L'alternateur à aimants permanents, une véritable usine à électrons

Aussi appelé génératrice ou générateur électrique, son vrai nom scientifique est alternateur synchrone à aimants permanents.

Depuis plusieurs années, ces alternateurs à aimants permanents se sont imposés dans le milieu du petit éolien en raison de trois énormes avantages :

- la fiabilité (pas de collecteurs tournants à balais)

- le fonctionnement à basse vitesse de rotation, sans multiplicateur mécanique

- l'excitation électrique superflue

 

Nous connaissons depuis longtemps ces avantages mais c'est seulement depuis la démocratisation des aimants au Néodyme à la fin des années 1990 que l'utilisation des générateurs à aimants permanents est devenue courante. Avant cette mini-révolution, les anciens aérogénérateurs utilisaient essentiellement des machines à courant continu dans les cas des sites isolés (pour la charge de batteries) et des génératrices asynchrones pour le raccordement au réseau (par exemple les éoliennes Aérowatt).

petite eolienne antarctique
Une éolienne Aérowatt installée en Terre d'Adélie (Antarctique) dans les années 50

Comment fonctionne un alternateur à aimants permanents ?

 

Le principe fondamental est le même que dans toutes les machines tournantes électriques (moteurs ou générateurs). Un champ magnétique variable traverse une bobine, ce qui génére un courant électrique. Ce principe, nommé Loi de Lenz, est réversible.

 

Dans un alternateur à aimants permanents, le champ magnétique est généré par, comme son nom l'indique, des aimants permanents. Ces aimants sont fixés sur la partie tournante de la machine, appelée rotor, directement entraînée par les pales de l'éolienne. Sur la partie fixe de la machine, appelée stator, des bobines réalisées en fil de cuivre captent ce flux magnétique variable et le transforme en une tension alternative.

 

Pour augmenter la tension de sortie d'un alternateur, on peut augmenter le nombre d'aimants, leur puissance, le nombre de tours dans les bobines de cuivre, ou encore élever la vitesse de rotation. Cette tension de sortie doit être adaptée aux batteries à charger. En éolien, la principale difficulté est de pouvoir atteindre la tension de sortie désirée à basse vitesse de rotation car les pales ne peuvent pas tourner très vite. Les alternateurs à aimants permanents offrent les meilleurs résultats dans ce cas de figure.

Avec les éoliennes Piggott, un alternateur adapté à la taille de chaque éolienne et à la tension des batteries est fabriqué de A à Z. En pratique, les possibilités sont illimitées pour concevoir et fabriquer une génératrice de la puissance et de la tension voulue.

Les aimants sont collés sur des disques en acier puis protégés dans de la résine epoxy. On appelle ces disques "rotors".

Les bobines, faites à la main, sont connectées ensembles puis placées dans un moule dans lequel on coule de la résine polyesther. On obtient le stator.

Très souvent, les bobines sont connectées en triphasé. Le courant triphasé présente l'avantage d'être doux et régulier pour le couple mécanique appliqué sur l'arbre, tant en fonctionnement moteur que générateur.

Les éléments sont assemblés pour constituer l'alternateur complet. Les rotors sont placés en vis à vis de manière à avoir les aimants les uns en face de autres, en opposition de pôle (Nord en face de Sud). Le champ magnétique circulant entre les deux rotors est extrêmement puissant. Pris en sandwich entre ces rotors, le stator capte le maximum de flux magnétique. Cette architecture judicieuce rend l'aternateur compact et très puissant.

Un alternateur produisant 1000W à 300 tours/min pèse tout de même 40 kg. La puissance maximum est limitée par l'échauffement dans les bobines provoqué par le courant. Cet échauffement ne doit pas faire fondre le vernis du fil ou la résine. La régulation de l'éolienne a pour rôle de limiter en permanence la puissance de sortie sous la puissance maximum.

 

La basse vitesse de rotation des pales entraine le poids élevé (et donc le surcoût en matériaux). Si la vitesse de rotation de l'aternateur pouvait être doublée, la puissance de sortie passerait à 2000W !

 

Dernière chose intéressante : quand on court-circuite les fils de sortie d'un alternateur, celui-ci est immédiatement freiné et devient très difficile à tourner. Cet effet de freinage électrique est utilisé pour arrêter une éolienne à distance depuis le tableau électrique avec un simple sectionneur, quelque soit la vitesse du vent. C'est particulièrement utile avant toute manoeuvre sur le mât haubané.

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