Brevet FR2714545A1 — publié le 19950630

PROCEDE ET CIRCUIT DE TRANSFORMATION D'ENERGIE MéCANIQUE EN ENERGIE ELECTRIQUE A PARTIR D'UN ELECTRO-AIMANT La présente invention concerne les électro-aimants dont l'armature a un mouvement sensiblement parallèle aux lignes d'induction magnétique dans l'entrefer. Les électro-aimants sont utilisés aujourd'hui dans un très grand nombre d'applications, par exemple pour actionner le piston d'une pompe, les contacts d'un relais, le clapet d'une électrovanne, la gâchette d'une serrure, etc... Dans la grande majorité de ces applications l'électro-aimant est du type commun dont l'armature se déplace sensiblement parallèlement aux lignes d'induction magnétique dans l'entrefer, par opposition par exemple à certaines machines à réluctance variable dont l'armature se déplace perpendiculairement aux lignes d'induction magnétique dans l'entrefer. Lorsque l'électro-aimant transforme une partie de l'énergie électrique fournie à son bobinage en un mouvement rapprochant son armature de sa culasse, il est utilisé en tant que moteur. Nous connaissons aussi un grand nombre de machines électriques capables de transformer une partie de l'énergie mécanique qu'elles reçoivent en énergie électrique: elles sont utilisées en tant que générateur. La plupart des machines électriques sont réversibles, pouvant jouer aussi bien le rôle de moteur que celui de générateur, comme par exemple le moteur électrique à courant continu ou le moteur à courant alternatif synchrone. L'électro-aimant commun, malgré ou peut-être à cause de sa grande simplicité, est très peu utilisé en tant que générateur d'énergie électrique à partir d'énergie mécanique. Pourtant c'est une des rares machines dont le mouvement de base est linéaire, ce qui correspond au mouvement de base lui-aussi linéaire de la plupart des générateurs d'énergie mécanique (ce mouvement est traditionnellement transformé en rotation par le système bielle-manivelle). L'électro-aimant commun semble donc être un générateur particulièrement approprié pour recevoir et convertir en énergie électrique le mouvement linéaire d'une source d'énergie mécanique, sans nécessiter de système bielle-manivelle. Dans certains cas d'utilisation d'un électro-aimant, l'armature de celui-ci peut acquérir lors de son mouvement une énergie cinétique considérable. Cette énergie est traditionnellement dissipée dans un système amortisseur, ce qui peut représenter une perte non négligeable d'énergie. I1 serait avantageux de récupérer au moins une partie de cette énergie cinétique et de la convertir en énergie électrique. Toutefois il ne semble pas exister à ce jour de procédé simple permettant de transformer en énergie électrique le mouvement de l'armature d'un électro-aimant commun, que ce mouvement soit propre ou induit par un organe de poussée distinct de ltélectro-aimant. C'est pourquoi l'invention a pour but de fournir un procédé simple permettant de convertir l'énergie de mouvement de l'armature d'un électro-aimant commun en énergie électrique fournie à une source de tension. Ce problème est résolu grâce à deux étapes de transformation énergétique pouvant être distinctes ou se chevaucher dans le temps: une première étape de transformation de l'énergie mécanique du mouvement d'éloignement entre l'armature et la culasse de l'électro-aimant en énergie magnétique, étape nécessitant uniquement que l'induction magnétique (B) dans l'entrefer de l'électro-aimant ne soit pas nulle, et une deuxième étape de transformation de cette énergie magnétique en énergie électrique fournie à une source de tension branchée aux bornes du bobinage de l'électro-aimant, étape nécessitant uniquement la décroissance temporelle du module de l'induction magnétique (B). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description qui va suivre de certains de ses modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins ci-annexés sur lesquels: - La figure 1 représente un exemple simplifié d'électro-aimant de type commun. - La figure 2 est une vue en coupe de la figure 1 selon l'axe K-L. - La figure 3 propose un circuit électronique permettant le contrôle du bobinage d'un électro-aimant selon le procédé de l'invention. - La figure 4 propose une amélioration du circuit précédent pour la phase de maintien du champ magnétique. La figure 1 représente un électro-aimant de type commun composé d'une culasse (1), d'une armature mobile (2) séparée de la culasse par un entrefer de surface (S) et de largeur électrique (E) égale à la somme des intervalles physiques (El) et (E2), et d'un bobinage (3) comportant (N) spires. Pour simplifier cet exemple le circuit magnétique est supposé avoir une perméabilité infinie. Il est connu depuis la découverte de Michael FARADAY que l'on peut faire croitre l'induction magnétique (B) dans l'entrefer en appliquant une première tension (Ul) aux bornes du bobinage (3) de cet électro-aimant. Lorsque l'induction magnétique a atteint une valeur souhaitée, on peut la rendre sensiblement constante en appliquant aux bornes du bobinage (3) de l'électro-aimant une deuxième tension (U2) de valeur faible, compensant si possible exactement la chute de tension résistive interne du bobinage (3) causée par le courant y circulant. Pour réduire l'induction magnétique (B) d'une certaine valeur, il suffit d'appliquer aux bornes du bobinage (3) de l'électro-aimant une troisième tension (U3) de polarité inverse de celle de (Ul) pendant un temps donné. On dit que l'induction magnétique dans l'entrefer de l'électro-aimant est contrôlable par le produit "temps par tension" appliqué aux bornes du bobinage (3). Lorsque l'électro-aimant est du type commun dont le déplacement de l'armature est sensiblement parallèle aux lignes d'induction dans son entrefer, l'induction magnétique (B) crée une force (F) tendant à rapprocher l'armature (2) de la culasse (1) de l'électro-aimant suivant la relation simplifiée suivante: (F) = (B)2 * (S) * 107 / 88. TRANSFORMATION D'ENERGIE MECANIQUE EN ENERGIE MAGNETIQUE. Cette force (F) peut être mise à profit pour récupérer l'énergie du mouvement de l'armature (2) lorsque celle-ci s'écarte de la culasse (1). On montre que à tout déplacement (dE) de l'armature (2) dans un sens qui l'éloigne de la culasse (1) correspond une augmentation (dWM+) de l'énergie magnétique interne de ltélectro-aimant: (dWM+) = (B)2 * (S) * (dE) * 107 / 8fol. Il y a transformation de travail mécanique en énergie magnétique stockée dans l'électro-aimant, cette transformation n'affectant pas le module de l'induction magnétique (B) mais le volume d'espace la contenant. Cette transformation, opérant dès que le module de l'induction (B) est non nul, dépend uniquement de la valeur instantanée de (B) au moment du transfert d'énergie, sans être liée aux variations de (B) en fonction du temps. Les deux conditions nécessaires à la transformation de l'énergie mécanique de mouvement de l'armature (2) en énergie magnétique sont donc les suivantes: - Le mouvement écarte l'armature (2) de la culasse (1) de 1 'électro-aimant. - Le module de l'induction magnétique (B) dans l'entrefer est non nul. Pour obtenir la valeur souhaitée de (B), il suffit d'appliquer le produit "temps par tension" convenable aux bornes du bobinage (3) de l'électro-aimant. Cette transformation énergétique cesse dès que s'arrête le mouvement de séparation entre l'armature (2) et la culasse (1) de l'électro-aimant ou bien lorsque l'induction magnétique (B) devient nulle. Pour optimiser le rendement de cette transformation énergétique, il convient si possible de rendre la force (F) égale à tout instant à la force de poussée externe sur l'armature (2) (quand elle existe). La force (F) étant proportionnelle au carré de l'induction magnétique (B), on pourra faire varier (B) dans les proportions adéquates en appliquant aux bornes du bobinage (3) de l'électro-aimant le produit "temps par tension" approprié. L'homme de l'art veillera à ce que l'induction magnétique (B) reste en dessous de l'induction de saturation propre aux matériaux constituant le circuit magnétique de ltélectro-aimant. TRANSFORMATION D'ENERGIE MAGNETIQUE EN ENERGIE ELECTRIQUE. Quand une troisième tension (U3) de polarité inverse de celle de (Ul) est appliquée pendant une durée (dT) aux bornes du bobinage (3) de l'électro-aimant, on observe une décroissance (dB) de l'induction magnétique (B) selon une application simplifiée de la loi d'induction électromagné tique: (dB) = - (U3) * (dT) / [ (N) * (S) 1 Cette décroissance entraîne une diminution (dWM-) de l'énergie magnétique stockée dans ltélectro-aimant: (dWM-) = (B) * (S) * (E) * (dB) * 107 / 411. On montre que cette diminution d'énergie est compensée exactement par le transfert d'une quantité égale d'énergie électrique dans la source de tension (U3) par le courant circulant dans le bobinage (3) de l'électro-aimant. Il y a transformation de l'énergie magnétique interne de l'électro-aimant en énergie électrique dans la source de tension (U3), cette transformation affectant le module de l'induction magnétique (B) mais non le volume d'espace la contenant. Cette transformation peut se faire même lorsque l'armature (2) est en mouvement, par exemple en même temps que la transformation mécanique/magnétique décrite précédemment. La condition nécessaire à la réalisation de cette transformation d'énergie magnétique en énergie électrique est donc uniquement d'appliquer aux bornes du bobinage (3) de l'électro-aimant une tension (U3) de polarité et de valeur propres à engendrer la décroissance du module de l'induction magnétique (B). Cette transformation s'achève lorsque l'induction magnétique (B) atteint zéro ou lorsque la tension (U3) est remplacée par une tension de polarité et de valeur propres à engendrer la croissance ou le maintien du module de l'induction magnétique (B). Un exemple d'application du procédé selon l'invention consiste à récupérer l'énergie cinétique acquise par l'armature (2) d'un électro-aimant lors du mouvement moteur de celle-ci, c'est à dire le mouvement la rapprochant de la culasse (1) sous l'effet de la force (F), dans un sens qui sera choisi comme "en avant". La récupération de cette énergie cinétique ne pouvant se faire selon l'invention que lors du mouvement d'éloignement entre l'armature (2) et la culasse (1) (sens choisi comme "en arrière"), une butée élastique doit être disposée à la position de la fin de la course de rapprochement. Le rôle de cette butée élastique est d'absorber l'énergie cinétique de l'armature (2) lors de la collision entre l'armature et la butée élastique puis de la restituer en partie à l'armature de telle façon que celle-ci reparte "en arrière" sans perte de vitesse appréciable. Si l'induction magnétique dans l'entrefer n'a pas été annulée avant l'instant où la vitesse de l'armature s'annule puis s'inverse, le processus de transformation de l'énergie cinétique de l'armature en énergie magnétique commence dès l'inversion de la vitesse de l'armature. Dans le cas contraire, on appliquera au moment que l'on estimera approprié de la course "en arrière" de l'armature une tension (U1) aux bornes du bobinage (3) de ltélectro-aimant, pendant la durée adéquate pour que l'induction magnétique (B) dans l'entrefer puisse croître à la valeur souhaitée. Dans les deux cas le processus de transformation d'énergie cinétique de l'armature en énergie magnétique commence dès que le module de l'induction (B) dans l'entrefer est différent de zéro On pourra ensuite éventuellement maintenir constante l'induction magnétique (B) en appliquant aux bornes du bobinage (3) de l'électro-aimant une tension (U2) de valeur nulle ou faible, compensant si possible exactement la chute de tension résistive interne au bobinage (3) causée par le courant y circulant. Enfin, on pourra appliquer aux bornes du bobinage (3) de l'électro-aimant une tension (U3) de polarité inverse de celle de (U1) apte à faire décroître le module de l'induction magnétique de façon à opérer la transformation de l'énergie magnétique de l'électro-aimant en énergie électrique transférée dans la source de tension (U3), jusqu'à ce que le courant dans le bobinage (3) soit annulé. Connaissant l'énergie cinétique de l'armature, les caractéristiques de l'électro-aimant et les tensions (Ul), (U2) et (U3) disponibles, l'homme de l'art pourra déterminer précisément les durées de chacune des trois phases de croissance, de maintien et de décroissance de l'induction magnétique (B). Une autre application de l'invention consiste à récupérer une partie de l'énergie mécanique d'un objet extérieur accouplé à l'armature de l'électro-aimant. Une autre application de l'invention consiste à convertir en énergie électrique l'énergie mécanique acquise par un piston (ou une membrane) accouplé(e) à l'armature de l'électro-aimant, lors de la détente d'un gaz. L'homme de l'art pourra envisager toute autre application récupérant l'énergie mécanique d'un mouvement sensiblement linéaire par l'intermédiaire d'un électro-aimant de type commun. La figure 3 propose un circuit électronique permettant d'effectuer le procédé selon l'invention: l'extrémité (A) du bobinage (3) de l'électro-aimant est reliée d'une part à une première source de tension (Vl) par l'intermédiaire d'un premier interrupteur (4) et d'autre part à la cathode d'une première diode (7) dont l'anode est connectée à une deuxième source de tension (V2) et l'extrémité (B) du bobinage (3) est reliée d'une part à l'anode d'une deuxième diode (6) dont la cathode est connectée à une troisième source de tension (V3) et d'autre part à un point (C) par l'intermédiaire d'un deuxième interrupteur (5), le point (C) étant relié à la masse (ou référence de tension) directement ou par l'intermédiaire d'une résistance (8) de mesure du courant dans le bobinage (3). La source de tension (V2) est générée par un module optionnel (9) prélevant la différence de potentiel aux bornes (A) et (B) du bobinage (3) et mesurant le courant de celui-ci. Dans la plupart des cas la source de tension (V2) est issue de la masse ou d'un potentiel continu et les sources de tension (Vl) et (V3) sont confondues. Le rôle de la résistance (8) étant de mesurer le courant dans le bobinage (3), elle pourrait évidemment se situer ailleurs qu'au point (C). Elle deviendrait même inutile si l'interrupteur (5) offrait une sortie dite de "miroir de courant". Cette configuration des composants est adaptée à des sources de tension positives par rapport à la référence de potentiel mais l'homme de l'art saurait aisément la modifier pour l'adapter à des sources de tension négatives. Ce circuit permet d'effectuer le procédé selon l'invention de la façon suivante: Lorsque l'on souhaite faire croître l'induction magnétique (B) dans l'entrefer de l'électro-aimant, les interrup teurs (4) et (5) sont fermés et le courant peut croître dans le circuit formé par le générateur (Vl), l'interrupteur (4), le bobinage (3) de l'électro-aimant et l'interrupteur (5). La différence de potentiel aux bornes du bobinage (3) est alors (Ul). Lorsque l'on souhaite maintenir constante l'induction magnétique (B) dans l'entrefer, l'interrupteur (4) est ouvert, alors que l'interrupteur (5) reste fermé. Le courant dans le bobinage (3) ne pouvant chuter brutalement, il se prolonge via le circuit formé par le générateur (V2), la diode (7), le bobinage (3) et l'interrupteur (5), la différence de potentiel aux bornes du bobinage (3) étant alors (U2). La dérive du courant du bobinage en fonction du temps est faible si (U2) est maintenue relativement basse. Enfin, la transformation de l'énergie magnétique de l'électro-aimant en énergie électrique est opérée en ouvrant l'interrupteur (5). Le courant dans le bobinage (3) est alors contraint de passer dans le circuit formé par la source (V2), la diode (7), le bobinage (3), la diode (6) et la source (V3), la différence de potentiel aux bornes du bobinage (3) valant alors (U3). Pendant cette période appelée communément "récupération selfique" le courant du bobinage (3) diminue rapidement, jusqu'à si nécessaire son annulation, l'énergie magnétique de l'électro-aimant étant transférée dans la source (V3). Dans la plupart des cas, la source de tension (V2) est tout simplement confondue avec la masse, ce qui fait que pendant la phase de maintien de l'induction magnétique (B) la FEM d'induction interne du bobinage (3) est égale à la somme des chutes de tension dans la diode (7), dans la résistance interne du bobinage (3), dans l'interrupteur (5) et éventuellement dans la résistance (8). Cette FEM non nulle crée une chute progressive de l'induction magnétique (B) dans l'entrefer de l'électro-aimant. Pour limiter cette perte d'induction, il convient de réduire autant que possible la FEM d'induction dans le bobinage (3). Le module (9) réalise cette fonction en générant une tension (V2) qui impose aux bornes (A) et (B) du bobinage (3) une différence de potentiel très proche de celle qui est strictement chutée dans la résistance interne de ce bobinage. La part laissée dans le bobinage à la FEM d'induction devenant alors très faible, la dérive de l'induction (B) est pratiquement annulée. La figure 4 propose un circuit réalisant les fonctions précitées du module (9) tout en offrant une protection haute tension des entrées (A) et (B) par les couples diode haute tension/générateur de courant (13)/(15) et (14)/(16), protection nécessaire lorsque les tensions (V1) et (V3) sont très élevées. Ce circuit est avantagé par une indépendance complète vis à vis des chutes de tension parasites dans la diode (7) et l'interrupteur (5). Les résistances (25) et (24) sont de préférence dans un rapport égal à celui des résistances (23) et (22), de façon que la tension au point (A) se retrouve au point (E) avec une amplification égale à 1, mais retranchée d'une tension générée par l'amplificateur (10) approximativement égale à celle chutée résistivement dans le bobinage (3). L'amplificateur (12) ferme la boucle de contre-réaction en produisant une tension d'erreur en (V2) si la différence de potentiel aux bornes du bobinage (3) s'écarte de ce que serait strictement sa chute de tension résistive. La résistance (8) est choisie en fonction de la résistance interne du bobinage (3). Pour améliorer la précision de la contre-réaction, il est conseillé de compenser les variations de la résistance interne du bobinage (3) en fonction de la température par une variation adéquate du gain de la chaîne d'amplification du courant du bobinage (3). Ceci peut par exemple être réalisé en couplant thermiquement la résistance (8) et le bobinage (3), en supposant qu'ils subissent les mêmes variations relatives en fonction de la température. Enfin, la sortie (I) de l'amplificateur (10) permet une surveillance et une mesure du courant dans le bobinage (3) par des moyens non représentés ici. L'invention s'applique à la transformation d'énergie mécanique d'un mouvement sensiblement linéaire en énergie électrique, par exemple la récupération de l'énergie cinétique propre acquise par l'armature d'un électro-aimant, ou bien la transformation du travail de détente d'un gaz en énergie électrique. REVENDICATIONS 1 - Procédé de commande d'un électro-aimant, du type dont le mouvement de l'armature (2) est sensiblement parallèle aux lignes de l'induction magnétique (B) dans son entrefer, permettant la transformation de l'énergie mécanique du mouvement de séparation entre l'armature (2) et la culasse (1) de l'électro-aimant en énergie électrique fournie à une source de tension (U3) caractérisé en ce que cette transformation prend place en deux étapes pouvant se chevaucher dans le temps, une première étape de transformation de l'énergie mécanique du mouvement de l'armature (2) de l'électro-aimant en énergie magnétique étant réalisée en maintenant une induction magnétique (B) non nulle dans l'entrefer de lélectro-aimant alors que le mouvement de l'armature (2) sépare celle-ci de la culasse (1) de ltélectro-aimant, une deuxième étape de transformation de l'énergie magnétique en énergie électrique fournie à une source de tension (U3) étant réalisée en maintenant dans l'entrefer de l'électro-aimant une induction magnétique (B) dont le module est non nul et décroît dans le temps par l'application aux bornes du bobinage (3) de l'électro-aimant d'une tension (U3) de valeur et de polarité propres à assurer la décroissance du module de (B). 2- Utilisation du procédé selon la revendication 1 pour récupérer l'énergie cinétique propre à l'armature (2) d'un électro-aimant acquise lors du mouvement "en avant" de celle-ci la rapprochant de la culasse (1) et pour la transférer dans une source de tension (U3) caractérisée en ce que le sens de la vitesse de l'armature (2) est inversé par une butée élastique disposée à la fin de la course "en avant" de l'armature (2), le processus de transformation d'énergie cinétique de l'armature en énergie magnétique commençant dès que le module de l'induction magnétique (B) dans l'entrefer est différent de zéro, le processus de transformation de l'énergie magnétique en énergie électrique commençant dès qu'une tension (U3) de polarité apte à faire décroître le module de l'induction magnétique (B) est appliquée aux bornes du bobinage (3) de l'électro-aimant et se terminant lorsque le courant dans le bobinage (3) devient nul. 3- Utilisation du procédé selon la revendication 1 pour récupérer l'énergie mécanique d'un objet extérieur accouplé à l'armature de l'électro-aimant 4- Utilisation du procédé selon la revendication 1 pour convertir en énergie électrique l'énergie mécanique acquise par un piston (ou une membrane) accouplé(e) à l'armature de ltélectro-aimant, lors de la détente d'un gaz. 5- Circuit électronique permettant d'effectuer le procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'extrémité (A) du bobinage (3) de l'électro-aimant est reliée d'une part à une première source de tension (V1) par l'intermédiaire d'un premier interrupteur (4) et d'autre part à la cathode d'une première diode (7) dont l'anode est connectée à une deuxième source de tension (V2) et que l'extrémité (B) du bobinage est reliée d'une part à l'anode d'une deuxième diode (6) dont la cathode est connectée à une troisième source de tension (V3) et d'autre part à un point (C) par l'intermédiaire d'un deuxième interrupteur (5), le point (C) étant relié à la masse directement ou par l'intermédiaire d'une résistance (8) de mesure du courant dans le bobinage. 6- Circuit selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'un module (9) permet de réduire autant que possible la FEM d'induction dans le bobinage (3) pendant la phase de maintien de l'induction magnétique (B) en générant une tension (V2) qui impose aux bornes (A) et (B) du bobinage (3) une différence de potentiel très proche de celle qui est strictement chutée dans la résistance interne de ce bobinage.