Brevet FR3072522A1 — publié le 20190419

GENERATEUR D'ELECTRICITE COMPRENANT UN CONVERTISSEUR A BASE DE MATERIAU PIEZOELECTRIQUE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des dispositifs pour la récupération d'énergie. Elle concerne en particulier un générateur d'électricité comprenant un convertisseur apte à convertir une variation d'énergie à récupérer en une différence de potentiel. Le convertisseur comprend au moins une couche de matériau piézoélectrique. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION On connaît de l'état de la technique (W02014/063951 et W02014/063958), des générateurs d'électricité comportant une source de champ magnétique et un récupérateur d'énergie. Ce dernier comprend un convertisseur magnéto-électrique apte à convertir une variation du champ magnétique en une différence de potentiel entre deux bornes électriques, par accumulation de charges électriques sur l'une ou l'autre desdites bornes électriques. Le convertisseur est composé d'une part, d'un transducteur électromécanique comprenant une couche piézoélectrique apte à transformer une déformation mécanique en une différence de potentiel entre ses électrodes, reliées aux deux bornes électriques ; d'autre part, il est composé d'une couche magnétostrictive fixée selon un plan de référence et sans degré de liberté au transducteur électromécanique, apte à convertir une variation du champ magnétique en une déformation mécanique, exercée sur le transducteur électromécanique. Le récupérateur d'énergie comprend également un circuit de collecte des charges, relié aux bornes électriques du convertisseur par un interrupteur ; ce dernier est commandé pour basculer en 2 position fermée pour permettre la récupération de toutes les charges accumulées sur l'une des bornes électriques du convertisseur, dès que la différence de potentiel entre lesdites bornes électriques est supérieure à un seuil prédéterminé. 5 En fonctionnement, de tels générateurs émettent un cliquetis : cette onde sonore peut être un frein, voire même être rédhibitoire, pour certaines applications. 10 OBJET DE L'INVENTION Un objet de l'invention est de proposer une solution pour limiter voire éliminer l'onde sonore générée par les générateurs de l'état de la technique. 15 BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention concerne un générateur d'électricité 20 comprenant un convertisseur apte à convertir une variation d'une énergie à récupérer en une différence de potentiel entre deux bornes électriques par accumulation de charges sur l'une ou l'autre desdites bornes, et comprenant un support pour maintenir mécaniquement ledit convertisseur ; le convertisseur inclut un 25 empilement de couches avec au moins une première couche en un matériau piézoélectrique. Le générateur d'électricité est remarquable en ce qu'il comprend au moins un dispositif atténuateur positionné entre le convertisseur et le support, ledit dispositif comprenant un 30 matériau présentant des propriétés d'absorption acoustique. Selon des caractéristiques avantageuses du convertisseur selon l'invention, prises seules ou en combinaison : 3 - les propriétés d'absorption acoustique sont telles que le dispositif atténuateur capte et dissipe des vibrations acoustiques générées par un changement brutal d'état de contrainte de la première couche en matériau 5 piézoélectrique lors de la récupération des charges aux bornes électriques du convertisseur ; - les vibrations acoustiques sont comprises dans une bande de fréquence autour de 5 kHz ; - le support comprend un logement, présentant un fond et des 10 parois latérales, dans lequel est logé le convertisseur ; - un premier élément du dispositif atténuateur est disposé entre une première face de l'empilement de couches et le fond du logement ; - un deuxième élément du dispositif atténuateur est disposé 15 entre une tranche de l'empilement de couches et les parois latérales du logement ; - le convertisseur comporte une couche de connexion comprenant les deux bornes électriques, et une couche tampon disposée entre une seconde face de l'empilement de 20 couches et la couche de connexion, le matériau formant la couche tampon présentant des propriétés d'absorption acoustique ; - un troisième élément du dispositif atténuateur est disposé entre une tranche de la couche de connexion et les parois 25 latérales du logement ; - au moins un élément du dispositif atténuateur est un joint torique ; - le générateur d'électricité comprend un circuit de collecte connecté aux deux bornes électriques du convertisseur par 30 au moins un élément de liaison électrique apte à amortir les ondes acoustiques ; - l'élément de liaison électrique est un fil métallique ou une broche « pogo » ; 4 - au moins un élément du dispositif atténuateur est situé sur un point du convertisseur correspondant à un noeud de vibration, issu d'une compensation partielle ou totale des vibrations acoustiques ; 5 - le convertisseur est un convertisseur magnéto-électrique apte à convertir une variation d'une énergie magnétique en une différence de potentiel entre ses deux bornes électriques et dont l'empilement de couches comprend une deuxième couche en un matériau magnétostrictif. 10 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 15 ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 présente un schéma de principe d'un générateur d'électricité selon l'état de la technique ; 20 - les figures 2, 3, 4 et 5 présentent différents modes de réalisation d'un générateur d'électricité conforme à l'invention. 25 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Les figures représentent des exemples de réalisation et ne doivent en aucun cas être considérées comme limitatives quant à la forme ou l'agencement des différents éléments constituant 30 l'invention. Par ailleurs, pour des raisons de lisibilité, les figures ne sont pas nécessairement à l'échelle. Les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même nature. 5 L'invention concerne un générateur d'électricité 100 comprenant un convertisseur 10 apte à convertir une variation d'une énergie à récupérer en une différence de potentiel entre deux bornes électriques 11,12 par accumulation de charges sur 5 l'une ou l'autre desdites bornes 11,12. Le convertisseur 10 inclut un empilement de couches 9 avec au moins une première couche 1 en un matériau piézoélectrique : la déformation mécanique (du fait de la variation d'une énergie environnante) de cette première couche 1 induit la génération des charges qui 10 seront ensuite récupérées au sein du générateur d'électricité 100. L'empilement de couches 9 du convertisseur 10 peut être composé de plusieurs couches en différents matériaux, selon le 15 type de fonctionnement dudit convertisseur 10. En particulier, le convertisseur 10 peut être de type magnéto-électrique, apte à convertir une variation d'une énergie magnétique en une différence de potentiel entre ses deux bornes électriques 11,12 ; dans ce cas, comme décrit dans les documents de l'état 20 de la technique évoqués en introduction, l'empilement de couches peut comprendre une deuxième couche 2 en un matériau magnétostrictif, fixée à la première couche 1 en matériau piézoélectrique, selon le plan de référence de cette dernière et sans degré de liberté. 25 Une variation d'énergie magnétique induit la déformation de la deuxième couche 2 en matériau magnétostrictif, déformation qui est appliquée à la première couche 1 en matériau piézoélectrique solidaire de la deuxième couche 2 dans l'empilement 9. 30 La variation d'énergie magnétique vient habituellement du mouvement d'une source de champ magnétique 50, ladite source faisant partie du générateur électrique 100. Elle doit pouvoir opérer un mouvement relatif par rapport à l'empilement de couches 9 du convertisseur 10. 6 Dans l'exemple de générateur illustré sur la figure 1, le convertisseur 10 est formé par un empilement de couches présentant une forme circulaire dans le plan perpendiculaire à l'axe Z et la source de champ magnétique 50 présente une forme 5 annulaire et est apte à effectuer un mouvement de rotation autour de l'axe Z. A titre d'exemple, ce mouvement de rotation de la source d'énergie magnétique 50 peut être lié à la manipulation d'un bouton variateur (« dimmer ») par un utilisateur (par exemple, 10 pour la commande d'un luminaire) ou à la rotation d'une turbine dans un conduit d'aération. Afin de maintenir fixe le convertisseur 10 vis-à-vis de la source d'énergie magnétique 50, ce type de générateur 15 d'électricité 100 comprend habituellement un support mécanique 20. Ce support 20 pourra prendre différentes formes : dans tous les cas, il est adapté pour maintenir mécaniquement le convertisseur au sein du générateur 100. 20 La variation d'énergie à récupérer est convertie en charges par le convertisseur 10, lesquelles charges peuvent être récupérées par le générateur 100 grâce à un circuit 30 de collecte des charges, relié électriquement aux deux bornes 25 électriques 11,12 du convertisseur 10. Ce circuit de collecte 30 comprend habituellement un élément inductif (par exemple une bobine) et un interrupteur (par exemple mécanique, magnétique, électrostatique.") ; en position fermée, ce dernier permet l'écoulement des charges vers l'élément inductif, lequel est 30 connecté à une charge électrique capable de stocker de l'énergie électrique, telle qu'un condensateur. Cette énergie électrique peut être utilisée pour alimenter un composant électronique ; pour reprendre les exemples cités plus haut, ledit composant pourra commander l'allumage ou l'extinction d'un luminaire ou 7 encore la mesure, l'affichage ou l'enregistrement de paramètres du conduit d'aération. 5 Comme évoqué en introduction, la demanderesse a constaté qu'en fonctionnement, ces générateurs d'électricité 100 génèrent un cliquetis. S'il n'est pas dérangeant pour les applications de type « dimmer », ce son est beaucoup plus gênant lorsque le générateur d'électricité 100 est utilisé dans des conduits 10 d'aération de locaux habités. En effet, ce cliquetis audible par les utilisateurs des locaux constitue une réelle nuisance sonore. La demanderesse a mené différentes investigations pour 15 identifier l'origine de ce cliquetis. Différentes hypothèses ont été avancées, dont notamment l'effet de l'application très rapide d'une haute tension (issues de la différence de potentiel aux bornes 11,12 du convertisseur) sur l'élément inductif lors de l'ouverture de l'interrupteur du circuit de collecte 30 pour 20 la récupération des charges, générant une déformation des spires de la bobine ; une autre hypothèse était l'effet de la décharge très rapide de la première couche 1 de matériau piézoélectrique, générant un changement d'état de contrainte brutal dans le matériau. 25 C'est finalement cette deuxième hypothèse qui a été vérifiée. La demanderesse a établi que l'onde sonore venait des vibrations acoustiques, générées par le brusque changement d'état de contrainte de la première couche 1 de matériau 30 piézoélectrique, lors de la récupération des charges. La demanderesse a également mis en évidence que, dans la configuration du générateur d'électricité 100 selon l'état de la technique illustré sur la figure 1, les vibrations acoustiques sont transmises au support 20 qui se trouve en contact rigide 35 avec le convertisseur 10, ce qui vient amplifier le son. 8 Sur la base de ces observations, le générateur d'électricité 100 selon l'invention comporte donc au moins un dispositif atténuateur 40 positionné entre le convertisseur 10 et le support mécanique 20, ledit dispositif 40 comprenant un matériau 5 présentant des propriétés d'absorption acoustique (figure 2). Avantageusement, les propriétés d'absorption acoustique sont choisies de manière à ce que le dispositif atténuateur 40 capte et dissipe des vibrations acoustiques générées par le changement 10 brutal d'état de contrainte de la première couche 1 en matériau piézoélectrique lors de la récupération des charges aux bornes électriques 11,12 du convertisseur 10. La demanderesse a observé que, dans le cas d'un générateur 15 100 dont le convertisseur 10 présente une dimension de l'ordre de 13mm, les vibrations acoustiques étaient comprises dans une bande de fréquence, sensiblement centrée autour de 5 kHz. Les propriétés d'absorption acoustique du matériau formant le dispositif atténuateur 40 seront dans ce cas préférentiellement 20 choisies pour atténuer les vibrations acoustiques dans cette gamme de fréquences. Dans certaines configurations particulières du générateur d'électricité 100 selon l'invention, le support 20 comprend un 25 logement 21, présentant un fond 22 et des parois latérales 23, dans lequel est logé le convertisseur 10. Pour être maintenu dans le logement 21, le convertisseur doit être disposé contre le fond 22 du logement 21 et s'appuyer contre ses parois latérales 23. Dans le cas d'un convertisseur en forme de disque, 30 la présence d'un méplat au niveau de la tranche du convertisseur 10 et respectivement sur les parois latérales 23 du logement 21 évite tout mouvement en rotation du convertisseur 10 dans le logement 21. 9 Dans une telle configuration, le dispositif atténuateur 40 peut comprendre un premier élément 41 disposé entre une première face de l'empilement de couches 9 et le fond 22 du logement 21 (figure 3). Ce premier élément 41, formé par un matériau 5 présentant des propriétés d'absorption acoustique, permet de limiter la transmission des vibrations acoustiques sur le fond 22 du logement 21 du support mécanique 20. Avantageusement, le dispositif atténuateur 40 comprend 10 également un deuxième élément 42 disposé entre une tranche de l'empilement de couches 9 et les parois latérales 23 du logement 21. Lorsque le dispositif atténuateur 40 comprend le premier 41 et le deuxième 42 élément, l'empilement de couches 9 (incluant 15 la première couche 1 de matériau piézoélectrique) n'est pas en contact avec le support 20 par des liaisons mécaniques rigides mais par des liaisons « molles », aptes à absorber les vibrations acoustiques générées au cours du fonctionnement du générateur 100. 20 Selon un mode avantageux de mise en oeuvre, le convertisseur 10 comporte une couche de connexion 13 (figure 4). Cette couche de connexion 13 comprend préférentiellement les deux bornes 25 électriques 11,12 du convertisseur 10. La première couche 1 en matériau piézoélectrique comprend alors deux électrodes métalliques, sur lesquelles, alternativement, les charges s'accumulent quand la couche subit des déformations ; lesdites électrodes sont électriquement connectées aux deux bornes 30 électriques 11,12 via la couche de connexion 13. Le convertisseur 10 comprend avantageusement dans ce cas une couche tampon 14 disposée entre une seconde face de l'empilement de couches 9 du convertisseur 10 et la couche de connexion 13 : le matériau formant la couche tampon 14 présente des propriétés 35 d'absorption acoustique. Cette couche tampon 14 permet de 10 limiter la transmission des vibrations acoustiques de la première couche 1 de l'empilement 9 vers la couche de connexion 13. 5 Avantageusement, le dispositif atténuateur 40 comprend un troisième élément 43 disposé entre la tranche de la couche de connexion 13 et les parois latérales 23 du logement 21. Ce troisième élément 43 peut être présent en plus du premier 41 et 10 deuxième 42 élément ou à la place du deuxième élément 42 comme illustré sur la figure 4 ; ce dernier cas est en particulier mis en oeuvre lorsque seule la tranche de la couche de connexion 13 prend appui sur les parois latérales 23 du logement 21, l'empilement de couches 9 présentant des dimensions plus 15 réduites qui évitent tout contact avec lesdites parois latérales 23. Le dispositif atténuateur 40 sera avantageusement formé à partir d'un matériau tel que le silicone, le papier ou le 20 caoutchouc. Notons que le caoutchouc ne doit pas posséder d'élément conducteur tel que le carbone, pour ne par gêner le comportement électrique du générateur 100. A titre d'exemple, un (ou plusieurs) parmi les éléments 25 41,42,43 constituant le dispositif atténuateur 40 est (sont) formé(s) par un joint torique. Le joint torique quand il est utilisé pour constituer le premier élément 41 est disposé sur le fond 22 du logement 21, avant que la première face de l'empilement de couches 9 ne 30 vienne en contact avec ledit joint. Quand il est utilisé pour le deuxième 42 ou le troisième élément 43, le joint torique est plaqué contre la tranche circonférentielle de la première couche 2 ou de la couche de connexion 13 respectivement ; le tout est ensuite inséré en 35 force dans le logement 21, contre ses parois 23 circulaires. 11 La demanderesse a réalisé des mesures montrant une diminution du cliquetis de quelques dB(A) entre la configuration de générateur selon l'état de la technique (figure 1) et les différents modes de mise en oeuvre de l'invention : l'atténuation 5 du cliquetis étant la plus significative dans le cas du générateur 100 comprenant le premier 41 et le troisième 43 (ou le deuxième 42) élément (sous forme de joints toriques) du dispositif atténuateur 40. 10 Selon un mode de mise en oeuvre avantageux, le circuit de collecte 30 du générateur d'électricité 100 selon l'invention se présente sous la forme d'une carte de circuit imprimé. La demanderesse a mis en évidence que la transmission des 15 vibrations acoustiques à des composants rigides du générateur 100, autres que le support mécanique 20, tels que par exemple la carte du circuit de collecte 30 était susceptible d'amplifier le son. 20 Ainsi, selon l'invention, le circuit de collecte 30 est préférentiellement connecté aux deux bornes électriques 11,12 du convertisseur 10 par au moins un élément de liaison électrique 31 apte à amortir les ondes acoustiques. 25 L'élément de liaison électrique 31 pourra avantageusement être une broche « pogo ». C'est un type de broches utilisé en électronique pour établir un contact électrique entre deux circuits imprimés. Une broche « pogo » est habituellement composée de deux cylindres coulissants contraints l'un contre 30 l'autre par un ressort interne. Cette liaison élastique permet d'amortir au moins partiellement des vibrations acoustiques résiduelles, transmises de la première couche 1 à la couche de connexion 13, et évite leur répercussion directe sur le circuit de collecte 30. 35 12 Alternativement, la liaison électrique entre les bornes électriques 11,12 de la couche de connexion 13 et le circuit de collecte 30 est réalisée par liaison filaire (fils métalliques 32). Dans ce cas, le dispositif atténuateur 40 peut comporter un 5 quatrième élément 44 disposé entre la couche de connexion 13 et le circuit de collecte 30, qui permet d'établir une liaison mécanique non rigide entre les deux composants, apte à absorber des vibrations acoustiques résiduelles. 10 Selon un mode de mise en oeuvre particulier de l'invention, au moins un élément 41,42,43 du dispositif atténuateur 40 positionné entre le convertisseur 10 et le support 20 est situé sur un point du convertisseur correspondant à un noeud de 15 vibration. Un tel noeud de vibration a pour origine une compensation partielle ou totale des vibrations acoustiques, localement à la surface de la première couche 1. Il pourra potentiellement exister plusieurs noeuds de vibration à la surface de la première couche 1. 20 Positionné sur le ou les noeud(s) de vibration, le dispositif atténuateur 40, qui établit le contact mécanique entre le convertisseur 10 et le support 20 n'aura que peu, voire pas du tout, de vibrations acoustiques à dissiper lors du changement brutal d'état de contrainte de la première couche 1 accompagnant 25 la récupération des charges. Les noeuds de vibration peuvent être déterminés par simulation ou expérimentalement, par exemple à partir d'une mesure des vibrations par un interféromètre à balayage. 30 Notons que, positionné sur un noeud de vibration, le dispositif atténuateur 40 pourrait même être formé dans un matériau dont les propriétés d'absorption acoustique sont médiocres. 13 Selon un autre aspect de l'invention, la liaison mécanique entre le convertisseur 10 et le support 20 pourrait donc être purement rigide, sans dispositif atténuateur 40, à condition que ladite liaison rigide soit uniquement localisée sur un point (ou 5 plusieurs points) du convertisseur 10 correspondant à un noeud de vibration (ou plusieurs noeuds de vibration). Comme énoncé précédemment, la demanderesse a observé que, 10 dans le cas d'un générateur 100 dont le convertisseur 10 en forme de disque présente un diamètre de l'ordre de 13mm, les vibrations acoustiques pouvaient être comprises dans une bande de fréquence, sensiblement centrée autour de 5 kHz. Elle a également observé que la fréquence des vibrations 15 acoustiques variait en fonction de la taille du convertisseur 10. En particulier, avec la diminution du diamètre du convertisseur 10, ladite fréquence augmente. La demanderesse a ainsi mis en évidence qu'un convertisseur 10 présentant un diamètre inférieur ou égal à 6mm n'émet plus 20 d'onde sonore lors de sa décharge. Il est considéré dans un tel cas que la fréquence des vibrations acoustiques se situe au-delà des fréquences audibles par l'homme, soit au-delà de 20kHz, dans la gamme des ultra-sons. 25 Selon un autre aspect de l'invention, le générateur d'électricité 100 comprend donc un convertisseur 10, apte à convertir une variation d'une énergie à récupérer en une différence de potentiel entre deux bornes électriques par accumulation de charges sur l'une ou l'autre desdites bornes, le 30 convertisseur 10 incluant un empilement de couches 9 avec au moins une première couche 1 en un matériau piézoélectrique et présentant des dimensions déterminées de manière à contrôler la fréquence des vibrations acoustiques générées par la décharge brutale dudit convertisseur 10 dans le circuit de collecte 30. 14 Avantageusement, le convertisseur 10 présente des dimensions inférieures à 6mm ; il pourra être mis en oeuvre sous forme de disque (diamètre REVENDICATIONS1. Générateur d'électricité (100) comprenant un convertisseur (10) apte à convertir une variation d'une énergie à récupérer en une différence de potentiel entre deux bornes électriques (11,12) par accumulation de charges sur l'une ou l'autre desdites bornes (11,12), et comprenant un support (20) pour maintenir mécaniquement ledit convertisseur (10) ; le convertisseur (10) incluant un empilement de couches (9) avec au moins une première couche (1) en un matériau piézoélectrique ; Le générateur d'électricité (100) étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif atténuateur (40) positionné entre le convertisseur (10) et le support (20), ledit dispositif (40) comprenant un matériau présentant des propriétés d'absorption acoustique. 2. Générateur d'électricité (100) selon la revendication précédente, dans lequel les propriétés d'absorption acoustique sont telles que le dispositif atténuateur (40) capte et dissipe des vibrations acoustiques générées par un changement brutal d'état de contrainte de la première couche (1) en matériau piézoélectrique lors de la récupération des charges aux bornes électriques (11,12) du convertisseur (10). 3. Générateur d'électricité (100) selon la revendication précédente, dans lequel les vibrations acoustiques sont comprises dans une bande de fréquence autour de 5 kHz. 4. Générateur d'électricité (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le support (20) comprend un logement (21), présentant un fond (22) et des parois latérales (23), dans lequel est logé le convertisseur (10). 16 5. Générateur d'électricité (100) selon la revendication précédente, dans lequel un premier élément (41) du dispositif atténuateur (40) est disposé entre une première 5 face de l'empilement de couches (9) et le fond du logement (22). 6. Générateur d'électricité (100) selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel un deuxième élément 10 (42) du dispositif atténuateur (40) est disposé entre une tranche de l'empilement de couches (9) et les parois latérales du logement (23). 7. Générateur d'électricité (100) selon l'une des 15 revendications précédentes, dans lequel le convertisseur (10) comporte une couche de connexion (13) comprenant les deux bornes électriques (11,12), et une couche tampon (14) disposée entre une seconde face de l'empilement de couches (9) et la couche de connexion (13), le matériau formant la 20 couche tampon (14) présentant des propriétés d'absorption acoustique. 8. Générateur d'électricité (100) selon la revendication précédente, dans lequel un troisième élément (43) du 25 dispositif atténuateur (40) est disposé entre une tranche de la couche de connexion (13) et les parois latérales (23) du logement (21). 9. Générateur d'électricité (100) selon l'une des 30 revendications précédentes, dans lequel au moins un élément (41,42,43) du dispositif atténuateur (40) est un joint torique. 10. Générateur d'électricité (100) selon l'une des 35 revendications précédentes, comprenant un circuit de 17 collecte (30) connecté aux deux bornes électriques (11,12) du convertisseur (10) par au moins un élément de liaison électrique (31) apte à amortir les ondes acoustiques. 5 11. Générateur d'électricité (100) selon la revendication précédente, dans lequel l'élément de liaison électrique (31) est un fil métallique ou une broche « pogo ». 12. Générateur d'électricité (100) selon la revendication 10 2, dans lequel au moins un élément (41,42,43) du dispositif atténuateur (40) est situé sur un point du convertisseur (10) correspondant à un noeud de vibration, issu d'une compensation partielle ou totale des vibrations acoustiques. 15 13. Générateur d'électricité (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le convertisseur (10) est un convertisseur magnéto-électrique apte à convertir une variation d'une énergie magnétique en une 20 différence de potentiel entre ses deux bornes électriques (11,12) et dont l'empilement de couches (9) comprend une deuxième couche (2) en un matériau magnétostrictif. 25