2.5 Etude de la structure de la structure de
récupération d'énergie
Il existe différentes dispositions des transducteurs
piézoélectriques utilisés dans les systèmes de
récupération d'énergie vibratoire à
savoir :
- Poutre en porte-à-faux (cantilever beam) cf. Figure
13
- Diaphragme circulaire (circular diaphragm) cf. Figure 14
- Cymbale (cymbal type) cf. Figure 15
- Pile (stack type) Figure 16
Figure 13 : Poutre en
porte-à-faux (cantilever beam)
C'est la structure la plus répandue pour les
transducteurs des récupérateur d'énergie
piézoélectrique à cause de sa géométrie
simple et la génération de déformations importantes. Elle
se compose d'une (ou deux) fine couche piézoélectrique et d'un
matériau conducteur non-piézoélectrique encastré
d'une part et libre de l'autre. La structure est dite unimorphe lorsqu'une
seule couche piézoélectrique est utilisée et bimorphe
lorsqu'il y en a deux. La configuration en bimorphe est particulièrement
intéressante car elle permet de doubler l'énergie
électrique récoltée sans grande modification de volume
occupé par le système.
Figure 14 : Transducteur
en diaphragme circulaire : (a) Vue de face ; (b) Vue de profil
La structure en diaphragme circulaire se compose d'une fine
couche piézoélectrique en forme de disque attachée
à une cale métallique fixée sur les bords de la bague de
serrage, comme illustré à la Figure 14. Au coeur du diaphragme
est attaché une masse d'épreuve pour intensifier les performances
en fonctionnement à basse fréquence et pour améliorer la
puissance de sortie.
Figure 15 : Transducteur
en cymbale
La structure en cymbale consiste en une couche
piézoélectrique placée entre deux embouts
métalliques de chaque côté (Figure 15), cette structure est
très utile dans des applications avec de grandes charges à
supporter. Lorsqu'une contrainte axiale sur les embouts métalliques, la
contrainte est amplifiée et convertie en contrainte radiale, avec pour
conséquence un plus grand coefficient piézoélectrique, ce
qui conduit à la génération d'une grande quantité
de charges électriques.
Figure 16 : Transducteur
piézoélectrique en pile (stack)
Les transducteurs piézoélectriques en pile se
composent de plusieurs couches piézoélectriques empilées
les unes sur les autres de sorte que la direction de polarisation des couches
s'aligne avec la force appliquée (comme illustré à la
Figure 16), et sont utilisés dans des applications qui exigent une haute
pression.
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Type de configuration
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Avantages
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Inconvénients
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Poutre en porte-à-faux (unimorphe/bimorphe)
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- Structure simple
- Faible coût de fabrication
- Faible fréquence de résonance
- Facteur de qualité mécanique
élevé
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- Incapacité de résister à de grandes
charges
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Diaphragme circulaire
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- Compatible avec des applications faisant intervenir de
grandes pressions
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- Grandes fréquences de résonance
- Rigidité élevée
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Cymbale
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- Energie récoltée élevée
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- Limité à des applications qui
nécessitent une grande amplitude de la source de vibration
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Pile
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- Supporte de grandes charges mécaniques
- Convient à des applications de haute pression
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- Grande rigidité
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Tableau 2-6 : Avantages et
inconvénients des différentes configurations de transducteur
piézoélectrique
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