de la couche 70 dans la direction Y et donc à un excédent maximum de charges sur la borne 24. En même temps, l'amplitude de la composante BY dépasse le seuil Sc des seuls interrupteurs 52 et 54. Ainsi, lors d'une étape 102, la source 4 commande la fermeture de ces interrupteurs. Le circuit 30 passe dans sa seconde position de décharge représentée sur la La direction du moment magnétique de l'aimant 8 continue à tourner pour se rapprocher de nouveau de la direction X. On retourne alors à l'étape 96. La Le circuit de collecte 114 comporte les mêmes bornes 40, 42 d'entrée et les mêmes bornes 44, 46 de sortie. Il comporte également deux branches 116 et 118 raccordées en parallèle entre les bornes 40 et un point 120 de raccordement. La branche 116 comporte un interrupteur 122 raccordé directement en série avec une diode 124. L'interrupteur 122 est par exemple identique à l'interrupteur 48. L'anode de la diode 124 est directement raccordée à l'interrupteur 122. La branche 118 comporte un interrupteur 126 raccordé en série avec une diode 128 et un interrupteur magnétique 130. L'interrupteur 126 est par exemple identique à l'interrupteur 52. La cathode de la diode 128 est directement raccordée à l'interrupteur 126. L'anode de cette diode 128 est directement raccordée à l'interrupteur 130.L'interrupteur 130 est un interrupteur magnétique normalement fermé, c'est-à-dire que cet interrupteur 130 est dans la position ouverte tant que l'amplitude du champ magnétique le long de sa direction d'actionnement est inférieure à son seuil Sc de commutation. Le point 120 est électriquement raccordé par l'intermédiaire d'une bobine 132 aux bornes 42 et 46. Ce point 120 est également raccordé par l'intermédiaire d'un interrupteur 134 de libération des charges accumulées à la borne 44. La bobine 132 génère un champ magnétique proportionnel à l'intensité du courant qui la traverse et au nombre de spires qui la compose.L'interrupteur 134 est un interrupteur magnétique normalement ouvert qui commute systématiquement en position fermée quand l'interrupteur 130 commute vers la position ouverte et vice versa. Par exemple, à cet effet, les interrupteurs 130 et 134 présentent une lame magnétique commune. Ici, les interrupteurs 130 et 134 sont placés dans le champ magnétique généré par la bobine 132 de manière à ce que la commutation de ces interrupteurs 130 et 134 soit uniquement commandée par le champ magnétique généré par cette bobine. Un exemple de positionnement de ces interrupteurs par rapport à la bobine est décrit plus en détail en référence à la Ici, la direction d'actionnement, le nombre de spires de la bobine 132, la sensibilité des interrupteurs 130 et 134 est déterminée, par exemple expérimentalement, pour que ces interrupteurs 130 et 134 commutent uniquement quand l'intensité du courant traversant la bobine 132 dépasse un seuil prédéterminé Sb. Ce seuil Sb est choisi pour correspondre à un seuil S3 de l'excédent de charges électriques présent sur la borne 22 plusieurs fois supérieur au seuil S1. En effet, l'intensité du courant dans la bobine 132 est directement proportionnelle à l'excédent de charges électriques accumulé entre les bornes 22 et 24. La Le fonctionnement du générateur 110 va maintenant être décrit en référence au procédé de la La commande du circuit de collecte se déroule comme suit. Initialement, on suppose que le convertisseur 20 est complètement déchargé et que la direction B du champ magnétique généré par la source 4 est dans une position intermédiaire entre les directions X et Y et se dirige vers la direction X. Dans ces conditions, l'amplitude des composantes BX et BY est inférieure au seuil Sc des interrupteurs 122 et 126. Lors d'une étape 150, la source 4 commande alors la commutation de ces interrupteurs vers leur position ouverte. Le circuit 114 est alors dans sa position de repos représentée sur la Ensuite, la direction B du champ magnétique devient parallèle à la direction X. En réponse, lors d'une étape 152, la source 4 commande la fermeture de l'interrupteur 122. Le circuit 114 passe alors dans sa première position de décharge représentée sur la Ensuite, la direction du moment magnétique de l'aimant 8 continue à tourner et s'éloigne de nouveau de la direction X pour se rapprocher de la direction Y. L'amplitude des composantes BX et BY devient inférieure au seuil de commutation Sc des interrupteurs 122 et 126. La source 4 commande donc, lors d'une étape 154, la commutation de l'interrupteur 122 vers la position ouverte et maintient ensuite les interrupteurs 122 et 126 dans la position ouverte. On revient donc à la position de repos du circuit 114 représentée sur la Ensuite, la direction B devient parallèle à la direction Y. L'amplitude de la composante BY est supérieure au seuil Sc de l'interrupteur 126. La source 4 commande alors, lors d'une étape 156, la commutation de cet interrupteur 126 vers la position ouverte. Le circuit 114 passe dans sa seconde position de décharge représentée sur la Ensuite, la direction B s'éloigne à nouveau de la direction Y pour se rapprocher de la direction X. On retourne alors à l'étape 150. Les étapes 150 et 156 sont réitérées plusieurs fois pour accroître l'excédent de charges stocké, en alternance, sur les bornes 22 et 24 et donc augmenter l'intensité du courant qui traverse la bobine 132 lors des étapes 152 et 156. En parallèle, lors d'une étape 158, quand l'intensité du courant qui traverse la bobine 132 atteint le seuil Sb, la bobine 132 commande la commutation des interrupteurs 130 et 134 vers, respectivement, leur position ouverte et fermée. Le circuit 114 passe alors dans une position de libération de l'excédent de charges électriques accumulé vers le condensateur 3 représentée sur la La
Par exemple, l'interrupteur 172 est un interrupteur magnétique normalement ouvert dont la fermeture est commandée par une bobine de commande. La bobine de commande et l'interrupteur 172 peuvent être agencés comme décrit en référence à la La Le pont de diodes 176 comprend des première et seconde branches électriquement raccordées en parallèle entre les bornes 44 et 46. La première branche comporte deux diodes raccordées en série par l'intermédiaire d'un point milieu 178A. La seconde branche comporte aussi deux diodes raccordées en série par l'intermédiaire d'un point milieu 178B. Le point milieu 178A est directement raccordé en permanence à l'un des contacts électriques de l'interrupteur 48. Le point milieu 178B est raccordé en permanence à la borne 42 du circuit de collecte, par exemple, par l'intermédiaire d'une inductance non représentée sur la La
Ici, la source 182 d'énergie à récupérer est une source générant des variations de température du milieu ambiant dans lequel est plongé le convertisseur 186. Par exemple, il peut s'agir d'un objet chaud que l'on approche et, en alternance, que l'on éloigne du convertisseur 186 ou de la variation de température d'un objet. Ainsi, dans ce mode de réalisation, la source 182 ne génère pas directement le champ magnétique variable nécessaire pour commander les interrupteurs du circuit 30. Dans ce mode de réalisation, la source 182 et le dispositif 184 de commande du circuit 170 sont donc deux éléments distincts. Le convertisseur 186 convertit la variation de température en un excédent correspondant de charges électriques sur une borne 188 et, en alternance, sur une borne 189. Ces bornes 188 et 189 sont directement raccordées aux bornes, respectivement, 40 et 42 du circuit 30 de collecte. La Le convertisseur 186 comprend un châssis 190. Une extrémité proximale 192 d'une poutre 194 est ancrée sans aucun degré de liberté dans ce châssis 190. Cette poutre 194 comporte une plaque 196 en matériau piézoélectrique. Une extrémité distale 198 de la poutre 194 est reliée sans aucun degré de liberté à une extrémité d'un fil 200. La poutre 194 est déplaçable entre une position active, dans laquelle elle est courbée et une position de repos dans laquelle elle s'étend horizontalement dans le plan Y, Z. La position active est représentée en trait plein sur la Une extrémité opposée du fil 200 est ancrée sans aucun degré de liberté au châssis 190. Entre ces deux extrémités, le fil 200 est reçu dans des gorges de deux poulies 202 et 204 dont les axes de rotation sont perpendiculaires aux directions X et Y et solidaires du châssis 190. Le fil 200 est réalisé dans un matériau à mémoire de forme. Ici, il s'agit d'un matériau à mémoire de forme présentant un taux d'allongement au moins supérieur à 1 % en réponse à une variation de température de 10° ou de 20°C. La composition du matériau à mémoire de forme est choisie pour que le fil passe de son état déployé à son état rétracté autour d'une de température de transition Tf comprise entre Tmin et Tmax et, de préférence, égale à (Tmin+Tmax)/2 à plus ou moins 15 ou 25 % près, où Tmin et Tmax sont les températures, respectivement, minimale et maximale entre lesquelles varie la température de la source 182. L'assemblage de la plaque 196 avec le fil 200 est réalisé de telle sorte qu'à la température Tf presque aucune contrainte ne s'exerce sur la plaque 196. Ainsi, le convertisseur 186 génère un excédent de charges sur la borne 188 dans sa position active et un excédent de charges inverse sur la borne 189 dans la position de repos. Un ressort 206 est également logé entre la poutre 194 et le châssis 190 pour solliciter cette poutre vers sa position de repos. Un tel convertisseur est décrit plus en détail dans l'article A2 de suivant :
Le dispositif 184 de commande comporte un source de champ magnétique variable qui génère un champ magnétique parallèle à la direction X quand la poutre 194 est dans sa position active et parallèle à la direction Y quand la poutre 194 est dans sa position de repos. Pour faire cela sans consommer les charges produites par le convertisseur 186, la source de champ magnétique du dispositif 184 comporte un second convertisseur apte à générer le champ magnétique variable directement à partir de l'énergie à récupérer. Ce second convertisseur comporte :
Dans ce mode particulier de réalisation, le transducteur thermomécanique est le fil 200. Ainsi, le même transducteur thermomécanique est utilisé à la fois dans le convertisseur 186 et dans le dispositif 184 de commande. A titre d'illustration, ici, l'aimant 210 est directement fixé sur la poulie 202 pour être entraîné en rotation par cette poulie entre une position où son moment magnétique est parallèle à la direction X et une position opposée où la direction de son moment magnétique est parallèle à la direction Y. Par exemple, le diamètre de la poulie 202 est choisi pour qu'elle fasse un quart de tour lorsque la poutre se déplace de sa position de repos jusqu'à sa position active. L'aimant 210 peut aussi être mécaniquement raccordé à la poulie 202 par un liaison mécanique qui amplifie le déplacement angulaire de cette poulie. Le fonctionnement du circuit 30 de collecte est le même que précédemment. Ainsi, seuls les détails spécifiques au fonctionnement du générateur 180 sont donnés maintenant. Lorsque la température augmente, le fil 200 se rétracte. La poutre 194 se courbe alors vers sa position active. En réponse, la plaque 196 produit un excédent de charges électriques sur la borne 188. Lorsque la poutre 194 atteint sa position active, La direction du moment magnétique de l'aimant 210 est alignée sur la direction X. Ainsi, les charges produites par le convertisseur 186 sont transférées vers le condensateur 3 uniquement lorsque l'excédent de charges produit sur la borne 188 est proche de son maximum. Quand la température diminue, le fil 200 se détend et, simultanément, l'aimant 210 tourne en sens inverse. Dans le même temps, le convertisseur 186 génère un excédent de charges électriques sur la borne 189. Quand la direction du moment magnétique de l'aimant 210 atteint la direction Y, l'excédent de charges électriques produit sur cette borne 189 est automatiquement transféré vers le condensateur 3. De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, le condensateur 3 peut être remplacé par une batterie. Le condensateur 3 peut aussi être remplacé par un élément électrique n'ayant pas la capacité de stocker de l'énergie électrique. Par exemple, le condensateur 3 est remplacé par une charge consommant l'énergie électrique reçue. Il peut s'agir d'une charge résistive. Dans ce dernier cas, les inductances 58 et 132 peuvent être omises. La source d'énergie à récupérer peut être aussi un déplacement mécanique d'une pièce tel qu'un bouton poussoir. Dans ce cas, le premier convertisseur peut ne comporter que le transducteur électromécanique directement relié à cette pièce pour que le déplacement de cette pièce fasse varier la contrainte mécanique qu'elle exerce sur ce transducteur électromécanique. Dans ce cas, le transducteur du dispositif de commande est par exemple réalisé en reliant mécaniquement un aimant permanent sur la pièce qui se déplace de sorte que ce déplacement de la pièce entraîne aussi le déplacement de cet aimant permanent et génère donc le champ magnétique variable qui commande la commutation des interrupteurs magnétiques. Les autres dispositifs de commande décrits précédemment peuvent également être mis en oeuvre. Le champ magnétique variable généré par la source n'est pas nécessairement un champ magnétique généré par un aimant permanent monté en rotation sur un axe. Par exemple, ce qui a précédemment été décrit s'applique également au cas où seule l'amplitude de l'une des composantes BX ou BY varie au cours du temps. Par exemple, cela peut être le cas si l'aimant permanent est monté sur une pièce qui se déplace uniquement en translation parallèlement à la direction X. La source d'énergie à récupérer qui génère le champ magnétique variable peut aussi être une bobine alimentée de temps en temps par un courant ou un simple conducteur électrique parcouru par un courant dont l'intensité varie au cours du temps. D'autres modes de réalisation possibles du convertisseur 20 sont décrits dans l'article A1 précédemment référencé ou dans la demande Le transducteur électromécanique du convertisseur 20 ne comporte pas nécessairement un matériau piézoélectrique. Par exemple, en variante, le transducteur électromécanique est réalisé à partir d'un condensateur dont la capacité varie en fonction d'un déplacement mécanique. Typiquement, le condensateur comporte deux électrodes mobiles séparées l'une de l'autre par un matériau diélectrique. Lorsque les électrodes se déplacent, la capacité du condensateur varie. Le déplacement des électrodes est actionné par :
Dans une mode particulier de réalisation, les électrodes du condensateur sont réalisées dans un matériau magnétostrictif. Dans ce cas, une variation de l'amplitude du champ magnétique dans une direction donnée entraîne une variation de la surface des électrodes et donc de la capacité de ce condensateur. Dans une autre variante, on choisit pour le condensateur des électrodes standard et un diélectrique dont la permittivité varie en fonction du champ magnétique. Il peut s'agir par exemple de BiFeO3. Dans ce cas également, une variation du champ magnétique entraîne une variation de la capacité du condensateur. La variation de la capacité du condensateur est ensuite transformée en une génération de charges électriques par un dispositif électronique comme, par exemple, un dispositif mettant en oeuvre des électrets. La génération d'électricité à partir d'une variation de capacité et à l'aide d'électrets est par exemple décrite dans l'article suivant :
Le matériau magnétostrictif du convertisseur 20 peut aussi être un matériau à coefficient de magnétostriction négatif. Il peut aussi s'agir d'un matériau dont le coefficient de magnétostriction est isotrope ou anisotrope. Le convertisseur 20 peut comporter plusieurs assemblages de transducteurs raccordés en parallèle entre les bornes de raccordement de ce convertisseur. Par exemple, le convertisseur 20 peut comporter un second assemblage identique à celui décrit en référence à la D'autres modes de réalisation du convertisseur 186 sont possibles. Par exemple, d'autres modes de réalisation sont décrits dans l'article A2 précédemment référencé. D'autres modes de réalisation peuvent également être trouvés dans les demandes [Variantes des circuits de collecte et des dispositifs de commande] Les circuits de collecte et les dispositifs de commande précédents ont été décrits dans le cas particulier où l'on collecte les charges électriques sur la borne 22 de raccordement uniquement lorsque la direction du moment magnétique de l'aimant 8 est parallèle à la direction d'actionnement de l'interrupteur 48. En variante, les circuits de collecte et les dispositifs de commande sont adaptés pour collecter les charges sur la borne 22 pour plusieurs directions différentes du moment magnétique de l'aimant 8, de préférence, uniformément réparties sur un secteur angulaire de 180°. Pour cela, des interrupteurs magnétiques supplémentaires sont raccordés en parallèle, respectivement, des interrupteurs 48 et 56. Ces interrupteurs magnétiques supplémentaires sont identiques, respectivement, aux interrupteurs 48 et 56 sauf que leur direction d'actionnement est décalée angulairement d'un angle β par rapport à la direction d'actionnement des interrupteurs 48, 56. Par exemple, si des interrupteurs magnétiques ayant une direction d'actionnement décalée de 45° par rapport à la direction X sont raccordés en parallèle des interrupteurs 48 et 56, les charges accumulées sur la borne 22 sont déchargées vers le condensateur 3 :
Une autre solution pour obtenir un fonction similaire à celle décrite ci-dessus, sans modifier le circuit de collecte, consiste à remplacer l'aimant 8 par un aimant multipolaire présentant des moments magnétiques dans plusieurs directions différentes. Dans ce cas, l'interrupteur 48 se ferme pour plusieurs angles de rotation de l'aimant multipolaire compris entre 0° et 180°. On peut aussi obtenir le même fonctionnement avec un aimant unipolaire qui fait plusieurs tours complets sur lui-même alors que le transducteur du dispositif de commande se déforme toujours dans le même sens. Par exemple, le diamètre de la poulie 202 est choisi de manière à ce que l'aimant 210 fasse un ou plusieurs tours complets sur lui-même lors d'un seul déplacement de la poutre 194 de sa position active vers sa position de repos.Les interrupteurs 130 et 134 ne sont pas nécessairement à l'intérieur de la bobine 132. En variante, ils sont placés dans le champ de cette bobine 132 mais à l'extérieur des spires formant cette bobine. Dans le circuit de collecte 170, la diode 50 peut être omise. Le dispositif 184 a été décrit dans le cas particulier où c'est le transducteur thermomécanique qui déplace l'aimant permanent. En variante, le transducteur thermomécanique déplace les interrupteurs du circuit 30 et non pas l'aimant permanent. Les différents modes de réalisation du circuit de collecte décrits dans le cas du convertisseur 20 peuvent aussi être associés au convertisseur 186 ou tout autre convertisseur d'une énergie à récupérer en une variation de charges électriques stockées entre des bornes de raccordement. Le dispositif 184 a été décrit dans le cas particulier où il utilise le même transducteur magnétique ou thermomécanique que celui utilisé par le convertisseur. En variante, le dispositif de commande comprend son propre transducteur magnétique ou thermomécanique mécaniquement indépendant de celui utilisé par le convertisseur de l'énergie à récupérer. Dans ce cas, le dispositif de commande peut être dépourvu de transducteur électromécanique apte à générer des charges électriques. Par exemple, ce transducteur comporte uniquement un matériau à mémoire de forme ou un matériau magnétostrictif. Le matériau à mémoire de forme utilisé dans le mode de réalisation de la De nombreux modes de réalisation sont possibles pour les interrupteurs magnétiques. Par exemple, les interrupteurs magnétiques peuvent aussi être réalisés comme décrits dans la demande Un blindage magnétique, notamment autour des interrupteurs 130 et 134, peut être prévu. De même, un blindage magnétique peut être prévu autour de l'ensemble des interrupteurs pour les isoler des champs magnétiques autres que ceux générés par la source d'énergie à récupérer. Il est aussi possible de prévoir un guide de flux magnétique pour guider et concentrer le flux magnétique de la source de champ magnétique vers les interrupteurs magnétiques. Par exemple, le guide de flux magnétique est un noyau magnétique. Les interrupteurs 130, 134, 172 ou la diode 60 peuvent être remplacés par des interrupteurs électroniques tels que des transistors ou thyristors. Quel que soit l'interrupteur mécanique considéré, les contacts électriques de cet interrupteur ne se matérialisent pas nécessairement par un plot électrique en saillie. Par exemple, le contact électrique peut aussi être une région de l'élément qui se déforme ou se déplace et qui vient en appui mécanique sur l'autre contact électrique pour établir la continuité électrique. Les circuits de collecte décrits ici peuvent être réalisés avec tout type d'interrupteurs commandables et pas seulement des interrupteurs magnétiques. Si les interrupteurs ne sont pas des interrupteurs magnétiques, la commande de ces interrupteurs peut être réalisée de façon classique pour fonctionner comme décrit ci-dessus. |
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