La présente invention concerne un convertisseur d'énergie pouvant être utilisé dans des domaines de l’industrie qui nécessitent une maîtrise de systèmes électromécaniques à très faible déperdition d’énergie. L’invention peut également être utilisée dans divers domaines tels que l’alimentation de systèmes domestiques, d’habitation, de locaux de différents types.

La diminution des émissions de dioxyde de carbone (C02) est un défi majeur auquel sont confrontées les industries actuelles. Les exigences des normes en la matière sont régulièrement revues à la hausse dans la recherche d'énergies dites « propres ».

La baisse des coûts d’alimentation en énergie électrique constitue également une problématique à la base de l’invention. Outre l’amélioration constante des rendements des moteurs thermiques classiques, qui s'accompagne d'une baisse des émissions de C02, les machines tournantes électriques visent à maximiser leurs rendements et se positionnent aujourd'hui comme une solution des plus prometteuses pour réduire globalement les émissions de C02.

Différentes technologies de conversion ou de stockage d'énergie électrique ont été testées dans les dernières années afin de répondre aux besoins des industries utilisant des machines tournantes. Il apparaît aujourd'hui que les batteries à cellule lithium-ion (Li-ion) sont celles susceptibles de fournir le meilleur compromis entre la densité de puissance, qui favorise les performances en termes d'accélération notamment, et la densité d'énergie, qui favorise l'autonomie. Cependant, l'utilisation de cette technologie Li-ion pour constituer des batteries n'est pas sans poser de nombreuses difficultés, notamment si l'on considère les durées de vie de ces batteries, sensibles aux cycles de charges et décharges, ainsi que les niveaux de tension nécessaires aux bornes de la batterie, par exemple de l'ordre de 400 volts (V) pour une batterie de traction de véhicule, ou encore les niveaux de puissance de recharge nécessaires, de l'ordre de 2 à 3 kilowatts-heure en charge lente pendant plusieurs heures, jusqu'à plusieurs dizaine de kilowatts-heure en charge rapide pendant quelques dizaines de minutes. De plus, la fabrication de ces batteries nécessite parfois des matériaux rares ayant un bilan carbone désavantageux.

On connaît des convertisseurs d'énergie, en particulier des systèmes à alternateurs électromécaniques, qui comportent un élément de stockage permettant une accumulation d’énergie. Un exemple d’un système convertissant une énergie mécanique en énergie cinétique est connu par exemple sur certains vélos elliptiques comportant un système rotatif permettant le stockage et la restitution d’énergie cinétique par des systèmes connus de transmission de puissance mécanique à poulies. On sait notamment qu'une toupie ou une masse, quelle que soit son poids, lancée en rotation, perdra plus ou moins vite son énergie si elle n’est pas relancée. La quantité d’énergie emmagasinée est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation. On peut alors constituer un volant d'inertie par une masse, souvent un disque mécanique massif, qui peut être fixé sur un axe et mis en rotation par l'application d'un couple, augmentant sa vitesse de rotation et donc l’énergie emmagasinée. Différentes variantes proposent comme masse un disque, un anneau ou un cylindre par exemple, éventuellement couplées à un système contrarotatif. Un tel système présente néanmoins des inconvénients.

D'abord, un système tel que celui donné en exemple nécessite une mise en mouvement mécanique forte, proportionnelle à la masse du volant d’inertie ce qui limite l'utilisation d'une masse trop élevée notamment pour la relance de la rotation. A l'inverse, une masse trop faible empêche l'efficience de l'inertie, créant un manque de fluidité de la rotation pouvant générer un emballement du mécanisme. La multiplicité des solutions de conversion d’énergie rend par ailleurs compliqué l’accès à ces technologies pour les acteurs de secteurs non industriels.

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.

L’objectif de la présente description est de fournir un convertisseur d’énergie utilisable par le grand public comme pour l'industrie et ne présentant pas au moins certains des inconvénients précités des dispositifs connus de l’art antérieur.

Ce but est atteint grâce au fait que le convertisseur d’énergie est apte à être insérée entre deux points d’un réseau électrique à courant alternatif et comprend un volant d’inertie apte à être mis en rotation et comprenant un corps périphérique, un élément principal de transmission mécanique apte à coopérer avec le volant d’inertie et formant une boucle fermée ayant une face intérieure et une face extérieure, au moins un élément rotatif auxiliaire associé en rotation au volant d’inertie via la face intérieure de l'élément principal de transmission mécanique, un moyen d’entraînement en rotation, une génératrice électrique associée en rotation au volant d’inertie via un élément de transmission mécanique de sortie, un élément de transmission mécanique d’entrée configuré pour coopérer avec le moyen d'entraînement en rotation pour mettre en rotation le volant d’inertie, un pignon de renvoi placé entre le volant d’inertie et l'au moins un élément rotatif auxiliaire, le pignon de renvoi étant associé en rotation au volant d’inertie via la face extérieure de l'élément principal de transmission, le volant d’inertie comportant une saillie radiale apte à entrer périodiquement en contact avec ledit pignon de renvoi.

L’invention vise ainsi à proposer un convertisseur d’énergie permettant l'entretien par des impulsions répétées d'une mise en mouvement d'une masse. L'énergie libérée par le mouvement de la masse peut ainsi être conservée sensiblement proche d’une valeur constante souhaitée, de sorte que l’invention soit facilement intégrable dans un système électromécanique existant, tout en offrant une possibilité d’adaptation à l’usage souhaité.

Grâce à ces dispositions, le convertisseur d’énergie peut, dans un fonctionnement nominal, conserver, transmettre et utiliser périodiquement une énergie cinétique du pignon de renvoi.

Avantageusement, le moyen d’entraînement en rotation est un moteur électrique alternatif à aimants permanents.

Avantageusement, le volant d’inertie et l'élément rotatif auxiliaire sont des roues ayant des diamètres configurés pour permettre un rapport de transmission de puissance par l'élément principal de transmission sensiblement égal à 1 ,2.

Avantageusement, la face intérieure et la face extérieure de l'élément de transmission sont crantées.

Avantageusement, l’élément d’entraînement est un moteur sans balai.

Avantageusement, le volant d’inertie est une roue inertielle montée en pivot sur un essieu via un palier mécanique principal qui est apte à limiter les frottements entre ledit essieu et le volant d’inertie.

Avantageusement, le palier mécanique principal est un palier à sustentation magnétique comportant un élément supraconducteur ou un électroaimant.

Avantageusement, le pignon de renvoi comporte un bras et le patin entre en contact avec le pignon de renvoi au niveau dudit bras.

Avantageusement, le convertisseur d’énergie comporte en outre un deuxième moyen d’entraînement en rotation associé à un deuxième élément de transmission mécanique d'entrée apte à entraîner en rotation le volant d’inertie.

Avantageusement, le corps périphérique est constitué dans un matériau ayant une densité volumique de masse configurée pour lester le volant d’inertie de plus de quatre-vingts kilogrammes.

L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d’un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 est une vue schématique de face d’un convertisseur d'énergie selon l’invention.

La figure 2 est une vue schématique de face du convertisseur d’énergie de la figure 1 , sans son moyen d’entraînement et sans sa génératrice.

La figure 3 est une vue de dessus du convertisseur d’énergie de la figure 1 .

Dans la description qui suit, le convertisseur d’énergie est décrit dans un mode de réalisation tel que les différents éléments rotatifs tournent tous selon des axes environ horizontaux, donc sensiblement parallèles entre eux, avec les roues et les courroies s'étendant dans des plans environ verticaux et sensiblement coplanaires.

En l’espèce, dans la description qui suit, les termes ‘élément d’entraînement’, ‘élément rotatif’ et 'élément de transmission', devront être interprétés dans un sens large pour qualifier un des éléments adapté pour réaliser une action destinée à rendre mettre en rotation un ou plusieurs éléments simultanément par rapport à leurs supports, notamment par rapport à leurs essieux, quelle que soit la position distance des différents éléments.

Il est à noter que les expressions "approximativement" , "sensiblement", "environ", "de l’ordre de", etc. signifient ici qu’une légère variation par rapport à la valeur proposée à titre indicatif est possible, notamment d’un pourcentage faible, en particulier à dix pourcents près. Par souci de clarté, seuls les éléments structurels des modes de réalisation décrits ont été représentés et seront détaillés.

La Figure 1 représente un convertisseur d’énergie 1 selon l’invention, par exemple utilisable en association avec un système électromécanique existant.

Le convertisseur d’énergie 1 comprend un moyen d’entraînement en rotation 2, par exemple un moteur électrique consommant un courant alternatif. Par exemple, le moyen d’entraînement 2 est un moteur sans balai. Idéalement, et pour les usages les plus répandus de la présente invention, le moyen d’entraînement 2 est un moteur électrique d’une puissance de dix kilowatts et entraînant en rotation un stator à mille cinq cents tours par minutes. Le moyen d’entraînement 2 peut comprendre une technologie à aimants permanents.

Le convertisseur d’énergie 1 comprend en outre une génératrice électrique 3 , qui est par exemple un moteur électrique générant un courant alternatif grâce à un stator et un rotor. La génératrice 3 est par exemple dimensionnée de manière à pouvoir délivrer vingt à trente kilovolts si elle tourne à trois mille tours par minutes. Le convertisseur d’énergie 1 est par exemple prévu pour être intégré sur un réseau électrique (non représenté) entre le moyen d’entraînement 2 et la génératrice 3. Par exemple, il peut être inséré entre deux points d’un réseau électrique à courant alternatif, idéalement mais de façon non limitative, sur le courant de secteur d’un réseau d'électricité domestique quel que soit le pays d'utilisation de la présente invention.

Le moyen d’entraînement 2 peut être piloté de manière à démarrer de façon progressive. Le moteur 2 comprend un accumulateur de charges électriques, par exemple couplé à un électro-aimant ou encore une technologie de mise en rotation à induction électromagnétique, de manière à permettre une utilisation nomade de la présente invention. Le rotor est monté sur un pignon 4 qui peut être à périphérie crénelée.

Comme illustré sur la Figure 1 , le moyen d’entraînement 2 est constitué d'une partie circulaire telle qu'un disque, un anneau ou un cylindre, mise en rotation. Un élément de transmission mécanique d’entrée 5 est prévu sur le moyen d’entraînement 2. Cet élément de transmission d’entrée 5 est par exemple une courroie. Cette courroie d’entrée 5 peut être par exemple une courroie dentée simple en matériau souple tel que du caoutchouc. Par « souple », on entend un matériau qui est réalisé tout ou partiellement à partir d’un matériau plastique ou d’un polymère par exemple à base de nylon. Par exemple, la courroie d’entrée 5 peut comprendre du polypropylène. Par « souple » on entend également que la courroie a la capacité de se déformer mécaniquement, élastiquement, de façon répétée, à périmètre environ constant et sans détérioration. La courroie d’entrée 5 est considérée comme suffisamment souple si elle est potentiellement déformable sous une action mécanique soumise par les éléments de rotation de la présente machine tournante. Il doit être compris que la courroie 5 peut élastiquement changer de forme, en particulier qu’il forme une boucle fermée qui peut élastiquement changer de forme. Elle comprend par exemple deux faces qui peuvent être toutes les deux crantées. Elle est apte à coopérer avec le moyen d’entraînement d’entrée 2 qui le met en rotation. Elle peut être de type poly-V, c'est à dire constituée d'une pluralité de rainures ayant des formes de Y, de manière à minimiser son bruit lors de la rotation, ce qui constitue un avantage important pour ce type de machine tournante 1 .

La courroie d'entrée 5 transmet sa rotation à un volant d’inertie 7. Le volant d’inertie 7 est un disque ou un anneau monté en rotation, par exemple sur un essieu 8. L’essieu 8 peut comprendre un palier 9 lisse ou à roulements de manière à limiter les frottements qui sont non souhaités lors de la rotation. Par exemple, un tel palier 9 peut être à sustentation magnétique, comporter un élément supraconducteur ou un électroaimant. Le mouvement de rotation du volant d’inertie 7 est généré par transmission à courroie, ce qui présente l’avantage de la simplicité et permet un raccordement multiple de plusieurs courroies d’entrée sur le même arbre du volant d’inertie 7. Le volant d’inertie 7 est mis en rotation par la courroie d'entrée 5 et entraîne un moyen de transmission mécanique de sortie 6 lié à la génératrice électrique 3. Par exemple, le moteur 2 et la génératrice 3 se trouvent de part et d'autre du volant d’inertie 7. Par exemple, deux moyens d'entraînement peuvent simultanément mettre en rotation le volant d’inertie 7, de manière à doubler l’énergie cinétique dudit volant 7 tout en permettant d’assurer la fonction d’entraînement en rotation même si l’élément de transmission d’entrée 5 ou le moyen d'entraînement 2 venait à faire défaut. Cette redondance de courroie d’entrée 5 est nécessaire par exemple si celle-ci finit par se détendre et n’assure plus de contact pour la transmission mécanique ou si l’élément d'entraînement 2 subit un défaut. Alternativement, le moteur 2 peut comprendre un électro-aimant couplé à un aimant permanent situé sur le volant d'inertie 7, à la place de la courroie d’entrée 5.

Le volant d’inertie 7 comprend un corps périphérique 10. Par exemple, le corps périphérique 10 est une masse placée sur la périphérie du volant d’inertie 7. Avantageusement, la masse 10 est placée sur toute la périphérie du volant d'inertie 7. Ainsi, la rotation du volant d'inertie 7 est tout-à-fait fluide et régulière. Idéalement, la masse 10 permet un lestage de plus de quatre-vingts kilogrammes. La masse 10 est constituée d'un matériau ayant une masse volumique permettant de choisir le lestage. La masse 10 évite également les phénomènes de balourd qui peuvent devenir dangereux lors des grandes vitesses de rotation. Ainsi, le volant d'inertie 7 est apte à être mis en rotation et à emmagasiner une énergie cinétique de rotation Ec qui peut être approximé par la formule Ec = 1/2 m.(R.w) ^A 2 où m est la masse du corps périphérique 10 et v sa vitesse angulaire de rotation et R le rayon du volant d'inertie 7 incluant le corps périphérique 10. Le volant d'inertie 7 doit être dimensionné pour tourner à vitesse nominale de cinq-cents tours par minutes lorsque le moteur d'entraînement 2 tourne à mille cinq cents tours par minute. Un rapport de transmission de trois est donc prévu entre le moteur d'entraînement 2 et le volant d'inertie 7.

Comme illustré sur la Figure 1 , le convertisseur d’énergie 1 comprend un élément de transmission mécanique de sortie 6 associé à la génératrice électrique 3. Cet élément de transmission de sortie 6 est par exemple une courroie. Idéalement, la courroie de sortie 6 a les mêmes caractéristiques physiques que la courroie d’entrée décrite précédemment.

Comme illustré sur la Figure 2, l'invention comporte un élément principal de transmission mécanique 1 1 , ou courroie principale 1 1 , formant une boucle fermée et ayant une face intérieure 1 1 i et une face extérieure l i e. La courroie principale l i a une forme de ruban dont les deux faces 1 1 i , l i e sont crantées. La courroie principale 1 1 , idéalement de type poly-V, est choisie dans les modèles proposés de type haut de gamme, c'est-à-dire dont la qualité de fabrication assure une utilisation sans rupture sur plus de cent mille kilomètres de parcours de la courroie 1 1 .

L'invention comporte au moins un élément rotatif auxiliaire 12, 13 , associé en rotation au volant d'inertie 7 via la face intérieure 1 l i de l'élément principal de transmission 1 1 . Idéalement, deux éléments rotatifs auxiliaires 12, 13 sont prévus. Les deux éléments rotatifs 12, 13 sont par exemple des roues crantées 12, 13 montées sur des moyeux à paliers lisses ou à roulements et positionnées entre la génératrice 3 et le volant d'inertie 7. La courroie principale 1 1 entraîne à la fois le volant d’inertie 7 et les deux roues auxiliaires 12, 13 grâce à sa face intérieure 1 1 i crantée. Idéalement, la roue secondaire 12, 13 ou les roues auxiliaires 12, 13 sont dimensionnées de manière à tourner à environ cent tours par minutes de moins que le ou le moteur d'entraînement 2. Par exemple, un rapport de transmission proche de cent vingt pourcents existe entre la roue de l’élément d'entraînement 2 et une roue secondaire 12, 13.

Au moins un pignon de renvoi 14, idéalement un unique pignon de renvoi 14 constitué par une roue folle crantée est prévu entre le volant d’inertie 7 et les roues auxiliaires 12, 13. Par exemple, le pignon de renvoi 14 a un diamètre de cent-vingt millimètres. Le pignon de renvoi 14 est associé en rotation au volant d’inertie 7 via la face extérieure de la courroie principale 1 1 . Le pignon de renvoi 14 tourne donc dans un sens opposé au sens de rotation du volant d’inertie 7. Le pignon de renvoi 14 est par exemple cranté et coopère directement avec les dents pourvues sur la face extérieure l i e de la courroie principale 1 1 . De telles dents peuvent par exemple avoir une forme trapézoïdale. Le pignon de renvoi 14 permet notamment d'induire une tension de la courroie principale 1 1 . Par exemple, le pignon de renvoi 14 peut être associé à une roue folle lui permettant de fonctionner en roue libre, c'est-à-dire de pouvoir continuer de tourner librement malgré une interruption momentanée de son entraînement en rotation par la courroie principale 1 1 .

Comme illustré sur la Figure 3 , le volant d’inertie 7 peut comporter une saillie radiale 15. La saillie radiale 15 est par exemple un patin 15 apte à entrer périodiquement en contact avec le pignon 14 au cours de la rotation du volant d'inertie 7 et du pignon 14. Par exemple, le pignon 14 peut entrer en contact avec frottement avec le patin 15. Par exemple, le patin 15 peut être constitué dans un matériau souple ou élastique qui se déforme élastiquement, notamment s’écrase, lors de son contact avec le pignon 14. Par exemple, le patin 15 peut être une dent ou être pourvu de plusieurs dents de manière à coopérer avec la courroie principale 1 1 . Le pignon 14 est dimensionné pour que le patin 15 entre en contact avec sa périphérie au moins une fois par tour de rotation. Le patin 15 peut s'étendre autour du volant d’inertie 7 de manière à permettre un contact avec le pignon 14 sur cinq à trente pourcents à chaque tour de rotation du volant d’inertie 7. La longueur choisie du patin 15 permet de définir la fréquence de contact entre le patin 15 et le pignon 14 et la durée de ce contact. Le patin 15 peut être très fin si le volant d’inertie 7 est proche du pignon 14. Par exemple, si le volant d’inertie 7 est relativement éloigné du pignon 14, le patin 15 peut comporter un bras étendu radialement de manière à entrer en contact avec le pignon 14 au niveau du bras, donc de façon relativement déportée par rapport à la périphérie du volant d’inertie 7. La longueur du bras peut ainsi permettre que le pignon 14, à chaque impulsion sur le bras, lui fournit par un effet de levier une plus grande vitesse de rotation que si la saillie 15 était courte, peu étendue radialement et proche du volant d’inertie 7.

L’invention qui vient d’être décrite, qui utilise un volant d’inertie 7 qui assure un stockage d’énergie à restituer à la génératrice 3 et qui est doté d’une saillie radiale 5 qui coopère avec un pignon de renvoi 14, lui-même entraîné par une courroie 1 1 liée au volant d’inertie 7, pour fournir des impulsions permettant d’entretenir la rotation du volant d’inertie 7, peut donc délivrer une énergie électrique avec un rendement amélioré en limitant considérablement la consommation du moteur d’entraînement 2 et en permettant de fournir de l’énergie électrique stockée dans le volant d’inertie 7, même après arrêt du moteur 2.