Couverture ElectroniqueS n°127

Le département Mesures électriques et Technologies des capteurs de TU Chemnitz et la PME allemande IK Elektronik sont à l'origine d'un capteur sans fil fonctionnant sans alimentation extérieure. En effet, cet ensemble utilise une énergie électrique extraite des vibrations du support sur lequel il est vissé. L eprojet de capteur-vis a porté sur la réalisation d'un capteur sans fil se présentant sous la forme d'une vis. Ce système met en forme et traite les signaux issus de plusieurs capteurs, et transmet ceux-ci à une centrale de mesure. Le tout fonctionne sans batterie; en effet, le dispositif utilise l'énergie électrique tirée de l'énergie cinétique des vibrations agitant l'ensemble sur lequel il est vissé. Ce dispositif a été conçu pour être installé à divers endroits stratégiques d'un véhicule pour y déceler des risques. Exemples d'utilisation : dans les boucles des ceintures de sécurité, dans l'attelage de la remorque, à l'intérieur de l'embrayage et du moteur. De ce fait, le capteur-vis doit pouvoir fonctionner dans un environnement susceptible d'inclure des poussières et de l'eau. ANDREAS MANGLER (RUTRONIK) Andreas Mangler est directeur de la communication et du marketing stratégique chez Rutronik. Il est aussi membre du conseil exécutif. Auparavant et depuis 2001, M. Mangler a occupé divers postes à responsabilités chez le distributeur de composants électroniques. Andreas Mangler est ingénieur en ingénierie électrique. En outre, le capteur-vis doit pouvoir fonctionner dans une large gamme de températures. Enfin, il doit être aussi petit que possible pour obéir aux contraintes de miniaturisation imposées. Les défis à relever Figure 1.-L'ensemble électronique au sein de la tête de la vis-capteur Source : IK Elektronik IK Elektronik a étudié diverses dispositions de l'ensemble électronique au sein de la tête de la vis-capteur. Cet ensemble inclut des redresseurs de tension, des multiplicateurs de tension, des condensateurs, un sous-ensemble de gestion de l'énergie, des capteurs et les microcontrôleurs associés, un transmetteur radio et une antenne. Dans un véhicule, les amplitudes et les fréquences des vibrations rencontrées sont multiples et diverses. Aussi, pour récupérer l'énergie nécessaire au fonctionnement du capteur-vis, il a fallu transformer en énergie électrique des signaux mécaniques d'amplitudes et de fréquences différentes. Cette transformation s'est avérée la plus difficile à réaliser dans les cas d'amplitudes faibles ne pouvant générer que de faibles tensions alternatives car, dans ce cas de figure, les pertes énergétiques générées lors du redressement sont élevées. Pour les réduire, il a fallu faire appel à des convertisseurs à rendement élevé (convertisseurs boost ) câblés pour un démarrage en étoile. En outre, les convertisseurs utilisés ont dû être adaptés aux gammes de fréquences des vibrations rencontrées. Enfin, la mise au point d'un convertisseur d'énergie électrique opérant dans un environnement métallique a constitué, en elle-même, un défi. Dans la pratique, IK Elektronik a su créer, à partir de très petites tensions alternatives – générées par des vibrations de faibles amplitudes –, une tension directe dont l'énergie est ensuite stockée. C'est la quantité d'énergie stockée qui détermine la durée maximale de fonctionnement du capteur-vis. Figure 2.-La conversion d'énergie cinétique en énergie électrique Source : IK Elektronik La conversion d'énergie cinétique en énergie électrique est réalisée via un ensemble comprenant un aimant et un solénoïde. L'équipe de TU Chemnitz a retenu une solution intégrant un aimant mobile compris entre deux aimants fixes. Un convertisseur d'énergie à ressort magnétique ICAPE GROUP à enova PARIS Le groupe ICAPE sera présent sur l'une des plus importantes expositions de technologies et d'innovations pour demain, ENOVA PARIS 2017, Stand M 15. D epuis 1999, le groupe ICAPE possède une longue expérience dans la production de circuits imprimés et de pièces techniques sur mesure fabriqués en Chine. Dans plus de 70 pays, 1150 clients font confiance aux services et aux offres de qualité du groupe. Chaque mois, ICAPE Group livre 15 millions de PCB et 4,5 millions de pièces techniques. Le Groupe ICAPE se concentre sur le développement de sa présence en ligne et continue de mieux servir ses clients. Si vous souhaitez plus d'informations sur l'entreprise, consultez notre site www.icape-group.com Si vous désirez acheter des circuits imprimés en ligne, visitez www.icape-shop.com Prochainement, vous pourrez commander des pièces techniques sur mesure pour assembler votre électronique sur notre plateforme www.cipem-shop.com Pour être au plus près de ses clients et répondre aux attentes des clients et des prospects du marché électronique, le Groupe ICAPE exposera à Enova Paris pour échanger avec vous de vos besoins. N'hésitez pas à nous contacter à info@icape-group.com Contact Loïc PASCO - Directeur Marketing téléphone : +33 1 58 18 39 10 - loic.pasco@icape.fr D'une manière générale, la transformation de l'énergie cinétique de la vibration en énergie électrique fait appel à des principes physiques parfaitement identifiés: électrostatique, électrodynamique, électromagnétisme et piézoélectricité. L'équipe de recherche a opté pour une conversion électrodynamique à partir d'un ensemble comprenant un aimant et un solénoïde, la transformation obéissant à la loi de Faraday. Ce choix a été légitimé parce qu'à une valeur de fréquence donnée, le dispositif présente une résonance se traduisant par l'apparition d'une tension élevée. Dans la pratique, les chercheurs ont dû étudier et choisir la structure électrodynamique (solénoïde + aimant) convenant le mieux du fait des contraintes imposées. Ils ont dû choisir parmi des dispositifs électrodynamiques de type ressort spirale, ressort magnétique et déflexion de faisceaux d'électrons. In fine , l'équipe de recherche a opté pour une structure à ressort magnétique. Ce capteur-vis est destiné à l'automobile. Extérieurement, il a l'allure d'une vis. Son originalité réside dans le fait qu'il utilise la transformation des vibrations en énergie électrique pour son alimentation. Figure 3.-Évolution de la tension de sortie en circuit ouvert pour le convertisseur d'énergie à ressort magnétique Figure a: pour des amplitudes de l'excitation de 1mm et 2mm, et pour un diamètre de fil de solénoïde de 0,2mm. Figure b: pour des amplitudes de l'excitation de 0,5mm, 1mm et 2mm, et pour un diamètre de fil de solénoïde de 0,09 mm. LE DÉPARTEMENT MESURES ÉLECTRIQUES ET TECHNOLOGIES DES CAPTEURS À TU CHEMNITZ > À la Technische Universität de Chemnitz, le département de Mesures électriques et de Technologies des capteurs est spécialisé en capteurs, conception de systèmes, traitement du signal et systèmes embarqués. > La recherche s'y concentre sur les capteurs à fonctionnement autonome (alimentés par énergie sans fil), la spectroscopie d'impédance électrochimique, les capteurs à nano-composite et le stockage d'énergie. > La recherche fondamentale y coopère avec les industriels. D'où des applications de type capteurs sans fil en environnements industriels et capteurs sans fil dédiés à la surveillance de l'environnement, systèmes de test des câbles, systèmes de gestion des batteries, et capteurs tactiles. TU Chemnitz a coopéré avec la PME allemande IK Electronik pour le capteur vis. Le système électronique de mesure conçu par IK Elektronik tient donc tout entier dans la tête d'une vis. Il comprend des redresseurs de tension, des multiplicateurs de tension, des condensateurs pour le stockage de l'énergie électrique, un sous-ensemble de gestion de l'énergie, des capteurs (contact, pression et température) avec les microcontrôleurs associés, un transmetteur radio et une antenne. Cet ensemble fonctionne en liaison avec le convertisseur d'énergie électrodynamique mis au point par TU Chemnitz. Essais en fréquences pour diverses amplitudes de vibrations Parmi plusieurs configurations possibles pour le convertisseur d'énergie à ressort magnétique, l'équipe TU Chemnitz a retenu une solution à aimant mobile compris entre deux aimants fixes. Le flux généré par l'aimant mobile dans le solénoïde est fonction des vibrations aux-quelles il est soumis. Et le rendement énergétique de ce convertisseur est fonc-tion des dimensions de l'aimant mobile, de la valeur du champ magnétique pro-duit, du nombre de spires et de la quan-tité de magnétisme à laquelle sont soumises les spires, ainsi que de la fréquence et de l'amplitude des mouvements de l'aimant mobile. Pour la conception de ce convertisseur, les chercheurs de l'univer-sité de Chemnitz ont fait appel à la méthode des éléments finis (FEM pour Finite Element Method ). L'utilisation de cette méthode a en effet facilité la comparaison de convertisseurs de profils et dimensions différents. Pour les essais du capteur-vis, l'équipe TU Chemnitz a utilisé deux prototypes pour lesquels elle a mesuré la tension en circuit ouvert. La vibration a été créée par un vibreur à fréquence et amplitude variables, ces paramètres étant contrôlés par capteur laser. Les essais ont été réalisés pour des fréquences comprises entre 5 et 30 Hz et pour des amplitudes de vibration de 0,5 mm, 1 mm et 2 mm. Les tests ont montré une fréquence de résonance comprise entre 25 et 30 Hz, la valeur précise étant fonction du solé-noïde et de l'amplitude de l'excitation du vibreur. Les tensions relevées àlaréso-nance ont dépassé les 500 mV. Les tests confirment qu'en agissant sur le ressort magnétique, il est possible de modifier la valeur de la fréquence de résonance. CARTE D'IDENTITÉ D'IK ELEKTRONIK > Ayant vu le jour en 1996, IK Elektronik est une PME allemande qui conçoit et fabrique des systèmes hyperfréquences et radiofréquences à destination, par exemple, de la domotique, de la mesure intelligente, des réseaux électriques intelligents, de l'automation… > Cette entreprise s'appuie sur une quinzaine d'ingénieurs disséminés dans deux sites (Muldenhammer et Dresden). > IK Elektronik se charge de la conception matérielle et logicielle, de l'assemblage des produits et de leurs tests. Pour les tests, elle dispose notamment d'une chambre anéchoïde. Intitulée « Système de capteur sans fil avec convertisseur d'énergie cinétique sous la forme d'une vis pour véhicules utilitaires », cette étude a été menée par la Technische Universität Chemnitz (département de Mesures électriques et de Technologies des capteurs) et par IK Elektronik. Il est soutenu au niveau des autorités allemandes par le Programme d'innovation pour les PME (ZIM) du Ministère fédéral de l'économie et de l'énergie (BMWi). Rutronik soutient les partenaires de ce projet en leur prodiguant des conseils – notamment pour les parties capteurs et produits sans fil (Rutronik SMART). De plus, Rutronik collabore étroitement avec TU Chemnitz au niveau des thèses et des maîtrises du département de mesures électriques et de technologies des capteurs (MST). n Étude menée en coopération par l'université technique de Chemnitz et IK Elektronik.

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