MICRO–GENERATEUR MAGNETIQUE PLANAIRE
ET MICRO-CONVERTISSEUR INTEGRE
Résumé
This thesis deals with electric micro-generation and micro-energy management. The
developed micro-generator is a millimetre-scale, planar, axial-flux, permanent magnet,
ironless, synchronous machine compatible with fast rotating MEMS turbines. Established
multiphysical model enables the magnetic generator performance estimation in dependence
on its operating point and geometry. A 8mm diameter magnetic micro-generator has been
successfully tested to speeds up to 380 000 rpm; at this speed it generates 5W with an
electrical efficiency of 57%. A prototype of a fully integrated micro-turbo-generator
generated about 15mV at 60 000 rpm.
Low power AC/DC micro converters for low voltage micro generators were also studied.
A three-phase, high efficiency, low voltage, low power and fully autonomous micro rectifier
was monolithically integrated in the CMOS 0,35 μm technology. The tests on the μ-rectifier
coupled to the magnetic generator confirmed its functionality and high efficiency.
developed micro-generator is a millimetre-scale, planar, axial-flux, permanent magnet,
ironless, synchronous machine compatible with fast rotating MEMS turbines. Established
multiphysical model enables the magnetic generator performance estimation in dependence
on its operating point and geometry. A 8mm diameter magnetic micro-generator has been
successfully tested to speeds up to 380 000 rpm; at this speed it generates 5W with an
electrical efficiency of 57%. A prototype of a fully integrated micro-turbo-generator
generated about 15mV at 60 000 rpm.
Low power AC/DC micro converters for low voltage micro generators were also studied.
A three-phase, high efficiency, low voltage, low power and fully autonomous micro rectifier
was monolithically integrated in the CMOS 0,35 μm technology. The tests on the μ-rectifier
coupled to the magnetic generator confirmed its functionality and high efficiency.
Les travaux présentés s'inscrivent dans le contexte de la micro-génération et de la gestion
d'énergie pour systèmes autonomes. Il s'agit du développement d'un micro générateur
discoïde, à aimants, sans fer et compatible avec des μ-turbines à gaz ou à air comprimé
opérant à haute vitesse de rotation (10 – 1 000 ktr/min). Le modèle multi-physique établi
permet d'évaluer la performance des μ-générateurs magnétiques en fonction de leurs
conditions de travail et de leurs paramètres géométriques. Un premier prototype intégré
produit une puissance de 15 mW à 60 000 tr/min, un second prototype produit 5 W à 380 000
tr/min avec ηel ≈ 57 %.
Les convertisseurs de faible puissance associés aux micro-alternateurs triphasés basse
tension sont ensuite étudiés. Un micro-redresseur triphasé, sans seuil et entièrement autonome
a été monolitiquement intégré en technologie CMOS 0,35 μm. La caractérisation a prouvé sa
pleine fonctionnalité ainsi que les bonnes performances.
d'énergie pour systèmes autonomes. Il s'agit du développement d'un micro générateur
discoïde, à aimants, sans fer et compatible avec des μ-turbines à gaz ou à air comprimé
opérant à haute vitesse de rotation (10 – 1 000 ktr/min). Le modèle multi-physique établi
permet d'évaluer la performance des μ-générateurs magnétiques en fonction de leurs
conditions de travail et de leurs paramètres géométriques. Un premier prototype intégré
produit une puissance de 15 mW à 60 000 tr/min, un second prototype produit 5 W à 380 000
tr/min avec ηel ≈ 57 %.
Les convertisseurs de faible puissance associés aux micro-alternateurs triphasés basse
tension sont ensuite étudiés. Un micro-redresseur triphasé, sans seuil et entièrement autonome
a été monolitiquement intégré en technologie CMOS 0,35 μm. La caractérisation a prouvé sa
pleine fonctionnalité ainsi que les bonnes performances.
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