FR3120990A1 - MAGNETO-ELECTRIC CONVERTER AND ELECTRICITY GENERATOR COMPRISING SAID CONVERTER - Google Patents
MAGNETO-ELECTRIC CONVERTER AND ELECTRICITY GENERATOR COMPRISING SAID CONVERTER Download PDFInfo
- Publication number
- FR3120990A1 FR3120990A1 FR2102796A FR2102796A FR3120990A1 FR 3120990 A1 FR3120990 A1 FR 3120990A1 FR 2102796 A FR2102796 A FR 2102796A FR 2102796 A FR2102796 A FR 2102796A FR 3120990 A1 FR3120990 A1 FR 3120990A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- layer
- magneto
- reference plane
- converter
- electric converter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005611 electricity Effects 0.000 title claims description 27
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 89
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 61
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims abstract description 31
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 19
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 17
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 229910001329 Terfenol-D Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- QVYYOKWPCQYKEY-UHFFFAOYSA-N [Fe].[Co] Chemical compound [Fe].[Co] QVYYOKWPCQYKEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 3
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 3
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims description 3
- UGKDIUIOSMUOAW-UHFFFAOYSA-N iron nickel Chemical compound [Fe].[Ni] UGKDIUIOSMUOAW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- JSUSQWYDLONJAX-UHFFFAOYSA-N iron terbium Chemical compound [Fe].[Tb] JSUSQWYDLONJAX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 3
- NFCWKPUNMWPHLM-UHFFFAOYSA-N [Si].[B].[Fe] Chemical compound [Si].[B].[Fe] NFCWKPUNMWPHLM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 5
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 5
- BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 1,1-Difluoroethene Chemical compound FC(F)=C BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 2
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020215 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3PbTiO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N barium titanate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[O-][Ti]([O-])([O-])[O-] JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000002889 diamagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002907 paramagnetic material Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N35/00—Magnetostrictive devices
Abstract
L’invention concerne un convertisseur magnéto-électrique (100), apte à convertir une variation d’un champ magnétique (B) en une différence de potentiel entre deux bornes électriques, incluant :- un empilement (10) présentant une face supérieure et une face inférieure, parallèles à un plan de référence (x,y), et comprenant une première couche en matériau piézoélectrique solidaire d’une deuxième couche en matériau magnétostrictif, les première et deuxième couches s’étendant parallèlement au plan de référence (x,y) et présentant respectivement un axe de polarisation (P) et un axe principal d’aimantation (A) normaux au plan de référence (x,y), la première couche étant munie de deux électrodes métalliques connectées aux deux bornes électriques, - une cage (20) comprenant deux parois de blocage respectivement en contact, sans degré de liberté, avec la face supérieure et la face inférieure de l’empilement (10). L’invention concerne également un générateur 150 comprenant ledit convertisseur 100 et au moins une source magnétique 50. Figure 6The invention relates to a magneto-electric converter (100), capable of converting a variation of a magnetic field (B) into a potential difference between two electrical terminals, including:- a stack (10) having an upper face and a lower face, parallel to a reference plane (x,y), and comprising a first layer of piezoelectric material integral with a second layer of magnetostrictive material, the first and second layers extending parallel to the reference plane (x,y ) and having respectively a polarization axis (P) and a main axis of magnetization (A) normal to the reference plane (x,y), the first layer being provided with two metal electrodes connected to the two electrical terminals, - a cage (20) comprising two blocking walls respectively in contact, without degree of freedom, with the upper face and the lower face of the stack (10). The invention also relates to a generator 150 comprising said converter 100 and at least one magnetic source 50. Figure 6
Description
DOMAINE DE L’INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
La présente invention concerne le domaine des dispositifs pour la récupération d’énergie. Elle concerne en particulier un convertisseur apte à convertir une variation d’énergie magnétique en une différence de potentiel. Le convertisseur magnéto-électrique comprend un empilement de couches de matériaux magnétostrictif et piézoélectrique. L’invention concerne également un générateur d’électricité comprenant ledit convertisseur.The present invention relates to the field of devices for energy harvesting. It relates in particular to a converter capable of converting a variation of magnetic energy into a potential difference. The magneto-electric converter comprises a stack of layers of magnetostrictive and piezoelectric materials. The invention also relates to an electricity generator comprising said converter.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTIONTECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION
La combinaison d’un matériau magnétostrictif et d’un matériau piézoélectrique est particulièrement avantageuse pour la réalisation de convertisseurs magnéto-électriques intégrables dans des générateurs électriques.The combination of a magnetostrictive material and a piezoelectric material is particularly advantageous for the production of magneto-electric converters that can be integrated into electric generators.
On connaît notamment du document WO2015/059421 ou encore de l’article de T.Lafont et al (« Magnetostrictive-piezoelectric composite structures for energy harvesting », Journal of Micromechanics and Microengineering, n°22, 2012), des générateurs d’électricité comportant une source de champ magnétique dont les lignes de champ sont parallèles à un plan de référence, et un convertisseur magnéto-électrique apte à convertir une variation du champ magnétique en une différence de potentiel entre deux bornes électriques. Le convertisseur est composé d’une part, d’un transducteur électromécanique comprenant une couche piézoélectrique apte à transformer une déformation mécanique en une différence de potentiel entre deux bornes électriques reliées à ses électrodes. Le convertisseur est composé d’autre part d’une couche magnétostrictive fixée selon le plan de référence et sans degré de liberté au transducteur électromécanique, apte à convertir une variation du champ magnétique en une déformation mécanique, exercée sur le transducteur électromécanique.We know in particular from document WO2015/059421 or from the article by T.Lafont et al (“Magnetostrictive-piezoelectric composite structures for energy harvesting”, Journal of Micromechanics and Microengineering, n°22, 2012), electricity generators comprising a magnetic field source whose field lines are parallel to a reference plane, and a magneto-electric converter able to convert a variation of the magnetic field into a potential difference between two electrical terminals. The converter is composed on the one hand, of an electromechanical transducer comprising a piezoelectric layer capable of transforming a mechanical deformation into a potential difference between two electrical terminals connected to its electrodes. The converter is also composed of a magnetostrictive layer fixed according to the reference plane and without degree of freedom to the electromechanical transducer, capable of converting a variation of the magnetic field into a mechanical deformation, exerted on the electromechanical transducer.
Pour permettre l’intégration de générateurs d’électricité dans des systèmes de plus en plus miniaturisés et toucher une vaste gamme d’applications, il est attendu un faible encombrement desdits générateurs : une configuration efficace et compacte a été proposée par la demanderesse dans les documents WO2017/178772 et WO2017/178773.To allow the integration of electricity generators in increasingly miniaturized systems and reach a wide range of applications, it is expected that said generators will take up little space: an efficient and compact configuration has been proposed by the applicant in the documents WO2017/178772 and WO2017/178773.
Ainsi, de nombreux objets connectés peuvent être rendus autonomes en énergie en intégrant ces générateurs d’électricité qui utilisent l’énergie de sources de mouvement (par exemple, rotation ou translation) présentes dans l’environnement, pour produire l’électricité.Thus, many connected objects can be made self-sufficient in energy by integrating these electricity generators which use the energy of sources of movement (for example, rotation or translation) present in the environment, to produce electricity.
Mais il subsiste toujours un besoin de simplifier l’élaboration des convertisseurs magnéto-électriques et des générateurs d’électricité associés, pour favoriser leur déploiement dans des domaines toujours plus variés dans le secteur de l’habitat ou le secteur industriel, faisant notamment appel à l’IOT (Internet des Objets). La fiabilité (augmentation de la durée de vie, notamment), l’efficacité de conversion et la compacité du générateur restent par ailleurs des points à améliorer continuellement.However, there is still a need to simplify the development of magneto-electric converters and associated electricity generators, to promote their deployment in ever more varied fields in the housing sector or the industrial sector, calling in particular on IOT (Internet of Things). The reliability (increased service life, in particular), the conversion efficiency and the compactness of the generator also remain areas for continuous improvement.
OBJET DE L’INVENTIONOBJECT OF THE INVENTION
La présente invention propose un convertisseur magnéto-électrique comprenant au moins une couche de matériau piézoélectrique et une couche de matériau magnétostrictif ; les axes respectivement de polarisation et d’aimantation de ces couches s’étendent perpendiculairement au plan principal des couches ou plan de référence. Le convertisseur magnéto-électrique est enserré, sans degré de liberté selon un axe normal au plan de référence, dans une cage ; cette dernière permet l’application de contraintes sur la couche piézoélectrique, du fait de l’expansion ou de la contraction de la couche magnétostrictive selon l’axe normal au plan de référence. L’invention propose également un générateur d’électricité basé sur le convertisseur précité.The present invention proposes a magnetoelectric converter comprising at least one layer of piezoelectric material and one layer of magnetostrictive material; the respective axes of polarization and magnetization of these layers extend perpendicularly to the main plane of the layers or reference plane. The magneto-electric converter is clamped, without degree of freedom along an axis normal to the reference plane, in a cage; the latter allows the application of stresses on the piezoelectric layer, due to the expansion or contraction of the magnetostrictive layer along the axis normal to the reference plane. The invention also proposes an electricity generator based on the aforementioned converter.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTIONBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
La présente invention concerne un convertisseur magnéto-électrique, apte à convertir une variation d’un champ magnétique en une différence de potentiel entre deux bornes électriques, incluant :
- un empilement présentant une face supérieure et une face inférieure, parallèles à un plan de référence, et comprenant une première couche en matériau piézoélectrique solidaire d’une deuxième couche en matériau magnétostrictif, la première couche et la deuxième couche s’étendant parallèlement au plan de référence et présentant respectivement un axe de polarisation et un axe principal d’aimantation normaux au plan de référence, la première couche étant munie de deux électrodes métalliques respectivement connectées aux deux bornes électriques du convertisseur ,The present invention relates to a magneto-electric converter, capable of converting a variation of a magnetic field into a potential difference between two electrical terminals, including:
- a stack having an upper face and a lower face, parallel to a reference plane, and comprising a first layer of piezoelectric material secured to a second layer of magnetostrictive material, the first layer and the second layer extending parallel to the plane reference and having respectively a polarization axis and a main axis of magnetization normal to the reference plane, the first layer being provided with two metal electrodes respectively connected to the two electrical terminals of the converter,
- une cage comprenant deux parois de blocage respectivement en contact, sans degré de liberté, avec la face supérieure et la face inférieure de l’empilement.- a cage comprising two blocking walls respectively in contact, without degree of freedom, with the upper face and the lower face of the stack.
Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :According to advantageous characteristics of the invention, taken alone or in any feasible combination:
- la cage est formée en au moins un matériau amagnétique et dont le module d’Young est supérieur à celui du matériau piézoélectrique de la première couche ;the cage is formed from at least one non-magnetic material and whose Young's modulus is greater than that of the piezoelectric material of the first layer;
- le -au moins un- matériau amagnétique de la cage est choisi parmi l’aluminium, l’acier, le cuivre, l’argent, le tungstène, les fibres de verre et de carbone, les ciments à hautes performances, les verres organiques ou minéraux ;the -at least one- amagnetic material of the cage is chosen from aluminum, steel, copper, silver, tungsten, glass and carbon fibers, high performance cements, organic glasses or minerals;
-
chaque électrode de la première couche comprend une pluralité de films métalliques :
- s’étendant parallèlement au plan de référence,
- enterrés à différents étages dans le matériau piézoélectrique,
- et disposés en alternance avec les films métalliques de l’autre électrode ;
- extending parallel to the reference plane,
- buried at different levels in the piezoelectric material,
- and arranged alternately with the metal films of the other electrode;
- les films métalliques de chaque électrode sont connectés ensemble par une colle conductrice s’étendant sur une tranche de la première couche ;the metal films of each electrode are connected together by a conductive glue extending over a slice of the first layer;
- la cage est configurée de sorte que les deux parois de blocage appliquent une précontrainte en compression à l’empilement comprise entre 1 MPa et 100 MPa ;the cage is configured so that the two blocking walls apply a compressive prestress to the stack of between 1 MPa and 100 MPa;
- l’empilement comprend une troisième couche en matériau piézoélectrique s’étendant parallèlement au plan de référence, présentant un axe de polarisation normal au plan de référence et muni de deux électrodes métalliques connectées aux deux bornes électriques, la première et la troisième couche prenant la deuxième couche en sandwich ;the stack comprises a third layer of piezoelectric material extending parallel to the reference plane, having a polarization axis normal to the reference plane and provided with two metal electrodes connected to the two electrical terminals, the first and the third layer taking the second sandwich layer;
- le matériau magnétostrictif est composé de Terfenol-D, de Galfenol, de Terbium Fer, de Fer-Cobalt, de Fer-Nickel ou encore de Fer-Silicium-Bore ;the magnetostrictive material is composed of Terfenol-D, Galfenol, Terbium Iron, Iron-Cobalt, Iron-Nickel or even Iron-Silicon-Boron;
- le matériau piézoélectrique est composé de PZT, de PMN-PT, de PVDF, de BaTiO3 ou encore d’AlN.the piezoelectric material is composed of PZT, PMN-PT, PVDF, BaTiO3 or AlN.
L’invention concerne également un générateur d’électricité comprenant un convertisseur magnéto-électrique tel que précité, et une source magnétique apte à générer un champ magnétique normal au plan de référence, le convertisseur magnéto-électrique et la source magnétique étant aptes à se déplacer en translation ou en rotation l’un par rapport à l’autre, de manière à induire des variations du champ magnétique parallèle à l’axe principal d’aimantation ou des variations d’une composante dudit champ magnétique parallèle à l’axe principal d’aimantation.The invention also relates to an electricity generator comprising a magneto-electric converter as mentioned above, and a magnetic source able to generate a magnetic field normal to the reference plane, the magneto-electric converter and the magnetic source being able to move in translation or in rotation relative to each other, so as to induce variations in the magnetic field parallel to the main axis of magnetization or variations in a component of said magnetic field parallel to the main axis d magnetization.
Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :According to advantageous characteristics of the invention, taken alone or in any feasible combination:
- la source magnétique définit un espace dans lequel règne le champ magnétique, le convertisseur magnéto-électrique étant placé dans ledit espace ;the magnetic source defines a space in which the magnetic field prevails, the magneto-electric converter being placed in said space;
- le générateur d’électricité comprend une deuxième source magnétique apte à générer un champ magnétique orienté dans le plan de référence ;the electricity generator comprises a second magnetic source capable of generating a magnetic field oriented in the reference plane;
- la source magnétique est formée par un cylindre d’Halbach, le convertisseur magnéto-électrique étant placé dans l’espace interne dudit cylindre ;the magnetic source is formed by a Halbach cylinder, the magneto-electric converter being placed in the internal space of said cylinder;
- la source magnétique comprend deux barreaux magnétiques s’étendant selon un axe longitudinal parallèle au plan de référence, disposés en vis-à-vis l’un de l’autre, et définissant entre eux un espace interne dans lequel est placé le convertisseur magnéto-électrique, chaque barreau magnétique formant un réseau d’Halbach configuré pour générer un premier champ magnétique sinusoïdal dans l’espace interne, orienté selon un axe normal au plan de référence.the magnetic source comprises two magnetic bars extending along a longitudinal axis parallel to the reference plane, arranged opposite one another, and defining between them an internal space in which the magneto-converter is placed electric, each magnetic bar forming a Halbach network configured to generate a first sinusoidal magnetic field in the internal space, oriented along an axis normal to the reference plane.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the detailed description which follows with reference to the appended figures in which:
Certaines figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l’échelle. En particulier, les épaisseurs des couches selon l’axe z ne sont pas nécessairement à l’échelle par rapport aux dimensions latérales selon les axes x et y.Some figures are schematic representations which, for the purpose of readability, are not to scale. In particular, the thicknesses of the layers along the z axis are not necessarily to scale with respect to the lateral dimensions along the x and y axes.
Les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même nature.The same references in the figures may be used for elements of the same nature.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation illustrés et/ou détaillés dans la description à suivre) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent éventuellement se combiner entre elles.The different possibilities (variants and embodiments illustrated and/or detailed in the description to follow) must be understood as not being mutually exclusive and may possibly be combined with each other.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTIONDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
L’invention concerne un convertisseur magnéto-électrique 100, apte à convertir une variation d’un champ magnétique B en une différence de potentiel entre deux bornes électriques.The invention relates to a magneto-electric converter 100, capable of converting a variation of a magnetic field B into a potential difference between two electrical terminals.
Comme illustré sur la
Sans que cela soit limitatif, le matériau piézoélectrique de la première couche 1 pourra être choisi parmi le PZT (titano-zirconate de plomb), le PMN-PT (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3), le PVDF (polymère du fluorure de vinylidène), le BaTiO3 (titanate de baryum) ou encore l’AlN (nitrure d’aluminium).Without this being limiting, the piezoelectric material of the first layer 1 may be chosen from PZT (lead titano-zirconate), PMN-PT (Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 ) , PVDF (polymer of vinylidene fluoride), BaTiO3 (barium titanate) or AlN (aluminum nitride).
La première couche 1 est munie de deux électrodes métalliques permettant la collecte des charges électriques lors du fonctionnement du convertisseur 100. Ces électrodes sont respectivement reliées aux deux bornes électriques dudit convertisseur 100.The first layer 1 is provided with two metal electrodes allowing the collection of electric charges during the operation of the converter 100. These electrodes are respectively connected to the two electric terminals of the said converter 100.
Comme cela est visible sur la
Les films métalliques de chaque électrode 1a,1b peuvent être connectés ensemble par une colle conductrice (par exemple époxy) en forme de ruban s’étendant préférentiellement sur une tranche de la première couche 1. Cette configuration d’électrodes 1a,1b est connue sous le nom de « multilayer piezoelectric stack » ou « piezo stack » selon la terminologie anglo-saxonne.The metallic films of each electrode 1a, 1b can be connected together by a conductive adhesive (for example epoxy) in the form of a ribbon preferably extending over a slice of the first layer 1. This configuration of electrodes 1a, 1b is known as the name of "multilayer piezoelectric stack" or "piezo stack" according to the Anglo-Saxon terminology.
Une telle configuration est parfaitement adaptée pour la première couche 1, qui présente un axe de polarisation P normal au plan de référence (x,y), car elle permet une collecte des charges efficace sur toute l’épaisseur (selon l’axe z, parallèle à l’axe de polarisation P) de la première couche 1.Such a configuration is perfectly suited for the first layer 1, which has a polarization axis P normal to the reference plane (x,y), because it allows effective charge collection over the entire thickness (along the z axis, parallel to the axis of polarization P) of the first layer 1.
L’empilement 10 comprend également au moins une couche 2 en matériau magnétostrictif (dite deuxième couche 2), s’étendant parallèlement au plan de référence (x,y) et présentant un axe principal d’aimantation A normal au plan de référence (x,y) (
Le matériau magnétostrictif est choisi pour présenter un coefficient magnétostrictif avantageusement supérieur à 30 ppm. Il peut s’agir de Terfenol cristallin ou fritté, de Galfenol, de Terbium Fer, de Fer-Cobalt, de Fer-Nickel ou encore de Fe-Silicium-Bore (FeSiB) amorphe.The magnetostrictive material is chosen to have a magnetostrictive coefficient advantageously greater than 30 ppm. It can be crystalline or sintered Terfenol, Galfenol, Terbium Iron, Iron-Cobalt, Iron-Nickel or amorphous Fe-Silicon-Boron (FeSiB).
Si l’on prend l’exemple du Terfenol-D (alliage de fer et de terres rares Tb0,3Dy0,7Fe1,9) cristallin, il est d’usage de fabriquer un lingot de ce matériau par fusion de zone verticale (FSZM pour « Free-Stand Zone Melt ») ou par la méthode « Bridgman modifié ». L’axe longitudinal du lingot, qui est l’axe <112>, est l’axe préférentiel d’aimantation (ou de déformation) du matériau. La deuxième couche 2 est issue d’une découpe transversale (c’est-à-dire normale à l’axe longitudinal) du lingot. L’axe principal d’aimantation A correspond ici à l’axe <112> du cristal de Terfenol-D, axe préférentiel de déformation sous un champ magnétique.If we take the example of Terfenol-D (alloy of iron and rare earths Tb 0.3 Dy 0.7 Fe 1.9 ) crystalline, it is customary to manufacture an ingot of this material by melting vertical zone (FSZM for "Free-Stand Zone Melt") or by the "modified Bridgman" method. The longitudinal axis of the ingot, which is the <112> axis, is the preferential magnetization (or deformation) axis of the material. The second layer 2 comes from a transverse cut (that is to say normal to the longitudinal axis) of the ingot. The main axis of magnetization A corresponds here to the axis <112> of the crystal of Terfenol-D, preferential axis of deformation under a magnetic field.
Le fait de mettre à profit la déformation sous champ magnétique du matériau magnétostrictif selon son axe principal d’aimantation est particulièrement avantageux pour maximiser la déformation transmise à la première couche 1, et donc pour maximiser la collecte de charges associée dans le matériau piézoélectrique.The fact of taking advantage of the deformation under magnetic field of the magnetostrictive material along its main axis of magnetization is particularly advantageous for maximizing the deformation transmitted to the first layer 1, and therefore for maximizing the associated charge collection in the piezoelectric material.
Selon une première variante, l’empilement 10 du convertisseur magnéto-électrique 100 comprend donc la première couche 1 et la deuxième couche 2, telles que décrites ci-dessus.According to a first variant, the stack 10 of the magneto-electric converter 100 therefore comprises the first layer 1 and the second layer 2, as described above.
Selon une deuxième variante, l’empilement 10 comprend une autre couche 3 (dite troisième couche 3) en matériau piézoélectrique s’étendant parallèlement au plan de référence (x,y). Cette troisième couche 3 présente un axe de polarisation normal au plan de référence (x,y), colinéaire à l’axe de polarisation P de la première couche 1. La troisième couche 3 est également munie de deux électrodes métalliques connectées aux deux bornes électriques du convertisseur 100. Dans ce mode particulier, la première couche 1 et la troisième couche 3 prennent la deuxième couche 2 en sandwich, comme cela est illustré sur la
Selon une troisième variante, l’empilement 10 comprend une autre couche en matériau magnétostrictif s’étendant parallèlement au plan de référence (x,y), présentant un axe principal d’aimantation normal au plan de référence (x,y). Dans ce mode particulier (non représenté), les couches en matériau magnétostrictif (dont la deuxième couche 2) prennent la première couche 1 en sandwich.According to a third variant, the stack 10 comprises another layer of magnetostrictive material extending parallel to the reference plane (x,y), having a main axis of magnetization normal to the reference plane (x,y). In this particular mode (not shown), the layers of magnetostrictive material (including the second layer 2) sandwich the first layer 1.
D’autres modes de réalisation de l’empilement 10 sont bien sûr envisageables. Selon les caractéristiques de l’empilement 10, sa face supérieure 10a et sa face inférieure 10b pourront, chacune, être formées par une couche en matériau piézoélectrique ou par une couche en matériau magnétostrictif.Other embodiments of the stack 10 are of course possible. Depending on the characteristics of the stack 10, its upper face 10a and its lower face 10b may each be formed by a layer of piezoelectric material or by a layer of magnetostrictive material.
L’empilement 10 peut présenter des dimensions latérales, dans le plan de référence (x,y) comprises entre 0.1 mm et 200 mm, et des formes variées (carrée, circulaire, rectangulaire, polygonale, etc.) dans ce même plan. La (ou les) couche(s) 1,3 en matériau piézoélectrique peuvent présenter une épaisseur, selon l’axe z, comprise entre 1 micron et 100 mm, préférentiellement entre 1 micron et 25 mm, voire entre 1 micron et 10 mm. La (ou les) couches 2 en matériau magnétostrictif peut présenter une épaisseur, selon l’axe z, comprise entre 1 micron et 100 mm, préférentiellement entre 1 micron et 50 mm, voire entre 1 micron à 25 mm. En général, l’épaisseur totale de l’empilement 10 sera comprise entre 10 microns et 200 mm. Préférentiellement, pour limiter son encombrement et s’adapter à des générateurs d’électricité de petites tailles, l’épaisseur totale de l’empilement 10 sera choisie inférieure à 80mm, voire inférieure à 30mm.The stack 10 may have lateral dimensions, in the reference plane (x,y) of between 0.1 mm and 200 mm, and various shapes (square, circular, rectangular, polygonal, etc.) in this same plane. The layer(s) 1,3 of piezoelectric material may have a thickness, along the z axis, of between 1 micron and 100 mm, preferably between 1 micron and 25 mm, or even between 1 micron and 10 mm. The layer(s) 2 of magnetostrictive material may have a thickness, along the z axis, of between 1 micron and 100 mm, preferably between 1 micron and 50 mm, or even between 1 micron and 25 mm. In general, the total thickness of the stack 10 will be between 10 microns and 200 mm. Preferably, to limit its bulk and adapt to small-size electricity generators, the total thickness of the stack 10 will be chosen to be less than 80mm, or even less than 30mm.
Le convertisseur magnéto-électrique 100 selon l’invention comprend en outre une cage 20 comportant deux parois de blocage 21,22 respectivement en contact, sans degré de liberté, avec la face supérieure 10a et la face inférieure 10b de l’empilement 10. En d’autres termes, les surfaces internes des parois de blocage 21,22 sont en appui plan respectivement contre la face supérieure 10a et la face inférieure 10b de l’empilement 10, et empêche tout mouvement ou déplacement de l’empilement 10 selon l’axe z.The magneto-electric converter 100 according to the invention further comprises a cage 20 comprising two blocking walls 21, 22 respectively in contact, without degree of freedom, with the upper face 10a and the lower face 10b of the stack 10. in other words, the internal surfaces of the blocking walls 21, 22 bear flat respectively against the upper face 10a and the lower face 10b of the stack 10, and prevent any movement or displacement of the stack 10 according to the z-axis.
Ainsi, une déformation D selon son axe principal d’aimantation A (parallèle à l’axe z) de la deuxième couche 2 va directement induire une déformation d de la première couche 1 en matériau piézoélectrique selon son axe de polarisation P, ladite première couche 1 n’ayant aucune possibilité de se déplacer selon l’axe z, du fait du maintien ferme des parois de blocage 21,22. Par exemple, si la déformation D correspond à une extension de la deuxième couche 2, la déformation d correspondra à une contraction de la première couche 1 ; inversement, si la déformation D correspond à une contraction de la deuxième couche 2, la déformation d correspondra à une extension de la première couche 1.Thus, a deformation D along its main axis of magnetization A (parallel to the axis z) of the second layer 2 will directly induce a deformation d of the first layer 1 of piezoelectric material along its axis of polarization P, said first layer 1 having no possibility of moving along the z axis, due to the firm hold of the blocking walls 21,22. For example, if the deformation D corresponds to an extension of the second layer 2, the deformation d will correspond to a contraction of the first layer 1; conversely, if the deformation D corresponds to a contraction of the second layer 2, the deformation d will correspond to an extension of the first layer 1.
Préférentiellement, la cage 20 est formée en au moins un matériau amagnétique, pour éviter de perturber le champ magnétique qui sera appliqué au convertisseur 100, lors de son fonctionnement dans un générateur d’électricité. Par matériau amagnétique on entend un matériau ou un composite sans propriétés magnétiques mais également un matériau dont la susceptibilité magnétique est faible ou très faible, donc un matériau paramagnétique ou diamagnétique.Preferably, the cage 20 is formed from at least one non-magnetic material, to avoid disturbing the magnetic field which will be applied to the converter 100, during its operation in an electricity generator. By non-magnetic material is meant a material or a composite without magnetic properties but also a material whose magnetic susceptibility is low or very low, therefore a paramagnetic or diamagnetic material.
A titre d’exemple, le matériau amagnétique peut être choisi parmi l’aluminium, l’acier austénitique, le cuivre, l’argent, le tungstène, et éventuellement les fibres de verre et de carbone, les ciments à hautes performances (E=120 GPa), les verres organiques (E=90 GPa) ou minéraux.By way of example, the non-magnetic material can be chosen from aluminum, austenitic steel, copper, silver, tungsten, and possibly glass and carbon fibers, high-performance cements (E= 120 GPa), organic (E=90 GPa) or mineral glasses.
De manière également préférentielle, le module d’Young du -au moins un- matériau constituant la cage 20 est supérieur à celui du matériau piézoélectrique de la première couche 1 : cela permet une transmission plus efficace de la déformation de la deuxième couche 2 à la première couche 1 car ladite déformation n’est pas « atténuée » en tout ou partie par une déformation des parois 21,22 de la cage 20.Also preferably, the Young's modulus of the -at least one- material constituting the cage 20 is greater than that of the piezoelectric material of the first layer 1: this allows more effective transmission of the deformation of the second layer 2 to the first layer 1 because said deformation is not "attenuated" in whole or in part by a deformation of the walls 21,22 of the cage 20.
On peut également choisir un module d’Young pour la cage 20 supérieur à celui du matériau magnétostrictif de la deuxième couche 2 de manière à assurer des conditions d’appui plan.It is also possible to choose a Young's modulus for the cage 20 greater than that of the magnetostrictive material of the second layer 2 so as to ensure flat support conditions.
Sur la
- sous l’effet de la déformation d’une deuxième couche en Terfenol-D (module d’Young = 35 GPa) de 1mm d’épaisseur soumise à un champ magnétique moyen B sur le volume d’environ 167mT (orienté selon l’axe principal d’aimantation A de la deuxième couche 2),under the effect of the deformation of a second layer of Terfenol-D (Young's modulus = 35 GPa) 1mm thick subjected to an average magnetic field B over the volume of approximately 167mT (oriented along the axis magnetization principal A of the second layer 2),
- dans un empilement 10 de dimensions latérales 5mm x 5mm.in a stack 10 of lateral dimensions 5mm×5mm.
Dans cet exemple, les parois 21,22 de la cage 20 présentent une épaisseur de 8mm. On remarque qu’une déformation maximale est atteinte lorsque le matériau de la cage 20 présente un module d’Young supérieur ou égal à environ 200GPa. Une cage en aluminium (module d’Young = 69GPa) procurera donc une moindre amplitude de déformation de la première couche 1, par rapport à une cage en acier austénitique (module d’Young = 193GPa).In this example, the walls 21,22 of the cage 20 have a thickness of 8mm. Note that a maximum deformation is reached when the material of the cage 20 has a Young's modulus greater than or equal to approximately 200 GPa. An aluminum cage (Young's modulus = 69GPa) will therefore provide a lower amplitude of deformation of the first layer 1, compared to an austenitic steel cage (Young's modulus = 193GPa).
On notera qu’il est toujours possible d’augmenter les dimensions (épaisseur notamment) de la première couche 1 et/ou de la deuxième couche 2, ou l’épaisseur des parois 21,22 de la cage 20, ou encore l’intensité du champ magnétique B, pour générer une déformation plus importante de la première couche 1 et par conséquent une plus grande quantité de charges électriques. Néanmoins, rappelons qu’un objectif du convertisseur magnéto-électrique 100 selon l’invention est d’être intégré dans un générateur d’électricité de faible dimension, compact, et facile à associer à des objets connectés pour les rendre autonomes en énergie. Les dimensions latérales du convertisseur 100 (incluant l’empilement 10 et la cage 20) sont donc préférentiellement maintenues inférieures à 15 mm, et son épaisseur inférieure à 50 mm, voire inférieure ou égale à 15 mm. Des dimensions d’un convertisseur 100 conforme à l’invention sont indiquées sur la
Selon un mode de mise en œuvre avantageux, la cage 20 est configurée de sorte que les deux parois de blocage 21,22 appliquent une précontrainte en compression, selon l’axe z (autrement dit, selon les axes de polarisation P et d’aimantation A), à l’empilement 10, favorisant ainsi les conditions d’appui plan. La précontrainte est comprise entre 1 MPa et 100 MPa, préférentiellement entre 10 MPa et 30 MPa, ou encore préférentiellement entre 1 MPa et 20 MPaAccording to an advantageous mode of implementation, the cage 20 is configured so that the two blocking walls 21,22 apply a prestress in compression, along the z axis (in other words, along the axes of polarization P and magnetization A), to stack 10, thus favoring flat support conditions. The prestress is between 1 MPa and 100 MPa, preferentially between 10 MPa and 30 MPa, or even preferentially between 1 MPa and 20 MPa
La précontrainte pourra notamment être appliquée par un système mécanique avec vis et écrous (le vissage progressif permettant d’augmenter la précontrainte appliquée par la cage 20), par un système de câbles et poulies ou encore par un système de contre-flèche (une déformation de la cage 20 est opérée avant insertion de l’empilement 10 ; après assemblage, la cage 20 applique une précontrainte audit empilement 10).The prestress may in particular be applied by a mechanical system with screws and nuts (the progressive screwing making it possible to increase the prestress applied by the cage 20), by a system of cables and pulleys or even by a counter-deflection system (a deformation of the cage 20 is operated before insertion of the stack 10; after assembly, the cage 20 applies a prestress to said stack 10).
Comme cela apparait sur la
Pour certains matériaux magnétostrictifs, tel que le Galfenol, l’augmentation de l’énergie électrique vient notamment du fait que le coefficient de magnétostriction du matériau magnétostrictif (deuxième couche 2) augmente lorsqu’une précontrainte lui est appliquée. Pour une amplitude de champ magnétique B donnée, la déformation D selon l’axe principal d’aimantation A est donc plus grande, ce qui augmente la déformation d, et donc la génération de charges, dans la première couche 1.For some magnetostrictive materials, such as Galfenol, the increase in electrical energy comes in particular from the fact that the magnetostriction coefficient of the magnetostrictive material (second layer 2) increases when a prestress is applied to it. For a given magnetic field amplitude B, the deformation D along the main magnetization axis A is therefore greater, which increases the deformation d, and therefore the generation of charges, in the first layer 1.
Pour d’autres matériaux magnétostrictifs, tel que le Terfenol-D, le coefficient de magnétostriction a tendance à diminuer au-delà d’une précontrainte critique (typiquement autour de 20 MPa). On prendra alors soin d’appliquer une précontrainte inférieure à cette valeur critique.For other magnetostrictive materials, such as Terfenol-D, the magnetostriction coefficient tends to decrease beyond a critical prestress (typically around 20 MPa). Care should then be taken to apply a prestress lower than this critical value.
L’application d’une précontrainte à l’empilement 10 présente un autre avantage important. En effet, une couche 1,3 en matériau piézoélectrique supporte mieux la contrainte en compression qu’en élongation. Avec le comportement dynamique oscillatoire (compression/élongation) qui est recherché pour le convertisseur 100 selon l’invention, la limite de rupture en élongation est plus rapidement atteinte que la limite de rupture en compression du matériau piézoélectrique. Pré-contraindre l’empilement 10, et donc pré-contraindre la (ou les) couches 1,3 en matériau piézoélectrique, permet de positionner la plage de fonctionnement dans une zone de contrainte compressive (plage de fonctionnement avec précontrainte), comme illustré sur la
En plus d’améliorer les performances du convertisseur 100, l’application d’une précontrainte à l’empilement 10 permet ainsi d’augmenter sa fiabilité et sa durée de vie, en éloignant la plage de fonctionnement de la couche 1,3 en matériau piézoélectrique de sa limite de rupture en tension.In addition to improving the performance of the converter 100, the application of a prestress to the stack 10 thus makes it possible to increase its reliability and its service life, by moving the operating range of the layer 1,3 of material piezoelectric of its voltage breaking limit.
Quel que soit le mode de mise en œuvre, avec ou sans précontrainte appliquée à l’empilement 10 par le biais de la cage 20, cette dernière peut être élaborée de différentes façons. Les parois de blocage 21,22 peuvent notamment être usinées de manière à créer des empreintes dans lesquelles seront disposées et collées respectivement la face supérieure 10a et la face inférieure 10b de l’empilement 10. Il est important d’assurer une bonne planéité des surfaces destinées à être en contact avec les faces de l’empilement 10, pour garantir un appui plan, et un blocage ou une précontrainte efficace selon l’axe z (parallèle à l’axe principal d’aimantation A).Whatever the mode of implementation, with or without prestress applied to the stack 10 by means of the cage 20, the latter can be produced in different ways. The blocking walls 21,22 can in particular be machined so as to create indentations in which the upper face 10a and the lower face 10b of the stack 10 will be placed and glued respectively. It is important to ensure good flatness of the surfaces intended to be in contact with the faces of the stack 10, to guarantee flat support, and effective blocking or prestressing along the z axis (parallel to the main axis of magnetization A).
La cage 20 comprend avantageusement au moins une paroi latérale 23 pour relier entre elles les deux parois de blocage 21,22. On peut envisager une cage fixe ou démontable, basées sur des techniques de fixation connues telles que le soudage, le vissage, le clipsage, etc. La cage 20 peut éventuellement être assistée d’un système de précontrainte à base de câbles, contre-flèche ou dilatation du cadre à chaud.The cage 20 advantageously comprises at least one side wall 23 to interconnect the two locking walls 21,22. A fixed or removable cage can be considered, based on known fixing techniques such as welding, screwing, clipping, etc. Cage 20 can optionally be assisted by a prestressing system based on cables, counter-deflection or expansion of the hot frame.
Avantageusement, la cage 20 peut être utilisée pour procurer l’accès aux bornes électriques du convertisseur 100 depuis l’extérieur.Advantageously, the cage 20 can be used to provide access to the electrical terminals of the converter 100 from the outside.
La présente invention concerne également un générateur d’électricité 150 comprenant un convertisseur magnéto-électrique 100 tel que décrit précédemment.The present invention also relates to an electricity generator 150 comprising a magneto-electric converter 100 as described previously.
Le générateur 150 comprend en outre une source magnétique 50 apte à générer un champ magnétique B normal au plan de référence (x,y), autrement dit parallèle à l’axe principal d’aimantation A de la deuxième couche 2 et à l’axe de polarisation P de la première couche 1. Dans le générateur 150, le convertisseur magnéto-électrique 100 et la source magnétique 50 sont aptes à se déplacer en translation ou en rotation l’un par rapport à l’autre, de manière à induire des variations de champ magnétique B. On cherche en particulier à induire des variations d’amplitude du champ magnétique B selon l’axe z parallèle à l’axe principal d’aimantation A, ou des variations d’une composante du champ magnétique B parallèle à l’axe principal d’aimantation A.The generator 150 further comprises a magnetic source 50 capable of generating a magnetic field B normal to the reference plane (x,y), in other words parallel to the main axis of magnetization A of the second layer 2 and to the axis polarization P of the first layer 1. In the generator 150, the magneto-electric converter 100 and the magnetic source 50 are capable of moving in translation or in rotation with respect to each other, so as to induce variations in magnetic field B. In particular, it is sought to induce variations in the amplitude of the magnetic field B along the z axis parallel to the main axis of magnetization A, or variations in a component of the magnetic field B parallel to the main axis of magnetization A.
On attend typiquement des variations d’amplitude comprises entre 0 à 300 mT.Amplitude variations between 0 and 300 mT are typically expected.
Le principe de fonctionnement du générateur 150 est schématisé sur la
Dans un état 0 initial, le convertisseur 100 est placé dans un espace dans lequel règne un champ magnétique d’intensité B0. Cet état initial correspond à une déformation D0(par exemple, élongation maximale) de la deuxième couche 2 selon l’axe principal d’aimantation A et à une déformation initiale d0(par exemple, contraction maximale) de la première couche 1 selon son axe de polarisation P ; on suppose que le potentiel entre les bornes du convertisseur 100 est nul dans cet état initial.In an initial state 0, the converter 100 is placed in a space in which there is a magnetic field of intensity B 0 . This initial state corresponds to a deformation D 0 (for example, maximum elongation) of the second layer 2 along the main axis of magnetization A and to an initial deformation d 0 (for example, maximum contraction) of the first layer 1 according to its polarization axis P; it is assumed that the potential between the terminals of converter 100 is zero in this initial state.
Dans un état 1 suivant, le convertisseur 100 est déplacé vis-à-vis de la source magnétique 50 (ou vice versa), et subit une variation de champ magnétique : l’intensité de ce dernier passe de B0à B1, selon l’axe z. Une déformation D1(par exemple, contraction) de la deuxième couche 2, selon l’axe d’aimantation A, est engendrée, qui conduit à une déformation d1(par exemple élongation) de la première couche 1 selon son axe de polarisation P. Une quantité Q1de charges est alors produite induisant une différence de potentiel entre les électrodes métalliques 1a,1b et par voie de conséquence entre les bornes du convertisseur 100. Les charges sont alors collectées, et le potentiel entre les bornes du convertisseur 100 se retrouve à 0.In a following state 1, the converter 100 is moved vis-à-vis the magnetic source 50 (or vice versa), and undergoes a magnetic field variation: the intensity of the latter changes from B 0 to B 1 , according to the z axis. A deformation D 1 (for example, contraction) of the second layer 2, along the axis of magnetization A, is generated, which leads to a deformation d 1 (for example, elongation) of the first layer 1 along its axis of polarization P. A quantity Q 1 of charges is then produced, inducing a potential difference between the metal electrodes 1a, 1b and consequently between the terminals of the converter 100. The charges are then collected, and the potential between the terminals of the converter 100 ends up at 0.
Dans un état 2 suivant (qui peut être l’état 0 initial, si le déplacement relatif de la source 50 et du convertisseur 100 ne passe que par deux positions), le convertisseur 100 est déplacé vis-à-vis de la source magnétique 50 (ou vice versa), et subit une variation de champ magnétique : l’intensité de ce dernier passe de B1à B2, selon l’axe z. Une déformation D2de la deuxième couche 2, selon l’axe d’aimantation A, est engendrée, qui conduit à une déformation d2de la première couche 1. Une quantité Q2de charges est alors produite induisant une différence de potentiel entre les bornes du convertisseur 100. Les charges sont alors collectées, et le potentiel aux bornes du convertisseur 100 se retrouve à 0.In a following state 2 (which may be the initial state 0, if the relative displacement of the source 50 and the converter 100 passes through only two positions), the converter 100 is moved vis-à-vis the magnetic source 50 (or vice versa), and undergoes a magnetic field variation: the intensity of the latter changes from B 1 to B 2 , along the z axis. A deformation D 2 of the second layer 2, along the axis of magnetization A, is generated, which leads to a deformation d 2 of the first layer 1. A quantity Q 2 of charges is then produced inducing a potential difference between the terminals of converter 100. The charges are then collected, and the potential at the terminals of converter 100 is found at 0.
Dans un état 3 suivant (qui peut être l’état 0 initial, si le déplacement relatif de la source 50 et du convertisseur 100 ne passe que par trois positions), le convertisseur 100 est une nouvelle fois déplacé vis-à-vis de la source magnétique 50 (ou vice versa), et subit une variation de champ magnétique : l’intensité de ce dernier passe de B2à B3, selon l’axe z. Une déformation D3de la deuxième couche 2, selon l’axe d’aimantation A, est engendrée, qui conduit à une déformation d3de la première couche 1. Une quantité Q3de charges est alors produite induisant une différence de potentiel entre les bornes électriques du convertisseur 100. Après collecte des charges, le potentiel entre les bornes du convertisseur 100 se retrouve de nouveau à 0.In a following state 3 (which may be the initial state 0, if the relative displacement of the source 50 and of the converter 100 only passes through three positions), the converter 100 is once again moved with respect to the magnetic source 50 (or vice versa), and undergoes a magnetic field variation: the intensity of the latter changes from B 2 to B 3 , along the z axis. A deformation D 3 of the second layer 2, along the axis of magnetization A, is generated, which leads to a deformation d 3 of the first layer 1. A quantity Q 3 of charges is then produced inducing a potential difference between the electrical terminals of converter 100. After charge collection, the potential between the terminals of converter 100 is again at 0.
En général, l’état 4 suivant correspond à l’état 0 initial, mais on pourrait envisager qu’il existe d’autres états distincts associés à des déplacements successifs du convertisseur 100 vis-à-vis de la source magnétique 50. Dans l’hypothèse d’un retour à l’état 0 initial, le convertisseur 100 voit l’intensité du champ magnétique varier de B3à B0, selon l’axe z. La déformation D0de la deuxième couche 2, selon l’axe d’aimantation A, est engendrée, qui conduit à la déformation initiale d0de la première couche 1 selon son axe de polarisation P. Une quantité Q0de charges est alors produite induisant une différence de potentiel entre les bornes du convertisseur 100. Les charges sont alors collectées, pour annuler le potentiel aux bornes du convertisseur 100.In general, the following state 4 corresponds to the initial state 0, but it could be envisaged that there are other distinct states associated with successive displacements of the converter 100 with respect to the magnetic source 50. In the Assuming a return to the initial state 0, the converter 100 sees the intensity of the magnetic field vary from B 3 to B 0 , along the z axis. The deformation D 0 of the second layer 2, along the axis of magnetization A, is generated, which leads to the initial deformation d 0 of the first layer 1 along its axis of polarization P. A quantity Q 0 of charges is then produced inducing a potential difference between the terminals of the converter 100. The charges are then collected, to cancel the potential at the terminals of the converter 100.
On comprend ici que le fonctionnement du générateur d’électricité 150 est basé sur un comportement dynamique oscillatoire au niveau de l’empilement 10 du convertisseur magnéto-électrique 100.It is understood here that the operation of the electricity generator 150 is based on an oscillatory dynamic behavior at the level of the stack 10 of the magneto-electric converter 100.
Pour maximiser la quantité de charges Qxproduites et collectées à chaque cycle, c’est-à-dire à chaque état x du convertisseur 100, il est avantageux de maximiser la déformation dxde la première couche 1 (et potentiellement de la troisième couche 3 quand elle est présente), à chaque cycle.To maximize the quantity of charges Q x produced and collected at each cycle, that is to say at each state x of the converter 100, it is advantageous to maximize the deformation d x of the first layer 1 (and potentially of the third layer 3 when present), at each cycle.
Il est également préférable que l’intensité du champ magnétique, selon l’axe z, varie de manière continue entre chaque état et non brutalement lors du passage entre deux positions correspondant à deux états successifs. Cela permet d’obtenir un état de contrainte-déformation régulier et périodique simplement exploitable par l’électronique (intensité et tension électriques périodiques). Idéalement, l’intensité du champ magnétique B varie sinusoïdalement selon l’axe principal d’aimantation A avec des valeurs entre 0 mT à 300 mT.It is also preferable for the intensity of the magnetic field, along the z axis, to vary continuously between each state and not abruptly when passing between two positions corresponding to two successive states. This makes it possible to obtain a regular and periodic stress-strain state that can be easily exploited by the electronics (periodic electrical intensity and voltage). Ideally, the intensity of the magnetic field B varies sinusoidally along the main axis of magnetization A with values between 0 mT to 300 mT.
La
Dans le mode de réalisation de la
La source magnétique 50 du générateur d’électricité 150 conforme à l’invention peut donc être constituée de deux barreaux magnétiques formant des réseaux d’Halbach, l’axe longitudinal y de chaque barreau étant disposé dans le plan de référence (x,y). Le mouvement relatif entre le convertisseur 100 et la source magnétique 50 est alors un mouvement en translation, selon ledit axe longitudinal (axe y dans l’exemple de la
Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 6 et 7, la source magnétique 50 peut consister en un cylindre d’Halbach, dans l’espace interne duquel règne un champ magnétique B selon l’axe z, colinéaire avec l’axe principal d’aimantation A de la deuxième couche 2 et avec l’axe de polarisation P de la première couche 1. Dans un générateur d’électricité 150 tel que représenté sur ces figures, le mouvement relatif entre la source magnétique 50 et le convertisseur 100 est préférentiellement une translation selon l’axe z.In the embodiment illustrated in Figures 6 and 7, the magnetic source 50 may consist of a Halbach cylinder, in the internal space of which there is a magnetic field B along the z axis, collinear with the main axis d magnetization A of the second layer 2 and with the axis of polarization P of the first layer 1. In an electricity generator 150 as represented in these figures, the relative movement between the magnetic source 50 and the converter 100 is preferentially a translation along the z axis.
Il est également envisageable d’appliquer un mouvement en rotation autour d’un axe (x ou y par exemple) compris dans le plan de référence (x,y), le convertisseur 100 étant maintenu dans l’espace interne de la source magnétique 50 ; un tel mouvement va provoquer une variation de la composante du champ magnétique parallèle à l’axe principal d’aimantation A.It is also possible to apply a rotational movement around an axis (x or y for example) included in the reference plane (x,y), the converter 100 being maintained in the internal space of the magnetic source 50 ; such a movement will cause a variation of the component of the magnetic field parallel to the main axis of magnetization A.
Selon un autre mode de réalisation, illustré sur la
Dans ce mode de réalisation, le mouvement relatif entre la source magnétique 50 et le convertisseur 100 est une translation aller/retour.In this embodiment, the relative movement between the magnetic source 50 and the converter 100 is a round trip translation.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation et exemples décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications.Of course, the invention is not limited to the embodiments and examples described and variant embodiments can be added thereto without departing from the scope of the invention as defined by the claims.
Claims (14)
- un empilement (10) présentant une face supérieure (10a) et une face inférieure (10b), parallèles à un plan de référence (x,y), et comprenant une première couche (1) en matériau piézoélectrique solidaire d’une deuxième couche (2) en matériau magnétostrictif, la première couche (1) et la deuxième couche (2) s’étendant parallèlement au plan de référence (x,y) et présentant respectivement un axe de polarisation (P) et un axe principal d’aimantation (A) normaux au plan de référence (x,y), la première couche (1) étant munie de deux électrodes métalliques respectivement connectées aux deux bornes électriques du convertisseur (100),
- une cage (20) comprenant deux parois de blocage (21,22) respectivement en contact, sans degré de liberté, avec la face supérieure (10a) et la face inférieure (10b) de l’empilement (10).Magneto-electric converter (100), capable of converting a variation of a magnetic field (B) into a potential difference between two electrical terminals, including:
- a stack (10) having an upper face (10a) and a lower face (10b), parallel to a reference plane (x,y), and comprising a first layer (1) of piezoelectric material integral with a second layer (2) in magnetostrictive material, the first layer (1) and the second layer (2) extending parallel to the reference plane (x,y) and respectively having a polarization axis (P) and a main magnetization axis (A) normal to the reference plane (x,y), the first layer (1) being provided with two metal electrodes respectively connected to the two electrical terminals of the converter (100),
- a cage (20) comprising two blocking walls (21,22) respectively in contact, without degree of freedom, with the upper face (10a) and the lower face (10b) of the stack (10).
- s’étendant parallèlement au plan de référence (x,y),
- enterrés à différents étages dans le matériau piézoélectrique (1c),
- et disposés en alternance avec les films métalliques de l’autre électrode.Magneto-electric converter (100) according to one of the preceding claims, in which each electrode (1a, 1b) of the first layer (1) comprises a plurality of metal films (1a', 1a', 1a'', 1b',1b''):
- extending parallel to the reference plane (x,y),
- buried at different levels in the piezoelectric material (1c),
- And arranged alternately with the metal films of the other electrode.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2102796A FR3120990B1 (en) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | MAGNETO-ELECTRIC CONVERTER AND ELECTRICITY GENERATOR COMPRISING SAID CONVERTER |
| PCT/FR2022/050482 WO2022195229A1 (en) | 2021-03-19 | 2022-03-17 | Magneto-electric converter and electricity generator comprising said converter |
| EP22714485.4A EP4309215A1 (en) | 2021-03-19 | 2022-03-17 | Magneto-electric converter and electricity generator comprising said converter |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2102796 | 2021-03-19 | ||
| FR2102796A FR3120990B1 (en) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | MAGNETO-ELECTRIC CONVERTER AND ELECTRICITY GENERATOR COMPRISING SAID CONVERTER |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3120990A1 true FR3120990A1 (en) | 2022-09-23 |
| FR3120990B1 FR3120990B1 (en) | 2023-10-20 |
Family
ID=76807708
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2102796A Active FR3120990B1 (en) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | MAGNETO-ELECTRIC CONVERTER AND ELECTRICITY GENERATOR COMPRISING SAID CONVERTER |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4309215A1 (en) |
| FR (1) | FR3120990B1 (en) |
| WO (1) | WO2022195229A1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050218729A1 (en) * | 2004-04-01 | 2005-10-06 | The Hong Kong Polytechnic University | Magnetoelectric devices and methods of using same |
| WO2015059421A1 (en) | 2013-10-25 | 2015-04-30 | Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives | Converter for converting a variation in energy to be recovered into a potential difference |
| WO2017178772A1 (en) | 2016-04-15 | 2017-10-19 | Enerbee | Generator of electricity comprising a magneto-electric converter and associated manufacturing process |
| WO2017178773A1 (en) | 2016-04-15 | 2017-10-19 | Enerbee | Electricity generator comprising a magneto-electric converter and method of production |
| FR3056854A1 (en) * | 2016-09-27 | 2018-03-30 | Enerbee | GENERATOR FOR TRANSFORMING MOVEMENT OF TRANSLATION OF A BODY IN ACCUMULATION OF ELECTRICAL LOADS |
| FR3072521A1 (en) * | 2017-10-18 | 2019-04-19 | Enerbee | ENERGY RECOVERY COMPRISING A CONVERTER BASED ON PIEZOELECTRIC MATERIAL |
-
2021
- 2021-03-19 FR FR2102796A patent/FR3120990B1/en active Active
-
2022
- 2022-03-17 EP EP22714485.4A patent/EP4309215A1/en active Pending
- 2022-03-17 WO PCT/FR2022/050482 patent/WO2022195229A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050218729A1 (en) * | 2004-04-01 | 2005-10-06 | The Hong Kong Polytechnic University | Magnetoelectric devices and methods of using same |
| WO2015059421A1 (en) | 2013-10-25 | 2015-04-30 | Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives | Converter for converting a variation in energy to be recovered into a potential difference |
| WO2017178772A1 (en) | 2016-04-15 | 2017-10-19 | Enerbee | Generator of electricity comprising a magneto-electric converter and associated manufacturing process |
| WO2017178773A1 (en) | 2016-04-15 | 2017-10-19 | Enerbee | Electricity generator comprising a magneto-electric converter and method of production |
| FR3056854A1 (en) * | 2016-09-27 | 2018-03-30 | Enerbee | GENERATOR FOR TRANSFORMING MOVEMENT OF TRANSLATION OF A BODY IN ACCUMULATION OF ELECTRICAL LOADS |
| FR3072521A1 (en) * | 2017-10-18 | 2019-04-19 | Enerbee | ENERGY RECOVERY COMPRISING A CONVERTER BASED ON PIEZOELECTRIC MATERIAL |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| T.LAFONT ET AL.: "Magnetostrictive-piezoelectric composite structures for energy harvesting", JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING, 2012 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022195229A1 (en) | 2022-09-22 |
| FR3120990B1 (en) | 2023-10-20 |
| EP4309215A1 (en) | 2024-01-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3443602B1 (en) | Electricity generator comprising a magnetoelectric converter | |
| EP0168313B1 (en) | Piezoelectric transducer and pressure sensor using such a transducer | |
| FR2850218A1 (en) | Piezoactive actuator for optical applications, has elastomer zone formed along its actuating axis, to dampen its deformations and one free space formed orthogonal to actuating axis | |
| WO2012107327A1 (en) | Optimized device for converting mechanical energy into electrical energy | |
| FR2496380A1 (en) | PIEZORESISTIVE DEVICE WITH ELECTRICAL CONTROL | |
| EP2122703A2 (en) | Self-contained piezoelectric device for generating voltage | |
| EP3061140B1 (en) | Converter for converting a variation in energy to be recovered into a potential difference | |
| EP3443599B1 (en) | Electricity generator comprising a magnetoelectric converter and manufacturing method therefor | |
| FR3012700A1 (en) | ENERGY CONVERTER TO BE RECOVERED AND ELECTRICITY GENERATOR | |
| FR3120990A1 (en) | MAGNETO-ELECTRIC CONVERTER AND ELECTRICITY GENERATOR COMPRISING SAID CONVERTER | |
| EP3061141A1 (en) | Power generator | |
| FR3012703A1 (en) | ENERGY CONVERTER TO BE RECOVERED AND ELECTRICITY GENERATOR | |
| FR2742011A1 (en) | ROTOR / STATOR INTERFACE VIBRATION MOTOR WITH SHAPE MEMORY ALLOY | |
| EP0908961B1 (en) | Amplifier actuator using active materials | |
| EP2541753A2 (en) | Electromechanical converter intended for generating electricity and electric power plant | |
| FR2734051A1 (en) | PIEZOLECTRIC BILAMETER TRANSDUCER | |
| FR2990301A1 (en) | DEVICE FOR CONVERTING THERMAL ENERGY IN ELECTRIC ENERGY IN THE PRESENCE OF A HOT SOURCE | |
| EP2878573B1 (en) | Mass-spring system with small transverse displacement | |
| EP3340326B1 (en) | Piezoelectric transformer | |
| FR2701340A1 (en) | Process for producing an electrical signal distribution circuit, distribution circuit obtained and piezoelectric motor comprising such a circuit. | |
| EP0056549B1 (en) | Electromechanical transducer structure | |
| EP3671873B1 (en) | Electromechanical microsystem comprising an active element provided with a structured core layer | |
| EP3804117A1 (en) | Vibrational energy recovery system | |
| CHILIBON | Piezoelectric Structures and Low Power Generation Devices | |
| FR2528235A1 (en) | Thin electromechanical transducer - bonded to elastomeric block to enhance the response to match the output of ceramic transducers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20220923 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |