WO2009024731A2 - Procede et dispositif de transport, distribution et gestion de l'energie electrique par couplage longitudinal a distance en champ proche entre dipoles electriques - Google Patents

Procede et dispositif de transport, distribution et gestion de l'energie electrique par couplage longitudinal a distance en champ proche entre dipoles electriques Download PDF

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Definitions

  • Electromagnetic waves are the most well-known manifestation of electromagnetic fields.
  • near fields that is to say in the vicinity of the material bodies
  • phenomena of another nature associated with purely electric or magnetic fields.
  • These fundamental fields are not associated with radiation and can permanently surround a body placed in a vacuum without significant loss of energy.
  • electrostatic or magnetostatic regimes however, i!
  • electrostatic or magnetostatic regimes There are many applications where they are used dynamically to transmit energy in near-contact.
  • magnetic fields there are many rotating industrial machines for the transformation of electrical energy into mechanical energy and vice versa.
  • the applications are more restricted but there are in particular the thrusters of charges such as processes of electrostatic painting or ionic thrusters of satellites and especially the capacitors present on all the electronic cards of our everyday environment,
  • the main work inventors is to extend, develop and promote the scope of electrostatic devices to the more general dynamic framework of oscillating electric dipoles sufficiently slowly not to radiate significantly and yet coupled dynamically between them.
  • Electromagnetic and Influence Induction systems are characterized by the fact that most of the energy involved remains stored locally in the vicinity of these devices and does not propagate.
  • Electromagnetic Induction or Influence Induction devices it is generally necessary for their total size to be small compared to the wavelengths of the signals used.
  • a device operating at IMHz can be considered as an electromagnetic induction device as long as the distance between the coils is significantly less than 150m!
  • the invention applies to the transfer of electrical energy, by total or partial influence, between two oscillating electric dipoles each comprising a pair of electrodes of which one is active and the other is passive, both active electrodes being placed opposite each other.
  • the dimensions of the passive electrodes are larger than the dimensions of the active electrodes and / or the passive electrodes are arranged at a distance, so that the electric field in the vicinity of the active electrodes is much more intense than the electric field at the level of the electrodes. passive electrodes.
  • the pair of electrodes is powered by a high-frequency high-frequency generator connected between the two electrodes.
  • the load is connected between the two electrodes.
  • the dimensions of the active electrodes are small relative to the wavelengths considered.
  • electrodes whose size is the tenth of the wavelength used (so that the radiated power is 1/1000 of the power of the near field).
  • larger electrodes for example ⁇ / 8 or even ⁇ / 4
  • electrode length ⁇ / 2 functions as an antenna.
  • the transfer of energy occurs through changes in the electrical potential of the active electrode on the generator side that induce, by total or partial influence, corresponding changes in potential at the active electrode on the load side.
  • Maxwell displacement current a displacement current that is replaced at the conductive / dielectric transition by a displacement current called Maxwell displacement current, whose exact nature and modeling are difficult to approach.
  • Maxwell displacement current a displacement current that is replaced at the conductive / dielectric transition by a displacement current called Maxwell displacement current, whose exact nature and modeling are difficult to approach.
  • a displacement current called Maxwell displacement current
  • we isolate the branches where the conservation of the material current is practically realized we can to obtain a representation of hydrographic type, with branches where the theory of circuits applies normally, the latter being terminated on each side by sources / wells which can be given a simple representation when they correspond to isolated conductors. That the reader excuses us for not being able to say more in these lines because the corresponding theory is still under development. Our goal here is to prepare him for circuits that he would find, otherwise, strange or erroneous.
  • any prior patent of devices integrally represented by conventional circuits and conventional total-influence capacitors can not be considered as prior art truly relevant to the present invention which is in the context of partial influence. and outside the framework of classical circuit theory.
  • the second difficulty encountered by such devices is that the frequencies used are high and lead when one seeks to make devices of large sizes to E.M. radiation from the free surfaces of the active electrodes.
  • the present invention proposes, associated with the wireless transmission of energy in a longitudinal coupling configuration between oscillating electric dipoles, a simple means of limiting the zone where the field is intense in the immediate vicinity of the charges, this in order to reduce both the dissipation caused by its high reactive powers and parasitic radiation.
  • Partial Influence and active electrode (s) fragmented (s) has many advantages:
  • the field generator may be distant from the active electrode or electrodes while the transport and switching of the remote magnetic field is much more problematic.
  • the method according to the invention is similar to the usual method of transporting electrical energy by high voltage lines, however, it differs in the use of much higher frequencies, the absence of son in the last stage the distribution and application of the intense field only to those areas in the immediate vicinity of the charges.
  • the invention is distinguished by the fact that the generators and charges are external and distant from each other, by the use of passive electrodes and a limitation of the area where the electric field is present.
  • the method according to the invention allows through the longitudinal coupling between two electric dipoles. the use of a single pair of electrodes which greatly simplifies the management of switching.
  • the invention is distinguished by the use of means for limiting and managing the extension of the area where the electric field is intense, in order to obtain a better performance.
  • the invention proposes a method and a device for remotely transporting, distributing and managing electrical energy by partial influence in a quasi-longitudinal mode which can also be called: "close-field longitudinal electrical coupling between two or more dipoles ".
  • the dipoles (or multi-poles) obtained are coupled in the near field by means of an intense electric field at relatively high frequency.
  • High frequencies are frequencies that are much higher than those usually used for transporting electrical energy.
  • the devices are characterized mainly by the fact that they are preferably coupled longitudinally and that they radiate very little electromagnetic energy. This is particularly the case when the wavelengths in the surrounding environment are significantly larger than the size of the generating device. Intense electric fields are limited by the disruptive field in the medium and lead to very high voltages as soon as the distance between the electrodes is large enough.
  • Each device according to the invention consists of at least one generator
  • HTHF HTHF or a charge of the same type connected at each of their ends to at least one electrode of variable size and shape.
  • the preferred configuration within the scope of the invention corresponds to the cases where the dipoles are arranged longitudinally that is to say on the same axis. However, in some cases of close coupling, the dipôies have between them very large angles possibly greater than the right angle.
  • One of the passive electrodes on the load or generator side is optionally replaced by a ground connection.
  • the coupling formed between a generator and a particular load is characterized in that only two electrodes are mainly involved in the connection, an electrode on each side.
  • These so-called active electrodes are preferably placed in direct contact with each other, that is to say preferably have surfaces that are locally parallel to one another and are located at relatively short distance from one another. other.
  • the other electrodes (called “passive electrodes") and especially the earth are in an environment where the field is weaker. This dissymmetry is obtained either by varying the size of the different electrodes, or by varying their positioning, that is to say their respective distances. In many applications these are the shielded parts of the devices where drivers of large sizes and, more generally, the earth or the primary mass generator side and secondary masses side charges, which play the role of passive electrodes.
  • the present invention provides a method of remotely transporting electrical energy according to claim 1, and a remote transport device of electrical energy according to claim 5.
  • the electrodes are fragmented and selectively switched but, in general, the previous main lines remain applicable, namely: for a given generator-charge link, at a given instant, the coupling is essentially done using two active electrodes for a preferentially longitudinal configuration.
  • the present invention provides, among other things, applications in highly asymmetrical situations where a large size generator (physical dimensions) feeds one or more small loads, possibly mobile and placed relative to the generator at relatively large distances compared to their own sizes.
  • the method according to the invention consists in applying very high voltages, at high frequency, selectively via a switching system, to certain localized areas of the space to be covered. The energy is transmitted remotely through an intense electric field in a non-radiant longitudinal mode.
  • the ideal situation according to the method of the invention is to limit the areas where the electrical energy is present only to regions occupied by charges consuming energy.
  • the invention relates to a method of distributing wireless energy.
  • the method typically comprises the steps of successively transforming the low-voltage or low-frequency electrical energy into high-frequency low-voltage electrical energy, and then raising the voltage considerably.
  • FIG. 1 represents, schematically 2 represents a variant of the embodiment of FIG. 1
  • FIG. 3 represents a variant of the embodiment of FIG. 2
  • FIG. 5 represents, schematically, the structure of an HTHF generator used in a generating device of the system of FIG. 4
  • FIG. 6 schematically represents the structure of a HTHF generator used in a generator device of the system of FIG. 4
  • FIG. 7 represents a particular form that the electrode mor concealed.
  • Step 1 Electrical energy comes from an external source in the form of a DC or AC low voltage
  • Step 2 This stream, after possibly being rectified, is converted into high frequency alternating current by appropriate means.
  • Step 3 The voltage of this alternating current is then raised strongly using means such as voltage-boosting transformer devices.
  • Step 4 One of the terminals of the high-voltage generator is connected to earth or a large electrical ground, the high voltage of the other terminal is applied selectively via detection and switching means to one or more sets of sub-electrodes (which correspond to a broken active electrode).
  • Step 5 In direct contact with these sets of sub-electrodes is located, when the device is in operation, at least one electrode, possibly forming part of a set associated with other switching means located on the charge side connected to a terminal of a device operating at high frequency high voltage.
  • the opposite terminal of the load is connected to a large metal mass.
  • Step 6 Within this device the voltage is lowered using appropriate means such as transformers. Steps 7: The low voltage is then rectified and regulated by specific electronic means.
  • Step 8 Low voltage electrical energy is applied to the final load.
  • the switching means are associated detection and management means located on the generator side or load side or partially on each side.
  • the sub-electrodes are switched by these means so that the number and position of the active sub-electrodes at a given time are optimized according to the reciprocal positions of the generators and charges and the needs thereof. For example if, during a transfer, the distance between a load and the generator device increases, one can multiply the number of adjacent sub-electrodes that are activated, this in order to increase the effective size of the active electrode generator side.
  • the sub-electrodes on the generator side are advantageously provided with circuits, optionally electronic, enabling them to adopt protection or standby modes when the transmission of energy between them and the possibly present charges is no longer necessary or can not more to be done properly.
  • Steps 2 and 3 for the production of the high frequency electric current and the high voltage rise are optionally reversed, i.e. the voltage can be increased before the signal frequency is increased.
  • the switching is done optionally before the voltage rise in the case where transformers are used at each active sub-electrode, it is also optionally before the production of the high frequency current in the case where electronic modules are associated to each of the active sub-electrodes. Any combination of the previous solutions for switching is also possible.
  • the possible switches on the load side are optionally made after the lowering of the voltage or after the recovery or any combination of these possibilities.
  • the sub-electrodes that are not active are optionally connected to the ground in order to realize a larger passive electrode.
  • Management of the detection and switching means that control the activation of the sub-electrodes is done either locally (for example by the use of magnetic switches on the generator side and magnets located on the device vis-à-vis) , either remotely using specialized circuits such as microcontrollers associated with position sensors for locating present and / or active charges.
  • Communication protocols for the exchange of energy and / or data between the loads, the generator (s) and optionally the outside world are optionally used. They are implemented either by exploiting the electrical link used for the transfer of energy in a mono or bidirectional manner, or by any other existing means of communication.
  • FIG. 1 schematically represents a possibility of implementing the method, the steps are indicated by the circled numbers situated at the top of the figure.
  • An external source 1 of low voltage direct current electric power supplies a high frequency high voltage generator 11 consisting of an AC direct current converter 13 (which outputs a signal of the desired high frequency) and
  • a high frequency high voltage generator 11 consisting of an AC direct current converter 13 (which outputs a signal of the desired high frequency)
  • there are two sets of switched sub-electrodes one on the generator side and the other on the load side, with associated switching means 7.
  • the electrical energy received via the sub-electrodes 6 is applied to a device 12 consisting of a step-down transformer 15, a rectifier 16 and the final load 18.
  • the components of the device 12 change according to the intended application (in particular according to the electrical characteristics of the final charge 18).
  • the means for detecting and managing the switching means 7 are not shown in FIG. 1.
  • the switches are at the level of the HTHF, that is to say say generator side after the step-up transformer 14 and load side before the step-down transformer 15.
  • FIG. 2 represents a similar implementation possibility in which additional means of modulation and control are represented, the modulation means serving to superimpose on the transferred energy a desired modulation signal.
  • the modulation used is of bidirectional amplitude modulation type, it is carried out on the generator 2 side by a modulator 19 which modulates the amplitude of the signal applied to the signal. transformer 14 and the load side by a charge modulator 20.
  • the detection of the modulation signals on the devices is at the level of the transformers, these signals being optionally amplified and shaped before being processed by a logic unit 21 who also manages data exchanges with the outside world.
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation of a situation for which the main functions described with reference to FIG. 2 are grouped together in specialized integrated circuits on the generator side 22 and the load side 23. There is also a possibility of grouping the functions necessary for converting products. already existing on the market (in devices that can participate in a transfer of energy and / or data according to the invention) in the form of an adapter device 24 which includes all the elements located on the load side except for the low final charge voltage 18.
  • the complete device consists of one or more generating devices, usually fixed, 2 and connected to a source of electrical energy 1, and a set of possibly mobile charges (3).
  • Each load is powered through a limited area of space (see Figure 4) where an intense and rapidly variable electric field is present 4, this without wires, electrical contact, or use of a connection To the earth.
  • the intense field is created locally between certain sub-electrodes 5 located on the surface of the generator and an electrode or several sub-electrodes situated opposite the charge side 6.
  • the generating sub-electrodes are selectively activated by detection means and associated with switches 7.
  • the switches are for example magnetic and actuated by a permanent magnet located at the level of the load 8.
  • the device is characterized in particular by the use of passive electrodes on the charge side 9 and on the generator side 10. These electrodes are preferably larger in size than the active electrodes and / or sufficiently distant from the latter so that they are mainly coupled to the surrounding dielectric medium. In practice this situation is realized when their own capacities are little different from their own capacities when they are alone in a vacuum. These capacities are represented by the diagonal elements C N corresponding to their order numbers in the coupling matrix defined by:
  • the generating devices according to the invention consist of one or more HTHF generators 11 connected on the one hand to a large passive electrode or to the ground 10 and on the other hand to one or more sets composed of smaller active sub-electrodes. 5 through a network of wires and a set of switches 7.
  • the devices of the charge type according to the invention consist of one or more HTHF charges 12 connected on the one hand to an active electrode 6 and on the other hand to a passive electrode, preferably of larger size 9.
  • the charges optionally contain active sub-electrode sets.
  • a set of sub-electrodes constituting the active electrode on the load side is arranged around a wheel (for example a bicycle wheel).
  • the HTHF generators 11 according to the invention are obtained either from low voltages using induction or piezoelectric elevating transformers 14 associated with an electronic circuit producing the high frequencies at low voltages 13 or any other technology capable of simultaneously producing intense electric fields and high frequencies. They advantageously include resonant circuits and / or energy recovery devices so that the unused portion thereof is not totally dissipated at each alternation.
  • the generators use the option of resonant induction transformers to consolidate the voltage rise and the energy recycling device into one piece.
  • the mass of the generator or the earth advantageously play the role of passive electrodes.
  • the charge structure is usually dipolar, but they also form more complex multipole structures when more than two electrodes are simultaneously used.
  • the charges consist of high impedance mediums of resistive type or alternatively of dielectric media with high loss angles which directly exploit the energy of the field for example to produce heat or light.
  • the electrodes are virtual and are constituted by the external surfaces of such components through which penetrate and leave the electric field lines.
  • the charges are optionnally constituted by an adapter 24 connected to one or more existing devices in order to make them compatible with the proposed technology according to the invention.
  • the adaptation device consists of at least one active electrode 6 and optionally passive electrodes 9, it can also comprise a voltage-reducing transformer 15, optionally resonant, and an electronic rectification and regulation device 16 according to the electrical characteristics of the existing device. In some cases, low impedance circuits and / or metal shielding elements of the final charge are advantageously used to serve as a passive electrode.
  • the energy distribution is preferentially made between the high voltage terminal of the HTHF generator 11 and the generator-side active subelectrode set (s) 5 via the switch network 7.
  • This embodiment allows the use of a single wire to convey the HTHF electric energy to the set of sub-electrodes constituting the broken active electrode.
  • this thread can be very fine (see below).
  • the energy distribution is effected via a network of switches placed between the energy source 1 and the electronic circuits for continuous / alternating conversion.
  • step-up transformers 14 located at each active electrode of the generator 5.
  • Another possibility is to cut the high-frequency DC low voltage by a single adapted power circuit 13 and then distribute this high frequency via a switch network to a set of step-up transformers 14 associated with each active electrode of the generator.
  • the wires of links carrying the HTHF voltages do not need to be good conductors of electricity, they are optionally very thin or replaced by small quantities of conductive materials deposited or included in other dielectric materials, possibly flexible. , such as sheets, tablecloths, ribbons.
  • the active sub-electrodes 5 optionally exploit the same possibilities as the wires, that is to say that they can be achieved by using little conductive material possibly included or deposited on flexible dielectric surfaces.
  • the shape of the sub-electrodes and the electrodes is arbitrary, however as far as the active electrodes are concerned it is advisable to avoid the sharp edges likely to generate ionization losses and degradation of surrounding dielectric materials by the effect of spikes.
  • a mapping of the surface can be done, for example, by identical sub-electrodes triangular, rectangular, hexagonal or any other form likely to mosaic cover the entire surface.
  • Sub-electrodes of any desired shape and surface are also usable in particular situations requiring, for example, better control of certain areas.
  • the generator side will be used with the smallest possible electrodes in order to be able to create the desired intense field in the immediate area of the active electrode (or active sub-electrodes) on the load side, while limiting the extent of the intense field in unoccupied areas. If the dimensions of the sub-electrodes, on the generator side, are similar to those of the active electrodes on the load side, or even a little larger, an adequate supply of the charge is provided while making active, on the generator side, a single sub-electrode at the same time. times - which makes switching generator side easier.
  • the dimensions of the sub-electrodes, on the generator side are much smaller than those of the active electrodes on the load side, it would generally be necessary to activate several sub-electrodes at the same time on the generator side in order to ensure adequate supply of the load. .
  • the subelectrodes on the generator side are of the same size or a little smaller than the electrodes (or subelectrodes) on the load side, it is possible to activate two or more sub-electrodes at the same time on the generator side. if the charge-side electrode is arranged facing the boundary between these sub-electrodes.
  • the intense field area created is larger than necessary, which involves a waste of energy.
  • this waste can be tolerated in some applications where there is a strict obligation to ensure the proper supply of the load.
  • the switches 7 are very variable technologies depending on the mode of distribution chosen (BT or HT), the powers involved and the triggering means used. They optionally include control electronics. They are alternately electromechanical, magneto-mechanical, electromagnetic, optical, acoustic or including any other remote triggering technology. Optionally they exploit the potential difference at their terminals to self-power without requiring additional wiring. By using such self-feeding of the switches 7, a configuration can be obtained in which a single wire passes from the HTHF generator to the set of sub-electrodes 5.
  • the switches like the wires and the electrodes, the switches advantageously use little conductive materials when they are placed on the HT.
  • the switches 7 are positioned preferably in the immediate vicinity of each active electrode 5 and are controlled either by a direct mechanical action (solid contact, pressure, ....) or short distance directly share a proximity action of a load, or indirectly by electronic means. In the case of using electronic means, the latter are integrated either in the switches themselves, or at each electrode or located at the generator or even partly distributed in the generators and partly in the loads.
  • the detection and communication management means are configured to control the detection and communication management means.
  • the detection and management means are not integrated into the switches themselves, they are distributed in the form of electronic modules present in the generator and / or the loads. They optionally take the form of specialized integrated circuits 22, 23. electronic means are optionally associated with software means in the form of communication protocols.
  • the means of communication use the same medium as the transmission of energy, and implement appropriate modulation and demodulation means 19,20.
  • FIG. 4 represents a particularly simple embodiment of the invention
  • an HTHF generator 11 is connected on the one hand to a large passive electrode 10 and on the other hand to a set of small electrodes 5 - the sub-ectodes - via
  • the magnetic switches are actuated by the presence at short distance of a load 3 equipped with a permanent magnet or an electromagnet 8, arranged in such a way that the magnet 8 located in the switch 7 is attracted or pushed to open or close the contact according to the presence or needs of the load.
  • the switches 7 comprise a sensor (not shown) which serves to detect a modulation applied on the load side (this modulation serving to produce a variation of the electric charge present on the active electrode load side). The closing of the contact of the switch 7 is maintained only when this modulation is detected by the sensor. This feature makes it possible to avoid an undesirable activation of the sub-electrode during the presence of a magnetic field that does not come from the load 3 provided. Even in the case where the switches 7 are controlled by other stimuli (solid contact, pressure, etc.) the same kind of sensor and load side modulation can be used to prevent undesired activation of the sub-electrode.
  • FIG. 5 represents a possible embodiment of a HTHF generator 11.
  • the low-voltage electrical current is initially converted into alternately-sinusoidal alternating current before being applied to a resonant "Tesla" resonant transformer.
  • the Low voltage terminal of the secondary winding of this transformer is connected to the ground, the high voltage terminal being connected to the distribution network.
  • Fig. 6 shows an embodiment of the load in the form of an adapter connected to an existing load.
  • the adapter 24 is composed of an active electrode 6 connected to the high voltage terminal of the primary winding of a resonant-type step-down transformer, the low-voltage terminal of this winding being connected to the secondary of the circuit.
  • the secondary of the transformer is connected to a rectifier circuit possibly containing regulating elements 16. The output voltage is then applied to the final load.
  • the low impedance circuits of the secondary and the load play the role of the passive electrode.
  • Fig. 7 shows an embodiment in which a very thin surface of an optionally flexible dielectric material is used as a support for a set of sub-electrodes.
  • the sub-electrodes are made by deposition or electroplating and / or etching.
  • the electronic type switches consist, for example, of series-connected transistors, whether or not associated with a load detection circuit, for example the presence of a modulation caused by the presence at short distance of an equipped load. of a suitable modulation circuit.
  • Transistors and sensing and control circuits are realized by a similar technique of dielectric substrate deposition.
  • the electronic management circuit of the switch in the standby position is optionally powered by the potential difference between the generator and the floating electrode, without the need for additional wiring.
  • in-phase and phase-opposition sectors are made by using several generators out of phase or by alternately switching the electrodes. active at one of the two terminals of the same generator.
  • the present invention can be employed in a wide variety of applications where the electrode dimensions and frequencies used vary widely (depending on the application).
  • a system for supplying electrical appliances from a work plan provided with a generating device according to the invention the electrical appliances being equipped with charging devices according to the invention
  • the electrical appliances being equipped with charging devices according to the invention
  • a mobile phone or other mobile device mp3 player, laptop, etc.
  • a generator device installed in the wall of a house, etc.
  • the invention aims, inter alia, the remote power supply of removable or mobile electric devices of small and medium power.
  • the level of voltage or the intensity of the electric field necessary to ensure the transfer may exceed the limits specified in the current standards (which would not allow the use of voltages exceeding a few tens of kilovolts).
  • the application of the invention may extend to even larger scales.

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Abstract

Le dispositif selon l'invention se compose d'un ou plusieurs dispositifs générateurs (2) raccordés à une source d'énergie électrique et d'une ou plusieurs charges (3) éventuellement mobiles. Chaque charge est alimentée par l'intermédiaire d'une zone limitée (4) de l'espace où un champ électrique intense et rapidement variable est présent, ceci sans fils, ni contact électrique, ni usage d'une connexion à la terre. Le champ intense est crée localement entre certaines sous-électrodes (5) situées sur la surface du générateur et une électrode (6) ou bien plusieurs sous-électrodes situées en vis-à-vis côté charge. Les sous-électrodes (5) actives côté générateur sont sélectionnées par des commutateurs (7), par exemple des commutateurs magnétiques actionnés par un aimant permanent (8) situé au niveau de la charge (3). Côté charge une électrode passive (9) est utilisée que l'on peut considérer comme couplée principalement au milieu électrique environnant. L'invention vise, en particulier, la télé-alimentation en énergie de dispositifs électriques amovibles ou mobiles de petites et moyennes puissances.

Description

Procédé et dispositif de transport, distribution et gestion de l'énergie électrique par couplage longitudinal à distance en champ proche entre dipôles électriques.
Domaine technique Introduction
Les ondes électromagnétiques sont la manifestation la plus connue des champs électromagnétiques. Dans le cadre des champs proches, c'est-à-dire au voisinage des corps matériels, sont présents des phénomènes d'une autre nature associés à des champs purement électrique ou magnétique. Ces champs fondamentaux ne sont pas associables à un rayonnement et peuvent entourer durablement un corps placé dans le vide sans qu'une déperdition notable de l'énergie ne se produise. Ces champs sont souvent associés à des régimes dits électrostatiques ou magnétostatiques, pourtant, i! existe de nombreuses applications où ils sont utilisés de manière dynamiques pour transmettre de l'énergie en quasi-contact. On peut citer en ce qui concerne les champs magnétiques, nombre de machines industrielles tournantes pour la transformation de l'énergie électrique en énergie mécanique et vice-versa. En ce qui concerne les champs électriques les applications sont plus restreintes mais il y a notamment les propulseurs de charges tel que procédés de peinture électrostatiques ou propulseurs ioniques de satellites et surtout les condensateurs présents sur toutes les cartes électroniques de notre environnement quotidien, Le travail principal des inventeurs est d'étendre, de développer et de promouvoir le champ d'application des dispositifs électrostatiques au cadre dynamique plus général de dipôles électriques oscillants suffisamment lentement pour ne pas rayonner significativement et pourtant couplés dynamiquement entre eux.
Généralités Les distances très courtes et les fréquences particulièrement basses des applications classiques (quelques centimètres et quelques dizaines de Hz) ont longtemps permis l'usage généralisé de l'expression « quasi-statiques » pour décrire de tels régimes. De nos jours les champs proches sont de pius en plus utilisés sur des distances métriques et des fréquences dans la gamme du MHz, il devient alors délicat de parler de régimes quasi-statiques. II serait possible de parler de régimes dynamiques non rayonnants mais nous proposons dans la suite de continuer à utiliser les expressions historiques basées sur les noms propres « Induction Electromagnétique » et « Influence » (au lieu de l'expression « Induction Electrostatique » qui, dans les régimes dynamiques, aurait pu prêter à la confusion).
Les systèmes à Induction Electromagnétique et à Influence se caractérisent par le fait que la plus grande partie de l'énergie mise en jeu reste stockée localement dans le voisinage de ces dispositifs et ne se propage pas.
Si de tels dispositifs sont nécessairement électromécaniques ou magnéto- mécaniques au moins au niveau particulaire, c'est-à-dire font intervenir les lois de l'électromagnétisme associées à celles de la mécanique, cette particularité peut s'effacer partiellement au niveau macroscopique permettant la confusion actuelle omniprésente entre le régime des champs proches et celui des ondes E. M, Ainsi dans le cadre des transformateurs à induction électromagnétique, dès que la distance entre deux bobines configurées longitudinalement devient sensible, de nombreux techniciens imaginent que des ondes se propagent entre les deux dipôles distants. Il est assez aisé de montrer qu'en dehors du fait que la longueur d'onde est souvent très supérieure à la taille totale du système, le vecteur de Poynting, qui représente le flux d'énergie électromagnétique, est nul sur l'axe des deux dipôles. Ce fait indéniable ne va pas sans poser de graves problèmes d'interprétation allant jusqu'à la remise en cause de la pertinence du modèle standard pour décrire de telles interactions de proximité.
Si la transmission d'énergie à courte distance est réalisée depuis longtemps par induction électromagnétique à l'aide de dipôles magnétiques couplés ce n'est que très récemment que les présents inventeurs ont proposé des dispositifs utilisant le couplage longitudinal entre deux dipôles électriques en champs proche. De tels dispositifs peuvent être vus comme l'équivalent pour l'Influence des transformateurs à induction électromagnétique. Pratiquement, pour que de tels dispositifs à Induction Electromagnétique ou à Influence soient non rayonnants il faut en général que leur taille totale soit petite devant les longueurs d'ondes des signaux mis en œuvre. On peut aussi imaginer des systèmes plus grands utilisant des zones en opposition de phase pour réduire le rayonnement.
Ainsi un dispositif fonctionnant à IMHz, basé sur deux bobines, peut être considéré comme un dispositif à induction électromagnétique tant que la distance entre les bobines est nettement inférieure à 150m !
Il faut noter les très grandes confusions qui sont faites de nos jours ou de très nombreux dispositifs sont décrits comme des dispositifs rayonnants alors qu'ils sont plutôt du type inductif. Notamment la très grande majorité des dispositifs RFID actuels sont à Induction ElectroMagnétique.
Le cadre de l'invention Le cadre général de l'invention est plus précisément décrit dans les brevets FR2875649, FR2875939, FR2876495 et PCT/FR2006/000614 déposés par les mêmes inventeurs.
Plus précisément, l'invention s'applique au transfert de l'énergie électrique, par influence totale ou partielle, entre deux dipôles électriques oscillants comportant chacun une paire d'électrodes dont l'une est active et l'autre est passive, les deux électrodes actives étant placées en vis-à-vis. Les dimensions des électrodes passives sont plus grandes que les dimensions des électrodes actives et/ou bien les électrodes passives sont disposées à distance, de façon à ce que le champ électrique au voisinage des électrodes actives soit beaucoup plus intense que le champ électrique au niveau des électrodes passives. Côté générateur, la paire d'électrodes est alimentée par un générateur haute tension haute fréquence connecté entre les deux électrodes. Côté charge, la charge est connectée entre les deux électrodes.
Afin de prévenir un rayonnement significatif d'ondes électromagnétiques, bien que la fréquence du générateur soit relativement élevée, les dimensions des électrodes actives sont petites par rapport aux longueurs d'ondes considérées. Typiquement, on va choisir des électrodes dont la taille est le dixième de la longueur d'onde utilisée (afin que la puissance rayonnée soit 1/1000 de la puissance du champ proche). Toutefois, l'emploi d'électrodes plus grandes (par exemple λ/8 ou, même, λ/4) est possible dans certaines applications où Ton peut tolérer des rayonnements plus importants (tout en gardant à l'esprit le fait qu'une électrode de longueur λ/2 fonctionne comme une antenne). Par ailleurs, dans des applications qui comportent une nécessité accrue d'éviter les rayonnements, il peut s'avérer souhaitable d'employer des électrodes plus petites que λ/10.
Dans ce cadre, le transfert de l'énergie se produise grâce aux changements de potentiel électrique de l'électrode active côté générateur qui induisent, par influence totale ou partielle, des changements correspondants de potentiel au niveau de l'électrode active côté charge. On parle d'influence « partielle » lorsque seulement une partie des lignes de champ électrique générées par l'électrode active côté générateur viennent se terminer sur l'électrode active côté charge.
S'il est possible d'utiliser l'expression de « couplage capacitif » pour décrire l'interaction des électrodes actives, ce couplage est bien plus général que celui que l'on obtient dans le cas du condensateur à influence totale. Dans l'invention, selon la configuration précise des électrodes actives et passives (et les distances entres ces différentes électrodes) il y aura des interactions multiples. Mathématiquement de telles interactions multiples entre conducteurs chargés se décrivent à l'aide de matrices de coefficients capacitifs et ne peuvent usuellement se ramener à une représentation dans le cadre de la théorie classique des circuits. Il est toutefois possible d'en donner des représentations plus parlantes que des matrices abstraites en utilisant de nouvelles notions comme la capacité intrinsèque du conducteur isolé et celle de circuit ouvert. La principale difficulté venant du fait qu'en de tels circuits, bien que la charge électrique soit conservée, le courant matériel ne se conserve plus. Il est remplacé à la transition conducteur/diélectrique par un courant de déplacement appelé courant de déplacement de Maxwell, dont la nature exacte et la modélisation sont d'une approche malaisée. Toutefois, si l'on isole les branches où la conservation du courant matériel est pratiquement réalisée, on peut obtenir une représentation de type hydrographique, avec des branches où ia théorie des circuits s'applique normalement, ces dernières étant terminées de chaque côté par des sources/puits dont on peut donner une représentation simple lorsqu'ils correspondent à des conducteurs isolés. Que le lecteur nous excuse de ne pouvoir en dire davantage en ces lignes car la théorie correspondante est encore en cours de développements. Notre but ici étant de le préparer à des circuits qu'il trouverait, autrement, étranges ou erronés.
En conséquence, selon les inventeurs, tout brevet antérieur de dispositifs intégralement représentés par des circuits usuels et des condensateurs classiques à influence totale, ne pourront être considérés comme des antériorités réellement pertinentes à la présente invention qui se situe dans le cadre de l'influence partielle et hors du cadre de la théorie classique des circuits.
Problèmes posés
L'avantage principal des dispositifs de champ proche, décisif dans certaines applications, est qu'ils peuvent transmettre de l'énergie à distance avec un très bon rendement, la contrepartie étant leur portée relativement réduite. En effet nous avons dit que ces dispositifs s'entourent d'une énergie potentielle et comme il n'est pas possible compte tenu des grandes longueurs d'ondes utilisées de produire une concentration de l'énergie dans une direction particulière, il en résulte que l'énergie se répartit dans toutes les directions en décroissant très vite avec la distance. La partie de l'énergie qu'il est possible de transmettre à chaque alternance à une charge distante, qui ne couvre généralement qu'une petite partie de l'espace ou l'énergie est présente, est généralement très faible.
Pour que de tels dispositifs présentent de bons rendements, il faut pouvoir recycler efficacement l'énergie stockée et non utilisée à chaque alternance. Traduit en langage d'électrotechnicieπ, cela signifie que de tels systèmes impliquent que la puissance réactive soit souvent beaucoup plus forte que la puissance active. En effet dans une situation classique de couplage quadripolaire, le champ produit par le générateur décroît très rapidement avec la distance, l'énergie stockée localement qui est proportionnelle au carré du champ décroît ainsi extrêmement vite avec ia distance. Pour transmettre une énergie donnée à chaque alternance à une charge distante, il faut, si la charge s'éloigne ou ne représente qu'un tout petit volume comparé à celui où le champ du générateur est présent, stocker dans l'espace à chaque alternance beaucoup plus d'énergie que celle réellement consommée par la charge. Si la charge s'éloigne de seulement quelques fois la taille du générateur, Ia puissance réactive pour la même puissance active transférée devient vite soit ingérable soit productrice d'une dissipation considérable dans les éléments qui la produisent. La portée relative de tels systèmes, mesurée en termes de L/D où L est la distance entre les dipôles et D le diamètre équivalent du générateur, est dans la pratique limitée à quelques unités en fonction du rendement que l'on souhaite obtenir et de la « qualité » des circuits et technologies utilisées.
La deuxième difficulté rencontrée par de tels dispositifs est que les fréquences utilisées sont élevées et conduisent lorsque l'on cherche à réaliser des dispositifs de grandes tailles à un rayonnement E.M. issu des surfaces libres des électrodes actives.
Avantages comparés de l'invention La présente invention propose, associé à la transmission sans fils de l'énergie dans une configuration de couplage longitudinal entre dipôles électriques oscillants, un moyen simple de limiter la zone où le champ est intense au voisinage immédiat des charges, ceci afin de réduire à la fois les dissipations engendrées par Ses fortes puissances réactives et par le rayonnement parasite.
Afin de contourner le problème des puissances réactives importantes, particulièrement sensible pour les systèmes à induction électromagnétiques pour lesquels l'augmentation de la puissance réactive se traduit rapidement par des courants forts et des pertes Houles importantes, dans le brevet US 6 803 744 Bi on propose de morceler la surface active, c'est-à-dire celle ou le champ intense est produit, en zones couvertes par de multiples petites bobines actionnées à volonté selon la position ou les besoins de la charge. La présente invention décrit un procédé et un dispositif dans le cadre de l'influence partielle (ou totale) qui utilisent une électrode active morcelée en plusieurs sous-éléctrodes, au moins du côté générateur, et la commutation sélective des sous-électrodes afin d'actionner celles qui sont effectivement en relation avec une électrode (ou bien une sous-électrode) du côté charge.
Il y a plusieurs différences significatives entre un système à induction électromagnétique à surface active morcelée et un système à influence partielle à électrode(s) active(s) morcelée(s) et à commutation sélective. Le système à
Influence Partielle et à électrode(s) active(s) morcelée(s) présente de nombreux avantages :
- La production de champs électriques intenses n'est pas forcément associée à des intensités importantes et nécessite beaucoup moins de métaux conducteurs coûteux. - La surface active peut être couverte à moindre coût à Paide de très peu de matériau conducteur.
- Il est possible de mieux contrôler la forme de la zone où le champ est intense et éventuellement de la déplacer simplement à l'aide de fils ou de matériaux faiblement conducteurs. - Le générateur de champ peut être distant de la ou les électrodes actives alors que le transport et la commutation du champ magnétique à distance est beaucoup plus problématique.
- Les commutations peuvent se faire seulement sur l'un des pôles (il n'y a pas de monopole magnétique), ce qui implique la possibilité d'utiliser un seul fil pour connecter le générateur à l'ensemble de sous-électrodes.
Le procédé suivant l'invention, est similaire au procédé usuel de transport de l'énergie électrique par lignes hautes tensions, toutefois, il s'en distingue par l'usage de fréquences beaucoup plus élevées, l'absence de fils dans la dernière étape de la distribution et l'application du champ intense aux seules zones situées au voisinage immédiat des charges. Par rapport au brevet DE 103 04 584 Al ou les charges éventuellement multiples sont situées à l'intérieur même de la structure du générateur, l'invention se distingue par le fait que les générateurs et charges sont extérieurs et distants les uns des autres, par l'usage d'électrodes passives et par une limitation de la zone où le champ électrique est présent.
Par rapport au brevet CA 2 526 245 Al basé sur un double couplage capacitif conventionnel impliquant à chaque instant l'utilisation d'au moins deux paires d'électrodes, le procédé suivant l'invention permet par le biais du couplage longitudinal entre deux dipôles électriques l'utilisation d'une seule paire d'électrodes ce qui simplifie énormément la gestion des commutations.
Par rapport à nos propres brevets, l'invention se distingue par l'usage de moyens permettant de limiter et de gérer l'extension de la zone ou le champ électrique est intense, ceci afin d'obtenir un meilleur rendement.
Description de l'invention Préliminaires
L'invention propose un procédé et un dispositif pour transporter, distribuer et gérer à distance de l'énergie électrique par Influence partielle selon un mode quasi-longitudinal que l'on peut encore appeler : «couplage électrique longitudinal en champ proche entre deux ou plusieurs dipôles».
Deux types de dispositifs dipolaires (ou optionnellement multipolaires), appelés respectivement générateurs et charges sont considérés. Les dipôles (ou multi-pôles) obtenus sont couplés en champ proche par l'intermédiaire d'un champ électrique intense à relativement haute fréquence. Par hautes fréquences, il faut entendre des fréquences beaucoup plus élevées que celles utilisées habituellement pour le transport de l'énergie électrique. Les dispositifs se caractérisent principalement par le fait qu'ils sont couplés préférentiellement de manière longitudinale et qu'ils ne rayonnent que très peu d'énergie électromagnétique. C'est notamment le cas lorsque les longueurs d'ondes dans le milieu environnant sont nettement plus grandes que la taille du dispositif générateur. Les champs électriques intenses sont limités par le champ disruptif dans le milieu considéré et conduisent à des tensions très élevées dès que la distance entre tes électrodes est assez grande.
Les tensions et les fréquences obtenues sont ainsi fonction de la puissance à transmettre, de la taille des dispositifs et des distances les séparant. Dans la suite nous utiliserons l'expression compactée HTHF (Haute
Tension Haute Fréquence) pour décrire les générateurs et charges directement associées à de tels dispositifs. Des conversions en amont ou aval vers d'autres types de tensions ou fréquences étant toujours possibles par des moyens électroniques classiques. Chaque dispositif selon l'invention est constitué d'au moins un générateur
HTHF ou d'une charge du même type reliés à chacune de leurs extrémités à au moins une électrode de taille et de forme variable. L'ensemble générateur et électrodes connectées à ce dernier d'une part, et charge et électrodes connectées à cette charge d'autre part, constituent chacun des dipôles électriques oscillants, La configuration privilégiée dans le cadre de l'invention correspondant aux cas où les dipôles sont agencés longitudinalement c'est-à- dire sur le même axe. Toutefois, dans certains cas de couplage proche, les dipôies présentent entre eux de très grands angles éventuellement supérieurs à l'angle droit. Une des électrodes passives du côté de la charge ou du générateur est optionnellement remplacée par une connexion à la terre.
Dans le cadre de l'invention le couplage réalisé entre un générateur et une charge particulière se caractérise par ie fait que seulement deux électrodes sont principalement impliquées dans la liaison, une électrode de chaque côté. Ces électrodes, dites actives, sont placées préférentiellement en vis-à-vis direct, c'est-à-dire présentent préférentiellement des surfaces localement parallèles l'une à l'autre et sont situées à relativement courte distance l'une de l'autre. Les autres électrodes (dites « électrodes passives ») et à fortiori la terre sont dans un environnement ou le champ est plus faible. Cette dissymétrie est obtenue soit en jouant sur la taille des différentes électrodes, soit en jouant sur leur positionnement, c'est-à-dire leurs distances respectives. Dans de nombreuses applications ce sont les parties blindées des dispositifs où des conducteurs de grandes tailles et, d'une manière plus générale, la terre ou la masse primaire côté générateur et les masses secondaires côté charges, qui jouent le rôle d'électrodes passives.
Dans une configuration de couplage serré, c'est-à-dire lorsque les deux dipôles considérés sont assez proches, on peut considérer que le couplage entre les deux électrodes actives est targement dominant et qu'elles fonctionnent alors en régime d'influence totale, les deux autres électrodes distantes et passives pouvant être considérées comme seulement couplées au milieu diélectrique environnant. Dans de tel cas l'orientation relative des dipôles est quelconque pourvue que les électrodes passives restent suffisamment éloignées l'une de l'autre. Le cas limite de deux dipôles symétriques assez éloignés l'un de l'autre est une autre configuration possible de l'invention. Dans de tels cas les dipôles seront disposés sur le même axe ou sur des axes présentant des angles assez fermés. Entre ces deux exemples sont réalisables de très nombreuses configurations qui ne se ramènent pas à de simples assemblages de condensateurs à influence totale usuels. Ces configurations sont obtenues en gardant un agencement global préférentieilement longitudinal et en faisant varier d'une part les tailles et formes des électrodes et d'autre part ies distances respectives entre elles. La présente invention prévoit un procédé de transport à distance de l'énergie électrique selon la revendication 1, et un dispositif de transport à distance de l'énergie électrique selon la revendication 5.
Dans le cadre de l'invention les électrodes sont morcelées et commutées sélectivement mais, en général, les grandes lignes précédentes restent applicables à savoir : pour une liaison générateur-charge donnée, à un instant donné, le couplage se fait essentiellement à l'aide de deux électrodes actives pour une configuration préférentieilement longitudinale.
La présente invention prévoit, entre autres, des applications dans des situations fortement dissymétriques où un générateur de grande taille (dimensions physiques) alimente une ou plusieurs petites charges, éventuellement mobiles et placées par rapport au générateur à des distances relativement importantes comparées à leurs propres tailles. Le procédé selon l'invention consiste à appliquer des tensions très élevées, à haute fréquence, sélectivement via un système de commutation, à certaines zones localisées de l'espace à couvrir. L'énergie est transmise à distance par l'intermédiaire d'un champ électrique intense selon un mode non radîatif longitudinal. La situation idéale selon le procédé de l'invention est de limiter les zones où l'énergie électrique est présente aux seules régions occupées par des charges consommant de l'énergie.
A ce titre l'invention concerne un mode de distribution de l'énergie sans fil. Afin de produire les tensions HTHF à appliquer, typiquement le procédé comporte les étapes consistant à, successivement, transformer l'énergie électrique basse tension continue ou basse fréquence en une énergie électrique basse tension à haute fréquence, et ensuite relever fortement la tension
Dessins
Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux comprises à la lecture de la description suivante de certains modes de réalisation préférés de celle-ci, donnés à titre purement iISustratif, en liaison avec les dessins annexes sur lesquelles : la figure 1 représente, schématiquement, un mode de réalisation du procédé selon l'invention, la figure 2 représente une variante du mode de réalisation de la figure 1, la figure 3 représente une variante du mode de réalisation de la figure 2, la figure 4 représente, schématiquement, un mode de réalisation d'un système selon l'invention, la figure 5 représente, schématiquement, la structure d'un générateur HTHF utilisé dans un dispositif générateur du système de la figure 4, la figure 6 représente, schématiquemeπt, la structure d'un générateur HTHF utilisé dans un dispositif générateur du système de la figure 4, et Sa figure 7 représente une forme particulière que peut revêtir l'électrode morcelée. Procédé
On va maintenant décrire un mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention. Selon ce mode de réalisation, le procédé comporte les étapes suivantes : Etape 1 : De l'énergie électrique provient d'une source extérieure sous la forme d'un courant continu ou alternatif basse tension
Etape 2 : Ce courant, après avoir été éventuellement redressé, est transformé en courant alternatif haute fréquence à l'aide de moyens appropriés. Etape 3 : La tension de ce courant alternatif est ensuite élevée fortement à l'aide de moyens tels que des dispositifs transformateurs élévateurs de tension. Etape 4 : Une des bornes du générateur haute tension est reliée à la terre ou une masse électrique importante, la tension élevée de l'autre borne est appliquée sélectivement via des moyens de détection et de commutation à un ou plusieurs jeux de sous-électrodes (qui correspondent à une électrode active morcelée).
Etape 5 : En vis-à-vis direct des ces jeux de sous-électrodes est située, lorsque le dispositif est en fonctionnement, au moins une électrode, faisant éventuellement partie d'un jeu associé à d'autres moyens de commutation situés côté charge, reliée à une borne d'un dispositif fonctionnant à haute tension haute fréquence. La borne opposée de la charge est reliée à une masse métallique importante.
Etape 6 : au sein de ce dispositif la tension est abaissée à l'aide de moyens appropriés tels que des transformateurs. Etapes 7 : La basse tension est ensuite redressée et régulée par des moyens électroniques spécifiques.
Etape 8 : l'énergie électrique basse tension est appliquée à !a charge finale.
Aux moyens de commutation sont associés des moyens de détection et de gestion situés côté générateur ou côté charge ou en partie de chaque côté. Les sous-électrodes sont commutées par ces moyens de telle manière que le nombre et la position des sous-électrodes actives à un moment donné soient optimisés en fonction des positions réciproques des générateurs et charges et des besoins de ces dernières. Par exemple si, au cours d'un transfert, la distance entre une charge et le dispositif générateur augmente, on peut multiplier le nombre de sous-électrodes voisines qui sont activées, ceci afin d'augmenter la taille effective de l'électrode active côté générateur.
Les sous-électrodes du côté générateur sont avantageusement munis de circuits, optionneliement électroniques, leur permettant d'adopter des modes de protection ou de veille lorsque la transmission de l'énergie entre eux et les charges éventuellement présentes n'est plus nécessaire ou ne peut plus se faire correctement.
De nombreuses variantes sont possibles sans sortir du cadre du procédé, par exemple :
Les étapes 2 et 3 concernant la production du courant électrique haute fréquence et l'élévation en haute tension sont optionneliement inversées, c'est- à-dire qu'on peut accroître la tension avant d'augmenter la fréquence du signal. La commutation se fait optionneliement avant l'élévation de la tension dans le cas ou des transformateurs sont utilisés au niveau de chaque sous- électrode active, elle se fait aussi optionneliement avant la production du courant haute fréquence dans le cas ou des modules électroniques sont associés à chacune des sous-électrodes actives. Toute combinaison des solutions précédentes pour la commutation est aussi possible. De la même manière les commutations éventuelles côté charge (dans le cas d'électrodes morcelées côté charge) se font optionneliement après l'abaissement de la tension ou après le redressement ou toute combinaison de ces possibilités.
Dans le cas d'une charge à orientation variable dotée d'une électrode active morcelée, les sous-électrodes qui ne sont pas actives sont optionneliement connectées à la masse afin de réaliser une électrode passive de plus grande taille.
La gestion des moyens de détection et de commutation qui commandent i'activation des sous-électrodes se fait soit localement (par exemple par l'usage d'interrupteurs magnétiques côté générateur et d'aimants situés sur le dispositif en vis-à-vis), soit de manière distante à l'aide de circuits spécialisés tels que microcontrôleurs associés à des capteurs de position permettant la localisation des charges présentes et /ou actives.
Des protocoles de communication pour les échanges d'énergie et/ou de données entre les charges, le ou les générateurs et optionnellement le monde extérieur sont optionneilement utilisés. Ils sont mis en œuvre, soit en exploitant le lien électrique utilisé pour le transfert de l'énergie de manière mono ou bidirectionnelle, soit par tout autre moyen de communication existant.
La figure 1 représente schématiquement une possibilité de mise en œuvre du procédé, les étapes sont repérées par les nombres entourés situés en haut de la figure. Une source extérieure 1 d'énergie électrique en courant continue à basse tension alimente un générateur 11 de haute tension à haute fréquence constitué d'un convertisseur de courant continu en courant alternatif 13 (qui émet en sortie un signal de la fréquence élevée voulue) et un transformateur élévateur de tension 14. Dans cette variante il y a deux jeux de sous-électrodes commutées, l'un 5 côté générateur et l'autre 6 côté charge, avec des moyens de commutation 7 associés. Côté charge, l'énergie électrique reçue via les sous-électrodes 6 est appliquée à un dispositif 12 constitué d'un transformateur abaisseur de tension 15, d'un redresseur 16 et de la charge finale 18. Il convient de noter que les composants du dispositif 12 changent selon l'application visée (notamment en fonction des caractéristiques électriques de la charge finale 18).
Pour plus de simplicité les moyens de détection et de gestion des moyens de commutation 7 ne sont pas représentés sur la figure 1. Selon l'exemple de la figure 1, les commutations se font au niveau de la HTHF, c'est-à-dire côté générateur après ie transformateur élévateur de tension 14 et côté charge avant le transformateur abaisseur de tension 15.
La figure 2 représente une possibilité de mise en œuvre similaire où sont représentés en plus des moyens annexes de modulation et de contrôle, les moyens de modulation servant à superposer à l'énergie transférée un signal de modulation voulu. La modulation utilisée est de type modulation d'amplitude bidirectionnelle, elle est réalisée du côté du générateur 2 par un modulateur 19 qui réalise une modulation de l'amplitude du signal appliqué sur le transformateur 14 et du côté de la charge par un modulateur de charge 20. La détection des signaux de modulation sur les dispositifs se fait au niveau des transformateurs, ces signaux étant optionnellement amplifiés et mis en forme avant d'être traités par une unité logique 21 qui gère aussi les échanges de données avec l'extérieur.
Sur la figure 3 est schématisée une situation pour laquelle les fonctions principales décrites en relation avec la figure 2 sont regroupées dans des circuits intégrés spécialisés côté générateur 22 et côté charge 23. Est aussi représentée une possibilité de regrouper les fonctions nécessaires à la conversion de produits existants déjà sur le marché (en appareils pouvant participer à un transfert d'énergie et/ou bien de données conformément à l'invention) sous la forme d'un dispositif adaptateur 24 qui comprends tous les éléments situés côté charge excepté la charge finale basse tension 18.
A noter que sur les trois représentations précédentes ce sont les circuits électriques du primaire côté générateur et du secondaire côté charge qui jouent implicitement le rôle d'électrodes passives.
Dispositif de mise en œuvre du procédé
On va maintenant décrire certains modes de réalisation préférés de dispositif selon l'invention.
Structure générale
Le dispositif complet suivant l'invention se compose d'un ou plusieurs dispositifs générateurs, usuellement fixes, 2 et raccordés à une source d'énergie électrique 1, et d'un ensemble de charges éventuellement mobiles (3). Chaque charge est alimentée par l'intermédiaire d'une zone limitée de l'espace (voir à la figure 4) où un champ électrique intense et rapidement variable est présent 4, ceci sans fils, ni contact électrique, ni usage d'une connexion à la terre. Le champ intense est créé localement entre certaines sous-éiectrodes 5 situées sur la surface du générateur et une électrode ou plusieurs sous-électrodes situées vis-à-vis côté charge 6. Les sous-électrodes génératrices sont activées sélectivement par des moyens de détection et de gestion associés à des commutateurs 7. Les commutateurs sont par exemple magnétiques et actionnés par un aimant permanent situé au niveau de la charge 8.
Le dispositif se caractérise notamment par l'usage d'électrodes passives côté charge 9 et côté générateur 10. Ces électrodes sont préfère ntiellement de plus grandes tailles que les électrodes actives et/ou suffisamment éloignées de ces dernières afin qu'elles soient principalement couplées au milieu diélectrique environnant. Dans la pratique cette situation est réalisée lorsque ieurs capacités propres sont peu différentes de leurs capacités propres lorsqu'elles sont seules dans le vide. Ces capacités sont représentées par les éléments diagonaux CN correspondant à leurs numéros d'ordre dans la matrice de couplage définie par :
Q1 = Q1Vj,.
Générateurs
Les dispositifs générateurs suivant l'invention se composent d'un ou plusieurs générateurs HTHF 11 reliés d'une part à une grande électrode passive ou à la terre 10 et d'autre part à un ou plusieurs jeux composés de plus petites sous-électrodes actives 5 à travers un réseau de fils et un ensemble de commutateurs 7.
Charges
Les dispositifs du type charges suivant l'invention se composent d'une ou plusieurs charges HTHF 12 reliées d'une part à une électrode active 6 et d'autre part à une électrode passive de préférence de plus grande taille 9. Les charges contiennent optionnellement des jeux de sous-électrodes actives. Par exemple, selon une application particulière de l'invention un jeu de sous-électrodes constituant l'électrode active côté charge est disposé autour d'une roue (par exemple d'une roue de vélo).
Générateurs HTHF Les générateurs HTHF 11 selon l'invention sont obtenus soit à partir de basses tensions à l'aide de transformateurs élévateurs à induction ou piézoélectriques 14 associés à un circuit électronique produisant les hautes fréquences à basses tensions 13 ou tout autre technologie susceptible de produire simultanément des champs électriques intenses et des fréquences élevées. Ils incluent avantageusement des circuits résonnants et/ou des dispositifs de récupération de l'énergie afin que la partie non utilisée de celle-ci ne soit pas totalement dissipée à chaque alternance. Les générateurs utilisent optionneiletment des transformateurs à induction résonnants afin de regrouper en une seule pièce l'élévation de la tension et le dispositif de recyclage de l'énergie. La masse du générateur ou la terre jouent avantageusement le rôle d'électrodes passives.
Charges HTHF
La structure des charges est usuellement dipolaire, mais elles forment aussi des structures multipolaires plus complexes lorsque plus de deux électrodes sont simultanément utilisées. Selon certaines applications de l'invention, les charges se composent de milieux à haute impédance de type résistif ou alternativement de milieux diélectriques à forts angles de pertes qui exploitent directement l'énergie du champ par exemple pour produire de la chaleur ou de la lumière. Dans de tels cas on peut considérer que les électrodes sont virtuelles et sont constituées par les surfaces externes de tels composants par lesquelles pénètrent et sortent les lignes de champ électrique.
Les charges sont optïonnellement constituées d'un adaptateur 24 raccordé à un ou plusieurs dispositifs existant afin de les rendre compatibles avec la technologie proposée selon l'invention. Le dispositif d'adaptation est constitué d'au moins une électrode active 6 et optionnellement d'électrodes passives 9, il peut aussi comporter un transformateur abaisseur de tension 15, optionnellement résonnant, et d'un dispositif électronique de redressement et de régulation 16 selon les caractéristiques électriques du dispositif existant. Dans certains cas des circuits à basse impédance et/ou des pièces métalliques de blindage de la charge finale sont avantageusement utilisés pour servir d'électrode passive. La distribution
La distribution de l'énergie se fait préférentiellement entre la borne haute tension du générateur HTHF 11 et le ou les jeux de sous-électrodes actives côté générateur 5 via le réseau de commutateurs 7. Ce mode de réalisation permet l'utilisation d'un seul fil pour véhiculer l'énergie électrique HTHF à l'ensemble de sous-électrodes constituant l'électrode active morcelée. De plus, ce fil peut être très fin (voir ci-dessous).
Selon d'autres mode de réalisation du dispositif selon l'invention, ia distribution de l'énergie se fait via un réseau de commutateurs placés entre la source d'énergie 1 et les circuits électroniques de conversion continu/alternatif
13 associés à des transformateurs élévateurs 14 situés au niveau de chaque électrode active du générateur 5.
Une autre possibilité est de découper la basse tension continue en haute fréquence par un seul circuit de puissance adapté 13 et de distribuer ensuite cette haute fréquence via un réseau de commutateurs à un jeu de transformateurs élévateurs 14 associés à chaque électrode active du générateur
5.
Les fils Les fils de liaisons véhiculant les tensions HTHF ne nécessitent pas d'être de bons conducteurs de l'électricité, ils sont optionnellement très fins ou remplacés par de petites quantités de matériaux conducteurs déposés ou inclus dans d'autres matériaux diélectriques, éventuellement souples, tels que des feuilles, nappes, rubans.
Les électrodes
Les sous-électrodes actives 5 exploitent éventuellement les mêmes possibilités que les fils, c'est-à-dire qu'on peut les réaliser en employant peu de matériau conducteur éventuellement inclus ou déposé sur des surfaces diélectriques souples.
La forme des sous-électrodes et des électrodes est quelconque, toutefois en ce qui concerne les électrodes actives il convient d'éviter les arrêtes vives susceptible de générer des pertes par ionisation et une dégradation des matériaux diélectriques environnants par effet des pointes.
Dans certaines applications il peut s'avérer utile de pouvoir créer le champ électrique intense voulu à une position quelconque sur la surface du générateur. Dans un tel cas, un mappage de la surface peut se faire, par exemple, par des sous-électrodes identiques triangulaires, rectangulaires, hexagonales ou de toute autre forme susceptible à recouvrir en mosaïque l'intégralité de la surface. Des sous-électrodes de formes et de surfaces appropriées quelconques sont aussi utilisables dans des situations particulières nécessitant par exemple un meilleur contrôle de certaines zones.
Le choix de la taille et de la forme respective des sous-électrodes et des électrodes est totalement libre, toutefois on utilisera préférentiellement côté générateur des sous-électrodes les plus petites possibles afin de pouvoir créer le champ intense voulu dans la zone immédiate de l'électrode active (ou bien des sous-électrodes actives) côté charge, tout en limitant l'étendu du champ intense dans les zones inoccupées. Si les dimensions des sous-électrodes, côté générateur, sont semblables à celles des électrodes actives côté charge, voire un peu plus grande, une alimentation adéquate de la charge est procurée toute en rendant active, côté générateur, une seule sous-électrode à la fois - ce qui rend plus facile la commutation côté générateur.
Si les dimensions des sous-électrodes, côté générateur, sont beaucoup plus petites que celles des électrodes actives côté charge, il faudrait, en général, activer plusieurs sous-électrodes à la fois du côté générateur afin d'assurer une alimentation adéquate de la charge. Par ailleurs, dans certains cas où les sous- électrodes côté générateur sont de la même taille ou un peu plus petites que les électrodes (ou sous-électrodes) côté charge, on peut activer deux voire plusieurs sous-électrodes à la fois du côté générateur si l'électrode côté charge est disposée en vis-à-vis avec la frontière entre ces sous-électrodes.
Si les dimensions des sous-électrodes, côté générateur, sont beaucoup plus grandes que celles des électrodes actives côté charge, la zone de champ intense créée est plus grande que nécessaire, ce qui implique un gaspillage de l'énergie. Toutefois, on peut tolérer ce gaspillage dans certaines applications où il y a une obligation stricte d'assurer l'alimentation adéquate de ia charge.
Lorsqu'il y a des électrodes actives morcelées des deux côtés la taille et la forme des sous-électrodes sont adaptées à chaque cas particulier.
Les commutateurs
Les commutateurs 7 sont de technologies très variables en fonction du mode de distribution choisie (BT ou HT), des puissances mises en jeu et des moyens de déclanchement utilisés. Ils intègrent optionnellement une électronique de commande. Ils sont alternativement électromécaniques, magnéto-mécaniques, électromagnétiques, optiques, acoustiques ou incluant tout autre technologie de déclanchement à distance. Optionnellement ils exploitent la différence de potentiel à leurs bornes afin de s'autoalimenter sans nécessiter de câblage supplémentaire. En utilisant une telle autoalimentation des commutateurs 7, on peut obtenir une configuration selon laquelle un seul fil passe du générateur HTHF à l'ensemble de sous-électrodes 5.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, comme les fils et les électrodes, les commutateurs utilisent avantageusement peu de matériaux conducteurs lorsqu'ils sont placés sur la HT.
Les commutateurs 7 sont positionnés préférentiellement au voisinage immédiat de chaque électrode active 5 et sont commandés soit par une action mécanique directe (contact solide, pression,....), soit à courte distance directement part une action de proximité d'une charge, soit indirectement par des moyens électroniques. Dans le cas d'utilisation de moyens électroniques, ces derniers sont intégrés soit dans les commutateurs eux-mêmes, soit au niveau de chaque électrode soit situés au niveau du générateur ou encore répartis en partie dans les générateurs et en partie dans les charges.
Les moyens de gestion de détection et de communication
Dans le cas où les moyens de détection et de gestion ne sont pas intégrés dans les commutateurs eux-mêmes, ils se répartissent sous forme de modules électroniques présents dans le générateur et/ou les charges. Ils prennent optionnellement la forme de circuits intégrés spécialisés 22 , 23. Les moyens électroniques sont optionneϋement associés à des moyens logiciels sous la forme de protocoles de communication. Optionnellement les moyens de communication utilisent le même support que la transmission de l'énergie, et mettent en œuvre des moyens de modulation et de démodulation appropriés 19,20.
Quelques exemples de réalisation
La figure 4 représente un mode de réalisation particulièrement simple de l'invention, un générateur HTHF 11 est relié d'une part à une grande électrode passive 10 et d'autre part à un ensemble de petites électrodes 5 - les sous- éiectodes - via un réseau de commutateurs mécaniques magnétiques de type Reed 7, Les commutateurs magnétiques sont actionnés par la présence à courte distance d'une charge 3 équipée d'un aimant permanent ou d'un électroaimant 8, agencés de telle manière que l'aimant 8 situé dans le commutateur 7 soit attiré ou repoussé pour ouvrir ou fermer le contact selon la présence ou les besoins de la charge.
Selon une variante du mode de réalisation de la figure 4, les commutateurs 7 comportent un capteur (non représenté) qui sert à détecter une modulation appliquée du côté charge (cette modulation servant à produire une variation de la charge électrique présente sur l'électrode active côté charge). La fermeture du contact du commutateur 7 est maintenue uniquement lorsque cette modulation est détectée par le capteur. Cette caractéristique permet d'éviter une activation inopportune du sous-électrode lors de la présence d'un champs magnétique qui ne provient pas de la charge 3 prévue. Même dans le cas où les commutateurs 7 sont commandés par d'autres stimuli (contact solide, pression, etc.) on peut employer ce même genre de capteur et cette même modulation côté charge afin de prévenir une activation non désirée du sous-électrode.
La figure 5 représente une réalisation possible d'un générateur HTHF 11. Dans cette réalisation, le courant électrique basse tension est transformé dans un premier temps en courant alternatif optionnellement sinusoïdal avant d'être appliqué à un transformateur élévateur résonnant de type « Tesla » 14. La borne basse tension de l'enroulement secondaire de ce transformateur est reliée à la terre, la borne haute tension étant reliée au réseau de distribution.
La figure 6 représente un mode de réalisation de la charge sous la forme d'un adaptateur relié à une charge existante. L'adaptateur 24 est composé d'une électrode active 6 reliée à la borne haute tension de l'enroulement primaire d'un transformateur abaisseur de type résonnant, Ea borne basse tension de cet enroulement étant connectée au secondaire du circuit. Le secondaire du transformateur est relié à un circuit redresseur contenant éventuellement des éléments de régulation 16. La tension de sortie est ensuite appliquée à la charge finale. Dans cette réalisation les circuits basse impédance du secondaire et de la charge jouent le rôle de l'électrode passive.
La figure 7 représente un mode de réalisation dans lequel une surface très fine d'un matériau diélectrique éventuellement souple est utilisée comme support pour un jeu de sous-électrodes. Les sous-électrodes sont réalisées par déposition ou électrodéposition et/ou gravure. Les commutateurs de type électroniques sont constitués par exemple de transistors montés en série, associés ou non à un circuit de détection de la présence de Ja charge, par exemple la présence d'une modulation provoquée par la présence à courte distance d'une charge équipée d'un circuit de modulation approprié. Transistors et circuits de détection et de commande sont réalisés par une technique similaire de dépôt sur substrat diélectrique.
Le circuit de gestion électronique du commutateur en position de veille, c'est-à-dire ouvert, est optionnellement alimenté par la différence de potentiel existant entre le générateur et l'électrode flottante, sans nécessiter de câblage supplémentaire.
Dans une variante non représentée de l'invention, lorsque des zones étendue de l'espace doivent être couvertes et afin de limiter les rayonnements, des secteurs en phase et en opposition de phase sont réalisés en utilisant plusieurs générateurs déphasés ou en commutant alternativement les électrodes actives à l'une des deux bornes d'un même générateur.
Quelques exemples d'applications On peut employer la présente invention dans des applications très diverses où les dimensions des électrodes et les fréquences utilisées varient énormément (en fonction de l'application). Voici quelques exemples illustratifs mais nullement limitatifs : - un système pour alimenter des appareils électroménagers depuis un plan de travaille doté d'un dispositif générateur selon l'invention (les appareils électroménagers étant dotés de dispositifs de charge selon l'invention),
- un système pour alimenter une/plusieurs charges portées par un véhicule (voire d'alimenter le véhicule) depuis un dispositif générateur selon l'invention installé le long de la route (par exemple, sous le sol, dans des bornes ou bien des panneaux à côté de la route, etc.); un système de transfert d'énergie électrique et de données entre un dispositif générateur maître et plusieurs dispositifs de charge enfants (par exemple un dispositif générateur installé dans une station des bus, et des dispositifs de charge installés dans les bus);
- alimentation d'un téléphone mobile ou autre dispositif mobile (baladeur mp3, ordinateur portable, etc.) depuis un dispositif générateur installé dans le mur d'une maison, etc.
L'invention vise, entre autres, la télé-alimentation en énergie de dispositifs électriques amovibles ou mobiles de petites et moyennes puissances. Dans le cas de transferts d'énergie sur des distances très grandes, le niveau de tension ou bien l'intensité du champ électrique nécessaire pour assurer le transfert risque d'excéder des limites précisées dans les normes actuelles (qui ne permettraient pas l'utilisation de tensions dépassant les quelques dizaines de kilovolts). Toutefois, selon le développement des normes, l'application de l'invention pourra s'étendre à des échelles encore plus grandes.

Claims

Revendications
1. Procédé de transport à distance de l'énergie électrique se comprenant les étapes de : fourniture d'un dispositif générateur comprenant une première paire d'électrodes (5,10), l'une (5) étant une électrode active et l'autre (10) étant une électrode passive, la première paire d'électrodes étant connectées aux bornes d'un générateur (11) d'énergie électrique à haute fréquence et à haute tension, l'électrode active étant morcelée en une pluralité de sous-électrodes (5) qui sont reliées, de façon sélective, au générateur (11) via un moyen de commutation (7); fourniture d'au moins un dispositif (3) servant de charge, ce dispositif de charge (3) comprenant une deuxième paire d'électrodes l'une (6) étant une électrode active et l'autre (9) étant une électrode passive, la deuxième paire d'électrodes étant connectées à une charge; disposer l'électrode active (4) d'au moins l'un des dispositifs de charge (3) dans le voisinage d'au moins l'une des sous-électrodes (5) du dispositif générateur (2); transporter de l'énergie électrique audit au moins un dispositif de charge (3) en actionnant le moyen de commutation (7) pour relier ladite au moins une sous-électrode (5) au générateur (11), tandis que les autres sous-électrodes (5) ne sont pas connectées au générateur (11), en créant une zone de champ électrique intense (4) localisée au voisinage de ladite au moins une sous- électrode (5), cette zone (4) étant située au voisinage dudit au moins un dispositif de charge (3).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel de l'information est optionnellement transmise mono ou bi-directionneilement suivant le même procédé et à l'aide de moyens supplémentaires de modulation et de démodulation intégrés dans le dispositif générateur (2) et le dispositif de charge (3).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'énergie électrique est optionnellement transmise à l'au moins un dispositif de charge (3) selon un protocole de communication permettant à chaque dispositif de charge (3) de déclencher elle-même le transfert d'énergie, ce protocole est mis en œuvre par un dispositif utilisant des moyens de détection, de contrôle et de commutation situés préférentieîlement au niveau de chaque sous-électrode active (5) du dispositif générateur (2) et/ou optionnellement du dispositif de charge (3).
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel ledit protocole de communication comporte optionnellement des modes de type protection ou veille lorsque le transport de l'énergie entre ledit dispositif générateur (2) et les dispositifs de charge (3) éventuellement présentes n'est plus nécessaire ou ne peut plus se faire correctement.
5. Système de transport à distance de l'énergie électrique par couplage électrique longitudinal en champ proche entre au moins deux dipôles électriques oscillants, l'un dénommé dispositif générateur fournissant l'énergie et le second dénommé dispositif de charge la recevant, le système comprenant: au moins un dispositif générateur (2), ledit dispositif générateur (2) étant doté d'une première paire d'électrodes (5,10), l'une (5) étant une électrode active et l'autre (10) étant une électrode passive, la première paire d'électrodes étant connectées aux bornes d'un générateur (11) d'énergie électrique à haute fréquence et à haute tension, l'électrode active étant morcelée en une pluralité de sous-électrodes (5) qui sont reliées, de façon sélective, au générateur (11) via un moyen de commutation (7); au moins un dispositif (3) de charge comprenant une deuxième paire d'électrodes l'une (6) étant une électrode active et l'autre (9) étant une électrode passive, la deuxième paire d'électrodes étant connectées à une charge (12); et un moyen de commande pour activer, de manière sélective, le moyen de commutation (7) pour relier au moins une des sous-électrodes (5) au 5 générateur (11), tandis que les autres sous-électrodes (5) ne sont pas connectées au générateur (11), ladite au moins une sous-éiectrode (5) activée constituant ainsi une des extrémités d'un dipôle électrique dont l'autre extrémité est constituée de l'électrode passive (10) du dispositif générateur (2); ledit moyen de commande étant adapté pour rendre active au moins une lu sous-électrode (5) se trouvant en vis-à-vis d'une électrode active (6) d'un des dispositifs de charge (3). ladite électrode active (6) du dispositif de charge (3) constituant une des extrémités d'un dipôle électrique dont l'autre extrémité est constituée de l'électrode passive (9) du dispositif de charge (3).
15 6. Système selon la revendication 5, dans lequel le ledit générateur (11) est un générateur haute tension haute fréquence (générateur HTHF).
7. Système selon la revendication 6, dans lequel l'électrode passive (10/9) d'au moins l'un du dispositif générateur (2) et du dispositif de charge (3) est
20 remplacée par une connexion à la masse primaire ou à la terre.
8. Système selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le générateur HTHF (11) est constitué d'un dispositif électronique associé à au moins un transformateur élévateur de tension (14) tels que : transformateur à induction
25 préférentiel lement de type résonant, transformateur piézoélectrique ou toute technologie capable de fournir des hautes tensions à hautes fréquences.
9. Système selon la revendication 5, dans lequel les dispositifs de charge (3) fonctionnent directement en haute tension ou sont optionnel lement constituées d'un dispositif abaisseur de tension (15) associé à une charge basse tension classique (18).
10. Système selon la revendication 8, dans lequel, le rôle d'électrode passive (9) du dispositif de charge (3) est tenu par le blindage métallique de la charge basse tension (18) ou par les circuits basse impédance de cette dernière.
11. Système selon la revendication 6, dans lequel les liaisons entre d'une part les générateurs HTHF (11) et les électrodes (5,10) associées à ces derniers et d'autre part des charges HTHF compris dans les dispositifs de charge (3) et leurs électrodes associées (4,9) s'effectuent au moyen de fils conducteurs optionnellement très fins, ces derniers comme les électrodes (5,10/4,9) et les commutateurs HT (7) sont optionnellement constitués de petites quantités de matériaux conducteurs déposés ou inclus dans des matériaux diélectriques, éventuellement souples, tels que des feuilles, nappes, rubans.
12. Système selon la revendication 5, dans lequel la taille des sous- électrodes (5) côté générateur est suffisamment petite et leur nombre, leurs formes et leurs dispositions adaptées afin d'assurer à chaque instant une bonne couverture de la ou des électrodes actives (6) optionnellement mobiles situées en vis-à-vis côté charge.
13. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le moyen de commutation (7), des moyens annexes de détection à distance et des circuits de commande et de gestion de ces éléments sont placés préférentieliement près des sous- électrodes (5), le moyen de commutation (7) étant optionneilement placé en amont des transformateurs ou des générateurs lorsqu'un exemplaire de ces derniers est situé au niveau de chaque sous-électrode (5).
14. Système selon la revendication 13, dans lequel des moyens électroniques intégrés dans un commutateur faisant partie du moyen de commutation (7), ou dans son proche voisinage, sont optîonnellement alimentés par la différence de potentiel existant entre les bornes du dit commutateur.
15. Système selon la revendication 13, dans lequel des moyens électroniques de gestion du moyen de commutation (7) sont optîonnellement partiellement ou totalement regroupés au sein de circuits intégrés spécialisés (22,23) et sont optionnellement associés à des moyens électroniques de communication utilisant le même lien que celui permettant le transport de l'énergie.
16. Système selon la revendication 5, comprenant, en outre, des circuits annexes optionnellement intégrés dans ledit moyen de commande le permettant d'adopter des modes de protection ou de veille lorsque le transport de l'énergie entre ledit au moins un dispositif générateur (2) et les dispositifs de charge (3) éventuellement présentes n'est plus nécessaire ou ne peut plus se faire correctement.
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