Transmission de puissance sans fil basse fréquence hybride pour l'alimentation de systèmes autonomes

Low frequency hybrid wireless power transmission for autonomous system

• Auteur / Autrice : Adrien Ameye
• Direction : Adrien Badel, Nicolas Garraud, Pierre Gasnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 25/10/2024
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences, ingénierie, environnement (Chambéry ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et matériaux pour la mécatronique (Annecy ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Sylvestre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Prelle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Skandar Basrour, Mickaël Lallart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézoélectricité

Énergie mécanique -- Transmission

Mots clés libres

Transmission de puissance sans fil

Transmission hybride

Convertisseur piézoélectrique

Convertisseur électromagnétique

Wireless power transfer

Hybrid power transfer

Piezoelectric converter

Electromagnetic converter

Résumé

La transmission de puissance sans fil (TPSF ou WPT en anglais : Wireless Power Transfer) est une stratégie de transmission d'énergie électrique permettant de s'affranchir de la contrainte physique imposée par les câbles électriques. Elle peut être utilisée pour l'alimentation ou la recharge de systèmes placés dans des environnements contraints ou sévères, des environnements difficiles d'accès ou isolés, ou dans le cadre de l'alimentation de systèmes en mouvement.Diverses techniques basées sur des principes physiques différents existent. La plupart des systèmes actuellement proposés dans la littérature scientifique proposent l'utilisation de champs électromagnétiques émis à des fréquences élevées (supérieures à 100 kHz). L'utilisation de champs à hautes fréquences permet une plus forte directivité de l'émission, une diminution de la taille des antennes réceptrices et de meilleurs rendements de transmission. En contrepartie, l'augmentation de la fréquence des champs émis augmente les risques d'interférence électromagnétique avec les systèmes électroniques environnants, limite la pénétration des ondes dans les matériaux conducteurs comme les parois métalliques, et est soumise à des normes plus sévères que les champs de très basse fréquence.Le développement des systèmes de transmission électrodynamique (ED-WPT) tente de pallier cela. Cette technique de transmission de puissance sans fil fonctionne grâce à des champs magnétiques générés à des fréquences inférieures à 10 kHz. Les récepteurs utilisés comportent des aimants permanents couplés à des systèmes mécaniques. L'interaction entre un champ magnétique créé par un émetteur à basse fréquence et un aimant permanent génère un effort mécanique entrainant l'aimant en mouvement. L'énergie mécanique est ensuite convertie en énergie électrique à l'aide d'un transducteur électromécanique.Les systèmes ED-WPT sont, pour l'heure, à un stade de recherche. D'autres systèmes de transmission d'énergie ou l'utilisation de batteries leur sont préférés pour trois raisons principales. Tout d'abord, les puissances transférées par les systèmes ED-WPT sont faibles au regard de leur volume, ensuite la portée de transmission de ces systèmes peut être un frein à leur utilisation et enfin, la robustesse mécanique des systèmes ED-WPT est limitée.Une grande partie des recherches sur les récepteurs ED-WPT se concentre sur le premier point : l'augmentation de la densité de puissance. Dans cette thèse, nous nous concentrerons sur les deux autres verrous technologiques : l'augmentation de la portée de transmission et la robustesse de ces systèmes.

Wireless Power Transfer (WPT) is a strategy for transmitting electrical energy that avoids the physical constraints imposed by electrical cables. It can be used to power or recharge systems located in constrained or harsh environments, in environments that are difficult to access or isolated, or to power systems in motion.Various techniques based on different physical principles exist. Most of the systems currently proposed in the scientific literature involve the use of electromagnetic fields emitted at high frequencies (above 100 kHz). The use of high-frequency fields allows greater directivity of the emission, a reduction in the size of the receiving antennae and better transmission yields. On the other hand, increasing the frequency of the fields emitted increases the risk of electromagnetic interference with surrounding electronic systems, limits the penetration of waves into conductive materials such as metal walls, and is subject to stricter standards than very low-frequency fields.The development of electrodynamic transmission systems (ED-WPT) is an attempt to overcome this problem. This wireless power transmission technique uses magnetic fields generated at frequencies below 10 kHz. The receivers used comprise permanent magnets coupled to mechanical systems. The interaction between a magnetic field created by a low-frequency transmitter and a permanent magnet generates a mechanical force that sets the magnet in motion. The mechanical energy is then converted into electrical energy using an electromechanical transducer.ED-WPT systems are currently at the research stage. Other energy transmission systems or the use of batteries are preferred for three main reasons. Firstly, the power transferred by ED-WPT systems is low in relation to their volume; secondly, the transmission range of these systems can be an obstacle to their use; and thirdly, the mechanical robustness of ED-WPT systems is limited.Much of the research on ED-WPT receivers focuses on the first point: increasing power density. In this thesis, we will focus on the other two technological issues: increasing the transmission range and the robustness of these systems.