Brevet FR3082073A1 — 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 une structure à lames ressort bistable dans un cadre, et une liaison glissière au niveau d'une paroi du cadre entre ladite structure et au moins un dispositif de conversion mécano-électrique externe au cadre. [0011] Selon un mode de réalisation, ladite liaison glissière est obtenue par un élément coulissant dans ladite paroi et reliant ladite structure audit dispositif de conversion. [0012] Selon un mode de réalisation, ladite liaison glissière est obtenue par une déformation de ladite paroi entre ladite structure et ledit dispositif de conversion. [0013] Selon un mode de réalisation, le dispositif de conversion est relié à un point fixe par rapport au cadre. [0014] Selon un mode de réalisation, au moins une masse est fixée en partie centrale de la structure à lames. [0015] Selon un mode de réalisation, la structure à lames comporte deux lames parallèles. 2 [0016] Selon un mode de réalisation, la structure à lames est mise en flambage entre le cadre et ladite liaison glissière. [0017] Selon un mode de réalisation, le dispositif de conversion comporte un élément piézo- électrique dans une direction approximativement perpendiculaire à la direction de la structure à lames. [0018] Selon un mode de réalisation, le dispositif de conversion comporte une armature en forme de double arceau, les milieux des arceaux étant reliés respectivement à la liaison glissière et au point fixe. [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 ; [0025] [fig.31 (figure 3) est une vue en perspective schématique et partielle d'un mode de réalisation d'une liaison glissière d'une structure à lames à un dispositif de conversion mécano-électrique ; [0026] [fig.4] (figure 4) est une vue en plan très schématique d'un autre mode de réalisation d'un dispositif de récupération d'énergie vibratoire et de conversion en énergie électrique ; [0027] [fig.51 (figure 5) est une vue en perspective schématique et partielle d'un autre mode de réalisation d'une liaison glissière d'une structure à lames à un dispositif de conversion mécano-électrique ; et [0028] [fig.61 (figure 6) est une vue agrandie d'un mode de réalisation d'un dispositif de conversion d'énergie adapté aux modes de réalisation de récupérateurs d'énergie décrits. [0029] Exposé détaillé des modes de réalisation [0030] 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. 3 [0031] 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. [0032] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés ou fixés entre eux, cela signifie directement reliés sans élément intermédiaire 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. [0033] 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. [0034] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sen- siblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. [0035] 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. [0036] 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' d'un équipement susceptible de vibrer. 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 extérieures, 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 4 énergie électrique. [0037] 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. [0038] Selon les modes de réalisation décrits, le dispositif 1 de récupération d'énergie comporte un boîtier support pourvu d'un cadre rigide 2, formé de parois 22, 24, 26, 28. 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. [0039] Une structure à lames ressort 3 bistable, associée à au moins une masse 4, constitue le mécanisme de récupération de l'énergie vibratoire. La structure à lames ressort peut-être du type de celle illustrée par la figure 1 ou tout autre structure. Un autre exemple de structure sera décrit par la suite en relation avec la figure 3. [0040] Une extrémité de la structure à lames 3 est fixée à un côté 22 du cadre (point 23). L'autre extrémité de la structure 3 est reliée à un élément 8, monté en translation à travers la paroi opposée 24 du cadre 2. Cet élément 8 est destiné à coulisser à travers la paroi 24 dans une direction approximativement parallèle à la direction médiane de la structure 3 bistable. [0041] L'élément 8 relie, de façon rigide, la structure à lames 3 à un dispositif 5 de conversion d'énergie mécano-électrique. Le dispositif 5 comporte un élément piézoélectrique 52 contraint, dans l'exemple représenté, par une armature, généralement désignée flextenseur, ici en forme de double arceau 54, 56, ou de losange. Le dispositif 5 est, du côté opposé à l'élément 8, relié à un point fixe 72, par exemple d'un châssis 7, par rapport à la paroi 22 du cadre 2. En d'autres termes, la distance entre l'extrémité de la structure à lames 3 et le point 72 est constante. Cela permet de préserver le fonctionnement bistable du récupérateur malgré la liaison coulissante à travers la paroi 24. Par exemple, le châssis 7 fait partie d'un deuxième cadre relié rigidement au cadre 2. [0042] Ainsi, on prévoit de placer le dispositif de conversion 5, à base d'élément piézo- électrique, à l'extérieur du cadre boîtier 2. Un avantage est que cela évite un passage de fils conducteurs 58 à travers les parois du cadre. [0043] La figure 3 est une vue en perspective schématique et partielle d'un mode de réa- lisation d'un élément 8 coulissant de liaison glissière d'une structure à lames 3 à un dispositif 5. La figure 3 illustre également un autre mode de réalisation de la structure à lames 3 par rapport à celui de la figure 2. [0044] Selon ce mode de réalisation, la structure 3 est constituée de deux lames 32 et 34 pa- rallèles entre elles. La masse 4 est fixée aux deux lames dans leur milieu. Un avantage d'une structure à double lame est que cela évite une torsion de la structure à lames et contraint le sens d'oscillation. [0045] Selon le mode de réalisation représenté en figure 3, l'élément 8 a la forme d'une plaque disposée perpendiculairement aux lames 32 et 34. L'élément 8 est monté à cou- lis sement dans une lumière 242 du bord 24 du cadre pour être relié au dispositif 5. [0046] Un avantage de ce mode de réalisation est que l'on évite une torsion du système. [0047] Le mode de réalisation de la figure 3 (élément 8 en forme de plaque) peut également être mis en oeuvre avec une seule des lames 32 et 34. [0048] Selon un autre mode de réalisation, l'élément 8 est une tige cylindrique monté à cou- lissement dans la paroi 24. De préférence, pour éviter toute torsion de la structure à lames 3, on préférera alors une tige de section ovale à une tige de section ronde. [0049] Tout autre type de liaison glissière d'un point de vue cinématique (en translation dans l'axe de la structure à lames 3) sans rotation (afin d'éviter une torsion de la structure bistable 3) peut convenir. [0050] La figure 4 est une vue en plan très schématique d'un autre mode de réalisation d'un dispositif 1 de récupération d'énergie vibratoire et de conversion en énergie électrique. [0051] Par rapport au mode de réalisation de la figure 2, la liaison glissière entre la structure à lames 3 et le dispositif 5 de conversion d'énergie électrique n'est pas coulissante, mais est obtenue par une paroi 24' souple entre la structure à lames 3 et le dispositif 5. Dans l'exemple de la figure 4, cela est schématisé par une paroi 24' plus fine que les autres parois 22, 26 et 28 du cadre boîtier 2. Toutefois, le même effet peut par exemple être obtenu avec une paroi 24' en un matériau différent. La structure à lames 3 d'un côté et un élément 8' de liaison du dispositif 8 à la paroi 24' portent, dans ce mode de réalisation, directement contre la paroi 24'. [0052] Un avantage d'une telle liaison glissière sans coulissement est que l'on évite les frottements, ce qui optimise la transmission des efforts axialement. [0053] La figure 5 est une vue en perspective schématique et partielle d'une liaison glissière sans coulissement d'une structure à lames 3 à un dispositif 5. [0054] Selon cet exemple, les deux lames 32 et 34 portent directement par leurs extrémités respectives côté dispositif 5 contre la paroi 24'. De même l'élément 8' porte directement contre la paroi 24'. [0055] La mise en flambage de la structure à lames afin de lui conférer un caractère bistable est effectuée, par exemple, en contraignant les côtés 26 et 28 du cadre 2 (les deux grands côtés dans l'exemple de la figure 2) vers l'extérieur, c'est-à-dire en les écartant l'un de l'autre. Cela provoque un raccourcissement entre les parois 22 et 24 (figure 2), respectivement 22 et 24' (figure 4) et, comme la distance entre les points 23 et 7 est fixe, un flambement de la structure. [0056] On pourra prévoir d'autres solutions pour placer la structure à lames en position de flambage, par exemple, en provoquant un allongement de la structure à lames 3. [0057] De préférence, les deux points d'appui 23 et 7 du système obtenu sont placés selon un axe sensiblement orthogonal à l'orientation Fext attendue des vibrations. [0058] La figure 6 est une vue agrandie d'un mode de réalisation d'un dispositif 5 de 6 conversion d'énergie adapté aux modes de réalisation de récupérateurs d'énergie décrits. [0059] Le milieu des arceaux 54 et 56 est relié, pour l'un, à l'élément 8 et, pour l'autre, au châssis 7, de préférence par l'intermédiaire d'un bras 37 rigide. 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 à l'élément 8 et au châssis 7 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 à des circuits électriques/électroniques (non représentés) de mise en forme du signal électrique récupéré. [0060] 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. [0061] On note que la direction active de l'élément piézoélectrique 52 est approxima- tivement perpendiculaire à la direction de la structure à lames 3, donc approximativement parallèle à la direction des vibrations. [0062] 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 piézoélectrique 52. [0063] La cinématique du dispositif 1 en fonctionnement est la suivante. Partant d'une des deux positions stables, par exemple celle illustrée en trait plein en figure 2, un déplacement de l'ensemble lames 3 / masse 4 vers l'autre position stable (trait pointillé en figure 2) engendre un écrasement des arceaux 54 et 56 du dispositif 5 de conversion pour passer la position médiane, d'où un allongement de l'élément piézoélectrique 52, ce qui provoque la génération d'électricité. Le système se relâche en arrivant à l'autre position stable. Le cadre 2 et le châssis 7 sont fixés rigidement, par exemple vissés ou collés) à l'équipement vibrant (6', figure 1). Les vibrations provoquent une oscillation du système entre les deux positions stables, donc la génération d'électricité. [0064] Bien que l'on ait exposé une réalisation à un seul dispositif de conversion, on peut prévoir deux dispositifs 5 (voire plus) l'un à la suite de l'autre entre l'élément 8 et le 7 point fixe 72. [0065] Un avantage des modes de réalisation décrits est qu'il est désormais possible de concevoir, réaliser et assembler l'oscillateur bistable 3-4 et le convertisseur d'énergie 5 séparément, ce qui offre plus de souplesse en termes de conception et de réalisation. Le système est en outre rendu ainsi modulaire. [0066] Un autre avantage des modes de réalisation décrits est que l'on améliore la robustesse du dispositif obtenu en réduisant les contraintes sur les connexions électriques du convertisseur 5. En effet, celui-ci n'est plus soumis à des oscillations par rapport à l'axe, liées au flambage comme ce serait le cas en la plaçant à l'intérieur du cadre 2, mais est uniquement soumis à des déplacements axiaux. Ainsi les raccordements (soudures) des connexions électriques sont préservées. [0067] A titre d'exemple, la ou les lames peuvent être formées 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 Idm, par exemple de l'ordre de 200 p.m. La structure à lames 3 peut avoir une longueur de 5 à 20 cm, par exemple de l'ordre de 10 cm. La masse 4 peut avoir un poids de l'ordre de 10 à 250 g, par exemple de l'ordre de 50 g. La masse 4 peut être fixée à la ou aux lames par collage, soudure, par 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. [0068] 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. Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation 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. 8