Brevet FR3046436A1 — publié le 20170707

CONVERTISSEUR ELECTROSTATIQUE Domaine technique La présente invention a trait à un convertisseur électrostatique, de type turbine. A 5 titre d'exemples, des applications en fonctionnement hybride récupérateur d'énergie/débitmètre sont envisagées notamment dans les domaines de l'automobile, l'aéronautique et l'habitat. Etat de la technique antérieure 10 Un convertisseur électrostatique connu de l'état de la technique, notamment du document DE 20 2012 009 612, comporte : - un rotor comprenant au moins une pale destinée à recevoir un flux d'air ; - un stator comprenant au moins une électrode. Une extrémité de la pale comporte une contre-électrode revêtue d'un matériau 15 diélectrique adapté pour être polarisé. Un tel convertisseur électrostatique est de type turbine à vent, et forme un récupérateur d'énergie. La puissance cinétique du flux d'air est convertie en électricité. Tout d'abord, la turbine convertit le flux d'air en un mouvement de rotation relatif entre le stator et le rotor. Puis le mouvement de rotation relatif induit des variations de capacité électrique entre la ou les électrodes 20 du stator et la contre-électrode de la ou chaque pale. L'espacement entre une électrode du stator et une contre-électrode du rotor est un paramètre critique du convertisseur électrostatique dans la mesure où il intervient sur la variation de capacité électrique et sur la puissance de conversion. Plus cet espacement est réduit, plus il est possible d'extraire de l'énergie électrique. 25 Un tel convertisseur électrostatique de l'état de la technique n'est pas entièrement satisfaisant dans la mesure où le contrôle géométrique industriel de cet espacement est complexe, tout particulièrement lorsque l'espacement est inférieur à 500 pM, et ce en raison du mouvement de rotation relatif entre le stator et le rotor. Des chocs entre le rotor et le stator sont alors susceptibles d'apparaître et 30 d'occasionner des pertes énergétiques importantes, voire un arrêt de la turbine. Un contrôle géométrique industriel parfaitement maîtrisé de cet espacement 3046436 2 nécessiterait des coûts de fabrication prohibitifs (micro-fabrications, roulements à bille sans roulis etc.). Exposé de l'invention Ainsi, la présente invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités, et concerne à cet effet un convertisseur électrostatique comportant : - un rotor comprenant au moins une pale destinée à recevoir un flux d'air ; - un stator comprenant au moins une électrode revêtue d'un matériau diélectrique adapté pour être polarisé ; - une membrane flexible montée sur la pale, et comprenant une contre-électrode ; la membrane flexible décrivant une trajectoire lors d'un tour de rotor ; la membrane flexible étant configurée de sorte que la contre-électrode vient en contact glissant avec le matériau diélectrique sur une première partie de la trajectoire, et de sorte que la contre-électrode est située à distance du matériau diélectrique sur une seconde partie de la trajectoire de manière à obtenir une capacité électrique variable adaptée pour induire un courant électrique. Ainsi, un tel convertisseur électrostatique selon l'invention permet de s'affranchir d'un contrôle géométrique industriel de l'espacement entre une électrode du stator et une contre-électrode du rotor grâce à une telle membrane flexible. La membrane flexible permet l'obtention de fortes variations de capacités électriques pour un frottement très faible relativement à un choc entre le rotor et le stator de l'état de la technique. Les risques de choc entre la pale et le stator sont supprimés, y compris en cas d'écoulement turbulent, car la membrane flexible est interposée entre la pale et le stator, formant un séparateur. Par ailleurs, la fabrication d'un tel convertisseur électrostatique est simple et peu coûteuse. Par « contact glissant », on entend que la contre-électrode de la membrane flexible se déplace parallèlement à la surface de contact avec le matériau 30 diélectrique (sur l'électrode du stator) sur la première partie de la trajectoire. L'invention concerne également un convertisseur électrostatique comportant : 3046436 3 - un rotor comprenant au moins une pale destinée à recevoir un flux d'air ; - un stator comprenant au moins une électrode ; - une membrane flexible montée sur la pale, et comprenant une contre-électrode revêtue d'un matériau diélectrique adapté pour être polarisé ; la membrane flexible 5 décrivant une trajectoire lors d'un tour de rotor ; la membrane flexible étant configurée de sorte que le matériau diélectrique vient en contact glissant avec l'électrode sur une première partie de la trajectoire, et de sorte que le matériau diélectrique est situé à distance de l'électrode sur une seconde partie de la trajectoire de manière à obtenir une capacité électrique variable adaptée pour 10 induire un courant électrique. Ainsi, un tel convertisseur électrostatique selon l'invention permet de s'affranchir d'un contrôle géométrique industriel de l'espacement entre une électrode du stator et une contre-électrode du rotor grâce à une telle membrane flexible. La membrane 15 flexible permet l'obtention de fortes variations de capacités électriques pour un frottement très faible relativement à un choc entre le rotor et le stator de l'état de la technique. Les risques de choc entre la pale et le stator sont supprimés, y compris en cas d'écoulement turbulent, car la membrane flexible est interposée entre la pale et le stator, formant un séparateur. Par ailleurs, la fabrication d'un tel convertisseur 20 électrostatique est simple et peu coûteuse. Par « contact glissant », on entend que le matériau diélectrique (sur la contre-électrode) se déplace parallèlement à la surface de contact avec l'électrode du stator sur la première partie de la trajectoire. 25 Le concept inventif commun entre les deux convertisseurs électrostatiques selon l'invention est le contact glissant entre la membrane flexible et le stator, ce qui permet de réduire les pertes énergétiques relativement à des chocs intermittents. Avantageusement, la membrane flexible est au moins partiellement ferromagnétique, et le stator comporte des moyens d'aimantation agencés pour 3046436 4 maintenir la membrane flexible en contact glissant avec le stator sur la première partie de la trajectoire. Ainsi, de tels moyens d'aimantation permettent de s'affranchir d'un problème d'oscillations («fluttering » en langue anglaise) de la membrane flexible qui sont 5 susceptibles d'apparaître lorsque la raideur de la membrane est trop faible ou lorsque la vitesse de rotation du rotor est trop élevée. Ces oscillations peuvent supprimer le contact entre la membrane flexible et le stator sur la première partie de la trajectoire. 10 Selon une variante, le convertisseur électrostatique comporte des moyens de lestage agencés pour maintenir la membrane flexible en contact glissant avec le stator sur la première partie de la trajectoire. Ainsi, de tels moyens de lestage permettent de s'affranchir d'un problème d'oscillations («fluttering » en langue anglaise) de la membrane flexible qui sont 15 susceptibles d'apparaître notamment lorsque la raideur de la membrane est trop faible ou lorsque la vitesse de rotation du rotor est trop élevée. Ces oscillations peuvent supprimer le contact entre la membrane flexible et le stator sur la première partie de la trajectoire. 20 Avantageusement, la membrane flexible présente une raideur en flexion comprise entre 1 mN/m et 10 N/m. Ainsi, une telle raideur en flexion est suffisamment forte pour empêcher l'apparition d'oscillations, et suffisamment faible pour éviter l'obtention de frottements importants avec le stator. La raideur en flexion est préférentiellement de 25 l'ordre de 1 N/m. Avantageusement, l'électrode présente une longueur, notée Lo, et la membrane flexible présente une longueur, notée L, vérifiant Lo REVENDICATIONS1. Convertisseur électrostatique comportant : - un rotor comprenant au moins une pale (1) destinée à recevoir un flux d'air ; 5 - un stator (2) comprenant au moins une électrode (E) revêtue d'un matériau diélectrique (20) adapté pour être polarisé ; - une membrane flexible (3) montée sur la pale (1), et comprenant une contre-électrode ; la membrane flexible (3) décrivant une trajectoire lors d'un tour de rotor ; la membrane flexible (3) étant configurée de sorte que la contre-électrode 10 vient en contact glissant avec le matériau diélectrique (20) sur une première partie de la trajectoire, et de sorte que la contre-électrode est située à distance du matériau diélectrique (20) sur une seconde partie de la trajectoire de manière à obtenir une capacité électrique variable adaptée pour induire un courant électrique. 15 2. Convertisseur électrostatique comportant : - un rotor comprenant au moins une pale (1) destinée à recevoir un flux d'air ; - un stator (2) comprenant au moins une électrode (E) ; - une membrane flexible (3) montée sur la pale (1), et comprenant une contre-électrode revêtue d'un matériau diélectrique (20) adapté pour être polarisé ; la 20 membrane flexible (3) décrivant une trajectoire lors d'un tour de rotor ; la membrane flexible (3) étant configurée de sorte que le matériau diélectrique (20) vient en contact glissant avec l'électrode (E) sur une première partie de la trajectoire, et de sorte que le matériau diélectrique (20) est situé à distance de l'électrode (E) sur une seconde partie de la trajectoire de manière à obtenir une capacité électrique 25 variable adaptée pour induire un courant électrique. 3. Convertisseur électrostatique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la membrane flexible (3) est au moins partiellement ferromagnétique, et en ce que le stator (2) comporte des moyens d'aimantation (4) agencés pour maintenir la 30 membrane flexible (3) en contact glissant avec le stator (2) sur la première partie de la trajectoire. 3046436 15 4. Convertisseur électrostatique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de lestage (30) agencés pour maintenir la membrane flexible (3) en contact glissant avec le stator (2) sur la première partie de la trajectoire. 5. Convertisseur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la membrane flexible (3) présente une raideur en flexion comprise entre 1 mN/m et 10 N/m. 6. Convertisseur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'électrode (E) présente une longueur, notée Lo, et en ce que la membrane flexible (3) présente une longueur, notée L, vérifiant Lo 7. Convertisseur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé 15 en ce que le matériau diélectrique (20) est un électret. 8. Convertisseur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la membrane flexible (3) et le stator (2) sont adaptés pour échanger des charges électrostatiques par effet triboélectrique sur la première partie de la 20 trajectoire via le matériau diélectrique (20). 9. Convertisseur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le rotor présente un axe de rotation, en ce que la pale (1) présente une extrémité distale (10) relativement à l'axe de rotation, et en ce que la membrane 25 flexible (3) est montée à l'extrémité distale (10) de la pale (1). 10. Convertisseur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le stator (2) comporte un ensemble d'électrodes (E) réparti, de préférence uniformément, autour de la trajectoire. 30 11. Convertisseur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'ensemble d'électrodes (E) comporte Ne électrodes (E) successives réparties autour de la 3046436 16 trajectoire, Ne étant un entier naturel supérieur ou égal à 3 ; et en ce que la contre-électrode de la membrane flexible (3) forme un réseau de motifs (31) agencé de sorte que, sur la première partie de la trajectoire, deux motifs (31) consécutifs sont : - en contact avec une k-ième électrode (E) et une (k+2)-ième électrode (E), et 5 - à distance d'une (k+1)-ième électrode (E), avec keill, Net 12. Convertisseur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le rotor comporte Np pales, Np étant un entier supérieur ou égal à 1, la membrane flexible (3) étant montée sur chaque pale (1), et en ce que le 10 stator (2) comporte un ensemble de Ne électrodes, Ne étant un entier vérifiant Ne=2Np. 13. Convertisseur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la membrane flexible (3) comporte un film d'un matériau 15 présentant un module d'Young compris entre 100 MPa et 5 GPa, de préférence compris entre 1 GPa et 5 GPa. 14. Convertisseur électrostatique selon la revendication 13, caractérisé en ce que le film présente une épaisseur comprise entre 1 pm et 1 mm, de préférence 20 comprise entre 1 pm et 125 pm, plus préférentiellement comprise entre 1 pm et 50 pm. 15. Convertisseur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le matériau diélectrique (20) présente une épaisseur comprise 25 entre 1 pm et 125 pm, de préférence comprise entre 25 pm et 100 pm. 16. Convertisseur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le stator (2) comporte un circuit électrique dans lequel circule le courant induit, le circuit électrique étant connecté à ladite au moins une 30 électrode (E).