Dispositif autonome de génération d'énergie électrique

La présente invention se rapporte à un dispositif autonome de génération d'énergie électrique. Le dispositif selon l'invention utilise la variation du flux magnétique à travers une bobine à induction pour créer un courant électrique. La présente invention concerne également un dispositif de télécommande alimenté par le dispositif autonome de génération d'énergie électrique.

Dans la suite de la description, on entend par dispositif autonome de génération d'énergie électrique, un dispositif permettant de créer un courant électrique sans source de courant et sans raccordement à un réseau électrique, c'est-à-dire sans fil.

Il est connu par la demande de brevet US 2003/048018 une machine électrique comportant un stator doté d'une pluralité de conducteurs magnétiques, un conducteur électrique constitué d'un enroulement s'étendant à travers chaque conducteur magnétique et une partie mobile comprenant une pluralité d'aimants permanents, cette partie mobile étant apte à se déplacer par rapport au stator pour créer un courant électrique dans l'enroulement. Chaque conducteur magnétique forme avec des aimants permanents un circuit magnétique s'étendant autour d'une partie de l'enroulement. Dans ce document, le flux magnétique créé se divise en deux et la variation de flux obtenu dans la bobine n'est donc pas suffisante pour créer un courant électrique à une intensité suffisamment forte.

Il est également connu par la demande de brevet WO 2004/093299 un convertisseur d'énergie mécanique en énergie électrique. Ce convertisseur comporte un aimant permanent et un élément magnétique doux formant tous deux un circuit magnétique et une bobine électrique entourant une partie du circuit magnétique. L'élément magnétique doux et l'aimant permanent sont montés rotatifs l'un par rapport à l'autre, ce qui permet lors d'un mouvement de créer une variation de flux dans le circuit magnétique traversant la bobine, entraînant la génération d'un courant électrique dans la bobine.

Le document WO 2004/093299 prévoit d'utiliser le convertisseur dans un commutateur d'énergie autonome, c'est-à-dire sans source d'énergie et sans fil. Lors de l'activation mécanique du commutateur, le courant électrique généré par la variation du flux magnétique traversant la bobine permet d'alimenter un émetteur de signal radio. Le signal radio est envoyé vers un récepteur distant qui se charge alors de mettre en marche

un appareil électrique. Lorsque le commutateur est très éloigné du récepteur ou est séparé de celui-ci par de nombreux obstacles, le signal radio généré n'est pas toujours suffisant pour atteindre systématiquement le récepteur. Pour améliorer les performances du convertisseur, il faut augmenter le nombre de spires de la bobine ce qui augmente la taille du commutateur et ce qui, compte tenu du coût du fil de cuivre utilisé pour le bobinage, le rend beaucoup plus onéreux.

Le but de l'invention est de proposer un dispositif de génération d'énergie électrique du type de celui décrit ci-dessus présentant des performances améliorées tout en conservant un encombrement réduit et un coût modeste.

Ce but est atteint par un dispositif autonome de génération d'énergie électrique comprenant : une bobine d'excitation dotée d'une ouverture centrale, un circuit magnétique traversant l'ouverture centrale de la bobine et formé d'une partie fixe et d'une partie mobile pouvant se déplacer par rapport à la partie fixe pour faire varier le flux magnétique à travers la bobine d'excitation et créer un courant électrique dans la bobine d'excitation, caractérisé en ce que, le circuit magnétique traverse plusieurs fois l'ouverture centrale de la bobine d'excitation en formant au moins une boucle.

Selon une particularité de l'invention, le circuit magnétique traverse deux fois l'ouverture centrale de la bobine d'excitation en formant une boucle.

Selon une autre particularité, le circuit magnétique traverse deux fois l'ouverture centrale de la bobine d'excitation par sa partie fixe en formant une boucle.

Ainsi dans un dispositif de génération d'énergie électrique qui comporte un circuit magnétique traversant deux fois la bobine d'excitation en formant une boucle, on augmente l'inductance et donc la quantité d'énergie stockée dans la bobine selon la relation E=1/2.L.I ² , dans laquelle E est l'énergie stockée dans la bobine, L est l'inductance de la bobine, et I l'intensité du courant créé par la variation du flux magnétique à travers la bobine.

De ce fait, pour une vitesse d'actionnement de la partie mobile donnée et pour un même nombre de spires de la bobine, le courant généré par la variation de flux magnétique à travers la bobine dans le dispositif selon l'invention est multiplié par un

facteur deux par rapport à celui généré dans un dispositif de l'art antérieur dans lequel le circuit magnétique ne traverse qu'une seule fois la bobine. Selon la relation définie ci- dessus, l'énergie E stockée dans la bobine est donc également multipliée par deux dans le dispositif selon l'invention, par rapport à celle générée dans un dispositif de l'art antérieur.

En outre, le matériau ferromagnétique servant à réaliser le circuit magnétique, tel que par exemple du fer, est largement moins onéreux que le cuivre employé pour former les spires de la bobine. Il serait donc parfaitement avantageux et économique de minimiser la quantité de cuivre nécessaire pour améliorer les performances du dispositif en la compensant par une augmentation de la quantité de fer utilisé.

L'augmentation de la longueur du circuit magnétique tend naturellement de par son principe à augmenter l'inductance (longueur de fer plus importante à flux identique) ce qui permet donc d'augmenter l'énergie stockée dans la bobine selon la relation E=1/2.L.I ² déjà définie ci-dessus.

Selon l'invention, la bobine va permettre de récupérer l'énergie liée à une variation de flux et à la rapidité de cette variation. L'augmentation des performances de génération d'énergie est également réalisée en ajustant le pic de tension qui est liée à la vitesse de variation du flux magnétique à travers la bobine. La vitesse de variation du flux magnétique correspond à la vitesse du mouvement de la partie mobile du circuit magnétique par rapport à sa partie fixe.

Ainsi, le dispositif selon l'invention permet d'obtenir des performances améliorées par rapport à celles d'un dispositif de l'art antérieur sans augmenter sa taille et son encombrement ou d'obtenir des performances équivalentes à celles d'un dispositif de l'art antérieur avec une taille et un encombrement plus réduits.

Selon une autre particularité, la partie fixe comporte une embase reliée à deux bras non jointifs, un premier bras et un deuxième bras, traversant chacun l'ouverture centrale de la bobine d'excitation.

Selon l'invention, la partie fixe du circuit magnétique est donc réalisée en trois parties distinctes, l'embase et les deux bras. En fabrication, les deux bras sont passés à travers l'ouverture centrale de la bobine et chaque jambe de l'embase est ensuite reliée à une extrémité d'un bras ce qui permet de créer un sous-ensemble complet parfaitement rigide. Les bras peuvent être noyées dans le matériau composant l'armature de la bobine.

Selon l'invention, un champ magnétique circulant dans le circuit magnétique parcourt un chemin passant par la partie mobile, le premier bras, l'embase, le deuxième

bras, avant de revenir à la partie mobile, le passage du champ magnétique se faisant dans un même sens dans les deux bras.

Selon une autre particularité, chaque bras présente une extrémité libre formant une butée pour la partie mobile.

Selon une autre particularité, l'embase présente une forme en U comportant deux jambes parallèles enjambant la bobine d'excitation. Les jambes parallèles de l'embase comportent par exemple chacune une fente pour recevoir une extrémité d'un bras.

Selon une autre particularité, la partie mobile comporte un aimant permanent mobile apte à effectuer un mouvement de rotation. Le mouvement de rotation de l'aimant permanent est par exemple un mouvement de balancier effectué entre deux positions extrêmes limitées par des butées. Les butées sont par exemple formées par l'extrémité libre des bras traversant la bobine.

Avantageusement, la partie mobile est montée sur des moyens élastiques sollicitant la partie mobile vers l'une des positions extrêmes.

Selon une particularité, la partie mobile présente une forme en H et est composée de l'aimant permanent pris entre deux couches ferromagnétiques parallèles.

Selon une autre particularité, l'aimant permanent présente une direction d'aimantation perpendiculaire aux plans définis par les deux couches ferromagnétiques.

Selon une autre particularité, la partie mobile est actionnée manuellement. Le dispositif est alors actionné par un interrupteur de type à bascule ou poussoir. La partie mobile peut également être mise en mouvement par un organe mécanique dans un détecteur de position.

Selon l'invention, le dispositif peut être fabriqué en technologie MEMS.

L'invention concerne également un dispositif de télécommande comportant un émetteur couplé à un récepteur distant, et un dispositif autonome de génération d'énergie électrique tel que décrit précédemment, pour générer un courant électrique destiné à alimenter l'émetteur.

D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 représente un sous-ensemble d'un dispositif de télécommande alimenté par un dispositif autonome de génération d'énergie électrique selon l'invention, la figure 2 représente, en vue éclatée, la partie fixe du circuit magnétique utilisé dans le dispositif selon l'invention, la figure 3 représente en vue de trois quart, le dispositif autonome de génération d'énergie électrique selon l'invention, configuré pour être mis en œuvre dans un dispositif de télécommande, la figure 4 représente en vue de dessus, le dispositif autonome de génération d'énergie électrique selon l'invention, configuré pour être mis en œuvre dans un dispositif de télécommande, la figure 5 représente en vue éclatée le dispositif selon l'invention,

Les figures 6A et 6B représentent, en vue de face et schématiquement, la partie mobile respectivement dans une première position extrême et dans une deuxième position extrême,

La figure 7 représente schématiquement une variante de réalisation du dispositif selon l'invention.

Dans la suite de la description, les termes "supérieur" et "inférieur" ainsi que les autres expressions équivalentes employées doivent être compris en prenant comme référence sur les dessins annexés, un axe de direction verticale.

Le dispositif 1 autonome de génération d'énergie électrique selon l'invention permet de générer un courant électrique dans une bobine d'excitation 2 en faisant varier le flux magnétique traversant la bobine 2 par une action mécanique externe, par exemple manuelle.

Un tel dispositif 1 peut être utilisé dans un dispositif de télécommande sans fil et sans source interne de courant. Ce dispositif de télécommande est par exemple actionné manuellement par un interrupteur de type à bascule ou poussoir apte à commander une lumière et peut être positionné sans contrainte à différents emplacements dans une pièce. Le dispositif de télécommande comporte notamment un sous-ensemble mécanique représenté en figure 1. Ce sous-ensemble mécanique est destiné à recevoir le dispositif 1 autonome de génération d'énergie selon l'invention et comprend également des moyens

d'actionnement 6, 7 pour transmettre une énergie mécanique au dispositif 1 de génération d'énergie électrique. Le dispositif de télécommande comporte également un émetteur (non représenté) alimenté par le courant produit par le dispositif 1 pour envoyer des signaux radio vers un récepteur distant et des circuits électroniques (non représentés) comportant notamment des moyens de stockage de l'énergie électrique générée par le dispositif 1 selon l'invention, tels que des capacités, pour lisser la quantité de courant à délivrer en aval à l'émetteur.

Le dispositif 1 autonome de génération d'énergie électrique selon l'invention peut également être mis en œuvre pour d'autres applications tels que par exemple un détecteur de position ou un capteur de pression mécanique dans lequel la quantité de courant générée mesurée permet de déterminer si une force mécanique a été exercée. L'action mécanique permet de créer un courant électrique qui est utilisé pour déclencher par exemple une alarme ou un organe de signalisation ou pour alimenter un émetteur radio comme décrit précédemment.

En référence aux figures 2 à 6B, le dispositif 1 selon l'invention comporte notamment un circuit magnétique formé d'une partie fixe 3 et d'une partie mobile 5, à travers lesquels peut circuler un champ magnétique, et une bobine d'excitation 2. Il peut être fabriqué en technologie MEMS ("Micro Electro-Mechanical System"). La technologie MEMS est bien connue et consiste à empiler des couches successives, l'une des couches étant une couche sacrificielle qui est ensuite éliminée, par exemple par gravure, pour libérer une partie mobile.

Le flux magnétique dans le circuit magnétique est défini par la position angulaire instantanée de la partie mobile 5 par rapport à la partie fixe 3 de sorte que le mouvement de la partie mobile 5 par rapport à la partie fixe 3 crée une variation du flux magnétique à travers la bobine 2 ce qui entraîne la création d'un courant électrique dans la bobine 2. La tension créée aux bornes de la bobine 2 par la variation du flux magnétique dépend du temps et donc de la vitesse de déplacement de la partie mobile 5 par rapport à la partie fixe 3.

La bobine d'excitation 2 comporte une armature 20 réalisée dans un matériau amagnétique, sur laquelle est enroulé un bobinage 21 de N spires d'un fil conducteur (figures 3 et 4). L'armature 20 présente une ouverture centrale formée suivant un axe longitudinal (A) et dont les dimensions sont adaptées pour pouvoir être traversée plusieurs fois par le circuit magnétique. Sur les figures, la partie fixe 3 du circuit magnétique traverse deux fois l'ouverture centrale de la bobine 2 en formant une boucle. Le circuit

magnétique traverse donc une première fois l'ouverture centrale de la bobine 2, puis contourne la bobine 2 pour former la boucle, et traverse une seconde fois l'ouverture centrale de la bobine 2. L'armature 20 de la bobine d'excitation comporte des fûts 22a, 22b destinés à recevoir les deux extrémités du fil conducteur de la bobine 2 pour les connecter à une carte électronique (non représentée) positionnée au-dessus de l'armature 20.

La partie mobile 5 du circuit magnétique présente par exemple une forme symétrique en H comportant par exemple un aimant permanent 50 pris entre deux couches 51 a, 51 b parallèles en matériau ferromagnétique, une couche supérieure 51 a et une couche inférieure 51 b. L'aimant permanent 50 est fixé sur les faces internes 510a, 510b de la couche inférieure 51 a et de la couche supérieure 51 b. Cette partie mobile 5 est montée rotative sur un axe de rotation (R) horizontale perpendiculaire à l'axe longitudinal (A) de l'ouverture centrale de l'armature 20. L'axe de rotation (R) est matérialisé sur les figures 3 et 4 par une pièce cylindrique 52 solidaire d'une pièce support 53 montée sur la partie mobile 5 et solidaire en rotation de la partie mobile (5). L'aimant permanent est polarisé Sud-Nord, suivant une direction verticale perpendiculaire à l'axe de rotation (R) de la partie mobile 5, par exemple du bas vers le haut (figures 6A et 6B).

La partie fixe 3 du circuit magnétique est réalisée dans un matériau de forte perméabilité magnétique tel qu'un matériau ferromagnétique. En référence à la figure 2, la partie fixe 3 comporte une embase 30 en forme de U enjambant la bobine d'excitation 2 (figure 4) pour former la boucle. L'embase 30 présente ainsi une première jambe 301a et une deuxième jambe 301 b parallèles entre elles et séparées par une âme centrale 300. Les deux jambes 301 a, 301 b s'étendent de part et d'autre de la bobine d'excitation 2 sans traverser l'ouverture centrale de l'armature 20, suivant une direction parallèle à l'axe (R) de rotation de la partie mobile 5. L'extrémité libre de chaque jambe 301 a, 301 b présente une fente 302a, 302b.

En référence à la figure 2, la partie fixe 3 du circuit magnétique comporte également un premier bras 31 et un second bras 32 distincts, non jointifs et non identiques, l'un des bras étant le reflet de l'autre dans un miroir. Ces bras 31 , 32 sont en forme de L et présentent chacun, à partir d'une première extrémité, une branche longue 310, 320 puis une branche plus courte 31 1 , 321 terminée par une deuxième extrémité libre. Ils sont dotés en outre à la jonction de leurs deux branches d'une portion 312, 322 faiblement inclinée. Les branches longues 310, 320 de ces deux bras 31 , 32 traversent distinctement l'ouverture centrale de l'armature 20 suivant deux plans parallèles à l'axe longitudinal (A) de l'ouverture centrale de la bobine 2. Le premier bras 31 est relié par sa

première extrémité à la première jambe 301 a de l'embase 30 et le second bras 32 est raccordé par sa première extrémité à la seconde jambe 301 b de l'embase 30. Un décrochement 325 réalisé sur la première extrémité de chaque bras 31 , 32 permet d'enclencher le bras 31 , 32 dans la fente 302a, 302b de la jambe 301 a, 301 b à laquelle il est relié. A l'extérieur de l'ouverture centrale, les portions inclinées 312, 322 de chacun des bras 31 , 32 ramènent les branches courtes 31 1 , 321 dans un même plan horizontal, dans lequel est également situé l'axe (R) de rotation de la partie mobile 5. Les deuxièmes extrémités de chacun des bras 31 , 32 sont positionnées de part et d'autre de l'aimant permanent 50 de la partie mobile 5 et entre les deux couches ferromagnétiques 51 a, 51 b de la partie mobile 5. La branche courte 31 1 , 321 de chaque bras 31 , 32 forme une butée pour la partie mobile 5 et définit deux plages d'appui opposées, une plage d'appui supérieure 313, 323 et une plage d'appui inférieure 314, 324. La partie mobile 5 présente un degré de liberté en rotation entre les butées formées par chacun des bras 31 , 32.

Selon l'invention, des moyens de guidage appropriés, par exemple en matière plastique, sont aménagés à l'intérieur de l'ouverture centrale de l'armature 20 de manière à guider et à maintenir chaque bras 31 , 32 à une distance suffisante l'un de l'autre, pour ne pas perturber la circulation du champ magnétique dans le circuit magnétique et pour éviter les fuites entre les bras 31 , 32.

Comme l'embase 30 est agencée pour que ses deux jambes 301a, 301 b soient positionnés de part et d'autre de la bobine 2, le champ magnétique circulant dans les bras 31 , 32 traverse toujours l'ouverture centrale de la bobine 2 dans le même sens. En conséquence, le champ magnétique traverse l'ouverture centrale de la bobine d'excitation 2 deux fois dans le même sens. Si l'ouverture centrale de la bobine d'excitation est traversée plus de deux fois par le circuit magnétique, le champ magnétique créé traverse l'ouverture centrale de la bobine d'excitation dans le même sens, autant de fois que la bobine est traversée.

Selon l'invention, la partie fixe 3 du circuit magnétique est donc réalisée en trois parties distinctes, l'embase 30 et les deux bras 31 , 32. En fabrication, les deux bras 31 , 32 sont passés à travers l'ouverture centrale de la bobine 2 et chaque jambe 301a, 301 b de l'embase 30 est ensuite reliée à la première extrémité d'un bras 31 , 32 ce qui permet de créer un sous-ensemble compact parfaitement rigide. Selon l'invention, les deux bras 31 , 32 peuvent également être noyés dans le matériau formant l'armature 20 de la bobine d'excitation 2 pour former une pièce parfaitement rigide composée de la bobine 2 et des bras 31 , 32.

Selon l'invention, les sections des différents éléments en matériau magnétique, sont déterminées pour que le circuit magnétique présente un minimum de saturation dans les plages d'utilisation du dispositif 1 autonome de génération d'énergie.

La partie mobile 5 effectue un mouvement de balancier autour de son axe (R) et prend deux positions extrêmes distinctes définies par les butées, dans chacune desquelles la partie mobile 5 est retenue par des forces magnétiques. Lorsque la partie mobile est décollée de l'une de ses positions extrêmes, au-delà d'une position d'équilibre centrale, elle est instantanément attirée par effet magnétique vers l'autre position extrême. Ce phénomène est notamment décrit dans la demande de brevet GB 1 312 927.

Dans la première position extrême (figure 6A), la face interne 510b de la couche inférieure 51 b de la partie mobile 5 est collée par force magnétique contre la plage d'appui inférieure 314 de la branche courte 311 du premier bras 31 tandis que la face interne 510a de la couche supérieure 51 a de la partie mobile 5 est collée par force magnétique contre la plage d'appui supérieure 323 de la branche courte 321 du deuxième bras 32.

Dans la première position extrême, le champ magnétique circulant à l'intérieur du circuit magnétique parcourt le chemin suivant : aimant permanent 50, couche supérieure 51a de la partie mobile 5, deuxième bras 32, deuxième jambe 301 b de l'embase 30, âme centrale 300 de l'embase 30, première jambe 301 a de l'embase 30, premier bras 31 , couche inférieure 51 b de la partie mobile 5, aimant permanent 50.

Dans la seconde position extrême (figure 6B), la face interne 510a de la couche supérieure 51 a de la partie mobile 5 est collée par force magnétique contre la plage d'appui supérieure 313 de la branche courte 31 1 du premier bras 31 tandis que la face interne 510b de la couche inférieure 51 b de la partie mobile 5 est collée par force

magnétique contre la plage d'appui inférieure 324 de la branche courte 321 du deuxième bras 32.

Dans la seconde position extrême, le champ magnétique circulant à l'intérieur du circuit magnétique parcourt le chemin inverse suivant : aimant permanent 50, couche supérieure 51a de la partie mobile 5, premier bras 31 , première jambe 301 a de l'embase 30, âme centrale 300 de l'embase 30, deuxième jambe 301 b de l'embase 30, deuxième bras 32, couche inférieure 51 b de la partie mobile 5, aimant permanent 50.

Le champ magnétique formé dans le circuit magnétique est donc orienté dans le même sens dans les deux bras 31 , 32 traversant la bobine 2.

Dans une application de type interrupteur mécanique, une lame ressort 54 (figures 3 et 4) est montée solidaire d'une part des moyens d'actionnement 6, 7 du dispositif (figure 1 ) et d'autre part de la partie mobile 5 par l'intermédiaire d'une pièce 55 à section triangulaire reliée à la pièce support 53, elle-même montée sur la partie mobile 5. La lame ressort 54 est dimensionnée pour se déformer brusquement lorsqu'une certaine quantité d'énergie mécanique est fournie pour actionner la partie mobile 5 en rotation. Lors d'un actionnement, la lame ressort 54 permet donc de stocker de l'énergie mécanique jusqu'à un certain seuil avant de provoquer le basculement de la partie mobile 5. La lame ressort 54 permet ainsi de conférer au dispositif 1 selon l'invention une dynamique de fonctionnement constante indépendante de la pression mécanique exercée par l'utilisateur.

Dans une application de type interrupteur, l'une des positions extrêmes de la partie mobile 5, par exemple la première position extrême (figure 6A), est une position de repos stable tandis que l'autre position extrême, c'est-à-dire la deuxième position extrême (figure 6B) est instable. La lame ressort 54 est en effet montée sur des moyens élastiques, tels que par exemple un ressort (non représenté), permettant de réarmer le dispositif 1 selon l'invention et ainsi de ramener systématiquement la partie mobile 5 dans

la position extrême de repos stable après un actionnement. L'énergie mécanique générée par la déformation de la lame ressort 54 doit donc être suffisante pour décoller la partie mobile 5 de ses plages d'appui 314, 323 (figure 6A) lorsqu'elle est dans sa première position extrême stable.

Dans un interrupteur, un actionnement provoque donc systématiquement un aller et un retour de la partie mobile 5 entre sa première position extrême et sa deuxième position extrême. Lors de l'aller, il se produit une première variation du flux magnétique traversant la bobine 2 et donc la création d'un premier courant et lors du retour, il se produit une seconde variation du flux magnétique à travers la bobine 2 et donc la création d'un second courant électrique. Un unique actionnement permet donc de doubler la quantité de courant électrique produite.

Selon une variante de réalisation du dispositif selon l'invention représentée en figure 7, le circuit magnétique comporte une partie fixe 3' et une partie mobile 5'. Comme dans le dispositif décrit ci-dessus, la partie fixe 3' comporte deux portions 31 ', 32' traversant deux fois l'ouverture centrale de l'armature de la bobine 2. En outre la partie fixe 3' comporte à l'extérieur de la bobine 2 deux portions non jointives entre lesquelles est positionnée la partie mobile 5'. La partie mobile 5' comporte par exemple un cylindre en matériau ferromagnétique présentant à sa périphérie une portion constituée d'un aimant permanent 50'. Cette partie mobile 5' est actionnée en rotation autour de son axe de révolution (R'), entre les deux portions non jointives de la partie fixe 3' du circuit magnétique. Selon cette variante, l'axe de rotation (R') de la partie mobile 5' est vertical et perpendiculaire à l'axe longitudinal (A) de l'ouverture centrale de l'armature de la bobine 2. Le fonctionnement global de cette variante est identique à celui décrit précédemment, c'est-à-dire que le mouvement de rotation de la partie mobile 5' autour de son axe (R') crée une variation du flux magnétique traversant la bobine 2 entraînant la création d'un courant électrique.

Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents.