WO2015059422A1 - Generateur d'electricite - Google Patents

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WO2015059422A1
WO2015059422A1 PCT/FR2014/052707 FR2014052707W WO2015059422A1 WO 2015059422 A1 WO2015059422 A1 WO 2015059422A1 FR 2014052707 W FR2014052707 W FR 2014052707W WO 2015059422 A1 WO2015059422 A1 WO 2015059422A1
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WO
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permanent magnets
group
block
permanent magnet
permanent
Prior art date
Application number
PCT/FR2014/052707
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English (en)
Inventor
Jérome DELAMARE
Thibault RICART
Original Assignee
Institut Polytechnique De Grenoble
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Publication date
Application filed by Institut Polytechnique De Grenoble filed Critical Institut Polytechnique De Grenoble
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Priority to US15/031,928 priority patent/US9935255B2/en
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H10N35/101—Magnetostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. generators, sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors

Definitions

  • the invention relates to an electricity generator.
  • Known electricity generators comprise:
  • this converter capable of converting a variation of a magnetic field into a potential difference between two electrical terminals, this converter comprising for this purpose:
  • An electromechanical transducer capable of directly transforming a mechanical deformation exerted on this electromechanical transducer into a potential difference between the two electrical terminals
  • a magnetostrictive layer extending essentially parallel to a reference plane and fixed without any degree of freedom to the electromechanical transducer, this magnetostrictive layer comprising at least one block of magnetostrictive material capable of converting a variation of the magnetic field into a mechanical deformation exerted on the electromechanical transducer,
  • a magnetic field source comprising a group of several permanent magnets aligned along an alignment axis, at least one of the group and the converter being alternately movable between:
  • a single uni-axial permanent magnet or a group of permanent magnets is disposed vis-à-vis each block of magnetostrictive material.
  • the south pole of a permanent magnet is directly attached to the north pole of the permanent magnet of the same immediately consecutive group along the alignment axis.
  • the magnetic moments of the permanent magnets of this group are all aligned and in the same sense.
  • this group of permanent magnets actually forms a single uni-axial permanent magnet.
  • the horizontal section of the single permanent magnet that is to say its section in a plane parallel to the reference plane, is substantially equal to the section of the magnetostrictive material block.
  • the length L of the single permanent magnet in the direction of its horizontal magnetic moment is therefore usually several centimeters.
  • its shape ratio must be close to one. This therefore requires that the thickness e of the large permanent magnet, in its vertical direction, is approximately equal to its length L.
  • the surface of the vertical section of the single permanent magnet is close to L 2 . This results in a large size of the single permanent magnet and therefore the generator.
  • the invention aims to reduce the size of the generator constant efficiency or constant space to increase the efficiency of the generator.
  • Efficiency is defined here as the amount of electrical energy produced by the generator for the same displacement of the group of permanent magnets.
  • first permanent magnets as defined above makes it possible to simultaneously induce several magnetic fields B inside the same block of magnetostrictive material in the first position.
  • these fields Bi are aligned one after the other along a deformation axis of the block.
  • Each field Bi is opposite direction to the field B i + i immediately following in the direction of the deformation axis.
  • the block of magnetostrictive material is only sensitive to the inclination of the field B, with respect to its axis of deformation and not in the sense of the field B ,.
  • the two magnetic fields B, and B i + i cause the same mechanical stress on the electromechanical transducer as a single magnetic field B g induced by a single permanent magnet and corresponding to the vector sum of the field B, and a field B i + i identical to the field B i + i but of opposite direction.
  • this single permanent magnet in the first position, to effectively induce the field B g over a length L parallel to the axis of deformation of this magnetostrictive material block, this single permanent magnet must have a length L and a thickness close to this length L and therefore a vertical section close to or greater than L 2 .
  • each first permanent magnet has a length L / 2 and thus a vertical section close to L 2/4.
  • Embodiments of this generator may include one or more of the features of the dependent claims.
  • first permanent magnets whose magnetic moments are parallel to the alignment axis makes it possible to induce, inside the magnetostrictive material block, a larger magnetic field than in other configurations such as a configuration where the magnetic moments of the first permanent magnets are perpendicular to the alignment axis;
  • a second permanent magnet whose thickness, in a direction parallel to the alignment axis, is at least two times smaller than the length of the first permanent magnet next to which it is placed, makes it possible to limit the dimensions of the zones in the magnetostrictive material block where the induced field is perpendicular to the reference plane;
  • using a second group of symmetrical permanent magnets of the first group of permanent magnets limits or cancels the forces exerted by the first group of permanent magnets on the block of magnetostrictive material in a direction perpendicular to the reference plane;
  • FIG. 1 is a schematic illustration, partly in vertical section, of an electricity generator
  • FIG. 2 is a schematic illustration, in plan view, of a converter of the generator of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a diagrammatic illustration, in plan view, of a magnetostrictive layer used in the converter of FIG. 2,
  • FIG. 4 is an illustration, in plan view, of part of a set of permanent magnets used in the generator of FIG. 1,
  • FIGS. 5 to 8 and 10 are partial schematic illustrations, in vertical section, of different embodiments of a group of permanent magnets of the assembly of Figure 4;
  • FIG. 9 is a diagrammatic illustration, in plan view, of another embodiment of the generator of FIG. 1 in the case of a translational movement;
  • FIG. 11 and 12 are schematic illustrations, in vertical section, of two other possible embodiments of the generator of Figure 1.
  • FIG. 1 shows a generator 2 of electricity.
  • This generator 2 comprises:
  • recuperator 6 of energy capable of transforming the energy to be recovered into electrical energy.
  • the magnetic field of the source 4 rotates about a vertical axis Z of an orthogonal reference X, Y, Z. Subsequently, each of the figures is oriented relative to this reference X, Y, Z .
  • the source 4 comprises a set 12 of permanent magnets fixed without any degree of freedom on a shaft 8 driven in rotation about a vertical axis 9.
  • the shaft 8 is shaft of an apparatus such as an electricity meter or gas rotated during the counting of electricity or gas consumed. For simplicity, only the shaft 8 of this device is shown.
  • the energy recuperator 6 comprises:
  • a converter 20 which converts the rotating magnetic field into a corresponding excess of electric charges on a connection terminal 22 or 24 relative to the other of these terminals 22, 24.
  • circuit 30 for collecting the excess of electrical charges on terminal 22 or 24 and for transferring these collected electrical charges to an electrical element 32, and
  • circuit 34 for controlling the circuit 30 for collecting.
  • the element 32 stores, consumes and / or transmits the electrical charges collected by the circuit 30.
  • the element 32 comprises one or more electrical components.
  • the element 32 is a capacitor that stores the recovered electrical energy.
  • the collection circuit 30 and the control circuit 34 are, for example, identical to those described in the application WO 2007/063194 and, preferably, identical to one of those described in the application filed under No. ° FR 1260047, October 22, 2012 by the Commissariat for Atomic Energy and Alternative Energys. Therefore, these circuits 30 and 34 are not described here in more detail.
  • the converter 20 is capable of transforming into electricity very slow variations of the energy to be recovered.
  • the term "slow variation” denotes variations whose fundamental frequency is less than 1 Hz.
  • the converter 20 converts a variation of the amplitude of the magnetic field in a given direction into a generation of a surplus of charges. terminal 22 and, alternately, terminal 24. This conversion occurs almost instantaneously so that the voltage between terminals 22 and 24 varies at the same time and as the amplitude of the magnetic field varies in a given direction.
  • the converter 20 is stationary in the XYZ mark. More specifically, it is traversed by the shaft 8 but is not rotated by this shaft. For example, it is mechanically separated from the shaft 8 by a game.
  • the converter 20 comprises a magnetostrictive layer 52 associated with an electromechanical transducer 50.
  • the layer 52 extends in a horizontal plane called "reference plane".
  • the reference plane is located halfway up the layer 52. It is made, at least in part, in a magnetostrictive material.
  • magnetostrictive material denotes a material whose maximum absolute value of the saturation magnetostriction coefficient ⁇ s is greater than 10 ppm (parts per million) and preferably greater than 100 or 1000 ppm.
  • AL is the rate of elongation of the magnetostrictive material in a deformation direction
  • - L is the length of this material in this direction in the absence of external magnetic field.
  • the coefficient A s is positive.
  • the magnetostrictive material is Terfenol-D or FeSiB or an alloy of FeCo.
  • the layer 52 is described in more detail with reference to FIG.
  • the electromechanical transducer 50 comprises:
  • a lower electrode 60 a lower electrode 60.
  • the layer 58 and the electrode 60 are symmetrical, respectively, of the layer 54 and the electrode 56 with respect to the reference plane. Therefore, this layer 58 and this electrode 60 are not described in more detail.
  • the layer 54 extends horizontally over the entire top face of the layer 52. More specifically, it has an inner face bonded without any degree of freedom on this face of the top of the layer 52. This inner face covers the and, typically, more than 90% or 98% of the top face of the layer 52.
  • the layer 54 extends uniformly in each horizontal direction.
  • the layer 54 has the shape of a horizontal disk traversed at its center by the shaft 8.
  • the layer 54 also has a horizontal outer face located on the opposite side to the inner face.
  • the layer 54 During its operation, the layer 54 generates an excess of electrical charges on the outer face when the layer 52 exerts a mechanical stress on the inner face.
  • This mode of operation is known as the d 3 i mode. In this mode of operation, the capacity of the transducer 50 is large, which improves and facilitates the operation of the converter 20.
  • this mode of operation of the layer 52 is obtained with a piezoelectric material vertically polarized in the same direction over its entire length. inner side.
  • the piezoelectric material has a coupling coefficient k greater than 5% or 10%.
  • This coupling coefficient is defined in ANSI / IEEE 176-1987 "ANSI / IEEE Standard on Piezoelectricity" or in the standards of the EN 50-324 family. More precisely, here, the piezoelectric material used has a piezoelectric coefficient g 3 i greater than 5 ⁇ 10 -3 Vm / N and, preferably, greater than 10 ⁇ 10 -3 Vm / N or 100 ⁇ 10 -3 V / N or 200 x 10 "3 Vm / N at 25 ° C.
  • the piezoelectric material is PZT (Lead titanate Zyrconate) or PMN-PT (Lead Magnesium niobate / Lead titanate).
  • the electrode 56 is made of an electrically conductive material.
  • electrically conductive material is meant a material whose resistivity to
  • 25 ° C is less than 10 "5 ⁇ . ⁇ and preferably less than 10 " 6 ⁇ . ⁇ or 10 "7 ⁇ . ⁇ .
  • the electrode 56 is directly deposited on the outer face of the layer 54.
  • the electrode 56 is made using a one-piece layer of electrically conductive material which covers the majority of the outer face of the layer 54. More specifically, in this embodiment, the electrode 56 forms a ring surrounding the shaft 8 as visible in Figure 2.
  • the assembly 12 is fixed without any degree of freedom on the shaft 8 so as to be rotated relative to the converter 20 between a first and a second position.
  • the first position is shown in Figure 4.
  • the second position is angularly offset by 45 ° about the axis 9 relative to the first position.
  • the assembly 12 comprises several groups of uni-axial permanent magnets aligned next to each other along a respective alignment axis.
  • uni- axial is meant the fact that each permanent magnet has a single magnetic moment and therefore only one south pole and one north pole.
  • the groups of permanent magnets are distributed between an upper portion 64 and a lower portion 66.
  • the lower portion 66 is symmetrical with the upper portion 64 relative to the reference plane. Thus, only the upper part 64 will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 3 represents in more detail the structure of the layer 52.
  • the layer 52 is a disc of the same radius as the layer 54. It comprises four blocks 70 to 73 in magnetostrictive material extending along two horizontal axes. 74, 75 intersecting on the axis 9. Here, these axes 74, 75 extend, respectively, parallel to the directions X and Y.
  • Each block 70 to 73 is formed in one piece, that is to say say of a single block of matter.
  • each block 70 to 73 is made of the same magnetostrictive material.
  • each block 70 to 73 has its own preferred axis of deformation.
  • the preferred axis of deformation of a block is the axis along which the amplitude of its deformation is maximum when crossed by field lines parallel to this axis.
  • the preferential axis of deformation is imposed by the disposition of the magnetostrictive block with respect to the source of these field lines.
  • the preferential axis of deformation can also be an intrinsic property of the block which is due, for example, to the crystalline orientation of the magnetostrictive material and / or the shape factor of the magnetostrictive material. block.
  • block form factor is meant the ratio of the width to the length of the horizontal rectangle of smaller area within which this block is contained.
  • each block is strictly less than 1 or 0.5 or 0.2 and the preferred axis of deformation is here parallel to its length.
  • the preferred axis of deformation of each block is systematically confused with its longitudinal axis.
  • the preferred axes of deformation of the blocks 70 and 72 are aligned on the axis 74 and the preferred axes of deformation of the blocks 71, 73 are aligned on the axis 75.
  • the block 70 has the shape of an angular sector whose apex is located on the axis 9 and whose bisector coincides with the axis 74.
  • the angle at the top of the block 70 is equal to 45 °.
  • the tip of the angular sector is cut to leave a passage for the shaft 8.
  • the blocks 71 to 73 are identical to the block 70 except that they are angularly offset about the axis 9 relative to the block 70 of respectively 90 °, 180 ° and 270 °.
  • the layer 52 also comprises four regions 76 to 79 devoid of magnetostrictive material and interposed between the blocks 70 to 73. The side edges of the blocks 70 to 73 are therefore mechanically separated from the lateral edges of the other blocks. immediately adjacent by these four regions 76 to 79.
  • the region 76 is delimited on one side by a lateral edge of the block 70 and on the other side by a lateral edge of the block 71. Its outer periphery is aligned with a vertical edge of the layers 54 and 58.
  • the regions 77, 78 and 79 are identical to the region 76 except that they are angularly offset around the axis 9, respectively, of 90 °, 180 ° and 270 °.
  • the regions 76 to 79 are angular sectors of the same shape as the block 70 but angularly offset around the axis 9, respectively, of 45 °, 135 °, 225 ° and 315 ° relative to each other. at the position of the angular sector of the block 70.
  • the thickness of each of these regions 76 to 79 is equal to the thickness of the blocks 70 to 73.
  • Figure 4 shows in greater detail the upper portion 64 of the assembly 12 in the first position.
  • the direction of the alignment axis of each group of permanent magnets is represented by a double arrow.
  • the portion 64 comprises four groups 90 to 93 of permanent magnets.
  • the angle between the alignment axes of the groups 90 to 93 is chosen equal to the angle existing between the preferential axes of deformation of the blocks 70 to 73 to within plus or minus 10 ° and, preferably, to plus or minus 5. ° near.
  • the alignment axes of the permanent magnets of the groups 90 and 92 are parallel to the axis 74 to plus or minus 10 ° or 5 °.
  • the alignment axes of the permanent magnets of the groups 91 and 93 are parallel to the axis 75 within plus or minus 10 ° or 5 °.
  • the groups 90 to 93 each have the same shape, in a horizontal plane, as the blocks 70 to 73 and are arranged relative to each other as described for the blocks 70 to 73. Thus, in the first position, each block 70 to 73 is vis-à-vis a respective group 90 to 93.
  • a block is opposite a group of magnets if the surface of the intersection between the orthogonal projections of this block and this group, on the plane of reference, is greater than or equal to more than 50% and, preferably, more than 80% or 90% of the area of this block in this plane. Under these conditions, it is also said that this block is located inside the orthogonal projection of the group of magnets. This same definition is also used to define what is meant by the fact that an element is located vis-à-vis a group of magnets. In the first position, blocks 70 to 73 are contained within the orthogonal projections, respectively, of groups 90 to 93.
  • regions 76 to 79 are located outside the orthogonal projections of groups 90 to 93. It is considered that an element is located outside the orthogonal projection of a group of magnets if is not located within this projection with the definition given above. When an element is outside the orthogonal projection of a group of magnets is also said to be in a position offset from this group of magnets.
  • the groups 90 and 92 are symmetrical to one another with respect to a vertical plane passing through the axis 75.
  • the groups 91 and 93 are symmetrical to one another with respect to a vertical plane passing through the axis 74.
  • the group 90 will be described in more detail with reference to FIG. 5.
  • the portion 64 has additional groups 96 to 99 of permanent magnets.
  • Each of these groups 96 to 99 has the same shape as the group 90 except that these groups 96 to 99 are angularly offset about the axis 9 of, respectively, 45 °, 135 °, 225 ° and 315 ° relative to the position of the group 90.
  • each block 70 to 73 is vis-à-vis a group 96 to 99 respectively.
  • the directions of the alignment axes of the groups 96 to 99 are such that the magnetic field lines they generate inside the blocks 70 to 73 in the second position are rotated 90 °, in a horizontal plane. , relative to the magnetic field lines generated by groups 90 to 93 within these same blocks but in the first position.
  • the alignment axis of each group 96 to 99 is perpendicular to the bisector of the angular sector occupied by this group. The detailed embodiment of these groups 96 to 99 is deduced from that which will be described for the group 90.
  • FIG. 5 shows the group 90 in greater detail.
  • the magnetic moment of each permanent magnet is represented by an arrow.
  • Figure 5 shows a portion of the group 90. To simplify this figure and the following, only the block 70 vis-à-vis the group 90, in the first position, has been shown. Similarly, the field lines generated by the group of permanent magnets are shown in this figure and the following ones by dashed lines.
  • the permanent magnets of the group 90 are aligned next to each other along an axis 110 of horizontal alignment. In the first position, this axis 110 is parallel to the axis 74 and to the direction X. The axis 110 intersects the axis 9.
  • each permanent magnet of the group 90 is formed of a single block of magnetized materials.
  • Each permanent magnet is uni-axial and therefore has a single magnetic moment in one direction.
  • Each permanent magnet thus has a single pair of south and north poles.
  • the group 90 comprises a succession, along the axis 110, of first permanent magnets whose form factor is close to one.
  • "Shape factor close to one" means a form factor greater than 1/10 and preferably greater than 1/7 or 1/5 or 1/3 or 1/2 and, less than 10, 7, 5 or 3 or 2.
  • the form factor of the first permanent magnets is equal to one.
  • the ratio e / 1 is designated, where:
  • I is the length of the permanent magnet in the direction of its magnetic moment
  • - e is the thickness of the magnetic magnet in a direction perpendicular to that of its magnetic moment.
  • the dimensions I and e defined above are those of the smaller area rectangle containing the vertical section of this permanent magnet.
  • the thickness is the smallest dimension among the dimensions perpendicular to the direction of the magnetic moment.
  • a "permanent magnet” is a permanent magnet of the group 90 which has the following two characteristics:
  • the group 90 comprises at least two first permanent magnets and, preferably, at least four or ten first permanent magnets. In Figure 5, only four first permanent magnets 112 to 115 are shown.
  • the magnetic moments of these first permanent magnets are aligned on the axis 110.
  • the magnetic moment of any one of these first permanent magnets is in the opposite direction to the first permanent magnet which follows or immediately precedes it. the direction X.
  • the poles of the same polarity of two first successive permanent magnets are vis-à-vis.
  • the magnetic moments of the magnets 112 and 114 are directed to the left while the magnetic moments of the magnets 113 and 115 are directed to the right.
  • the group 90 in addition to the first permanent magnets, also comprises second permanent magnets for directing the magnetic flux of the group 90 to the block 70.
  • second permanent magnets for directing the magnetic flux of the group 90 to the block 70.
  • FIG. 5 five second permanent magnets 118 to 122 are represented. Each second permanent magnet is placed between the poles of two consecutive first permanent magnets in the X direction. Thus, the second permanent magnet is not separated from the first permanent magnet next to which it is immediately placed by another first permanent magnet.
  • each second permanent magnet is directly joined to the right and to the left, along the X direction, to a respective pole of a first permanent magnet.
  • the magnetic moments of the second permanent magnets are perpendicular to the reference plane and arranged to direct the magnetic flux of the first permanent magnets to the block 70.
  • the magnetic moment of the second permanent magnets contiguous on each side to the south poles first two consecutive permanent magnets is directed towards the block 70.
  • this is the case of the second permanent magnets 118, 120 and 122.
  • the magnetic moment of the second permanent magnets contiguous to each side at the north poles of two first immediately consecutive permanent magnets is directed upwards, that is to say away from the block 70.
  • this is the case of the second permanent magnets 119 and 121.
  • the second permanent magnets do not necessarily have a form factor close to one.
  • the length I of the second permanent magnets in the Z direction is equal to the thickness e of the first permanent magnets.
  • the thickness of the second permanent magnets in the X direction is two or three times smaller than the length of the first permanent magnets.
  • the dimension of the second permanent magnets in the Y direction is between the dimension in this same direction, from the first immediately preceding permanent magnet and from the first immediately following permanent magnet in the X direction.
  • the succession of first permanent magnets produces, at the same time, inside the block 70 a succession of magnetic fields B, all parallel to the axis 110 and whose directions alternate.
  • the intensities of the magnetic fields induced in this way inside the block 70 are much greater than if a single uni-axial permanent magnet of the same size as the group 90 was used. It is recalled here that the magnetostrictive materials are not sensitive to the direction of the magnetic field but only to the direction of the induced magnetic field with respect to their preferred axes of deformation.
  • the embodiment described here exploits this property to produce, with identical bulk, a voltage stress exerted by the block 70 on the piezoelectric layers 54 and 58 greater than if a single uniaxial permanent magnet was used. This therefore increases the efficiency of the generator with identical dimensions or, with equal efficiency, makes it possible to reduce the overall dimensions of the assembly 12.
  • the magnetic moments of the first permanent magnets are equal in amplitude but in opposite directions two by two.
  • the first permanent magnets whose magnetic moments are opposite are immediately arranged one after the other along the axis 110. Therefore, the vector sum of the magnetic moments of the permanent magnets of the group is zero or almost zero.
  • this vector sum gives a vector whose amplitude is equal to zero to more or less ⁇ , where ⁇ is equal to 10%, and preferably to 5%, of the sum of amplitudes of the magnetic moments of this group of magnets. This limits the magnetic coupling between the block 90 and a uniform external magnetic field.
  • the operation of the generator 2 is as follows.
  • the blocks 70 to 73 are traversed by field lines parallel to their respective preferential deformation axis.
  • the deformation, here the elongation, blocks 70 to 73 is maximum.
  • the layer 52 thus exerts in this first position maximum stress stresses on the layers 54 and 58 at the same time along the axes 74 and 75.
  • an excess of electrical charges of the same sign is produced in the areas of the outer face of the layers 54 and 58 located vertically blocks 70 to 73.
  • the regions of the layers 54 and 58 located vertically from the regions 76 to 79 are also subjected to a tensile stress so that the outer face of these layers 54 and 58 also have areas, vis-à-vis the regions 76 to 79, generating an excess of electrical charges of the same sign. Therefore, in this first position, electric charges of the same sign are generated on almost all of the outer face of the layers 54 and 58, which increases the potential difference produced by the converter 20.
  • the second position is reached.
  • the blocks 70 to 73 are located midway between the groups 90 to 93 consecutive and vis-à-vis a group 96 to 99 respectively.
  • the regions 76 to 79 are opposite the groups 90 to 93. Since these regions 76 to 79 are devoid of magnetostrictive material, the blocks 70 to 73 no longer tend to lengthen but, on the contrary, they shrink. simultaneously. Indeed, the magnetic field lines that pass through the blocks 70 to 73 are now perpendicular to the longitudinal axes of these blocks. Therefore, each block 70 to 73 exerts a compressive stress on the layers 54 and 58. This makes it possible to increase the amplitude between the differences of potentials produced in the first and second positions.
  • Figure 6 shows a group 130 of permanent magnets.
  • This group 130 is identical to the group 90 except that the second permanent magnets are replaced by magnetic teeth of the same dimensions.
  • Each magnetic tooth is made of a soft magnetic material.
  • soft magnetic material is meant a magnetic material whose coercive magnetic field is less than 100 Am- 1, for example it is a ferromagnetic material, specifically, in FIG. 122 are replaced by magnetic teeth 132 to 135 of the same dimensions as these second magnets.
  • Figure 7 shows a group 140 of permanent magnets.
  • the first permanent magnets are identical to the first permanent magnets of the group 90 except that they are rotated so that their magnetic moments are perpendicular to the reference plane.
  • the magnetic moments of the first permanent magnets have the same meaning.
  • conventionally it is considered that the magnetic moments of the first permanent magnets are directed towards the block 70.
  • four first permanent magnets 142 to 147 are represented.
  • the group 140 further comprises second permanent magnets for reinforcing and directing the magnetic flux of the group to the block 70. These second permanent magnets are positioned as the second permanent magnets of the group 90. However, the magnetic moments of these second Permanent magnets are directed vertically upwards, that is to say away from block 70.
  • Three second permanent magnets 148 to 150 are shown in FIG.
  • the second permanent magnets also have a form factor close to one.
  • their form factor is identical to that of the first permanent magnets.
  • another convention could have been adopted consisting in considering that the first permanent magnets each have a magnetic moment directed upwards. With this other convention, the permanent magnets previously described as the second permanent magnets are first permanent magnets and vice versa.
  • a magnetic plate 152 is fixed without any degree of freedom on the south and north poles of the permanent magnets of the group 140.
  • the plate 152 is made of a soft magnetic material. It makes it possible to increase the intensity of the magnetic field induced by the group 140 inside the block 70 and limits the magnetic field leaks on the side opposite the block 70.
  • Figure 8 shows a group 160 of permanent magnets.
  • This group 160 is identical to the group 140 except that the second permanent magnets are replaced by magnetic teeth of the same dimensions as the second permanent magnets replaced.
  • three magnetic teeth 162 to 164 are visible in Figure 8.
  • the magnetic teeth form a single block of material with the plate 152.
  • the combination of the magnetic teeth and the plate 152 forms a cylinder head magnetic.
  • Figure 9 shows a generator 190 corresponding to the embodiment of Figure 1 but with a translational movement.
  • the assembly 12 is replaced by a set 192 of permanent magnets and the layer 52 is replaced by a layer 194.
  • the layer 194 is interposed between two flat layers of piezoelectric materials similar to the layers 54 and 58.
  • the assembly 192 and the layer 194 are represented in plan view and the one next to the other. In reality, the assembly 192 and the layer 194 are superposed vertically one above the other.
  • the assembly 192 comprises eight groups 196 to 199 and 202 to 205 of permanent magnets. All these groups of permanent magnets are aligned on the same axis 210 parallel to the direction X.
  • the groups 202 to 204 are interposed between, respectively, the groups 196, 197, the groups 197, 198 and the groups 198, 199.
  • Group 205 is joined on the right to the group 199.
  • the alignment axes of the groups 196 to 199 are parallel to the direction Y.
  • the alignment axes of the groups 202 to 205 are parallel to the direction X.
  • These groups of groups Permanent magnets are made as previously described. All groups have the same width in the X direction.
  • the layer 194 comprises four blocks 214 to 217 in the same magnetostrictive material separated by four regions 220 to 223 devoid of magnetostrictive material. These blocks and regions are all aligned on an axis 226 parallel to the direction X. More precisely, the regions 220 to 222 are interposed between, respectively, the blocks 214, 215, the blocks 215, 216 and the blocks 216, 217. region 223 is contiguous on the right of block 217. This region 223 can also be omitted. The preferred axes of deformation of the blocks 214 to 217 are parallel to the direction Y.
  • the assembly 192 and the layer 194 are movable relative to each other between a first position, shown in Figure 9, and a second position.
  • the layer 194 In the second position, the layer 194 is shifted one step to the left, in the X direction, relative to the first position.
  • this step is equal to the width of a group of magnets of the set 192.
  • blocks 214 to 217 are located opposite groups 196 to 199 and regions 220 to 223 are located opposite groups 202 to 205.
  • the second position it is the regions 220 to 223 which are situated opposite the groups 196 to 199 and the blocks 215 to 217 which are situated opposite the groups 202 to 205.
  • the block 214 in the second position, is vis-à-vis no element.
  • each group 196 to 198 is midway between two respective blocks of blocks 214 to 217.
  • groups 196 to 199 functionally correspond to groups 90 to 93 and groups 202 to 205 functionally correspond to groups 96 to 99.
  • blocks 214 to 217 functionally correspond to blocks 70 to 73.
  • the regions 220 to 223 functionally correspond to the regions 76 to 79.
  • FIG. 10 represents a group 240 of permanent magnets that can be used in place of the group 90.
  • This group 240 is identical to the group 140 except that the second permanent magnets are spaced laterally from the first ones. permanent magnets by a distance E s measured along the axis 110.
  • the distance E s is greater than or equal to e / 2 or greater than or equal to e, where e is the thickness of the first permanent magnets.
  • the horizontal part of the induced field lines inside the block 70 by a single first permanent magnet is longer than in the embodiment of FIG. 7.
  • FIG. 11 shows a generator 250 identical to the generator 2 except that:
  • a converter 252 symmetrical with the converter 20 with respect to a horizontal plane, is added.
  • the plane of symmetry is a median plane of the portion 66.
  • This embodiment makes it possible to exploit the magnetic field present on both sides of the part 64 to generate electricity.
  • this embodiment makes it possible to make the forces exerted on the part 66 symmetrical. This reduces the forces exerted on the part 66.
  • Figure 12 shows a generator 260 identical to the generator 250 except that the converter 252 is replaced by a disk 262 of soft magnetic material.
  • the disc 262 also makes it possible to limit the forces exerted on the part 66.
  • the electrode 56 does not need to be formed of a single block of material.
  • the electrode 56 comprises a plurality of conductive pads distributed on the outer face of the layer 54 and mechanically separated from each other by trenches filled with an electrically insulating material, electrical conductors connected in series these different pads.
  • lower electrodes of electrically conductive material are interposed between the layer 52 and, on one side, the layer 54 and on the other side, the layer 60 of piezoelectric material.
  • the piezoelectric layer is also not necessarily in one block.
  • it can also be achieved by joining together several blocks of piezoelectric material next to one another. In this case, all the blocks of piezoelectric material are polarized or not in the same direction.
  • the piezoelectric layer and the electrodes can also be produced as described in the following article:
  • the piezoelectric layer operates in d 3 3 mode.
  • the piezoelectric material may be PVDF (Vinylidene Polyfluoride) or a piezoelectric foam such as one of those described in the following article:
  • the stacking order, in the vertical direction of the magnetostrictive and piezoelectric layers may be different.
  • the converter may comprise, successively, in the vertical direction, a magnetostrictive layer and then a piezoelectric layer and a magnetostrictive layer.
  • the layer of piezoelectric material and the magnetostrictive layer may have other shapes. For example, advantageously, they can also be elliptical shaped rather than disc shaped.
  • the horizontal section of these layers can also alternatively be square or rectangular or be a polygon with more than five vertices.
  • the electromechanical transducer of the converter 20 does not necessarily include a piezoelectric material.
  • the electromechanical transducer is made from a capacitor whose capacitance varies as a function of a mechanical displacement.
  • the capacitor comprises two movable electrodes separated from each other by a dielectric material. As the electrodes move, the capacity of the capacitor varies. The displacement of the electrodes is actuated by a magnetostrictive material to convert a magnetic field variation into a variation of electric charges.
  • the electrodes of the capacitor are made of a magnetostrictive material.
  • a variation of the amplitude of the magnetic field in a given direction causes a variation of the surface of the electrodes and therefore of the capacitance of this capacitor.
  • standard electrodes and a dielectric whose permittivity varies according to the magnetic field are selected for the capacitor. It may be for example BiFeO 3 .
  • a variation of the magnetic field causes a variation of capacitance of the capacitor.
  • the capacitor capacity variation is then transformed into a generation of electric charges by an electronic device such as, for example, a device implementing electrets.
  • an electronic device such as, for example, a device implementing electrets.
  • the generation of electricity from a variation of capacity and using electrets is described for example in the following article:
  • the shape of the blocks 70 to 73 of magnetostrictive material can be modified. So, these blocks can be rectangular so that the meeting of blocks 70 to 73 form a cross. In this case, a corresponding modification must be made to the horizontal section of the groups of permanent magnets vis-a-vis in the first position.
  • the regions 76 to 79 comprise blocks made of magnetostrictive material whose magnetostriction coefficient is of opposite sign to the magnetostriction coefficient of the blocks 70 to 73.
  • the blocks 76 to 79 each comprise a block magnetostrictive material whose magnetostriction coefficient has the same sign as that of the blocks 70 to 73 but the preferred axis of deformation is parallel to the axis of alignment of a group 96 to 99 of permanent magnets in the first position .
  • the number of magnetostrictive material blocks and the number of magnet groups may be greater than four, eight or twelve.
  • the number of groups of permanent magnets can be very large.
  • the number of blocks and groups of magnets is less than twelve.
  • the number of blocks of the magnetostrictive layer is for example greater than twelve, then it is possible to provide in each region separating the different blocks of the magnetostrictive layer a mechanism limiting or eliminating the magnetic couplings that may exist between its different blocks.
  • the block number of magnetostrictive material may also be less than four.
  • the layer 52 comprises a single block of magnetostrictive material and, for example, a single group of magnets.
  • the different blocks of the magnetostrictive layer do not necessarily extend in the same plane.
  • the reference plane is the median plane at the different planes in which these different blocks extend.
  • the magnetostrictive material may be Samfenol, which is a Samarium alloy, or a cobalt alloy.
  • the magnetostrictive material used to make the blocks may also be an isotropic magnetostrictive material, that is to say a material which does not intrinsically have a preferential axis of deformation.
  • the regions between the blocks made of magnetostrictive material each comprise an additional block of magnetostrictive material whose magnetostriction coefficient has a sign opposite to that of the blocks 70 to 73 and whose preferred axis of deformation extends radially.
  • the preferred axes of deformation of the additional blocks are aligned with the alignment axis of the groups 90 to 93. Therefore, in the second position, the additional blocks shrink, which exerts compressive stresses. in the areas of the layers 54 and 58 located vertically of these additional blocks.
  • this second position almost the entire inner surface of the layers 54 and 58 is stressed in compression. This makes it possible to increase the amplitude between the differences of potentials produced in the first and second positions with respect to the embodiment of FIG. 1 and thus to increase the efficiency of the converter.
  • the regions between the blocks can be omitted.
  • the lateral edges of a block are immediately contiguous to the lateral edges of immediately adjacent blocks but whose preferred axes of deformation are oriented differently.
  • groups 96 to 99 may be omitted.
  • the portion 66 of the magnet assembly may also be omitted.
  • the second permanent magnets are not directly contiguous to the first permanent magnets but magnetically connected to these first permanent magnets by means of magnetic cores made of soft magnetic material.
  • Each permanent magnet is made of a single block of material.
  • all the permanent magnets of a group are made of a same block of material having areas simultaneously magnetized in different directions to form the first and possibly second permanent magnets.
  • the permanent magnets of the assembly 12 may be arranged in a plane that is not necessarily parallel to the reference plane.
  • the alignment axes of the different groups of the set are not all coplanar.
  • the directions of the alignment axes can be modified.
  • the directions of the alignment axes of all groups 196 to 199 and 202 to 205 are rotated 45 ° to the right.
  • An angular offset of 90 ° between the alignment axes of two groups of immediately consecutive magnets is thus maintained.
  • the preferred axis of deformation of the blocks 214 to 217 is then also rotated by 45 °.
  • the operation of this variant remains the same as that described with reference to FIG. 9.
  • the directions of the alignment axes of the groups in the other embodiments can be modified.
  • the relative movement of the assembly 12 relative to the converter 20 can also be obtained by fixing the assembly 12 without any degree of freedom and by fixing the converter 20 on the shaft 8.
  • Other displacement of the converter 20 by compared to the whole 12 are possible.
  • the converter 20 is rotatably mounted about a horizontal axis so that it is opposite the assembly 12 in a given angular position and otherwise offset from the assembly 12.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

Un générateur d'électricité comportant: - un bloc (70) en matériau magnétostrictif, et - un groupe (90) comportant une succession de premiers aimants permanents (112-115) le long d'un axe (110) d'alignement, un premier aimant permanent étant un aimant permanent qui présente un rapport de forme compris entre 1/10 et dix et dont l'essentiel des lignes de champ qui se rebouclent par l'intermédiaire du bloc en matériau magnétostrictif et de ce premier aimant permanent dans une première position ne passent pas par un autre premier aimant permanent. Les premiers aimants permanents sont disposés les uns par rapport aux autres de manière à ce que le champ magnétique induit à l'intérieur du bloc (70) en matériau magnétostrictif par l'un quelconque de ces premiers aimants permanents soit parallèle et de sens opposé au champ magnétique induit dans ce même bloc par le premier aimant permanent immédiatement consécutif le long de l'axe d'alignement.

Description

GENERATEUR D'ELECTRICITE
[ooi] L'invention concerne un générateur d'électricité.
[002] Des générateurs connus d'électricité comportent :
- un convertisseur apte à convertir une variation d'un champ magnétique en une différence de potentiels entre deux bornes électriques, ce convertisseur comportant à cet effet :
• un transducteur électromécanique apte à transformer directement une déformation mécanique exercée sur ce transducteur électromécanique en une différence de potentiels entre les deux bornes électriques, et
• une couche magnétostrictive s'étendant essentiellement parallèlement à un plan de référence et fixée sans aucun degré de liberté au transducteur électromécanique, cette couche magnétostrictive comportant au moins un bloc en matériau magnétostrictif apte à convertir une variation du champ magnétique en une déformation mécanique exercée sur le transducteur électromécanique,
- une source de champ magnétique comprenant un groupe de plusieurs aimants permanents alignés le long d'un axe d'alignement, au moins l'un du groupe et du convertisseur étant déplaçable, en alternance, entre :
· une première position dans laquelle les lignes de champ du groupe d'aimants permanents provoquent une première déformation du bloc en matériau magnétostrictif, et
• une seconde position dans laquelle le bloc en matériau magnétostrictif présente une seconde déformation différente de la première déformation.
[003] De tels générateurs sont par exemples décrits dans la demande US2004126620A1 ou dans l'article A1 suivant :
- T. Lafont, J. Delamare, G. A. Lebedev, D. I. Zakharov, B. Viala, O. Cugat, L. Gimeno, N. Galopin, L. Garbuio et O. Geoffroy, « Magnetostrictive-piezoelectric composite structures for energy harvesting », Journal of michromechanics and microengeneering, n°22, 2012..
[004] Dans les générateurs connus, un unique aimant permanent uni-axial ou un groupe d'aimants permanents est disposé en vis-à-vis de chaque bloc en matériau magnétostrictif. Lorsqu'un groupe d'aimants permanents est utilisé, le pôle sud d'un aimant permanent est directement accolé au pôle nord de l'aimant permanent du même groupe immédiatement consécutif le long de l'axe d'alignement. Autrement dit, les moments magnétiques des aimants permanents de ce groupe sont tous alignés et de même sens. Ainsi, ce groupe d'aimants permanents forme en réalité un unique aimant permanent uni-axial. La section horizontale de l'unique aimant permanent, c'est-à-dire sa section dans un plan parallèle au plan de référence, est sensiblement égale à la section du bloc en matériau magnétostrictif. La longueur L de l'unique aimant permanent dans la direction de son moment magnétique horizontal est donc généralement de plusieurs centimètres. Or pour que cet unique aimant permanent induise à l'intérieur du bloc en matériau magnétostrictif un champ magnétique substantiel, il faut que son rapport de forme soit proche de un. Cela impose donc que l'épaisseur e du gros aimant permanent, dans sa direction verticale, soit environ égale à sa longueur L. Ainsi, la surface de la section verticale de l'unique aimant permanent est proche de L2. Cela se traduit par un encombrement important de l'unique aimant permanent et donc du générateur.
[005] De l'état de la technique est également connu de :
- Xinazhi Dai et Al : « Energy harvesting from mechanical vibrations using multiple magnetostrictive/piezoelectric composite transducers », Sensors and actuators A,
Elsevier Séquoia S.A, Lausanne CH, vol. 166, N°1 , 31/12/2010, pages 94-101 ;
- CN202443031 U ;
- US2011/057629A1 ;
- US4645961A.
[006] L'invention vise à diminuer l'encombrement du générateur à efficacité constante ou à encombrement constant à augmenter l'efficacité du générateur. L'efficacité est ici définie comme étant la quantité d'énergie électrique produite par le générateur pour un même déplacement du groupe d'aimants permanents.
[007] Elle a donc pour objet un générateur d'électricité conforme à la revendication 1 .
[008] L'utilisation d'une succession de premiers aimants permanents tels que définis ci-dessus permet d'induire simultanément plusieurs champs magnétiques B, à l'intérieur du même bloc en matériau magnétostrictif dans la première position. Typiquement, ces champs Bi sont alignés les uns après les autres le long d'un axe de déformation du bloc. Chaque champ Bi est de sens opposé au champ Bi+i immédiatement suivant dans la direction de l'axe de déformation. Le bloc en matériau magnétostrictif est uniquement sensible à l'inclinaison du champ B, par rapport à son axe de déformation et non pas au sens du champ B,. Ainsi, les deux champs magnétiques B, et Bi+i provoquent la même contrainte mécanique sur le transducteur électromécanique qu'un seul champ magnétique Bg induit par un unique aimant permanent et correspondant à la somme vectorielle du champ B, et d'un champ Bi +i identique au champ Bi+i mais de sens opposé. Toutefois, dans la première position, pour induire efficacement le champ Bg sur une longueur L parallèle à l'axe de déformation de ce bloc en matériau magnétostrictif, cet unique aimant permanent doit avoir une longueur L et une épaisseur proche de cette longueur L et donc une section verticale proche ou supérieure à L2. En utilisant les deux premiers aimants permanents pour produire une contrainte proche de celle obtenue avec l'unique aimant permanent, chaque première aimant permanent présente une longueur L/2 et donc une section verticale proche de L2/4. Ainsi, la section verticale du groupe de ces deux premiers aimants permanents est proche de L2/2 (= L2/4 + L2/4). Ainsi, à efficacité égale, une succession de premiers aimants permanents de facteur de forme proche de un permet de réduire l'encombrement de la source de champ magnétique et donc du générateur. On comprend également, que plus le nombre de premier aimants permanents est élevé plus l'encombrement du groupe est réduit. Il est aussi possible de construire la succession de premiers aimants permanents pour que, à encombrement égal, l'efficacité du générateur soit améliorée.
[009] Les modes de réalisation de ce générateur peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques des revendications dépendantes.
[ooi o] Ces modes de réalisation du générateur présente en outre les avantages suivants :
- l'utilisation de premiers aimants permanents dont les moments magnétiques sont parallèles à l'axe d'alignement permet d'induire, à l'intérieur du bloc en matériau magnétostrictif, un champ magnétique plus important que dans d'autres configurations telles qu'une configuration où les moments magnétiques des premiers aimants permanents sont perpendiculaires à l'axe d'alignement ;
- utiliser des seconds aimants dont les moments magnétiques sont perpendiculaires au plan de référence, ou des dents magnétiques, placés à côté des premiers aimants permanents, permet d'augmenter l'intensité du champ magnétique induit à l'intérieur du bloc en matériau magnétostrictif en dirigeant plus efficacement les champs magnétiques générés ;
- utiliser un second aimant permanent dont l'épaisseur, dans une direction parallèle à l'axe d'alignement, est au moins deux fois plus petite que la longueur du premier aimant permanent à côté duquel il est placé, permet de limiter les dimensions des zones dans le bloc en matériau magnétostrictif où le champ induit est perpendiculaire au plan de référence ;
- configurer les aimants permanents du groupe de sorte que la somme vectorielle des moments magnétiques du groupe soit égale à zéro permet de réduire le couplage magnétique entre ce groupe d'aimants permanents et un champ magnétique extérieur et de limiter la signature magnétique du convertisseur;
- utiliser un second groupe d'aimants permanents symétrique du premier groupe d'aimants permanents limite, voire annule, les efforts exercés par le premier groupe d'aimants permanents sur le bloc en matériau magnétostrictif dans une direction perpendiculaire au plan de référence ;
- utiliser un rapport de forme compris entre 0,2 et 5 permet d'augmenter l'intensité du champ magnétique induit à l'intérieur du bloc en matériau magnétostrictif ;
- la présence d'un autre convertisseur ou d'un plaque en matériau magnétique doux symétrique du premier convertisseur par rapport au groupe d'aimants limite les efforts exercés sur le groupe d'aimants.
[0011] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique, partiellement en coupe verticale, d'un générateur d'électricité, - la figure 2 est une illustration schématique, en vue de dessus, d'un convertisseur du générateur de la figure 1 ,
- la figure 3 est une illustration schématique, en vue de dessus, d'une couche magnétostrictive utilisée dans le convertisseur de la figure 2,
- la figure 4 est une illustration, en vue de dessus, d'une partie d'un ensemble d'aimants permanents utilisé dans le générateur de la figure 1 ,
- les figures 5 à 8 et 10 sont des illustrations schématiques partielles, en coupe verticale, de différents modes de réalisation d'un groupe d'aimants permanents de l'ensemble de la figure 4 ;
- la figure 9 est une illustration schématique, en vue de dessus, d'un autre mode de réalisation du générateur de la figure 1 dans le cas d'un mouvement en translation ;
- les figures 11 et 12 sont des illustrations schématiques, en coupe verticale, de deux autres modes de réalisation possibles du générateur de la figure 1 .
[0012] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments.
[0013] Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail.
[0014] La figure 1 représente un générateur 2 d'électricité. Ce générateur 2 comporte :
- une source 4 de champ magnétique, et
- un récupérateur 6 d'énergie propre à transformer l'énergie à récupérer en énergie électrique.
[0015] Ici, le champ magnétique de la source 4 tourne autour d'un axe Z vertical d'un repère orthogonal X, Y, Z. Par la suite, chacune des figures est orientée par rapport à ce repère X, Y, Z.
[0016] Dans ce mode de réalisation, la source 4 comporte un ensemble 12 d'aimants permanents fixé sans aucun degré de liberté sur un arbre 8 entraîné en rotation autour d'un axe vertical 9. Par exemple, l'arbre 8 est l'arbre d'un appareil tel qu'un compteur d'électricité ou de gaz entraîné en rotation lors du comptage de l'électricité ou du gaz consommé. Pour simplifier, seul l'arbre 8 de cet appareil est représenté.
[0017] Le récupérateur 6 d'énergie comporte :
- un convertisseur 20 qui convertit le champ magnétique tournant en un excédent correspondant de charges électriques sur une borne 22 ou 24 de raccordement par rapport à l'autre de ces bornes 22, 24.
- un circuit 30 de collecte de l'excédent de charges électriques sur la borne 22 ou 24 et de transfert de ces charges électriques collectées vers une élément électrique 32, et
- un circuit 34 de commande du circuit 30 de collecte.
[0018] L'élément 32 stocke, consomme et/ou transmet les charges électriques collectées par le circuit 30. A cet effet, l'élément 32 comporte un ou plusieurs composants électriques. Ici, l'élément 32 est un condensateur qui stocke l'énergie électrique récupérée.
[0019] Le circuit 30 de collecte et le circuit 34 de commande sont, par exemple, identiques à ceux décrits dans la demande WO 2007/063194 et, de préférence, identiques à l'un de ceux décrits dans la demande déposée sous le n° FR 1260047, le 22 octobre 2012 par le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives. Par conséquent, ces circuits 30 et 34 ne sont pas décrits ici plus en détail.
[0020] Le convertisseur 20 est capable de transformer en électricité des variations très lentes de l'énergie à récupérer. Par « variation lente », on désigne des variations dont la fréquence fondamentale est inférieure à 1 Hz. A cet effet, le convertisseur 20 convertit une variation de l'amplitude du champ magnétique dans une direction donnée en une génération d'un excédent de charges sur la borne 22 et, en alternance, sur la borne 24. Cette conversion se fait presque instantanément de sorte que la tension entre les bornes 22 et 24 varie en même temps et au fur et à mesure que l'amplitude du champ magnétique varie dans une direction donnée.
[0021] Dans ce mode de réalisation, le convertisseur 20 est immobile dans le repère XYZ. Plus précisément, il est traversé par l'arbre 8 mais n'est pas entraîné en rotation par cette arbre. Par exemple, il est mécaniquement séparé de l'arbre 8 par un jeu.
[0022] Le convertisseur 20 comporte une couche magnétostrictive 52 associée à un transducteur électromécanique 50.
[0023] La couche 52 s'étend dans un plan horizontal appelé « plan de référence ». Le plan de référence est situé à mi-hauteur de la couche 52. Elle est réalisée, au moins en partie, dans un matériau magnétostrictif. Ici, par « matériau magnétostrictif », on désigne un matériau dont la valeur absolue maximale du coefficient de magnétostriction As à saturation est supérieure à 10 ppm (partie par million) et, de préférence, supérieure à 100 ou 1000 ppm. Le coefficient As est défini par la relation suivante : A= AL/L, où :
- AL est le taux d'élongation du matériau magnétostrictif dans une direction de déformation, et
- L est la longueur de ce matériau dans cette direction en absence de champ magnétique extérieur.
[0024] Dans ce mode de réalisation, le coefficient As est positif. Par exemple, le matériau magnétostrictif est le Terfenol-D ou le FeSiB ou un alliage de FeCo. La couche 52 est décrite plus en détail en référence à la figure 3.
[0025] Le transducteur électromécanique 50 comprend :
- une couche horizontale supérieure 54 en matériau piézoélectrique,
- une électrode supérieure 56,
- une couche horizontale inférieure 58 en matériau piézoélectrique, et
- une électrode inférieure 60. [0026] La couche 58 et l'électrode 60 sont les symétriques, respectivement, de la couche 54 et de l'électrode 56 par rapport au plan de référence. Par conséquent, cette couche 58 et cette électrode 60 ne sont pas décrites plus en détail.
[0027] La couche 54 s'étend horizontalement sur toute la face du dessus de la couche 52. Plus précisément, elle présente une face intérieure collée sans aucun degré de liberté sur cette face du dessus de la couche 52. Cette face intérieure recouvre la majorité et, typiquement, plus de 90 % ou 98 % de la face du dessus de la couche 52. Ici, la couche 54 s'étend uniformément dans chaque direction horizontale. Par exemple, dans ce mode de réalisation, la couche 54 a la forme d'un disque horizontal traversé en son centre par l'arbre 8.
[0028] La couche 54 comporte également une face extérieure horizontale située du côté opposé à la face intérieure.
[0029] Lors de son fonctionnement, la couche 54 génère un excédent de charges électriques sur la face extérieure quand la couche 52 exerce une contrainte mécanique sur la face intérieure. Ce mode de fonctionnement est connu sous le terme de mode d3i . Dans ce mode de fonctionnement, la capacité du transducteur 50 est importante, ce qui améliore et facilite le fonctionnement du convertisseur 20. Typiquement, ce mode de fonctionnement de la couche 52 est obtenu avec un matériau piézoélectrique polarisé verticalement dans le même sens sur toute sa face intérieure.
[0030] Ici, le matériau piézoélectrique présente un coefficient de couplage k supérieur à 5 % ou 10 %. Ce coefficient de couplage est défini dans la norme ANSI/IEEE 176-1987 « ANSI/IEEE Standard on Piezoelectricity » ou dans les normes de la famille EN 50-324. Plus précisément, ici, le matériau piézoélectrique utilisé présente un coefficient piézoélectrique g3i supérieur à 5 x 10"3Vm/N et, de préférence, supérieur à 10 x 10"3Vm/N ou 100 x 10"3Vm/N ou 200 x 10"3Vm/N à 25° C. Ici, le matériau piézoélectrique est du PZT (Titano-Zyrconate de Plomb) ou du PMN-PT (Plomb Magnésium Niobate / Plomb Titanate).
[0031] L'électrode 56 est réalisée dans un matériau électriquement conducteur. Par matériau électriquement conducteur, on désigne un matériau dont la résistivité à
25° C est inférieure à 10"5 Ω.ιτι et, de préférence, inférieure à 10"6 Ω.ιτι ou 10"7 Ω.ιτι.
L'électrode 56 est directement déposée sur la face extérieure de la couche 54.
Typiquement, elle recouvre la majorité de cette face extérieure et, de préférence, plus de 70 % ou 80 % de cette face extérieure. Ici, l'électrode 56 est réalisée à l'aide d'une couche d'un seul tenant en matériau électriquement conducteur qui recouvre la majorité de la face extérieure de la couche 54. Plus précisément, dans ce mode de réalisation, l'électrode 56 forme un anneau entourant l'arbre 8 comme visible sur la figure 2.
[0032] L'ensemble 12 est fixé sans aucun degré de liberté sur l'arbre 8 de manière à être entraîné en rotation par rapport au convertisseur 20 entre une première et une seconde positions. La première position est représentée sur la figure 4. La seconde position est décalée angulairement de 45° autour de l'axe 9 par rapport à la première position. L'ensemble 12 comporte plusieurs groupes d'aimants permanents uni-axiaux alignés les uns à côtés des autres le long d'un axe d'alignement respectif. Par « uni- axial », on désigne le fait que chaque aimant permanent présente un seul moment magnétique et donc un seul pôle sud et un seul pôle nord. Dans ce mode de réalisation, les groupes d'aimants permanents sont répartis entre une partie supérieure 64 et une partie inférieure 66. La partie inférieure 66 est le symétrique de la partie supérieure 64 par rapport au plan de référence. Ainsi, seule la partie supérieure 64 sera décrite en détail en référence aux figures 4 et 5.
[0033] La figure 3 représente plus en détail la structure de la couche 52. La couche 52 est un disque de même rayon que la couche 54. Elle comporte quatre blocs 70 à 73 en matériau magnétostrictif s'étendant le long de deux axes horizontaux 74, 75 se coupant sur l'axe 9. Ici, ces axes 74, 75 s'étendent, respectivement, parallèlement aux directions X et Y. Chaque bloc 70 à 73 est formé d'un seul tenant, c'est-à-dire d'un seul bloc de matière.
[0034] Ici, les blocs 70 à 73 sont réalisés dans le même matériau magnétostrictif. De plus, chaque bloc 70 à 73 présente son propre axe préférentiel de déformation. L'axe préférentiel de déformation d'un bloc est l'axe le long duquel l'amplitude de sa déformation est maximale lorsqu'il est traversé par des lignes de champ parallèles à cet axe.
[0035] Pour certain matériau mégnétostrictif, lorsque les lignes de champ saturent magnétiquement le bloc magnétostrictif, l'axe préférentiel de déformation est parallèle à ces lignes de champ. Dans cette situation, l'axe préférentiel de déformation est imposé par la disposition du bloc magnétostrictif par rapport à la source de ces lignes de champ. Lorsque le bloc en matériau magnétostrictif n'est pas saturé magnétiquement, l'axe préférentiel de déformation peut aussi être une propriété intrinsèque du bloc qui est due, par exemple, à l'orientation cristalline du matériau magnétostrictif et/ou au facteur de forme du bloc. Ici, par « facteur de forme du bloc», on désigne le rapport de la largeur sur la longueur du rectangle horizontale de plus petite surface à l'intérieur duquel est contenu ce bloc. Typiquement, le facteur de forme de chaque bloc est strictement inférieure à 1 ou 0,5 ou 0,2 et l'axe préférentiel de déformation est ici parallèle à sa longueur. Ainsi, dans les modes de réalisation décrits ci-dessous, à défaut d'indication contraire, l'axe préférentiel de déformation de chaque bloc est systématiquement confondu avec son axe longitudinal. Ici, les axes préférentiels de déformation des blocs 70 et 72 sont alignés sur l'axe 74 et les axes préférentiels de déformation des blocs 71 , 73 sont alignés sur l'axe 75.
[0036] Le bloc 70 a la forme d'un secteur angulaire dont le sommet est situé sur l'axe 9 et dont la bissectrice est confondue avec l'axe 74. L'angle au sommet du bloc 70 est égal à 45°. Dans ce mode de réalisation, étant donné que la couche 52 est traversée par l'arbre 8, la pointe du secteur angulaire est coupée pour laisser un passage pour l'arbre 8. Les blocs 71 à 73 sont identiques au bloc 70 sauf qu'ils sont décalés angulairement autour de l'axe 9 par rapport au bloc 70 de, respectivement, 90°, 180° et 270°. [0037] Dans ce mode de réalisation, la couche 52 comporte également quatre régions 76 à 79 dépourvues de matériau magnétostrictif et intercalées entre les blocs 70 à 73. Les bords latéraux des blocs 70 à 73 sont donc mécaniquement séparés des bords latéraux des autres blocs immédiatement adjacents par ces quatre régions 76 à 79.
[0038] La région 76 est délimitée d'un côté par un bord latéral du bloc 70 et de l'autre côté par un bord latéral du bloc 71 . Sa périphérie extérieure est alignée avec un bord vertical des couches 54 et 58. Les régions 77, 78 et 79 sont identiques à la région 76 sauf qu'elles sont décalées angulairement autour de l'axe 9, respectivement, de 90°, 180° et 270°. Ainsi, dans ce mode de réalisation, les régions 76 à 79 sont des secteurs angulaires de même forme que le bloc 70 mais décalées angulairement autour de l'axe 9, respectivement, de 45°, 135°, 225° et 315° par rapport à la position du secteur angulaire du bloc 70. L'épaisseur de chacune de ces régions 76 à 79 est égale à l'épaisseur des blocs 70 à 73.
[0039] La figure 4 représente plus en détail la partie supérieure 64 de l'ensemble 12 dans la première position. Sur la figure 4 la direction de l'axe d'alignement de chaque groupe d'aimants permanents est représentée par une double flèche.
[0040] Dans ce mode de réalisation, la partie 64 comporte quatre groupes 90 à 93 d'aimants permanents. L'angle entre les axes d'alignement des groupes 90 à 93 est choisi égal à l'angle existant entre les axes préférentielles de déformation des blocs 70 à 73 à plus ou moins 10° près et, de préférence, à plus ou moins 5° près. Ainsi, dans la première position, les axes d'alignement des aimants permanents des groupes 90 et 92 sont parallèles à l'axe 74 à plus ou moins 10° ou 5° près. Au même instant, les axes d'alignement des aimants permanents des groupes 91 et 93 sont parallèles à l'axe 75 à plus ou moins 10° ou 5° près.
[0041] Les groupes 90 à 93 ont chacun la même forme, dans un plan horizontal, que les blocs 70 à 73 et sont agencés les uns par rapport aux autres comme décrit pour les blocs 70 à 73. Ainsi, dans la première position, chaque bloc 70 à 73 est en vis-à- vis d'un groupe 90 à 93 respectif.
[0042] Par la suite, on dit qu'un bloc est en vis-à-vis d'un groupe d'aimants si la surface de l'intersection entre les projections orthogonales de ce bloc et de ce groupe, sur le plan de référence, est supérieure ou égale à plus de 50 % et, de préférence, à plus de 80 % ou 90 % de la surface de ce bloc dans ce plan. Dans ces conditions, on dit aussi que ce bloc est situé à l'intérieur de la projection orthogonale du groupe d'aimants. Cette même définition est également utilisée pour définir ce que l'on entend par le fait qu'un élément est situé en vis-à-vis d'un groupe d'aimants. Dans la première position, les blocs 70 à 73 sont contenus à l'intérieur des projections orthogonales, respectivement, des groupes 90 à 93.
[0043] Dans la première position, les régions 76 à 79 sont situées en dehors des projections orthogonales des groupes 90 à 93. On considère qu'un élément est situé en dehors de la projection orthogonale d'un groupe d'aimants s'il n'est pas situé à l'intérieur de cette projection avec la définition donnée ci-dessus. Lors qu'un élément est en dehors de la projection orthogonale d'un groupe d'aimants on dit également qu'il est dans une position décalée par rapport à ce groupe d'aimants.
[0044] Ici, dans la première position, les groupes 90 et 92 sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan vertical passant par l'axe 75. De façon similaire, au même instant, les groupes 91 et 93 sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan vertical passant par l'axe 74. Ainsi, seul le groupe 90 sera décrit plus en détail en référence à la figure 5.
[0045] En vis-à-vis des régions 76 à 79, dans la première position, la partie 64 comporte des groupes 96 à 99 supplémentaires d'aimants permanents. Chacun de ces groupes 96 à 99 a la même forme que le groupe 90 sauf que ces groupes 96 à 99 sont décalés angulairement autour de l'axe 9 de, respectivement, 45°, 135°, 225° et 315° par rapport à la position du groupe 90. Ainsi, après une rotation de 45° de l'ensemble 12 pour atteindre la seconde position, chaque bloc 70 à 73 se trouve en vis-à-vis d'un groupe 96 à 99 respectif.
[0046] Les directions des axes d'alignement des groupes 96 à 99 sont telles que les lignes de champ magnétique qu'ils génèrent à l'intérieur des blocs 70 à 73 dans la seconde position soient tournées de 90°, dans un plan horizontal, par rapport aux lignes de champs magnétique que génèrent les groupes 90 à 93 à l'intérieur de ces mêmes blocs mais dans la première position. Pour cela, l'axe d'alignement de chaque groupe 96 à 99 est perpendiculaire à la bissectrice du secteur angulaire occupé par ce groupe. Le mode de réalisation détaillé de ces groupes 96 à 99 se déduit de celui qui va être décrit pour le groupe 90.
[0047] La figure 5 représente plus en détail le groupe 90. Sur la figure 5 et les suivantes, le moment magnétique de chaque aimant permanent est représenté par une flèche.
[0048] La figure 5 représente une portion du groupe 90. Pour simplifier cette figure et les suivantes, seul le bloc 70 en vis-à-vis du groupe 90, dans la première position, a été représenté. De même, les lignes de champ générées par le groupe d'aimants permanents sont représentées sur cette figure et les suivantes par des lignes en pointillés.
[0049] Les aimants permanents du groupe 90 sont alignés les uns à côté des autres le long d'un axe 110 d'alignement horizontal. Dans la première position, cet axe 110 est parallèle à l'axe 74 et à la direction X. L'axe 110 coupe l'axe 9.
[0050] Ici, chaque aimant permanent du groupe 90 est formé d'un seul bloc de matières aimantées. Chaque aimant permanent est uni-axial et présente donc un seul moment magnétique dans une seule direction. Chaque aimant permanent présente donc une seule paire de pôles sud et nord.
[0051] Le groupe 90 comporte une succession, le long de l'axe 110, de premiers aimants permanents dont le facteur de forme est proche de un. Par « facteur de forme proche de un », on désigne un facteur de forme supérieur à 1/10 et, de préférence, supérieur à 1/7 ou à 1/5 ou à 1/3 ou à 1/2 et, inférieur à 10, à 7, à 5 ou à 3 ou à 2. Ici, le facteur de forme des premiers aimants permanents est égal à un. Par facteur de forme d'un aimant permanent, on désigne le rapport e/l, où :
- I est la longueur de l'aimant permanent dans la direction de son moment magnétique, et,
- e est l'épaisseur de l'aimant magnétique dans une direction perpendiculaire à celle de son moment magnétique.
[0052] Si l'aimant permanent n'a pas une section verticale rectangulaire ou carrée, alors les dimensions I et e définies ci-dessus sont celles du rectangle de plus petite surface contenant la section verticale de cet aimant permanent.
[0053] On rappelle également que l'épaisseur est la plus petite dimension parmi les dimensions perpendiculaires à la direction du moment magnétique.
[0054] Ici, par convention, on appelle «premier aimant permanent » un aimant permanent du groupe 90 qui présente les deux caractéristiques suivantes :
- son facteur de forme est proche de un, et
- l'essentiel des lignes de champ qui se rebouclent par l'intermédiaire du bloc 70 et de ce premier aimant ne passe pas par un autre premier aimant permanent du groupe 90 ou d'un autre groupe d'aimants.
[0055] Le groupe 90 comprend au moins deux premiers aimants permanents et, de préférence, au moins quatre ou dix premiers aimants permanents. Sur la figure 5, seuls quatre premiers aimants permanents 112 à 115 sont représentés.
[0056] Les moments magnétiques de ces premiers aimants permanents sont alignés sur l'axe 110. De plus, le moment magnétique d'un quelconque de ces premiers aimants permanents est de sens opposé au premier aimant permanent qui le suit ou le précède immédiatement dans la direction X. Ainsi, les pôles de même polarité de deux premiers aimants permanents successifs sont en vis-à-vis. Ici, les moments magnétiques des aimants 112 et 114 sont dirigés vers la gauche alors que les moments magnétiques des aimants 113 et 115 sont dirigés vers la droite.
[0057] Dans ce mode de réalisation, en plus des premiers aimants permanents, le groupe 90 comporte également des seconds aimants permanents destinés à diriger le flux magnétique du groupe 90 vers le bloc 70. Sur la figure 5, cinq seconds aimants permanents 118 à 122 sont représentés. Chaque second aimant permanent est placé entre les pôles de deux premiers aimants permanents consécutifs dans la direction X. Ainsi, le second aimant permanent n'est pas séparé du premier aimant permanent à côté duquel il est immédiatement placé par un autre premier aimant permanent. Ici, chaque second aimant permanent est directement accolé à droite et à gauche, le long de la direction X, à un pôle respectif d'un premier aimant permanent. Les moments magnétiques des seconds aimants permanents sont perpendiculaires au plan de référence et disposés de manière à diriger le flux magnétique des premiers aimants permanents vers le bloc 70. A cet effet, le moment magnétique des seconds aimants permanents accolés de chaque côté à des pôles sud de deux premiers aimants permanents consécutifs est dirigé vers le bloc 70. Sur la figure 5, c'est le cas des seconds aimants permanents 118, 120 et 122. A l'inverse, le moment magnétique des seconds aimants permanents accolés de chaque côté à des pôles nord de deux premiers aimants permanents immédiatement consécutifs est dirigé vers le haut, c'est-à-dire s'éloigne du bloc 70. Sur la figure 5, c'est le cas des seconds aimants permanents 119 et 121 .
[0058] Les seconds aimants permanents n'ont pas nécessairement un facteur de forme proche de un. Ici, la longueur I des seconds aimants permanents dans la direction Z est égale à l'épaisseur e des premiers aimants permanents. L'épaisseur des seconds aimants permanents dans la direction X est deux ou trois fois plus petite que la longueur des premiers aimants permanents. La dimension des seconds aimants permanents dans la direction Y est comprise entre la dimension dans cette même direction, du premier aimant permanent immédiatement précédent et du premier aimant permanent immédiatement suivant dans la direction X.
[0059] A cause de cette disposition des premiers aimants permanents et de leur facteur de forme proche de un, la succession de premiers aimants permanents produit, au même instant, à l'intérieur du bloc 70 une succession de champs magnétiques B, tous parallèles à l'axe 110 et dont les sens alternent. Les intensités des champs magnétiques induits de cette façon à l'intérieur du bloc 70 sont beaucoup plus grandes que si un seul aimant permanent uni-axial de même dimension que le groupe 90 était utilisé. On rappelle ici que les matériaux magnétostrictifs ne sont pas sensibles au sens du champ magnétique mais uniquement à la direction du champ magnétique induit par rapport à leurs axes préférentiels de déformation. Le mode de réalisation décrit ici exploite cette propriété pour produire, avec un encombrement identique, une contrainte en tension exercée par le bloc 70 sur les couches piézoélectriques 54 et 58 plus importante que si un unique aimant permanent uni- axial était utilisé. Cela accroît donc l'efficacité du générateur à encombrement identique ou, à efficacité égale, permet de décroître l'encombrement de l'ensemble 12.
[0060] Les moments magnétiques des premiers aimants permanents sont égaux en amplitude mais de sens opposé deux par deux. Les premiers aimants permanents dont les moments magnétiques sont opposés sont immédiatement disposés l'un après l'autre le long de l'axe 110. Par conséquent, la somme vectorielle des moments magnétiques des aimants permanents du groupe est nulle ou presque nulle. Par « presque nulle », on désigne ici que cette somme vectorielle donne un vecteur dont l'amplitude est égale à zéro à plus ou moins ε près, où ε est égal à 10 %, et de préférence à 5 %, de la somme des amplitudes des moments magnétiques de ce groupe d'aimants. Cela limite le couplage magnétique entre le bloc 90 et un champ magnétique externe uniforme.
[0061] Le fonctionnement du générateur 2 est le suivant. Dans la première position, représentée sur la figure 4, les blocs 70 à 73 sont traversés par des lignes de champ parallèles à leur axe préférentiel respectif de déformation. En réponse, la déformation, ici l'allongement, des blocs 70 à 73 est maximale. La couche 52 exerce donc dans cette première position des contraintes maximales en tension sur les couches 54 et 58 en même temps le long des axes 74 et 75. Ainsi, dans les zones de la face extérieure des couches 54 et 58 situées à la verticale des blocs 70 à 73, un excédent de charges électriques de même signe est produit. De plus, étant donné que les couches 54 et 58 sont rigides, les zones des couches 54 et 58 situées à la verticale des régions 76 à 79 sont également soumises à une contrainte en tension de sorte que la face extérieure de ces couches 54 et 58 présentent également des zones, en vis-à-vis des régions 76 à 79, générant un excédent de charges électriques de même signe. Dès lors, dans cette première position, des charges électriques de même signe sont générées sur quasiment la totalité de la face extérieure des couches 54 et 58, ce qui accroît la différence de potentiels produite par le convertisseur 20.
[0062] Lorsque le convertisseur 20 fait 1/8 de tour autour de l'axe 9 depuis la première position, la seconde position est atteinte. Dans cette seconde position, les blocs 70 à 73 sont situés à mi-distance entre les groupes 90 à 93 consécutif et en vis- à-vis d'un groupe 96 à 99 respectif. Les régions 76 à 79 sont en vis-à-vis des groupes 90 à 93. Puisque ces régions 76 à 79 sont dépourvues de matériau magnétostrictif, les blocs 70 à 73 ne tendent plus à s'allonger mais, au contraire, ils se rétrécissent simultanément. En effet, les lignes de champs magnétiques qui traversent les blocs 70 à 73 sont maintenant perpendiculaires aux axes longitudinaux de ces blocs. Des lors, chaque bloc 70 à 73 exerce un contrainte en compression sur les couches 54 et 58. Cela permet d'augmenter l'amplitude entre les différences de potentiels produites dans les première et seconde positions.
[0063] Les figures qui suivent représentent différentes variantes possibles du groupe 90. Le fonctionnement du générateur 2 avec ces variantes se déduit des explications précédemment données avec le groupe 90.
[0064] La figure 6 représente un groupe 130 d'aimants permanents. Ce groupe 130 est identique au groupe 90 sauf que les seconds aimants permanents sont remplacés par des dents magnétiques de mêmes dimensions. Chaque dent magnétique est réalisée dans un matériau magnétique doux. Par matériau magnétique doux, on désigne un matériau magnétique dont le champ magnétique coercitif est inférieur à 100 A.m"1. Par exemple, il s'agit d'un matériau ferromagnétique. Plus précisément, sur la figure 6, les seconds aimants permanents 118 à 122 sont remplacés par des dents magnétiques 132 à 135 de mêmes dimensions que ces seconds aimants.
[0065] La figure 7 représente un groupe 140 d'aimants permanents. Dans ce mode de réalisation, les premiers aimants permanents sont identiques aux premiers aimants permanents du groupe 90 sauf qu'ils sont tournés pour que leurs moments magnétiques soient perpendiculaires au plan de référence. De plus, les moments magnétiques des premiers aimants permanents sont de même sens. Ici, par convention, on considère que les moments magnétiques des premiers aimants permanents sont dirigés vers le bloc 70. Sur la figure 7, quatre premiers aimants permanents 142 à 147 sont représentés. [0066] Le groupe 140 comporte en plus des seconds aimants permanents pour renforcer et diriger le flux magnétique du groupe vers le bloc 70. Ces seconds aimants permanents sont positionnés comme les seconds aimants permanents du groupe 90. Toutefois, les moments magnétiques de ces seconds aimants permanents sont dirigés verticalement vers le haut, c'est-à-dire en s'éloignant du bloc 70. Trois seconds aimants permanents 148 à 150 sont représentés sur la figure 7.
[0067] Dans ce mode de réalisation, les seconds aimants permanents ont également un facteur de forme proche de un. Ici, leur facteur de forme est identique à celui des premiers aimants permanents. Ainsi, pour décrire ce mode de réalisation, une autre convention aurait pu être adoptée consistant à considérer que les premiers aimants permanents ont chacun un moment magnétique dirigé vers le haut. Avec cette autre convention, les aimants permanents décrits précédemment comme les seconds aimants permanents sont des premiers aimants permanents et vice versa.
[0068] De préférence, du côté opposé au bloc 70, une plaque magnétique 152 est fixée sans aucun degré de liberté sur les pôles sud et nord des aimants permanents du groupe 140. La plaque 152 est réalisée dans un matériau magnétique doux. Elle permet d'accroître l'intensité du champ magnétique induit par le groupe 140 à l'intérieur du bloc 70 et limite les fuites de champ magnétique du côté opposé au bloc 70.
[0069] La figure 8 représente un groupe 160 d'aimants permanents. Ce groupe 160 est identique au groupe 140 sauf que les seconds aimants permanents sont remplacés par des dents magnétiques de mêmes dimensions que les seconds aimants permanents remplacés. Ici, trois dents magnétiques 162 à 164 sont visibles sur la figure 8. De préférence, les dents magnétiques ne forment qu'un seul bloc de matière avec la plaque 152. Ainsi, la combinaison des dents magnétiques et de la plaque 152 forme une culasse magnétique.
[0070] Les modes de réalisation décrits jusqu'à présent, l'ont été dans le cas particulier où l'ensemble d'aimants permanents tourne par rapport au convertisseur. Toutefois, tout ce qui a été décrit dans ce contexte particulier, s'applique également au cas où l'ensemble d'aimants permanents se déplace en translation par rapport au convertisseur parallèlement au plan de référence. Pour passer d'un mode de réalisation à l'autre, il suffit de « dérouler » les structures décrites dans le cas d'un mouvement rotatif pour obtenir le mode de réalisation correspondant dans le cas d'un mouvement de translation.
[0071] Par exemple, la figure 9 représente un générateur 190 correspondant au mode de réalisation de la figure 1 mais avec un mouvement de translation. Pour simplifier la figure 9, seules les principaux éléments qui diffèrent par rapport au générateur 2 sont représentés. Plus précisément, dans le générateur 190, l'ensemble 12 est remplacé par un ensemble 192 d'aimants permanents et la couche 52 est remplacée par une couche 194. La couche 194 est interposée entre deux couches planes en matériaux piézoélectriques similaires aux couches 54 et 58. Sur la figure 9, l'ensemble 192 et la couche 194 sont représentés en vue de dessus et l'un à côté de l'autre. Dans la réalité, l'ensemble 192 et la couche 194 sont superposés verticalement l'un au-dessus de l'autre.
[0072] L'ensemble 192 comprend huit groupes 196 à 199 et 202 à 205 d'aimants permanents. Tous ces groupes d'aimants permanents sont alignés sur un même axe 210 parallèle à la direction X. Les groupes 202 à 204 sont interposés entre, respectivement, les groupes 196, 197, les groupes 197, 198 et les groupes 198, 199. Le groupe 205 est accolé, sur la droite, au groupe 199. Les axes d'alignement des groupes 196 à 199 sont parallèles à la direction Y. Les axes d'alignement des groupes 202 à 205 sont parallèles à la direction X. Ces groupes d'aimants permanents sont réalisés comme décrit précédemment. Tous les groupes ont la même largeur dans la direction X.
[0073] La couche 194 comporte quatre blocs 214 à 217 dans le même matériau magnétostrictif séparés par quatre régions 220 à 223 dépourvues de matériau magnétostrictif. Ces blocs et régions sont tous alignés sur un axe 226 parallèle à la direction X. Plus précisément, les régions 220 à 222 sont interposées entre, respectivement, les blocs 214, 215, les blocs 215, 216 et les blocs 216, 217. La région 223 est accolée sur la droite du bloc 217. Cette région 223 peut aussi être omise. Les axes préférentiels de déformation des blocs 214 à 217 sont parallèles à la direction Y.
[0074] L'ensemble 192 et la couche 194 sont déplaçables l'un par rapport à l'autre entre une première position, représentée sur la figure 9, et une seconde position. Dans la seconde position, la couche 194 est décalée d'un pas vers la gauche, dans la direction X, par rapport à la première position. Ici, ce pas est égal à la largeur d'un groupe d'aimants de l'ensemble 192.
[0075] Dans la première position, les blocs 214 à 217 sont situés en vis-à-vis des groupes 196 à 199 et les régions 220 à 223 sont situées en vis-à-vis des groupes 202 à 205. Dans la seconde position, ce sont les régions 220 à 223 qui sont situées en vis-à-vis des groupes 196 à 199 et les blocs 215 à 217 qui sont situés en vis-à-vis des groupes 202 à 205. Dans cet exemple, dans la seconde position, le bloc 214 n'est en vis-à-vis d'aucun élément. Dans la seconde position, chaque groupe 196 à 198 se trouve à mi-distance entre deux blocs respectifs des blocs 214 à 217.
[0076] Dans l'agencement décrit, les groupes 196 à 199 correspondent fonctionnellement aux groupes 90 à 93 et les groupes 202 à 205 correspondent fonctionnellement aux groupes 96 à 99. De même, les blocs 214 à 217 correspondent fonctionnellement aux blocs 70 à 73 et les régions 220 à 223 correspondent fonctionnellement aux régions 76 à 79. Ainsi, le fonctionnement du générateur 190 se déduit du fonctionnement du générateur 2 sauf qu'ici la génération d'électricité est provoquée par un déplacement en translation selon la direction X de la couche 194 par rapport à l'ensemble 192 et non pas par un mouvement de rotation.
[0077] La figure 10 représente un groupe 240 d'aimants permanents susceptible d'être utilisé à la place du groupe 90. Ce groupe 240 est identique au groupe 140 sauf que les seconds aimants permanents sont espacés latéralement des premiers aimants permanents par une distance Es mesurée le long de l'axe 110. Par exemple, la distance Es est supérieure ou égale à e/2 ou supérieure ou égale à e, où e est l'épaisseur des premiers aimants permanents.
[0078] Avec le groupe 240, la partie horizontale des lignes de champ induites à l'intérieur du bloc 70 par un seul premier aimant permanent est plus longue que dans le mode de réalisation de la figure 7.
[0079] La figure 11 représente un générateur 250 identique au générateur 2 sauf que :
- la partie 64 de l'ensemble 12 d'aimants est omise, et
- un convertisseur 252, symétrique du convertisseur 20 par rapport à un plan horizontal, est ajouté.
[0080] Le plan de symétrie est un plan médian de la partie 66. Pour simplifier la figure 11 seules les caractéristiques du générateur 250 qui diffèrent de celles du générateur 2 ont été représentées. Ce mode de réalisation permet d'exploiter le champ magnétique présent des deux côtés de la partie 64 pour générer de l'électricité. De plus, ce mode de réalisation permet de rendre symétrique les efforts qui s'exercent sur la partie 66. Cela diminue les efforts qui s'exercent sur la partie 66.
[0081] La figure 12 représente un générateur 260 identique au générateur 250 sauf que le convertisseur 252 est remplacé par un disque 262 en matériau magnétique doux. Le disque 262 permet aussi de limiter les efforts qui s'exercent sur la partie 66.
[0082] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, l'électrode 56 n'a pas besoin d'être formée d'un seul bloc de matière. En variante, l'électrode 56 comprend plusieurs plots conducteurs répartis sur la face extérieure de la couche 54 et séparés mécaniquement les uns des autres par des tranchées remplies d'un matériau électriquement isolant, des conducteurs électriques raccordant en série ces différents plots.
[0083] Dans une autre variante, des électrodes inférieures en matériau électriquement conducteur sont interposées entre la couche 52 et, d'un côté, la couche 54 et de l'autre côté, la couche 60 en matériau piézoélectrique.
[0084] La couche piézoélectrique n'est pas non plus nécessairement en un seul bloc. Par exemple, elle peut aussi être réalisée par l'accolement les uns à côté des autres de plusieurs blocs en matériau piézoélectrique. Dans ce cas, tous les blocs de matériau piézoélectrique sont polarisés ou non dans le même sens.
[0085] La couche piézoélectrique et les électrodes peuvent aussi être réalisé comme décrit dans l'article suivant :
T. Lafont, J. Delamare, G. A. Lebedev, D. I. Zakharov, B. Viala, O. Cugat, L. Gimeno, N. Galopin, L. Garbuio et O. Geoffroy, « Magnetostrictive-piezoelectric composite structures for energy harvesting », Journal of michromechanics and microengeneering, n°22, 2012;
[0086] Dans ce cas, la couche piézoélectrique fonctionne en mode d33.
[0087] D'autres matériaux piézoélectrique que le PZT peuvent être utilisés. Par exemple, le matériau piézoélectrique peut être du PVDF (Polyfluorure de Vinylidène) ou une mousse piézoélectrique telle que l'une de celles décrites dans l'article suivant :
Imran Patel, « Ceramic based intelligent piezoelectric energy harversting device », Intechopen, 6 septembre 2011.
[0088] L'ordre d'empilement, dans la direction verticale des couches magnétostrictive et piézoélectrique, peut être différent. Par exemple, le convertisseur peut comporter, successivement, dans la direction verticale, une couche magnétostrictive puis une couche piézoélectrique puis une couche magnétostrictive.
[0089] La couche en matériau piézoélectrique et la couche magnétostrictive peuvent présenter d'autres formes. Par exemple, avantageusement, elles peuvent également être conformées en forme d'ellipse plutôt que de disque. La section horizontale de ces couches peut également, en variante, être carrée ou rectangulaire ou être un polygone à plus de cinq sommets.
[0090] D'autres transducteurs électromécaniques qu'une couche en matériau piézoélectrique peuvent être utilisés. Ainsi, le transducteur électromécanique du convertisseur 20 ne comporte pas nécessairement un matériau piézoélectrique. Par exemple, en variante, le transducteur électromécanique est réalisé à partir d'un condensateur dont la capacité varie en fonction d'un déplacement mécanique. Typiquement, le condensateur comporte deux électrodes mobiles séparées l'une de l'autre par un matériau diélectrique. Lorsque les électrodes se déplacent, la capacité du condensateur varie. Le déplacement des électrodes est actionné par un matériau magnétostrictif pour convertir une variation de champ magnétique en une variation de charges électriques.
[0091] Dans un mode particulier de réalisation, les électrodes du condensateur sont réalisées dans un matériau magnétostrictif. Dans ce cas, une variation de l'amplitude du champ magnétique dans une direction donnée entraîne une variation de la surface des électrodes et donc de la capacité de ce condensateur.
[0092] Dans une autre variante, on choisit pour le condensateur des électrodes standard et un diélectrique dont la permittivité varie en fonction du champ magnétique. Il peut s'agir par exemple de BiFeO3. Dans ce cas également, une variation du champ magnétique entraîne une variation de la capacité du condensateur.
[0093] La variation de la capacité du condensateur est ensuite transformée en une génération de charges électriques par un dispositif électronique comme, par exemple, un dispositif mettant en œuvre des électrets. La génération d'électricité à partir d'une variation de capacité et à l'aide d'électrets est par exemple décrite dans l'article suivant :
S. Boisseau, G. Despesse et A. Sylvestre, « Optimization of an electret-based energy harvester », Smart Material and Structures, 2010, 19 075015, IOP Publisching Ltd.
[0094] De nombreux autres modes de réalisation de la couche magnétostrictive sont possibles. Par exemple, la forme des blocs 70 à 73 en matériau magnétostrictif peut être modifiée. Ainsi, ces blocs peuvent être rectangulaires de sorte que la réunion des blocs 70 à 73 forme une croix. Dans ce cas, une modification correspondante doit être apportée à la section horizontale des groupes d'aimants permanents en vis-à-vis dans la première position.
[0095] En variante, les régions 76 à 79 comportent des blocs en matériau magnétostrictif dont le coefficient de magnétostriction est de signe opposé au coefficient de magnétostriction des blocs 70 à 73. Dans une autre variante, les blocs 76 à 79 comportent chacun un bloc en matériau magnétostrictif dont le coefficient de magnétostriction est de même signe que celui des blocs 70 à 73 mais l'axe préférentiel de déformation est parallèle à l'axe d'alignement d'un groupe 96 à 99 d'aimants permanents dans la première position.
[0096] Le nombre de blocs en matériau magnétostrictif et le nombre de groupe d'aimants peut être supérieur à quatre, huit ou douze. En particulier, si le déplacement de l'ensemble est linéaire, le nombre de groupes d'aimants permanents peut être très grand. De préférence, si le déplacement entre les première et seconde positions se fait par rotation, alors le nombre de blocs et de groupes d'aimants est inférieur à douze. Toutefois, si le nombre de blocs de la couche magnétostrictive est par exemple supérieur à douze, alors il est possible de prévoir dans chaque région séparant les différents blocs de la couche magnétostrictive un mécanisme limitant ou éliminant les couplages magnétiques susceptibles d'exister entre ses différents blocs. Le nombre de bloc en matériau magnétostrictif peut aussi être inférieur à quatre. Par exemple, dans le cas le plus simple, la couche 52 comporte un seul bloc de matériau magnétostrictif et, par exemple, un seul groupe d'aimants.
[0097] Les différents blocs de la couche magnétostrictive ne s'étendent pas nécessairement dans le même plan. Dans ce cas, le plan de référence est le plan médian aux différents plans dans lesquels s'étendent ces différents blocs.
[0098] Si un matériau magnétostrictif à coefficient de magnétostriction négatif est utilisé à la place d'un matériau magnétotrictif à coefficient de magnétostriction positif, dans la première position, le signe des contraintes mécaniques exercées par les blocs est inversé par rapport à ce qui a été décrit dans le cas d'un matériau magnétostrictif à coefficient de magnétostriction positif. Si le coefficient de magnétostriction est négatif, le matériau magnétostrictif peut être du Samfenol, qui est un alliage de Samarium, ou un alliage de cobalt.
[0099] Le matériau magnétostrictif utilisé pour réaliser les blocs peut aussi être un matériau magnétostrictif isotrope, c'est-à-dire un matériau qui ne présente pas intrinsèquement d'axe préférentiel de déformation.
[00100] En variante les régions entre les blocs en matériau magnétostrictif comportent chacune un bloc supplémentaire de matériau magnétostrictif dont le coefficient de magnétostriction est de signe opposé à celui des blocs 70 à 73 et dont l'axe préférentiel de déformation s'étend radialement. Ainsi, dans la seconde position, les axes préférentiels de déformation des blocs supplémentaires sont alignés avec l'axe d'alignement des groupes 90 à 93. Dès lors, dans la seconde position, les blocs supplémentaires se rétrécissent ce qui exerce des contraintes en compression dans les zones des couches 54 et 58 situées à la verticale de ces blocs supplémentaires. Ainsi, dans cette seconde position, presque la totalité de la surface intérieure des couches 54 et 58 est soumise à une contrainte en compression. Cela permet d'augmenter l'amplitude entre les différences de potentiels produites dans les première et seconde positions par rapport au mode de réalisation de la figure 1 et donc d'augmenter l'efficacité du convertisseur.
[00101 ] Les régions entre les blocs peuvent être omises. Dans ce cas, les bords latéraux d'un bloc sont immédiatement contigus aux bords latéraux de blocs immédiatement adjacents mais dont les axes préférentiels de déformations sont orientés différemment.
[00102] De nombreuses variantes de l'ensemble d'aimants permanents sont également possibles. Par exemple, les groupes 96 à 99 peuvent être omis. De même, la partie 66 de l'ensemble d'aimants peut également être omise.
[00103] Dans un autre mode de réalisation, les seconds aimants permanents ne sont pas directement accolés aux premiers aimants permanents mais magnétiquement raccordés à ces premiers aimants permanents par l'intermédiaire de noyaux magnétiques réalisés en matériau magnétique doux.
[00104] Il est également possible de supprimer les seconds aimants permanents et/ou les dents magnétiques.
[00105] Chaque aimant permanent est réalisé dans un seul bloc de matière. En variante, tous les aimants permanents d'un groupe sont réalisés dans un même bloc de matière comportant des zones simultanément aimantées dans différentes directions pour former les premiers et, éventuellement, seconds aimants permanents.
[00106] Les aimants permanents de l'ensemble 12 peuvent être disposés dans un plan qui n'est pas nécessairement parallèle au plan de référence. Dans une autre variante, les axes d'alignement des différents groupes de l'ensemble ne sont pas tous coplanaires.
[00107] Les directions des axes d'alignement peuvent être modifiées. Par exemple, dans le mode de réalisation de la figure 9, les directions des axes d'alignement de tous les groupes 196 à 199 et 202 à 205 sont tournées de 45° vers la droite. On conserve ainsi un décalage angulaire de 90° entre les axes d'alignement de deux groupes d'aimants immédiatement consécutifs. L'axe préférentiel de déformation des blocs 214 à 217 est alors aussi tourné de 45°. Le fonctionnement de cette variante reste le même que celui décrit en référence à la figure 9. De même, les directions des axes d'alignement des groupes dans les autres modes de réalisation peuvent être modifiées.
[00108] Les différents modes de réalisation d'un groupe d'aimants précédemment décrits peuvent être combinés soit au sein d'un même ensemble ou même au sein d'un même groupe.
[00109] Le mouvement relatif de l'ensemble 12 par rapport au convertisseur 20 peut également être obtenu en fixant l'ensemble 12 sans aucun degré de liberté et en fixant le convertisseur 20 sur l'arbre 8. D'autre déplacement du convertisseur 20 par rapport à l'ensemble 12 sont possibles. Par exemple, le convertisseur 20 est monté en rotation autour d'un axe horizontal de sorte qu'il se trouve en vis-à-vis de l'ensemble 12 dans une position angulaire donnée et sinon décalé par rapport à l'ensemble 12.

Claims

REVENDICATIONS
Un générateur d'électricité comportant :
- un convertisseur (20) apte à convertir une variation d'un champ magnétique en une différence de potentiels entre deux bornes électriques, ce convertisseur comportant à cet effet :
• un transducteur électromécanique (50) apte à transformer directement une déformation mécanique exercée sur ce transducteur électromécanique en une différence de potentiels entre les deux bornes électriques, et
• une couche magnétostrictive (52) s'étendant essentiellement parallèlement à un plan de référence et fixée sans aucun degré de liberté au transducteur électromécanique, cette couche magnétostrictive comportant au moins un bloc (70-73) en matériau magnétostrictif apte à convertir une variation du champ magnétique en une déformation mécanique exercée sur le transducteur électromécanique,
- une source (4) de champ magnétique comprenant un groupe (90-93, 96-99 ; 130 ; 140 ; 160 ; 196-199, 202-205 ; 240) de plusieurs aimants permanents alignés le long d'un axe d'alignement, au moins l'un du groupe et du convertisseur étant déplaçable, en alternance, entre :
• une première position dans laquelle les lignes de champ du groupe d'aimants permanents traversent le même bloc en matériau magnétostrictif et provoquent une première déformation de ce bloc en matériau magnétostrictif, et
• une seconde position dans laquelle le bloc en matériau magnétostrictif présente une seconde déformation différente de la première déformation, caractérisé en ce que le groupe (90-93, 96-99 ; 130 ; 140 ; 160 ; 196-199, 202- 205 ; 240) d'aimants permanents comporte une succession de premiers aimants permanents (112-115 ; 142-145) le long de l'axe d'alignement, un premier aimant permanent étant un aimant permanent du groupe qui présente les deux caractéristiques suivantes :
- un rapport de forme, défini par le rapport de son épaisseur sur sa longueur dans la direction de son moment magnétique, compris entre 1/10 et dix, et
- l'essentiel des lignes de champ qui se rebouclent par l'intermédiaire du bloc en matériau magnétostrictif et de ce premier aimant permanent dans la première position ne passent pas par un autre premier aimant permanent,
ces premiers aimants permanents étant disposés les uns par rapport aux autres de manière à ce que le champ magnétique induit à l'intérieur du bloc en matériau magnétostrictif dans la première position par l'un quelconque de ces premiers aimants permanents soit parallèle et de sens opposé au champ magnétique induit au même instant dans ce même bloc par le premier aimant permanent immédiatement consécutif le long de l'axe d'alignement.
2. Le générateur selon la revendication 1 , dans lequel chaque premier aimant permanent (112-115) présente un moment magnétique parallèle à l'axe d'alignement et de sens opposé au sens du moment magnétique du premier aimant permanent immédiatement suivant dans ladite succession de premiers aimants permanents.
3. Le générateur selon la revendication 2, dans lequel le groupe comporte également au moins un second aimant permanent (118-122) placé immédiatement à côté d'un des premiers aimants permanents (112-115), le moment magnétique de ce second aimant permanent étant perpendiculaires au plan de référence et son sens étant le même que celui des lignes de champs qui traversent le bloc en matériau magnétostrictif et le premier aimant permanent à côté duquel il est immédiatement placé.
4. Le générateur selon la revendication 3, dans lequel la longueur du second aimant permanent (118-122) dans la direction de son moment magnétique est supérieure ou égale à l'épaisseur, dans la direction perpendiculaire au plan de référence, du premier aimant permanent à côté duquel il est immédiatement placé, et l'épaisseur du second aimant permanent dans une direction parallèle à l'axe d'alignement est au moins deux fois plus petite que la longueur du premier aimant permanent à côté duquel il est immédiatement placé.
5. Le générateur selon la revendication 2, dans lequel la source de champ magnétique comporte au moins une dent magnétique (132-136), réalisée en matériau magnétique doux, directement placée à côté d'un des premiers aimants permanents dans la direction de l'axe d'alignement.
6. Le générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'amplitude de la somme vectorielle des moments magnétiques du groupe (90-93, 96-99 ; 130 ; 140 ; 160 ; 196-199, 202-205 ; 240) d'aimants permanents est égale à zéro à plus ou moins ε près, où ε est égal à 10 % de la somme des amplitudes des moments magnétiques des aimants permanents du groupe.
7. Le générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source de champ magnétique comporte un second groupe d'aimants permanents, symétrique du premier groupe d'aimants permanents par rapport à un plan parallèle au plan de référence et passant à mi-hauteur du bloc en matériau magnétostrictif.
Le générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le convertisseur se trouve d'un côté du groupe d'aimants permanents et le générateur (250) comporte un autre convertisseur (252) placé du côté opposé par rapport à ce groupe d'aimants permanents, ces deux convertisseurs étant les symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan médian du groupe d'aimants permanents contenant l'axe d'alignement de ce groupe.
Le générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le convertisseur se trouve d'un côté du groupe d'aimants permanents et le générateur comporte une plaque (262) en matériau magnétiquement doux placée du côté opposé par rapport à ce groupe d'aimants permanents.
0. Le générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rapport de forme des premiers aimants permanents est supérieur ou égal à 0,2 ou à 0,5 et inférieure ou égal à 5 ou 2.
Le générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les aimants permanent du groupe sont fixés sans aucun degré de liberté les uns aux autres et au moins l'un du groupe et du convertisseur est déplaçable, en alternance, entre :
- la première position dans laquelle le bloc en matériau magnétostrictif est en vis- à-vis du groupe d'aimants permanents, et
- la seconde position dans laquelle le bloc en matériau magnétostrictif est décalé par rapport au groupe d'aimants permanents.
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