Brevet FR3130091A1 — publié le 20230609

La présente invention concerne un transducteur électromagnétique pour la récupération d’énergie vibratoire. Particulièrement, l’invention concerne un transducteur électromagnétique comprenant un support, une masse centrale, et au moins un ressort reliant la masse centrale au support, le ressort permettant le déplacement de la masse centrale par rapport au support selon un premier axe. La présente invention concerne également un ensemble de transducteurs électromagnétiques. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Transducteur électromagnétique pour la récupération d’énergie vibratoire Domaine de l’invention La présente invention concerne un transducteur électromagnétique pour la récupération d’énergie vibratoire. Particulièrement, l’invention concerne un transducteur électromagnétique comprenant un support, une masse centrale, et au moins un ressort reliant la masse centrale au support, le ressort permettant le déplacement de la masse centrale par rapport au support selon un premier axe. La présente invention concerne également un ensemble de transducteurs électromagnétiques. Art antérieur Les récupérateurs d’énergie vibratoire ont pour fonction d’alimenter électriquement des systèmes électroniques à partir des vibrations présentes dans leur environnement. Ceux-ci nécessitent moins de maintenance et engendrent moins de pollution que les batteries et sont particulièrement intéressants lorsque le système à alimenter se situe dans un endroit inaccessible, privé de lumière et de gradient thermique suffisant. Cependant l’industrialisation et la mise sur le marché de ces récupérateurs d’énergie vibratoire est verrouillée par leur robustesse encore insuffisante. En effet, bien que de nombreux récupérateurs soient théoriquement en mesure de fournir la puissance requise par leur application (alimentation de systèmes électroniques très basse consommation), ceux-ci sont souvent incapables de s’adapter aux fluctuations fréquentielles des sources vibratoires réelles. De plus ces récupérateurs d’énergie vibratoire sont utilisés dans des environnements sujets aux changements de température alors que ces récupérateurs sont inadaptés à de telles variations. Egalement, les récupérateurs d’énergie vibratoire résistent difficilement au vieillissement de leurs éléments constitutifs. Pour corriger ces problèmes sans faire chuter significativement leur densité de puissance (comme c’est souvent le cas concernant les stratégies à base d’ajustement mécanique, de système multimodes, ou encore de systèmes non résonants), l’une des pistes les plus prometteuses est l’ajustement électrique. Cette méthode consiste à maximiser le transfert de puissance entre la source vibratoire et la charge électrique, non seulement à la résonance (quand la fréquence de la vibration coïncide avec la fréquence de résonance naturelle du résonateur mécanique) mais aussi hors résonance, au moyen d’un circuit d’adaptation d’impédance situé au niveau de la charge électrique. Il en résulte un accroissement de la bande-passante effective du récupérateur, rendant donc ce dernier plus robuste aux conditions réelles d’utilisation. L’impact de l’ajustement électrique sur la bande-passante dépend premièrement du type de transducteur réalisant la conversion énergétique, le type de transducteur déterminant les équations physiques régissant le comportement du récupérateur. Notamment, il existe des transducteurs piézoélectriques et des transducteurs électromagnétiques. Secondement, l’ajustement électrique sur la bande-passante dépend des paramètres caractéristiques du récupérateur tels que la masse mobile rapportée au volume total (densité effective du récupérateur), le facteur de qualité mécanique, la fréquence de résonance mécanique, et le couplage. On parle de couplage piézoélectrique dans le cas d’un transducteur piézoélectrique, et de couplage électromagnétique dans le cas d’un transducteur électromagnétique. Dans le cas des transducteurs piézoélectriques, d’excellentes performances ont déjà été atteintes (bande-passante à -3dB supérieure à 10%) au moyen de récupérateurs fortement couplés associés à des circuits d’extraction très performants. Dans le cas des transducteurs électromagnétiques, de telles performances sont plus difficiles à atteindre à cause de leur couplage électromagnétique généralement trop faible. En condition de petit déplacement de la masse mobile autour d’un point de fonctionnement, la dérivée du flux magnétique dans le bobinage par rapport au déplacement du mobile s’appelle le coefficient de transduction électromagnétique, et le couplage d’un récupérateur électromagnétique peut être défini comme le carré de ce coefficient divisé par la résistance interne de la bobine et par le volume total du récupérateur. En d’autres termes, les performances des récupérateurs électromagnétiques sont limitées par le fait que, pour un déplacement donné du mobile, la variation de flux magnétique est souvent trop faible pour que la méthode d’ajustement électrique augmente significativement la bande-passante effective du récupérateur. Les performances de la stratégie d’ajustement électrique sont donc meilleures pour les récupérateurs piézoélectriques. Cependant les récupérateurs électromagnétiques présentent des avantages décisifs sur d’autres plans tels que la maturité technologique des procédés de fabrication, le coût, la résistance mécanique vis-à-vis des chocs et de l’utilisation sur le long terme, etc. C’est pourquoi le développement de récupérateurs de type électromagnétique demeure pertinent. Description brève de l’invention L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un transducteur électromagnétique permettant un fort couplage, significativement plus élevé que les récupérateurs électromagnétiques connus, ainsi qu’une densité effective élevée. Ainsi, l’invention vise à atteindre de meilleures performances en termes de bande-passante et de densité de puissance avec la méthode d’ajustement électrique. La méthode d’ajustement électrique se base sur le théorème de maximisation du transfert de puissance entre une source et une charge quelconques. D’après ce théorème, la puissance transférée est maximale quand l’impédance de la charge est égale au complexe conjugué de l’impédance de la source. La représente un modèle générique 10 décrivant le comportement des récupérateurs à transduction électromagnétique 11 sous hypothèse de petits déplacements, associés à un circuit d’adaptation d’impédance 12. Le récupérateur, délivrant la tension v et le courant i, est assimilé à la source tandis que le circuit d’adaptation constitue la charge. En contrôlant adéquatement les valeurs de condensateur C load et de résistance R load selon la fréquence d’entrée, il est possible de se placer dans les conditions du théorème à la résonance naturelle du récupérateur mais aussi hors résonance. Certains dispositifs connus sont basés sur le déplacement relatif d’une source de champ magnétique par rapport à un bobinage. Le déplacement, e.g. la translation ou la rotation, d’un champ magnétique créé par un aimant entraîne une variation du flux magnétique dans un bobinage. Pour obtenir une dérivée du flux magnétique la plus forte possible avec ce type de dispositifs, il faut utiliser un guide ferromagnétique solidaire de l’aimant afin de canaliser les lignes du champ magnétique à l’endroit par lequel passe la bobine, tout en réduisant l’entrefer du circuit magnétique à son strict minimum. Cet entrefer minimal est l’épaisseur de la bobine (simplement parce que si l’entrefer était moins épais que l’épaisseur de la bobine, cette dernière ne pourrait plus passer au travers de l’ensemble constitué du guide ferromagnétique et de l’aimant). La bobine, quant à elle, doit être dimensionnée adéquatement pour maximiser la dérivée du flux magnétique en son sein. Notamment, une bobine trop peu épaisse conduit à une dérivée du flux magnétique trop faible même avec le guide ferromagnétique. Par conséquent, un compromis doit être trouvé entre l’épaisseur de l’entrefer et celle de la bobine, et ce compromis conduit à un couplage électromagnétique significativement inférieur au couplage électromagnétique atteignable avec les transducteurs basés sur une variation de champ magnétique (transducteurs pour lesquels l’épaisseur de l’entrefer est indépendante de l’épaisseur de la bobine). En revanche, les récupérateurs basés sur le déplacement relatif d’une source magnétique par rapport à un bobinage ont l’avantage de ne pas générer de force magnétique entre le mobile et la base du récupérateur, cette force étant à l’origine de difficultés de modélisation (calcul analytique complexe, non-linéarité), de conception et de fabrication. Notamment, il y a des possibilités de collage pendant la phase d’assemblage ou d’utilisation, ou la génération de frottements secs, etc. Certains récupérateurs sont des transducteurs basés sur une variation de la forme ou de l’intensité du champ magnétique créé par l’aimant. Il s’agit des transducteurs pour lesquels la variation de flux magnétique dans le bobinage est provoquée par une modification du champ magnétique créé par l’aimant au moyen d’éléments ferromagnétiques en mouvement par rapport à celui-ci. Le déplacement d’un mobile provoque une variation de l’épaisseur des entrefers, i.e. distance séparant le mobile du reste du guide ferromagnétique contenant les aimants. Cette variation d’entrefer entraîne une variation de la reluctance du circuit magnétique alimenté par les aimants, de sorte que le flux capté par la bobine est maximal quand le mobile est dans une position telle que l’entrefer est faible, et minimal dans une position telle que l’entrefer est élevé. Cependant, de tels dispositifs demandent une attention particulière concernant la force magnétique car celle-ci peut engendrer du collage ou du frottement sec si aucune disposition n’est prise pendant la conception du récupérateur. L’invention vise à pallier les problèmes cités précédemment en proposant un transducteur électromagnétique significativement moins sujet à du collage ou du frottement sec et qui est particulièrement compact. A cet effet, l’invention a pour objet un transducteur électromagnétique comprenant un support, une masse centrale, et au moins un ressort reliant la masse centrale au support, le ressort permettant le déplacement de la masse centrale par rapport au support selon un premier axe ; la masse centrale comprenant un élément ferromagnétique central, un premier aimant, un second aimant, et deux éléments ferromagnétiques supplémentaires, l’élément ferromagnétique étant flanqué d’un premier côté selon le premier axe par le premier aimant et flanqué d’un second côté, opposé au premier côté selon le premier axe, par le second aimant, le premier aimant et le second aimant étant chacun flanqué selon le premier axe par un des éléments ferromagnétiques supplémentaires ; le support entourant la masse centrale radialement au premier axe et un entrefer séparant le support de la masse centrale, le support comprenant au moins une bobine enroulée autour du premier axe et solidaire d’un élément ferromagnétique externe ; le transducteur électromagnétique étant configuré de manière à ce que le flux magnétique du premier aimant et le flux magnétique du second aimant suivent chacun un trajet parmi un premier trajet et un second trajet, le premier trajet ne traversant pas la bobine, le second trajet traversant la bobine et en poursuivant autour de la bobine par l’intermédiaire de l’élément ferromagnétique externe : le déplacement de la masse centrale selon le premier axe entrainant la modification du trajet d’au moins un des flux magnétiques depuis le premier trajet vers le second trajet ou inversement. Par « le ressort permettant le déplacement de la masse centrale par rapport au support selon un premier axe », il est entendu que le ressort est capable de se déformer en réponse à une vibration, sa déformation entraînant un déplacement de la masse centrale selon un premier axe. Par « flanqué d’un premier côté selon le premier axe et flanqué d’un second côté, opposé au premier côté selon le premier axe, par un second aimant, le premier aimant et le second aimant étant chacun flanqués selon le premier axe par un élément ferromagnétique supplémentaire », il est entendu que l’élément ferromagnétique central, le premier aimant, le second aimant et les éléments ferromagnétiques supplémentaires sont empilés axialement. Par « le support entourant la masse centrale radialement au premier axe et un entrefer séparant le support de la masse centrale », il est entendu que le support est disposé autour et à distance de la masse centrale. Cette distance est suffisamment grande pour que des vibrations qui entraîneraient le mouvement de la masse centrale n’entraînent pas de frottements entre la masse centrale et le support. Cet entrefer ou cette distance dépend essentiellement de la différence de raideur entre la force magnétique radiale tendant à éloigner la masse de son axe de translation, et la force mécanique radiale liée aux ressorts tendant à compenser la raideur magnétique et ramener la masse sur son axe de translation. Si cette différence est positive alors il est nécessaire ou bien d’augmenter la raideur radiale des ressorts si cela est possible ou bien d’augmenter l’entrefer en question afin de diminuer la raideur magnétique. L’entrefer est fonction des dimensions de la masse centrale et doit être apprécié selon la marge de tolérance technique de sa méthode de fabrication et selon une tolérance de dilatation thermique selon l’environnement d’utilisation. Par « une bobine enroulée autour de l’axe », il est entendu que la bobine est disposée radialement au premier axe. Par « le flux magnétique du premier aimant et le flux magnétique du second aimant suivent chacun un trajet », il est entendu que la répartition spatiale du champ magnétique et notamment la majorité des lignes du champ magnétique sont guidées selon un trajet spécifique. Dans « le premier trajet ne traversant pas la bobine » et « le second trajet traversant la bobine et en poursuivant autour de la bobine », il est entendu par « traverser la bobine » que les lignes du champ magnétique sont guidées de manière à traverser le plan radial dans lequel la bobine est disposée par rapport au premier axe. Par « autour de la bobine », il est entendu que les lignes du champ magnétique sont guidées pour former une boucle allant d’un pôle à l’autre d’un même aimant, la boucle s’enroulant autour de la bobine. Le transducteur électromagnétique de la présente invention combine donc (i) le déplacement relatif d’une source magnétique, ici la masse centrale comprenant un premier aimant et un second aimant, par rapport à un bobinage, ici le support comprenant la bobine enroulée et (ii) une variation du champ magnétique créés par les aimants de la masse centrale selon les éléments ferromagnétiques qui sont en mouvement (éléments ferromagnétiques compris dans la masse centrale) ou non (éléments ferromagnétiques compris dans le support). De plus, le transducteur électromagnétique de la présente invention comprend un entrefer réduit au minimum, l’entrefer étant seulement suffisamment grand pour séparer le support de la masse centrale et permettre le mouvement de la masse centrale par rapport au support. Ces avantages permettent une amélioration considérable de la densité effective du transducteur électromagnétique ainsi que du facteur de qualité mécanique et du couplage. Egalement, les éléments ferromagnétiques permettent d’accroître la dérivée du flux magnétique par rapport au déplacement de la masse centrale ainsi que le coefficient de transduction. Selon la présente invention, la bobine est située sur le support qui lors de l’utilisation du transducteur électromagnétique est fixe. Ainsi, la bobine ne subit pas le mouvement de la masse centrale et le risque de rupture par répétition de mouvement est réduit. Egalement, le transducteur électromagnétique de la présente invention est adapté pour que la masse centrale occupe un volume maximal dans le transducteur électromagnétique, ce qui permet de maximiser la densité effective et le couplage électromagnétique. De plus, le transducteur électromagnétique de la présente invention peut être réalisé en utilisant des aimants de forme et de magnétisation standards, diminuant les coûts de fabrication ou d’assemblage ainsi que les coûts potentiels d’entretien. En outre, le transducteur électromagnétique permet un déplacement de la masse centrale qui n’est limité que selon le premier axe et par le ressort, aucun autre élément compris dans le transducteur électromagnétique ne limitant la course de la masse centrale. Ainsi, le dimensionnement du transducteur électromagnétique de la présente invention est simple et indépendant du déplacement de la masse centrale. Avantageusement, le ressort du transducteur électromagnétique de l’invention comprend un premier ressort fixé sur une face externe d’un des éléments ferromagnétiques supplémentaires et un second ressort fixé sur une face externe de l’autre élément ferromagnétique supplémentaire. Avantageusement, le ressort du transducteur électromagnétique de l’invention comprend au moins un ressort plat s’étendant principalement dans un plan perpendiculaire au premier axe, étant préférablement un ressort en spirales à trois branches. Avantageusement, la bobine du transducteur électromagnétique de l’invention est entièrement noyée dans l’élément ferromagnétique externe. Avantageusement, la masse centrale du transducteur électromagnétique de l’invention est flanquée d’au moins un côté selon le premier axe par un troisième aimant et un élément ferromagnétique supplémentaire. Avantageusement, le support du transducteur électromagnétique de l’invention comprend plusieurs bobines. Avantageusement, les axes des pôles du premier et du second aimant du transducteur électromagnétique de l’invention sont inversés selon le premier axe. Avantageusement, la masse centrale du transducteur électromagnétique de l’invention est cylindrique. Avantageusement, le transducteur électromagnétique de l’invention comprend en outre une protection de la bobine. L’invention concerne également un ensemble de transducteurs électromagnétiques tels que décrits précédemment, les bobines des transducteurs électromagnétiques étant reliées entre elles en parallèle et/ou en série. Brève description des figures D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence au dessin annexé donné à titre d’exemple et qui représente : La représente un modèle décrivant le comportement de modèle générique de récupérateurs à transduction électromagnétique sous hypothèse de petits déplacements, associé à un circuit d’adaptation d’impédance. La représente de façon schématique un transducteur électromagnétique dont la masse centrale est en position d’équilibre. La représente de façon schématique un transducteur électromagnétique dont la masse centrale est déplacée par rapport à la position d’équilibre et selon un premier axe. La représente de façon schématique un transducteur électromagnétique dont la masse centrale est déplacée par rapport à la position d’équilibre, selon un premier axe et inversement au déplacement de la masse centrale dans la . La représente un ressort plat en spirale à trois branches d’épaisseur 0.5mm. La représente un ressort plat en spirale à trois branches d’épaisseur 1mm. Transducteur électromagnétique (20) comprenant un support (30), une masse centrale (21, 22, 23, 24, 25), et au moins un ressort reliant la masse centrale au support, le ressort permettant le déplacement de la masse centrale par rapport au support selon un premier axe (27), la masse centrale comprenant un élément ferromagnétique central (25), un premier aimant (21), un second aimant (22), et deux éléments ferromagnétiques supplémentaires (23, 24), l’élément ferromagnétique étant flanqué d’un premier côté selon le premier axe par le premier aimant (21) et flanqué d’un second côté, opposé au premier côté selon le premier axe, par le second aimant (22), le premier aimant et le second aimant étant chacun flanqué selon le premier axe par un des éléments ferromagnétiques supplémentaires (23, 24), le support (30) entourant la masse centrale radialement au premier axe et un entrefer séparant le support de la masse centrale, le support comprenant au moins une bobine (31) enroulée autour du premier axe et solidaire d’un élément ferromagnétique externe (32), le transducteur électromagnétique étant configuré de manière à ce que le flux magnétique (29) du premier aimant (21) et le flux magnétique (28) du second aimant (22) suivent chacun un trajet parmi un premier trajet et un second trajet, le premier trajet ne traversant pas la bobine, le second trajet traversant la bobine et en poursuivant autour de la bobine (31) par l’intermédiaire de l’élément ferromagnétique externe, le déplacement de la masse centrale selon le premier axe entrainant la modification du trajet d’au moins un des flux magnétiques (28, 29) depuis le premier trajet vers le second trajet ou inversement. Transducteur électromagnétique (20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort comprend un premier ressort fixé sur une face externe d’un des éléments ferromagnétiques supplémentaires (23, 24) et un second ressort fixé sur une face externe de l’autre élément ferromagnétique supplémentaire (23, 24). Transducteur électromagnétique (20) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ressort comprend au moins un ressort plat (70, 80) s’étendant principalement dans un plan perpendiculaire au premier axe (27), étant préférablement un ressort en spirales à trois branches (71, 81). Transducteur électromagnétique (20) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bobine (31) est entièrement noyée dans l’élément ferromagnétique externe (32). Transducteur électromagnétique (20) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la masse centrale est flanquée d’au moins un côté selon le premier axe (27) par un troisième aimant et un élément ferromagnétique supplémentaire. Transducteur électromagnétique (20) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le support (30) comprend plusieurs bobines (31). Transducteur électromagnétique (20) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les axes des pôles du premier et du second aimant sont inversés selon le premier axe (27). Transducteur électromagnétique (20) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la masse centrale est cylindrique. Transducteur électromagnétique (50) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une protection (57) de la bobine (1). Ensemble de transducteurs électromagnétiques selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bobines des transducteurs électromagnétiques sont reliées entre elles en parallèle et/ou en série.