Brevet FR3082072A1 — publié le 20191206

Description Titre de l'invention : Récupérateur d'énergie vibratoire [moi] Domaine [0002] La présente description concerne de façon générale les récupérateurs d'énergie et, plus particulièrement, les dispositifs de récupération d'énergie vibratoire, adaptés à produire de l'électricité à partir de vibrations mécaniques. La présente description s'applique notamment à la production d'électricité par des équipements susceptibles de vibrer, par exemple des gaines de climatisation d'un bâtiment, des ordinateurs en fonctionnement, des machines industrielles, des moteurs, des véhicules, des infrastructures de transport, etc. [0003] Exposé de l'art antérieur [0004] On sait depuis longtemps qu'il est possible de récupérer de l'électricité à partir de vi- brations d'un système mécanique. Certains convertisseurs mécano-électriques ou récupérateurs vibratoires utilisent des éléments piézoélectriques pour convertir une énergie mécanique provenant des vibrations en électricité. [0005] Un exemple de générateur électrique à récupération d'énergie de vibrations mé- caniques est décrit dans le document WO A 2011/073591 (B9966PCT). [0006] Résumé [0007] Il existe un besoin d'amélioration des convertisseurs mécano-électriques en termes d'industrialisation. [0008] Il existe également un besoin d'amélioration des générateurs électriques à récu- pération d'énergie de vibrations mécaniques en termes de fiabilité. [0009] Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des récupérateurs d'énergie vibratoire usuels. [0010] Un mode de réalisation prévoit un dispositif de récupération d'énergie mécanique vi- bratoire comportant un ensemble de lames ressort entre deux points, et au moins deux masses respectivement de part et d'autre de l'ensemble de lames, dans lequel l'ensemble de lames est mis en flambage entre les deux points par rapprochement des masses l'une vers l'autre. [0011] Selon un mode de réalisation, l'ensemble de lames comporte une portion centrale entre deux bras d'extrémité, la portion centrale comportant deux bras centraux respectivement associés aux deux masses. [0012] Selon un mode de réalisation, chaque bras central est fixé, en son milieu, à la masse à laquelle il est associé. [0013] Selon un mode de réalisation, chaque masse comporte une plaque dont un bord est fixé, par une partie en saillie, à un des bras centraux. [0014] Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte au moins un dispositif de 2 conversion mécano-électrique entre une extrémité de l'ensemble de lames et l'un desdits points. [0015] Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte au moins un dispositif de conversion mécano-électrique à chaque extrémité de l'ensemble de lames. [0016] Selon un mode de réalisation, chaque dispositif de conversion comporte un élément piézoélectrique dans une direction approximativement perpendiculaire à la direction de l'ensemble de lames. [0017] Selon un mode de réalisation, chaque dispositif de conversion comporte une armature en forme de double arceau, les milieux des arceaux étant reliés respectivement à une extrémité de l'ensemble de lames et à l'un des points. [0018] Selon un mode de réalisation, lesdits points font partie de deux bords opposés d'un cadre à l'intérieur duquel sont logés l'ensemble de lames et les masses. [0019] Un mode de réalisation prévoit un système de production d'électricité comportant un équipement soumis à des vibrations mécaniques et un dispositif de récupération d'énergie mécanique vibratoire. [0020] Selon un mode de réalisation, le dispositif est fixé à l'équipement. [0021] Bref exposé des dessins [0022] Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : [0023] [fig.1] (figure 1) est une vue très schématique illustrant le principe de fonctionnement d'un générateur électrique de récupération d'énergie mécanique de vibration, de type bistable ; [0024] [fig.2] (figure 2) est une vue en plan très schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif de récupération d'énergie vibratoire et de conversion en énergie électrique en situation monostable ; [0025] [fig.31 (figure 3) est une vue en plan très schématique du dispositif de la figure 2, en situation bistable ; [0026] [fig.4] (figure 4) est une vue partielle en perspective d'un ensemble de lames ressort du dispositif des figures 2 et 3 ; [0027] [fig.51 (figure 5) représente, de façon très schématique, une vue agrandie et partielle d'un autre mode de réalisation d'un ensemble de lames d'un dispositif de récupération d'énergie ; et [0028] [fig.61 (figure 6) illustre, de façon schématique, un mode de réalisation d'un convertisseur mécano-électrique adapté aux modes de réalisation de récupérateurs d'énergie décrits. Description des modes de réalisation 3 [0029] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. [0030] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, le système, équipement, dispositif ou environnement, fournissant l'énergie vibratoire (les vibrations) n'a pas été détaillé, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les sources usuelles de vibrations dans des applications de conversion en énergie électrique. De plus, l'utilisation faite de l'énergie électrique récupérée n'a pas non plus été détaillée, les modes de réalisation décrits étant, là encore, compatibles avec les applications usuelles des récupérateurs d'énergie et de conversion en électricité. [0031] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés ou fixés entre eux, cela signifie directement reliés sans éléments intermédiaires autre qu'un liant de type colle, soudure ou vissage, et lorsque l'on fait référence à deux éléments associés ou couplés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être directement reliés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments. [0032] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures. [0033] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sen- siblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. [0034] La figure 1 est une vue très schématique illustrant le principe de fonctionnement d'un générateur électrique l' de récupération d'énergie mécanique de vibration, de type bis table. [0035] Le générateur l' comprend un boîtier de support et de protection 2', de forme générale parallélépipédique, adapté à être monté sur une surface vibrante 6'. Dans cet exemple, les vibrations extérieures sont susceptibles d'exercer, sur le boîtier 2', une excitation dont l'effet peut être représenté schématiquement par une force d'orientation Fext. Le boîtier 2' contient une lame ressort 3' dont les deux extrémités s'appuient, en compression, sur deux faces latérales opposées du boîtier. Les deux points d'appui de la lame 3' sur le boîtier 2' sont placés selon un axe sensiblement orthogonal à l'orientation Fext des vibrations. Une masse 4' est fixée à la lame 3', sensiblement en son milieu. La lame 3', en compression entre ses deux extrémités, et la masse 4', définissent un système non linéaire, ou bistable, qui peut, sous l'effet des vibrations ex- 4 térieures, passer de l'une à l'autre de deux positions d'équilibre stable (représentées respectivement en trait plein et en traits pointillés sur la figure). Ce système peut également osciller autour de chacune des deux positions d'équilibre. Un convertisseur mécano-électrique (non représenté), de type piézoélectrique, est prévu pour convertir le mouvement de la lame 3' et de la masse 4', en énergie électrique. [0036] La figure 2 est une vue en plan très schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif 1 de récupération d'énergie vibratoire et de conversion en énergie électrique en situation monostable, avant mise en service. [0037] La figure 3 est une vue en plan très schématique du dispositif 1 de la figure 2, en situation bistable, pour mise en service. [0038] Pour simplifier la description des figures 2 et 3, on ne se préoccupe pas de l'équipement fournissant les vibrations du système dans lequel est inclus le dispositif de récupération d'énergie. [0039] Selon les modes de réalisation décrits, le dispositif 1 de récupération d'énergie comporte un boîtier support pourvu d'un cadre rigide 2. Le boîtier est par exemple refermé par deux plaques (non représentées), de part et d'autre du cadre 2, afin de protéger l'intérieur de la poussière ou autre. [0040] Un ensemble 3 de lames ressort constitue le mécanisme de récupération de l'énergie vibratoire. L'ensemble 3 est monté entre deux dispositifs 5 de conversion d'énergie. Chacun des dispositifs 5 s'appuie sur une de deux faces latérales 22 et 24 opposées du boîtier, directement ou par l'intermédiaire d'un élément de liaison. Les deux points d'appui 225 et 245 de la structure obtenue (ensemble 3 plus dispositifs 5) sur le cadre 2 sont placés selon un axe sensiblement orthogonal à l'orientation Fext attendue des vibrations. [0041] Une particularité de ce système est qu'il peut être contraint vers une situation d'élongation de façon à le basculer d'une situation monostable (rectiligne) à une situation bistable (flambée). [0042] Plus précisément, l'ensemble de lames 3 comporte deux bras de lame d'extrémité 31 et 33, chacun relié à un dispositif de conversion d'énergie 5. Les bras 31 et 33, dont les extrémités distales sont reliées aux dispositifs 5, ont leurs extrémités proximales reliées, de préférence directement, à une portion centrale 35 de l'ensemble 3. Cette portion centrale 35 comporte deux bras centraux de lame 352 et 354, reliés (de préférence fixés directement) chacun à au moins une masse 41, 43. Les bras 352 et 354 sont, dans l'exemple des figures 2 et 3, approximativement parallèles entre eux. Les bras 352 et 354 sont, dans cet exemple, reliés aux bras 31 et 33, par des portions 32 et 34 de lames perpendiculaires aux bras 352 et 354. Dans l'exemple représenté, chaque bras 352, 354 est associé à une masse, respectivement 41, 43, en forme générale de plaque 412, 432. Les plaques 412 et 432 sont approximativement coplanaires, de préférence coplanaires, l'une avec l'autre. Elles s'inscrivent de préférence dans un plan, approximativement perpendiculaire, de préférence perpendiculaire, aux lames et à tous les côtés du cadre 2. Les masses 41 et 43 sont de préférence identiques afin de respecter la symétrie de l'ensemble. [0043] En position désactivée ou inactive (figure 2), avant mise en service ou issue de fa- brication, les bras 352 et 354 de l'ensemble de lames 3 sont, dans l'exemple des figures 2 et 3, alignés ou parallèles entre eux. De même, les portions 32 et 34 sont rectilignes et parallèles entre eux. Ainsi, les masses 41 et 43 qui sont fixées aux bras 352 et 354 de la portion centrale 35 sont écartées l'une de l'autre. [0044] Dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, on suppose que les bras 352 et 354 sont plus épais que les portions 32 et 34. [0045] L'activation du dispositif 1 s'effectue en contraignant les bras 352 et 354 de la portion centrale 35 l'un vers l'autre, donc les masses 41 et 43 l'une vers l'autre. Comme les portions 32 et 34 sont plus fines que les bras 352 et 354, les bras ne se déforment pas et restent parallèle l'un à l'autre. Cela a pour effet de déformer (d'allonger) les portions 32 et 34 vers l'extérieur (vers les dispositifs 5), donc d'allonger l'ensemble de lames 3, ce qui provoque un flambement (ou flambage) à l'intérieur du cadre 2 sans avoir à déformer le cadre. Ce flambement rend le système bistable avec deux positions stables de part et d'autre de la position médiane ou inactive (figure 2). Une fois les masses 41 et 43 contraintes l'une vers l'autre, donc la structure mise en flambement, la position médiane n'est plus une position stable. [0046] Selon une variante qui sera illustrée par la suite en relation avec, la figure 5, les portions 32 et 34 sont plus épaisse que les bras 352 et 354. Un effet similaire d'allongement de l'ensemble de lames est alors obtenu par déformation des bras. [0047] Ainsi, à la différence des systèmes usuels où le caractère bistable est obtenu en apportant une contrainte sur le cadre, les modes de réalisation décrits prévoient d'intervenir sur l'ensemble de lames à ressort lui-même. [0048] Un avantage est que cela rend le système plus fiable dans une réalisation industrielle. En effet, un dispositif 1 peut être fixé à l'équipement vibrant du système sans se préoccuper d'un quelconque réglage du flambage réalisé, ce dernier étant réalisé à l'intérieur du cadre 2. [0049] De plus, il est ainsi possible de concevoir, et même le cas échéant de monter, le dispositif 1 sur l'équipement auquel il est destiné sans contrainte, c'est-à-dire dans une situation monostable (figure 2), et de ne le mettre en service qu'ultérieurement en provoquant le rapprochement des bras centraux 352 et 354 de l'ensemble de lames à ressort 3. [0050] La figure 4 est une vue partielle en perspective d'un ensemble de lames ressort du dispositif des figures 2 et 3. 6 [0051] Selon un mode de réalisation préféré, chaque masse 41, 43 comporte, en saillie du bord de la plaque 412, 432, proximal des bras 352 et 354, une patte 414, 434 perpendiculaire à ce bord et aux bras 352 et 354. Les pattes 414 et 434 se font face et sont destinées à venir bout à bout l'une contre l'autre en position active (figure 3). Elle constitue en quelques sorte une butée à la mise en flambage. [0052] De préférence, la portion centrale 35 de l'ensemble de lames comporte, de part et d'autre des pattes 414 et 434, des portions 356 et 358 en saillie vers l'extérieur de l'ensemble, c'est-à-dire vers les plaques respectives 412 et 432. Le rôle de ces portions 356 et 358 est de constituer des butées portant, lorsque le système est en position de flambage contre les bords (les tranches) des plaques 412 et 432 en regard, et ainsi d'éviter la rotation des masses 41 et 43, dans le plan des plaques 412 et 432 lors d'une sollicitation rectiligne. [0053] Dans l'exemple illustré par la figure 4, les butées 356 et 358 sont situées entre les portions 32 et 34 et les pattes 414 et 434. Dans l'exemple des figures 2 et 3, les butées 356 et 358 sont constituées par les extrémités des portions 32 et 34 qui dépassent des bras 352 et 354. [0054] Selon un exemple de réalisation, la mise en flambage s'effectue en vissant les pattes 414 et 434 l'une à l'autre (par exemple à travers des orifices 416 et 436 alignés pour rapprocher les masses 41 et 43 l'une vers l'autre. Les pattes 414 et 434 ne sont toutefois pas en contact en situation de flambage. [0055] Dans l'exemple de la figure 4, on a illustré arbitrairement des plaques 41 et 43 plus fines que les bras 352 et 354. Toutefois, en pratique, ces plaques peuvent être de même épaisseur, voire plus épaisses que les bras 352 et 354. En effet, on recherche généralement à maximiser le poids des masses pour accroitre les effets du convertisseur. [0056] La figure 5 représente, de façon très schématique, une vue agrandie et partielle d'un autre mode de réalisation de la portion centrale 35 d'un ensemble de lames 3 d'un dispositif de récupération d'énergie. [0057] La figure 5 représente le système avant flambage, c'est-à-dire dans une position mo- nostable centrale telle qu'illustrée par la figure 2. [0058] Selon cet exemple, la portion centrale 35 comporte, de part et d'autre des pattes 414 et 434 des masses 41 et 43, des bras centraux 353, respectivement 355, reliant ces pattes à des portions 32 et 34 (seule la portion 32 est visible en figure 5) de liaison aux bras 31 et 33 (seul le bras 31 est visible en figure 5). Les bras 353 et 355 décrivent, en position inactive, un losange, c'est-à-dire que les extrémités de deux bras 31 et 33 en regard sont, côté pattes 414, respectivement 434, plus éloignées l'une de l'autre que côte portion 32, 34. Les bras 353 et 355 ne sont donc pas parallèle entre eux en position inactive. Selon ce mode de réalisation, les portions 32 et 34 sont plus épaisses que les bras 353 et 355. La mise en flambage de la structure (flèches en figure 5) 7 s'effectue en rapprochant les pattes 414 et 434, donc les plaques 412 et 432, l'une vers l'autre, jusqu'à ce que les tranches des plaques viennent en butées contre les extrémités des portions 32 et 34, les pattes 414 et 434 restant avec un jeu entre elles. Cela provoque un allongement de l'ensemble de lames et, comme le cadre 2 est rigide, un flambage de l'ensemble de lames 3. [0059] Chaque dispositif 5 de conversion d'énergie comporte un élément piézoélectrique 52 contraint, dans les modes de réalisation représentés, par une armature, généralement désignée flextenseur, ici en forme de double arceau 54, 56, ou de losange. [0060] La figure 6 est une vue agrandie d'un mode de réalisation d'un dispositif 5 de conversion d'énergie adapté aux modes de réalisation de récupérateurs d'énergie décrits. [0061] Le milieu des arceaux 54 et 56 est relié, pour l'un, à l'une 31 ou 33 des lames d'extrémité de l'ensemble de lames 3 et, pour l'autre, au bord respectivement 22, 24 du cadre 2, de préférence par l'intermédiaire d'un bras terminal 37, respectivement 39. Les extrémités des arceaux 54 et 56 sont fixées aux extrémités de l'élément piézoélectrique 52 (par exemple, un empilement de plaques piézoélectriques interdigitées, un barreau piézoélectrique ou tout autre structure piézoélectrique adaptée). Les liaisons 545 et 565 des milieux des arceaux 54 et 56 aux lames 31 et 37, respectivement 33 et 39, sont par exemple rigides (collage ou soudure), ou réalisées par l'intermédiaire de liaisons pivot. Les électrodes d'extrémité de l'élément piézoélectrique 52 sont reliées, par des fils conducteurs 58 traversant le cadre 2, à des circuits électriques/électroniques (non représentés) de mise en forme du signal électrique récupéré. [0062] L'effet piézoélectrique est obtenu en déformant (écrasant, relâchant) les arceaux 54 et 56 depuis leurs parties médianes (liaisons 545 et 565), ce qui provoque une contrainte (extension, compression) de l'élément piézoélectrique 52 et génère de l'électricité. En figure 6, des flèches illustrent les contraintes lors du passage du système par la position médiane (instable). L'élément piézoélectrique 52 est contraint en extension sous l'effet d'un rapprochement des points 545 et 565 l'un vers l'autre qui provoque une élongation de l'armature. [0063] On note que la direction active de l'élément piézoélectrique 52 est approxima- tivement perpendiculaire à la direction de l'ensemble de lames 3, donc approximativement parallèle à la direction des vibrations. [0064] On aurait pu penser intercaler, dans l'alignement d'une lame ressort, un élément pié- zoélectrique. Toutefois cela engendrerait des contraintes trop importantes en torsion sur celui-ci. Un avantage des dispositifs de conversion décrits est que l'élément piézoélectrique 52 est protégé, les arceaux 54 et 56 conférant une forme de cadre en losange non carré dans une diagonale duquel est fixé l'élément (par exemple le barreau) piézoélectrique 52. 8 [0065] La cinématique du dispositif 1 en fonctionnement est la suivante. Partant d'une des deux positions stables, par exemple celle illustrée en traits pleins en figure 3, un déplacement de l'ensemble de lames et des masses vers l'autre position stable (trait pointillé symbolisant la position de l'ensemble de lames) engendre un écrasement des arceaux 54 et 56 des dispositifs 5 de conversion pour passer la position médiane, d'où un allongement des éléments piézoélectriques 52, ce qui provoque la génération d'électricité. Le système se relâche en arrivant à l'autre position stable. Le cadre 2 est fixé rigidement, par exemple vissé ou collé) à l'équipement vibrant (6', figure 1). Les vibrations provoquent une oscillation du système entre les deux positions stables, donc la génération d'électricité. [0066] Un avantage des modes de réalisation décrits est qu'ils permettent de ne pas in- tervenir sur le cadre boîtier 2 afin de flamber le système à lames. Cela facilite les montages des récupérateurs d'énergie sur les équipements produisant des vibrations. [0067] Un autre avantage est qu'en mettant en flambage l'ensemble de lames 3 par une contrainte en son centre, on conserve la symétrie du système, ce qui favorise un fonctionnement oscillant entre les deux positions stables. [0068] Bien que l'on ait exposé une réalisation préférée à deux dispositifs de conversion de part et d'autre de l'ensemble de lames, ce qui préserve la symétrie du dispositif, on peut prévoir un seul dispositif 5 à une extrémité de l'ensemble de lames, l'autre extrémité étant reliée directement au cadre 2. [0069] Selon une autre variante, on prévoit deux dispositifs ou plus entre une extrémité de l'ensemble de lames 3 et le cadre 2. [0070] On a fait référence à un cadre 2 car, dans la plupart des applications, ce cadre participe à la définition d'un boîtier pouvant être refermé avec deux plaques de part et d'autre du cadre. Toutefois, d'un point de vue fonctionnel, ce qui importe est que les deux côtés (les deux petits côtés 22 et 24 dans l'exemple représenté) ou points 225 et 245 entre lesquels s'étend la structure de lames 3 ne soient pas déformés pour mettre l'ensemble de lames en flambage. Ainsi, ces points 225 et 245 sont fixes. [0071] A titre d'exemple, les bras de lame peuvent être formés à partir d'un ruban d'acier de largeur de l'ordre de 5 à 50 mm, par exemple de l'ordre de 20 mm, et d'épaisseur de l'ordre de 100 à 500 pm, par exemple de l'ordre de 200 pm. L'ensemble de lames 3 peut avoir, entre les deux dispositifs de conversion 5, une longueur de 5 à 20 cm, par exemple de l'ordre de 10 cm. Les masses 41 et 43 peuvent avoir chacune un poids de l'ordre de 10 à 250 g, par exemple de l'ordre de 50 g. Les masses 41 et 43 peuvent être fixées aux bras 352 et 354 (ou 353 et 355) par collage, soudure, vissage, ou tout autre moyen adapté. Bien entendu, les dimensions ci-dessus ne sont données qu'à titre d'exemple. En pratique, les dimensions du système peuvent être comprises entre quelques dixièmes de mm et quelques dizaines de cm. 9 [0072] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. Ces divers modes de réa- lisation et variantes sont combinables et d'autres variantes apparaitront à l'homme de l'art. En particulier, d'autres géométries de cadre 2 pourront être prévues. De plus, si en principe, la structure sera mise en flambage en fin d'assemblage une fois pour toute, on peut prévoir une mise en flambage réversible permettant d'écarter les masses (par exemple par dévissage), soit pour mettre le récupérateur au repos, soit lors d'opérations de maintenance. Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus, en particulier pour ce qui est de dimensions à donner aux différents éléments en fonction de l'application. 10