TITRE : CONVERTISSEUR MAGNETO-ELECTRIQUE ET GENERATEUR D'ELECTRICITE COMPRENANT LEDIT CONVERTISSEUR

DOMAINE DE L' INVENTION

La présente invention concerne le domaine des dispositifs pour la récupération d'énergie. Elle concerne en particulier un convertisseur apte à convertir une variation d'énergie magnétique en une différence de potentiel. Le convertisseur magnéto-électrique comprend un empilement de couches de matériaux magnétostrictif et piézoélectrique. L'invention concerne également un générateur d'électricité comprenant ledit convertisseur .

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L' INVENTION

La combinaison d'un matériau magnétostrictif et d'un matériau piézoélectrique est particulièrement avantageuse pour la réalisation de convertisseurs magnéto-électriques intégrables dans des générateurs électriques.

On connaît notamment du document WO2015/059421 ou encore de l'article de T.Lafont et al (« Magnetostrictive-piezoelectric composite structures for energy harvesting », Journal of Micromechanics and Microengineering, n°22, 2012), des générateurs d'électricité comportant une source de champ magnétique dont les lignes de champ sont parallèles à un plan de référence, et un convertisseur magnéto-électrique apte à convertir une variation du champ magnétique en une différence de potentiel entre deux 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 deux bornes électriques reliées à ses électrodes. Le convertisseur est composé d'autre part d'une couche magnétostrictive fixée selon le 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.

Pour permettre l'intégration de générateurs d'électricité dans des systèmes de plus en plus miniaturisés et toucher une vaste gamme d'applications, il est attendu un faible encombrement desdits générateurs : une configuration efficace et compacte a été proposée par la demanderesse dans les documents W02017/178772 et WO2017/178773.

Ainsi, de nombreux objets connectés peuvent être rendus autonomes en énergie en intégrant ces générateurs d'électricité qui utilisent l'énergie de sources de mouvement (par exemple, rotation ou translation) présentes dans l'environnement, pour produire l'électricité.

Mais il subsiste toujours un besoin de simplifier l'élaboration des convertisseurs magnéto-électriques et des générateurs d'électricité associés, pour favoriser leur déploiement dans des domaines toujours plus variés dans le secteur de l'habitat ou le secteur industriel, faisant notamment appel à l'IOT (Internet des Objets). La fiabilité (augmentation de la durée de vie, notamment), l'efficacité de conversion et la compacité du générateur restent par ailleurs des points à améliorer continuellement .

OBJET DE L' INVENTION

La présente invention propose un convertisseur magnéto- électrique comprenant au moins une couche de matériau piézoélectrique et une couche de matériau magnétostrictif ; les axes respectivement de polarisation et d'aimantation de ces couches s'étendent perpendiculairement au plan principal des couches ou plan de référence. Le convertisseur magnéto- électrique est enserré, sans degré de liberté selon un axe normal au plan de référence, dans une cage ; cette dernière permet l'application de contraintes sur la couche piézoélectrique, du fait de l'expansion ou de la contraction de la couche magnétostrictive selon l'axe normal au plan de référence. L'invention propose également un générateur d'électricité basé sur le convertisseur précité.

BREVE DESCRIPTION DE L' INVENTION

La présente invention concerne un convertisseur magnéto- électrique, apte à convertir une variation d'un champ magnétique en une différence de potentiel entre deux bornes électriques, incluant :

- un empilement présentant une face supérieure et une face inférieure, parallèles à un plan de référence, et comprenant une première couche en matériau piézoélectrique solidaire d'une deuxième couche en matériau magnétostrictif, la première couche et la deuxième couche s'étendant parallèlement au plan de référence et présentant respectivement un axe de polarisation et un axe principal d'aimantation normaux au plan de référence, la première couche étant munie de deux électrodes métalliques respectivement connectées aux deux bornes électriques du convertisseur,

- une cage comprenant deux parois de blocage respectivement en contact, sans degré de liberté, avec la face supérieure et la face inférieure de l'empilement.

Selon des caractéristiques avantageuses de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable : • la cage est formée en au moins un matériau amagnétique et dont le module d'Young est supérieur à celui du matériau piézoélectrique de la première couche ;

• le -au moins un- matériau amagnétique de la cage est choisi parmi l'aluminium, l'acier, le cuivre, l'argent, le tungstène, les fibres de verre et de carbone, les ciments à hautes performances, les verres organiques ou minéraux ;

• chaque électrode de la première couche comprend une pluralité de films métalliques : o s'étendant parallèlement au plan de référence, o enterrés à différents étages dans le matériau piézoélectrique, o et disposés en alternance avec les films métalliques de l'autre électrode ;

• les films métalliques de chaque électrode sont connectés ensemble par une colle conductrice s'étendant sur une tranche de la première couche ;

• la cage est configurée de sorte que les deux parois de blocage appliquent une précontrainte en compression à l'empilement comprise entre 1 MPa et 100 MPa ;

• l'empilement comprend une troisième couche en matériau piézoélectrique s'étendant parallèlement au plan de référence, présentant un axe de polarisation normal au plan de référence et muni de deux électrodes métalliques connectées aux deux bornes électriques, la première et la troisième couche prenant la deuxième couche en sandwich ;

• le matériau magnétostrictif est composé de Terfenol-D, de Galfenol, de Terbium Fer, de Fer-Cobalt, de Fer-Nickel ou encore de Fer-Silicium-Bore ;

• le matériau piézoélectrique est composé de PZT, de PMN-PT, de PVDF, de BaTi03 ou encore d'AlN. L'invention concerne également un générateur d'électricité comprenant un convertisseur magnéto-électrique tel que précité, et une source magnétique apte à générer un champ magnétique normal au plan de référence, le convertisseur magnéto-électrique et la source magnétique étant aptes à se déplacer en translation ou en rotation l'un par rapport à l'autre, de manière à induire des variations du champ magnétique parallèle à l'axe principal d'aimantation ou des variations d'une composante dudit champ magnétique parallèle à l'axe principal d'aimantation.

Selon des caractéristiques avantageuses de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :

• la source magnétique définit un espace dans lequel règne le champ magnétique, le convertisseur magnéto-électrique étant placé dans ledit espace ;

• le générateur d'électricité comprend une deuxième source magnétique apte à générer un champ magnétique orienté dans le plan de référence ;

• la source magnétique est formée par un cylindre d'Halbach, le convertisseur magnéto-électrique étant placé dans l'espace interne dudit cylindre ;

• la source magnétique comprend deux barreaux magnétiques s'étendant selon un axe longitudinal parallèle au plan de référence, disposés en vis-à-vis l'un de l'autre, et définissant entre eux un espace interne dans lequel est placé le convertisseur magnéto-électrique, chaque barreau magnétique formant un réseau d'Halbach configuré pour générer un premier champ magnétique sinusoïdal dans l'espace interne, orienté selon un axe normal au plan de référence. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :

[Fig. 1] La figure 1 présente un convertisseur magnéto- électrique conforme à l'invention ;

[Fig. 2] La figure 2 présente une vue explosée d'une couche en matériau piézoélectrique avec des électrodes comprenant une pluralité de films métalliques enterrés, dans un convertisseur magnéto-électrique conforme à l'invention ;

[Fig.3] La figure 3 présente une courbe d'évolution de la déformation de la couche en matériau piézoélectrique en fonction du module d'Young du matériau de la cage, dans un convertisseur magnéto-électrique conforme à l'invention ;

[Fig.4] La figure 4 présente l'énergie électrique produite par un générateur d'électricité comprenant un convertisseur magnéto- électrique conforme à l'invention, en fonction de la précontrainte appliquée à l'empilement de couches dudit convertisseur par la cage ;

[Fig.5] La figure 5 présente une courbe reliant la contrainte et la déformation pour une couche en matériau piézoélectrique d'un convertisseur magnéto-électrique conforme à l'invention ;

[Fig.6]

[Fig.7] Les figures 6 et 7 présentent un premier mode de réalisation d'un générateur d'électricité conforme à l'invention ;

[Fig.8] La figure 8 présente un deuxième mode de réalisation d'un générateur d'électricité conforme à l'invention ;

[Fig.9] La figure 9 présente un troisième mode de réalisation d'un générateur d'électricité conforme à l'invention ;

[Fig.10a]

[Fig.10b] Les figures 10a et 10b présentent respectivement un exemple de convertisseur magnéto-électrique conforme à l'invention et un générateur conforme à l'invention ;

[Fig.11] La figure 11 présente un autre exemple de convertisseur magnéto-électrique conforme à l'invention. Certaines figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l'échelle. En particulier, les épaisseurs des couches selon l'axe z ne sont pas nécessairement à l'échelle par rapport aux dimensions latérales selon les axes x et y.

Les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même nature.

Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation illustrés et/ou détaillés dans la description à suivre) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent éventuellement se combiner entre elles.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION

L'invention concerne un convertisseur magnéto-électrique 100, apte à convertir une variation d'un champ magnétique B en une différence de potentiel entre deux bornes électriques.

Comme illustré sur la figure 1, le convertisseur 100 inclut un empilement 10 présentant une face supérieure 10a et une face inférieure 10b, parallèles à un plan de référence (x,y). L'empilement 10 comprend au moins une couche 1 en matériau piézoélectrique (dite première couche 1) s'étendant parallèlement au plan de référence (x,y) et présentant un axe de polarisation P normal au plan de référence (x,y). Notons que l'expression selon laquelle une couche s'étend parallèlement au plan de référence (x,y) signifie que les dimensions latérales de ladite couche, dans le plan (x,y), sont significativement plus importantes que son épaisseur selon l'axe z.

Sans que cela soit limitatif, le matériau piézoélectrique de la première couche 1 pourra être choisi parmi le PZT (titano- zirconate de plomb), le PMN-PT (Pb (Mgi _/ 3Nb2 _/ 3)03-PbTi03), le PVDF (polymère du fluorure de vinylidène), le BaTi03 (titanate de baryum) ou encore l'AIN (nitrure d'aluminium).

La première couche 1 est munie de deux électrodes métalliques permettant la collecte des charges électriques lors du fonctionnement du convertisseur 100. Ces électrodes sont respectivement reliées aux deux bornes électriques dudit convertisseur 100.

Comme cela est visible sur la figure 2, chaque électrode la,lb de la première couche 1 comprend avantageusement une pluralité de films métalliques la' ,la'',la''',lb',lb'' s'étendant parallèlement au plan de référence (x,y), enterrés à différents étages dans le matériau piézoélectrique le, et disposés en alternance avec les films métalliques de l'autre électrode lb,la. A titre d'exemple, deux films métalliques successifs la',lb' dans la première couche 1 peuvent être espacés d'environ 100 microns. Chaque film métallique la',la'',la''',lb',lb'' peut présenter une épaisseur de l'ordre de quelques microns, par exemple 3 microns.

Les films métalliques de chaque électrode la,lb peuvent être connectés ensemble par une colle conductrice (par exemple époxy) en forme de ruban s'étendant préférentiellement sur une tranche de la première couche 1. Cette configuration d'électrodes la,lb est connue sous le nom de « multilayer piezoelectric stack » ou « piezo stack » selon la terminologie anglo-saxonne.

Une telle configuration est parfaitement adaptée pour la première couche 1, qui présente un axe de polarisation P normal au plan de référence (x,y), car elle permet une collecte des charges efficace sur toute l'épaisseur (selon l'axe z, parallèle à l'axe de polarisation P) de la première couche 1.

L'empilement 10 comprend également au moins une couche 2 en matériau magnétostrictif (dite deuxième couche 2), s'étendant parallèlement au plan de référence (x,y) et présentant un axe principal d'aimantation A normal au plan de référence (x,y) (figure 1). La deuxième couche 2 est solidaire de la première couche 1 au niveau d'une interface parallèle au plan de référence (x,y). Les deux couches 1,2 sont solidarisées sans degré de liberté, de sorte que la déformation de la deuxième couche 2 en matériau magnétostrictif soit efficacement transmise à la première couche 1, l'objectif étant de maximiser la conversion énergétique mécanique/électrique. Comme cela est connu de l'état de la technique, des colles ou substances adhésives fortes pourront être mises en œuvre pour assurer la solidarisation des deux couches 1,2. Avantageusement, la deuxième couche 2 présente une rugosité, au niveau de sa (ou ses) surfaces à solidariser, comprise entre 0.01 ym à 50 ym Ra (rugosité moyenne, mesurée par microscopie à force atomique sur des scans de 20 microns x 20 microns par exemple). Une telle rugosité est favorable à l'accroche de la colle et par conséquent à la solidarisation mécanique des couches 1,2 ; en particulier, elle améliore la rigidité interfaciale normale de l'empilement 10.

Le matériau magnétostrictif est choisi pour présenter un coefficient magnétostrictif avantageusement supérieur à 30 ppm. Il peut s'agir de Terfenol cristallin ou fritté, de Galfenol, de Terbium Fer, de Fer-Cobalt, de Fer-Nickel ou encore de Fe- Silicium-Bore (FeSiB) amorphe.

Si l'on prend l'exemple du Terfenol-D (alliage de fer et de terres rares Tbo,3Üyo,7Fei,9) cristallin, il est d'usage de fabriquer un lingot de ce matériau par fusion de zone verticale (FSZM pour « Free-Stand Zone Melt ») ou par la méthode « Bridgman modifié ». L'axe longitudinal du lingot, qui est l'axe <112>, est l'axe préférentiel d'aimantation (ou de déformation) du matériau. La deuxième couche 2 est issue d'une découpe transversale (c'est-à-dire normale à l'axe longitudinal) du lingot. L'axe principal d'aimantation A correspond ici à l'axe <112> du cristal de Terfenol-D, axe préférentiel de déformation sous un champ magnétique.

Le fait de mettre à profit la déformation sous champ magnétique du matériau magnétostrictif selon son axe principal d'aimantation est particulièrement avantageux pour maximiser la déformation transmise à la première couche 1, et donc pour maximiser la collecte de charges associée dans le matériau piézoélectrique .

Selon une première variante, l'empilement 10 du convertisseur magnéto-électrique 100 comprend donc la première couche 1 et la deuxième couche 2, telles que décrites ci-dessus.

Selon une deuxième variante, l'empilement 10 comprend une autre couche 3 (dite troisième couche 3) en matériau piézoélectrique s'étendant parallèlement au plan de référence (x,y). Cette troisième couche 3 présente un axe de polarisation normal au plan de référence (x,y), colinéaire à l'axe de polarisation P de la première couche 1. La troisième couche 3 est également munie de deux électrodes métalliques connectées aux deux bornes électriques du convertisseur 100. Dans ce mode particulier, la première couche 1 et la troisième couche 3 prennent la deuxième couche 2 en sandwich, comme cela est illustré sur la figure 1.

Selon une troisième variante, l'empilement 10 comprend une autre couche en matériau magnétostrictif s'étendant parallèlement au plan de référence (x,y), présentant un axe principal d'aimantation normal au plan de référence (x,y). Dans ce mode particulier (non représenté), les couches en matériau magnétostrictif (dont la deuxième couche 2) prennent la première couche 1 en sandwich.

D'autres modes de réalisation de l'empilement 10 sont bien sûr envisageables. Selon les caractéristiques de l'empilement 10, sa face supérieure 10a et sa face inférieure 10b pourront, chacune, être formées par une couche en matériau piézoélectrique ou par une couche en matériau magnétostrictif.

L'empilement 10 peut présenter des dimensions latérales, dans le plan de référence (x,y) comprises entre 0.1 mm et 200 mm, et des formes variées (carrée, circulaire, rectangulaire, polygonale, etc.) dans ce même plan. La (ou les) couche (s) 1,3 en matériau piézoélectrique peuvent présenter une épaisseur, selon l'axe z, comprise entre 1 micron et 100 mm, préférentiellement entre 1 micron et 25 mm, voire entre 1 micron et 10 mm. La (ou les) couches 2 en matériau magnétostrictif peut présenter une épaisseur, selon l'axe z, comprise entre 1 micron et 100 mm, préférentiellement entre 1 micron et 50 mm, voire entre 1 micron à 25 mm. En général, l'épaisseur totale de l'empilement 10 sera comprise entre 10 microns et 200 mm. Préférentiellement, pour limiter son encombrement et s'adapter à des générateurs d'électricité de petites tailles, l'épaisseur totale de l'empilement 10 sera choisie inférieure à 80mm, voire inférieure à 30mm.

Le convertisseur magnéto-électrique 100 selon l'invention comprend en outre une cage 20 comportant deux parois de blocage 21,22 respectivement en contact, sans degré de liberté, avec la face supérieure 10a et la face inférieure 10b de l'empilement 10. En d'autres termes, les surfaces internes des parois de blocage 21,22 sont en appui plan respectivement contre la face supérieure 10a et la face inférieure 10b de l'empilement 10, et empêche tout mouvement ou déplacement de l'empilement 10 selon 1'axe z.

Ainsi, une déformation D selon son axe principal d'aimantation A (parallèle à l'axe z) de la deuxième couche 2 va directement induire une déformation d de la première couche 1 en matériau piézoélectrique selon son axe de polarisation P, ladite première couche 1 n'ayant aucune possibilité de se déplacer selon l'axe z, du fait du maintien ferme des parois de blocage 21,22. Par exemple, si la déformation D correspond à une extension de la deuxième couche 2, la déformation d correspondra à une contraction de la première couche 1 ; inversement, si la déformation D correspond à une contraction de la deuxième couche 2, la déformation d correspondra à une extension de la première couche 1.

Préférentiellement, la cage 20 est formée en au moins un matériau amagnétique, pour éviter de perturber le champ magnétique qui sera appliqué au convertisseur 100, lors de son fonctionnement dans un générateur d'électricité. Par matériau amagnétique on entend un matériau ou un composite sans propriétés magnétiques mais également un matériau dont la susceptibilité magnétique est faible ou très faible, donc un matériau paramagnétique ou diamagnétique .

A titre d'exemple, le matériau amagnétique peut être choisi parmi l'aluminium, l'acier austénitique, le cuivre, l'argent, le tungstène, et éventuellement les fibres de verre et de carbone, les ciments à hautes performances (E=120 GPa), les verres organiques (E=90 GPa) ou minéraux.

De manière également préférentielle, le module d'Young du -au moins un- matériau constituant la cage 20 est supérieur à celui du matériau piézoélectrique de la première couche 1 : cela permet une transmission plus efficace de la déformation de la deuxième couche 2 à la première couche 1 car ladite déformation n'est pas « atténuée » en tout ou partie par une déformation des parois 21,22 de la cage 20.

On peut également choisir un module d'Young pour la cage 20 supérieur à celui du matériau magnétostrictif de la deuxième couche 2 de manière à assurer des conditions d'appui plan. Sur la figure 3, la courbe traduit la déformation verticale que subit une première couche 1 en PZT (module d'Young = 139 GPa) de 0.860 mm d'épaisseur, en fonction du module d'Young du matériau de la cage 20 :

- sous l'effet de la déformation d'une deuxième couche en Terfenol-D (module d'Young = 35 GPa) de 1mm d'épaisseur soumise à un champ magnétique moyen B sur le volume d'environ 167mT (orienté selon l'axe principal d'aimantation A de la deuxième couche 2),

- dans un empilement 10 de dimensions latérales 5mm x 5mm.

Dans cet exemple, les parois 21,22 de la cage 20 présentent une épaisseur de 8mm. On remarque qu'une déformation maximale est atteinte lorsque le matériau de la cage 20 présente un module d'Young supérieur ou égal à environ 200GPa. Une cage en aluminium (module d'Young = 69GPa) procurera donc une moindre amplitude de déformation de la première couche 1, par rapport à une cage en acier austénitique (module d'Young = 193GPa).

On notera qu'il est toujours possible d'augmenter les dimensions (épaisseur notamment) de la première couche 1 et/ou de la deuxième couche 2, ou l'épaisseur des parois 21,22 de la cage 20, ou encore l'intensité du champ magnétique B, pour générer une déformation plus importante de la première couche 1 et par conséquent une plus grande quantité de charges électriques. Néanmoins, rappelons qu'un objectif du convertisseur magnéto- électrique 100 selon l'invention est d'être intégré dans un générateur d'électricité de faible dimension, compact, et facile à associer à des objets connectés pour les rendre autonomes en énergie. Les dimensions latérales du convertisseur 100 (incluant l'empilement 10 et la cage 20) sont donc préférentiellement maintenues inférieures à 15 mm, et son épaisseur inférieure à 50 mm, voire inférieure ou égale à 15 mm. Des dimensions d'un convertisseur 100 conforme à l'invention sont indiquées sur la figure 7, à titre d'exemple.

Selon un mode de mise en œuvre avantageux, la cage 20 est configurée de sorte que les deux parois de blocage 21,22 appliquent une précontrainte en compression, selon l'axe z (autrement dit, selon les axes de polarisation P et d'aimantation A), à l'empilement 10, favorisant ainsi les conditions d'appui plan. La précontrainte est comprise entre 1 MPa et 100 MPa, préférentiellement entre 10 MPa et 30 MPa, ou encore préférentiellement entre 1 MPa et 20 MPa

La précontrainte pourra notamment être appliquée par un système mécanique avec vis et écrous (le vissage progressif permettant d'augmenter la précontrainte appliquée par la cage 20), par un système de câbles et poulies ou encore par un système de contre- flèche (une déformation de la cage 20 est opérée avant insertion de l'empilement 10 ; après assemblage, la cage 20 applique une précontrainte audit empilement 10).

Comme cela apparait sur la figure 4, l'énergie électrique fournie par le convertisseur 100 augmente avec l'augmentation de la précontrainte en compression appliquée à l'empilement 10. Dans l'exemple donné, l'empilement 10 et le champ magnétique B appliqué sont les mêmes que ceux énoncés en référence à la figure 3, et la cage 20 est en acier austénitique. L'énergie électrique, proportionnelle à la quantité de charges électriques collectées du fait de la déformation de la première couche 1, peut passer d'environ 10 microJoule à environ 150 microJoule, pour une précontrainte allant de 0 à 50 MPa dans l'exemple énoncé.

Pour certains matériaux magnétostrictifs, tel que le Galfenol, l'augmentation de l'énergie électrique vient notamment du fait que le coefficient de magnétostriction du matériau magnétostrictif (deuxième couche 2) augmente lorsqu'une précontrainte lui est appliquée. Pour une amplitude de champ magnétique B donnée, la déformation D selon l'axe principal d'aimantation A est donc plus grande, ce qui augmente la déformation d, et donc la génération de charges, dans la première couche 1.

Pour d'autres matériaux magnétostrictifs, tel que le Terfenol- D, le coefficient de magnétostriction a tendance à diminuer au- delà d'une précontrainte critique (typiquement autour de 20 MPa). On prendra alors soin d'appliquer une précontrainte inférieure à cette valeur critique.

L'application d'une précontrainte à l'empilement 10 présente un autre avantage important. En effet, une couche 1,3 en matériau piézoélectrique supporte mieux la contrainte en compression qu'en élongation. Avec le comportement dynamique oscillatoire (compression/élongation) qui est recherché pour le convertisseur 100 selon l'invention, la limite de rupture en élongation est plus rapidement atteinte que la limite de rupture en compression du matériau piézoélectrique. Pré-contraindre l'empilement 10, et donc pré-contraindre la (ou les) couches 1,3 en matériau piézoélectrique, permet de positionner la plage de fonctionnement dans une zone de contrainte compressive (plage de fonctionnement avec précontrainte), comme illustré sur la figure 5.

En plus d'améliorer les performances du convertisseur 100, l'application d'une précontrainte à l'empilement 10 permet ainsi d'augmenter sa fiabilité et sa durée de vie, en éloignant la plage de fonctionnement de la couche 1,3 en matériau piézoélectrique de sa limite de rupture en tension.

Quel que soit le mode de mise en œuvre, avec ou sans précontrainte appliquée à l'empilement 10 par le biais de la cage 20, cette dernière peut être élaborée de différentes façons. Les parois de blocage 21,22 peuvent notamment être usinées de manière à créer des empreintes dans lesquelles seront disposées et collées respectivement la face supérieure 10a et la face inférieure 10b de l'empilement 10. Il est important d'assurer une bonne planéité des surfaces destinées à être en contact avec les faces de l'empilement 10, pour garantir un appui plan, et un blocage ou une précontrainte efficace selon l'axe z (parallèle à l'axe principal d'aimantation A).

La cage 20 comprend avantageusement au moins une paroi latérale 23 pour relier entre elles les deux parois de blocage 21,22. On peut envisager une cage fixe ou démontable, basées sur des techniques de fixation connues telles que le soudage, le vissage, le clipsage, etc. La cage 20 peut éventuellement être assistée d'un système de précontrainte à base de câbles, contre-flèche ou dilatation du cadre à chaud.

Avantageusement, la cage 20 peut être utilisée pour procurer l'accès aux bornes électriques du convertisseur 100 depuis 1'extérieur.

A titre d'illustration, deux exemples de mise en œuvre d'un convertisseur 100, dans lequel une précontrainte est appliquée à l'empilement 10.

Selon un premier exemple présenté sur la figure 10a, la cage 20 est composée de deux parties, un bâti 20a et un couvercle 20b typiquement cylindrique, destinées à coopérer pour former les deux parois de blocage 21,22 de la cage 20 (figure 10a (a),(b)). Ces deux parties 20a,20b comprennent respectivement un taraudage et un filetage. Le diamètre, la largeur du pas et l'angle du pas sont dimensionnés pour exercer une précontrainte spécifique sur l'empilement 10. Afin d'assurer la fiabilité de la cage 20 dans le temps, des techniques d'anti-desserrage connues peuvent être implémentées, pour limiter le desserrage entre le bâti 20a et le couvercle 20b au cours du temps : par exemple en utilisant un insert nylon ou une rondelle d'anti-desserrage. Ce phénomène de desserrage se produit en particulier dans un contexte d'environnement vibratoire. Sur la partie haute du couvercle 20b, un alésage hexagonal 200b peut être prévu (figure 10a (c)) afin d'insérer un outil de serrage facilitant la fixation du couvercle 20b sur le bâti 20a. Le système entier est dimensionné de sorte que la deuxième couche 2 en matériau magnétostrictif transmette le maximum de déformations sur la première 1 et (lorsqu'elle est présente) la troisième 3 couche en matériau piézoélectrique (figure 10a (c)).

Selon un deuxième exemple de mise en œuvre, illustré en figure 11, la cage 20 présente une structure de parallélogramme déformable (figure 11 (a), (b)). Le matériau, la forme et l'épaisseur (ou les épaisseurs des différents segments composant la cage 20) de la cage 20 vont dimensionner sa raideur, et par conséquent, la précontrainte spécifique qui sera appliquée sur l'empilement 10 lorsque ce dernier sera introduit dans la cage 20 (figure 11 (c)).

Afin d'assembler l'empilement 10 avec cette cage 20, il est nécessaire d'appliquer une force sur les parties haute et basse de la cage (schématisée par les flèches noires et blanches sur la figure 11 (b)). L'effort appliqué comprime la cage 20 et étend ses côtés droit et gauche. Dans cet état comprimé, l'empilement 10 peut être inséré à l'intérieur de la cage 20. L'effort est relâché de façon progressive, pour que la cage 20 tende à reprendre sa forme initiale (figure 11(a)) ; les parois de blocage 21,22 viennent alors en contact avec les faces 10a et 10b de l'empilement 10 (figure 11 (c)) et peuvent appliquer (en fonction du dimensionnement de la cage 20 et de l'empilement 10, une pression constante sur ledit empilement 10.

Ainsi, la forme de la cage 20 et le matériau utilisé peuvent être optimisés pour exercer une précontrainte spécifique sur l'empilement 10, tout en conservant une capacité de déformation initiale qui permet d'insérer l'empilement 10 dans l'espace intérieur de la cage 20.

Il est à noter que les côtés gauche et droit intérieurs de la cage présentent un appui plan et doivent être conçus pour être autant que possible parallèles, afin d'appliquer un effort uniforme sur l'empilement 10.

Comme évoqué précédemment, chaque design de cage envisagé doit être conçu pour avoir le maximum de rigidité afin de transmettre efficacement les contraintes et déformations du matériau magnétostrictif vers le matériau piézoélectrique. En même temps, le design choisi doit permettre un réglage précis de la précontrainte, modulé par les dimensions géométriques de la cage 20 et par les propriétés mécaniques du matériau utilisé, pour ne pas endommager l'empilement 10 et tirer profit du matériau piézoélectrique une fois comprimé.

La présente invention concerne également un générateur d'électricité 150 comprenant un convertisseur magnéto-électrique 100 tel que décrit précédemment.

Le générateur 150 comprend en outre une source magnétique 50 apte à générer un champ magnétique B normal au plan de référence (x,y), autrement dit parallèle à l'axe principal d'aimantation A de la deuxième couche 2 et à l'axe de polarisation P de la première couche 1. Dans le générateur 150, le convertisseur magnéto-électrique 100 et la source magnétique 50 sont aptes à se déplacer en translation ou en rotation l'un par rapport à l'autre, de manière à induire des variations de champ magnétique B. On cherche en particulier à induire des variations d'amplitude du champ magnétique B selon l'axe z parallèle à l'axe principal d'aimantation A, ou des variations d'une composante du champ magnétique B parallèle à l'axe principal d'aimantation A.

On attend typiquement des variations d'amplitude comprises entre 0 à 300 mT. Le principe de fonctionnement du générateur 150 est schématisé sur la figure 6, dans le cas d'un mouvement relatif, entre le convertisseur 100 et la source magnétique, en translation selon 1'axe z.

Dans un état 0 initial, le convertisseur 100 est placé dans un espace dans lequel règne un champ magnétique d'intensité Bo. Cet état initial correspond à une déformation Do (par exemple, élongation maximale) de la deuxième couche 2 selon l'axe principal d'aimantation A et à une déformation initiale do (par exemple, contraction maximale) de la première couche 1 selon son axe de polarisation P ; on suppose que le potentiel entre les bornes du convertisseur 100 est nul dans cet état initial.

Dans un état 1 suivant, le convertisseur 100 est déplacé vis-à- vis de la source magnétique 50 (ou vice versa), et subit une variation de champ magnétique : l'intensité de ce dernier passe de Bo a Bi, selon l'axe z. Une déformation Di (par exemple, contraction) de la deuxième couche 2, selon l'axe d'aimantation A, est engendrée, qui conduit à une déformation di (par exemple élongation) de la première couche 1 selon son axe de polarisation P. Une quantité Qi de charges est alors produite induisant une différence de potentiel entre les électrodes métalliques la,lb et par voie de conséquence entre les bornes du convertisseur 100. Les charges sont alors collectées, et le potentiel entre les bornes du convertisseur 100 se retrouve à 0.

Dans un état 2 suivant (qui peut être l'état 0 initial, si le déplacement relatif de la source 50 et du convertisseur 100 ne passe que par deux positions), le convertisseur 100 est déplacé vis-à-vis de la source magnétique 50 (ou vice versa), et subit une variation de champ magnétique : l'intensité de ce dernier passe de Bi à B2, selon l'axe z. Une déformation D2 de la deuxième couche 2, selon l'axe d'aimantation A, est engendrée, qui conduit à une déformation d2 de la première couche 1. Une quantité Q2 de charges est alors produite induisant une différence de potentiel entre les bornes du convertisseur 100. Les charges sont alors collectées, et le potentiel aux bornes du convertisseur 100 se retrouve à 0.

Dans un état 3 suivant (qui peut être l'état 0 initial, si le déplacement relatif de la source 50 et du convertisseur 100 ne passe que par trois positions), le convertisseur 100 est une nouvelle fois déplacé vis-à-vis de la source magnétique 50 (ou vice versa), et subit une variation de champ magnétique : l'intensité de ce dernier passe de Eh à Eh, selon l'axe z. Une déformation D3 de la deuxième couche 2, selon l'axe d'aimantation A, est engendrée, qui conduit à une déformation d ₃ de la première couche 1. Une quantité Q ₃ de charges est alors produite induisant une différence de potentiel entre les bornes électriques du convertisseur 100. Après collecte des charges, le potentiel entre les bornes du convertisseur 100 se retrouve de nouveau à 0.

En général, l'état 4 suivant correspond à l'état 0 initial, mais on pourrait envisager qu'il existe d'autres états distincts associés à des déplacements successifs du convertisseur 100 vis- à-vis de la source magnétique 50. Dans l'hypothèse d'un retour à l'état 0 initial, le convertisseur 100 voit l'intensité du champ magnétique varier de B ₃ à Bo, selon l'axe z. La déformation Do de la deuxième couche 2, selon l'axe d'aimantation A, est engendrée, qui conduit à la déformation initiale do de la première couche 1 selon son axe de polarisation P. Une quantité Qo de charges est alors produite induisant une différence de potentiel entre les bornes du convertisseur 100. Les charges sont alors collectées, pour annuler le potentiel aux bornes du convertisseur 100.

On comprend ici que le fonctionnement du générateur d'électricité 150 est basé sur un comportement dynamique oscillatoire au niveau de l'empilement 10 du convertisseur magnéto-électrique 100. Notons que le générateur 150 est muni d'un circuit de collecte (non représenté sur les figures) , relié aux deux bornes électriques du convertisseur 100, pour effectuer la collecte des charges Q _x produites. Ce circuit de collecte est disposé à l'extérieur de la cage 20.

Pour maximiser la quantité de charges Q _x produites et collectées à chaque cycle, c'est-à-dire à chaque état x du convertisseur 100, il est avantageux de maximiser la déformation d _x de la première couche 1 (et potentiellement de la troisième couche 3 quand elle est présente), à chaque cycle.

Il est également préférable que l'intensité du champ magnétique, selon l'axe z, varie de manière continue entre chaque état et non brutalement lors du passage entre deux positions correspondant à deux états successifs. Cela permet d'obtenir un état de contrainte-déformation régulier et périodique simplement exploitable par l'électronique (intensité et tension électriques périodiques). Idéalement, l'intensité du champ magnétique B varie sinusoïdalement selon l'axe principal d'aimantation A avec des valeurs entre 0 mT à 300 mT.

La figure 8 illustre une telle configuration. Le convertisseur magnéto-électrique 100 est configuré pour se déplacer relativement à la source magnétique 50, entre une position correspondant à l'état 0 et une position correspondant à un état 4 équivalent à l'état 0. Entre ces deux positions, le convertisseur 100 va passer par des états intermédiaires (états 1, 2 et 3). Au cours de déplacements, en translation, aller (état 0 vers état 4) et retour (état 4 vers état 0), le convertisseur 100 voit varier l'intensité du champ magnétique B continûment suivant une sinusoïde. Dans l'exemple de la figure 8, la deuxième couche 2 en matériau magnétostrictif va passer d'une contraction maximale (état 0) à un état peu déformé (état 1), puis à une élongation maximale (état 2) pour revenir à un état peu déformé (état 3). A chaque état, la (ou les) couche (s) 1,3 en matériau piézoélectrique subit une déformation importante générant des charges électriques qui sont collectées avant de basculer dans le prochain état. Notons que les charges pourraient alternativement être collectées uniquement à l'issue d'un cycle s'étendant sur deux états : par exemple, la récupération des charges peut être opérée à l'état 0, à l'état 2 et à l'état 4.

Dans le mode de réalisation de la figure 8, la source magnétique 50 comprend deux barreaux magnétiques 51,52 formant des réseaux d'Halbach. Un réseau d'Halbach se présente sous la forme d'un barreau 51,52 avec une succession d'aimants adjacents dont la disposition particulière accroît le champ magnétique d'un côté (côté espace interne de la source magnétique 50), tout en éliminant presque totalement le champ magnétique de l'autre côté (côté externe de la source magnétique 50). Ceci est obtenu en faisant tourner les orientations des champs magnétiques sur les aimants successifs.

La source magnétique 50 du générateur d'électricité 150 conforme à l'invention peut donc être constituée de deux barreaux magnétiques formant des réseaux d'Halbach, l'axe longitudinal y de chaque barreau étant disposé dans le plan de référence (x,y). Le mouvement relatif entre le convertisseur 100 et la source magnétique 50 est alors un mouvement en translation, selon ledit axe longitudinal (axe y dans l'exemple de la figure 8).

Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 6 et 7, la source magnétique 50 peut consister en un cylindre d'Halbach, dans l'espace interne duquel règne un champ magnétique B selon l'axe z, colinéaire avec l'axe principal d'aimantation A de la deuxième couche 2 et avec l'axe de polarisation P de la première couche 1. Dans un générateur d'électricité 150 tel que représenté sur ces figures, le mouvement relatif entre la source magnétique 50 et le convertisseur 100 est préférentiellement une translation selon l'axe z.

Il est également envisageable d'appliquer un mouvement en rotation autour d'un axe (x ou y par exemple) compris dans le plan de référence (x,y), le convertisseur 100 étant maintenu dans l'espace interne de la source magnétique 50 ; un tel mouvement va provoquer une variation de la composante du champ magnétique parallèle à l'axe principal d'aimantation A.

Selon un autre mode de réalisation, illustré sur la figure 9, le générateur d'électricité 150 comprend une deuxième source magnétique 60, apte à générer un champ magnétique b orienté dans le plan de référence (x,y). Par exemple, la première 50 et la deuxième 60 sources magnétiques pourront consister en des cylindres d'Halbach superposés, induisant chacun des champs magnétiques B, b perpendiculaires, à savoir l'un parallèle à l'axe z, l'autre parallèle à un axe du plan de référence (x,y). Considérons que l'état initial 0 (champ magnétique B) corresponde à une élongation maximale de la deuxième couche 2 selon l'axe principal d'aimantation A (et donc à une contraction maximale de la première couche 1 selon son axe de polarisation P) ; dans l'état 1 suivant, le champ magnétique B selon l'axe z est nul ce qui va provoquer une contraction de la deuxième couche 2 selon son axe d'aimantation A, accentuée par la présence du champ magnétique b selon l'axe y qui favorise la déformation de la deuxième couche 2 en matériau magnétostrictif dans le plan (x,y)·

Dans ce mode de réalisation, le mouvement relatif entre la source magnétique 50 et le convertisseur 100 est une translation aller/retour.

La figure 10b illustre également un générateur 150 dans lequel le convertisseur magnéto-électrique 100 est configuré pour se déplacer relativement à la source magnétique 50 par translation aller/retour. Dans ce cas de figure, la source magnétique 50 est non pas disposée à l'extérieur de la cage 20 mais à l'intérieur de celle-ci. Le mouvement relatif entre la source magnétique 50 (par exemple, constituée d'aimants) et le convertisseur 100 est rendu possible par la présence d'éléments élastiques (tels que des ressorts) qui permettent de déplacer la source entre différentes positions. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et exemples décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.