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Title:
MECHANICAL-ELECTRIC ENERGY CONVERTER AND WATCH PART COMPRISING THIS ENERGY CONVERTER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1998/027473
Kind Code:
A1
Abstract:
A mechanical-electric energy converter comprising a wheel for transmitting energy which rotates at a low speed. The teeth of the driving wheel shift the rotor of the generator from its position of equilibrium, causing it to oscillate around the wheel. This converter can produce high angular velocities without a speed-increasing gear train.

Inventors:
Mai, Xuan TU. (Chi�saz 13, Ecublens, CH-1024, CH)
Schwab, Michel (Rue du Cornouiller 4, Bienne, CH-2502, CH)
Musy, Jean-pierre (Chemin du Sidan 5, Begnins, CH-1268, CH)
Application Number:
PCT/IB1997/001569
Publication Date:
June 25, 1998
Filing Date:
December 16, 1997
Export Citation:
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Assignee:
PATEK PHILIPPE S.A. (141 chemin du Pont-du-Centenaire, Plan-les-Ouates, Plan-les-Ouates, CH-1228, CH)
Mai, Xuan TU. (Chi�saz 13, Ecublens, CH-1024, CH)
Schwab, Michel (Rue du Cornouiller 4, Bienne, CH-2502, CH)
Musy, Jean-pierre (Chemin du Sidan 5, Begnins, CH-1268, CH)
International Classes:
G04B17/00; G04C10/00; H02K1/14; H02K1/22; H02K7/18; H02K35/02; H02K16/00; (IPC1-7): G04C10/00
Foreign References:
DE3903706A1
EP0695978A1
FR92782E
US2791732A
US4091302A
Attorney, Agent or Firm:
MICHELI & CIE (122 rue de Gen�ve, Case postale 61, Th�nex, CH-1226, CH)
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Claims:
REVENDICATIONS
1. Convertisseur d'énergie mécanoélectrique comprenant des moyens de transmission d'énergie mecanique, composé d'au moins une roue dentée, des moyens de transformation d'énergie mécanique en énergie électrique, composés d'au moins un générateur électromagnétique présentant au moins un rotor entraîne par lesdits moyens de transmission d'énergie mécanique, caractérisé par le fait que chaque rotor de chaque générateur électromagnétique possède un couple de positionnement qui détermine sa position d'équilibre au repos en l'absence des couples externes, par le fait que l'entraînement du ou des rotors par les moyens de transmission d'énergie mécanique n'est actif que sur un angle limité aO du rotor, de façon à ce que le ou les rotors ne puissent pas tourner d'un tour complet, mais oscillent autour de leur position d'équilibre au repos.
2. Convertisseur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour redresser et pour multiplier la tension du générateur et des moyens pour stocker l'énergie électrique produite par le générateur.
3. Convertisseur d'énergie selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, caractérise par le fait que le générateur est constitué d'un rotor en aimant permanent, d'un circuit magnétique en matériau magnétique doux et une bobine couplée avec le flux créé par l'aimant du rotor.
4. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'entraînement du rotor par les moyens de transmission d'énergie mécanique est intermittant, ces moyens de transmission entraînant le rotor hors de sa position de repos; et par le fait que dès que la liaison mécanique d'entraînement du rotor est interrompue, celuici revient à sa position de repos en oscilliant autour de celleci à grande vitesse sous l'action du couple réluctant magnétique du convertisseur.
5. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la production d'énergie électrique est obtenue lors des oscilliations libres du rotor.
6. Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la roue dentée engrène avec un pignon à deux dents solidaires de chaque rotor.
7. Convertisseur selon la revendication 5, caracterisé par le fait qu'il comporte deux génératrices dont les rotors sont entraînés par la même roue dentée.
8. Convertisseur selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé par le fait que chaque génératrice comporte plusieurs rotors engrenant avec la même roue dentée.
9. Appareil électrique comportant un convertisseur d'énergie selon les revendications 1 à 8.
10. Appareil électrique selon la revendication 9 constitué par une pièce d'horlogerie comprenant un ressort de barillet couplé avec les moyens de transmission d'énergie mécanique du convertisseur, des moyens pour fournir une base de temps, des moyens de mesure de la vitesse de rotation moyenne des roues de transmission d'énergie mécanique, des moyens de régulation de la vitesse de rotation moyenne des roues de transmission, des moyens d'affichage de la vitesse moyenne des roues de transmission, caractérisé par le fait que lesdits moyens de régulation de la vitesse moyenne de rotation sont constitués par un frein électromagnetique dont le couple de freinage moyen est réglé par un organe de commande en fonction d'une vitesse de consigne.
11. Appareil électrique selon la revendication 9 ou la revendication 10, le frein électromagnétique étant constitué par un rotor en aimant permanent, un circuit magnétique en matériau magnétique doux et une bobine couplée avec le flux créé par l'aimant de rotor, caracterisé par le fait que le couple de freinage moyen est réglé par un organe de commande en fonction d'une vitesse de consigne en reliant les bornes de la bobine du frein à une résistance dont la valeur est variable.
12. Appareil électrique selon la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la vitesse de rotation moyenne des roues de transmission comprennent un circuit de mesure de la tension aux bornes du générateur, un circuit de comparaison entre la tension mesurée et une tension de référence fournissant un signal logique de niveau 1 à sa sortie lorsque la tension mesurée dépasse la tension de référence et un signal logique de niveau 0 dans le cas contraire, un circuit de comptage permettant de déterminer la durée entre deux passages successifs du signal logique de niveau 0 au niveau 1.
13. Appareil électrique selon la revendication 12, ledit circuit de comptage comprenant une base de temps, comprenant un oscillateur à quartz et des circuits de mise en forme et de division, caractérisé par le fait que la base de temps n'est pas active en permanence mais uniquement pendant la phase de mesure de la vitesse de rotation moyenne des roues de transmission d'énergie.
Description:
CONVERTISSEUR D'ENERGIE MECANO-ELECTRIOUE ET PIECE D'HORLOGERIE COMPORTANT UN TEL CONVERTISSEUR D'ENERGIE La présente invention a pour objet un convertisseur d'énergie mecanique en énergie électrique et les pieces d'horlogerie utilisant ces convertisseurs.

Les appareils électriques portables, ainsi que les pièces d'horlogerie électroniques à quartz utilisent essentiellement, comme source d'énergie, des piles ou des accumulateurs. L'inconvénient majeur de ces derniers réside dans leur durée de vie limitée. I1 est de ce fait intéressant de remplacer ces sources d'énergie électriques par une source d'énergie mécanique et un convertisseur d'énergie mécanique en énergie électrique.

Des convertisseurs d'énergie mécanique en énergie électrique sont connus. La demande de brevet européenne 0.665.478 décrit une montre électronique comportant une roue dentée (4) solidaire à une masse oscillante (8). La roue dentée entraîne plusieurs rotors placés à la périphérie d'une platine. Dans la demande de brevet internationale PCT 89/06833, il est décrit une montre électronique comportant une masse oscillante couplée avec le rotor d'une génératrice au travers d'un train d'engrenage multiplicateur de vitesse.

Les convertisseurs d'énergie décrits dans les demandes de brevets précitées présentent en commun les inconvénients suivants - pour obtenir une vitesse de rotation suffisante du rotor de la génératrice, il faut un rapport multiplicateur de vitesse important, ce qui entraîne une perte de place et une augmentation du coût du convertisseur.

- le grand rapport multiplicateur de vitesse introduit des pertes importantes par frottement, ce qui entraîne une diminution du rendement global du convertisseur.

Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un nouveau type de convertisseur tel que défini dans la revendication 1.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels La figure 1 représente un premier exemple d'exécution du convertisseur selon l'invention.

La figure 2 représente les positions respectives du rotor du générateur de la figure 1 en fonction de celles de la roue dentée; La figure 3 représente un deuxième exemple d'exécution du convertisseur selon l'invention; La figure 4 représente un premier exemple d'utilisation du convertisseur selon l'invention; La figure 5 représente une deuxième forme d'exécution du convertisseur selon l'invention; La figure 6 représente le frein électromagnétique utilisé dans 1 exemple de la figure 5.

La figure 7 représente le dispositif de mesure de la vitesse moyenne de roues de transmission.

La figure 8 illustre une troisième forme d'exécution du convertisseur selon l'invention.

La figure 1 represente un premier exemple d'exécution du convertisseur selon 1 invention. Ce convertisseur possède une roue dentée 11 tournant sous l'effet d'une source d'énergie mécanique, soit une masse oscillante, soit un ressort de barillet. La roue dentée 11 entraîne le pignon 12, solidaire du rotor 13, d'un générateur électromagnétique. Ce rotor constitué d'un aimant permanent cylindrique, est logé dans un entrefer de forme pratiquement cylindrique, aménagé dans un stator en matériau ferro-nickel. Le flux créé par le rotor est couplé avec la bobine 15 du générateur. Sur la surface cylindrique de l'enterrer statorique, on cre deux ouvertures semi-circulaires 16a et 16b dans le but de donner au rotor un couple réluctant magnétique.

La figure 2 représente les positions respectives du rotor du générateur en fonction de celle de la roue dentée 11. A l'instant t = T1, le pignon du rotor du génerateur se trouve entre les dents 1 et 2 de la roue dentée, la dernière n'exerçant aucun couple sur le rotor. Le rotor, sous l'effet du couple réluctant magnétique, se positionne selon l'axe R. A l'instant t = T2, la roue dentée 11, tournant dans le sens de l'aiguille d'une montre, entraîne le pignon du rotor du générateur et l'écarte d'un angle aO par rapport à sa position initiale. A l'instant t = T3, la dent 2 de la roue dentée n'étant plus en prise avec le pignon du rotor du générateur, le rotor décroche et oscille autour de sa position de repos, c'est-à-dire l'axe R sous l'action du couple réluctant magnétique. Etant donne la très faible inertie du rotor, ce dernier peut atteindre des vitesses angulaires très élevées (vitesse angulaire dépassant 600rad/sec). Le mouvement oscillant à fréquence élevée du rotor permet d'obtenir aux bornes de la bobine 15 du générateur une tension induite de niveau élevé.

L'intérêt de cette conception réside dans le fait que l'énergie électrique fournie par le génerateur dépend de la vitesse d'oscilliation du rotor 13 lorsqu'il est libéré du pignon 12. Du fait que pendant ses oscilliations libres du rotor il est dégagé du pignon 12, sa vitesse d'oscilliation n'est fonction que de son inertie et du couple réluctant magnétique. On peut ainsi obtenir de grandes vitesses angulaires d'oscilliation du rotor permettant à son tour la création par induction dans la bobine 15 d'une tension élevée, tension pouvant atteindre plusieurs Volts alors que dans les générateurs actuels une tension d'une fraction de Volts seulement peut être atteinte.

Ainsi, une caractéristique originale du convertisseur d'énergie mécanique en énergie électrique réside dans le fait que la production d'énergie électrique est obtenue lorsque le rotor est libre et non pas lorsqu'il est entraîne mécaniquement par une masse oscilliante ou un barillet comme c'est le cas dans les réalisations antérieures.

Lorsque la bobine 15 du générateur est reliée à une charge, le mouvement oscillant du rotor est rapidement amorti sous l'effet du courant de charge. De ce fait, à l'instant t = T4, on retrouve la même situation du rotor par rapport à la roue dentée 11 qu'à l'instant t = T1.

On voit que le convertisseur mécano-electrique selon 1 invention permet d'obtenir une grande vitesse instanta- née du rotor du générateur à partir d'une faible vitesse moyenne de la roue dentée et sans train d'engrenage multiplicateur de vitesse. De plus, pendant la conversion mécano-électrique, le générateur n'est soumis qu'à ses propres pertes mécaniques, le rotor étant libre, ce qui permet d'obtenir un rendement global élevé.

La figure 3 représente un deuxième exemple d'exécution du convertisseur selon l'invention. Dans cette figure, la roue dentée 31 engrène simultanement les rotors 33a et 33b grâce aux pignons 32a, respectivement 32b. Les positions de repos respectives des rotors sont décalées de façon à ce que la variation de couple de réaction total sur la roue 31 soit minimale.

La figure 4 représente un premier exemple d'utilisation du convertisseur selon l'invention. Dans cet exemple, le ressort de barillet 40 fournit l'énergie mécanique au convertisseur à travers la roue de transmission 41; la tension induite aux bornes de la bobine 45 du convertisseur est redressée et multipliée à l'aide du redresseur 46. L'énergie électrique transformée est ensuite stockée dans les capacités C1 et C2. Cette énergie peut être utilisée par un appareil électrique représenté sous forme d'une résistance de charge Rc.

La figure 5 représente un deuxième exemple d'utilisation du convertisseur selon l'invention. Il s'agit dans ce cas d'une pièce d'horlogerie électronique dont la source d'énergie est d'origine mécanique. La source d'énergie 50, composée d'un ressort de barillet, distribue l'énergie mécanique à travers les rouages 51.

Des moyens d'affichage 52, formés généralement des aiguilles, sont liés mécaniquement aux rouages 51. Les rouages 51 entraînent également le convertisseur 53, lequel fournit l'énergie électrique au redresseur 54, qui emmagasine cette énergie dans la capacité C. L'énergie emmagasinée sert à alimenter l'organe de commande 56 et les moyens de mesure de vitesse 55. Le frein électromagnetique 57, dont le couple de freinage est réglé par l'organe de commande 56 en fonction de la vitesse moyenne de rotation du rouage permet de réguler cette dernière.

La figure 6 représente un exemple d'exécution du frein électromagnétique. Ce frein est constitué par un circuit magnétique 61 réalisé en matériau ferromagnétique, un rotor 62 en aimant permanent de forme cylindrique, une bobine 63 couplée avec le flux crée par le rotor 62.

les bornes de la bobine 63 sont reliées avec un réseau de résistances de freinage 64. La valeur effective de la resistance de freinage peut être réglée par des interrupteurs commandés par les signaux de commande provenant du bloc 65, ce qui permet de modifier le couple de freinage s'exerçant sur le rotor 62.

La figure 7 représente un exemple d'exécution du dispositif de mesure de vitesse de rotation moyenne des roues de transmission du convertisseur selon l'invention.

Ce dispositif comprend un circuit de mesure 71 de la tension aux bornes du générateur; cette tension, variant fortement lors de chaque décrochement du pignon du rotor du générateur selon les explications relatives aux figures 2a, 2b, 2c, et 2d, est fournie à l'entrée du circuit de comparaison 72 qui la compare avec une tension de référence Uréf. La sortie du circuit 72 délivre un signal logique de niveau 1 ou 0 suivant que la tension mesurée est supérieure à ou inférieure à la tension de référence.

Ce signal logique permet au compteur 73 de déterminer la duree entre deux décrochements du pignon de rotor, c'est- à-dire l'inverse de la vitesse angulaire moyenne des roues de transmission, en comptant le nombre d'impulsions d'horloge entre deux passages successifs du signal logique de niveau 0 au niveau 1. La base de temps 74, comprenant un oscillateur à quartz, des circuits de mise en forme et de division, fournit le signal d'horloge CK au compteur 73. Cette base de temps est alimentée en énergie électrique par la capacité C du bloc 54 de la figure 5.

Afin d'économiser l'énergie électrique emmagasinee dans la capacité C, la base de temps 74 n'est pas alimentée en permanence mais uniquement pendant la phase de mesure de la vitesse de rotation moyenne, le contrôle de l'alimentation de la base de temps étant assuré par l'interrupteur 1 7.

La troisième forme d'exécution du convertisseur illustré à la figure 8 comporte une roue dentée 61 entraînée mécaniquement par un barillet ou une masse excentrée et engrenant avec les pignons 62a,62b de deux rotors 63a,63b logés dans un même stator 64 comprenant deux jambes 64a,64b autour desquels sont enroulées les bobines 65a,65b.

Ici également l'entraînement du rotor 63 par la roue dentée 61 ne se fait pas simultanément, les dents des pignons 62a,62b etant en position de repos disposés paral- lèlement mais engrenant avc les dents de la roue 61 pour des positions angulaires différentes de cette roue.