FR2941085A1 - Condensateur magnetique plan et dispositif de stockage d'energie electrique - Google Patents

Condensateur magnetique plan et dispositif de stockage d'energie electrique Download PDF

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Abstract

Un condensateur magnétique plan (Mcap) comprend deux premières électrodes de colonne, deux deuxièmes électrodes de colonne et une couche diélectrique. Les deux premières électrodes de colonne sont connectées électriquement l'une avec l'autre et sont situées respectivement au coin droit d'un premier plan et au coin gauche d'un deuxième plan. Les deux deuxièmes électrodes de colonne sont connectées électriquement l'une avec l'autre et sont situées respectivement au coin gauche du premier plan et au coin droit du deuxième plan. La couche diélectrique est située entre les premières électrodes de colonne et les deuxièmes électrodes de colonne, de telle sorte que les premières électrodes de colonne et les deuxièmes électrodes de colonne forment des capacités entre elles.

Description

CONDENSATEUR MAGNÉTIQUE PLAN ET DISPOSITIF DE STOCKAGE D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE La présente invention porte sur un condensateur et sur un dispositif de stockage d'énergie électrique. Plus particulièrement, la présente invention porte sur un condensateur magnétique plan et sur un dispositif de stockage d'énergie électrique.
De manière classique, les condensateurs plans sont structurés à l'aide de deux plaques conductrices avec un matériau diélectrique disposé entre les plaques. La capacité du condensateur plan peut être calculée à l'aide de l'équation standard (1) et l'énergie électrique correspondant à la capacité peut être calculée à l'aide de l'équation standard (2) . C = e°ekA (1) r E = CV2 (2) dans lesquelles C est la capacité du condensateur plan, eo est la constante diélectrique du vide (8,85x10-12), ek est la constante diélectrique du matériau entre les plaques parallèles, A est la surface d'interface de la plaque parallèle, r est la distance entre les plaques parallèles, E est l'énergie électrique et V est la tension appliquée. L'équation (1) montre que la capacité d'un condensateur plan est proportionnelle à la surface d'interface de la plaque parallèle. Par exemple, si l'on se réfère à la Figure 1, représentant une vue en coupe transversale d'une structure de condensateur parallèle classique, on peut voir que le condensateur parallèle classique 100 comprend une plaque conductrice supérieure 102, une plaque conductrice inférieure 104, et une couche diélectrique 106 entre les plaques 102 et 104. La largeur de la plaque conductrice supérieure 102 est de 18 unités. La profondeur de la plaque conductrice supérieure 102 est de 2 unités. Par conséquent, A est égale à 18 x 2 = 36 unités', conduisant à une capacité 108 proportionnelle à A. Dans la structure du condensateur parallèle 100 mentionné ci-dessus, il faudrait augmenter la surface des plaques parallèles pour augmenter la capacité totale du condensateur parallèle, en supposant que ek et r restent constants. Par conséquent, il faut un compromis entre la capacité et la taille du condensateur, ce qui rend impossible d'augmenter la capacité tout en maintenant identique la taille du condensateur plan. Pour les raisons qui précèdent, il existe un besoin pour un nouveau condensateur plan avec une nouvelle structure permettant d'augmenter la capacité tout en maintenant le volume global du condensateur.
La présente invention a donc pour objet un condensateur magnétique plan, caractérisé par le fait qu'il comprend : un premier métal magnétique conducteur ayant un premier doigt supérieur situé sur un plan supérieur et un premier doigt inférieur situé sur un plan inférieur, le premier doigt supérieur étant connecté électriquement au premier doigt inférieur ; un second métal magnétique conducteur ayant un deuxième doigt supérieur et un deuxième doigt inférieur connectés électriquement l'un avec l'autre, le deuxième doigt supérieur étant situé sur le plan supérieur de telle sorte que le deuxième doigt supérieur est à côté du premier doigt supérieur pour former une première interface et au-dessus du premier doigt inférieur pour former une deuxième interface, le deuxième doigt inférieur étant situé sur le plan inférieur de telle sorte que le deuxième doigt inférieur est à côté du premier doigt inférieur pour former une troisième interface et au-dessous du premier doigt supérieur pour former une quatrième interface ; et un matériau diélectrique situé dans la première interface, la deuxième interface, la troisieme interface et la quatrième interface. Le premier doigt supérieur, le deuxième doigt supérieur, le premier doigt inférieur et le deuxième doigt inférieur peuvent être des lignes métalliques magnétiques. La première interface, la deuxième interface, la troisième interface et la quatrième interface peuvent introduire respectivement une première capacité, une deuxième capacité, une troisième capacité et une quatrième capacité lorsque le premier métal magnétique conducteur et le second métal magnétique conducteur sont polarisés électriquement, avec une polarisation magnétique. La première capacité, la deuxième capacité, la troisième capacité et la quatrième capacité peuvent s'ajouter en une capacité totale. Le premier métal magnétique conducteur peut comprendre en outre un troisième doigt supérieur connecté électriquement au premier doigt inférieur et situé sur le plan supérieur de telle sorte que le troisième doigt supérieur est à côté du deuxième doigt supérieur sur le côté opposé du premier doigt supérieur, formant ainsi une cinquième interface. La cinquième interface peut introduire une cinquième capacité.
Le second matériau conducteur peut comprendre en outre un troisième doigt inférieur connecté électriquement au deuxième doigt supérieur et situé sur le plan inférieur de telle sorte que le troisième doigt inférieur est au- dessous du troisième doigt supérieur pour former une sixième interface. La sixième interface peut introduire une sixième capacité. Selon un autre mode de réalisation, est proposé 10 un condensateur magnétique plan caractérisé par le fait qu'il comprend : deux premières électrodes de colonne connectées électriquement l'une avec l'autre et situées respectivement au coin droit d'un premier plan et au 15 coin gauche d'un deuxième plan ; deux deuxièmes électrodes de colonne connectées électriquement l'une avec l'autre et situées respectivement au coin gauche du premier plan et au coin droit du deuxième plan ; et 20 - une couche diélectrique située entre les premières électrodes de colonne et les deuxièmes électrodes de colonne, de telle sorte que les premières électrodes de colonne et les deuxièmes électrodes de colonne forment des capacités entre elles. 25 Les premières électrodes de colonne peuvent avoir un premier potentiel électrique et les deuxièmes électrodes de colonne peuvent avoir un second potentiel électrique différent du premier potentiel électrique. Le premier plan peut être au-dessus du deuxième 30 plan. Le condensateur magnétique plan peut comprendre en outre : une troisième électrode de colonne située au coin droit d'un troisième plan, de telle sorte que le troisième plan est au-dessous du deuxième plan ; et une quatrième électrode de colonne située au coin gauche du troisième plan. La troisième électrode de colonne peut avoir le premier potentiel électrique et la quatrième électrode de colonne peut avoir le second potentiel électrique. La couche diélectrique peut être située entre la troisième et la quatrième électrode de colonne, la deuxième et la troisième électrode et la première et la quatrième électrode. Il doit être entendu qu'à la fois la description générale qui précède et la description détaillée suivante sont des exemples et sont destinées à fournir une explication supplémentaire de l'invention telle que revendiquée. Les dessins annexés sont inclus pour permettre une meilleure compréhension de l'invention, et sont incorporés et constituent une partie de cette demande. Les dessins illustrent des modes de réalisation de l'invention, et, conjointement avec la description, servent à expliquer les principes de l'invention. Sur les dessins, la Figure 1 est une vue en coupe transversale d'un condensateur plan classique ;
la Figure 2 est une vue en coupe transversale d'un condensateur magnétique plan selon un mode de réalisation préféré de cette invention ; et la Figure 3 est une vue de dessus d'un condensateur magnétique plan selon un mode de réalisation préféré de cette invention.
Référence va maintenant être faite en détail aux présents modes de réalisation préférés de cette invention, des exemples desquels sont illustrés dans les dessins annexés. Autant que possible, les mêmes chiffres de référence sont utilisés dans les dessins et la description pour se référer à des pièces identiques ou analogues. Si l'on se réfère à la Figure 2, qui est une vue en coupe transversale d'un condensateur magnétique plan selon un mode de réalisation de la présente invention, on peut voir que le condensateur magnétique 200 comprend une première structure métallique magnétique conductrice 202, une seconde structure métallique magnétique conductrice 204 et une couche diélectrique 206. La première structure métallique magnétique conductrice est composée d'un premier doigt supérieur 208 et d'un premier doigt inférieur 210. Le premier doigt supérieur 208 est situé sur un plan supérieur 212 et le premier doigt inférieur 210 est situé sur un plan inférieur 214. Le premier doigt supérieur 208 est connecté électriquement au premier doigt inférieur 210. La connexion peut être réalisée par l'intermédiaire d'une bande conductrice 216, qui sera décrite plus tard. La seconde structure métallique magnétique conductrice 204 est composée d'un deuxième doigt supérieur 218 et d'un deuxième doigt inférieur 220 connectés électriquement ensemble. Le deuxième doigt supérieur 218 est situé sur le plan supérieur 212 de telle sorte que le deuxième doigt supérieur 218 est à côté du premier doigt supérieur 208, la surface latérale 222 du premier doigt supérieur 208 et la surface latérale 224 du deuxième doigt supérieur 218 formant une première interface 226. De plus, le deuxième doigt supérieur 218 est également au-dessus du premier doigt inférieur 210, la surface inférieure 228 du deuxième doigt supérieur 218 et la surface supérieure 230 du premier doigt inférieur 210 formant une deuxième interface 232. De manière analogue, le deuxième doigt inférieur 220 est situé sur le plan inférieur 214, à côté du premier doigt inférieur 210, et au-dessous du premier doigt supérieur 208. Par conséquent, le deuxième doigt inférieur 220 forme une troisième interface 234 et une quatrième interface 236 avec le premier doigt supérieur 208 et le premier doigt inférieur 210. La couche diélectrique 206 est située entre toutes les interfaces. Chaque interface 226, 232, 234 et 236 introduit respectivement une première capacité 238, une deuxième capacité 240, une troisième capacité 242 et une quatrième capacité 244. Par conséquent, la capacité totale introduite par le condensateur avec les interfaces 226, 232, 234 et 236 est la somme des capacités 238, 240, 242 et 244. Par exemple, si chaque interface introduit 4 unités de capacité, alors, lorsqu'une différence de tension est appliquée entre la première structure métallique magnétique conductrice 202 et la seconde structure métallique magnétique conductrice 204, la capacité totale introduite par les quatre interface 226, 232, 234 et 236 est de 16 unités. De plus, lorsque la première structure métallique magnétique conductrice 202 et la seconde structure métallique magnétique conductrice 204 sont polarisées électriquement, une polarisation magnétique est induite dans celles-ci, les flèches de la Figure 2 indiquant la polarisation magnétique.
La structure de condensateur plan peut être développée en outre comme illustré par la Figure 2. un troisième doigt supérieur 246 et un troisième doigt inférieur 248 peuvent être inclus dans la première structure métallique magnétique conductrice 202 et la seconde structure métallique magnétique conductrice 204, respectivement, pour introduire des capacités supplémentaires 250, 252 et 254. Le troisième doigt supérieur 246 est situé sur l'autre côté du deuxième doigt supérieur 218 opposé au premier doigt supérieur 208. Le troisième doigt inférieur 248 est situé au-dessous du troisième doigt supérieur 246. De manière analogue, le condensateur magnétique 200 peut être développé en outre selon le même motif, tous les doigts de la première structure métallique magnétique conductrice 202 étant connectés électriquement les uns aux autres. Tous les doigts de la seconde structure métallique magnétique conductrice 204 sont connectés électriquement les uns aux autres.
Dans le but d'illustrer ceci pour les deux condensateurs plans ayant la même dimension, à savoir le condensateur 100 et le condensateur 200, le condensateur 200 introduit plus de capacité que le condensateur 100. On suppose que le premier doigt supérieur 208 a une dimension de 2 x 2 (largeur = 2 unités, profondeur = 2 unités) et que chaque doigt dans le condensateur 200 a la même dimension. Par conséquent, la première capacité 238 est proportionnelle à 4 unités2 et toutes les autres capacités (capacités 240, 242, 244, etc.) ont des valeurs de 4 unités2. Ainsi, dans la Figure 2, en supposant que la distance entre les doigts est également de 2 unités, un total de 13 capacités de 4 unités2 sont introduites dans un condensateur magnétique 200 de 18 unités de largeur et de 2 unités de profondeur. La somme des 13 capacités est égale à 52 unités' de capacité totale. Si l'on compare ce résultat avec les 36 unités' de capacité dans le condensateur plan 100 représenté sur la Figure 1, on constate que la capacité dans le condensateur magnétique 200 est presque 1,5 fois la capacité dans le condensateur 100, c'est-à-dire une augmentation de presque 50 %. De plus, plus de matériau diélectrique est disponible et la constante diélectrique de celui-ci est également augmentée de l'ordre de l'amplitude due à l'effet magnétique pour le stockage d'énergie puisque des structures métalliques magnétiques sont utilisées dans le condensateur proposé. Par conséquent, la capacité du condensateur magnétique plan peut être augmentée en raison de l'effet magnétique ou effet dit de Capacité Magnétique Colossale . De plus, la capacité du condensateur magnétique plan peut être calculée à l'aide de l'équation (a) comme suit : C eoekecmcA (a) r dans laquelle ecMc est le coefficient dû à l'effet de Capacité Magnétique Colossale. Si l'on se réfère à la Figure 3, qui représente un condensateur magnétique plan selon un mode de réalisation préféré de cette invention, on peut voir que le premier doigt supérieur 208, le troisième doigt supérieur 246 et les doigts supérieurs configurés de manière analogue 256 sont situés sur le plan supérieur 212. Le premier doigt inférieur 210 et les doigts inférieurs configurés de manière analogue 258 sont situés sur le plan inférieur 214.
Les doigts de la première structure métallique magnétique conductrice sur le plan supérieur 212 sont connectés électriquement par l'intermédiaire d'une bande conductrice 260 comme mentionné précédemment. Les doigts de la première structure métallique magnétique conductrice sur le plan inférieur 214 sont connectés de manière électrique par l'intermédiaire d'une bande conductrice 216. A partir de la vue de dessus du condensateur magnétique de la Figure 3, on constate que les doigts sur le plan supérieur 212 peuvent être connectés électriquement aux doigts sur le plan inférieur 214 par l'intermédiaire d'une interconnexion courte 262 sur l'une des extrémités de la première structure métallique magnétique conductrice 202. De plus, les flèches représentées sur la Figure 3 indiquent également la polarisation magnétique. Selon le mode de réalisation décrit ci-dessus de la présente invention, plus de capacité est introduite à l'intérieur du même volume de matériaux par rapport à des condensateurs plans classiques. Non seulement la capacité est augmentée, mais encore moins de matériau conducteur est requis puisque les doigts introduisent une capacité avec les doigts adjacents sur des plans différents, tandis que les condensateurs plans classiques introduisent seulement une capacité entre les plans. Ainsi, plus de matériau diélectrique est utilisé. Par conséquent, le condensateur magnétique divulgué aura un poids plus léger. Par ailleurs, si la capacité n'a pas besoin d'être augmentée, le volume du condensateur peut être réduit à l'aide de la structure selon la présente invention, pour obtenir la même capacité que dans un condensateur plan classique. Egalement, le condensateur selon la présente invention peut être développé dans de multiples plans à l'aide de la même géométrie structurelle. A partir du mode de réalisation ci-dessus, un motif structurel peut être observé. Le motif structurel comprend deux premières électrodes de colonne localisées au niveau de cotés opposés et sur des plans différents et deux deuxièmes électrodes de colonne situées sur les coins restants des différents plans. Par exemple, si les premières électrodes sont situées au coin droit d'un premier plan et au coin gauche d'un deuxième plan, alors les deuxièmes électrodes sont situées au coin gauche du premier plan et au coin droit du deuxième plan. Une couche diélectrique est située entre les électrodes pour former des capacités.
Selon le motif structurel mentionné ci-dessus, un troisième plan peut être ajouté au-dessous du deuxième plan pour développer le condensateur. Une troisième électrode de colonne et une quatrième électrode de colonne sont situées sur le troisième plan pour former des capacités supplémentaires les unes avec les autres et avec les électrodes dans le deuxième plan. Selon les modes de réalisation qui précèdent, le matériau semi-conducteur peut être entouré de couches magnétiques pour obtenir une capacité magnétique colossale dans laquelle la constante diélectrique du matériau s'élève jusqu'à 109. De plus, le condensateur magnétique peut être prévu pour réduire le poids, le volume et le coût, et être un condensateur à forte valeur. Il apparaîtra à l'homme du métier que différentes modifications et variantes peuvent être apportées à la structure de la présente invention sans s'écarter du cadre ou de l'esprit de l'invention. Au vu de ce qui précède, il est souhaité que la présente invention couvre les modifications et variantes de cette invention à la condition qu'elles se situent à l'intérieur de la portée des revendications suivantes et de leurs équivalents.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1 - Condensateur magnétique plan (Mcap), caractérisé par le fait qu'il comprend : un premier métal magnétique conducteur ayant un premier doigt supérieur (208) situé sur un plan supérieur (212) et un premier doigt inférieur (210) situé sur un plan inférieur (214), le premier doigt supérieur (208) étant connecté électriquement au premier doigt inférieur (210) ; un second métal magnétique conducteur ayant un deuxième doigt supérieur (218) et un deuxième doigt inférieur (220) connectés électriquement l'un avec l'autre, le deuxième doigt supérieur (218) étant situé sur le plan supérieur (212) de telle sorte que le deuxième doigt supérieur (218) est à côté du premier doigt supérieur (208) pour former une première interface (226) et au-dessus du premier doigt inférieur (210) pour former une deuxième interface (232), le deuxième doigt inférieur (220) étant situé sur le plan inférieur (214) de telle sorte que le deuxième doigt inférieur (220) est à côté du premier doigt inférieur (210) pour former une troisième interface (234) et au-dessous du premier doigt supérieur (208) pour former une quatrième interface (236) ; et un matériau diélectrique (206) situé dans la première interface (226), la deuxième interface (232), la troisième interface (234) et la quatrième interface (236).
  2. 2 - Condensateur magnétique plan selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le premier doigt supérieur (208), le deuxième doigt supérieur (218),le premier doigt inférieur (210) et le deuxième doigt inférieur (220) sont des lignes métalliques magnétiques.
  3. 3 - Condensateur magnétique plan selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première interface (226), la deuxième interface (232), la troisième interface (234) et la quatrième interface (236) introduisent respectivement une première capacité (238), une deuxième capacité (240), une troisième capacité (242) et une quatrième capacité (244) lorsque le premier métal magnétique conducteur et le second métal magnétique conducteur sont polarisés électriquement, avec une polarisation magnétique.
  4. 4 - Condensateur magnétique plan selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la première capacité (238), la deuxième capacité (240), la troisième capacité (242) et la quatrième capacité (244) s'ajoutent en une capacité totale.
  5. 5 - Condensateur magnétique plan selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le premier métal magnétique conducteur comprend en outre un troisième doigt supérieur (246) connecté électriquement au premier doigt inférieur (208) et situé sur le plan supérieur (212) de telle sorte que le troisième doigt supérieur (246) est à côté du deuxième doigt supérieur (218) sur le côté opposé du premier doigt supérieur (208), formant ainsi une cinquième interface.
  6. 6 - Condensateur magnétique plan selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la cinquième interface introduit une cinquième capacité.
  7. 7 - Condensateur magnétique plan selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le second matériau conducteur comprend en outre un troisième doigt inférieur (248) connecté électriquement au deuxième doigtsupérieur (218) et situé sur le plan inférieur (214) de telle sorte que le troisième doigt inférieur (248) est au-dessous du troisième doigt supérieur (246) pour former une sixième interface.
  8. 8 - Condensateur magnétique plan selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la sixième interface introduit une sixième capacité.
  9. 9 - Condensateur magnétique plan (Mcap) caractérisé par le fait qu'il comprend : - deux premières électrodes de colonne connectées électriquement l'une avec l'autre et situées respectivement au coin droit d'un premier plan et au coin gauche d'un deuxième plan ; deux deuxièmes électrodes de colonne connectées électriquement l'une avec l'autre et situées respectivement au coin gauche du premier plan et au coin droit du deuxième plan ; et une couche diélectrique située entre les premières électrodes de colonne et les deuxièmes électrodes de colonne, de telle sorte que les premières électrodes de colonne et les deuxièmes électrodes de colonne forment des capacités entre elles.
  10. 10 - Condensateur magnétique plan selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les premières électrodes de colonne ont un premier potentiel électrique et que les deuxièmes électrodes de colonne ont un second potentiel électrique différent du premier potentiel électrique.
  11. 11 - Condensateur magnétique plan selon la 30 revendication 9, caractérisé par le fait que le premier plan est au-dessus du deuxième plan.
  12. 12 - Condensateur magnétique plan selon la revendication 9, comprenant en outre :une troisième électrode de colonne située au coin droit d'un troisième plan, de telle sorte que le troisième plan est au-dessous du deuxième plan ; et une quatrième électrode de colonne située au coin 5 gauche du troisième plan.
  13. 13 - Condensateur magnétique plan selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la troisième électrode de colonne a le premier potentiel électrique et que la quatrième électrode de colonne a le second potentiel 10 électrique.
  14. 14 - Condensateur magnétique plan selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la couche diélectrique est située entre la troisième et la quatrième électrode de colonne, la deuxième et la troisième électrode 15 et la première et la quatrième électrode.
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