JP6289484B2 - 発電機 - Google Patents
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Description
‐第1、第2の接続端子を備える第1のコンバータであって、採取されるエネルギーの変化を、前記第2の端子に対する前記第1の接続端子上の対応する過剰電荷へ変換するのに適した第1コンバータ、
‐前記第1接続端子上の前記過剰電荷を回収する回収回路。
・回収した電荷が伝送される出力端子、
・前記第1の接続端子に接続された第1の制御可能な機械スイッチ、
この第1のスイッチは、前記第1の接続端子から電荷の放電を妨げる開状態と、前記第1の接続端子から電荷を放電させる閉状態とを切り替えるのに適しており、
前記機械スイッチの前記閉状態は、電気的導通を確立するように電気接点を他の電気接点に直接接触させることにより得られ、前記開状態は、これら2つの電気接点の機械的な分離、及び、電気的絶縁媒体のこれら2つの電気接点間への介在によって得られる。
‐前記第1の接続端子上に存在する過剰電荷が第1の所定の閾値を超えたときに、当該スイッチを閉状態に切り替える制御を行うよう設計された前記第1スイッチの制御装置。
‐第1のスイッチを制御するために採取されるエネルギー源によって直接生成された可変磁場を用いることで、第1のコンバータによって生成された電荷を消費しないスタンドアロン制御措置を製造し、発電機の効率を向上させることを可能にする。
‐可変磁場源の磁場中に異なるように磁気スイッチを配置することにより、生成された電荷を消費することなく、生成された電荷の量に同期した異なる時点で、スイッチの閉鎖を制御することができる。
‐第1の電気機械トランスデューサと第2の磁気トランスデューサを備える第1のコンバータを用いることで、磁場の非常に遅い変化からでも電気を生成することができ、第1のコンバータのバルクを制限することを可能にする。
‐採取されるエネルギーの変化を可変磁場に変換する第2のコンバータを用いることで、可変磁場以外から採取されるエネルギー源から電気を生成することが可能となる。
‐可変磁場中に異なるように磁気スイッチを配置することにより、生成された電荷を消費することなく、生成された過剰電荷に同期した異なる時点で、これらのスイッチの閉鎖を制御することが可能となる。
−第1の電気機械トランスデューサを備える第1のコンバータと、この第1のトランスデューサに応力を与えるのに適した第2のトランスデューサを用いることにより、採取されたエネルギーの非常に遅い変化からでも電気を生成することができ、第1のコンバータのバルクを制限することが可能となる。
‐第1のコンバータの第2トランスデューサとして熱機械トランスデューサを用いることで、温度変化から電気エネルギーを採取することができ、温度勾配を与えるラジエータに頼ることを回避することができる。
‐形状記憶材料を用いることにより、電気機械トランスデューサにより大きな応力を与えることができる。
‐第1のコンバータと制御装置とに同じ熱機械トランスデューサを用いることにより、エネルギーハーベスタのバルクを制限することが可能となる。
‐出力端子と第1及び第2の接続端子との間にそれぞれ接続された第1及び第2の磁気スイッチの使用は、用いられるダイオードの数を制限し、回収回路の消費を制限することによって、第1のコンバータの第1及び第2の接続端子間の電位差を修正することを可能とする。
‐一方の接続端子から他方へ交互に、コンバータからの過剰電荷を伝送する第1及び第2の磁気スイッチの使用は、コンバータの接続端子上の過剰電荷を増幅し、1つの操作で、電力が供給される負荷へより多くの電荷を伝送することを可能にする。
‐第1のコンバータによって生成された電流が通過するコイル及びこのコイルの磁場中に配置される磁気スイッチを用いることにより、第1のコイルによって生成された電荷をあまり消費することなく、第3の所定の閾値を超えて生成された電流に応じて、この磁気スイッチの閉鎖を制御することができる。
‐第1のコンバータの第1のトランスデューサとして圧電材料を用いることにより、単純に応力変化を電気に変換することが可能となる。
‐一方側が端子40に、他方側がダイオード50のアノードに直接接続された機械スイッチ48、
‐一方側が端子42に、他方側がダイオード50のアノードに直接接続された機械スイッチ52、
‐一方側が端子40に、他方側が端子46に直接接続された機械スイッチ54、
‐一方側が端子42に、他方側が端子46に直接接続された機械スイッチ56。
‐図6に示された、端子22上に蓄積された過剰電荷が端子44に伝送される放電の第1の状態、
‐図7に示された、端子24上に蓄積された過剰電荷が端子44に伝送される放電の第2の状態、
‐端子22、24が他の電気回路から電気的に絶縁され、これらの端子間に電荷が蓄積される、図2に示されたレスト(rest)状態。
‐端子22上に蓄積された過剰電荷が第1の所定の閾値S1を超えたときにのみ、放電の第1の状態に切り替える制御を行い、
‐端子24上に蓄積された過剰電荷が第2の所定の閾値S2を超えたときにのみ、放電の第2の状態に切り替える制御を行い、
‐端子22上に蓄積された過剰電荷が閾値S1未満であり、端子24上に蓄積された過剰電荷が第2の閾値S2未満であるならば、レスト状態に切り替える制御を行う。
λs=ΔL/L
‐ΔLは、所定の方向の磁歪材料の伸度
‐Lは、外部磁場がない場合のこの方向におけるこの材料の長さ
T. Lafont, J. Delamare, G. A. Lebedev, D. I. Zakharov, B. Viala, O. Cugat, L. Gimeno, N. Galopin, L. Garbuio and O. Geoffroy著、「Magnetostrictive-piezoelectric composite structures for energy harvesting」、(Journal of micromechanics and microengineering No. 22)、2012年
‐絶縁媒体によって、これらが互いに機械的に分離され、バンプコンタクト80、82を電気的に絶縁する開状態
‐これらが互いに直接機械的に支えあい、バンプコンタクト80、82を電気的に接続させる閉状態
‐ダイオード60が流れるのと同時に閉じ、そして交互に
‐ダイオード60が流れないときに開く
‐発生源4は、採取されるエネルギーの発生源182に置換されている
‐制御装置34は、制御装置184に置換されている
‐コンバータ20はコンバータ186に置換されている
D. Zakharov, G. Lebedev, O. Cugat, J. Delamare, B. Viala, T. Lafont, L. Gimeno and A. Shelyakov著, 「Thermal energy conversion by coupled shape memory and piezoelectric effects」、PowerMEMS ’11、Seoul、Korea、JMM 2012
‐発生源182の温度変化をこのトランスデューサの変形へと変換するのに適した熱機械トランスデューサ
‐このトランスデューサに機械的連結部を介して固定され、後者の変形と同時に変位する永久磁石210。
‐磁場の変化を電荷の変化に変換する磁歪材料
‐温度変化を電荷の変化に変換する熱機械トランスデューサ
‐機械的変位を電荷の変化に変換するボタンの機械的変位
S. Boisseau、G. Despesse、A. Sylvestre著、「Optimization of an electret-based energy harvester」、Smart Material and Structures、2010、19 075015、IOP Publishing Ltd.
‐スイッチ内の磁石8が生成する磁場がX方向に対して45°の角度を形成する場合、
‐スイッチ内の磁石8が生成する磁場が、X方向に平行な場合。
Claims (14)
- 発電機は以下を備える。
‐第1、第2の接続端子(22、24、188)を備える第1のコンバータ(20、186)であって、採取されるエネルギーの変化を、前記第2の端子に対する前記第1の接続端子上の対応する過剰電荷に変換するのに適した第1のコンバータ、
‐前記第1の接続端子上の過剰電荷を回収する回収回路(30、114、170、174)。
当該回路は、以下を備える。
・回収した電荷を伝送する出力端子(44、46)、
・前記第1の接続端子に接続された制御可能な第1のスイッチ(48、122)。
この第1のスイッチは、前記第1の接続端子から電荷の放電を妨げる開状態と、前記第1の接続端子から電荷を放電させる閉状態とを切り替えるのに適しており、
前記第1のスイッチの前記閉状態は、電気的導通を確立するように電気接点を他の電気接点に直接接触させることにより得られ、開状態は、これら2つの電気接点の機械的な分離、及び、電気的絶縁媒体のこれら2つの電気接点間への介在によって得られる。
‐前記第1の接続端子上に存在する過剰電荷が第1の所定の閾値を超えたときに、当該第1のスイッチを閉状態に切り替える制御を行うよう設計された前記第1スイッチの制御装置(34、184)。
以下を特徴とする。
‐前記第1のスイッチ(48、122)は磁気スイッチであり、
前記磁気スイッチは、磁気材料からなり、当該磁気スイッチ中の磁場が作動構成であるときに開状態から閉状態へと前記電気接点を変位させるのに適し、
前記磁気スイッチは、当該磁気スイッチ中の磁場の作動構成の外側ではその電気接点を閉状態に維持することが不可能である、
少なくとも一つのブレード(84、86)と、
前記制御装置(34、184)は可変磁場源からなり、前記第1のスイッチは、この発生源に対して、前記第1の接続端子上に存在する過剰電荷が前記第1の所定の閾値を超えたときのみに、この第1のスイッチに生成する可変磁場が前記第1のスイッチの前記動作構造に近づくように配置される。 - 前記第1のコンバータ(20)は、磁場の変化を、前記第2の端子に対する前記第1の接続端子上の対応する過剰電荷へと変換するのに適しており、
前記第1のコンバータは、前記可変磁場源の磁力線内に配置され、これらの磁場の変化を対応する前記第1接続端子上の過剰電荷へと変換し、
採取されるエネルギーの発生源は前記可変磁場源である、
請求項1に記載の発電機。 - ‐前記可変磁場源(4)は、第1と第2の状態の間で、時間とともに、磁気モーメントが変化する可変磁場を生成するのに適しており、
‐前記第1のコンバータ(20)は、前記可変磁場を、
当該磁気モーメントの前記第1の状態の前記第1の所定の閾値を超える前記第1の接続端子上の過剰電荷へと、
当該磁気モーメントの前記第2の状態の第2の所定の閾値を超える前記第2の接続端子上の過剰電荷へと、
変換するのに適しており、
‐前記回収回路(30)は、前記第2の接続端子に接続された第2の制御可能な磁気スイッチ(52、126)を備え、
当該第2のスイッチは、前記第1の接続端子から電荷の放電を妨げる開状態と、前記第2の接続端子から電荷を放電させる閉状態とを切り替えるのに適しており、
前記第2のスイッチは、前記第2の接続端子上に存在する過剰電荷が前記第2の所定の閾値を超えたときのみに、この第2のスイッチに生成する前記可変磁場が前記第2のスイッチの作動構造に近づくように、この発生源に対して配置され、
前記第1及び第2のスイッチの作動構造は異なる、
請求項2に記載の発電機。 - 前記第1のコンバータ(20)は、
‐電気機械トランスデューサに与えられる機械的応力を、電気的な前記回収回路によって回収される過剰電荷へと直接変換するのに適した電気機械トランスデューサ(72、74)と、
前記電気機械トランスデューサに自由度なしで固定された磁気トランスデューサ(70)であって、可変磁場の変化を前記電気機械トランスデューサに与えられる機械的応力に変換するのに適した磁歪材料からなる磁気トランスデューサと、
を備える、
請求項2又は3に記載の発電機。 - 前記可変磁場源は、以下を備える、さらなる第2のコンバータを備える。
・少なくとも一つの永久磁石(210)、
・回収されるエネルギーの変化をトランスデューサの機械的変形へと変換するのに適したトランスデューサ(200)、
・前記第1の磁石に対する前記永久磁石の相対的位置を変化させるのに適した、前記永久磁石と当該トランスデューサとの間の機械的結合部、
‐前記第1のスイッチにおいて、前記永久磁石によって生成される磁場の第1の状態は、当該第1のスイッチの作動構造に対応し、
‐前記第1のスイッチにおいて、前記永久磁石によって生成される磁場の第2の状態は、前記第1のスイッチの作動構造に対応する、
請求項1に記載の発電機。 - ‐前記第1のコンバータ(186)は、採取されるエネルギーを、
前記永久磁石が前記第1の状態にあるときに前記第1の所定の閾値を超え、前記第1の接続端子上の過剰電荷へと、
前記永久磁石が前記第2の状態にあるときに第2の所定の閾値を超え、前記第2の接続端子上の過剰電荷へと、
変換するのに適し、
‐前記回収回路(30)は、前記第2の接続端子に接続された第2の制御可能な磁気スイッチ(52、126)を備え、
当該第2のスイッチは、
前記第2の接続端子から電荷の放電を妨げる開状態と、前記第2の接続端子から電荷を放電させる閉状態とを切り替えるのに適しており、
前記第2のスイッチは、前記永久磁石に対して以下のように配置される。
・前記第1の状態において、前記第2のスイッチ中の、前記永久磁石によって生成された磁場は、当該第2のスイッチの作動構造に対応せず、
・前記第2の状態において、前記第2のスイッチ中の、前記永久磁石によって生成された磁場は、当該第2のスイッチの作動構造に対応し、
前記第1及び第2のスイッチの作動構造は、異なる、
請求項5に記載の発電機。 - 前記第1のコンバータは、 ‐この電気機械トランスデューサに与えられる機械的応力を電気的な前記回収回路によって回収される過剰電荷の生成に変換するのに適した第1の電気機械トランスデューサ(72、74、196)と、
前記第1の電気機械トランスデューサに自由度なしで固定された第2のトランスデューサ(70、200)であって、採取されるエネルギーの変化を前記電気機械トランスデューサに与えられる機械的応力へと変換するのに適している第2のトランスデューサと、
を備える、
請求項5又は6に記載の発電機。 - 前記第2のトランスデューサは、温度変化を当該第2のトランスデューサの機械的な変形へと変換するのに適した熱機械トランスデューサ(200)である、
請求項7に記載の発電機。 - 前記熱機械トランスデューサ(200)は、形状記憶材料からなる、
請求項8に記載の発電機。 - 前記第1のコンバータ(186)の第2のトランスデューサと、前記制御装置の前記トランスデューサとは、同一のトランスデューサ(200)で形成されている、
請求項5又は7に記載の発電機。 - 前記第1のスイッチ(48)は、交互に、絶縁し、前記第1の接続端子を前記出力端子に電気的に接続するために、前記第1の接続端子と前記出力端子との間に直列に接続されており、
前記第2のスイッチ(52)は、交互に、絶縁し、前記第2の接続端子を前記出力端子に電気的に接続するために、前記第2の接続端子と前記出力端子との間に直列に接続されており、
請求項3又は6に記載の発電機。 - ‐キャパシタである、前記第1のコンバータ(20、186)は、前記接続端子のいずれかがいずれの電気回路からも電気的に絶縁されている場合、少なくとも1msの間、この端子に予めもたらされた過剰電荷の少なくとも50%を保持するのに適しており、
‐前記回収回路は、以下を備える。
・前記第1及び第2の接続端子間に互いに並列に接続された第1及び第2のブランチ(116、118)であって、前記第1のブランチは、第1のスイッチ(122)を備え、前記第2のブランチは前記第2のスイッチ(126)、
・一方の前記接続端子と、前記出力端子との間に直列に接続された制御可能な解放スイッチ(134)。
このスイッチは、以下の間で切り替えが可能である。
‐前記出力端子から当該接続端子を電気的に絶縁する非導通状態、
‐前記出力端子に当該接続端子を電気的に接続する導通状態。
‐前記制御装置(34)は、前記接続端子上に存在する過剰電荷が、前記第1及び第2の所定の閾値よりも完全に大きい第3の所定の閾値を超えたときのみに、該導通状態へと
前記解放スイッチを切替える制御を行うのに適している。
請求項3又は6に記載の発電機。 - ‐前記回収回路は、前記第1のスイッチが閉状態の時に、前記第1のコンバータによって生成された過剰電荷が流れるように、前記第1のスイッチに直列に接続されたコイル(132)を備え、当該コイルは、前記過剰電荷が流れた時に磁場を生成し、
‐前記解放スイッチ(134)は、前記コイルによって生成された磁場が、当該スイッチにおいて、過剰電荷が前記第3の所定の閾値を超えたときのみに、前記解放スイッチの作動構造に対応するように、前記コイルに対して配置された磁気スイッチである、
請求項12に記載の発電機。 - 前記第1のコンバータの前記電気機械トランスデューサ(72、74、196)は、圧電材料である、
請求項4又は7に記載の発電機。
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