La miniaturisation des appareils et leur alimentation électrique constituent une question centrale dans le domaine de la technologie moderne. Les dispositifs de récupération d’énergie, en particulier, sont examinés avec attention pour leur capacité à transformer des formes d’énergie ambiante en énergie électrique utilisable. Les principes de l’induction électromagnétique, bien que largement maîtrisés, sont rarement exploités à petite échelle. Cette exploration ouvre la voie à des innovations prometteuses dans le domaine des récupérateurs d’énergie.
L’induction électromagnétique (IE) se réfère à la production de tension à travers un conducteur en variant le champ magnétique ou en déplaçant le conducteur dans un champ magnétique fixe. Les principes de l’IE sont bien compris et leur technologie est mûre. Cependant, leur application à des échelles plus réduites pour la conversion d’énergie n’a pas été rigoureusement mise en œuvre jusqu’à présent.
Les limites et les innovations des récupérateurs d’énergie
Les récupérateurs d’énergie souffrent souvent d’une sortie de puissance relativement faible par rapport à leur taille. En conséquence, de nombreuses recherches se sont orientées vers l’amélioration de leur rendement par le développement de nouveaux mécanismes de conversion d’énergie, souvent en intégrant des structures hybrides qui combinent ces mécanismes avec les sorties de puissance plus élevées de l’IE. Des études ont cherché à augmenter la puissance en utilisant des aimants plus gros et plus puissants, ainsi que des bobinages plus nombreux. Une approche innovante consiste à optimiser la topologie des aimants et des bobines pour maximiser la variation du flux magnétique.
Une équipe de chercheurs de la République de Corée, dirigée par le professeur associé Dahoon Ann du Département de Conception de Systèmes Mécaniques à l’Université Nationale des Sciences et Technologies de Séoul (SeoulTech), s’est concentrée sur les bobines et les noyaux magnétiques cylindriques, composants couramment utilisés dans les récupérateurs d’énergie. Ils ont élaboré un nouveau design pour des récupérateurs de vibration à induction électromagnétique (VEH) à haute efficacité énergétique et à forte sortie de puissance. «Ce design pourrait permettre d’obtenir une sortie de puissance plus élevée dans un volume réduit. Si de tels récupérateurs d’énergie étaient mis en œuvre, cela pourrait marquer un tournant où les appareils alimentés par batterie utiliseraient principalement des récupérateurs d’énergie comme source d’énergie,» a déclaré le Dr. Ahn.
Les conceptions novatrices proposées
Les chercheurs ont étudié la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique dans des VEHs cylindriques avec des aimants et des bobines en forme de disque ou d’anneau. Leurs simulations montrent que l’utilisation d’une paire d’aimants répulsifs au lieu d’un seul, l’intégration d’un joug pour guider et concentrer le flux magnétique, et l’optimisation de la position et de l’épaisseur de la bobine sont des stratégies prometteuses. Ces approches modifient le chemin du flux magnétique pour maximiser le gradient de flux magnétique au niveau de l’enroulement de la bobine, améliorant ainsi les VEHs.
Notamment, un joug a augmenté la consommation de puissance à la charge externe d’environ 5,8 fois. L’équipe a également identifié les points du circuit magnétique où la génération de puissance est impossible en raison d’un gradient de flux magnétique nul et a observé une augmentation remarquable de 5,3 fois de la production de puissance après optimisation du placement de la bobine.
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Basé sur leurs résultats, l’étude propose deux conceptions novatrices pour les VEHs : une avec une bobine mobile et des aimants fixes en disque avec un joug attaché au logement, et une autre avec des aimants annulaires mobiles et une bobine fixe au logement avec un joug d’enceinte. La première conception montre une sortie de puissance élevée mais présente des limitations structurelles. La seconde configuration, sans ces limitations, peut générer environ 85% de la puissance de la première.
«Les applications potentielles des designs optimisés de récupérateurs d’énergie que nous proposons sont directement liées aux noyaux d’induction électromagnétique. Quelques exemples incluent les dispositifs portables, les interrupteurs et les capteurs sans fil,» a conclu le Dr. Ahn.
Article : ‘Power enhancement of vibration energy harvesters by way of magnetic flux gradient analysis of electromagnetic induction’ / ( 10.1016/j.jsamd.2024.100791 ) – Seoul National University of Science & Technology – Publication dans la revue Journal of Science Advanced Materials and Devices
Source : SeoulTech
