EP3944027A1 - Portable object, in particular a wristwatch, comprising a power supply device provided with an electromechanical converter - Google Patents
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- EP3944027A1 EP3944027A1 EP20187004.5A EP20187004A EP3944027A1 EP 3944027 A1 EP3944027 A1 EP 3944027A1 EP 20187004 A EP20187004 A EP 20187004A EP 3944027 A1 EP3944027 A1 EP 3944027A1
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- G04C3/14—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means incorporating a stepping motor
Definitions
- the invention relates to portable objects, in particular portable objects on the wrist such as watches, which incorporate an electronic unit and an electrical power supply unit for supplying power to at least this electronic unit. More particularly, the invention relates to so-called autonomous portable electronic devices, which are provided with an electric power supply unit which draws energy from an internal mechanical device, in particular from a generator associated with a source of internal mechanical energy (for example a barrel whose spring is wound automatically by a rotor or manually), or from at least one sensor receiving energy from the environment of the portable electronic device or from a user wearing this electronic device.
- a generator associated with a source of internal mechanical energy (for example a barrel whose spring is wound automatically by a rotor or manually)
- at least one sensor receiving energy from the environment of the portable electronic device or from a user wearing this electronic device.
- the movement of the wrist constitutes a source of mechanical energy which can be exploited to power a wristwatch. This has been exploited for a very long time in automatic mechanical watches. More recently, those skilled in the art have thought of using the mechanical energy of a rotor to supply electricity to at least one electronic unit of a wristwatch of the electromechanical or electronic type. To this end, various types of electromechanical converters have been proposed. In particular, the use of electromagnetic induction has proven successful. Mention may be made of two known types of autonomous watches having an electronic unit. The first type is described in particular in the patent application EP 822 470 , in the name of Asulab.
- an electromechanical watch comprising an electromechanical generator incorporated in a gear train of the watch movement and having two functions, namely a function for regulating its rotation frequency and an electromechanical converter function to be able to supply the electronic circuit of regulation.
- the second type is described in particular in the patent application EP 1 239 349 and WO 9204662 , on behalf of KINETRON.
- a particular embodiment is described in the patent application EP 1 085 383 , on behalf of ETA SA Manufacture Horlogère Suisse.
- the rotor serves only to drive an electromechanical generator which supplies electricity to an accumulator incorporated in the watch of the electronic type.
- the hands are driven by an electric motor, in particular step-by-step, which is powered by the accumulator.
- the aforementioned embodiments have a factor limiting their performance, in particular because of energy losses due to friction in the gear trains.
- at least one intermediate multiplier mobile and/or a complex device allowing a barrel to restore the accumulated mechanical energy by pulses are necessary.
- Another approach to harvest kinetic energy in a watch is to implement a rotor equipped with magnets in its peripheral part, with fixed coils integrated on a PCB above which the rotor magnets pass. When the rotor is driven, a voltage is then induced in the coils due to the variation of the magnetic flux.
- a disadvantage of this approach is that the rotor rotates relatively slowly (typically with an average rotational speed between 1 and 5 rpm), which limits the energy conversion efficiency due to the low induced voltages that are generated.
- the object of the invention is to provide a portable device provided with an electronic unit and a power supply unit comprising an electromechanical converter having good efficiency, in particular by supplying a relatively high voltage before any possible voltage booster.
- the electromechanical converter is arranged in such a way that said at least one first permanent magnet and said at least one second permanent magnet can, when the rotor is driven in rotation, interact magnetically so as to apply to the inertial mass, momentarily or at times, a couple of magnetic force making it possible to excite the mechanical resonator, in order to generate at least one oscillation of this mechanical resonator substantially at its resonant frequency.
- said at least one first permanent magnet and said at least one second permanent magnet are located in the same general plane, perpendicular to the axis of oscillation of the mechanical resonator, and arranged so that their magnetic interaction is in repulsion.
- the center of said second permanent magnet and the center of said coil when the mechanical resonator is at rest, have between them an angular offset, relative to the axis of oscillation of the mechanical resonator, which is non-zero and which preferably corresponds to an angular positioning of the center of the second permanent magnet substantially at a point of inflection of the curve of the magnetic flux, generated by said at least one second permanent magnet and passing through the coil, as a function of the relative angular position between the second permanent magnet and the coil.
- This portable object is a wristwatch 2 comprising an electronic unit (incorporated in the watch movement 4) and an electrical power supply unit.
- the power supply unit is formed by an electromechanical converter 6 which transforms energy mechanism of a rotor 8 into electrical energy which is stored in an electric accumulator, which supplies the electronic unit.
- the rotor is capable of being driven in rotation by movements that the watch may undergo, in particular when it is worn on the wrist of a user.
- said at least one second permanent magnet 20 and said at least one coil 24 are arranged so that, when the mechanical resonator 12 is at rest, at least part of the magnetic flux generated by said second permanent magnet passes through the coil. so that when the mechanical resonator is oscillating, an induced voltage (U Ind ) is generated in this coil.
- the electromechanical converter 6 is arranged in such a way that said at least one first permanent magnet and said at least one second permanent magnet can, when the rotor is driven in rotation, interact magnetically so as to apply to the inertial mass, momentarily or at times, a couple of magnetic force making it possible to excite the mechanical resonator, in order to generate at least one oscillation of this mechanical resonator substantially at its resonant frequency.
- each 'magnet' By 'an oscillation' is meant an oscillatory movement for at least one period of oscillation and therefore having at least two alternations.
- 'alternation' each movement of the mechanical resonator between two extreme angular values which define its amplitude of oscillation.
- the magnets 20 and the coils 24 are arranged so that, when the mechanical resonator 12 is at rest, these magnets and these coils are respectively aligned radially, in axial projection in a general plane of the mechanical resonator, relative to the axis of oscillation 14.
- each magnet 20 and the corresponding coil 24 are aligned axially.
- the center of each second magnet 20 and the center of the respective coil 24 have between them a non-zero angular offset relative to the axis of oscillation of the mechanical resonator.
- the angular offset provided corresponds to an angular positioning of the center of each second magnet approximately at a point of inflection of the curve of the magnetic flux, generated by this second magnet and crossing the respective coil, as a function of the relative angular position between this second magnet and this coil relative to the axis of oscillation of the mechanical resonator.
- This preferred variant makes it possible to increase significantly the induced voltage produced in each of the coils, in particular when the amplitude of oscillation of the mechanical resonator after each excitation of the latter is relatively small, for example of the order of the half-angle at the center of the magnets 20.
- the mechanical resonator 12 is a resonator with flexible blades 26, these flexible blades carrying the mass of inertia 16 and connecting the ring forming this mass of inertia to a central element 28 which is fixed to the support of the mechanical resonator, that is i.e. which is integral to the watch movement.
- the central element is held fixed by a central screw between a projecting part of a fixed central part of the rotor 8 and a nut screwed onto the central screw.
- This variant is given by way of simplified example. Those skilled in the art will know how to design various means for fixing the mechanical resonator to the watch movement, so as to ensure in particular good stability of the central element 28. It will be noted that this central element can be connected to the watch movement 4, or to a another support integral with this one, independently of the central part of the rotor 8.
- the rotor 8 is similar to a winding mass of an automatic mechanical movement.
- the rotating part of the rotor is mounted on a fixed central part by means of a ball bearing.
- this first embodiment has the advantage of allowing synergy in the case where the watch movement is of the mechanical type, the rotor 8 can then be used to activate the mechanical resonator, as will be explained later, and also to simultaneously wind a barrel of the mechanical movement.
- the electronic unit which is powered by the power supply unit according to the invention has a function other than that of displaying the current time.
- the rotor and the mechanical resonator are arranged with their respective central axis located at the center of the watch movement. However, in a variant, these mechanisms are arranged off-center relative to the central axis of the watch movement.
- the electromechanical converter 6 is arranged at the rear of the watch movement 4, on the side of the bottom of the watch case 32 and therefore on the side opposite the dial 34 relative to the movement 4 which is here an electromechanical movement with an analog display of the time.
- this movement comprises a motor, in particular a stepper motor.
- the first embodiment is characterized in particular by the fact that the rotor 8 is mounted free to rotate on a central part which is fixed, according to various variants, either to the fixed central element 28, or directly to the watch movement 4 or possibly to an internal device which is integral with this central element or with this watch movement and which is located on the other side of the mass of inertia 16 relative to the rotor, namely on the side of the analog display in the case of the watch 2.
- the rotor is configured in such a way as to present an imbalance to favor its rotation during the movements which the watch may undergo.
- the rotor has a peripheral part which extends over an angle of approximately 200° and carries the two magnets 10 in two internal cavities which open laterally inwards, these two magnets emerging from the peripheral part of the rotor towards the mass of inertia 16 of the mechanical resonator.
- the first magnets 10 and the second magnets 20 are located in the same general plane which is perpendicular to the central axis 14 defining the axis of oscillation of the mechanical resonator 12 and the axis of rotation of the rotor 8, which coincide.
- the purpose of this characteristic is to avoid the appearance of an axial force on the inertial mass of the mechanical resonator and consequently also on the rotor.
- the first magnets 10 and the second magnets 20 are arranged so that their magnetic interaction is in repulsion. In an advantageous variant, they all have axes of magnetization substantially parallel to the central axis 14.
- first magnets 10 and also an even number of second magnets 20, each pair of first magnets and each pair of second magnets being arranged in a diametrically opposite manner relative to the central axis 14
- the purpose of this characteristic is to avoid the appearance of an overall radial force on the mass of inertia of the mechanical resonator and consequently also on the rotor.
- each second magnet 20 is replaced here by a pair of second magnets having the same polarity and aligned axially with a coil 24 located between these two magnets, preferably at the same distance from each of them. Since the two magnets of each pair of magnets attract each other magnetically, it is advantageous, even necessary, for the two magnets of each of the pairs of second magnets to be rigidly assembled.
- the first magnets 10 are advantageously located in a general plane in which the coils 24 are located.
- the first magnets 10 carried by the rotor are doubled so as to have pairs of first magnets of same polarity replacing each first magnet 10 of the two variants shown.
- this last variant allows an axial arrangement of the pairs of first magnets with the second magnets, that is to say that the first magnets and the second magnets have substantially the same radius at the central axis, defining the axis of oscillation of the mechanical resonator and the axis of rotation of the rotor, without an axial magnetic force being exerted on the mass of inertia.
- the number of sinusoidal pulses generated in each coil is equal to twice the resonant frequency F Res as long as the mechanical resonator oscillates freely.
- FIG. 2A and 2B is shown a second alternative embodiment of a wristwatch 2A according to the first embodiment.
- the mechanical resonator is identical to that of the first variant.
- This second variant differs from the first variant in that the rotor 8A carries six magnets 10, that is to say the same number as that of the magnets 20 which are carried by the inertial mass 16. Like the six magnets 10 are regularly distributed along the peripheral part 38 of the rotor, this peripheral part extends over a complete turn (360°). The peripheral part thus forms an annular part which laterally surrounds the mass of inertia 16 of the mechanical resonator. In order to keep the rotor unbalanced, three openings 36 are machined in the rotor plate.
- each magnet 10 has an identical magnetic coupling with the magnets 20 so that the torques of force generated between each of the magnets 10 and the magnets 20 are added.
- the Figure 2B shows the predicted global magnetic system according to the invention, namely the magnets 10 carried by the rotor and serving to activate the mechanical resonator, the magnets 20 carried by the oscillating mass of inertia 16 of the mechanical resonator, and the coils 24 mounted on a PCB 22 of so as to be opposite the magnets 20 when the mechanical resonator passes through its rest position.
- the flexible blades 26 of the mechanical resonator are made of a piezoelectric material and each coated with two electrodes through which an electric current is generated when the mechanical resonator is activated, this electric current also being supplied to an accumulator as includes watch power supply unit 2 or 2A.
- a second embodiment of a watch 42 comprising an electromechanical converter 6A according to the invention is shown in Figures 3A to 3C .
- This second embodiment differs from the first embodiment substantially by the arrangement of the rotor 44 and by the arrangement of the mechanical resonator 12A.
- the mechanical resonator comprises an inertia mass 46 and a resonant structure 48 mounted on a projecting part 4A of the watch movement 4.
- the inertia mass defines a wheel which is formed by an outer ring, similar to that provided in the first embodiment and carrying four magnets 20 distributed regularly, a central part and radial arms which connect the outer ring to this central part.
- the central part is firmly connected to an oscillating part of the resonant structure 48 with flexible blades which is located in a general plane lower than that of the mass of inertia.
- the resonant structure is of a type which is described in the patent application EP 3 206 089 .
- the radial arms of the mass of inertia are respectively rigid and semi-rigid.
- the semi-rigid variant makes it possible to absorb sudden accelerations of the inertia mass resulting in particular from shocks that the watch may suffer.
- Four coils 24 are arranged on a PCB 22 so as to have an angular offset with the four corresponding magnets 20 when the mechanical resonator 6A is in its angular position of rest, according to an advantageous variant which has been explained in the context of the first embodiment.
- the rotor 44 is mounted free in rotation on a fixed structure of the portable object, advantageously on the middle part of the case 32 of the watch as in the variant shown or preferably on a casing circle of the watch movement 4, by means of a ball bearing 50.
- a ball bearing 50 To release the central zone of the rotor under which the resonant structure 48 is located, an inner ring 51 of the ball bearing 50 is advantageously formed by the rotor or secured to this rotor, while an outer ring 52 of this bearing is formed by said fixed structure or secured to this fixed structure.
- the raceway of the inner ring 51 is formed by an outer side surface of the rotor 44.
- the ball bearing 50 is located at the periphery of the rotor 44.
- the rotor 44 is formed by an annular part carrying four magnets 10A and it is arranged in the same general plane as the inertia mass 46 of the mechanical resonator and the ball bearing 50.
- the rotor and the mechanical resonator are advantageously coplanar to limit the increase in thickness of the case 32 of the watch 42 generated by the arrangement of the electromechanical converter according to the invention in this watch.
- this assembly is also provided here coplanar with the ball bearing.
- the ball bearing is arranged under the annular part of the rotor, on the side of the watch movement 4.
- the magnets 10A of the rotor are the same number as that of the magnets 20 of the mass of inertia 46 of the mechanical resonator 12A.
- the magnets 10A and 20 are advantageously arranged in the same general plane. In the variant shown, these magnets are inserted into respective openings of the annular part of the rotor and of the inertial mass, so that they are arranged in the general plane in which this annular part and this mass of inertia.
- the magnets 10A and 20 have axial axes of magnetization and a magnetic interaction in repulsion.
- the magnets 10A, respectively 20 are arranged in diametrically opposed pairs.
- the mass of inertia is only subjected to a torque of magnetic force in the general plane in which the magnets 10A and 20 are arranged (in other words, the vector of this magnetic torque is axial, coinciding with the axis of oscillation 14 of the mechanical resonator 12A).
- the annular part of the rotor 44 has two openings making it possible to generate an unbalance.
- the operation of the electromechanical converter of the second embodiment will be described more precisely and more particularly the activation of the mechanical resonator 12A by the rotor 44.
- the rotor is represented only by the magnets 10A.
- the electromechanical converter of the first embodiment operates similarly to the electromechanical converter of the second embodiment.
- the rotor is substantially stationary and the mechanical resonator 12A is stationary in its rest position. From this initial position of the electromechanical converter, the rotor with its magnets 10A rotate counterclockwise at a substantially constant speed, after an initial acceleration resulting for example from a sudden movement of the arm of a user of the watch 42.
- the four magnets 10A of the rotor have approached the four magnets 20 of the mechanical resonator. A magnetic interaction occurs between each magnet 10A and a corresponding magnet 20. A magnetic repulsion force F RM is then exerted on each of the magnets 20 and a first strong magnetic coupling occurs.
- the magnetic repulsion force F RM increases further in intensity when the magnets 10A come even closer to the respective magnets 20, but it is mainly the radial component which increases so that the magnetic force torque exerted on the mass of inertia passes through a maximum for a relative angular position of the magnets 10A and the magnets 20 which is shown in Figure 4C .
- the new strong magnetic coupling can generate various variants of magnetic interaction and thus act according to various scenarios on the mechanical resonator. These various scenarios depend in particular on the fact that the mechanical resonator rotates in the same direction of rotation as the rotor at the start of a new strong magnetic coupling or, on the contrary, that the respective rotations of the rotor and of the mechanical resonator are then of direction opposites. In the first case, the new strong magnetic coupling will serve for the most part to maintain the first oscillation generated during the first strong magnetic torque.
- the new strong magnetic coupling slows down the inertial mass and therefore substantially dampens the first oscillation, then secondly generates a second oscillation, mainly by the magnetic force couple in the opposite direction to that of the rotor which intervenes after the magnets of the rotor have angularly exceeded those of the mass of inertia. It will be noted that because the resonance frequency is relatively high, the second case is predominant.
- the mass of inertia often passes through a short time of stopping or of quasi immobility (not necessarily at the position of rest, because also possible in other angular positions and in particular close to an extreme angular position of the oscillating mechanical resonator) generating a time phase shift in the oscillatory movement of the mechanical resonator.
- sustained oscillation and succession of oscillations is not clear.
- the mechanical resonator stops for a certain interval of time in its rest position we can speak of two successive oscillations, and in the opposite case we can then speak of the maintenance of an oscillation in progress, often with the introduction of a temporal phase shift. Be that as it may, a plurality of successive momentary oscillations can be observed between the successive strong magnetic couplings substantially at the resonance frequency F Res .
- the electromechanical converter is arranged so that the magnetic force torque applied to the inertial mass by the rotor makes it possible to generate, during rotational driving of the rotor over an angular distance greater than l central angle between two adjacent magnets 20 of the mechanical resonator, a plurality of successive momentary oscillations, at the resonance frequency F Res and with an amplitude substantially equal to or greater than a minimum amplitude for which the voltage induced in each coil of the system magnetic, associated with the mechanical resonator, is substantially equal to a predetermined threshold voltage, this plurality of successive momentary oscillations occurring following a plurality of respective momentary rotation drives of the inertial mass of the mechanical resonator by the rotor allowing respectively generating the plurality of successive momentary oscillations.
- each coil 24 has a diameter of 4 mm, a height of 0.4 mm, 2300 turns and a resistance of 2.6 K ⁇ .
- Each coil is fixedly arranged at an axial distance of 0.1 to 0.2 mm under the respective magnets 20 of the mechanical resonator, which are chosen with strong remanent magnetization and have an approximately identical diameter. to that of the coils.
- the magnetic system described here, associated to the mechanical resonator can generate an average power of the order of 2 ⁇ W per coil on an impedance matched load and an average induced voltage of the order of 100 mV per coil. Note that higher performance is possible.
- the Figure 9 is an electrical diagram of an alternative embodiment of an electronic circuit of the electromechanical converter connecting the coils, referenced 24*, of the electromagnetic system to an electrical energy accumulator 98 incorporated in the portable object according to the invention.
- the set of coils generally of an even number and connected in parallel or in series, are connected to a rectifier 94 to which this set supplies an induced voltage U Ind .
- the induced voltage signal is then supplied to a smoothing filter 95 and to a voltage booster 96 (which are optional) to generate a recharge voltage U Rec of the accumulator 98.
- the accumulator supplies a supply voltage U Al to a load 100 incorporated in the portable object considered.
- a switch Sw is provided to be able to activate or not the power supply to the load, depending on the demand and/or other electrical parameters, in particular the voltage level of the accumulator 98.
- the watch movement 4 bears on its rear projecting part 4A, inserted in an opening of the PCB 22 carrying four coils 24, the resonant structure 48 whose part 48A is fixed to this rear projecting part.
- the resonant structure further comprises an oscillating part 48B which is connected to the fixed part 48A by a system of flexible blades located in the same general plane and defining an axis of oscillation for this oscillating part and for the mass of inertia 16B which is fixed to the latter via a stud which is inserted into a corresponding hole arranged in a central element 18 of this mass of inertia.
- the inertia mass 16B carries in its peripheral part four circular magnets 20 which are inserted into holes of four respective projecting parts between which are provided four free angular zones 78 opening laterally onto the space outside the inertia mass and s extending radially to a radius corresponding to that of a geometric circle in which the mass of inertia 16B is inscribed.
- the rotor 64 is formed of three parts, a fixed central part 71, a half-disc 70 having a more massive peripheral part, and an annular structure 72 which is rigidly fixed to this peripheral part.
- the half-disc 70 is mounted freely in rotation on the central part 71 by means of a ball bearing.
- the central part 71 is fixed to the bottom 66 of the casing 32A by a screw 68.
- Other fastening means can be envisaged, in particular welding or gluing.
- the rotor 64 is mounted on the inside of the bottom 66 before assembly of this assembly with the middle part of the case.
- the annular structure 72 carries four magnets 10B so as to allow them to undergo a radial elastic movement in order to be able to retract when these magnets arrive in angular zones respectively occupied by the magnets 20 of the mass of inertia, these occupied angular zones separating the free angular zones 78.
- the magnets 10B are arranged so that, in a neutral position in which they are not subjected to any radial elastic force, they penetrate at least partially into the free angular zones 78.
- the magnets 10B to have a radius of the central axis which is greater than the radius at this central axis of the magnets 20 of the mechanical resonator, in order to allow the operation provided for this third embodiment described below.
- each flexible blade 74 has a longitudinal axis in the form of an arc of a circle centered on the axis of rotation of the rotor 64 which coincides with the axis of oscillation of the mass of inertia.
- each flexible strip has great flexibility in the radial direction but relatively great rigidity in the angular/tangential direction.
- the flexible blades advantageously have a height greater than their width, so as to have sufficient axial rigidity to remain in the general plane of the magnets 20 of the mechanical resonator also during the interactions between the magnets 10B and 20 which can generate a certain axial magnetic force. due to manufacturing tolerances.
- Cavities 76 are provided in the annular structure to allow each first assembly, formed by a magnet 10B and the ring for fixing to the flexible blade 74, to undergo a radial movement over a sufficient distance to circumvent each second assembly, formed of a magnet 20 and the projecting part of the inertia mass serving to fix this magnet, when the rotor undergoes rotation.
- each magnet of the inertia mass is arranged so as to protrude from this inertia mass, so that the inertia mass has first and second free angular zones, respectively on both sides of this magnet, in which each magnet of the rotor can move. Then, each magnet of the rotor is arranged so as to be able to undergo a radial elastic movement relative to the axis of oscillation of the mechanical resonator, under the action of a radial magnetic force which is generated by the interaction in magnetic repulsion with a magnet of the inertia mass, when this magnet of the rotor is located close to the magnet concerned of the inertia mass.
- the position of minimum mechanical energy of each first magnet of the rotor corresponds to a radial position of this first magnet situated in a range of radial positions, relative to the axis of rotation of the rotor which coincides with the axis of oscillation of the inertia mass, corresponding to the free angular zones located between the second magnets of the inertia mass.
- each first magnet of the rotor is fixed to the end of a corresponding elastic blade which is arranged so as to have a mainly tangential longitudinal axis and a capacity for elastic deformation essentially in a radial direction, relative to the axis of oscillation of the mechanical resonator.
- the radial elastic movement of each of the first magnets of the rotor, under the action of the radial magnetic force, is provided with a sufficient amplitude to avoid a shock between the rotor and the inertial mass of the mechanical resonator during of the passage of a first magnet by the angular position of a second magnet.
- the free angular zones 78 separating the angular zones occupied by the second magnets from the inertia mass, are provided so that the first magnets of the rotor do not abut against the inertia mass following a passage of these first magnets by the respective angular positions of the second magnets, so as not to disturb the oscillatory movement of the inertia mass at the resonance frequency F Res following this passage.
- the magnets 10B of the rotor (one of which has an angular position a), carried by the respective flexible blades 74, have come sufficiently close to the magnets 20 of the mechanical resonator (variable angular distance ⁇ between the magnets of the rotor and the corresponding magnets of the mechanical resonator) so that the magnetic repulsion force F RM between them is significant and sufficient to drive the inertial mass 16B in rotation (represented here only by the four magnets 20).
- the benefit of the particular arrangement of the rotor and of the mechanical resonator in the third embodiment of the invention is understood.
- the force F RM is essentially tangential, which has the consequence that substantially the whole of this force F RM participates in the torque of magnetic force applied to the inertial mass.
- the rotor drives the inertial mass with a force F RM whose intensity increases given the reduction in the distances between the first magnets 10B and the corresponding second magnets 20. Thanks to the presence of the free angular zones 78 described above and the neutral radial position provided for each magnet 10B of the rotor , while the intensity of the force F RM increases sharply, the force F RM remains substantially tangential in the relative position of the snapshot shown in Figure 8B . Thus, a magnetic torque of relatively high intensity is applied to the inertial mass of the mechanical resonator.
- the radial component of the force has a value which becomes relatively large, this radial component acting on each magnet 10B so that each magnet 10B begins to undergo an elastic radial movement towards the outside thanks to to the flexible blade that carries it.
- the magnets 10B deviate from their circular trajectory so as to retract when these magnets pass by the respective angular positions of the magnets 20 of the inertia mass, as shown in the snapshot of the Figure 8C .
- the inertial mass reaches a position of equilibrium of the tangential forces (tangential magnetic force and elastic restoring force of the mechanical resonator) and is thus at an extreme angular position (with zero angular velocity) corresponding to the snapshot of the Figure 8C .
- the mechanical resonator is excited/activated by the rotating rotor and it begins to oscillate substantially at its resonant frequency F Res from this extreme angular position which determines an initial amplitude for this oscillation.
- the magnets 20 of the inertia mass rotate clockwise and again approach the magnets 10B of the rotor, as observed at the Figure 8F which shows the inertia mass again in an extreme angular position, although these magnets 10B of the rotor continue to rotate clockwise but at a speed less than the average speed of the magnets 20 of the inertia mass.
- the magnetic repulsion force slows down the mechanical resonator and thus decreases its amplitude for this second alternation.
- the magnetic force is a conservative force, most of the braking energy is given back to the mechanical resonator during the following alternation.
- the Figure 8G substantially shows the instant of the end of this following alternation.
- the mechanical resonator still oscillates freely for two to three periods of oscillation before finding itself again in a situation similar to that of the Figure 8B where a strong magnetic coupling intervenes again between the rotor and the mass of inertia of the mechanical resonator, so as to maintain the oscillating movement of the latter or generate a new oscillation of the mechanical resonator.
- the Figure 8H still shows a snapshot at the end of the alternation following the snapshot of the Figure 8G , these two figures indicating the angular zone of free oscillation of the mechanical resonator.
- the inertia mass when the magnets 20 of the inertia mass approach the magnet 10B of the rotor, the inertia mass generally undergoes magnetic braking which can momentarily stop the oscillation in progress, during the passage of the magnets of the rotor by the positions respective angular angles of the magnets of the mechanical resonator.
- successive oscillations of the mechanical resonator are substantially generated by the rotating rotor via the magnetic force when it acts in the opposite direction to the direction of rotation of the rotor, i.e. after the magnets 10B of the rotor have passed, in s retracting, the magnets 20 of the mass of inertia, that is to say in time intervals according to the instantaneous state given to the Figure 8D .
- each elastic structure formed by a magnet 10B and the flexible blade 74 which carries it, is selected so that it is sufficiently small so that the radial magnetic forces can move the magnets 10B out of the circular zone swept by the mass of inertia, in particular by the magnets 20 and their respective strappings during the passage of these magnets 10B by the angular positions of the magnets 20, it is provided that this radial elastic constant is however sufficiently large so that the radial oscillation frequency of each aforementioned elastic structure is higher than the resonance frequency F Res of the mechanical resonator.
- the resonance frequency F Res is equal to 20 Hz
- the radial oscillation frequency of each elastic structure of the rotor is at least equal to twice F Res , but preferably four to five times more large, in particular equal to approximately 100 Hz. This guarantees that the mechanical response of each elastic structure of the rotor is faster than the mechanical response of the mechanical resonator.
- the magnets 10B of the rotor are moved sufficiently quickly during the passage of these magnets through the angular positions of the magnets 20 so as to avoid collisions which would disturb the operation of the system provided.
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Abstract
Objet portable (42) comprenant une unité électronique et une unité d'alimentation électrique formée par un convertisseur électromécanique (6A) qui comprend un rotor (44) portant des premiers aimants (10A), un résonateur mécanique (12A) muni d'une masse d'inertie (46) susceptible d'osciller à une fréquence de résonance relativement élevée et portant des deuxièmes aimants (20), et des bobines agencées de manière que, lorsque le résonateur mécanique est oscillant, une tension induite est générée dans ces bobines. Le convertisseur électromécanique est agencé de manière que les premiers aimants et les deuxièmes aimants puissent, lors d'un entraînement en rotation du rotor, interagir magnétiquement de sorte à appliquer à la masse d'inertie, momentanément ou par moments, un couple de force magnétique permettant d'exciter le résonateur mécanique, afin d'engendrer au moins une oscillation de ce résonateur mécanique à sa fréquence de résonance pour générer une tension induite relativement élevée permettant de recharger un accumulateur.Portable object (42) comprising an electronic unit and an electrical power supply unit formed by an electromechanical converter (6A) which comprises a rotor (44) carrying first magnets (10A), a mechanical resonator (12A) provided with a inertia (46) capable of oscillating at a relatively high resonant frequency and carrying second magnets (20), and coils arranged so that, when the mechanical resonator is oscillating, an induced voltage is generated in these coils. The electromechanical converter is arranged so that the first magnets and the second magnets can, when the rotor is driven in rotation, interact magnetically so as to apply to the inertia mass, momentarily or at times, a torque of magnetic force making it possible to excite the mechanical resonator, in order to generate at least one oscillation of this mechanical resonator at its resonant frequency to generate a relatively high induced voltage making it possible to recharge an accumulator.
Description
L'invention concerne les objets portables, notamment des objets portables au poignet comme des montres, qui incorporent une unité électronique et une unité d'alimentation électrique pour alimenter au moins cette unité électronique. Plus particulièrement, l'invention concerne des dispositifs électroniques portables dits autonomes, lesquels sont munis d'une unité d'alimentation électrique qui tire de l'énergie d'un dispositif mécanique interne, en particulier d'une génératrice associée à une source d'énergie mécanique interne (par exemple un barillet dont le ressort est remonté de manière automatique par un rotor ou manuellement), ou d'au moins un capteur recevant de l'énergie de l'environnement du dispositif électronique portable ou d'un utilisateur qui porte ce dispositif électronique. On parle ainsi de récupérateurs d'énergie ('energy harvester' en anglais) incorporés dans les dispositifs électroniques autonomes.The invention relates to portable objects, in particular portable objects on the wrist such as watches, which incorporate an electronic unit and an electrical power supply unit for supplying power to at least this electronic unit. More particularly, the invention relates to so-called autonomous portable electronic devices, which are provided with an electric power supply unit which draws energy from an internal mechanical device, in particular from a generator associated with a source of internal mechanical energy (for example a barrel whose spring is wound automatically by a rotor or manually), or from at least one sensor receiving energy from the environment of the portable electronic device or from a user wearing this electronic device. We thus speak of energy harvesters incorporated in autonomous electronic devices.
Le mouvement du poignet constitue une source d'énergie mécanique qui peut être exploitée pour alimenter une montre bracelet. Ceci est exploité depuis très longtemps dans les montres mécaniques automatiques. Plus récemment, les personnes du métier ont pensé utiliser l'énergie mécanique d'un rotor pour alimenter en électricité au moins une unité électronique d'une montre bracelet du type électromécanique ou électronique. A cet effet, divers types de convertisseurs électromécaniques ont été proposés. En particulier, l'utilisation de l'induction électromagnétique s'est révélée fructueuse. On peut citer deux types connus de montres autonomes ayant une unité électronique. Le premier type est décrit notamment dans la demande de brevet
Les réalisations susmentionnées ont un facteur limitant leur rendement notamment à cause de pertes d'énergie dues aux frottements dans les rouages. De plus, pour obtenir une tension suffisamment élevée, au moins un mobile multiplicateur intermédiaire et/ou un dispositif complexe permettant à un barillet de redonner par impulsions l'énergie mécanique accumulée sont nécessaires.The aforementioned embodiments have a factor limiting their performance, in particular because of energy losses due to friction in the gear trains. In addition, to obtain a sufficiently high tension, at least one intermediate multiplier mobile and/or a complex device allowing a barrel to restore the accumulated mechanical energy by pulses are necessary.
Une autre approche pour récupérer l'énergie cinétique dans une montre consiste à implémenter un rotor équipé d'aimants dans sa partie périphérique, avec des bobines fixes intégrées sur un PCB au-dessus desquelles passent les aimants du rotor. Lorsque le rotor est entrainé, une tension est alors induite dans les bobines due à la variation du flux magnétique. Un désavantage de cette approche provient du fait que le rotor tourne relativement lentement (typiquement avec une vitesse de rotation moyenne entre 1 et 5 tour/s), ce qui limite l'efficacité de la conversion d'énergie à cause des faibles tensions induites qui sont générées.Another approach to harvest kinetic energy in a watch is to implement a rotor equipped with magnets in its peripheral part, with fixed coils integrated on a PCB above which the rotor magnets pass. When the rotor is driven, a voltage is then induced in the coils due to the variation of the magnetic flux. A disadvantage of this approach is that the rotor rotates relatively slowly (typically with an average rotational speed between 1 and 5 rpm), which limits the energy conversion efficiency due to the low induced voltages that are generated.
L'invention a pour objectif de proposer un dispositif portable muni d'une unité électronique et d'une unité d'alimentation comprenant un convertisseur électromécanique présentant un bon rendement, en particulier en fournissant une tension relativement élevée avant tout élévateur de tension éventuel.The object of the invention is to provide a portable device provided with an electronic unit and a power supply unit comprising an electromechanical converter having good efficiency, in particular by supplying a relatively high voltage before any possible voltage booster.
Ainsi, l'invention concerne un objet portable comprenant une unité électronique et une unité d'alimentation électrique formée par un convertisseur électromécanique comprenant :
- un rotor susceptible d'être entrainé en rotation par des mouvements que peut subir l'objet portable, ce rotor portant au moins un premier aimant permanent ;
- un résonateur mécanique monté sur un support et muni d'une masse d'inertie susceptible d'osciller, autour d'un axe d'oscillation, à une fréquence de résonance propre à ce résonateur mécanique ; et
- un système électromagnétique formé par au moins un deuxième aimant permanent et au moins une bobine qui sont respectivement portés par la masse d'inertie, formant ainsi partiellement cette masse d'inertie, et par ledit support ou un élément solidaire de ce support et qui sont agencés de manière que, lorsque le résonateur mécanique est au repos, au moins une partie du flux magnétique généré par le deuxième aimant permanent traverse la bobine de sorte que, lorsque le résonateur mécanique est oscillant, une tension induite (UInd) est générée dans cette bobine.
- a rotor capable of being driven in rotation by movements which the portable object may undergo, this rotor carrying at least one first permanent magnet;
- a mechanical resonator mounted on a support and provided with an inertial mass capable of oscillating, around an axis of oscillation, at a resonance frequency specific to this mechanical resonator; and
- an electromagnetic system formed by at least one second permanent magnet and at least one coil which are respectively carried by the inertial mass, thus partially forming this inertial mass, and by said support or an element integral with this support and which are arranged so that when the mechanical resonator is at rest, at least part of the magnetic flux generated by the second permanent magnet passes through the coil so that when the mechanical resonator is oscillating, an induced voltage (U Ind ) is generated in this coil.
Le convertisseur électromécanique est agencé de manière que ledit au moins un premier aimant permanent et ledit au moins un deuxième aimant permanent puissent, lors d'un entraînement en rotation du rotor, interagir magnétiquement de sorte à appliquer à la masse d'inertie, momentanément ou par moments, un couple de force magnétique permettant d'exciter le résonateur mécanique, afin d'engendrer au moins une oscillation de ce résonateur mécanique sensiblement à sa fréquence de résonance.The electromechanical converter is arranged in such a way that said at least one first permanent magnet and said at least one second permanent magnet can, when the rotor is driven in rotation, interact magnetically so as to apply to the inertial mass, momentarily or at times, a couple of magnetic force making it possible to excite the mechanical resonator, in order to generate at least one oscillation of this mechanical resonator substantially at its resonant frequency.
Dans une variante avantageuse, la fréquence de résonance est sensiblement égale ou supérieure à dix Hertz (FRes >= 10 Hz), de préférence comprise entre quinze Hertz et trente Hertz (15 Hz <= FRes <= 30 Hz).In an advantageous variant, the resonant frequency is substantially equal to or greater than ten Hertz (F Res >= 10 Hz), preferably between fifteen Hertz and thirty Hertz (15 Hz <= F Res <= 30 Hz).
Dans un mode de réalisation principal, ledit au moins un premier aimant permanent et ledit au moins un deuxième aimant permanent sont situés dans un même plan général, perpendiculaire à l'axe d'oscillation du résonateur mécanique, et agencés de sorte que leur interaction magnétique est en répulsion.In a main embodiment, said at least one first permanent magnet and said at least one second permanent magnet are located in the same general plane, perpendicular to the axis of oscillation of the mechanical resonator, and arranged so that their magnetic interaction is in repulsion.
Dans une variante préférée, lorsque le résonateur mécanique est au repos, le centre dudit deuxième aimant permanent et le centre de ladite bobine présentent entre eux un décalage angulaire, relativement à l'axe d'oscillation du résonateur mécanique, qui est non nul et qui correspond de préférence à un positionnement angulaire du centre du deuxième aimant permanent sensiblement à un point d'inflexion de la courbe du flux magnétique, généré par ledit au moins un deuxième aimant permanent et traversant la bobine, en fonction de la position angulaire relative entre le deuxième aimant permanent et la bobine.In a preferred variant, when the mechanical resonator is at rest, the center of said second permanent magnet and the center of said coil have between them an angular offset, relative to the axis of oscillation of the mechanical resonator, which is non-zero and which preferably corresponds to an angular positioning of the center of the second permanent magnet substantially at a point of inflection of the curve of the magnetic flux, generated by said at least one second permanent magnet and passing through the coil, as a function of the relative angular position between the second permanent magnet and the coil.
L'invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de dessins annexés, donnés à titre d'exemples nullement limitatifs, dans lesquels :
- Les
Figures 1A à 1C montrent une première variante d'un premier mode de réalisation d'un objet portable selon l'invention, laFigure 1A étant sans le rotor et laFigure 1B étant coupée seulement partiellement; - Les
Figure 2A et2B montrent une deuxième variante du premier mode de réalisation, laFigure 2B montrant seulement le système magnétique global prévu; - Les
Figures 3A à 3C montrent un deuxième mode de réalisation d'un objet portable selon l'invention, laFigure 3C ne présentant le résonateur mécanique que partiellement; - Les
Figures 4A à 4F montrent le fonctionnement du convertisseur électromécanique du deuxième mode de réalisation par une succession de positions instantanées du rotor tournant et du résonateur mécanique activé par ce rotor tournant; - Les
Figures 5A à 5C montrent un troisième mode de réalisation d'un objet portable selon l'invention; - La
Figure 6 est un éclaté en perspective du résonateur mécanique, du rotor et du système électromagnétique du troisième mode de réalisation ; alors que laFigure 7 représente ces parties assemblées; - Les
Figures 8A à 8H montrent le fonctionnement du convertisseur électromécanique du troisième mode de réalisation par une succession de positions instantanées du rotor tournant et du résonateur mécanique activé par ce rotor tournant; - La
Figure 9 est un schéma électrique d'une variante de réalisation d'un circuit électronique reliant les bobines du système électromagnétique, formant l'objet portable selon l'invention, à un accumulateur d'énergie électrique incorporé dans cet objet portable.
- The
Figures 1A to 1C show a first variant of a first embodiment of a portable object according to the invention, theFigure 1A being without the rotor and theFigure 1B being cut only partially; - The
Figure 2A and2B show a second variant of the first embodiment, theFigure 2B showing only the predicted global magnetic system; - The
Figures 3A to 3C show a second embodiment of a portable object according to the invention, theFigure 3C presenting the mechanical resonator only partially; - The
Figures 4A to 4F show the operation of the electromechanical converter of the second embodiment by a succession of instantaneous positions of the rotating rotor and of the mechanical resonator activated by this rotating rotor; - The
Figures 5A to 5C show a third embodiment of a portable object according to the invention; - The
Figure 6 is an exploded perspective view of the mechanical resonator, rotor and electromagnetic system of the third embodiment; whilePicture 7 represents these assembled parts; - The
Figures 8A to 8H show the operation of the electromechanical converter of the third embodiment by a succession of instantaneous positions of the rotating rotor and of the mechanical resonator activated by this rotating rotor; - The
Figure 9 is an electrical diagram of an alternative embodiment of an electronic circuit connecting the coils of the electromagnetic system, forming the portable object according to the invention, to an electrical energy accumulator incorporated in this portable object.
En référence aux
Le convertisseur électromécanique 6 comprend :
- un
rotor 8 portant au moins un premier aimant permanent, en particulier deuxaimants 10 diamétralement opposés par rapport à l'axe derotation 14 du rotor (cas de la première variante représentée) ; - un résonateur mécanique 12 monté sur un support (le mouvement horloger 4) et muni d'une masse d'inertie 16, en forme d'anneau, qui est susceptible d'osciller, autour d'un axe d'oscillation 14 confondu avec l'axe de rotation du
rotor 8, à une fréquence de résonance FRes propre à ce résonateur mécanique, - un système électromagnétique formé par au moins un deuxième aimant permanent 20 porté par la masse d'inertie 16 et formant partiellement cette dernière, en particulier par six aimants 20 (cas des deux variantes représentées), et au moins une
bobine 24 portée par un PCB 22 solidaire dumouvement horloger 4, le nombre de bobines étant égal au nombre d'aimants 20 portés par la masse d'inertie dans le cas des deux variantes représentées.
- a
rotor 8 carrying at least a first permanent magnet, in particular twomagnets 10 diametrically opposed with respect to the axis ofrotation 14 of the rotor (case of the first variant shown); - a
mechanical resonator 12 mounted on a support (the watch movement 4) and provided with a mass ofinertia 16, in the shape of a ring, which is capable of oscillating, around an axis ofoscillation 14 coinciding with the axis of rotation of therotor 8, at a resonance frequency F Res specific to this mechanical resonator, - an electromagnetic system formed by at least one second
permanent magnet 20 carried by theinertial mass 16 and partially forming the latter, in particular by six magnets 20 (case of the two variants shown), and at least onecoil 24 carried by aPCB 22 integral with thewatch movement 4, the number of coils being equal to the number ofmagnets 20 carried by the inertial mass in the case of the two variants shown.
De manière générale, ledit au moins un deuxième aimant permanent 20 et ladite au moins une bobine 24 sont agencés de manière que, lorsque le résonateur mécanique 12 est au repos, au moins une partie du flux magnétique généré par ledit deuxième aimant permanent traverse la bobine de sorte que, lorsque le résonateur mécanique est oscillant, une tension induite (UInd) est générée dans cette bobine.In general, said at least one second
Le convertisseur électromécanique 6 est agencé de manière que ledit au moins un premier aimant permanent et ledit au moins un deuxième aimant permanent puissent, lors d'un entraînement en rotation du rotor, interagir magnétiquement de sorte à appliquer à la masse d'inertie, momentanément ou par moments, un couple de force magnétique permettant d'exciter le résonateur mécanique, afin d'engendrer au moins une oscillation de ce résonateur mécanique sensiblement à sa fréquence de résonance.The
A noter que, dans ce texte, tous les aimants utilisés sont des aimants permanents de sorte que ces derniers seront aussi nommés chacun 'aimant'. Par 'une oscillation' on comprend un mouvement oscillatoire pendant au moins une période d'oscillation et présentant donc au moins deux alternances. On nomme 'alternance' chaque mouvement du résonateur mécanique entre deux valeurs angulaires extrêmes qui définissent son amplitude d'oscillation. Dans une variante préférée, il est prévu que ce soient au moins une paire de premiers aimants 10 et au moins une paire de deuxièmes aimants 20 qui interagissent magnétiquement pour appliquer à la masse d'inertie le couple de force magnétique qui sert à activer/exciter le résonateur mécanique, comme ceci sera décrit en détails par la suite en référence aux
Dans une première variante, les aimants 20 et les bobines 24 sont agencés de manière que, lorsque le résonateur mécanique 12 est au repos, ces aimants et ces bobines sont respectivement alignés radialement, en projection axiale dans un plan général du résonateur mécanique, relativement à l'axe d'oscillation 14. De préférence, dans la position de repos du résonateur mécanique, chaque aimant 20 et la bobine 24 correspondante sont alignés axialement. Dans une deuxième variante préférée, lorsque le résonateur mécanique est au repos, le centre de chaque deuxième aimant 20 et le centre de la bobine respective 24 présentent entre eux un décalage angulaire non nul relativement à l'axe d'oscillation du résonateur mécanique. En particulier, le décalage angulaire prévu correspond à un positionnement angulaire du centre de chaque deuxième aimant environ à un point d'inflexion de la courbe du flux magnétique, généré par ce deuxième aimant et traversant la bobine respective, en fonction de la position angulaire relative entre ce deuxième aimant et cette bobine relativement à l'axe d'oscillation du résonateur mécanique. Cette variante préférée permet d'augmenter de manière significative la tension induite produite dans chacune des bobines, en particulier lorsque l'amplitude d'oscillation du résonateur mécanique après chaque excitation de ce dernier est relativement petite, par exemple de l'ordre du demi-angle au centre des aimants 20. A l'aide de séries de mesures ou de simulations, l'homme du métier saura déterminer, d'une part, les caractéristiques et dimensions des bobines et des deuxièmes aimants 20 et, d'autre part, un décalage angulaire optimal entre ces deuxièmes aimants et les bobines respectives pour optimiser la variation du flux magnétique dans chaque bobine de sorte que cette variation soit maximale lorsque la masse d'inertie présente une vitesse maximale, c'est-à-dire lorsque le résonateur mécanique passe par sa position neutre (position de repos), afin d'obtenir la plus grande tension induite UInd.In a first variant, the
Le résonateur mécanique 12 est un résonateur à lames flexibles 26, ces lames flexibles portant la masse d'inertie 16 et reliant l'anneau formant cette masse d'inertie à un élément central 28 qui est fixé au support du résonateur mécanique, c'est-à-dire qui est solidaire du mouvement horloger. De manière schématique, dans la variante représentée, l'élément central est maintenu fixe par une vis centrale entre une partie saillante d'une partie centrale fixe du rotor 8 et un écrou visé sur la vis centrale. Cette variante est donnée à titre d'exemple simplifié. La personne du métier saura concevoir divers moyens pour la fixation du résonateur mécanique au mouvement horloger, de manière à assurer notamment une bonne stabilité de l'élément central 28. On notera que cet élément central peut être relié au mouvement horloger 4, ou à un autre support solidaire de ce celui-ci, de manière indépendante de la partie centrale du rotor 8.The
On remarquera que le rotor 8 s'apparente à une masse de remontage d'un mouvement mécanique automatique. La partie tournante du rotor est montée sur une partie centrale fixe au moyen d'un roulement à billes. Ainsi, ce premier mode de réalisation présente l'avantage de permettre une synergie dans le cas où le mouvement horloger est du type mécanique, le rotor 8 pouvant alors servir à activer le résonateur mécanique, comme ceci sera exposé par la suite, et également à remonter simultanément un barillet du mouvement mécanique. Dans ce dernier cas, l'unité électronique qui est alimentée par l'unité d'alimentation électrique selon l'invention a une fonction autre que celle d'afficher l'heure courante. Par exemples, il s'agit d'une unité de communication par ondes lumineuses ou électromagnétiques, d'un capteur et son unité électronique de traitement de signaux captés, d'une unité de régulation électronique de la fréquence moyenne d'un balancier-spiral incorporé dans le mouvement mécanique, d'un affichage digital complémentaire, etc. On notera encore que le rotor et le résonateur mécanique sont agencés avec leur axe central respectif situé au centre du mouvement horloger. Cependant, dans une variante, ces mécanismes sont agencés de manière décentrée relativement à l'axe central du mouvement horloger.It will be noted that the
Le convertisseur électromécanique 6 est agencé à l'arrière du mouvement horloger 4, du côté du fond de la boîte de montre 32 et donc du côté opposé au cadran 34 relativement au mouvement 4 qui est ici un mouvement électromécanique avec un affichage analogique de l'heure. Ainsi, ce mouvement comprend un moteur, notamment un moteur pas-à-pas.The
Le premier mode de réalisation se caractérise notamment par le fait que le rotor 8 est monté libre en rotation sur une partie centrale qui est fixée, selon diverses variantes, soit à l'élément central fixe 28, soit directement au mouvement horloger 4 ou éventuellement à un dispositif interne qui est solidaire de cet élément central ou de ce mouvement horloger et qui est situé de l'autre côté de la masse d'inertie 16 relativement au rotor, à savoir du côté de l'affichage analogique dans le cas de la montre 2. Le rotor est configuré de manière à présenter un balourd pour favoriser sa rotation lors des mouvements que peut subir la montre. Dans la première variante, le rotor présente une partie périphérique qui s'étend sur un angle d'environ 200° et porte les deux aimants 10 dans deux cavités internes qui s'ouvrent latéralement vers l'intérieur, ces deux aimants sortant de la partie périphérique du rotor vers la masse d'inertie 16 du résonateur mécanique.The first embodiment is characterized in particular by the fact that the
Dans le premier mode de réalisation, tout comme dans les autres modes de réalisation qui seront décrits par la suite, les premiers aimants 10 et les deuxièmes aimants 20 sont situés dans un même plan général qui est perpendiculaire à l'axe central 14 définissant l'axe d'oscillation du résonateur mécanique 12 et l'axe de rotation du rotor 8, lesquels sont confondus. Cette caractéristique a pour objectif d'éviter l'apparition d'une force axiale sur la masse d'inertie du résonateur mécanique et par conséquent aussi sur le rotor. Ensuite, les premiers aimants 10 et les deuxièmes aimants 20 sont agencés de sorte que leur interaction magnétique est en répulsion. Dans une variante avantageuse, ils présentent tous des axes de magnétisation sensiblement parallèles à l'axe central 14. A noter qu'une variante avec des axes de magnétisation radiaux est envisageable. Finalement, on remarquera qu'il est prévu un nombre pair de premiers aimants 10 et également un nombre pair de deuxièmes aimants 20, chaque paire de premiers aimants et chaque paire de deuxièmes aimants étant agencées de manière diamétralement opposées relativement à l'axe central 14. Cette caractéristique a pour objectif d'éviter l'apparition d'une force globale radiale sur la masse d'inertie du résonateur mécanique et par conséquent aussi sur le rotor. Grâce à ces diverses caractéristiques, on évite, d'une part, l'apparition de forces magnétiques axiales sur la masse d'inertie 16 du résonateur mécanique 12 qui solliciteraient axialement les lames flexibles 26 et, d'autre part, l'apparition d'une force magnétique globale radiale qui contraindrait radialement ces lames flexibles. Dans le cas contraire, la masse d'inertie pourrait soit être déplacée axialement, soit radialement ou encore subir une rotation autour d'un axe perpendiculaire à l'axe central 14, ce qui serait nuisible au bon fonctionnement du convertisseur électromécanique 6 selon la présente invention. L'interaction magnétique prévue entre les premiers aimants 10 et les deuxièmes aimants 20 doit essentiellement permettre d'engendrer un couple de force magnétique sur la masse d'inertie 16 du résonateur mécanique 12.In the first embodiment, just as in the other embodiments which will be described subsequently, the
Dans une variante non représentée, il est prévu de doubler la masse d'inertie en agençant de part et des bobines 24 une première masse d'inertie 16 et une deuxième masse d'inertie qui lui est semblable. Ainsi, chaque deuxième aimant 20 est remplacé ici par une paire de deuxième aimants ayant une même polarité et alignés axialement avec une bobine 24 située entre ces deux aimants, de préférence à même distance de chacun d'eux. Les deux aimants de chaque paire d'aimants s'attirant magnétiquement, il est avantageux, voire nécessaire, que les deux aimants de chacune des paires de deuxièmes aimants soient assemblés rigidement. Dans cette variante, les premiers aimants 10 sont avantageusement situés dans un plan général dans lequel sont situées les bobines 24. Dans une autre variante non représentée, les premiers aimants 10 portés par le rotor sont doublés de manière à avoir des paires de premiers aimants de même polarité remplaçant chaque premier aimant 10 des deux variantes représentées. On remarquera que cette dernière variante permet un agencement axial des paires de premiers aimants avec les deuxièmes aimants, c'est-à-dire que les premiers aimants et les deuxièmes aimants présentent sensiblement un même rayon à l'axe central, définissant l'axe d'oscillation du résonateur mécanique et l'axe de rotation du rotor, sans qu'une force magnétique axiale s'exerce sur la masse d'inertie. Dans une variante combinant les deux variantes non représentées décrites ici, on a des paires de premiers aimants et des paires de deuxièmes aimants. Dans un premier cas, toutes ces paires d'aimants sont situées dans deux plans généraux situées respectivement des deux côtés du plan général des bobines 24. Dans un deuxième cas, un agencement axial des paires de premiers aimants avec les paires de deuxièmes aimants est prévu.In a variant not shown, provision is made to double the inertia mass by arranging on both sides of the coils 24 a
Dans une variante avantageuse, la fréquence de résonance FRes est sensiblement égale ou supérieure à dix Hertz (FRes >= 10 Hz). Dans une variante préférée, la fréquence de résonance FRes est comprise entre quinze Hertz et trente Hertz (15 Hz <= FRes <= 30 Hz). Alors que le rotor tourne généralement à une fréquence de l'ordre de grandeur de 1 Hz (soit 1 à 5 tours par seconde), le résonateur mécanique oscille à relativement haute fréquence et transforme de l'énergie cinétique du rotor en énergie mécanique d'oscillation, de préférence via un couplage aimant-aimant en répulsion magnétique. Comme chaque bobine est associée à un aimant du résonateur mécanique, le nombre d'impulsions sinusoïdales générées dans chaque bobine est égal au double de la fréquence de résonance FRes tant que le résonateur mécanique oscille librement. En agençant le convertisseur électromécanique de sorte que le résonateur mécanique reste activé approximativement de manière continue lorsque le rotor tourne sensiblement à vitesse constante dans une plage de vitesses usuelles, on peut obtenir un grand nombre d'impulsions sinusoïdales de tension induite à chaque tour du rotor et ainsi convertir de manière efficace une certaine partie de l'énergie cinétique du rotor en énergie électrique qui est apportée dans un accumulateur électrique d'alimentation.In an advantageous variant, the resonance frequency F Res is substantially equal to or greater than ten Hertz (F Res >= 10 Hz). In a preferred variant, the resonance frequency F Res is between fifteen Hertz and thirty Hertz (15 Hz <= F Res <= 30 Hz). While the rotor generally rotates at a frequency of the order of magnitude of 1 Hz (i.e. 1 to 5 revolutions per second), the mechanical resonator oscillates at relatively high frequency and transforms the kinetic energy of the rotor into mechanical energy of oscillation, preferably via a magnet-magnet coupling in magnetic repulsion. As each coil is associated with a magnet of the mechanical resonator, the number of sinusoidal pulses generated in each coil is equal to twice the resonant frequency F Res as long as the mechanical resonator oscillates freely. By arranging the electromechanical converter so that the mechanical resonator remains activated approximately continuously when the rotor rotates substantially at constant speed in a range of usual speeds, it is possible to obtain a large number of sinusoidal pulses of induced voltage at each revolution of the rotor. and thus effectively converting a certain part of the kinetic energy of the rotor into electrical energy which is supplied to an electrical supply accumulator.
Aux
Dans une variante spécifique, les lames flexibles 26 du résonateur mécanique sont constituées d'un matériau piézoélectrique et revêtues chacune de deux électrodes au travers desquelles un courant électrique est généré lorsque le résonateur mécanique est activé, ce courant électrique étant aussi fourni à un accumulateur que comprend l'unité d'alimentation électrique de la montre 2 ou 2A.In a specific variant, the
Un deuxième mode de réalisation d'une montre 42 comprenant un convertisseur électromécanique 6A selon l'invention est représentée au
Le rotor 44 est monté libre en rotation sur une structure fixe de l'objet portable, avantageusement sur la carrure du boîtier 32 de la montre comme dans la variante représentée ou de préférence sur un cercle d'encageage du mouvement horloger 4, au moyen d'un roulement à billes 50. Pour libérer la zone centrale du rotor sous laquelle est située la structure résonante 48, une bague interne 51 du roulement à billes 50 est avantageusement formée par le rotor ou solidaire de ce rotor, alors qu'une bague externe 52 de ce roulement est formée par ladite structure fixe ou solidaire de cette structure fixe. Dans la variante représentée, le chemin de roulement de la bague interne 51 est formé par une surface latérale externe du rotor 44. De préférence, comme dans la variante représentée, le roulement à billes 50 est situé à la périphérie du rotor 44.The
Dans la variante spécifique représentée, le rotor 44 est formé par une partie annulaire portant quatre aimants 10A et il est agencé dans un même plan général que la masse d'inertie 46 du résonateur mécanique et que le roulement à billes 50. Ainsi, le rotor et le résonateur mécanique sont avantageusement coplanaire pour limiter l'augmentation d'épaisseur du boîtier 32 de la montre 42 engendrée par l'agencement du convertisseur électromécanique selon l'invention dans cette montre. De plus, cet ensemble est aussi prévu ici coplanaire avec le roulement à billes. Dans une variante, le roulement à billes est agencé sous la partie annulaire du rotor, du côté du mouvement horloger 4. Les aimants 10A du rotor sont au même nombre que celui des aimants 20 de la masse d'inertie 46 du résonateur mécanique 12A. Les aimants 10A et 20 sont avantageusement agencés dans un même plan général. Dans la variante représentée, ces aimants sont insérés dans des ouvertures respectives de la partie annulaire du rotor et de la masse d'inertie, de sorte qu'ils sont agencés dans le plan général dans lequel s'étendent cette partie annulaire et cette masse d'inertie. Comme dans le premier mode de réalisation décrit précédemment, les aimants 10A et 20 présentent des axes de magnétisation axiaux et une interaction magnétique en répulsion. Les aimants 10A, respectivement 20 sont agencés par paires diamétralement opposées. Ainsi, la masse d'inertie subit seulement un couple de force magnétique dans le plan général dans lequel sont agencés les aimants 10A et 20 (en d'autres termes, le vecteur de ce couple magnétique est axial, confondu avec l'axe d'oscillation 14 du résonateur mécanique 12A). On remarquera encore que la partie annulaire du rotor 44 présente deux ouvertures permettant d'engendrer un balourd.In the specific variant shown, the
En référence aux
A la
Une fois le couple de rappel élastique du résonateur mécanique égal au couple de force magnétique et dans la mesure où ce dernier croît plus fortement que le couple de force magnétique dans le cas où ce dernier continuerait d'augmenter, une oscillation du résonateur mécanique débute grâce au couple de rappel élastique du résonateur mécanique qui entraîne la masse d'inertie dans le sens contraire à celui du rotor, comme ceci est montré à la
Le nouveau couplage magnétique fort peut engendrer diverses variantes d'interaction magnétique et agir ainsi selon divers scénarios sur le résonateur mécanique. Ces divers scénarios dépendent notamment du fait que le résonateur mécanique tourne dans le même sens de rotation que le rotor lors du début d'un nouveau couplage magnétique fort ou, au contraire, que les rotations respectives du rotor et du résonateur mécanique soient alors de sens opposés. Dans le premier cas, le nouveau couplage magnétique fort servira en majeure partie à entretenir la première oscillation générée lors du premier couple magnétique fort. Dans le second cas, dans un premier temps, le nouveau couplage magnétique fort freine la masse d'inertie et amortit donc substantiellement la première oscillation, puis dans un second temps engendre une deuxième oscillation, principalement par le couple de force magnétique de sens opposé à celui du rotor qui intervient après que les aimants du rotor aient dépassé angulairement ceux de la masse d'inertie. On remarquera que du fait que la fréquence de résonance est relativement élevée, le second cas est prédominant. Par ailleurs, même si le premier cas peut être prédominant dans certaines situations, la masse d'inertie passe souvent par un court temps d'arrêt ou de quasi immobilité (pas nécessairement à la position de repos, car aussi possible dans d'autres positions angulaires et notamment proche d'une position angulaire extrême du résonateur mécanique oscillant) engendrant un déphasage temporel dans le mouvement oscillatoire du résonateur mécanique. Ainsi, la distinction entre oscillation entretenue et succession d'oscillations n'est pas nette. Lorsque le résonateur mécanique s'arrête un certain intervalle de temps dans sa position de repos, on peut parler de deux oscillations successives, et dans le cas contraire on peut parler alors de l'entretien d'une oscillation en cours, souvent avec l'introduction d'un déphasage temporel. Quoiqu'il en soit, on peut observer entre les couplages magnétiques forts successifs une pluralité d'oscillations momentanées successives sensiblement à la fréquence de résonance FRes.The new strong magnetic coupling can generate various variants of magnetic interaction and thus act according to various scenarios on the mechanical resonator. These various scenarios depend in particular on the fact that the mechanical resonator rotates in the same direction of rotation as the rotor at the start of a new strong magnetic coupling or, on the contrary, that the respective rotations of the rotor and of the mechanical resonator are then of direction opposites. In the first case, the new strong magnetic coupling will serve for the most part to maintain the first oscillation generated during the first strong magnetic torque. In the second case, firstly, the new strong magnetic coupling slows down the inertial mass and therefore substantially dampens the first oscillation, then secondly generates a second oscillation, mainly by the magnetic force couple in the opposite direction to that of the rotor which intervenes after the magnets of the rotor have angularly exceeded those of the mass of inertia. It will be noted that because the resonance frequency is relatively high, the second case is predominant. Moreover, even if the first case can be predominant in certain situations, the mass of inertia often passes through a short time of stopping or of quasi immobility (not necessarily at the position of rest, because also possible in other angular positions and in particular close to an extreme angular position of the oscillating mechanical resonator) generating a time phase shift in the oscillatory movement of the mechanical resonator. Thus, the distinction between sustained oscillation and succession of oscillations is not clear. When the mechanical resonator stops for a certain interval of time in its rest position, we can speak of two successive oscillations, and in the opposite case we can then speak of the maintenance of an oscillation in progress, often with the introduction of a temporal phase shift. Be that as it may, a plurality of successive momentary oscillations can be observed between the successive strong magnetic couplings substantially at the resonance frequency F Res .
Dans une variante principale, le convertisseur électromécanique est agencé de sorte que le couple de force magnétique appliqué à la masse d'inertie par le rotor permet d'engendrer, au cours d'un entraînement en rotation du rotor sur une distance angulaire supérieure à l'angle au centre entre deux aimants adjacents 20 du résonateur mécanique, une pluralité d'oscillations momentanées successives, à la fréquence de résonance FRes et avec une amplitude sensiblement égale ou supérieure à une amplitude minimale pour laquelle la tension induite dans chaque bobine du système magnétique, associé au résonateur mécanique, est sensiblement égale à une tension de seuil prédéterminée, cette pluralité d'oscillations momentanées successives intervenant suite à une pluralité d'entraînements en rotation momentanés respectifs de la masse d'inertie du résonateur mécanique par le rotor permettant d'engendrer respectivement la pluralité d'oscillations momentanées successives.In a main variant, the electromechanical converter is arranged so that the magnetic force torque applied to the inertial mass by the rotor makes it possible to generate, during rotational driving of the rotor over an angular distance greater than l central angle between two
A titre d'exemple, chaque bobine 24 présente un diamètre de 4 mm, une hauteur de 0.4 mm, 2300 tours et une résistance de 2.6 KΩ. Chaque bobine est agencée fixement à une distance axiale de 0.1 à 0.2 mm sous les aimants respectifs 20 du résonateur mécanique, lesquels sont choisis avec une forte aimantation rémanente et présentent un diamètre environ identique à celui des bobines. En sélectionnant un résonateur mécanique ayant une fréquence de résonance FRes environ égale à 20 Hz et présentant une amplitude moyenne entre 7° et 10° lorsqu'il est activé par le rotor tournant avec une fréquence angulaire usuelle, le système magnétique décrit ici, associé au résonateur mécanique, peut générer une puissance moyenne de l'ordre de 2 µW par bobine sur une charge adaptée en impédance et une tension induite moyenne de l'ordre de 100 mV par bobine. A noter que des performances supérieures sont envisageables.By way of example, each
La
En référence aux
Le mouvement horloger 4 porte sur sa partie saillante arrière 4A, insérée dans une ouverture du PCB 22 portant quatre bobines 24, la structure résonnante 48 dont la partie 48A est fixée à cette partie saillante arrière. La structure résonnante comprend en outre une partie oscillante 48B qui est reliée à la partie fixe 48A par un système à lames flexibles situées dans un même plan général et définissant un axe d'oscillation pour cette partie oscillante et pour la masse d'inertie 16B qui est fixée à cette dernière via un plot venant s'insérer dans un trou correspondant agencé dans un élément central 18 de cette masse d'inertie. La masse d'inertie 16B porte dans sa partie périphérique quatre aimants circulaires 20 qui sont insérés dans des trous de quatre parties saillantes respectives entre lesquelles sont prévus quatre zones angulaires libres 78 débouchant latéralement sur l'espace extérieur à la masse d'inertie et s'étendant radialement jusqu'à un rayon correspondant à celui d'un cercle géométrique dans lequel la masse d'inertie 16B est inscrite. Le rotor 64 est formé de trois parties, une partie centrale fixe 71, un demi-disque 70 présentant une partie périphérique plus massive, et une structure annulaire 72 qui est fixée rigidement à cette partie périphérique. Le demi-disque 70 est monté libre en rotation sur la partie centrale 71 au moyen d'un roulement à billes.The
Dans la variante représentée pour le troisième mode de réalisation, il est prévu que la partie centrale 71 soit fixée au fond 66 du boîtier 32A par une vis 68. D'autres moyens de fixation peuvent être envisagés, notamment un soudage ou un collage. Ainsi, le rotor 64 est monté du côté intérieur du fond 66 avant l'assemblage de cet ensemble avec la carrure du boîtier. Selon une caractéristique principale de ce troisième mode de réalisation, la structure annulaire 72 porte quatre aimants 10B de manière à permettre à ceux-ci de subir un mouvement élastique radial pour pouvoir s'escamoter lorsque ces aimants arrivent dans des zones angulaires occupées respectivement par les aimants 20 de la masse d'inertie, ces zones angulaires occupées séparant les zones angulaires libres 78. En effet, pour une raison qui sera exposée par la suite plus en détails à l'aide des
Dans la variante avantageuse représentée, les aimants cylindriques 10B sont insérés dans des anneaux fixés aux extrémités libres de lames flexibles 74 respectives. Chaque lame flexible 74 présente un axe longitudinal en arc de cercle centré sur l'axe de rotation du rotor 64 qui est confondu avec l'axe d'oscillation de la masse d'inertie. Ainsi, chaque lame flexible présente une grande flexibilité selon la direction radiale mais une relativement grande rigidité selon la direction angulaire / tangentielle. Les lames flexibles ont avantageusement une hauteur supérieure à leur largeur, de sorte à présenter une rigidité axiale suffisante pour rester dans le plan général des aimants 20 du résonateur mécanique également lors des interactions entre les aimants 10B et 20 qui peuvent générer une certaine force magnétique axiale étant donné les tolérances de fabrication. Des cavités 76 sont prévues dans la structure annulaire pour permettre à chaque premier ensemble, formé d'un aimant 10B et de l'anneau de fixation à la lame flexible 74, de subir un mouvement radial sur une distance suffisante pour contourner chaque deuxième ensemble, formé d'un aimant 20 et de la partie saillante de la masse d'inertie servant à la fixation de cet aimant, lorsque le rotor subit une rotation.In the advantageous variant shown, the
De manière générale, chaque aimant de la masse d'inertie est agencé de manière à faire saillie de cette masse d'inertie, de sorte que la masse d'inertie présente une première et une seconde zones angulaires libres, respectivement des deux côtés de cet aimant, dans lesquelles peut se mouvoir chaque aimant du rotor. Ensuite, chaque aimant du rotor est agencé de manière à pouvoir subir un mouvement élastique radial relativement à l'axe d'oscillation du résonateur mécanique, sous l'action d'une force magnétique radiale qui est engendrée par l'interaction en répulsion magnétique avec un aimant de la masse d'inertie, lorsque cet aimant du rotor est situé à proximité de l'aimant concerné de la masse d'inertie. De préférence, la position d'énergie mécanique minimale de chaque premier aimant du rotor, considérée en son centre relativement à l'axe de rotation du rotor, correspond à une position radiale de ce premier aimant située dans une plage de positions radiales, relativement à l'axe de rotation du rotor qui est confondu avec l'axe d'oscillation de la masse d'inertie, correspondant aux zones angulaires libres situées entre les deuxièmes aimants de la masse d'inertie. Le mouvement élastique radial de chaque premier aimant du rotor est prévu de sorte que ce premier aimant peut s'escamoter suffisamment, lorsqu'il passe par la position angulaire d'un deuxième aimant du résonateur mécanique, pour pouvoir passer de la première zone angulaire libre à la seconde zone angulaire libre relatives à ce deuxième aimant. Dans une variante avantageuse, chaque premier aimant du rotor est fixé à l'extrémité d'une lame élastique correspondante qui est agencée de manière à présenter un axe longitudinal principalement tangentiel et une capacité de déformation élastique essentiellement selon une direction radiale, relativement à l'axe d'oscillation du résonateur mécanique.In general, each magnet of the inertia mass is arranged so as to protrude from this inertia mass, so that the inertia mass has first and second free angular zones, respectively on both sides of this magnet, in which each magnet of the rotor can move. Then, each magnet of the rotor is arranged so as to be able to undergo a radial elastic movement relative to the axis of oscillation of the mechanical resonator, under the action of a radial magnetic force which is generated by the interaction in magnetic repulsion with a magnet of the inertia mass, when this magnet of the rotor is located close to the magnet concerned of the inertia mass. Preferably, the position of minimum mechanical energy of each first magnet of the rotor, considered at its center relative to the axis of rotation of the rotor, corresponds to a radial position of this first magnet situated in a range of radial positions, relative to the axis of rotation of the rotor which coincides with the axis of oscillation of the inertia mass, corresponding to the free angular zones located between the second magnets of the inertia mass. The radial elastic movement of each first magnet of the rotor is provided so that this first magnet can retract sufficiently, when it passes through the angular position of a second magnet of the mechanical resonator, to be able to pass from the first free angular zone to the second free angular zone relating to this second magnet. In an advantageous variant, each first magnet of the rotor is fixed to the end of a corresponding elastic blade which is arranged so as to have a mainly tangential longitudinal axis and a capacity for elastic deformation essentially in a radial direction, relative to the axis of oscillation of the mechanical resonator.
Dans une variante préférée, le mouvement élastique radial de chacun des premiers aimants du rotor, sous l'action de la force magnétique radiale, est prévu avec une amplitude suffisante pour éviter un choc entre le rotor et la masse d'inertie du résonateur mécanique lors du passage d'un premier aimant par la position angulaire d'un deuxième aimant. De plus, les zones angulaires libres 78, séparant les zones angulaires occupées par les deuxièmes aimants de la masse d'inertie, sont prévues de sorte que les premiers aimants du rotor ne viennent pas buter contre la masse d'inertie suite à un passage de ces premiers aimants par les positions angulaires respectives des deuxièmes aimants, pour ne pas perturber le mouvement oscillatoire de la masse d'inertie à la fréquence de résonance FRes suivant ce passage.In a preferred variant, the radial elastic movement of each of the first magnets of the rotor, under the action of the radial magnetic force, is provided with a sufficient amplitude to avoid a shock between the rotor and the inertial mass of the mechanical resonator during of the passage of a first magnet by the angular position of a second magnet. In addition, the free
En référence aux
Le rotor continuant de tourner dans le sens horaire, la composante radiale de la force a une valeur qui devient relativement importante, cette composante radiale agissant sur chaque aimant 10B de sorte que chaque aimant 10B commence à subir un mouvement élastique radial vers l'extérieur grâce à la lame flexible qui le porte. Les aimants 10B s'écartent de leur trajectoire circulaire de manière à s'escamoter au passage de ces aimants par les positions angulaires respectives des aimants 20 de la masse d'inertie, comme représenté dans l'instantané de la
A la
Bien que la constante élastique radiale de chaque structure élastique, formée d'un aimant 10B et de la lame flexible 74 qui le porte, est sélectionnée de manière qu'elle soit suffisamment petite pour que les forces magnétiques radiales puissent déplacer les aimants 10B hors de la zone circulaire balayée par la masse d'inertie, notamment par les aimants 20 et leurs cerclages respectifs lors du passage de ces aimants 10B par les positions angulaires des aimants 20, il est prévu que cette constante élastique radiale soit toutefois suffisamment grande pour que la fréquence d'oscillation radiale de chaque structure élastique susmentionnée soit plus élevée que la fréquence de résonance FRes du résonateur mécanique. Par exemple, si la fréquence de résonance FRes est égale à 20 Hz, il est avantageux que la fréquence d'oscillation radiale de chaque structure élastique du rotor soit au moins égale au double de FRes, mais de préférence quatre à cinq fois plus grande, en particulier égale à environ 100 Hz. Ceci garantit que la réponse mécanique de chaque structure élastique du rotor est plus rapide que la réponse mécanique du résonateur mécanique. Ainsi, les aimants 10B du rotor sont déplacés suffisamment rapidement lors du passage de ces aimants par les positions angulaires des aimants 20 de sorte à éviter des collisions qui perturberaient le fonctionnement du système prévu.Although the radial elastic constant of each elastic structure, formed by a
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