Electricité
Les générateurs à aimants permanents
Aimants permanents

Les machines à aimants permanents sont de plus en plus utilisées pour les petites et les moyennes puissances, aussi bien sous forme de moteur que sous forme de géénrateur, le principe de fonctionnement étant totalement réversible.
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D'abord un peu d'histoire

Les machines synchones à aimants permanents ne sont pas une invention récente. Je peux en parler, car ce type de moteur était utilisé comme moteur de cabestan dans les magnétoscopes (et les enregistreurs à cassette très haut de gamme genre Nakamichi). J'ai réparé des magnétoscopes dès leur grande diffusion (dans les années 1980) jusqu'à leur disparition (dans les années 2010). Les bobinages étaient alimentés en triphasé basse tension. Le moteur tourne sans glissement et est donc idéal pour ce type d'application. En modifiant la fréquence, on modifie la vitesse de rotation du cabestan, et donc la vitesse de défilement de la bande.


Rapidement on voit deux systèmes différents: le montage radial à gauche et le montage axial à droite. Le modèle radial était principalement utilisé dans les magnétoscopes bas de gamme, genre Philips quand la division magnétoscopes a été reprise par les chinois de Funai. Mais finalement les deux moteurs avaient des caractéristiques pratiquement identiques et aucun système n'était vraiment meilleur que l'autre. C'était un type de moteur qui ne tombait pratiquement jamais en panne (parfois le circuit de commande, situé soit sur la plaquette même, soit sur la platine principale).

Et comme quoi la vie est un éternel recommencement: les premières génératrices électriques étaient en fait des magnétos, mais les mauvaises caractéristiques des aimants de l'époque a fait qu'on est vite passé aux dynamos...

Machines synchrones à aimants permanents

Les machines à champ radial sont les plus courantes. Dans les générateurs le champ magnétique alternatif est produit par le rotor et va vers le stator comme les rayons d'une bicyclette (c'est l'inverse dans les moteurs).

Ce type de machine a plusieurs inconvénients: la grande quantité de cuivre qui n'est utilisée qu'en partie. Le cuivre qui déborde de chaque coté des pôles (image 1) ne joue aucun rôle actif, mais la résistance du fil doit être prise en compte (image 1 à droite). Les pertes au cuivre peuvent être significatives, surtout dans le cas d'enrouvements répartis. La carcasse est complexe à fabriquer et necessite de nombreuses étapes et des controles fréquents pour s'assurer que le bobinage ne fait pas cours-circuit ou est interrompu à cause des contraintes lors de la fabrication.

Dans le cas de générateurs non-synchronisés au réseau (générateurs utilisés dans les éoliennes) on utilise de plus en plus souvent des aimants permanents. Le générateur est non-synchronisé et un convertisseur statique est nécessaire pour coupler l'éolienne au réseau.

Les générateurs à aimants permanents ne nécessitent pas de roue polaire (qui doit recevoir du courant pour produire un champ magnétique). C'est interessant pour les éoliennes et les moulins à eau qui travaillent souvent à puissance réduite: il ne faut pas déduire la puissance nécessaire pour produire le champ rotorique.

Le coût des aimants et la complexité du montage limitent les applications aux basses et moyennes puissances. Ici on travaille presque toujours avec des générateurs à champ axial (le champ magnétique est parallèle à l'axe de la machine), ce type de générateur étant plus compact que le type radial. De plus les bobinages peuvent être plus courts. L'image 2+3 montre la différence entre une machine radiale et axiale. Sur l'image 3 le stator se trouve en fait du mauvais coté, il doit être du coté des aimants.

Dans les machines axiales, on a le système bien connu (des électroniciens ayant réparé des magnétoscopes...) où les bobines sont placées perpendiculairement à l'axe (image 4). Ce type de générateur qui est relativement facile de fabriquer soi-même a les faveur du public et on peut voir de nombreuses vidéos youtube. Pour les puissances plus élevées, on trouve parfois deux disques rotoriques avec aimants, placés de chaque coté du stator, mais cette combinaison à tendance à disparaitre.

Pour les applications plus pointues on est passé à une nouvelle construction (image 5), on retrouve parfois le terme anglo-saxon yokeless axial generator (générateur à champ axial sans joug). Le joug quand on parle d'électricité, c'est la partie qui maintient les bobinages en place et dirige le flux. Les aimants sont montés de telle façon que quand les deux disques tournent (ils sont montés sur le même axe) ils produisent alternativement un champ dans un sens et puis dans l'autre sens dans les bobinages.

Chaque dent du stator reçoit un champ "entrant" des deux cotés, tandis que la dent suivante reçoit un champ "sortant". Le champ magnétique est ainsi forcé de passer via les bobinages. Ce type de construction a comme grand avantage que la boucle de champ magnétique est plus restreinte.

Ce type de montage permet une utilisation plus efficace du fil (bobinage plus trappu). Comme les contraintes mécaniques lors du montage sont réduites, on utilise du fil de section rectangulaire. La section active du bobinage est ainsi augmentée de 30% environ.


Machines mises à plat

Le montage standard (à gauche) n'utilise souvent qu'un seul rotor à aimants. Le champ magnétique est alors fermé par le stator qui a la forme d'un disque avec des dents d'un coté.

La nouvelle construction (montrée ci dessus à droite) se retrouve dans certaines voitures électriques. Le moteur permet une très grande puissance (plus de 100kW) dans un espace restreint. Le refroidissement est assuré par une bague logée dans le stator dans laquelle circule de l'eau. Ce type est également utilisé dans les éoliennes industrielles pour les moyennes puissances.

Une entreprise qui est à la pointe du progrès est Magnax. C'est une entreprise belge en plus! La version 2020 des ACEC, quoi!

Utilisation domestique d'un générateur à aimants permanents

Concentrons-nous à présent sur les applications domestiques où on voit de nombreuses réalisations qui utilisent un générateur axial. La tension et la fréquence ne sont pas constantes et dépendent de la vitesse de rotation. Pour envoyer l'électricité sur le réseau, il faut employer un convertisseur agréé (tout comme pour les panneaux photo-voltaïques). Les générateurs sont conçus pour avoir le rendement le plus élevé possible, et la forme de l'onde produite ne ressemble souvent pas à une sinusoïdale.

On trouve également sur le marché des éoliennes complètement préparées (il faut simplement les assembler). Elles sont fournies avec un convertisseur agréé. Le type de générateur est souvent à champ radial (il faut bien écouler les stocks...), mais on trouve maintenant de tout sur le marché.

S'il s'agit d'une utilisation purement locale de l'électricité, il faut redresser le courant et l'envoyer dans un régulateur qui va limiter la tension (14 ou 28V continu pour charger des batteries). Il faut ici utiliser une alimentation à découpage (technologie "inverter") qui a un rendement plus élevé et qui permet à la fois d'augmenter la tension quand elle est trop basse ou la réduire s'il y a beaucoup de vent. Des batteries servent alors à stocker l'énergie. L'idéal c'est de combiner à la fois une éolienne et un panneau solaire.

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