WO2008101533A1 - Power generator using an electro-active polymer - Google Patents

Power generator using an electro-active polymer Download PDF

Info

Publication number
WO2008101533A1
WO2008101533A1 PCT/EP2007/010474 EP2007010474W WO2008101533A1 WO 2008101533 A1 WO2008101533 A1 WO 2008101533A1 EP 2007010474 W EP2007010474 W EP 2007010474W WO 2008101533 A1 WO2008101533 A1 WO 2008101533A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrodes
electroactive polymer
bellows
polymer material
layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/010474
Other languages
French (fr)
Inventor
Willem Johan Anton Teulings
Original Assignee
Continental Automotive France
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive France filed Critical Continental Automotive France
Publication of WO2008101533A1 publication Critical patent/WO2008101533A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60GVEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G13/00Resilient suspensions characterised by arrangement, location or type of vibration dampers
    • B60G13/14Resilient suspensions characterised by arrangement, location or type of vibration dampers having dampers accumulating utilisable energy, e.g. compressing air
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/181Circuits; Control arrangements or methods
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60GVEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G2202/00Indexing codes relating to the type of spring, damper or actuator
    • B60G2202/20Type of damper

Definitions

  • the present invention relates to an electric generator using an electroactive polymer.
  • the field concerned by the present invention is in particular the field of automobile construction.
  • a growing number of sensors and actuators are used. Their power supply poses some problems.
  • the increasing number of cables causes an increase in the mass of copper used in the vehicle.
  • the batteries used therefore become more and more powerful and more and more heavy. This leads to heavier vehicles and therefore greater fuel consumption.
  • an electric battery can also be integrated in the sensor, but this causes problems of maintenance, service life, size, recycling and costs.
  • wireless sensors and without on-board electrochemical energy source They are equipped with a receiver / transducer receiving electromagnetic energy from a transmitting antenna. This technology consumes a lot of electricity because only a small part of the energy emitted by the antenna is received at the receivers. In addition, as the transmission distance increases, the risk of electromagnetic disturbance increases.
  • the idea at the origin of the present invention is to use electroactive polymers (known in particular under the English abbreviations EAP for "ElectroActive Polymer”) to produce an electricity generator delocalized in a motor vehicle.
  • EAP Electronic Active Polymer
  • One of the aims of the invention is to offer the possibility of replacing certain sensors powered by a wire by wireless sensors and without on-board electrochemical energy source (such sensors are said to be "autarkic”).
  • the wireless transmission of electrical energy to supply sensors can be done only over short distances, it is necessary to have a nearby electrical generator and mechanically secured to the wireless sensor.
  • the present invention proposes an electric generator comprising an electromechanical transducer comprising at least one layer of electroactive polymer material each disposed between two electrodes.
  • the layer of electroactive polymer material is integrated into a bellows of flexible material axially surrounding a cardan-type connection between two non-aligned shafts and rotated with them, and the layer of electroactive polymer material and the electrodes extend longitudinally with respect to the shafts, the electrodes being arranged opposite one another on either side of the layer of electroactive polymer material.
  • the electrodes must also be flexible. This can be achieved by choosing electrodes in the form of metal sheets (aluminum / steel) but more advantageously still polymers of conductive material.
  • the electroactive polymer material is, during a rotation, sometimes compressed, sometimes stretched.
  • An alternating electric field therefore appears and a corresponding potential difference is created between the electrodes.
  • This electric generator is operational as soon as it is rotated.
  • a layer of electroactive polymer material forms a continuous sleeve, and at least two pairs of electrodes are distributed around the periphery of the sleeve of electroactive polymer material, two electrodes of the same pair of electrodes. electrodes facing each other by being separated by the electroactive polymer sleeve.
  • the two pairs of electrodes preferably cover almost the entire inner and outer surface of the sleeve made of electroactive polymer material. In this way, it is possible to optimize the energy recovery related to the deformation of the sleeve.
  • a preferred variant can be provided in which two pairs of electrodes surround the electroactive polymer sleeve, each electrode being electrically insulated from the other electrodes, and in which also each electrode extends over about 180 ° at the periphery or inside the sleeve.
  • an electric generator advantageously also comprises means for transforming the output voltage of at least one pair of electrodes, such as, for example, a down converter.
  • DC-DC voltage such as a Buck converter preceded by a single or double recovery stage.
  • the present invention also relates to a protective bellows for a cardan type connection of two non-aligned shafts, characterized in that it incorporates an electric generator as described above.
  • the electrodes preferably extend substantially over the entire length of the bellows to benefit the best deformations in it during its rotation.
  • the present invention also relates to a shaft rotation sensor, characterized in that it comprises an electric generator as described above, and in that this generator is integral with the shaft whose rotation speed and / or the angular position is measured.
  • FIG. 1 schematically shows a gimbal bellows used for producing a generator according to the invention
  • FIG. 2 illustrates the stress in the polymer layer of the bellows of FIG. 1 at point A;
  • FIG. 3 represents the stresses in the polymer layer for point A 'of FIG. 1,
  • FIG. 4 is a front view of the bellows and the electric generator of FIG. 1,
  • FIG. 5a is an electrical diagram illustrating the supply of a position sensor from an electrical generator according to the invention with double rectification and provided with two electrodes,
  • FIG. 5b is an electrical diagram illustrating the supply of a position sensor from an electrical generator according to the invention with double rectification and provided with two pairs of electrodes
  • FIG. 6 is an electrical diagram illustrating the supplying a position sensor from an electrical generator according to the invention with simple rectification and provided with two pairs of electrodes
  • FIG. 7 is an electrical diagram of an angular position sensor including a level shift stage
  • FIG. 8 is an electrical diagram for the use of a generator according to the invention with a wheel speed sensor with JK or D 1 rocker.
  • FIG. 9 represents the "raw" output voltage of a pair of electrodes.
  • FIG. 10 schematically represents the scaled voltage (Vsc of FIG. 7) by means of the resistive network R / 1000R,
  • FIG. 11 schematically represents the output voltage Vo of FIG. 7
  • FIG. 12 schematically represents the waveform of the signal Vs of FIG. 8.
  • Figure 1 shows a bellows 2 protecting a connection, for example by gimbal, between two axes 4 and 6 inclined axially with respect to one another.
  • the first axis 4 drives for example the second axis 6 in rotation.
  • the shaft 4 is then for example a transmission shaft connected to a differential and the shaft 6 is for example a wheel shaft.
  • the articulation between these two shafts is protected by the bellows 2 inside which there may be a lubricant.
  • the bellows 2, in a conventional manner, is in the form of a tubular sleeve with longitudinal corrugations.
  • a cross section through the bellows is circular in shape but the diameter of the section varies depending on the longitudinal position of the cross section.
  • the original idea underlying the present invention is to integrate an electric generator in such a bellows.
  • This generator uses electroactive polymer materials. When such a material is deformed, an electric field appears on its surface. This phenomenon is reversible and thus when such a material is subjected to an electric field it extends or retracts, depending on the orientation of the field.
  • the use of such a material is therefore advantageous in the present application since the bellows 2 is deformed permanently when the shaft 4 drives the shaft 6 in rotation.
  • the electroactive polymer materials have the advantage of having a high specific energy density. It is thus possible to generate 0.4 J / g with such materials. Large deformations are also acceptable by these materials (often greater than 250% of the initial length) and their cost is very interesting.
  • electroactive polymers based on acrylic elastomer, silicone, polyurethane, fluoro-silicones, fluoroelastomers, isoprene, polybutadiene, natural rubber or latex can be used. The performance of such dielectric elastomeric materials is very interesting. FIG.
  • the external surface of the bellows 2 is formed an outer layer 8 made of a flexible material such as, for example, rubber.
  • the material usually used for the production of a similar bellows can be used here.
  • an electrical generator comprising in particular a layer of an electroactive polymer material, hereinafter referred to as the EAP layer 10.
  • An outer electrode 12 is disposed between the EAP layer 10 and the outer layer 8 while an inner electrode 14 is disposed facing the outer electrode 12 on the opposite face of the EAP layer 10, inside the bellows 2.
  • FIG. 4 shows an end view of the bellows 2 of FIG. 1.
  • the electric generator inside the bellows 2 has two external electrodes 12 and 12 'and two electrodes. 14 and 14 '.
  • each of the electrodes extends over the entire length of the bellows 2 or, preferably at least over the entire length of the corrugated portion of the bellows 2, that is to say the entire length of the bellows 2 is deforming.
  • the electrodes are always separated by the EAP layer 10 so that the latter also extends preferably over the entire length of the bellows 2 or preferably over at least the entire length of the corrugations of this bellows.
  • This EAP layer 10 thus preferably resumes the shape of the outer layer 8. It has only a very slightly smaller diameter and possibly a different thickness.
  • each of the electrodes 12, 12 ', 14, 14' extends over approximately 180 °.
  • the outer electrodes 12, 12 'as well as the inner electrodes 14, 14' are separated from each other by insulating elements 16 extending in each case over the entire length of the corresponding electrodes. It is advantageous to choose electrodes in conducting polymer material, since the thermal and mechanical properties will be closer to those of the EAP material only in the case of metal electrodes (eg steel or aluminum sheets).
  • the outer face of the sleeve of electroactive polymer material is in turn covered by two outer electrodes extending longitudinally and in the form of a half sleeve covering the sleeve of electroactive polymer material.
  • Each outer electrode is disposed facing an inner electrode, the electroactive polymer material thus forming the dielectric of a pair of electrodes (inner electrode and corresponding outer electrode).
  • the embodiment shown is a preferred embodiment that has two pairs of electrodes. However, it is conceivable to use only one pair of electrodes. These electrodes are then facing and preferably extend at most 180 ° around the longitudinal axis of the bellows 2. Thus, it is preferable to use a sleeve of electroactive polymer material and to cover all its inner surface and any its outer surface of electrodes (except of course insulating elements necessary to separate the electrodes). Two pairs of electrodes are then preferably provided but it may be envisaged to have more than two pairs of electrodes without departing from the scope of the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 the arrows 18 schematically represent the stresses in the EAP 10 layer.
  • FIG. 2 corresponds to a section in zone A of FIG. 1 in which the electroactive polymer material is stretched, while FIG. at the same cut but when the trees have rotated 180 °, that is to say when the same material is in the area A 'of Figure 1.
  • the electroactive polymer material is compressed.
  • the electric generator thus produced provides an alternating voltage at the electrodes.
  • the latter is not directly usable by a sensor or other electronic device. It should therefore be straightened and adapted.
  • a processing unit 20 including a single or double rectification stage - as shown in FIGS. 5a, 5b and 6 - as well as a switching power supply 26, allowing the conversion of a voltage of a given value to another value, having very good electrical efficiencies, and potentially reversible.
  • This is for example a DC-DC step down converter, usually called Buck converter.
  • each input of the processing unit 20 is connected to an electrode of a pair of electrodes according to the polarity of the generated voltage.
  • the processing unit 20 then makes it possible to obtain a DC voltage Vo at the output.
  • This voltage source can be used to power a sensor.
  • a first application of such a self-powered sensor is a speed sensor and / or wheel position. It is noted in fact that the signal provided by the electrodes is an alternating signal identifiably linked by a computer to the angular position of the bellows, and therefore of the same frequency as the rotation of the corresponding wheel. It is therefore easy to deduce the position of the wheel by analyzing the signal supplied by the electrodes of the electric generator (see Fig. 11). It is also possible, using the signal obtained, to know the angular velocity of the wheel (see Fig. 12).
  • this electrical generator integrated in the bellows 2 As a speed and / or position sensor, it must be ensured that the rotation of the bellows is synchronous with the rotation of the wheel, that is to say with Trees 4 and 6.
  • the bellows are mounted by clamping using a collar or equivalent means. It is necessary to provide a bellows mounting 2 on the shafts 4 and 6 in a predetermined position to allow the indexing of the angular position of the wheel. This can be obtained mechanically in a very simple way by providing for example a polarizer. Just provide one or more teeth on the shafts and corresponding recesses on the bellows 2. It can thus ensure a known position of the bellows 2 with the shafts 4 and 6 throughout the life of the bellows 2. In addition, when the mounting of a new bellows, it can resume exactly the same position as the defective bellows.
  • FIGS. 5a, 7 and 8 show electrical diagrams making it possible, from the signal received by a pair of electrodes 12, 14 or 12 ', 14', to supply a position and / or speed sensor.
  • a pair of electrodes 12, 14 is connected to a bridge-type rectifier bridge of Graetz 22. This bridge is then connected to terminals A and B of a capacitor C (designed to withstand high voltages) as well. at the terminals of a switching power supply 26.
  • the position and / or speed sensor 28 is connected.
  • This sensor 28 is preferably associated with an antenna 30 for emitting electromagnetic signals 31 indicating the result of the measurement made by the sensor 28.
  • Figure 7 shows an electrical diagram for mounting a wheel position sensor with level shift. The signal coming from a pair of electrodes 12, 14 passes into a voltage divider (resistors 1000R1 and R1) and is then processed by an operational amplifier 29 associated with resistors R2 to provide a signal Vo representative of the position of the wheel.
  • FIG 8 shows a mounting for a wheel speed sensor.
  • a divider bridge (resistors 1000R and R) which is associated with an electronic flip-flop 32, for example a flip-flop of JK or D type.
  • a signal Vs representative of the speed of the wheel is then obtained at the output.
  • Fig. 9 shows the output voltage across a pair of electrodes. In the example given here, there is a voltage amplitude of about 2000 V, but with an offset of 500 V (the numerical values are given by way of illustrative example but are not limiting). This is because the relationship between the output voltage and the stress level is not linear for the electroactive materials.
  • the curve shown in Figure 9 is not entirely representative of reality since the output voltage is not quite a sinusoidal function, although periodic.
  • Figure 10 shows the voltage of Figure 9 scaled. This voltage is obtained at the output of a resistive network R1 / 1000 R1 and corresponds to the voltage Vsc of FIG. 7. Since this voltage can be of negative value, a stage with the operational amplifier 29 is provided to shift the level of this tension. The output voltage of this amplifier is shown in Fig. 11 (Vo in Fig. 7). It is exploitable by an automobile computer to identify the angular position of the axis around the bellows. The output voltage of a pair of bellows electrodes scaled by a resistive network Vsc can also be introduced into the electronic flip-flop 32 (as shown in FIG. 8), whose output (Vs) will be exploitable for evaluate the speed of rotation of the axis around bellows. FIG.
  • FIG. 5b shows for its part an embodiment of a voltage generator according to the invention and provided with two pairs of electrodes, each of the pairs being associated with a rectifier bridge similar to that of FIG. 5a, said bridge the rectifier being connected to the terminals A and B of a capacitor C as well as to the terminals of a switching power supply 26.
  • the position and / or velocity sensor 28 is connected.
  • This sensor 28 is preferably associated with an antenna 30 for emitting electromagnetic signals 31 indicating the result of the measurement made by the sensor 28.
  • Figure 6 also shows an electrical diagram for the use of the generator as an electric generator.
  • the two pairs of electrodes are used.
  • the electrodes are thus connected to the terminals A and B of the capacitor C and to a switching power supply 26.
  • the output terminals are recovered at this switching power supply 26 a DC voltage that can be used to power a sensor 28 or any other electronic device.
  • the generator described above makes it possible to provide a source of energy from two shafts driven in rotation, the two shafts being not aligned in the axial direction.
  • This energy source is advantageously used to power sensors and make them autarkic sensors to measure quantities including the rotation that is the source of energy.
  • the energy source thus obtained can be used as a speed and angular position sensor for electronic systems known as ABS and ESP or equivalent electronic systems.
  • the generator according to the invention has the great advantage of not being cumbersome, of being integrated into an existing and durable organ and of being able to be implanted in a motor vehicle in places that are difficult to access because they are at the level of a room movement (the wheel for example).
  • the present invention is not limited to the preferred embodiment described above by way of non-limiting example and to the variants mentioned. It also relates to the embodiments within the scope of the skilled person.

Abstract

The invention relates to a power generator that uses an electro-mechanical transducer including a layer of an electro-active polymer material (10) provided between two electrodes (12, 12', 14, 14'). The layer of electro-active polymer material (10) is built into a bellows (2) made of a flexible material surrounding a universal joint-type connection between two non-aligned shafts (4, 6) and rotated therewith. The layer of electro-active polymer material (10) and the electrodes (12, 12', 14, 14') extend longitudinally relative to two shafts (4, 6), the electrodes (12, 12', 14, 14') being provided in facing positions on either side of the layer of electro-active polymer material (10).

Description

Générateur électrique utilisant un polymère électroactif Electric generator using an electroactive polymer
La présente invention concerne un générateur électrique utilisant un polymère électroactif.The present invention relates to an electric generator using an electroactive polymer.
Le domaine concerné par la présente invention est notamment le domaine de la construction automobile. Dans ce domaine, un nombre croissant de capteurs et d'actionneurs sont utilisés. Leur alimentation électrique pose certains problèmes. Dans la conception du véhicule par exemple, il convient de prévoir des passages de câbles d'alimentation. Le nombre croissant de câbles entraîne une augmentation de la masse de cuivre utilisé dans le véhicule. Compte tenu de ces éléments, il convient également de prévoir une batterie capable d'assurer l'alimentation électrique de tous ces composants. Les batteries utilisées deviennent donc de plus en plus puissantes et de plus en plus lourdes. On arrive donc à des véhicules plus lourds et de ce fait plus grands consommateurs de carburant.The field concerned by the present invention is in particular the field of automobile construction. In this field, a growing number of sensors and actuators are used. Their power supply poses some problems. In the design of the vehicle for example, it is necessary to provide passages of power cables. The increasing number of cables causes an increase in the mass of copper used in the vehicle. Given these elements, it is also necessary to provide a battery capable of supplying power to all these components. The batteries used therefore become more and more powerful and more and more heavy. This leads to heavier vehicles and therefore greater fuel consumption.
On remarque également que certains dispositifs électroniques sont en mouvement permanent par rapport au châssis du véhicule ; il convient donc de prévoir des câbles flexibles pour l'alimentation électrique de ces dispositifs. De tels câbles sont très onéreux car ils doivent résister à de très fortes contraintes.We also note that some electronic devices are in permanent movement relative to the chassis of the vehicle; it is therefore necessary to provide flexible cables for the power supply of these devices. Such cables are very expensive because they have to withstand very high stresses.
Dans le cas où un capteur mobile est à alimenter, une pile électrique peut également être intégrée au capteur, mais cela entraîne des problèmes de maintenance, de durée de vie, d'encombrement, de recyclage et de coûts. II existe également des capteurs sans fil et sans source d'énergie électrochimique embarquée. Ils sont équipés d'un récepteur/transducteur recevant de l'énergie électromagnétique à partir d'une antenne émettrice. Cette technologie est grosse consommatrice d'électricité puisque seule une petite partie de l'énergie émise par l'antenne est reçue au niveau des récepteurs. En outre, plus la distance d'émission augmente, plus le risque de perturbation électromagnétique croît.In the case where a mobile sensor is to be powered, an electric battery can also be integrated in the sensor, but this causes problems of maintenance, service life, size, recycling and costs. There are also wireless sensors and without on-board electrochemical energy source. They are equipped with a receiver / transducer receiving electromagnetic energy from a transmitting antenna. This technology consumes a lot of electricity because only a small part of the energy emitted by the antenna is received at the receivers. In addition, as the transmission distance increases, the risk of electromagnetic disturbance increases.
L'idée à l'origine de la présente invention est d'utiliser des polymères électroactifs (connus notamment sous les abréviations anglaises EAP pour "ElectroActive Polymer") pour réaliser un générateur d'électricité délocalisé dans un véhicule automobile. Un des buts de l'invention est d'offrir la possibilité de remplacer certains capteurs alimentés par un fil par des capteurs sans fil et sans source d'énergie électrochimique embarquée (de tels capteurs sont dits "autarciques"). La transmission sans fils d'énergie électrique destinée à alimenter des capteurs ne pouvant se faire que sur des faibles distances, il convient d'avoir un générateur électrique à proximité et mécaniquement solidaire du capteur sans fil. Ceci peut être particulièrement intéressant pour des capteurs entièrement mobiles (capteur de pression de pneumatique par exemple), des capteurs se trouvant en des endroits en mouvement permanent mais dont l'amplitude est limitée par rapport au châssis du véhicule (capteur de vitesse roue sur le triangle ou capteur de hauteur de suspension / hauteur d'assiette) ou bien des capteurs à proximité de dispositifs à haute température tels des éléments d'un échappement ou d'un élément de la chaîne du traitement des gaz d'échappement. La présente invention propose alors un générateur électrique comportant un transducteur électro-mécanique comportant au moins une couche de matériau polymère électroactif disposée chacune entre deux électrodes.The idea at the origin of the present invention is to use electroactive polymers (known in particular under the English abbreviations EAP for "ElectroActive Polymer") to produce an electricity generator delocalized in a motor vehicle. One of the aims of the invention is to offer the possibility of replacing certain sensors powered by a wire by wireless sensors and without on-board electrochemical energy source (such sensors are said to be "autarkic"). The wireless transmission of electrical energy to supply sensors can be done only over short distances, it is necessary to have a nearby electrical generator and mechanically secured to the wireless sensor. This can be particularly interesting for fully mobile sensors (tire pressure sensor for example), sensors located in places in constant motion but whose amplitude is limited by relative to the chassis of the vehicle (wheel speed sensor on the triangle or suspension height sensor / attitude height) or sensors near high temperature devices such as elements of an exhaust or an element of the exhaust gas treatment chain. The present invention then proposes an electric generator comprising an electromechanical transducer comprising at least one layer of electroactive polymer material each disposed between two electrodes.
Selon la présente invention, la couche de matériau polymère électroactif est intégrée à un soufflet en matériau souple entourant dans le sens axial une liaison de type cardan entre deux arbres non alignés et entraîné en rotation avec eux, et la couche de matériau polymère électroactif et les électrodes s'étendent longitudinalement par rapport aux arbres, les électrodes étant disposées l'une face à l'autre de part et d'autre de la couche de matériau polymère électroactif. Pour pouvoir suivre les déformations permanentes du matériau électroactif, les électrodes doivent également être souples. Ceci peut être réalisé en choisissant des électrodes sous forme de feuilles en métal (alu/acier) mais plus avantageusement encore en polymères de matériau conducteur.According to the present invention, the layer of electroactive polymer material is integrated into a bellows of flexible material axially surrounding a cardan-type connection between two non-aligned shafts and rotated with them, and the layer of electroactive polymer material and the electrodes extend longitudinally with respect to the shafts, the electrodes being arranged opposite one another on either side of the layer of electroactive polymer material. To be able to follow the permanent deformations of the electroactive material, the electrodes must also be flexible. This can be achieved by choosing electrodes in the form of metal sheets (aluminum / steel) but more advantageously still polymers of conductive material.
De cette manière, le matériau polymère électroactif est, au cours d'une rotation, tantôt comprimé, tantôt étiré. Un champ électrique alternatif apparaît donc et une différence de potentiel correspondante est créée entre les électrodes. Ce générateur électrique est opérationnel dès qu'il est entraîné en rotation.In this way, the electroactive polymer material is, during a rotation, sometimes compressed, sometimes stretched. An alternating electric field therefore appears and a corresponding potential difference is created between the electrodes. This electric generator is operational as soon as it is rotated.
Afin d'exploiter au mieux les déformations du soufflet, une couche de matériau polymère électroactif forme un manchon continu, et au moins deux paires d'électrodes sont réparties à la périphérie du manchon en matériau polymère électroactif, deux électrodes d'une même paire d'électrodes se faisant face en étant séparées par le manchon polymère électroactif. Les deux paires d'électrodes recouvrent de préférence presque toute la surface intérieure et extérieure du manchon réalisé en matériau polymère électroactif. Il est possible de cette manière d'optimiser la récupération d'énergie liée à la déformation du manchon. Dans cette forme de réalisation présentant plusieurs paires d'électrodes, on peut prévoir une variante préférée selon laquelle deux paires d'électrodes entourent le manchon polymère électroactif, chaque électrode étant isolée électriquement des autres électrodes, et dans laquelle aussi chaque électrode s'étend sur environ 180° à la périphérie ou à l'intérieur du manchon.In order to make best use of the deformations of the bellows, a layer of electroactive polymer material forms a continuous sleeve, and at least two pairs of electrodes are distributed around the periphery of the sleeve of electroactive polymer material, two electrodes of the same pair of electrodes. electrodes facing each other by being separated by the electroactive polymer sleeve. The two pairs of electrodes preferably cover almost the entire inner and outer surface of the sleeve made of electroactive polymer material. In this way, it is possible to optimize the energy recovery related to the deformation of the sleeve. In this embodiment having several pairs of electrodes, a preferred variant can be provided in which two pairs of electrodes surround the electroactive polymer sleeve, each electrode being electrically insulated from the other electrodes, and in which also each electrode extends over about 180 ° at the periphery or inside the sleeve.
On peut également prévoir une autre variante selon laquelle trois ou quatre paires d'électrodes entourent le manchon polymère électroactif, chaque électrode étant isolée électriquement des autres électrodes, et dans laquelle aussi chaque électrode s'étend sur environ 120°, respectivement 90° à la périphérie ou à l'intérieur du manchon. Pour pouvoir alimenter un dispositif électronique tel qu'un capteur électronique, un générateur électrique selon l'invention comporte avantageusement aussi des moyens de transformation de la tension de sortie d'au moins une paire d'électrodes, tels - par exemple - un convertisseur abaisseur de tension DC-DC (tel un convertisseur Buck) précédé d'un étage de redressement simple ou double.It is also possible to provide another variant in which three or four pairs of electrodes surround the electroactive polymer sleeve, each electrode being electrically insulated from the other electrodes, and in which also each electrode extends over approximately 120 °, respectively 90 ° to the periphery or inside the sleeve. In order to power an electronic device such as an electronic sensor, an electric generator according to the invention advantageously also comprises means for transforming the output voltage of at least one pair of electrodes, such as, for example, a down converter. DC-DC voltage (such as a Buck converter) preceded by a single or double recovery stage.
Pour favoriser la génération de puissance lorsque le générateur présente plusieurs paires d'électrodes, les électrodes sont avantageusement connectées à un condensateur récupérateur, chaque paire d'électrodes étant associée à un étage redresseur simple ou double. La présente invention concerne également un soufflet de protection pour une liaison de type cardan de deux arbres non alignés, caractérisé en ce qu'il intègre un générateur électrique tel que décrit plus haut. Dans un tel soufflet de protection, les électrodes s'étendent de préférence sensiblement sur toute la longueur du soufflet pour bénéficier au mieux des déformations dans celui-ci lors de sa rotation. La présente invention concerne également un capteur de rotation d'arbre, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur électrique tel que décrit plus haut, et en ce que ce générateur est solidaire de l'arbre dont la vitesse de rotation et/ou la position angulaire est mesurée.To promote power generation when the generator has several pairs of electrodes, the electrodes are advantageously connected to a recovery capacitor, each pair of electrodes being associated with a single or double rectifier stage. The present invention also relates to a protective bellows for a cardan type connection of two non-aligned shafts, characterized in that it incorporates an electric generator as described above. In such a protective bellows, the electrodes preferably extend substantially over the entire length of the bellows to benefit the best deformations in it during its rotation. The present invention also relates to a shaft rotation sensor, characterized in that it comprises an electric generator as described above, and in that this generator is integral with the shaft whose rotation speed and / or the angular position is measured.
Des détails et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui suit, faite en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels :Details and advantages of the present invention will emerge more clearly from the description which follows, made with reference to the appended diagrammatic drawings in which:
La figure 1 présente schématiquement un soufflet de cardan utilisé pour la réalisation d'un générateur selon l'invention,FIG. 1 schematically shows a gimbal bellows used for producing a generator according to the invention,
La figure 2 illustre la contrainte dans la couche de polymère du soufflet de la figure 1 au point A, La figure 3 représente les contraintes dans la couche de polymère pour le point A' de la figure 1 ,FIG. 2 illustrates the stress in the polymer layer of the bellows of FIG. 1 at point A; FIG. 3 represents the stresses in the polymer layer for point A 'of FIG. 1,
La figure 4 est une vue de face du soufflet et du générateur électrique de la figure 1 ,FIG. 4 is a front view of the bellows and the electric generator of FIG. 1,
La figure 5a est un schéma électrique illustrant l'alimentation d'un capteur de position à partir d'un générateur électrique conforme à l'invention avec double redressement et muni de deux électrodes,FIG. 5a is an electrical diagram illustrating the supply of a position sensor from an electrical generator according to the invention with double rectification and provided with two electrodes,
La figure 5b est un schéma électrique illustrant l'alimentation d'un capteur de position à partir d'un générateur électrique conforme à l'invention avec double redressement et muni de deux paires d'électrodes, La figure 6 est un schéma électrique illustrant l'alimentation d'un capteur de position à partir d'un générateur électrique conforme à l'invention avec simple redressement et muni de deux paires d'électrodes La figure 7 est un schéma électrique d'un capteur de position angulaire incluant un étage de décalage de niveau,FIG. 5b is an electrical diagram illustrating the supply of a position sensor from an electrical generator according to the invention with double rectification and provided with two pairs of electrodes, FIG. 6 is an electrical diagram illustrating the supplying a position sensor from an electrical generator according to the invention with simple rectification and provided with two pairs of electrodes FIG. 7 is an electrical diagram of an angular position sensor including a level shift stage,
La figure 8 est un schéma électrique pour l'utilisation d'un générateur selon l'invention avec un capteur de vitesse de roues avec bascule JK ou D1 La figure 9 représente la tension de sortie "brute" d'une paire d'électrodes,FIG. 8 is an electrical diagram for the use of a generator according to the invention with a wheel speed sensor with JK or D 1 rocker. FIG. 9 represents the "raw" output voltage of a pair of electrodes. ,
La figure 10 représente schématiquement la tension mise à l'échelle (Vsc de la figure 7) au moyen du réseau résistif R/1000R,FIG. 10 schematically represents the scaled voltage (Vsc of FIG. 7) by means of the resistive network R / 1000R,
La figure 1 1 représente schématiquement la tension de sortie Vo de la figure 7, et La figure 12 représente schématiquement la forme d'onde du signal Vs de la figure 8.FIG. 11 schematically represents the output voltage Vo of FIG. 7, and FIG. 12 schematically represents the waveform of the signal Vs of FIG. 8.
La figure 1 représente un soufflet 2 protégeant une liaison, par exemple par cardan, entre deux axes 4 et 6 inclinés dans le sens axial l'un par rapport à l'autre. Le premier axe 4 entraîne par exemple le second axe 6 en rotation. On retrouve un tel soufflet au niveau d'une roue d'un véhicule automobile ainsi qu'au niveau de la liaison de l'arbre de roue à la sortie de la boîte de vitesses (dans les véhicules à traction). L'arbre 4 est alors par exemple un arbre de transmission relié à un différentiel et l'arbre 6 est par exemple un arbre de roue. L'articulation entre ces deux arbres est protégée par le soufflet 2 à l'intérieur duquel se trouve éventuellement un lubrifiant. Le soufflet 2, de manière classique, se présente sous la forme d'un manchon tubulaire avec des ondulations longitudinales. Ainsi, une section transversale à travers le soufflet est de forme circulaire mais le diamètre de la section varie en fonction de la position longitudinale de la coupe transversale.Figure 1 shows a bellows 2 protecting a connection, for example by gimbal, between two axes 4 and 6 inclined axially with respect to one another. The first axis 4 drives for example the second axis 6 in rotation. There is such a bellows at a wheel of a motor vehicle and at the connection of the wheel shaft at the output of the gearbox (in traction vehicles). The shaft 4 is then for example a transmission shaft connected to a differential and the shaft 6 is for example a wheel shaft. The articulation between these two shafts is protected by the bellows 2 inside which there may be a lubricant. The bellows 2, in a conventional manner, is in the form of a tubular sleeve with longitudinal corrugations. Thus, a cross section through the bellows is circular in shape but the diameter of the section varies depending on the longitudinal position of the cross section.
L'idée originale à la base de la présente invention est d'intégrer un générateur électrique dans un tel soufflet. Ce générateur utilise des matériaux polymères électroactifs. Lorsqu'un tel matériau se déforme, on voit apparaître à sa surface un champ électrique. Ce phénomène est réversible et ainsi lorsqu'un tel matériau est soumis à un champ électrique il se rallonge ou se rétracte, selon l'orientation du champ. L'utilisation d'un tel matériau est donc avantageuse dans la présente application puisque le soufflet 2 se déforme en permanence lorsque l'arbre 4 entraîne l'arbre 6 en rotation.The original idea underlying the present invention is to integrate an electric generator in such a bellows. This generator uses electroactive polymer materials. When such a material is deformed, an electric field appears on its surface. This phenomenon is reversible and thus when such a material is subjected to an electric field it extends or retracts, depending on the orientation of the field. The use of such a material is therefore advantageous in the present application since the bellows 2 is deformed permanently when the shaft 4 drives the shaft 6 in rotation.
Dans une telle application, il n'est pas possible d'utiliser des matériaux piézoélectriques car les déformations que subit le soufflet dépassent largement la limité d'élasticité de la plupart des matériaux piézoélectriques. En outre, les matériaux polymères électroactifs présentent l'avantage de présenter une densité énergétique spécifique importante. On peut ainsi générer 0,4 J/g avec de tels matériaux. De grandes déformations sont également acceptables par ces matériaux (supérieures souvent à 250% de la longueur initiale) et leur coût est très intéressant. Dans le domaine automobile, on peut utiliser, par exemple, des polymères électroactifs à base d'élastomère acrylique, de silicone, de polyuréthane, de fluoro-silicones, de fluoro-élastomères, d'isoprène, de polybutadiène, de caoutchouc naturel ou bien de latex. Les performances de tels matériaux élastomères diélectriques sont très intéressantes. La figure 2 représente à échelle agrandie une coupe longitudinale réalisée dans le soufflet 2 au niveau de la zone A de la figure 1. Cette coupe permet d'apprécier la structure de l'intérieur du soufflet 2. La surface extérieure du soufflet 2 est formée par une couche extérieure 8 réalisée dans un matériau souple tel, par exemple, du caoutchouc. On peut utiliser ici le matériau habituellement utilisé pour la réalisation d'un soufflet similaire. A l'intérieur du soufflet, protégé par la couche extérieur e, se trouve un générateur électrique comprenant notamment une couche d'un matériau polymère électroactif, appelée par la suite couche EAP 10. Une électrode extérieure 12 est disposée entre la couche EAP 10 et la couche extérieure 8 tandis qu'une électrode intérieure 14 est disposée face à l'électrode extérieure 12 sur la face opposée de la couche EAP 10, à l'intérieur du soufflet 2.In such an application, it is not possible to use piezoelectric materials because the deformations experienced by the bellows greatly exceed the limited elasticity of most piezoelectric materials. In addition, the electroactive polymer materials have the advantage of having a high specific energy density. It is thus possible to generate 0.4 J / g with such materials. Large deformations are also acceptable by these materials (often greater than 250% of the initial length) and their cost is very interesting. In the field For example, electroactive polymers based on acrylic elastomer, silicone, polyurethane, fluoro-silicones, fluoroelastomers, isoprene, polybutadiene, natural rubber or latex can be used. The performance of such dielectric elastomeric materials is very interesting. FIG. 2 represents on an enlarged scale a longitudinal section made in the bellows 2 at the zone A of FIG. 1. This section makes it possible to appreciate the structure of the interior of the bellows 2. The external surface of the bellows 2 is formed an outer layer 8 made of a flexible material such as, for example, rubber. The material usually used for the production of a similar bellows can be used here. Inside the bellows, protected by the outer layer e, there is an electrical generator comprising in particular a layer of an electroactive polymer material, hereinafter referred to as the EAP layer 10. An outer electrode 12 is disposed between the EAP layer 10 and the outer layer 8 while an inner electrode 14 is disposed facing the outer electrode 12 on the opposite face of the EAP layer 10, inside the bellows 2.
Les électrodes 12 et 14 s'étendent longitudinalement par rapport au soufflet 2. Ainsi, lors de la rotation du soufflet 2, entraîné par la rotation des arbres 4 et 6, le matériau polymère électroactif se trouvant entre les électrodes est dans un même état d'étirement ou de compression. La figure 4 montre une vue d'extrémité du soufflet 2 de la figure 1. On remarque alors que, dans la forme de réalisation représentée, le générateur électrique à l'intérieur du soufflet 2 présente deux électrodes extérieures 12 et 12' et deux électrodes intérieures 14 et 14'. Pour une meilleure efficacité, chacune des électrodes s'étend sur toute la longueur du soufflet 2 ou, de préférence au moins sur toute la longueur de la partie ondulée du soufflet 2, c'est-à-dire toute la longueur du soufflet 2 se déformant. Bien entendu, les électrodes sont toujours séparées par la couche EAP 10 si bien que cette dernière s'étend elle aussi de préférence sur toute la longueur du soufflet 2 ou de préférence sur au moins toute la longueur des ondulations de ce soufflet. Cette couche EAP 10 reprend ainsi de préférence globalement la forme de la couche extérieure 8. Elle présente uniquement un diamètre très légèrement inférieur et éventuellement une épaisseur différente.The electrodes 12 and 14 extend longitudinally with respect to the bellows 2. Thus, during the rotation of the bellows 2, driven by the rotation of the shafts 4 and 6, the electroactive polymer material between the electrodes is in the same state. stretching or compression. FIG. 4 shows an end view of the bellows 2 of FIG. 1. It should be noted that, in the embodiment shown, the electric generator inside the bellows 2 has two external electrodes 12 and 12 'and two electrodes. 14 and 14 '. For best efficiency, each of the electrodes extends over the entire length of the bellows 2 or, preferably at least over the entire length of the corrugated portion of the bellows 2, that is to say the entire length of the bellows 2 is deforming. Of course, the electrodes are always separated by the EAP layer 10 so that the latter also extends preferably over the entire length of the bellows 2 or preferably over at least the entire length of the corrugations of this bellows. This EAP layer 10 thus preferably resumes the shape of the outer layer 8. It has only a very slightly smaller diameter and possibly a different thickness.
Comme on peut le remarquer sur la figure 4, chacune des électrodes 12, 12', 14, 14' s'étend sur environ 180°. Les électrodes extérieures 12, 12' de même que les électrodes intérieures 14, 14' sont séparées les unes des autres par des éléments isolants 16 s'étendant à chaque fois sur toute la longueur des électrodes correspondantes. Il est avantageux de choisir des électrodes en matériau polymère conducteur, car les propriétés thermiques et mécaniques seront plus proches de celles du matériau EAP que dans le cas d'électrodes métalliques (par exemple feuilles d'acier ou d'aluminium).As can be seen in FIG. 4, each of the electrodes 12, 12 ', 14, 14' extends over approximately 180 °. The outer electrodes 12, 12 'as well as the inner electrodes 14, 14' are separated from each other by insulating elements 16 extending in each case over the entire length of the corresponding electrodes. It is advantageous to choose electrodes in conducting polymer material, since the thermal and mechanical properties will be closer to those of the EAP material only in the case of metal electrodes (eg steel or aluminum sheets).
En résumé, on a donc un manchon tubulaire ondulé avec des ondulations longitudinales en matériau polymère électroactif à l'intérieur duquel se trouvent deux électrodes intérieures s'étendant longitudinalement et recouvrant à chaque fois sur environ 180° la face intérieure du manchon en matériau polymère électroactif. La face extérieure du manchon en matériau polymère électroactif est quant à elle recouverte par deux électrodes extérieures s'étendant longitudinalement et en forme de demi manchon recouvrant le manchon de matériau polymère électroactif. Chaque électrode extérieure est disposée face à une électrode intérieure, le matériau polymère électroactif formant ainsi le diélectrique d'une paire d'électrodes (électrode intérieure et électrode extérieure correspondante).In summary, there is therefore a corrugated tubular sleeve with longitudinal corrugations of electroactive polymer material inside which are two inner electrodes extending longitudinally and covering each time about 180 ° the inner face of the sleeve of electroactive polymer material. . The outer face of the sleeve of electroactive polymer material is in turn covered by two outer electrodes extending longitudinally and in the form of a half sleeve covering the sleeve of electroactive polymer material. Each outer electrode is disposed facing an inner electrode, the electroactive polymer material thus forming the dielectric of a pair of electrodes (inner electrode and corresponding outer electrode).
La forme de réalisation représentée est une forme de réalisation préférée qui présente deux paires d'électrodes. Toutefois, il est envisageable de n'exploiter qu'une seule paire d'électrodes. Ces électrodes se font alors face et s'étendent de préférence au maximum sur 180° autour de l'axe longitudinal du soufflet 2. Ainsi, il est préférable d'utiliser un manchon de matériau polymère électroactif et de recouvrir toute sa surface intérieure et toute sa surface extérieure d'électrodes (à l'exception bien entendu des éléments isolants nécessaires pour séparer les électrodes). On prévoit alors de préférence deux paires d'électrodes mais il peut être envisagé d'avoir plus de deux paires d'électrodes sans sortir de la portée de la présente invention.The embodiment shown is a preferred embodiment that has two pairs of electrodes. However, it is conceivable to use only one pair of electrodes. These electrodes are then facing and preferably extend at most 180 ° around the longitudinal axis of the bellows 2. Thus, it is preferable to use a sleeve of electroactive polymer material and to cover all its inner surface and any its outer surface of electrodes (except of course insulating elements necessary to separate the electrodes). Two pairs of electrodes are then preferably provided but it may be envisaged to have more than two pairs of electrodes without departing from the scope of the present invention.
Sur les figures 2 et 3, les flèches 18 représentent schématiquement les contraintes dans la couche EAP 10. La figure 2 correspond à une coupe dans la zone A de la figure 1 dans laquelle le matériau polymère électroactif est étiré, tandis que la figure 3 correspond à la même coupe mais lorsque les arbres ont effectué une rotation de 180°, c'est-à-dire lorsque le même matériau se trouve dans la zone A' de la figure 1. Le matériau polymère électroactif est comprimé.In FIGS. 2 and 3, the arrows 18 schematically represent the stresses in the EAP 10 layer. FIG. 2 corresponds to a section in zone A of FIG. 1 in which the electroactive polymer material is stretched, while FIG. at the same cut but when the trees have rotated 180 °, that is to say when the same material is in the area A 'of Figure 1. The electroactive polymer material is compressed.
Le générateur électrique ainsi réalisé fournit au niveau des électrodes une tension alternative. Cette dernière n'est pas directement utilisable par un capteur ou un autre dispositif électronique. Il convient donc de la redresser et de l'adapter. Pour la forme de réalisation représentée sur la figure 4, il est proposé d'utiliser une unité de traitement 20 (incluant un étage de redressement simple ou double - comme le montrent les figures 5a, 5b et 6 - ainsi qu'une alimentation à découpage 26), permettant la conversion d'une tension électrique d'une valeur donnée vers une autre valeur, présentant des très bons rendements électriques, et potentiellement réversible. Il s'agit par exemple d'un convertisseur abaisseur de tension DC-DC, usuellement appelé convertisseur Buck. Comme représenté sur cette figure 4, chaque entrée de l'unité de traitement 20 est reliée à une électrode d'une paire d'électrodes selon la polarité de la tension générée. L'unité de traitement 20 permet alors d'obtenir en sortie une tension continue Vo.The electric generator thus produced provides an alternating voltage at the electrodes. The latter is not directly usable by a sensor or other electronic device. It should therefore be straightened and adapted. For the embodiment shown in FIG. 4, it is proposed to use a processing unit 20 (including a single or double rectification stage - as shown in FIGS. 5a, 5b and 6 - as well as a switching power supply 26), allowing the conversion of a voltage of a given value to another value, having very good electrical efficiencies, and potentially reversible. This is for example a DC-DC step down converter, usually called Buck converter. As shown in this FIG. 4, each input of the processing unit 20 is connected to an electrode of a pair of electrodes according to the polarity of the generated voltage. The processing unit 20 then makes it possible to obtain a DC voltage Vo at the output.
Afin de polariser le matériau électroactif à un point de rendement électromécanique optimal, il est possible d'utiliser une alimentation bi-directionnelle en lieu et place de l'alimentation à découpage 26, mais il y a alors lieu de se dispenser de l'étage de redressement entre les électrodes et l'alimentation bi-directionnelle.In order to bias the electroactive material to a point of optimum electromechanical efficiency, it is possible to use a bi-directional power supply in place of the switching power supply 26, but it is then necessary to dispense with the stage rectification between the electrodes and bi-directional power supply.
Cette source de tension peut être utilisée pour alimenter un capteur. Une première application d'un tel capteur auto-alimenté est un capteur de vitesse et/ou de position de roues. On remarque en effet que le signal fourni par les électrodes est un signal alternatif lié de manière identifiable par un calculateur à la position angulaire du soufflet, et donc de même fréquence que la rotation de la roue correspondante. Il est donc aisé de déduire la position de la roue par analyse du signal fourni par les électrodes du générateur électrique (cf. fig. 11). On peut également, à l'aide du signal obtenu, connaître la vitesse angulaire de la roue (cf. fig. 12). Pour pouvoir se servir de ce générateur électrique intégré au soufflet 2 comme capteur de vitesse et/ou de position, il convient de s'assurer que la rotation du soufflet est synchrone avec la rotation de la roue, c'est-à-dire des arbres 4 et 6. Habituellement, les soufflets sont montés par serrage à l'aide d'un collier ou moyen équivalent. Il convient de prévoir un montage du soufflet 2 sur les arbres 4 et 6 en une position prédéterminée pour permettre l'indexation de la position angulaire de la roue. Ceci peut être obtenu mécaniquement de façon très simple en prévoyant par exemple un détrompeur. Il suffit de prévoir une ou plusieurs dents sur les arbres et des creux correspondants sur le soufflet 2. On peut ainsi garantir une position connue du soufflet 2 avec les arbres 4 et 6 durant toute la durée de vie du soufflet 2. En outre, lors du montage d'un nouveau soufflet, celui-ci peut reprendre exactement la même position que le soufflet défectueux.This voltage source can be used to power a sensor. A first application of such a self-powered sensor is a speed sensor and / or wheel position. It is noted in fact that the signal provided by the electrodes is an alternating signal identifiably linked by a computer to the angular position of the bellows, and therefore of the same frequency as the rotation of the corresponding wheel. It is therefore easy to deduce the position of the wheel by analyzing the signal supplied by the electrodes of the electric generator (see Fig. 11). It is also possible, using the signal obtained, to know the angular velocity of the wheel (see Fig. 12). In order to be able to use this electrical generator integrated in the bellows 2 as a speed and / or position sensor, it must be ensured that the rotation of the bellows is synchronous with the rotation of the wheel, that is to say with Trees 4 and 6. Usually, the bellows are mounted by clamping using a collar or equivalent means. It is necessary to provide a bellows mounting 2 on the shafts 4 and 6 in a predetermined position to allow the indexing of the angular position of the wheel. This can be obtained mechanically in a very simple way by providing for example a polarizer. Just provide one or more teeth on the shafts and corresponding recesses on the bellows 2. It can thus ensure a known position of the bellows 2 with the shafts 4 and 6 throughout the life of the bellows 2. In addition, when the mounting of a new bellows, it can resume exactly the same position as the defective bellows.
Les figures 5a, 7 et 8 représentent des schémas électriques permettant, à partir du signal reçu par une paire d'électrodes 12, 14 ou 12', 14' d'alimenter un capteur de position et/ou de vitesse. Sur la figure 5a, une paire d'électrodes 12, 14 est connectée à un pont redresseur de type pont de Graetz 22. Ce pont est ensuite relié aux bornes A et B d'un condensateur C (conçu pour supporter les hautes tensions) ainsi qu'aux bornes d'une alimentation à découpage 26. En sortie de cette alimentation, le capteur 28 de position et/ou de vitesse est branché. Ce capteur 28 est de préférence associé à une antenne 30 permettant d'émettre des signaux 31 électromagnétiques indiquant le résultat de la mesure effectuée par le capteur 28. La figure 7 montre un schéma électrique pour le montage d'un capteur de position de roues avec décalage de niveau. Le signal en provenance d'une paire d'électrodes 12, 14 passe dans un diviseur de tension (résistances 1000R1 et R1 ) puis est traité par un amplificateur opérationnel 29 associé à des résistances R2 pour fournir un signal Vo représentatif de la position de la roue.FIGS. 5a, 7 and 8 show electrical diagrams making it possible, from the signal received by a pair of electrodes 12, 14 or 12 ', 14', to supply a position and / or speed sensor. In FIG. 5a, a pair of electrodes 12, 14 is connected to a bridge-type rectifier bridge of Graetz 22. This bridge is then connected to terminals A and B of a capacitor C (designed to withstand high voltages) as well. at the terminals of a switching power supply 26. At the output of this power supply, the position and / or speed sensor 28 is connected. This sensor 28 is preferably associated with an antenna 30 for emitting electromagnetic signals 31 indicating the result of the measurement made by the sensor 28. Figure 7 shows an electrical diagram for mounting a wheel position sensor with level shift. The signal coming from a pair of electrodes 12, 14 passes into a voltage divider (resistors 1000R1 and R1) and is then processed by an operational amplifier 29 associated with resistors R2 to provide a signal Vo representative of the position of the wheel.
La figure 8 montre un montage pour un capteur de vitesse de roue. On retrouve ici un pont diviseur (résistances 1000R et R) qui est associé à une bascule électronique 32, par exemple une bascule de type JK ou D. On obtient alors en sortie un signal Vs représentatif de la vitesse de la roue. La figure 9 représente la tension de sortie aux bornes d'une paire d'électrodes. Dans l'exemple donné ici, on observe une tension d'amplitude de 2000 V environ, mais avec un offset de 500 V (les valeurs numériques sont données à titre d'exemple illustratif mais ne sont pas limitatives). Ceci est dû au fait que la relation entre la tension de sortie et le niveau de contraintes n'est pas linéaire pour les matériaux électroactifs. La courbe représentée sur la figure 9 n'est pas tout à fait représentative de la réalité dans la mesure où la tension de sortie n'est pas tout à fait une fonction sinusoïdale, bien que périodique.Figure 8 shows a mounting for a wheel speed sensor. Here we find a divider bridge (resistors 1000R and R) which is associated with an electronic flip-flop 32, for example a flip-flop of JK or D type. A signal Vs representative of the speed of the wheel is then obtained at the output. Fig. 9 shows the output voltage across a pair of electrodes. In the example given here, there is a voltage amplitude of about 2000 V, but with an offset of 500 V (the numerical values are given by way of illustrative example but are not limiting). This is because the relationship between the output voltage and the stress level is not linear for the electroactive materials. The curve shown in Figure 9 is not entirely representative of reality since the output voltage is not quite a sinusoidal function, although periodic.
La figure 10 représente la tension de la figure 9 mise à l'échelle. Cette tension est obtenue en sortie d'un réseau résistif R1 / 1000 R1 et correspond à la tension Vsc de la figure 7. Puisque cette tension peut être de valeur négative, un étage avec l'amplificateur opérationnel 29 est prévu pour décaler le niveau de cette tension. La tension de sortie de cet amplificateur est représentée sur la figure 11 (Vo sur fig. 7). Elle est exploitable par un calculateur automobile pour identifier la position angulaire de l'axe autour du soufflet. La tension de sortie d'une paire d'électrodes du soufflet mise à l'échelle par un réseau résistif Vsc peut également être introduite dans la bascule électronique 32 (comme montré sur la figure 8), dont la sortie (Vs) sera exploitable pour évaluer la vitesse de rotation de l'axe autour de soufflet. La figure 12 donne alors la forme d'onde du signal Vs obtenu. Il est à noter que la bascule électronique 32 peut être réalisée de manière logicielle ou non. La Figure 5b montre pour sa part un mode de réalisation d'un générateur de tension conforme à l'invention et muni de deux paires d'électrodes, chacune des paires étant associée à un pont redresseur similaire à celui de la figure 5a, ledit pont redresseur étant relié aux bornes A et B d'un condensateur C ainsi qu'aux bornes d'une alimentation à découpage 26. En sortie de cette alimentation à découpage 26, le capteur 28 de position et/ou de vitesse est branché. Ce capteur 28 est de préférence associé à une antenne 30 permettant d'émettre des signaux 31 électromagnétiques indiquant le résultat de la mesure effectuée par le capteur 28. La figure 6 montre quant à elle également un schéma électrique pour l'utilisation du générateur en tant que générateur électrique. Ici les deux paires d'électrodes sont utilisées. On a un montage similaire à celui de la figure 4 faisant intervenir ici deux diodes D et un condensateur C. Les électrodes sont ainsi reliées aux bornes A et B du condensateur C et à une alimentation à découpage 26. On récupère aux bornes de sortie de cette alimentation à découpage 26 une tension continue pouvant être utilisée pour alimenter un capteur 28 ou tout autre dispositif électronique.Figure 10 shows the voltage of Figure 9 scaled. This voltage is obtained at the output of a resistive network R1 / 1000 R1 and corresponds to the voltage Vsc of FIG. 7. Since this voltage can be of negative value, a stage with the operational amplifier 29 is provided to shift the level of this tension. The output voltage of this amplifier is shown in Fig. 11 (Vo in Fig. 7). It is exploitable by an automobile computer to identify the angular position of the axis around the bellows. The output voltage of a pair of bellows electrodes scaled by a resistive network Vsc can also be introduced into the electronic flip-flop 32 (as shown in FIG. 8), whose output (Vs) will be exploitable for evaluate the speed of rotation of the axis around bellows. FIG. 12 then gives the waveform of the signal Vs obtained. It should be noted that the electronic flip-flop 32 can be implemented in a software way or not. FIG. 5b shows for its part an embodiment of a voltage generator according to the invention and provided with two pairs of electrodes, each of the pairs being associated with a rectifier bridge similar to that of FIG. 5a, said bridge the rectifier being connected to the terminals A and B of a capacitor C as well as to the terminals of a switching power supply 26. At the output of this switching power supply 26, the position and / or velocity sensor 28 is connected. This sensor 28 is preferably associated with an antenna 30 for emitting electromagnetic signals 31 indicating the result of the measurement made by the sensor 28. Figure 6 also shows an electrical diagram for the use of the generator as an electric generator. Here the two pairs of electrodes are used. There is a similar arrangement to that of FIG. 4, involving here two diodes D and a capacitor C. The electrodes are thus connected to the terminals A and B of the capacitor C and to a switching power supply 26. The output terminals are recovered at this switching power supply 26 a DC voltage that can be used to power a sensor 28 or any other electronic device.
Comme il ressort de ce qui précède, le générateur décrit plus haut permet de fournir une source d'énergie à partir de deux arbres entraînés en rotation, les deux arbres n'étant pas alignés dans le sens axial. Cette source d'énergie est avantageusement utilisée pour alimenter des capteurs et en faire des capteurs autarciques afin de mesurer des grandeurs notamment liées à la rotation qui est la source d'énergie. Dans le cas d'une roue et du montage d'un générateur au niveau d'un soufflet de cardan, la source d'énergie ainsi obtenue peut être utilisée comme capteur de vitesse et de position angulaire pour des systèmes électroniques connus sous les noms de ABS et ESP ou des systèmes électroniques équivalents.As can be seen from the foregoing, the generator described above makes it possible to provide a source of energy from two shafts driven in rotation, the two shafts being not aligned in the axial direction. This energy source is advantageously used to power sensors and make them autarkic sensors to measure quantities including the rotation that is the source of energy. In the case of a wheel and the mounting of a generator at a gimbal bellows, the energy source thus obtained can be used as a speed and angular position sensor for electronic systems known as ABS and ESP or equivalent electronic systems.
Le générateur selon l'invention présente le grand avantage de ne pas être encombrant, d'être intégré à un organe existant et pérenne et de pouvoir être implanté dans un véhicule automobile à des endroits difficilement accessibles car se trouvant au niveau d'une pièce en mouvement (la roue par exemple).The generator according to the invention has the great advantage of not being cumbersome, of being integrated into an existing and durable organ and of being able to be implanted in a motor vehicle in places that are difficult to access because they are at the level of a room movement (the wheel for example).
La présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation préférée décrite ci-dessus à titre d'exemple non limitatif et aux variantes évoquées. Elle concerne également les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier. The present invention is not limited to the preferred embodiment described above by way of non-limiting example and to the variants mentioned. It also relates to the embodiments within the scope of the skilled person.

Claims

REVENDICATIONS
1. Générateur électrique comportant un transducteur électro-mécanique comportant au moins une couche de matériau polymère électroactif (10) disposée chacune entre deux électrodes (12, 12', 14, 14'), caractérisé en ce que la couche de matériau polymère électroactif (10) est intégrée à un soufflet (2) en matériau souple entourant une liaison de type cardan entre deux arbres (4, 6) non alignés et entraîné en rotation avec eux, et en ce que la couche de matériau polymère électroactif (10) et les électrodes (12, 12", 14, 14)' s'étendent longitudinalement par rapport aux arbres (4, 6), les électrodes (12, 12', 14, 14') étant disposées l'une face à l'autre de part et d'autre de la couche de matériau polymère électroactif (10).An electric generator comprising an electromechanical transducer comprising at least one layer of electroactive polymer material (10) each disposed between two electrodes (12, 12 ', 14, 14'), characterized in that the layer of electroactive polymer material ( 10) is integrated with a bellows (2) of flexible material surrounding a cardan-type connection between two non-aligned shafts (4, 6) and rotated with them, and in that the layer of electroactive polymer material (10) and the electrodes (12, 12 ", 14, 14) 'extend longitudinally with respect to the shafts (4, 6), the electrodes (12, 12', 14, 14 ') being arranged opposite one another on either side of the layer of electroactive polymer material (10).
2. Générateur électrique selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'une couche de matériau polymère électroactif (10) forme un manchon continu, et en ce que au moins deux paires d'électrodes (12, 12', 14, 14') sont réparties à la périphérie du manchon en matériau polymère électroactif, deux électrodes d'une même paire d'électrodes se faisant face en étant séparée par le manchon polymère électroactif (10).Electric generator according to claim 1, characterized in that a layer of electroactive polymer material (10) forms a continuous sleeve, and in that at least two pairs of electrodes (12, 12 ', 14, 14') are distributed at the periphery of the sleeve of electroactive polymer material, two electrodes of the same pair of electrodes facing each other being separated by the electroactive polymer sleeve (10).
3. Générateur électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que deux paires d'électrodes entourent le manchon polymère électroactif (10), en ce que chaque électrode (12, 12', 14, 14') est isolée électriquement des autres électrodes, et en ce que chaque électrode (12, 12', 14, 14') s'étend sur environ 180° à la périphérie ou à l'intérieur du manchon.Electric generator according to Claim 2, characterized in that two pairs of electrodes surround the electroactive polymer sleeve (10), in that each electrode (12, 12 ', 14, 14') is electrically insulated from the other electrodes, and in that each electrode (12, 12 ', 14, 14') extends about 180 ° at the periphery or inside the sleeve.
4. Générateur électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de transformation (20) de la tension de sortie au niveau d'alimentation de capteurs électroniques habituels, d'au moins une paire d'électrodes. 4. Electrical generator according to one of claims 1 to 3, characterized in that it further comprises means (20) for transforming the output voltage at the supply level of conventional electronic sensors, at least one pair of electrodes.
5. Générateur électrique selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins deux paires d'électrodes sont connectées à un condensateur récupérateur C chaque paire d'électrodes (12, 12', 14, 14') étant associée à un redresseur simple ou double.5. Electrical generator according to one of claims 2 or 3, characterized in that at least two pairs of electrodes are connected to a recovery capacitor C each pair of electrodes (12, 12 ', 14, 14') being associated with a single or double rectifier.
6. Soufflet (2) de protection pour une liaison de type cardan de deux arbres (4, 6) non alignés dans le sens axial, caractérisé en ce qu'il intègre un générateur électrique selon l'une des revendications 1 à 5.6. Bellows (2) protection for a cardan type connection of two shafts (4, 6) not aligned in the axial direction, characterized in that it integrates an electric generator according to one of claims 1 to 5.
7. Soufflet (2) de protection selon la revendication 6, caractérisé en ce que les électrodes (12, 12', 14, 14') s'étendent sensiblement sur toute la longueur du soufflet (2). 7. bellow (2) protection according to claim 6, characterized in that the electrodes (12, 12 ', 14, 14') extend substantially over the entire length of the bellows (2).
8. Capteur de rotation d'arbre, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur électrique selon l'une des revendications 1 à 5, et en ce que ce générateur est solidaire de l'arbre (6) dont la vitesse de rotation et/ou la position angulaire est mesurée à travers la tension de sortie du générateur électrique. 8. shaft rotation sensor, characterized in that it comprises an electric generator according to one of claims 1 to 5, and in that this generator is integral with the shaft (6) whose rotation speed and / or the angular position is measured through the output voltage of the electric generator.
PCT/EP2007/010474 2007-01-22 2007-12-03 Power generator using an electro-active polymer WO2008101533A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0700408A FR2911733B1 (en) 2007-01-22 2007-01-22 ELECTRIC GENERATOR USING AN ELECTROACTIVE POLYMER
FR07/00408 2007-01-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008101533A1 true WO2008101533A1 (en) 2008-08-28

Family

ID=37997215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/010474 WO2008101533A1 (en) 2007-01-22 2007-12-03 Power generator using an electro-active polymer

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR2911733B1 (en)
WO (1) WO2008101533A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2931390B1 (en) * 2008-05-26 2011-04-22 Continental Automotive France SYSTEM FOR MEASURING THE PRESSURE OF A MOTOR VEHICLE TIRE
FR2931548B1 (en) * 2008-05-26 2010-06-18 Continental Automotive France METHOD FOR DETERMINING THE BODY HEIGHT OF A MOTOR VEHICLE
CN109099112B (en) * 2018-10-08 2020-01-03 东北大学 Grinding wheel balance vibration absorption device and method based on EAP drive
CN113078742A (en) * 2021-03-26 2021-07-06 武汉理工大学 Wireless power transmission device with bilateral speed measurement function

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2434743A1 (en) * 1978-09-01 1980-03-28 Bosch Gmbh Robert POWER STEERING
FR2458909A1 (en) * 1979-06-13 1981-01-02 Thomson Csf
EP0887211A1 (en) * 1997-06-23 1998-12-30 Compagnie Generale Des Etablissements Michelin-Michelin & Cie Tire monitoring system
US20050140357A1 (en) * 2001-01-25 2005-06-30 Nsk Ltd. Wheel rotation detecting device
US20050257609A1 (en) * 2000-03-16 2005-11-24 Pirelli Pneumatici S.P.A. Detecting, monitoring, and/or controlling behaviour of a tyre in motion
WO2006093479A1 (en) * 2005-02-24 2006-09-08 Societe De Technologie Michelin System and method of reducing vibration in a tire
US20060238066A1 (en) * 1999-07-20 2006-10-26 Sri International Electroactive polymer generators

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2434743A1 (en) * 1978-09-01 1980-03-28 Bosch Gmbh Robert POWER STEERING
FR2458909A1 (en) * 1979-06-13 1981-01-02 Thomson Csf
EP0887211A1 (en) * 1997-06-23 1998-12-30 Compagnie Generale Des Etablissements Michelin-Michelin & Cie Tire monitoring system
US20060238066A1 (en) * 1999-07-20 2006-10-26 Sri International Electroactive polymer generators
US20050257609A1 (en) * 2000-03-16 2005-11-24 Pirelli Pneumatici S.P.A. Detecting, monitoring, and/or controlling behaviour of a tyre in motion
US20050140357A1 (en) * 2001-01-25 2005-06-30 Nsk Ltd. Wheel rotation detecting device
WO2006093479A1 (en) * 2005-02-24 2006-09-08 Societe De Technologie Michelin System and method of reducing vibration in a tire

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LEE J K ET AL: "Multilayered piezoelectric flexure device", RESEARCH DISCLOSURE, MASON PUBLICATIONS, HAMPSHIRE, GB, vol. 187, November 1979 (1979-11-01), pages 627 - 628, XP002148391, ISSN: 0374-4353 *

Also Published As

Publication number Publication date
FR2911733A1 (en) 2008-07-25
FR2911733B1 (en) 2009-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1911144B1 (en) Optimized energy conversion device
EP1617197B1 (en) Tyre incorporating a force measuring device
EP3713723B1 (en) Gripping device with monitoring of the operating state thereof
EP1737682B1 (en) Tyre comprising a deformation sensor and tyre deflection evaluation method
EP2647120B1 (en) Device for converting mechanical energy into electrical energy
EP1798076B1 (en) Mounting patch for mounting an electronic assembly on a pneumatic tire
WO2008101533A1 (en) Power generator using an electro-active polymer
FR2525410A1 (en) PIEZO-ELECTRIC MOTOR
EP1144948A3 (en) Gyroscopic sensor and apparatus for measuring rotation using same
WO2010136470A2 (en) Wheel
FR2969741A1 (en) SLEEVE PREHEATING CANDLE EFFORTS SENSOR HEATER FINGER OUTSIDE COMBUSTION CHAMBER
EP1902514A1 (en) Device for assisting the variable capacity generating movement
FR3015684A1 (en) DEVICE FOR MEASURING THE WEAR OF A BALL, HEAD INTEGRATING THIS DEVICE AND METHOD FOR MEASURING THE WEAR OF SUCH A BALL
WO2016173702A1 (en) Device for measuring torque applied to a rotary shaft and associated torque measurement method
FR2931390A1 (en) SYSTEM FOR MEASURING THE PRESSURE OF A MOTOR VEHICLE TIRE
EP2705343A1 (en) Monitoring unit and method for detecting structural defects which can occur in an aircraft nacelle during use
EP2541753A2 (en) Electromechanical converter intended for generating electricity and electric power plant
FR2868166A1 (en) SENSOR WITH MEDIUM DRIVE AND INTEGRATED DETECTION
FR3078568A1 (en) FIXING DEVICE
FR2931548A1 (en) METHOD FOR DETERMINING THE BODY HEIGHT OF A MOTOR VEHICLE
EP2600429B1 (en) Vibrational energy harvester using a piezoelectric ceramic part
WO2016097306A1 (en) Pressure sensor suited to measuring pressure in an aggressive environment
EP4071451B1 (en) Pressure sensor for a fluid circuit or for a sealed enclosure of a motor vehicle
EP0966049A1 (en) Piezo-electric motor with integrated position sensor
EP3688300B1 (en) Improved device for damping spacecraft

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07846963

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07846963

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1