FablabSU

Sujet: Dalle génératrice à aimants permanents

Contact:

Lin Laurent: laurent.lin@etu.sorbonne-universite.fr

Tanguy Le Nagard: tanguy.le_nagard@etu.sorbonne-universite.fr

Loris: loris.henry@etu.sorbonne-universite.fr

Lucas Jessel: lucas.jessel@etu.sorbonne-universite.fr

Dan Perez: dan.perez@etu.sorbonne-universite.fr

Description du projet:

Séance du 10/02:

Une dalle se déplace sur un axe vertical quand elle subit une pression, elle entraîne un vilebrequin qui transforme la translation verticale en rotation autour d'un axe horizontale. Ce vilebrequin entraîne un système de rouages transformant la rotation autour de l'axe horizontal en rotation autour d'un axe vertical. Cet axe entraîne un plateau sur lequel on place des aimants en cercle qui tourneront au dessus de bobines fixes placées en cercle également.

( Projet inspiré par une technologie existante https://www.futura-sciences.com/tech/actualites/technologie-pavegen-produit-electricite-chacun-vos-pas-63447/ et prototype inspiré de https://heliciel.com/helice/eolienne%20hydrolienne/fabriquer%20generateur%20eolienne.html )

Séance du 17/02:

Lors de cette deuxième séance, on a réalisé une première ébauche de notre générateur à aimant permanent avec le matériel disponible à l'université pour avoir un ordre de grandeur de la tension qu'on pourrait obtenir en sortie. Dans un premier temps, on a vérifié la loi de Faraday sur l'induction E = − dΦ / dt avec un aimant et une bobine de 60 spires et on obtenait sur le voltmètre une tension de l'ordre de 10^-3 V ce qui est très faible. Par conséquent, on a augmenté le nombre de spire n~100 qui expérimentalement satisfaisait nos contraintes physiques.

Dans un second temps, après avoir réalisé notre ébauche de générateur avec 4 aimants et 2 bobines (pour éviter le gaspillage de fil de cuivre) on a obtenu à vitesse maximale une tension de l'ordre de 10^-1 V et on peut donc s'attendre à 3*10^-1 V pour 6 bobines en série.

Pour conclure cette deuxième séance, dans l'optique de pouvoir charger un téléphone on aurait besoin de 5 V et 1 A ce qui est insuffisant avec notre premier générateur. C'est pourquoi on a commandé de meilleurs aimants en néodyme et on va améliorer notre système de rotation.

Séance du 03/03

Lors de la 3e séance, nous avons testé plusieurs configuration pour les aimants afin de déterminer l'orientation donnant le meilleur rendement ( en tension et ampérage) : les aimants doivent être placés en cercle, alignés selon les tangentes de ce cercle et alternés dans leur polarisation. Toutefois, nous avons fait ce test en tournant le rotor à la main, donc les vitesses n'étaient pas parfaitement constantes, nous l'avons donc refait un nombre suffisant de fois pour négliger cette erreur. Nous avons également testé à plusieurs vitesses, et nous avons conclu qu'il nous faut une vitesse maximale pour le rotor ( comme nous l'attendions) pour obtenir la tension et l'ampérage le plus important.

La courbe noire représente le flux magnétique reçu par un aimant si les aimants sont dans le même sens alors que la courbe rouge correspond au aimant avec les pôles inversés. Sachant que E = − dΦ / dt on comprend bien que sur la courbe rouge la pente est plus grande et c'est ce qui donner le meilleur rendement théoriquement.

Nous avons également commencé à travailler sur le système bielle-manivelle permettant de transformer la translation verticale de la dalle en rotation autour de l'axe verticale du rotor. Nous avons réalisé un premier prototype modélisé en 3D de ce système.

Séance du 10/03

On a récupéré les aimants qu'on avait commandé et on a commencé à réfléchir sur la forme finale du stator,rotor. On a décidé de travailler avec du bois de par sa maniabilité.

Dans un premier temps, on a réalisé notre bobineur avec un axe fixe sur lequel on enroule. Par ailleurs on a fait en sorte de faire des bobines (~120 spires) de plus grande dimension que nos aimants pour maximiser le flux de champ magnétique qui rentre dans la bobine.

Dans un second temps, on a cherché la distance minimale pour laquelle les aimants n'interagissent plus entre eux ce qui nous a permis de fixer les dimensions de notre rotor en forme d'octogone. Pour autant pour plus de stabilité, on encastrera nos aimants dans le rotor. Concernant le stator, on a décidé de faire un coffrage 40x40x5 cm ce qui nous permet d'avoir une certaine marge pour le système mécanique à venir.

Séance du 17/03

Durant cette séance, on a fait les 4 dernières bobines et on a commencé à se familiariser avec les logiciels pour la découpeuse laser (inkscape). Notamment, on a commencé le coffrage de notre stator mais la découpeuse laser étant trop petite en terme de dimension on est obligé de faire 2 coffrages 20*20*5cm puis d'emboiter. Par ailleurs, on a eu l'idée d'encastrer un roulement à bille dans notre rotor dont la partie fixe serait collé à un cylindre plein rattaché au stator pour apporter de la stabilité et ce qui nous permettrait de plus d'avoir un mouvement rotatif même si l'axe qui coupe le stator rotor s'arrête avec notre système bielle manivelle.

Séance du 24/03

On a finit de faire le coffrage de notre stator avec les aimants relié en série. De plus, on a redimensionné les mesures de nos différentes pièces mécaniques.

Séance du 31/03

On a eu le rendez-vous référent avec Ganaël Roeland ce qui nous a permis de mieux comprendre les enjeux et objectifs du projet, les phénomènes physiques impliqués. Par ailleurs, on aurait voulu imprimer nos pièces mais le fablab étant fermé on s'est tourné sur le circuit électronique.

On a donc un pont de diode pour redresser le courant alternatif en sortie de notre générateur en courant continue puis un condensateur, qui va permettre de lisser le courant pour éviter les chutes de tension trop brusques et enfin un régulateur 5V pour avoir la tension voulue en sortie.

Séance du 14/04

Au cours de cette séance nous avons poursuivi et terminé la confection du rotor:

Pour créer les encoches dans lesquelles sont encastrés les aimants nous avons eu plusieurs idées:

1-percer des trous dans le bois à l'aide d'une visseuse puis limer et scier de l'intérieur de ce trou afin d'obtenir l'encoche rectangulaire.

2-percer un trou dans le bois à l'aide de la visseuse et utiliser une scie à chantourner afin d'esquisser les contours rectangulaires de l'encoche.

l'utilisation de la scie à chantourner fut quelque peu litigieuse donc nous nous sommes rabattus sur la première idée bien que plus longue et plus fastidieuse. On a donc commencé par percer des trous dans les futures encoches qui étaient dessinées sur le bois au crayon :

À partir de ces trous on a limé l'intérieur avec une lime ronde puis lorsque le trou fut assez grand on a prit une lime plate qui avait la même largeur que l'aimant :

Enfin, nous avons logé un aimant et après quelques retouches à la lime, il s'est encastré parfaitement. On a donc réitéré cette technique pour les huit autres encoches afin d'obtenir notre rotor. Cependant certains aimant sont mieux encastrés que d'autres même si la structure reste tout de même unie.

Séance du 15/04

Vérification du circuit électrique, confection du système mécanique et impression des vérins :

On a utilisé un GBF pour remplacer le générateur encore en construction afin de tester le circuit. On lui a fait envoyer 1V, 3V, 6V, 8V et 9.5V en alternatif et le voltmètre a mesuré aux bornes de la sortie (au niveau du régulateur) respectivement 0V, 0V, 5V, 5V, et 5V en continu. On en a donc conclut que le circuit de transition de courant (d'un alternatif à un continu) fonctionnait.

On a réfléchi à la conception et aux dimensions des différents composants du dispositif mécanique : axe vertical, roues dentées, bielle-manivelle.

Et on a aussi lancé l'impression de 4 vérins qui seront positionnés aux 4 coins du stator ainsi que sur une dalle de 40*40cm que nous avons découpé et qui sera donc la fameuse “Dalle” ou seront exercé les forces de pressions (marcher dessus). On a choisi une dalle moins épaisse que le rotor, environ deux fois moins, car il faut le moins de “poids initial” exercé sur les ressorts au repos afin de pouvoir utiliser leur compression au maximum.

Séance du 19/04

Nous avons modélisé et imprimé un système mécanique de bielle-manivelle, que nous avions imaginé et dessiné lors des séances précédentes afin de transformer le mouvement de translation verticale de la dalle en mouvement de rotation du plateau. Après des essais avec des roues droites, nous avons constaté que le système avait du mal à engrener, nous avons donc décidé d'utiliser des roues coniques, qui bien que le système d'engrenages soit orthogonal permettrait une bonne transmission du couple. Le système est un réducteur, c'est à dire qu'il recoit en entrée un couple important avec une vitesse de rotation faible et rend en sortie un couple plus faible avec une vitesse de rotation plus importante ( nous avions besoin d'une vitesse de rotation du plateau importante afin de générer un courant suffisant pour les besoins du projet). Après avoir testé différents rapports de réduction et imprimé plusieurs prototypes pour voir si la précision de l'impression pour les dimensions du système étaient convenables, nous avons convenu que le rapport optimal était de 1/5 : la roue engrainée tourne 5 fois plus vite que la roue qui l'entraine.

  R=ωs/ωe=Ze/Zs     où ωs est la vitesse de rotation de la roue menée, et Zs son nombre de dents
                       ωe est la vitesse de rotation de la roue menante et Ze son nombre de dents
                       

Ainsi, nous avons convenu d'un système avec une roue menante à 60 dents et une roue menée à 12, car après avoir effectué des tests, 12 dents pour la roue menée est le minimum afin qu'elle puisse bien engrener malgré la disposition orthogonale. Nous avons placé un manneton sur la grande roue, car c'est celle ci qui reçoit le mouvement du système bielle manivelle, et le manneton sert à fixer la tête de bielle.

Nous avons également modifié le manneton de la roue dentée conique afin de lui ajouter une butée, pour que la bielle soit décalée du système et que son mouvement ne soit plus obstrué par les autres pièces.

Enfin nous avons monté le système complet, en ajoutant des renforts en bois, que l'on peut voir sur le côté afin que les deux roues soient pressées l'une contre l'autre au maximum et que les pertes de couple soient minimales. (Nous avons testé sans, et les roues n'étaient pas suffisamment pressées l'une contre l'autre, ne permettant pas d'avoir la pression de contact suffisante au niveau des dents pour le système engrène bien.) Par ailleurs, ces renforts nous ont permis de fixer l'axe autour duquel tourne la roue menante (grande roue) comme on peut le voir sur la photo.

Le système mécanique était fonctionnel mais imparfait, et nous n'avions pas une régularité suffisante afin de conduire des mesures. En effet, bien que nécessaire à la génération de courant souhaitée, le rapport de réduction permettant la vitesse de rotation du plateau donc de la roue menée, a induit un couple trop faible en sortie, et le système peinait à faire tourner le plateau avec la régularité qu'il nous fallait. Nous avons donc décidé d'envisager une autre approche pour le système mécanique.

Séance du 20/04

On a imprimé en 3D un nouveau système mécanique sur le même principe qu'une essoreuse à salade c'est à dire avec une vis torsadé et un socle sur lequel la vis peut se translater. En se translatant le socle va être mis en rotation car il épouse la forme de la vis. Concernant les dimensions de notre vis on s'est adapté au ressort dont on disposait et de l'enfoncement maximale dans notre coffrage.

On a fait le choix ici de laisser libre la rotation de la vis autour de son axe en ne le fixant pas directement sur la dalle ce qui nous évite le fait que lorsque la vis remonte le rotor tourne dans l'autre sens. Par conséquent la vis va tourner dans le vide de plus, le socle est fixé sur le rotor c'est ce qui permet la rotation de celui-ci.

Séance du 21/04

Lors de cette dernière séance on s'est intéressé au différentes expériences que l'on pouvait mener sur notre dalle comme par exemple simuler une zone passante et regarder la tension de sortie en fonction de la fréquence des pas. On a donc fait une “marche” successive sur la dalle sachant que l'enfoncement était maximale pour 6 kg. On a modélisé cette marche par le fait d'exercer une pression avec le pied puis de relâcher, car compte tenu des ressorts à notre disposition et de la rigidité de nos vérins 3D (plastique) on voulait éviter leur rupture.

Pendant cette expérience on s'est rendu compte de la subtilité de notre système mécanique. Notamment du fait qu'il fallait centrer la masse sur l'axe de la vis pour maximiser la force reçue par celui-ci. De plus il fallait aussi attendre que la vis remonte complètement pour pouvoir engrener d'avantage le rotor. Par conséquent, on remarque ici les limites de notre système vis-socle à partir de 6 pas on atteint un palier de l'ordre de 1,2 V alors qu'en tournant à la main on obtenait une tension maximale de l'ordre de 2V.

Par ailleurs, on a cherché a caractériser ce palier en donnant sa vitesse de rotation. On a donc tourné à la main jusqu'à atteindre cette tension en ayant pris soin de marqué le rotor avec un stabilo orange et d'avoir enclenché une vidéo. Finalement, on peut en déduire la vitesse de rotation maximale en comptant le nombre de tours pendant une certaine durée à l’aide de la vidéo:

  Vmax=84 tours/minute

Dans une seconde expérience, on s'est intéressée au rapport masse/tension dans la gamme 1-6kg.

On voit que la droite est quasiment linéaire ce qui laisse penser à une relation de proportionnalité entre la masse et la tension de sortie, mais on ne peut pas l’affirmer directement à cause des subtilités de notre système et la difficulté pour prendre les mesures de tension en alternatif.