WO2024251784A1 - Accumulateur et dispositif de conversion d' energie - Google Patents

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Gérard STASICA
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Definitions

  • the present invention relates to devices useful for storing energy and restoring it on demand, in particular for application within a vehicle, for example a bicycle.
  • Energy production requires transforming, in particular into electrical and/or thermal and/or kinetic energy:
  • a store of potential energy for example in the form of a fossil fuel, a high reservoir of water, a fissile material or a flywheel, in electrical or mechanical work, or in thermal energy, or
  • flywheels Regarding the storage of potential energy in mechanical form, the only known high mass density energy storage mechanisms that could potentially be used in vehicles are flywheels. However, these have excessive mass and bulk that make them unsuitable.
  • the transformation of a potential energy reserve in a vehicle is mainly carried out by means of internal combustion engines or electric motors.
  • Electric motors partly overcome these drawbacks, for example being quieter or not requiring continuous operation even when the vehicle is stationary, but they have other drawbacks: battery charging time, limited autonomy, temperature rise of components during charging phases requiring cooling means which also consume energy, short battery life and difficulty in recycling, low efficiency at low temperatures, etc. There is therefore a need for a new device for storing and restoring energy, in particular by converting it, in particular with a view to moving a vehicle.
  • the proposed invention aims to recover, store and restore energy in a mechanical form by means of a magnetic interaction.
  • it proposes, contrary to what is currently known, a device capable of both driving the vehicle like a motor, and storing energy like a battery.
  • the invention relates to an energy accumulator comprising first and second storage members spaced apart from each other by a fixed distance along an X axis, each of the first and second storage members comprising two magnets of reverse polarity along the X axis, at least one of the magnets of the first storage member magnetically interacting with at least one of the magnets of the second storage member in at least one configuration of the energy accumulator, and vice versa, the first and second storage members being movable relative to each other between a stable equilibrium configuration where the magnetic energy induced by the magnetic interaction between the magnets of the first and second storage members is minimal and at least one unstable configuration where the magnetic energy is greater than the magnetic energy in the stable configuration.
  • the accumulator according to the invention stores energy in a magnetic form and restores it in a mechanical form by a simple relative movement of the first and second storage members relative to each other.
  • the accumulator thus has an excellent efficiency between the quantity of energy that it is able to restore and the quantity of energy that it is able to store.
  • Two magnets of "reverse polarity" along an axis are such that when traveling along said axis in one direction, one of the magnets first presents a south pole then a north pole while the other of the magnets first presents a north pole then a south pole.
  • each magnet of the first storage member magnetically interacts with at least one of the magnets of the second storage member in at least one configuration of the energy accumulator, and vice versa. Numerous magnetic interactions between the different magnets of the groups thus take place, which thus makes it possible to increase the magnetic energy that can be stored by the accumulator.
  • each magnet of the first storage member faces along the X axis a magnet of the second storage member of opposite polarity, and vice versa.
  • the magnets of the first storage member are then arranged in pole opposition with the magnets of the second storage member and attract each other.
  • the first and second storage members tend to return to the stable equilibrium configuration when they are moved relative to each other in an unstable configuration.
  • each magnet of the first storage member is, preferably entirely, superimposed on a single magnet of the second storage member of opposite polarity in the stable equilibrium configuration, and vice versa.
  • the first and second storage members may be arranged relative to each other in at least one unstable configuration.
  • they may be arranged in a plurality of unstable configurations, one of the unstable configurations being an unstable equilibrium configuration in which the magnetic energy is at a maximum.
  • each magnet of the first storage member faces along the X axis, preferably is fully superimposed, on a magnet of the second member of the same polarity, and vice versa.
  • each magnet of the first storage member is superimposed on a single magnet of the second storage member of the same polarity, and vice versa.
  • the first and second storage organs are preferably identical. This simplifies the design of the accumulator.
  • the first and second storage members are preferably movable relative to each other in rotation about the X axis.
  • the transition from the stable configuration to the unstable equilibrium configuration is carried out by a rotation less than or equal to 180° around the X axis.
  • the first storage member and/or the second storage member may have the general shape of an X-axis disk.
  • the first and second storage members preferably comprise a central hole of axis X passing through them from one side to the other.
  • the accumulator may comprise a guide shaft of axis X comprising a portion of shape complementary to the central holes, the first and second storage members being engaged in rotation in the guide shaft.
  • the magnets are arranged regularly around the X axis.
  • the first storage member and/or the second storage member may comprise one or more pairs each formed of two magnets of reverse polarity along the X axis.
  • the pairs of magnets of reverse polarity are arranged regularly around the X axis.
  • first storage member and/or the second storage member may comprise two magnets of reverse polarity along the X axis, which are symmetrical to each other with respect to the X axis.
  • the accumulator may comprise at least one, preferably several spacers arranged between the first and second storage members, in order to ensure that said storage members are maintained at a fixed distance.
  • the spacer(s) may be in contact with the first and second storage members.
  • the spacer(s) have the shape of a ball, which can thus roll freely on each of said storage members.
  • the first and second storage members may each have a guide groove of a shape complementary to the spacer and in which the spacer is arranged.
  • the groove may be of annular shape.
  • the first storage member and/or the second storage member preferably comprise a support carrying the magnets, the support being diamagnetic, for example made of copper or brass, or paramagnetic, for example made of an aluminum or tungsten alloy.
  • the support is preferably made of a material having a magnetic susceptibility which, in absolute value, is less than 10' 5 , in order to disturb as little as possible the magnetic interactions between the magnets of the first and second storage members.
  • the support may comprise at least one housing each receiving at least one of the magnets.
  • the magnets may cover one face of the support.
  • magnets may be arranged in housings and other magnets may cover one face of the support.
  • the support has as many housings as there are magnets, each magnet being arranged in one of the corresponding housings.
  • the magnets of the first and second storage members are permanent magnets.
  • at least one, preferably each, of the magnets of the first member and/or at least one, preferably each, of the magnets of the second member are neodymium magnets, in particular made of a material of formula NdiFeuB, the grade of which can be set according to the desired storage performances.
  • the magnets of the first and second storage members may be identical.
  • they have the shape of a plate, in particular a circular outline in the shape of a portion of a disk.
  • At least 50%, preferably at least 90%, better still 100% of the surface area of the first storage member and/or at least 50%, preferably at least 90%, better still 100% of the surface area of the second storage member may be covered by the magnets.
  • the accumulator comprises a first storage mechanism comprising several first storage members, in particular rigidly connected to each other, and a second storage mechanism comprising several second storage members, in particular rigidly connected to each other, the first storage mechanism and the second storage mechanism being interdigitated.
  • a first storage mechanism comprising several first storage members, in particular rigidly connected to each other
  • a second storage mechanism comprising several second storage members, in particular rigidly connected to each other, the first storage mechanism and the second storage mechanism being interdigitated.
  • at least one, preferably each of the first storage members arranged between two adjacent second storage members interacts magnetically with said second storage members and vice versa. In this way, it is possible to consequently increase the magnetic energy storable in the accumulator.
  • the first storage mechanism is configured such that the first storage members collectively rotate at the same speed about the X-axis and the second storage mechanism is configured such that the second storage members collectively rotate at the same speed about the X-axis.
  • the support of at least one, preferably each of the first, respectively second, storage members comprises at least one housing which passes right through said support along the X axis, at least one of the magnets being arranged in the housing, the north pole of said magnet interacting with at least one of the magnets of a second, respectively first, storage member which faces said magnet and the north pole of said magnet interacting with at least one of the magnets of another second, respectively first, storage member which faces it along the X axis.
  • a magnet of one of the first storage members interacts with the adjacent second storage members which it separates along the X axis.
  • the accumulator is thus particularly compact.
  • the support of at least one, preferably each of the first, respectively second, storage members comprises magnets arranged on one of its faces which interact with the magnets of the second, respectively first, storage members facing said face, and comprises other magnets arranged on its opposite face which interact with the magnets of another second, respectively first, storage members facing said opposite face.
  • the distance measured along the X axis between each consecutive pair of first storage members is constant and/or the distance measured along the X axis between each consecutive pair of second storage members is constant.
  • the distance between each pair formed by a first storage member and a second storage member contiguous thereto is constant.
  • the first and second storage members which are each arranged at one of the ends of the accumulator comprise, on the side which is opposite the other storage members, a plate made of a ferromagnetic material.
  • the plate is preferably made of a ferromagnetic material, which thus makes it possible to close the magnetic field and to avoid magnetic interactions with other members arranged at a distance from the accumulator and which are magnetically susceptible.
  • the first storage mechanism may comprise a first spacer extending along an axis parallel to the X axis and on which the first storage members are fixed, the first spacer preferably being fixed on the radially outer face of each first storage member, and/or the second storage mechanism may comprise a second spacer extending along an axis parallel to the X axis and on which the second storage members are fixed, the second spacer preferably being fixed on the radially outer face of each second storage member.
  • the first spacer may abut the second spacer in the stable equilibrium configuration and/or in the unstable equilibrium configuration.
  • the first storage mechanism may be rigidly attached to an X-axis shaft and the second storage member is rotatably mounted about the X-axis, thereby optimizing the areas facing the first and second storage members.
  • the invention relates to a device for converting mechanical energy into magnetic energy and vice versa, the device comprising:
  • the first and second storage members being movable in rotation around the X axis
  • a transmission mechanism comprising a main transmission shaft and first and second secondary transmission shafts, a differential for distributing the rotational speed of the main transmission shaft to each of the first and second secondary transmission shafts,
  • control mechanism comprising a continuously variable power transfer mechanism comprising first and second control shafts in rotational cooperation with each other, the ratio between the rotational speed of the first control shaft and the rotational speed of the second control shaft being adjustable, the first storage member, the first secondary transmission shaft and the first control shaft being in rotational cooperation with each other, and the second storage member, the second secondary transmission shaft and the second control shaft being in rotational cooperation with each other.
  • the conversion device when the accumulator has stored magnetic energy, adjusting the ratio of the rotational speed of the first drive shaft to the rotational speed of the second drive shaft allows the stored energy to be returned to the distribution shaft in mechanical form.
  • the conversion device then acts as a motor.
  • the control mechanism can constrain the differential and thus force the movement of the first and second storage members from the stable configuration to an unstable configuration to store energy.
  • the conversion device then acts as a battery.
  • the device comprises first and second transmission reducers so that the rotational speed of the first storage member and the rotational speed of the second storage member respectively are each lower than the rotational speed of the transmission shaft.
  • first and second transmission reducers so that the rotational speed of the first storage member and the rotational speed of the second storage member respectively are each lower than the rotational speed of the transmission shaft.
  • the first transmission reducer and the second transmission reducer may have the same gear ratio.
  • the first transmission reducer and/or the second transmission reducer may be a cylindrical gear reducer.
  • the first transmission reducer and/or the second transmission reducer comprise epicyclic gear trains, in particular of X axis.
  • the device may further comprise a first control reducer so that the rotation speed of the first storage member is lower than the rotation speed of the first control shaft and/or a second control reducer so that the rotation speed of the second storage member is lower than the rotation speed of the second control shaft.
  • the reduction of the first and second drive reducers may be less than the reduction of the first and second transmission reducers.
  • a low number of rotational revolutions of the first and second drive shafts commands allow the angular offset between the first and second storage organs to be modified.
  • the first drive reducer and the second drive reducer may have the same gear ratio.
  • the first drive reducer and/or the second drive reducer may be a cylindrical gear reducer.
  • the first transmission reducer and/or the second transmission reducer are epicyclic gear trains, in particular of X axis.
  • the device may comprise first and second collectors in rotational cooperation with the first and second storage members respectively.
  • the first collector can be meshed with the first transmission reducer and the first control reducer and the second collector can be meshed with the second transmission reducer and the second control reducer.
  • the first storage member may comprise a first annular X-axis serration, the first collector comprising a pinion meshed in the first serration and/or the second storage member may comprise a second annular X-axis serration, the second collector comprising a pinion meshed in the second serration.
  • the power transfer mechanism may be a progressive transmission device, for example chosen from a variator with a trapezoidal power transfer member, in particular a variator with a trapezoidal belt, and a toroidal variator, in particular with concurrent axes or coaxial disks.
  • the transfer mechanism is a variator with a trapezoidal power transfer member, which advantageously makes it possible to transfer a large amount of power from the first to the second drive shaft and vice versa, thanks to the trapezoidal power transfer member.
  • the invention also relates to a vehicle, in particular chosen from a car, a motorcycle, a truck, a construction machine, an agricultural machine, a heavy load transport cart and a bicycle, comprising an accumulator according to the invention or a device according to the invention.
  • a vehicle in particular chosen from a car, a motorcycle, a truck, a construction machine, an agricultural machine, a heavy load transport cart and a bicycle, comprising an accumulator according to the invention or a device according to the invention.
  • the vehicle is a bicycle.
  • the drive shaft of the device is in rotational cooperation with a shaft of a drive wheel of the vehicle.
  • the drive shaft of the device may be a shaft of a wheel of the vehicle.
  • FIG. 1 is a perspective view of an example of an accumulator according to the invention.
  • FIG. 2 schematically illustrates the operation of a variant of the accumulator example of Figure 1;
  • FIG. 3 is a schematic top view of an exemplary device according to the invention.
  • FIG. 4 is a schematic front view of a continuously variable power transfer mechanism implemented in the device illustrated in Fig. 3;
  • FIG. 5 is a schematic top view of another example of a device according to the invention.
  • FIG. 6 is a perspective view of part of the device illustrated in Fig. 5;
  • Figures 1 and 2 illustrate an example of an accumulator according to the invention.
  • the accumulator comprises a first storage member 2 and a second storage member 3 which are each rotatable about an axis X.
  • the first and second storage members are furthermore rotatable relative to each other around the X axis.
  • the first and second storage members are identical, so that the description of one of the first storage members given below is applicable to the second storage member.
  • Said storage organ comprises a support 4 and several pairs of magnets 13 of reverse polarity along the X axis.
  • the support 4 has the shape of a disc pierced in its center, a holding shaft 30 of axis X passing through the support 4 from side to side in its thickness.
  • the support also has holes 31 which pass through its thickness.
  • the holes are of circular outline with an axis parallel to the X axis and are distributed regularly from each other around the X axis.
  • the bracket in Figure 1 has 6 holes spaced at 60° from each other around the X axis while the bracket shown in Figure 2 has 4 holes spaced at 90° from each other around the X axis.
  • the magnets 13 are housed in the holes 31, for example force-fitted. They are distributed in alternating poles around the X axis, i.e. by running along the support around the X axis, a magnet “NS” is consecutively followed by a magnet “SN”.
  • the support 4 also has a radially outer serrated face 32.
  • the accumulator illustrated in FIG. 5 comprises a first storage mechanism 38 comprising several first storage members 2 and a second storage mechanism 39 comprising several second storage members.
  • the first and second storage mechanisms are arranged alternately and are thus interdigitated.
  • the first and second storage members are arranged alternately in pairs along the X axis. Thus, by traveling along the X axis in one direction, except for the storage members arranged at the ends of the accumulator along the X axis, each second storage member is arranged between two adjacent first storage members and vice versa.
  • the first storage members and the second storage members are each driven in rotation about the X axis by means of a first collector shaft 40 and by means of a second collector 41 respectively which are each rotatable about an axis parallel to the X axis.
  • the first collector and the second collector carry pinions 43 which are each engaged in the radially outer toothed part 32 of a first storage member and a second storage member respectively.
  • the first and second storage members can thus be arranged, as illustrated in FIG. 2 a), according to a first stable equilibrium configuration according to which the magnets 13 of the first storage member are each arranged along an axis parallel to the axis X opposite a magnet 17 of reverse polarity along the axis X of the second storage member.
  • each “SN” magnet of the first storage member is fully axially superimposed on an “SN” magnet of the second storage member and vice versa
  • each “NS” magnet of the first storage member is fully axially superimposed on an “NS” magnet of the second storage member and vice versa.
  • the springs opposite along the X axis have poles that attract each other.
  • This stable equilibrium configuration corresponds to that where the magnetic energy in the accumulator is minimal and for which the accumulator has not stored any energy.
  • Relative rotation of the first and second storage members moves the magnets of the first and second storage members relative to each other in a direction transverse to the X-axis to different unstable configurations depending on the angle of rotation of the first storage member relative to the second storage member.
  • a magnet of the first storage member is at least partially superimposed with a magnet of the same polarity and optionally with a magnet of reversed polarity along the X axis, as can be observed in Figure 2 b).
  • the accumulator can be arranged in an unstable equilibrium configuration by a relative rotation of an angle of 90° about the X axis between the first and second storage members.
  • the magnets of the first storage member are each arranged along an axis parallel to the X axis opposite a magnet of the same polarity along the X axis of the second storage member.
  • each “SN” magnet of the first storage member is fully axially superimposed on an “NS” magnet of the second storage member and vice versa
  • each “NS” magnet of the first storage member is fully axially superimposed on an “SN” magnet of the second storage member and vice versa.
  • the springs opposite each other along the X axis repel each other, generating a high electromagnetic force between them.
  • This unstable equilibrium configuration illustrated in FIG. 2 c) is that where the magnetic energy in the accumulator is at a maximum.
  • the first and second members comprise four or six magnets. This number is however not limiting and can be higher or lower, without this modifying the energy storage capabilities of the accumulator.
  • the magnets are arranged regularly and in alternating polarity around the X axis.
  • the accumulator according to the invention makes it possible to store a high mass density of energy by a small relative displacement of the first storage member in relation to the second storage member.
  • Figure 3 illustrates a first example of a device 50 according to the invention for converting mechanical energy into magnetic energy and vice versa.
  • the device comprises an energy accumulator 1 according to the invention as described in FIGS. 1 and 2, a transmission mechanism 52 and a control mechanism 54 which are kinematically linked to each other.
  • the transmission mechanism 52 comprises a main transmission shaft 55, first 56 and second 57 secondary transmission shafts and a differential 58.
  • the main transmission shaft 55 is for example in rotational cooperation, direct or indirect, with an output shaft of an engine or a rotation shaft of a wheel of a vehicle.
  • the distribution shaft transmits mechanical energy intended to be stored by the accumulator 1 in magnetic form or recovers mechanical energy produced by the release of the magnetic interaction energy between the magnets of the accumulator.
  • the accumulation or restitution of the magnetic interaction energy is controlled by the control mechanism 54.
  • the differential 58 is configured to distribute the rotational speed of the main drive shaft 55 to each of the first 56 and second 57 secondary drive shafts.
  • the conversion device 50 comprises first 58 and second 59 collectors which are in rotational cooperation with the first 2 and second 3 storage members respectively.
  • the first and second collectors comprise first 60 and second 61 collector shafts carrying first 62 and second 63 collector gears.
  • each of the first collector pinions 62 is meshed with a toothing carried by the radially outer face 64 of the support of a corresponding first storage member 2 and each second collector pinion 63 of the second collector is meshed with a toothing 65 carried by the radially outer face of the support of a corresponding second storage member 3.
  • the transmission mechanism 52 comprises a first transmission reducer 70 which is arranged between the first transmission shaft 56 and the first collector 58. It further comprises a second transmission reducer 71 which is arranged between the second transmission shaft 57 and the second collector 59.
  • the transmission mechanism 52 is adapted so that the rotational speed of the first storage member 2 and the rotational speed of the second storage member 3 respectively are each lower than the rotational speed of the main transmission shaft 55. In this way, it is ensured that a large number of rotations of the main distribution shaft 55 results in a low relative rotation of the first and second storage members relative to each other.
  • the first 70 and second 71 transmission reducers of the illustrated example are cylindrical gear reducers. However, other types of reducers can be considered.
  • the control mechanism 54 comprises a continuously variable power transfer mechanism 80 comprising first 81 and second 82 control shafts in rotational cooperation with each other.
  • the ratio of the rotational speed of the first control shaft to the rotational speed of the second control shaft can be adjusted by the user of the device, in order to cause an accumulation or a restitution of energy.
  • the variator with trapezoidal power transfer member may comprise first 83 and second 84 plates fixed to the first 81 and second 82 control shafts and axes merged with the respective axes of the first and second control shafts.
  • the first and second plates rotate a power transfer member 85, for example a belt or a track, by their radially outer faces 86, 87.
  • the power transfer member is inextensible and of constant length as well as the distance between the centers of the first and second plates.
  • the variator is configured to have that the first and second plates have diameters which can vary jointly to maintain a substantially constant tension and length in the belt.
  • the speed of the first collector 58 is lower, respectively higher than the speed of the second collector 59.
  • the first storage members then rotate less quickly, respectively faster, than the second storage members.
  • the rotation speed of a first storage member relative to a second storage member is then negative, respectively positive. In this way, it is thus possible to move the first and second storage members between a stable equilibrium configuration and an unstable equilibrium configuration in order to store magnetic energy in the accumulator or to restore it.
  • the device further comprises a first control reducer 88 arranged between the first control shaft and the first collector and a second control reducer 99 arranged between the second control shaft and the second collector.
  • the accumulator comprises spacers 90 in the form of balls housed in annular grooves of complementary shape, arranged on the faces of the supports opposite the first and second storage members.
  • FIG 5 illustrates another example of an energy conversion device according to the invention, which differs from the device illustrated in Figures 3 and 4 in particular by the following differences.
  • the first 56 and second 57 transmission shafts comprise transmission pinions 92 which are meshed with input pinions 93 carried by each of the first 81 and second 82 control shafts.
  • the conversion device 50 may comprise first and second transmission reducers. arranged between the first transmission shaft and the first drive shaft on the one hand and between the second transmission shaft and the second drive shaft on the other hand.
  • first and second transmission shafts carry output pinions 94 which are respectively meshed with first 70 and second 71 transmission reducers which are in rotational cooperation with the first 2 and second 3 storage members respectively.
  • the first and second transmission reducers are first and second X-axis epicyclic gear sets.
  • Each epicyclic gear train comprises a planetary pinion 96 with an X axis, a planet carrier 97 with an X axis and planet pinions 98 with an axis parallel to the X axis arranged between the planetary pinion and the planet carrier and meshed on the planet pinion and on the planet carrier.
  • the planet pinions rotate about the X axis and about their axis parallel to the X axis, and cause the planet carrier to rotate about the X axis, the rotation speed of the planet carrier about the X axis being lower than the rotation speed of the planetary pinion.
  • the satellite carrier 98 of the first epicyclic gear train comprises a first collector shaft 100 arranged at its radial periphery and which extends axially while carrying pinions 101 which are each meshed with the external teeth of a first storage member 2.
  • the satellite carrier of the second epicyclic gear train comprises a second collector shaft 102 of axis X which carries pinions 103 each arranged in a central hole of axis X of a corresponding second storage member 3 and which is meshed on a toothing carried by the radially inner face of the hole.
  • the satellite carrier of the first epicyclic gear train comprises a first spacer 104, respectively a second spacer 105, fixed to its radial periphery and which extends axially.
  • the first spacer respectively the second spacer, is fixed on the radially outer face of each of the first 2, respectively second 3, storage members, in order to move them collectively in rotation about the X axis.
  • Example An example of the dimension of an accumulator according to the invention is illustrated below, a component of a restitution device intended to be integrated into a bicycle, the main distribution shaft being, for example, the shaft of a wheel of the bicycle.
  • the accumulator of the type illustrated in Figures 1, 2 and 6, comprises 25 storage members, each comprising a support in the form of a disk with a thickness of 3 mm and a diameter of 100 mm.
  • the storage members are arranged in a cubic box with a side of 10 cm.
  • the storage organs are arranged alternately along an axis X around which they are movable in rotation.
  • the supports are spaced from each other along the X axis by a distance of 1 mm.
  • Each support carries two neodymium magnets of type N52 of opposite polarity capable of exerting with a similar magnet a surface force f s of 50 N/cm 2 . Assuming that the magnets cover the entire surface of a support, the total power P that can be generated by the magnetic interactions in the accumulator by rotation of half a turn is calculated according to the formula:
  • N the number of interactions between the disks of the system, equal to 48, considering that each disk interacts with two adjacent disks except the extreme disks, and
  • S is the area of each disk, i.e. 78.5 cm2,
  • L is the perimeter of a disk, equal to 15.7 cm.
  • the maximum power from magnetic interactions that can be generated is about 29.5 kJ.
  • the invention provides an accumulator and a conversion device which are compact and can be easily arranged within a drive train of a vehicle. Furthermore, the accumulator makes it possible to accumulate a high mass density of magnetic energy and to convert it into mechanical energy immediately, by a simple command of the user.
  • the conversion device may comprise an activator mechanism, for example a lever fixed on the handlebar or the frame of the bicycle, connected to the control mechanism, the user actuating the activator mechanism to control the storage or restitution of energy by the accumulator.
  • an activator mechanism for example a lever fixed on the handlebar or the frame of the bicycle, connected to the control mechanism, the user actuating the activator mechanism to control the storage or restitution of energy by the accumulator.

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Abstract

Accumulateur d'énergie (1) comportant des premier (2) et deuxième (3) organes de stockage espacés l'un de l'autre d'une distance (d') fixe selon un axe X, chacun des premier et deuxième organes de stockage comportant deux aimants de polarité inversée le long de l'axe X, au moins un des aimants (13) du premier organe de stockage (2) interagissant magnétiquement avec au moins un des aimants (17) du deuxième organe de stockage (3) dans au moins une configuration de l'accumulateur d'énergie, et vice versa, les premier et deuxième organes de stockage étant mobiles l'un par rapport à l'autre entre une configuration d'équilibre stable où l'énergie magnétique induite par l'interaction magnétique entre les aimants des premier et deuxième organes de stockage est minimale et au moins une configuration instable où l'énergie magnétique est supérieure à l'énergie magnétique dans la configuration stable.

Description

Description
Titre : Accumulateur et dispositif de conversion d’énergie
La présente invention concerne les dispositifs utiles pour stocker de l’énergie et la restituer à la demande, notamment pour une application au sein d’un véhicule, par exemple une bicyclette.
La production d’énergie nécessite de transformer, notamment en énergie électrique et/ou thermique et/ou cinétique :
- une réserve d’énergie potentielle, par exemple sous la forme d’un combustible fossile, d’un réservoir d’eau en hauteur, d’une matière fissile ou d’un volant d’inertie, en un travail électrique ou mécanique, ou en une énergie thermique, ou
- un flux d’énergies naturelles dont l’origine est non contrôlable, par exemple d’origine éolienne ou solaire, ce qui nécessite un stockage permettant de palier aux aléas de production.
Concernant le stockage d’énergie potentielle sous forme mécanique, les seuls mécanismes connus à haute densité massique de stockage d’énergie potentiellement utilisables dans des véhicules sont les volants d’inerties. Cependant, ces derniers présentent une masse et un encombrement excessifs qui les rendent inadaptés.
La transformation d’une réserve d’énergie potentielle dans un véhicule est majoritairement effectuée au moyen de moteurs à combustion interne ou de moteurs électriques.
Les moteurs à combustion interne présentent cependant de nombreux désavantages bien connus : faible rendement énergétique, nuisance sonore, utilisation d’une énergie fossile dont les réserves sont limitées, peu performant aux basses températures, fonctionnement permanent nécessitant un moyen de démarrage...
Les moteurs électriques pallient en partie ces inconvénients, étant par exemple plus silencieux ou ne nécessitant pas un fonctionnement permanent même à l’arrêt du véhicule, mais ils présentent d’autres inconvénients : temps de charge des batteries, autonomie limitée, montée en température des composants lors des phases de charge nécessitant des moyens de refroidissement eux aussi consommateurs d’énergie, faible durée de vie des batteries et difficulté de recyclage, faible rendement à basse température... H existe donc un besoin pour un nouveau dispositif pour stocker et restituer de l’énergie, notamment en la convertissant, en particulier en vue de mouvoir un véhicule.
L’invention proposée a pour objectif de récupérer, stocker et restituer de l’énergie sous une forme mécanique par le biais d’une interaction magnétique. Elle propose notamment, à l’inverse de ce qui est connu actuellement, un dispositif apte à la fois à entraîner le véhicule à la façon d’un moteur, et à stocker de l’énergie à la façon d’une batterie.
L’invention concerne un accumulateur d’énergie comportant des premier et deuxième organes de stockage espacés l’un de l’autre d’une distance fixe selon un axe X, chacun des premier et deuxième organes de stockage comportant deux aimants de polarité inversée le long de l’axe X, au moins un des aimants du premier organe de stockage interagissant magnétiquement avec au moins un des aimants du deuxième organe de stockage dans au moins une configuration de l’accumulateur d’énergie, et vice versa, les premier et deuxième organes de stockage étant mobiles l’un par rapport à l’autre entre une configuration d’équilibre stable où l’énergie magnétique induite par l’interaction magnétique entre les aimants des premier et deuxième organes de stockage est minimale et au moins une configuration instable où l’énergie magnétique est supérieure à l’énergie magnétique dans la configuration stable.
L’accumulateur selon l’invention emmagasine l’énergie sous une forme magnétique et la restitue sous une forme mécanique par un simple déplacement relatif des premier et deuxième organes de stockage l’un par rapport à l’autre. L’accumulateur présente ainsi un excellent rendement entre la quantité d’énergie qu’il est apte à restituer et la quantité d’énergie qu’il est apte à emmagasiner.
La distance constante selon l’axe X, entre les aimants du premier organe de stockage et les aimants du deuxième organe de stockage, fixe notamment de manière prédéterminée la quantité maximale d’énergie emmagasinable par l’accumulateur qui est proportionnelle à ladite distance.
Comme cela apparaîtra plus en détail par la suite, en imposant une faible distance entre les premier et deuxième organes de stockage, un faible mouvement relatif des premier et deuxième organe de stockage l’un par rapport à l’autre, par rotation autour de l’axe X et/ou par translation selon un axe perpendiculaire à l’axe X, permet à l’accumulateur d’emmagasiner une quantité élevée d’énergie magnétique.
Deux aimants de « polarité inversée » selon un axe sont tels qu’en parcourant ledit axe dans un sens, l’un des aimants présente d’abord un pôle sud puis un pôle nord tandis que l’autre des aimants présente d’abord un pôle nord puis un pôle sud.
De préférence, chaque aimant du premier organe de stockage interagit magnétiquement avec au moins un des aimants du deuxième organe de stockage dans au moins une configuration de l’accumulateur d’énergie, et vice versa. De nombreuses interactions magnétiques entre les différents aimants des groupes ont ainsi lieu, ce qui permet ainsi d’augmenter l’énergie magnétique emmagasinable par l’accumulateur.
De préférence, dans la configuration d’équilibre stable, chaque aimant du premier organe de stockage fait face selon l’axe X à un aimant du deuxième organe de stockage de polarité opposée, et vice versa. Les aimants du premier organe de stockage sont alors disposés en opposition de pôle avec les aimants du deuxième organe de stockage et s’ attirent mutuellement. Ainsi, les premier et deuxième organes de stockage tendent à revenir vers la configuration d’équilibre stable lorsqu’ils en sont déplacés relativement l’un par rapport à l’autre dans une configuration instable. H y a alors libération de l’énergie magnétique stockée sous forme d’énergie mécanique pour déplacer lesdits organes de stockage de la configuration instable vers la configuration d’équilibre stable.
De préférence dans la configuration d’équilibre stable, chaque aimant du premier organe de stockage est, de préférence intégralement, superposé à un unique aimant du deuxième organe de stockage de polarité opposée dans la configuration d’équilibre stable, et vice versa.
Les premier et deuxième organes de stockage peuvent être disposés l’un par rapport à l’autre dans au moins une configuration instable. En particulier, ils peuvent être disposés dans une pluralité de configurations instables, une des configurations instables étant une configuration d’équilibre instable dans laquelle l’énergie magnétique est maximale.
Dans la configuration d’équilibre instable, lorsque le mouvement relatif des premier et deuxième organes de stockage n’est pas contraint, les premier et deuxième organes de stockage sont immobiles l’un par rapport à l’autre. Cependant, tout déplacement relatif infinitésimal des premier et deuxième organes de stockage l’un par rapport à l’autre entraîne alors une libération de l’énergie stockée sous forme d’énergie mécanique par mise en mouvement des premier et deuxième organes de stockage l’un par rapport à l’autre.
De préférence, dans la configuration d’équilibre instable, chaque aimant du premier organe de stockage fait face selon l’axe X, de préférence est superposée intégralement, à un aimant du deuxième organe de même polarité, et vice versa.
De préférence, dans la configuration d’équilibre instable, chaque aimant du premier organe de stockage est superposé à un unique aimant du deuxième organe de stockage de même polarité, et vice versa.
Les premier et deuxième organes de stockage sont de préférences identiques. Cela simplifie la conception de l’accumulateur.
Les premier et deuxième organes de stockage sont de préférence mobiles l’un par rapport à l’autre en rotation autour de l’axe X.
De préférence, le passage de la configuration stable à la configuration d’équilibre instable s’opère par une rotation inférieure ou égale à 180° autour de l’axe X.
Le premier organe de stockage et/ou le deuxième organe de stockage peuvent présenter une forme générale d’un disque d’axe X.
Les premier et deuxième organes de stockage comportent de préférence un trou central d’axe X les traversant de part en part. L’accumulateur peut comporter un arbre de guidage d’axe X comportant une portion de forme complémentaire au trous centraux, les premier et deuxième organes de stockage étant engagés en rotation dans l’arbre de guidage.
De préférence, les aimants sont disposés régulièrement autour de l’axe X.
Le premier organe de stockage et/ou le deuxième organe de stockage peuvent comporter une ou plusieurs paires formée chacune de deux aimants de polarité inversée selon l’axe X. De préférence les paires d’aimants de polarité inversée sont disposées régulièrement autour de l’axe X.
Notamment, le premier organe de stockage et/ou le deuxième organe de stockage peuvent comporter deux aimants de polarité inversée selon l’axe X, qui sont symétriques l’un de l’autre par rapport à l’axe X.
Par ailleurs, pour éviter une déformation des premier et deuxième organes de stockage, l’accumulateur peut comporter au moins un, de préférence plusieurs espaceurs disposés entre les premier et deuxième organes de stockage, afin d’assurer le maintien à distance fixe entre lesdits organes de stockage. Le ou les espaceurs peuvent être en contact avec les premier et deuxième organes de stockage. De préférence, pour éviter d’entraver la rotation du premier organe de stockage par rapport au deuxième organe de stockage, le ou les espaceurs présentent la forme d’une bille, qui peut ainsi rouler librement sur chacun desdits organes de stockage. De préférence, les premier et deuxième organes de stockage peuvent présenter chacun une rainure de guidage de forme complémentaire à l’espaceur et dans laquelle l’espaceur est disposé. La rainure peut être de forme annulaire.
Le premier organe de stockage et/ou le deuxième organe de stockage comportent de préférence un support portant les aimants, le support étant diamagnétique, par exemple en cuivre ou en laiton, ou paramagnétique, par exemple en un alliage d’aluminium ou de tungstène. Le support est de préférence en un matériau présentant une susceptibilité magnétique qui, en valeur absolue, est inférieure à 10'5, afin de perturber le moins possible les interactions magnétiques entre les aimants des premier et deuxième organes de stockage.
Le support peut comporter au moins un logement recevant chacun au moins un des aimants. En variante, les aimants peuvent recouvrir une face du support. Selon encore une autre variante, des aimants peuvent être disposés dans des logements et d’autres aimants peuvent recouvrir une face du support.
De préférence, le support comporte autant de logements que d’aimants, chaque aimant étant disposé dans un des logements correspondants.
Les aimants des premier et deuxième organes de stockage sont des aimants permanents. De préférence, au moins un, de préférence chacun, des aimants du premier organe et/ou au moins un, de préférence chacun, des aimants du deuxième organe sont des aimants au néodyme, notamment en un matériau de formule NdiFeuB, dont le grade peut être fixé en fonction des performances de stockage souhaitées.
Les aimants des premier et deuxième organes de stockage peuvent être identiques. Par exemple, ils présentent une forme d’une plaque, notamment de contour circulaire en forme de portion d’un disque.
Lorsqu’observés selon l’axe X, au moins 50 %, de préférence au moins 90 %, mieux 100 % de la surface du premier organe de stockage et/ou au moins 50 %, de préférence au moins 90 %, mieux 100 % de la surface du deuxième organe de stockage peuvent être recouvertes par les aimants.
De préférence, l’accumulateur comporte un premier mécanisme de stockage comportant plusieurs premiers organes de stockage, notamment rigidement reliés entre eux, et un deuxième mécanisme de stockage comportant plusieurs deuxièmes organes de stockage, notamment rigidement reliés entre eux, le premier mécanisme de stockage et le deuxième mécanisme de stockage étant interdigités. De préférence, au moins un, de préférence chacun des premiers organes de stockage disposés entre deux deuxièmes organes de stockage adjacents interagit magnétiquement avec lesdits deuxièmes organes de stockage et vice versa. De cette façon, il est possible d’augmenter conséquemment l’énergie magnétique emmagasinable dans l’accumulateur.
De préférence, le premier mécanisme de stockage est configuré pour que les premiers organes de stockage tournent collectivement à la même vitesse autour de l’axe X et le deuxième mécanisme de stockage est configuré pour que les deuxièmes organes de stockage tournent collectivement à la même vitesse autour de l’axe X.
De préférence, le support d’au moins un, de préférence de chacun des premiers, respectivement deuxièmes, organes de stockage, comporte au moins un logement qui traverse de part en part ledit support selon l’axe X, au moins un des aimants étant disposé dans le logement, le pôle nord dudit aimant interagissant avec au moins un des aimants d’un deuxième, respectivement premier, organe de stockage qui fait face audit aimant et le pôle nord dudit aimant interagissant avec au moins un des aimants d’un autre deuxième, respectivement premier, organe de stockage qui lui fait face selon l’axe X. De cette façon, un aimant d’un des premier organes de stockage interagit avec les deuxièmes organes de stockage adjacents qu’il sépare selon l’axe X. L’accumulateur est ainsi particulièrement compact.
Selon une variante, le support d’au moins un, de préférence de chacun des premiers, respectivement deuxièmes, organe de stockage comporte des aimants disposés sur une de ses faces qui interagissent avec les aimants du deuxième, respectivement premier, organe de stockage en regard de ladite face, et comporte d’autres aimants disposés sur sa face opposée qui interagissent avec les aimants d’un autre deuxième, respectivement premier, organe de stockage en regard de ladite face opposée.
De préférence, la distance mesurée selon l’axe X entre chaque paire consécutive de premiers organes de stockage est constante et/ou la distance mesurée selon l’axe X entre chaque paire consécutive de deuxièmes organes de stockage est constante. De préférence, la distance entre chaque paire formée d’un premier organe de stockage et d’un deuxième de stockage qui lui est contigu est constante. De préférence, les premier et deuxième organes de stockage qui sont disposés chacun à une des extrémités de l’accumulateur comportent, du côté qui est opposé aux autres organes de stockage, une plaque en un matériau ferromagnétique. La plaque est de préférence faite d’un matériau ferromagnétique, ce qui permet ainsi de refermer le champ magnétique et d’éviter des interactions magnétiques avec d’autres organes disposés à distance de l’accumulateur et qui sont magnétiquement susceptibles.
Le premier mécanisme de stockage peut comporter une première entretoise s’étendant selon un axe parallèle à l’axe X et sur laquelle les premiers organes de stockage sont fixés, la première entretoise étant de préférence fixée sur la face radialement extérieure de chaque premier organe de stockage, et/ou, le deuxième mécanisme de stockage peut comporter une deuxième entretoise s’étendant selon un axe parallèle à l’axe X et sur laquelle les deuxièmes organes de stockage sont fixés, la deuxième entretoise étant de préférence fixée sur la face radialement extérieure de chaque deuxième organe de stockage.
La première entretoise peut être en butée contre la deuxième entretoise dans la configuration d’équilibre stable et/ou dans la configuration d’équilibre instable. En variante, le premier mécanisme de stockage peut être fixé rigidement sur un arbre d’axe X et le deuxième organe de stockage est monté rotatif autour de l’axe X, ce qui permet d’optimiser les aires en regard des premier et deuxième organes de stockage.
Par ailleurs, l’invention concerne un dispositif de conversion d’énergie mécanique en énergie magnétique et vice versa, le dispositif comportant :
- un accumulateur d’énergie selon l’invention, les premier et deuxième organes de stockage étant mobiles en rotation autour de l’axe X,
- un mécanisme de transmission comportant un arbre de transmission principal et des premier et deuxième arbres de transmission secondaires, un différentiel pour distribuer la vitesse de rotation de l’arbre de transmission principal à chacun des premier et deuxième arbres de transmission secondaires,
- un mécanisme de commande comportant un mécanisme de transfert de puissance à variation continue comportant des premier et deuxième arbres de commande en coopération de rotation l’un avec l’autre, le rapport entre la vitesse de rotation du premier arbre de commande sur la vitesse de rotation du deuxième arbre de commande étant ajustable, le premier organe de stockage, le premier arbre de transmission secondaire et le premier arbre de commande étant en coopération de rotation les uns avec les autres, et le deuxième organe de stockage, le deuxième arbre de transmission secondaire et le deuxième arbre de commande étant en coopération de rotation les uns avec les autres.
Comme cela apparaîtra plus en détail par la suite, lorsque l’accumulateur a emmagasiné de l’énergie magnétique, l’ajustement du rapport de la vitesse de rotation du premier arbre de commande sur la vitesse de rotation du deuxième arbre de commande permet de restituer l’énergie accumulée à l’arbre de distribution sous forme mécanique. Le dispositif de conversion agit alors comme un moteur. En modifiant ledit rapport, le mécanisme de commande peut contraindre le différentiel et ainsi forcer le déplacement des premier et deuxième organes de stockage de la configuration stable vers une configuration instable pour emmagasiner de l’énergie. Le dispositif de conversion agit alors comme une batterie.
De préférence, le dispositif comporte des premier et deuxième réducteurs de transmission pour que la vitesse de rotation du premier organe de stockage et la vitesse de rotation du deuxième organe de stockage respectivement soient chacune inférieures à la vitesse de rotation de l’arbre de transmission. De cette façon, par exemple lorsque l’arbre de transmission principal est relié directement ou indirectement à une roue d’un véhicule, on assure que l’accumulateur atteint la configuration d’équilibre instable après qu’un nombre élevé de tours de roues, et par conséquent une grande distance, ait été parcourue par la roue.
Le premier réducteur de transmission et le deuxième réducteur de transmission peuvent présenter le même rapport de démultiplication.
Le premier réducteur de transmission et/ou le deuxième réducteur de transmission peuvent être un démultiplicateur à engrenages cylindriques. De préférence, le premier réducteur de transmission et/ou le deuxième réducteur de transmission comportent des trains épicycloïdaux, notamment d’axe X.
Par ailleurs, le dispositif peut en outre comporter un premier réducteur de commande pour que la vitesse de rotation du premier organe de stockage soit inférieure à la vitesse de rotation du premier arbre de commande et/ou un deuxième réducteur de commande pour que la vitesse de rotation du deuxième organe de stockage soit inférieure à la vitesse de rotation du deuxième arbre de commande.
La réduction des premier et deuxième réducteurs de commande peut être inférieure à la réduction des premier et deuxième réducteurs de transmission. Avantageusement, un faible nombre de tours de rotation des premier et deuxième arbres de commande permettent de modifier le décalage angulaire entre les premier et deuxième organes de stockage.
Le premier réducteur de commande et le deuxième réducteur de commande peuvent présenter le même rapport de démultiplication.
Le premier réducteur de commande et/ou le deuxième réducteur de commande peuvent être un démultiplicateur à engrenages cylindriques. De préférence, le premier réducteur de transmission et/ou le deuxième réducteur de transmission sont des trains épicycloïdaux, notamment d’axe X.
Par ailleurs, le dispositif peut comporter des premier et deuxième collecteurs en coopération de rotation avec les premier et deuxième organes de stockage respectivement.
Le premier collecteur peut être engrené sur le premier réducteur de transmission et sur le premier réducteur de commande et le deuxième collecteur peut être engrené sur le deuxième réducteur de transmission et sur le deuxième réducteur de commande.
Le premier organe de stockage peut comporter une première dentelure annulaire d’axe X, le premier collecteur comportant un pignon engrené dans la première dentelure et/ou le deuxième organe de stockage peut comporter une deuxième dentelure annulaire d’axe X, le deuxième collecteur comportant un pignon engrené dans la deuxième dentelure.
Par ailleurs, le mécanisme de transfert de puissance peut être un dispositif de transmission progressive, par exemple choisi parmi un variateur à organe de transfert de puissance trapézoïdal, notamment un variateur à courroie trapézoïdale, et un variateur toroïdal, notamment à axes concourants ou à disques coaxiaux.
De préférence, le mécanisme de transfert est un variateur à organe de transfert de puissance trapézoïdal, qui permet avantageusement de transférer une grande puissance du premier au deuxième arbre de commande et vice versa, grâce à l’organe de transfert de puissance trapézoïdal.
L’invention concerne encore un véhicule, notamment choisi parmi une voiture, une motocyclette, un camion, un engin de chantier, un engin agricole, un chariot de transport de charges lourdes et une bicyclette, comportant un accumulateur selon l’invention ou un dispositif selon l’invention. De préférence, le véhicule est une bicyclette.
De préférence, l’arbre de transmission du dispositif est en coopération de rotation avec un arbre d’une roue motrice du véhicule. L’arbre de transmission du dispositif du dispositif peut être un arbre d’une roue du véhicule. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée et des exemples qui vont suivre, présentés à titre illustratif et non limitatif et du dessin annexé, dans lequel :
[Fig. 1] est une vue en perspective d’un exemple d’accumulateur selon l’invention ;
[Fig. 2] illustre schématiquement le fonctionnement d’une variante de l’exemple d’accumulateur de la figure 1 ;
[Fig. 3] est une vue schématique de dessus d’un exemple de dispositif selon l’invention ;
[Fig. 4] est une vue schématique de face d’un mécanisme de transfert de puissance à variation continue mis en œuvre dans le dispositif illustré sur la figure 3;
[Fig. 5] est une vue schématique de dessus d’un autre exemple de dispositif selon l’invention ; et
[Fig. 6] est une vue en perspective d’une partie du dispositif illustré sur la figure 5 ;
Dans les figures, les dimensions et les échelles des différents éléments constitutifs de l’accumulateur, du variateur et du dispositif selon l’invention n’ont pas toujours été nécessairement respectées, par souci de clarté du dessin.
On a illustré sur les figures 1 et 2 un exemple d’accumulateur selon l’invention.
L’accumulateur comporte un premier organe de stockage 2 et un deuxième organe de stockage 3 qui sont chacun rotatifs autour d’un axe X.
Les premier et deuxième organes de stockage sont en outre mobiles en rotation l’un par rapport à l’autre autour de l’axe X.
Les premier et deuxième organes de stockage sont identiques, si bien que la description d’un des premier organes de stockage faite ci-dessous est applicable au deuxième organe de stockage.
Ledit organe de stockage comporte un support 4 et plusieurs paires d’aimants 13 de polarité inversée selon l’axe X.
Le support 4 présente la forme d’un disque percé en son centre, un arbre de maintien 30 d’axe X traversant le support 4 de part en part dans son épaisseur.
Le support comporte par ailleurs des trous 31 qui le traversent dans son épaisseur. Les trous sont de contour circulaire d’axe parallèle à l’axe X et sont répartis régulièrement les uns des autres autour de l’axe X. Par exemple, le support de la figure 1 comporte 6 trous répartis à 60 ° les uns des autres autour de l’axe X tandis que le support illustré sur la figure 2 en comporte 4 répartis à 90 ° les uns des autres autour de l’axe X.
Les aimants 13 sont logés dans les trous 31, par exemple introduits en force. Ils sont répartis en alternance de pôles autour de l’axe X, i.e. en parcourant le support autour de l’axe X, à un aimant « NS » succède consécutivement un aimant « SN ».
Le support 4 comporte par ailleurs une face radialement extérieure 32 dentelée.
L’accumulateur illustré sur la figure 5 comporte un premier mécanisme de stockage 38 comportant plusieurs premiers organes de stockage 2 et un deuxième mécanisme de stockage 39 comportant plusieurs deuxièmes organes de stockage. Les premier et deuxièmes mécanismes de stockage sont disposés en alternance et sont ainsi interdigités.
Les premiers et deuxièmes organes de stockage sont disposés en alternance deux à deux selon l’axe X. Ainsi, en parcourant l’axe X dans un sens, hormis pour ce qui concerne les organes de stockage disposés aux extrémités de l’accumulateur selon l’axe X, chaque deuxième organe de stockage est disposé entre deux premiers organes de stockage adjacents et vice versa.
Par ailleurs, ils sont espacés les uns des autres d’une distance d’, mesurée selon l’axe X, qui est constante.
Les premiers organes de stockage et les deuxièmes organes de stockage sont entraînés en rotation autour de l’axe X chacun au moyen d’un premier arbre collecteur 40 et au moyen d’un deuxième collecteur 41 respectivement qui sont rotatifs chacun autour d’un axe parallèle à l’axe X.
Le premier collecteur et le deuxième collecteur portent des pignons 43 qui sont engrenés chacun dans la radialement extérieure dentelée 32 d’un premier organe de stockage et d’un deuxième organe de stockage respectivement.
La mise en rotation des premier 40 et deuxième 41 collecteurs selon des sens de rotation différents résulte ainsi en une mise en rotation relative du premier organe de stockage 2 par rapport au deuxième organe stockage 3.
Les premiers et deuxième organe de stockage peuvent ainsi être disposés, comme cela est illustré sur la figure 2 a), selon une première configuration d’équilibre stable selon laquelle les aimants 13 du premier organe de stockage sont disposés chacun selon un axe parallèle à l’axe X en regard d’un aimant 17 de polarité inversée selon l’axe X du deuxième organe de stockage. Autrement dit, chaque aimant « SN » du premier organe de stockage est intégralement superposé axialement à un aimant « SN » du deuxième organe de stockage et vice versa, et chaque aimant « NS » du premier organe de stockage est intégralement superposé axialement à un aimant « NS » du deuxième organe de stockage et vice versa. Ainsi, les ressorts en regard selon l’axe X ont des pôles qui s’attirent. Cette configuration d’équilibre stable correspond à celle où l’énergie magnétique dans l’accumulateur est minimale et pour laquelle l’accumulateur n’a pas emmagasiné d’énergie.
La mise en rotation relative des premier et deuxième organes de stockage déplace les aimants des premier et deuxième organes de stockage les uns par rapport aux autres dans une direction transverse à l’axe X vers différentes configurations instables fonction de l’angle de rotation du premier organe de stockage par rapport au deuxième organe de stockage.
Dans ces configurations instables, un aimant du premier organe de stockage est au moins partiellement superposé avec un aimant de même polarité et optionnellement avec un aimant de polarité inversée le long de l’axe X, comme cela peut être observé sur la figure 2 b).
L’accumulateur peut être disposé dans une configuration d’équilibre instable par une rotation relative d’un angle de 90° autour de l’axe X entre les premiers et deuxièmes organes de stockage. Dans cette configuration d’équilibre instable, les aimants du premier organe de stockage sont disposés chacun selon un axe parallèle à l’axe X en regard d’un aimant de même polarité selon l’axe X du deuxième organe de stockage. Autrement dit, chaque aimant « SN » du premier organe de stockage est intégralement superposé axialement à un aimant « NS » du deuxième organe de stockage et vice versa, et chaque aimant « NS » du premier organe de stockage est intégralement superposé axialement à un aimant « SN » du deuxième organe de stockage et vice versa. Ainsi, les ressorts en regard selon l’axe X se repoussent, générant une force électromagnétique élevée entre eux. Cette configuration d’équilibre instable illustrée sur la figure 2 c) est celle où l’énergie magnétique dans l’accumulateur est maximale.
Dans l’exemple illustré, les premier et deuxième organes comportent quatre ou six aimants. Ce nombre n’est toutefois pas limitatif et peut être plus élevé ou plus faible, sans que cela ne modifie les aptitudes au stockage d’énergie de l’accumulateur. De préférence, les aimants sont disposés régulièrement et en alternance de polarité autour de l’axe X.
L’accumulateur selon l’invention permet d’emmagasiner une grande densité massique d’énergie par un faible déplacement relatif du premier organe de stockage par rapport au deuxième organe de stockage.
La figure 3 illustre un premier exemple de dispositif 50 selon l’invention pour convertir une énergie mécanique en énergie magnétique et vice versa.
Le dispositif comporte un accumulateur d’énergie 1 selon l’invention tel que décrit sur les figures 1 et 2, un mécanisme de transmission 52 et un mécanisme de commande 54 qui sont liés cinématiquement les uns aux autres.
Le mécanisme de transmission 52 comporte un arbre de transmission principal 55, des premier 56 et deuxième 57 arbres de transmission secondaires et un différentiel 58.
L’arbre de transmission principal 55 est par exemple en coopération de rotation, directe ou indirecte, avec un arbre de sortie d’un moteur ou un arbre de rotation d’une roue d’un véhicule. Ainsi l’arbre de distribution transmet une énergie mécanique destinée à être emmagasinée par l’accumulateur 1 sous forme magnétique ou récupère une énergie mécanique produite par la libération de l’énergie d’interaction magnétique entre les aimants de l’accumulateur. Comme cela sera décrit par la suite, l’accumulation ou la restitution de l’énergie d’interaction magnétique est commandée par le mécanisme de commande 54.
Le différentiel 58 est configuré pour distribuer la vitesse de rotation de l’arbre de transmission principal 55 à chacun des premier 56 et deuxième 57 arbres de transmission secondaires.
Le dispositif de conversion 50 comporte des premier 58 et deuxième 59 collecteurs qui sont en coopération de rotation avec les premier 2 et deuxième 3 organes de stockage respectivement.
Les premier et deuxième collecteurs comportent des premier 60 de deuxième 61 arbres collecteurs portant des premiers 62 et deuxièmes 63 pignons collecteurs.
Chacun des premiers pignons collecteurs 62 est engrené sur une dentelure portée par la face radialement extérieure 64 du support d’un premier organe de stockage 2 correspondant et chaque deuxième pignon collecteur 63 du deuxième collecteur est engrené sur une dentelure 65 portée par la face radialement extérieure du support d’un deuxième organe de stockage 3 correspondant. Par ailleurs, le mécanisme de transmission 52 comporte un premier réducteur de transmission 70 qui est disposé entre le premier arbre de transmission 56 et le premier collecteur 58. Il comporte en outre un deuxième réducteur de transmission 71 qui est disposé entre le deuxième arbre de transmission 57 et le deuxième collecteur 59.
Le mécanisme de transmission 52 est adapté à ce que la vitesse de rotation du premier organe de stockage 2 et la vitesse de rotation du deuxième organe de stockage 3 respectivement soient chacune inférieures à la vitesse de rotation de l’arbre de transmission principal 55. De cette façon, on assure qu’un grand nombre de rotations de l’arbre de distribution principal 55 résulte en une faible rotation relative des premier et deuxième organes de stockage l’un par rapport à l’autre.
Les premier 70 et deuxième 71 réducteurs de transmission de l’exemple illustrés sont des démultiplicateurs à engrenages cylindriques. D’autres types de réducteurs peuvent toutefois être envisagés.
Le mécanisme de commande 54 comporte un mécanisme de transfert de puissance à variation continue 80 comportant des premier 81 et deuxième 82 arbres de commande en coopération de rotation l’un avec l’autre. Le rapport de la vitesse de rotation du premier arbre de commande sur la vitesse de rotation du deuxième arbre de commande peut être ajusté par l’utilisateur du dispositif, afin d’ entrainer une accumulation ou une restitution d’énergie.
Le variateur à organe de transfert de puissance trapézoïdal peut comporter des premier 83 et deuxième 84 plateaux fixés au premier 81 et deuxième 82 arbres de commande et d’axes confondus avec les axes respectifs des premier et deuxième arbres de commande.
Les premier et deuxième plateaux entraînent en rotation un organe de transfert de puissance 85, par exemple une courroie ou une chenille, par leurs faces radialement extérieures 86, 87. L’organe de transfert de puissance est inextensible et de longueur constante ainsi que la distance entre les centres des premier et deuxième plateaux. Le variateur est configuré pour présenter que les premier et deuxième plateaux présentent des diamètres qui peuvent varier conjointement pour maintenir une tension et une longueur sensiblement constantes dans la courroie.
Le fonctionnement de l’organe d’un exemple de variateur à organe de transfert de puissance trapézoïdal est illustré sur la figure 4. Lorsque les premier et deuxième plateaux présentent des diamètres (|)i, (|)2 identiques (figure 4 b)), les vitesses de rotation des premier et deuxième arbre de commande sont alors égales. En conséquence, les vitesses des premier et deuxième collecteurs sont identiques. Ainsi, la vitesse relative de rotation du premier organe de stockage 2 par rapport au deuxième organe de stockage 3 est nulle. Il n’y a alors ni accumulation ni restitution d’énergie dans l’accumulateur.
Lorsque le premier plateau présente un diamètre (|)i plus grand, respectivement plus petit, que celui (|)2 du deuxième plateau, la vitesse du premier collecteur 58 est inférieure, respectivement supérieure à la vitesse du deuxième collecteur 59. Les premiers organes de stockage tournent alors moins vite, respectivement plus vite, que les deuxièmes organes de stockage. La vitesse de rotation d’un premier organe de stockage par rapport à un deuxième organe de stockage est alors négative, respectivement positive. De cette façon, il est ainsi possible de déplacer les premier et deuxième organes de stockage entre une configuration d’équilibre stable et une configuration d’équilibre instable pour emmagasiner de l’énergie magnétique dans l’accumulateur ou la restituer.
Le dispositif comporte en outre un premier réducteur de commande 88 disposé entre le premier arbre de commande et le premier collecteur et un deuxième réducteur de commande 99 disposé entre le deuxième arbre de commande et le deuxième collecteur.
Par ailleurs, les forces d’interaction magnétique pouvant être élevées, afin d’éviter une déformation excessive des supports et pour maintenir une distance constante entre les premier et deuxième organes de stockage, l’accumulateur comporte des espaceurs 90 sous forme de billes logées dans des gorges annulaires de forme complémentaire, ménagées sur les faces des supports en regard des premier et deuxième organes de stockage. Ainsi, lors de la rotation relative des premier et deuxième organes de stockage l’un par rapport à l’autre, les billes roulent dans les gorges annulaires tout en maintenant les supports à distance constante.
La figure 5 illustre un autre exemple de dispositif de conversion d’énergie selon l’invention, qui diffère du dispositif illustré sur les figures 3 et 4 notamment par les différences suivantes.
Les premier 56 et deuxième 57 arbres de transmission comportent des pignons de transmission 92 qui sont engrenés sur des pignons d’entrée 93 portés par chacun des premier 81 et deuxième 82 arbres de commande. Dans une variante non illustrée, le dispositif de conversion 50 peut comporter des premier et deuxième réducteurs de transmission disposés entre le premier arbre de transmission et le premier arbre de commande d’une part et entre le deuxième arbre de transmission et le deuxième arbre de commande d’autre part.
Par ailleurs, les premier et deuxième arbres de transmission portent des pignons de sortie 94 qui sont engrenés respectivement sur des premiers 70 et deuxième 71 réducteurs de transmission qui sont en coopération de rotation avec les premier 2 et deuxième 3 organes de stockage respectivement.
Dans l’exemple illustré, les premier et deuxième réducteurs de transmission sont des premier et deuxième trains épicycloïdaux d’axe X.
Chaque train épicycloïdal comporte un pignon planétaire 96 d’axe X, un porte- satellite 97 d’axe X et des pignons satellites 98 d’axe parallèle à l’axe X disposés entre le pignon planétaire et le porte- satellite et engrenés sur le pignon satellite et sur le porte- satellite. Ainsi lors d’une rotation du pignon planétaire, les pignons satellites tournent autour de l’axe X et autour de leur axe parallèle à l’axe X, et entraînent la rotation du porte- satellite autour de l’axe X, la vitesse de rotation du porte- satellite autour de l’axe X étant inférieure à la vitesse de rotation du pignon planétaire.
Le porte- satellite 98 du premier train épicycloïdal comporte un premier arbre collecteur 100 disposé à sa périphérie radiale et qui s’étend axialement en portant des pignons 101 qui sont chacun engrené sur la dentelure extérieure d’un premier organe de stockage 2.
Le porte- satellite du deuxième train épicycloïdal comporte un deuxième arbre collecteur 102 d’axe X qui porte des pignons 103 chacun disposé dans un trou central d’axe X d’un deuxième organe de stockage 3 correspondant et qui est engrené sur une dentelure portée par la face radialement intérieure du trou.
Dans une variante, illustrée sur la figure 6, le porte- satellite du premier train épicycloïdal, respectivement du deuxième train épicycloïdal, comporte une première entretoise 104, respectivement une deuxième entretoise 105, fixée à sa périphérie radiale et qui s’étend axialement. La première entretoise, respectivement la deuxième entretoise, est fixée sur la face radialement extérieure de chacun des premiers 2, respectivement deuxièmes 3, organes de stockage, afin de les déplacer collectivement en rotation autour de l’axe X.
Exemple On illustre ci-dessous un exemple de dimension d’un accumulateur selon l’invention, composant d’un dispositif de restitution destiné à être intégré au sein d’une bicyclette, l’arbre principal de distribution étant par exemple l’arbre d’une roue de la bicyclette.
L’accumulateur, du type de ceux illustrés sur les figures 1, 2 et 6 comporte 25 organes de stockage comportant chacun un support sous la forme d’un disque d’épaisseur égale à 3 mm et diamètre égal à 100 mm. Les organes de stockage sont disposés dans une boite cubique de 10 cm de côté.
Les organes de stockage sont disposés alternativement le long d’un axe X autour duquel ils sont mobiles en rotation. Les supports sont distants les uns des autres selon l’axe X d’une distance de 1 mm. Chaque support porte deux aimants en néodyme de type N52 de polarité opposée aptes à exercer avec un aimant similaire une force surfacique fs de 50 N/cm2. En supposant que les aimants couvrent toute la surface d’un support, la puissance totale P pouvant être générée par les interactions magnétiques dans l’accumulateur par rotation d’un demi-tour est calculée selon la formule :
[math 1]
P = fs * N * S * L/2 avec :
N étant le nombre d’interactions entre les disques du système, égal à 48, en considérant que chaque disque interagit avec deux disques adjacents hormis les disques extrémaux, et
S est l’aire de chaque disque, soit 78,5 cm2,
L est le périmètre d’un disque, égal à 15,7 cm.
Ainsi, selon cet exemple, la puissance maximale issue des interactions magnétiques qui peut être générée est d’environ 29,5 kJ.
Il est connu qu’il est nécessaire de dépenser environ 17 J/s et 25 J/s pour qu’une bicyclette d’une masse de 10 kg conduite par une personne d’une masse de 70 kg se déplace sur une route plate à une vitesse de 5 km/h et de 10 km/h.
En convertissant l’énergie magnétique emmagasinée par l’accumulateur en travail d’entraînement de la roue, il est ainsi possible de faire avancer la bicyclette à une vitesse de 5 km/h pendant 29 min environ et à une vitesse de 10 km/h pendant 19 min environ. Comme cela apparaît tout au long de la présente description, l’invention fournit un accumulateur et un dispositif de conversion qui sont compacts et peuvent être aisément disposés au sein d’une chaine cinématique de transmission d’un véhicule. En outre, l’accumulateur permet d’accumuler une densité massique d’énergie magnétique élevée et de la convertir en énergie mécanique immédiatement, par une simple commande de l’utilisateur.
L’invention n’est pas limitée aux exemples décrits à titre illustratif et non limitatif. Par exemple, le dispositif de conversion peut comporter un mécanisme activateur, par exemple une manette fixée sur le guidon ou le cadre de la bicyclette, relié au mécanisme de commande, l’utilisateur actionnant le mécanisme activateur pour commander le stockage ou la restitution d’énergie par l’accumulateur.

Claims

Revendications
1. Accumulateur d’énergie (1) comportant un premier mécanisme de stockage (38) comportant plusieurs premiers organes (2) de stockage, notamment rigidement reliés entre eux, et un deuxième mécanisme de stockage (39) comportant plusieurs deuxièmes organes (3) de stockages, notamment rigidement reliés entre eux, le premier mécanisme de stockage (38) et le deuxième mécanisme de stockage (39) étant interdigités, les premiers (2) et deuxièmes (3) organes de stockage étant espacés l’un de l’autre d’une distance (d’) fixe selon un axe X, chacun des premiers et deuxièmes organes de stockage comportant deux aimants permanents de polarité inversée le long de l’axe X, au moins un des aimants (13) des premiers organes de stockage (2) interagissant magnétiquement avec au moins un des aimants (17) des deuxièmes organes de stockage (3) dans au moins une configuration de l’accumulateur d’énergie, et vice versa, les premiers (2) et deuxièmes (3) organes de stockage étant mobiles l’un par rapport à l’autre entre une configuration d’équilibre stable où l’énergie magnétique induite par l’interaction magnétique entre les aimants des premiers et deuxièmes organes de stockage est minimale et au moins une configuration instable où l’énergie magnétique est supérieure à l’énergie magnétique dans la configuration stable.
2. Accumulateur selon la revendication 1, les premiers (2) et deuxièmes (3) organes de stockage étant identiques.
3. Accumulateur selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, chaque aimant (13) des premiers organes de stockage (2) interagissant magnétiquement avec au moins un des aimants (17) des deuxièmes organes de stockage (3) dans au moins une configuration de l’accumulateur d’énergie, et vice versa.
4. Accumulateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, selon lequel dans la configuration d’équilibre stable, chaque aimant des premiers organes de stockage fait face selon l’axe X à un aimant des deuxièmes organes de stockage de polarité opposée, et vice versa.
5. Accumulateur selon la revendication précédente, selon lequel dans la configuration d’équilibre stable, chaque aimant des premiers organes de stockage étant superposé à un unique aimant des deuxièmes organes de stockage de polarité opposée dans la configuration d’équilibre stable, et vice versa.
6. Accumulateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, selon lequel dans une configuration d’équilibre instable où l’énergie magnétique est maximale, chaque aimant des premiers organes de stockage fait face selon l’axe X à un aimant des deuxièmes organes de même polarité, et vice versa.
7. Accumulateur selon la revendication précédente, chaque aimant des premiers organes de stockage étant superposé à un unique aimant des deuxièmes organes de stockage de même polarité dans la configuration d’équilibre instable, et vice versa.
8. Accumulateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, les premiers organes de stockage et/ou les deuxièmes organes de stockage présentant une forme générale d’un disque d’axe X.
9. Accumulateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, les premiers et deuxièmes organes de stockage étant mobiles l’un par rapport à l’autre en rotation autour de l’axe X.
10. Accumulateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, les premiers organes de stockage et/ou les deuxièmes organes de stockage comportant un support (4) portant les aimants, le support étant diamagnétique, par exemple en cuivre ou en laiton, ou paramagnétique, par exemple en un alliage d’aluminium ou de tungstène.
11. Accumulateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, la distance entre chaque paire consécutive de premiers organes de stockage étant constante et/ou la distance entre chaque paire consécutive de deuxième organes de stockage étant constante.
12. Accumulateur selon l’une quelconque des revendications 10 et 11, la distance entre chaque paire formée d’un premier organe de stockage et d’un deuxième de stockage qui lui est contigu étant constante.
13. Dispositif (50) de conversion d’énergie mécanique en énergie magnétique et vice versa, le dispositif comportant :
- un accumulateur d’énergie (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, les premier et deuxième organes de stockage étant mobiles en rotation autour de l’axe X,
- un mécanisme de transmission (54) comportant un arbre de transmission principal (55) et des premier (56) et deuxième (57) arbres de transmission secondaires, un différentiel (58) pour distribuer la vitesse de rotation de l’arbre de transmission principal à chacun des premier et deuxième arbres de transmission secondaires,
- un mécanisme de commande (54) comportant un mécanisme de transfert de puissance à variation continue (80) comportant des premier (81) et deuxième (82) arbres de commande en coopération de rotation l’un avec l’autre, le rapport entre la vitesse de rotation du premier arbre de commande sur la vitesse de rotation du deuxième arbre de commande étant ajustable, le premier organe de stockage (2), le premier arbre de transmission secondaire (56) et le premier arbre de commande (81) étant en coopération de rotation les uns avec les autres, et le deuxième organe de stockage (3), le deuxième arbre de transmission secondaire (57) et le deuxième arbre de commande (82) étant en coopération de rotation les uns avec les autres.
14. Dispositif selon la revendication 13, comportant des premier (70) et deuxième (71) réducteurs de transmission pour que la vitesse de rotation du premier organe de stockage et la vitesse de rotation du deuxième organe de stockage respectivement soient inférieures à la vitesse de rotation de l’arbre de transmission.
15. Dispositif selon la revendication précédente, le premier réducteur de transmission et/ou le deuxième réducteur de transmission comportant des trains épicycloïdaux, de préférence d’axe X.
16. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 13 à 15, le mécanisme de transfert de puissance à variation continue étant un variateur à organe de transfert de puissance trapézoïdal.
17. Véhicule, notamment choisi parmi une voiture, une motocyclette, un camion, un engin de chantier, un engin agricole et une bicyclette, comportant un accumulateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 12 ou un dispositif selon l’une quelconque des revendications 13 à 16.
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WO2019053675A2 (fr) * 2017-09-15 2019-03-21 DE Innovation Lab Limited Agencement de freinage régénératif pour véhicules électriques
US20200386289A1 (en) * 2019-01-09 2020-12-10 Green Wave Power Systems Llc Magnetically-coupled torque-assist apparatus
CN114679027A (zh) * 2022-05-27 2022-06-28 华中科技大学 一种多盘式轴向磁通储能调相机

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