Conception de lampe de poche rechargeable à induction

Batterie, Conception pour la durabilité, Fabrication respectueuse de l'environnement, Impact environnemental, Innovation, Conception de Produits, Prototypage, Énergie renouvelable

Un bon exemple de produit rechargeable par induction est celui où l'énergie est produite par le mouvement d'une pile à combustible. aimant à travers une bobine, illustrant ainsi la loi de Faraday. Pas de batterie, qu'elle soit rechargeable ou non, donc pas de déchets ni de produits chimiques : un beau produit écologique vert.

Clause de non-responsabilité: innovation.world n'a aucune incitation financière, ni aucun droit de propriété sur les produits examinés. Les produits sont choisis sur la seule base de leur conception intéressante ou originale à partager avec d'autres industries. Ces produits sont sur le marché depuis des années ; Innovation.world n'a pas divulgué et ne divulgue pas d'informations spéciales ou confidentielles, mais seulement ce qui est visible par le démontage, l'observation et la connaissance de technologies similaires. Notez toutefois que ces modèles peuvent être brevetés par leurs propriétaires respectifs.
Nous n'avons pas trouvé droit d'auteur info pour ce produit

Lampe de poche montée — lampe torche montée

La conception

Gaine du châssis de la lampe de poche — manchon du châssis de la lampe lampe de poche

Le produit a un construction très intéressante: à l'exception de l'objectif et du bouchon de fermeture, tous les composants ne sont pas montés sur le corps principal, mais sur un châssis interne amovible, ce qui facilite l'assemblage ou la réparation.

D'après nos tests, l'aimant choisi est très faible. Un aimant fritté à bas prix, avec une peinture argentée minimale. Cela permet de retarder sa dégradation mécanique et d'avoir une belle apparence puisque le corps de la lampe est transparent.

Deux butoirs en caoutchouc situés aux extrémités de la trajectoire de l'aimant lissent la fin des moments et protègent les pièces en plastique et l'aimant de la destruction.

L'interrupteur est constitué d'un petit bouton en plastique coulissant, poussant une plaque métallique soudée sur le PCB en dessous.

Une seule diode électroluminescente (DEL) - ancien style maintenant = pas SMD - crée la lumière principale, tandis qu'une feuille de métal réfléchissante sur le fond limite les pertes de lumière.

Une petite batterie - vraisemblablement du NiCd - pour permettre de la vider complètement sans l'endommager, de l'autre côté du PCB, retient le courant produit. 4 diodes assurent une polarité correcte pour la batterie comme pour la LED.

Les petits détails qui facilitent la fonction d'induction magnétique :

un trou à chaque extrémité du châssis pour éviter de piéger de l'air pendant le mouvement de l'aimant
une certaine forme dans le plastique pour éviter un contact de friction circulaire complet avec l'aimant qui le ralentirait.

note : un corps transparent ou au moins une fenêtre est indispensable dans un tel produit, pour indiquer clairement à l'utilisateur de déplacer l'aimant.

Un corps non transparent donnerait l'impression que quelque chose est cassé et flotte librement à l'intérieur, surtout si la lampe de poche n'est pas rechargée et ne s'allume pas.

Tous les composants — tous les composants

Conclusion

Un produit traditionnel, très moderne dans le sens écologique, dans sa version low-cost, mais avec une belle construction -le châssis- et performant pour un tel prix.

Un tel produit nécessite une conception mécanique robuste, mais pour fonctionner très efficacement,

a besoin d'un système d'alimentation en courant très fin et extrêmement faible. composant électronique choix

(une diode conduisant trop de courant ou une mauvaise batterie ruinera le système ou obligera l'utilisateur à secouer sa lampe de poche en permanence).

Notez qu'une telle induction peut être calculée et simulée

Entre autres, des logiciels comme COMSOL Multiphysics: calcul de la bobine peut simuler et calculer l'induction qu'un aimant en mouvement produit dans une bobine.

Un montage de pièces pas très bon — le montage des pièces n'est pas très bon

Améliorations et innovations

Les petites améliorations qui changeraient facilement la perception qu'a l'utilisateur final d'un produit bon marché

un meilleur choix de LED, pour augmenter la lumière ET/OU diminuer la consommation d'énergie, augmentant ainsi l'autonomie.
définitivement un meilleur interrupteur : non seulement l'interrupteur donne maintenant une sensation de mauvaise qualité, mais si le corps est transparent, un tel métal corrosif
une meilleure conception du bouchon avant : dans cette gamme de prix, le principe d'un bouchon vissable est acceptable, mais le bouchon et le corps pourraient mieux s'adapter l'un à l'autre, sans coût supplémentaire autre que quelques heures de travail sur la machine. GOUJAT
diminuer, encore plus, la friction de l'aimant : 3 ou 5 nervures de chose dans le châssis moulé

Un produit complètement optimisé pourrait être réalisé en

Gains d'espace possibles — gains possibles d'espace

rendre le boîtier étanche : la technologie de l'induction pourrait être utilisée à cet effet, car il y aurait un joint de moins à prévoir pour le compartiment de la batterie.

Bien que nous suggérions cette amélioration, ces produits ne seront jamais destinés à la plongée, car les mouvements rapides sous l'eau seront toujours difficiles et consommeront beaucoup d'oxygène pour les plongeurs.

supprimer le passage/trou dans le corps pour l'interrupteur : une bague externe amovible par l'utilisateur avec un aimant pourrait fermer le contact d'une interrupteur à lames à l'intérieur, ce qui permet d'obtenir un produit complètement scellé qui n'aurait jamais besoin d'être ouvert (le vide ou l'hélium à l'intérieur améliorerait même légèrement le mouvement de l'aimant).
Améliorer la qualité de l'aimant et la bobine pour plus d'efficacité
Beaucoup d'espace/volume/longueur pourrait être gagné dans ce produit, soit pour réduire la longueur du produit, soit pour mettre plus de batterie, de bobine, d'aimant ... A droite :
- en rouge = un gain direct = longueur qui n'est absolument pas utilisée
- En orange = volume dans lequel certaines fonctions ou certains composants peuvent s'insérer (électronique, plus de bobine, forme spéciale de l'aimant...).
un indicateur de charge ; afin de ne pas consommer l'énergie juste en indiquant ( !) soit
- la charge est indiquée uniquement lorsque le bouton est pressé
- ou l'utilisation d'une encre électronique, qui donne de bien meilleurs résultats, mais qui nécessiterait des partenariats car elle est actuellement brevetée et n'est pas disponible dans le commerce.

Des méthodes plus innovantes pourraient être obtenues à partir de la loi de Faraday : le champ visible doit être modifié d'une manière ou d'une autre ; cela peut être obtenu de différentes manières.

déplacer l'aimant (l'exemple de la lampe de poche ci-dessus)
mais aussi le déplacement de la bobine par toute translation ou rotation
et aussi en changeant l'intensité du champ magnétique (≈un aimant variable).

Glossaire des termes utilisés

Computer Aided Design (CAD): une application logicielle utilisée pour créer, modifier, analyser et optimiser des conceptions dans divers domaines tels que l'ingénierie, l'architecture et la fabrication, permettant des dessins et des modèles précis grâce à des outils et des techniques numériques.

Printed Circuit Board (PCB): Carte plate en matériau isolant qui supporte et connecte les composants électroniques par des circuits conducteurs, généralement gravés dans des feuilles de cuivre. Elle sert de base à l'assemblage des circuits et facilite les connexions électriques entre les composants.

Sujets abordés : Induction, rechargeable, lampe de poche, loi de Faraday, écologique, aimant, bobine, LED, PCB, diodes, conception mécanique, composants électroniques, simulation, COMSOL Multiphysics, friction, étanchéité, interrupteur à lames, et CAD.

Contexte historique

Effet Seebeck

L'effet Seebeck est la conversion directe d'une différence de température en une tension électrique. Lorsqu'un gradient de température est appliqué à la jonction de deux conducteurs ou semi-conducteurs dissemblables, une tension est produite. Cette tension est proportionnelle à la différence de température, la constante de proportionnalité étant appelée coefficient Seebeck ([latex]V = S cdot Delta T[/latex]).

Ingénieur en structure analysant les contraintes dans la conception des ponts en utilisant les principes du tenseur de contraintes de Cauchy.

Tenseur de contrainte de Cauchy

Le tenseur des contraintes de Cauchy, noté [latex]\boldsymbol{\sigma}[/latex], est un tenseur du second ordre qui définit complètement l'état des contraintes en un point à l'intérieur d'un matériau. Il relie le vecteur de traction (force par unité de surface) [latex]\mathbf{T}[/latex] sur toute surface passant par ce point au vecteur normal de la surface [latex]\mathbf{n}[/latex] via la relation linéaire [latex]\mathbf{T} = \boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{n}[/latex].

loi d'Ohm

La loi d'Ohm stipule que le courant électrique circulant dans un conducteur est directement proportionnel à la tension qui le traverse et inversement proportionnel à sa résistance. Cette relation fondamentale dans les circuits à courant continu est exprimée par l'équation [latex]I = \frac{V}{R}[/latex], où I est le courant en ampères, V est la différence de potentiel en volts et R est la résistance en ohms.

Michael Faraday faisant la démonstration de l'induction électromagnétique dans un laboratoire d'époque.

CEM de la loi d'induction de Faraday

L'induction électromagnétique, décrite par la loi de Faraday, est l'une des principales sources de force électromotrice. Cette loi stipule qu'un flux magnétique [latex]\Phi_B[/latex] variant dans le temps à travers une boucle de circuit induit une force électromotrice ([latex]\mathcal{E}[/latex]). L'ampleur de la FEM est proportionnelle au taux de variation du flux, donné par l'équation [latex]\mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt}[/latex]. Ce principe est à la base des générateurs électriques, des transformateurs et des inducteurs.

Armature de moteur tournant dans un champ magnétique illustrant la force contre-électromotrice dans l'électromagnétisme.

Force contre-électromotrice (FCE)

Lorsque l'induit d'un moteur tourne, ses conducteurs traversent le champ magnétique, induisant une tension selon la loi d'induction de Faraday. Cette 'FEM' s'oppose à la tension principale qui alimente le moteur. Son ampleur est directement proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur ([latex]\mathcal{E}_{back} \propto \omega[/latex]). Ce phénomène est crucial pour l'autorégulation de la vitesse du moteur et de la consommation de courant.

Installation de laboratoire du XIXe siècle démontrant l'auto-inductance dans les circuits électriques.

Self-Inductance

L'auto-inductance est la propriété d'un circuit électrique selon laquelle une variation du courant qui le traverse induit une force électromotrice (FEM) dans le circuit lui-même. Cette 'force électromotrice inverse' s'oppose à la variation du courant, conformément à la loi de Lenz. La relation est donnée par la formule [latex]mathcal{E}_L = -L frac{dI}{dt}[/latex], où L est l'auto-inductance, mesurée en Henries (H).

Loi de Lenz

La loi de Lenz fournit la direction de la force électromotrice (FEM) induite et du courant résultant de l'induction électromagnétique. Elle stipule que le courant induit circule dans une direction qui crée un champ magnétique opposé à la variation de flux magnétique qui l'a produit. Ce principe découle de la conservation de l'énergie et est représenté par le signe négatif dans la loi de Faraday.

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Électro-aimant dans un laboratoire démontrant les principes de l'électromagnétisme.

Electromagnetism and Electromagnets

An electromagnet is a type of magnet in which the magnetic field is produced by an electric current. The field disappears when the current is turned off. Typically, it consists of a wire wound into a coil. The strength of the magnetic field is proportional to the current and the number of turns in the coil. This principle was discovered by Hans Christian Ørsted.

Équations de Navier-Stokes

Les équations de Navier-Stokes sont un ensemble d'équations aux dérivées partielles non linéaires décrivant le mouvement de substances fluides visqueuses. Il s'agit d'un énoncé de la deuxième loi de Newton, qui équilibre les changements de quantité de mouvement avec les gradients de pression, les forces visqueuses et les forces externes. Pour un fluide incompressible, l'équation est [latex]\rho (\frac{\partial \mathbf{v}}{\partial t} + \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v}) = -\nabla p + \mu \nabla^2 \mathbf{v} + \mathbf{f}[/latex].

Protection cathodique

La protection cathodique (PC) est une technique permettant de contrôler la corrosion d'une surface métallique en la transformant en cathode d'une cellule électrochimique. Ce résultat est obtenu par l'application d'un courant électrique externe qui supprime les courants de corrosion naturels. Le potentiel du métal protégé est polarisé vers une valeur plus négative, le déplaçant vers une zone d'immunité ou de passivité.

Expérience de mécanique des fluides démontrant les principes de conservation de la quantité de mouvement en laboratoire.

Conservation de la quantité de mouvement dans un milieu continu

Pour les systèmes continus tels que les fluides ou les solides, la conservation de la quantité de mouvement s'exprime sous une forme différentielle. Le taux de variation de la densité de quantité de mouvement [latex]\rho \vec{v}[/latex] en un point est régi par la divergence du tenseur des contraintes de Cauchy [latex]\sigma[/latex] et les forces du corps [latex]\vec{f}[/latex]. Ce phénomène est décrit par l'équation de la quantité de mouvement de Cauchy : [latex]\frac{\partial (\rho \vec{v})}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \vec{v} \otimes \vec{v}) = \nabla \cdot \sigma + \vec{f}[/latex].

Michael Faraday démontre les principes de l'électromagnétisme dans un laboratoire d'époque.

Loi d'induction de Faraday (forme intégrale)

Cette loi stipule que la force électromotrice (EMF, [latex]\mathcal{E}[/latex]) induite dans un circuit fermé est égale à la valeur négative du taux de variation temporelle du flux magnétique ([latex]\Phi_B[/latex]) à travers le circuit. L'expression mathématique est [latex]\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt}[/latex]. Ce principe est à la base des générateurs électriques, des transformateurs et des inducteurs, décrivant l'effet macroscopique de l'induction.

Appareil générateur d'électricité démontrant les principes de l'induction électromagnétique en électromagnétisme.

Générateur électrique

Un générateur électrique est un dispositif qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique grâce à l'induction électromagnétique. Sa conception de base repose sur une bobine de fil métallique tournant dans un champ magnétique (ou un aimant tournant dans une bobine). Cette rotation continue modifie le flux magnétique traversant la bobine, induisant une force électromotrice (FEM) et un courant alternatifs, conformément à la loi de Faraday.

Mécanique hamiltonienne

Une reformulation de la mécanique classique qui utilise des coordonnées généralisées et leurs moments conjugués. Elle est basée sur la fonction hamiltonienne, [latex]H(q, p, t)[/latex], qui représente l'énergie totale du système. La dynamique est décrite par les équations de Hamilton : [latex]\dot{q}_i = \frac{\partial H}{\partial p_i}[/latex] et [latex]\dot{p}_i = -\frac{\partial H}{\partial q_i}[/latex]. Ce cadre est au cœur de la mécanique quantique et de la mécanique statistique.