FR3075753A1 - Dispositif electrique solidarise a un arbre tournant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif électrique (100 ; 400) solidarisé à un arbre tournant (110 ; 430) par rapport à un moyeu (120). Selon l'invention, le dispositif électrique comprend : - des moyens de génération d'énergie électrique par la rotation de l'arbre tournant ; - des moyens (150 ; 460) de stockage d'énergie électrique générée par la rotation de l'arbre tournant. Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le dispositif électrique comprend également des moyens de mesure d'une valeur relative à l'arbre tournant.

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

Le domaine de l’invention est celui de la mesure d’une valeur relative à un arbre tournant.

Plus précisément, l’invention concerne un dispositif électrique solidarisé à un arbre tournant. L’invention trouve notamment des applications dans le domaine des véhicules à propulsion humaine, et en particulier sur une bicyclette à assistance électrique pour adapter l’assistance au couple fourni par un utilisateur de la bicyclette, la bicyclette à assistance électrique pouvant être comprise dans une flotte de bicyclette partagée.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

Il est connu de l’art antérieur des techniques de mesure d’une valeur relative à un arbre tournant, tel qu’un couple de force appliqué aux extrémités de l’arbre. Le couple de force peut induire notamment une torsion de l’arbre et par conséquent une déformation d’une surface de l’arbre tournant.

Il est ainsi connu une technique permettant d’estimer la déformation d’une surface en utilisant les propriétés magnétiques d’un matériau formant l’arbre tournant. L’estimation de la déformation est ainsi effectuée par l’intermédiaire d’une mesure d’un champ magnétique, les lignes de champ étant fonction de la déformation de l’arbre. L’inconvénient majeur de ces techniques est qu’elles sont complexes à mettre en œuvre car nécessitant à la fois un générateur d’un champ magnétique et un capteur de mesure de ce champ magnétique. L’estimation de la déformation ne permet d’obtenir qu’une valeur moyenne des déformations induites par la torsion de l’arbre et non une valeur de la déformation à la surface de l’arbre où se produit généralement le maximum de la déformation.

Afin d’obtenir une valeur plus précise de la déformation, il est connu des techniques où une jauge de contrainte est fixée au contact d’une surface en rotation avec l’arbre tournant. Néanmoins, ces techniques nécessitent une alimentation électrique et donc un transfert d’énergie électrique entre la partie fixe et la partie en rotation. Ce transfert d’énergie est par exemple effectué par induction entre deux bobines, l’une solidarisée à l’arbre tournant et l’autre solarisé au moyeu fixe. L’inconvénient majeur de ces techniques est de devoir installer une multitude de fils, notamment à l’intérieur du cadre de la bicyclette afin d’alimenter le dispositif en électricité, rendant l’installation complexe et difficile à mettre en oeuvre sur une bicyclette.

Une solution à ce problème serait de rendre le dispositif de mesure électriquement autonome en ajoutant une pile électrique. L’inconvénient majeur de la pile est qu’elle nécessite des opérations de maintenance régulières pour remplacer la pile usagée par une pile neuve, ce qui est difficilement compatible avec la gestion d’une flotte de bicyclette partagée.

Aucun des systèmes actuels ne permet de répondre simultanément à tous les besoins requis, à savoir de proposer une technique qui soit facile à mettre en oeuvre, peu consommatrice d’énergie et qui permette d’obtenir une valeur précise de la déformation et par conséquent du couple appliqué à l’arbre tournant.

EXPOSÉ DE L’INVENTION

La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique cités ci-dessus. A cet effet, la présente invention vise, selon un premier aspect, un dispositif électrique solidarisé à un arbre tournant par rapport à un moyeu.

Selon l’invention, le dispositif électrique comprend : des moyens de génération d’énergie électrique lors de la rotation de l’arbre tournant ; des moyens de stockage d’énergie électrique générée lors de la rotation de l’arbre tournant.

Ainsi, le dispositif électrique est autonome en énergie et ne nécessite pas l’installation d’un système d’alimentation complexe. En outre, les opérations de maintenance du dispositif électrique sont réduites car les moyens de stockage d’énergie sont rechargeables et stockent l’énergie générée lors de la rotation de l’arbre tournant.

Le dispositif électrique peut avantageusement comprendre de l’électronique de puissance permettant d’adapter les tensions et courants générés, tels que des redresseurs de tension commandés ou des régulateurs de courant.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, les moyens de génération d’énergie électrique comprennent au moins une bobine coopérant avec au moins un aimant permanent solidarisé au moyeu.

Ainsi, le passage de la bobine devant l’aimant génère à chaque rotation un courant électrique qui est stockée dans les moyens de stockage d’énergie électrique.

Avantageusement, le nombre de bobine et le nombre d’aimants sont configurés afin de permettre de générer au moins l’énergie électrique consommée pendant la rotation de l’arbre tournant.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, les moyens de stockage d’énergie comprennent une micro-batterie ou un supercondensateur.

Les moyens de stockage d’énergie peuvent avantageusement être configurés afin d’alimenter le dispositif électrique pendant une période prédéterminée.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif électrique comprend des moyens de détermination d’une orientation par rapport au moyeu. L’orientation déterminée est notamment une orientation angulaire par rapport à un axe de référence du moyeu, par exemple l’angle de l’arbre tournant, d’un pédalier, d’une manivelle ou de tout élément solidarisé à l’arbre tournant, par rapport au moyeu.

Avantageusement, lorsqu’une pluralité d’aimant est solidarisée au moyeu, au moins un aimant présente une aimantation distincte des autres aimants permanents. Préférentiellement, chaque aimant présente une aimantation distincte.

Il convient de souligner que les aimants et les bobines peuvent être avantageusement utilisés pour entraîner en rotation l’arbre par rapport au moyeu.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif électrique comprend des moyens de mesure d’une valeur relative à l’arbre tournant.

Ainsi, le dispositif, autonome en énergie, peut avantageusement être installé directement sur l’arbre tournant, afin par exemple qu’une mesure puisse être effectuée au plus près d’une surface de l’arbre tournant.

En d’autres termes, le dispositif électrique est un dispositif de mesure d’une valeur relative à un arbre tournant.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, les moyens de mesure d’une valeur comprennent un capteur mesurant une déformation à la surface de l’arbre tournant, tel qu’une jauge de contrainte.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif comprend également des moyens de transmission d’un signal à un récepteur distant.

Ainsi, il est possible de transmettre les valeurs mesurées depuis l’arbre tournant vers un élément solidarisé au moyeu. Cet élément est notamment à distance de l’émetteur, dans la portée de celui-ci.

Les moyens de transmission d’un signal peuvent par exemple comprendre une antenne au format Bluetooth (marque déposée) à basse consommation énergétique, également connu sous le terme anglais « Bluetooth Low Energy ».

En d’autres termes, les moyens de transmission d’un signal comprennent des moyens d’émission d’un signal.

Il convient de souligner que grâce à la présence des moyens de stockage d’énergie, une valeur de la déformation, et donc du couple, peut être mesurée et transmise par les moyens de transmission d’un signal au cours d’une période après l’arrêt de la génération d’énergie.

Lorsque la quantité d’énergie stockée par les moyens de stockage d’énergie est nulle ou quasiment nulle, le dispositif électrique n’est plus alimenté. Ce cas correspond à une coupure totale du dispositif électrique qui se remet en marche lorsque de l’énergie est à nouveau générée.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, une valeur est mesurée et transmise par les moyens de transmission d’un signal lorsque l’énergie générée est non nulle ou supérieure à un seuil prédéterminé.

Ainsi, le dispositif réduit sa consommation d’énergie en transmettant les mesures uniquement lorsque de l’énergie électrique est générée, c’est-à-dire lorsque l’arbre est en rotation. L’émission d’un signal peut également être conditionnée avec la valeur de l’énergie stockée, l’émission étant effectuée lorsque l’énergie stockée est supérieure à un seuil prédéterminé.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, l’alimentation des moyens de mesure et/ou l’alimentation des moyens de transmission sont suspendues si l’énergie générée est nulle ou inférieure à un seuil prédéterminé, après une période prédéterminée après l’arrêt de la génération d’énergie.

Ainsi, le dispositif peut réduire sa consommation électrique au minimum en n’alimentant par exemple qu’un microprocesseur ou un microcontrôleur gérant au moins un organe du dispositif électrique.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, l’alimentation des moyens de mesure et/ou l’alimentation des moyens de transmission sont suspendues si l’énergie générée est nulle ou inférieure à un seuil, et si la quantité d’énergie stockée est inférieure à un seuil prédéterminé.

Ainsi, le dispositif peut être avantageusement mis en veille en conservant une énergie stockée pouvant être utilisé au moment du redémarrage de la rotation de l’arbre.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif comprend un accéléromètre.

Ainsi, l’accéléromètre peut être utilisé pour détecter un mouvement tel que la rotation de l’arbre, afin de commander par exemple la transmission d’une mesure.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif comprend un dispositif de détection du courant généré par les moyens de génération d’énergie électrique.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif comprend également une mémoire informatique enregistrant des valeurs mesurées par les moyens de mesure.

Ainsi, les valeurs mesurées peuvent être enregistrées, avant d’être transmises.

Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un véhicule à propulsion humaine comprenant un dispositif électrique selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.

Un véhicule à propulsion humaine peut être par exemple une bicyclette, également appelée vélo, un tricycle, une trottinette, une voiture à pédale, un pédalo, etc. Généralement, la propulsion humaine est assurée par un dispositif de pédalage utilisé par un individu, le dispositif de pédalage comprenant généralement deux manivelles entraînant l’arbre de pédalier en rotation.

Dans des modes réalisation particuliers de l’invention, le véhicule comprend également un dispositif d’assistance électrique au pédalage générant un couple dont la force est fonction de la déformation mesurée par un dispositif électrique selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier des dispositifs objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente une vue du dispositif électrique selon l’invention installé sur une bicyclette ; - la figure 2 est une vue en coupe du pédalier de la bicyclette de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de face du pédalier de la bicyclette de la figure 1 ; - la figure 4 illustre un autre mode de réalisation du dispositif électrique selon l’invention.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DE L’INVENTION

La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.

On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l’échelle.

Exemple d’un mode de réalisation particulier de l’invention La figure 1 illustre un dispositif électrique 100 selon l’invention, permettant de mesurer une valeur relative à un arbre 110 tournant par rapport à un moyeu 120 fixe. L’arbre 110 est dans le présent exemple non limitatif de l’invention, un arbre d’un pédalier 115 comprenant deux manivelles 116 fixées à chaque extrémité de l’arbre 110, symétriquement par rapport à l’axe de rotation l’arbre 110, une des manivelles 116 étant associée à un plateau 117 muni de dents entraînant une chaîne 119 de transmission de la rotation à une roue 118 d’une bicyclette 122, la roue 118 correspondant dans le présent exemple non limitatif de l’invention à la roue arrière de la bicyclette 122.

Le moyeu 120 est formé dans le présent exemple non limitatif de l’invention par un tube ouvert d’un cadre 121 de la bicyclette 122.

Lorsqu’un individu (non représenté sur la figure) utilise la bicyclette 122 en pédalant, l’individu applique un couple de force en appuyant sur des pédales (non représentées sur la figure) pivotant chacune autour d’un axe fixé perpendiculairement à une des manivelles 116. Le couple de force appliqué entraîne des contraintes mécaniques sur le pédalier, et notamment une torsion de l’arbre 110.

Le couple de force nécessaire pour avancer à vitesse constante augmente par exemple avec l’inclinaison de la route sur laquelle circule la bicyclette 122.

La bicyclette 122 comprend un dispositif 125 d’assistance au pédalage commandant par exemple l’application d’un couple de rotation supplémentaire à la roue arrière 118, à un moteur électrique 126 associé au moyeu de la roue arrière 118.

La figure 2 illustre une vue en coupe du pédalier 115 auquel est solidarisé le dispositif électrique 100.

Afin de pouvoir adapter l’assistance du dispositif 125 au plus proche du couple appliqué par l’individu, le dispositif électrique 100 comprend dans le présent exemple non limitatif de l’invention, une jauge de contrainte 140, également appelée jauge de déformation, permettant de mesurer une déformation d’une surface 130 solidarisée à l’arbre 110 et parallèle à l’axe de rotation de l’arbre 110. Dans des variantes de réalisation de ce mode particulier de l’invention, la mesure de la déformation peut être effectuée sur une surface d’un élément entraînant l’arbre en rotation, comme une des manivelles 116 ou le pédalier 115.

La jauge de contrainte 140 comprend dans le présent exemple un pont de Wheatstone améliorant la précision de la mesure de la déformation et par conséquent la détermination du couple de force appliqué par l’individu.

Il convient de souligner que la jauge de contrainte 140 donne une valeur correspondant à la déformation mesurée dès lors qu’elle est alimentée en courant électrique.

La jauge de contrainte 140 est connectée à une carte PCB 145 comprise dans le dispositif électrique 100 et incluant un microprocesseur traitant les signaux de la jauge de contrainte 140. La carte PCB 145 peut également avantageusement comprendre une mémoire informatique (non représentée sur la figure) afin de stocker des valeurs acquises par la jauge de contrainte, voire de stocker des instructions d’un code informatique de gestion de la carte PCB et/ou de traitement des données acquises par la jauge de contrainte 140. L’alimentation électrique de la jauge de contrainte 140 et de la carte PCB 145 est effectuée par l’intermédiaire de moyens de stockage d’énergie 150, tels qu’une micro-batterie ou un supercondensateur, compris dans le dispositif électrique 100. Une valeur typique de la capacité de la micro-batterie ou du supercondensateur est de l’ordre de quelques mWh, par exemple entre trois et cinq mWh.

Comme illustré en figure 3 qui présente une vue de face du pédalier 115, du côté du moyeu 120, la carte PCB 145 s’étend sur la surface du pédalier 115 en formant un arc de cercle, et comprend quatre bobines 160 à une distance d de l’axe de rotation de l’arbre 110. Les bobines 160 sont dans le présent exemple non limitatif de l’invention espacées régulièrement le long de l’arc de cercle. Les bobines 160 peuvent également être espacées le long de tout ou partie du cercle, régulièrement ou non.

Les bobines 160 coopèrent avec au moins un aimant 165 fixé au cadre 121 à proximité du moyeu 120, comme illustré en figure 2. Dans le cas où plusieurs aimants sont fixés au cadre 121, les aimants peuvent être avantageusement espacés régulièrement à la même distance de l'axe de rotation de l’arbre 110 que les bobines 160.

Le nombre et l’espacement des bobines 160 et des aimants 165 sont avantageusement configurés afin de permettre de générer au cours d’une rotation, une quantité d’électricité égale ou supérieure à la consommation électrique du dispositif électrique 100.

Afin de communiquer la ou les valeur(s) mesurée(s) qui peuvent avoir été avantageusement stockée (s) au préalable dans la mémoire informatique de la carte PCB 145, le dispositif électrique 100 comprend une antenne 170 de type Bluetooth® Low Energy envoyant un signal à un récepteur 175 inclus dans le dispositif 125 d’assistance.

Il convient de souligner que le dispositif 125 d’assistance au pédalage est à distance du pédalier 115, à portée suffisante de l’antenne 170.

Le dispositif électrique 100 est avantageusement économe en énergie et peut continuer à fonctionner même si aucun courant n’est généré, notamment pendant une période où l’arbre 110 est immobile, voire faiblement en rotation, correspondant généralement à une période où la bicyclette 122 est immobile. Cette période dite de « subsistance » est généralement de l’ordre d’une ou quelques minutes afin de pallier à une génération nulle de courant par exemple pendant un arrêt à un feu rouge. Au cours de cette période de « subsistance », le dispositif électrique 100 continue à alimenter la jauge de contrainte 140 afin de connaître le couple de force appliqué par l’individu. Cette alimentation peut être effectuée de manière continue ou à intervalles réguliers. La ou les valeur(s) obtenue(s) sont également transmises à intervalles réguliers ou en continu au cours de cette période de « subsistance ».

Il convient de souligner qu’un couple peut être appliqué par l’individu sur les manivelles 116 du pédalier 115 même si le pédalier 115 n’est pas en mouvement. Ceci est notamment le cas lorsque la bicyclette 122 est à l’arrêt et que l’individu appuie sur les pédales en vue de redémarrer.

Dans des variantes de ce mode de réalisation particulier de l’invention, la transmission de la mesure est interrompue pendant la période de « subsistance » afin d’économiser l’énergie consommée.

La transmission de la mesure du couple est reprise dès le redémarrage de la rotation du pédalier 115, correspondant au moment où l’énergie électrique est à nouveau générée, afin que le dispositif 125 d’assistance puisse adapter son couple dès le redémarrage du pédalage.

Il convient de souligner que ce fonctionnement est purement passif, c’est-à-dire ne nécessitant pas de détection d’un mouvement ou d’un courant.

Si la période de « subsistance » est passée, au cours de laquelle aucune énergie électrique n’est générée par rotation du pédalier 115, le dispositif électrique 100 n’ayant plus d’énergie stockée, ne peut plus mesurer le couple fourni par l’individu. Le dispositif 100 n’étant plus alimenté en énergie, n’est plus fonctionnel jusqu’à la reprise de la génération d’un courant par une rotation de l’arbre 110.

Il peut également être choisi de couper l’alimentation de la jauge de contrainte 140 après un période prédéterminée, par exemple après une période de quarante-cinq secondes, ou de quatre-vingt-dix secondes, afin de mettre le dispositif 100 en veille. Dans ce cas de veille, aucune transmission du signal n’est effectué. Seul le microprocesseur continue à être alimenté afin de permettre un redémarrage instantané de la mesure et de sa transmission lorsque le pédalier 150 est remis en rotation.

Dans des variantes de ce mode de réalisation particulier de l’invention, le dispositif électrique 100 comprend un accéléromètre permettant de détecter un mouvement du pédalier, telle que la rotation, voire de détecter un mouvement de la bicyclette.

Dans des variantes de ce mode de réalisation particulier de l’invention, le dispositif électrique 100 comprend un détecteur d’un courant généré, par exemple par l’intermédiaire d’une tension ou d’une intensité.

Grâce aux bobines 160 et au(x) aimant(s) 165, le dispositif électrique 100 peut également déduire la position angulaire du pédalier 115 par rapport au cadre 121, notamment afin de déterminer l’orientation angulaire des manivelles 116. A cet effet, la connaissance des positions relatives des bobines 160 et du ou des aimants 165 peut être nécessaire.

Dans le cas d’une pluralité aimants 165, chaque aimant 165 peut avoir avantageusement une aimantation distincte afin de faciliter la détermination de l’orientation angulaire des manivelles 116.

Le dispositif électrique 100 peut également avantageusement entraîner une rotation du pédalier 115 afin notamment d’orienter les manivelles 116, par exemple verticalement. A cet effet, l’énergie stockée dans les moyens de stockage d’énergie 150 est utilisée pour alimenter tout ou partie des bobines 160 afin de créer un champ magnétique coopérant avec le ou les aimant(s) 165 dans le but d’engendrer la rotation du pédalier 115.

Autre exemple de mode de réalisation de l’invention

La figure 4 illustre un dispositif électrique 400 installé sur un pédalier 410 d’une bicyclette 420 comprenant un cadre 425.

La figure 4 comprend également une vue de détail du pédalier 410. Le dispositif électrique 400 comprend des moyens de génération d’énergie électrique lors de la rotation du pédalier 410. Ces moyens de génération d’énergie comprennent notamment quatre bobines 440 coopérant avec deux aimants 450 fixés au cadre 425 de la bicyclette 420.

Il convient de souligner que les bobines 440 et les aimants 450 sont placés à une distance constante de l’axe 430 de rotation du pédalier 410.

Les bobines 440 sont espacées chacune d’un quart de cercle, tandis que les aimants 450 sont diamétralement opposés. L’énergie générée au cours de la rotation est stockée dans des moyens de stockage d’énergie 460 tel qu’une micro-batterie ou une supercapacité.

Le dispositif électrique 400 comprend également avantageusement une carte PCB 470 incluant un microcontrôleur 475 afin de gérer l’énergie stockée, la carte PCB permettant également de relier les bobines 440.

Grâce aux bobines 440 et aux aimants 450, le microcontrôleur 475 du dispositif électrique 400 peut avantageusement déduire la position angulaire du pédalier 410 par rapport au cadre 425, notamment afin de déterminer l’orientation angulaire d’une manivelle associée au pédalier 410.

Le microcontrôleur 475 du dispositif électrique 400 peut également avantageusement entraîner une rotation du pédalier 410 en utilisant l’énergie stockée dans les moyens de stockage d’énergie 460 pour alimenter tout ou partie des bobines 440 afin de créer un champ magnétique coopérant les aimants 450 dans le but d’engendrer la rotation du pédalier 410.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif électrique (100 ; 400) solidarisé à un arbre (110 ; 430) tournant par rapport à un moyeu (120), caractérisé en ce que le dispositif électrique comprend : - des moyens de génération d’énergie électrique par la rotation de l’arbre tournant ; - des moyens (150; 460) de stockage d’énergie électrique générée par la rotation de l’arbre tournant.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de génération d’énergie électrique comprennent au moins une bobine (160 ; 440) coopérant avec au moins un aimant (165 ; 450) permanent solidarisé au moyeu.
3. 3. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, comprenant des moyens de détermination d’une orientation par rapport au moyeu.
4. 4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, lorsqu’une pluralité d’aimant est solidarisée au moyeu, au moins un aimant présente une aimantation distincte des autres aimants permanents.
5. 5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant des moyens de mesure d’une valeur relative à l’arbre tournant.
6. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les moyens de mesure comprennent un capteur (140) mesurant une déformation d’une surface, tel qu’une jauge de contrainte.
7. 7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant également des moyens de transmission (170) d’un signal à un récepteur (175) distant.
8. 8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant également un accéléromètre.
9. 9. Véhicule (122 ; 420) à propulsion humaine comprenant un dispositif électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
10. 10. Véhicule selon la revendication 9, comprenant également un dispositif (125) d’assistance électrique au pédalage générant un couple dont la force est fonction de la déformation mesurée par un dispositif électrique selon l’une quelconque des revendications 5 à 8.