Fabrication de mon premier générateur de courant alternatif
Après avoir confirmé qu’il était possible de générer un courant avec un aimant et une bobine, je pouvais aller plus loin en fabriquant un système qui permet de combiner plusieurs aimants et bobines afin d’augmenter la tension produite. Je vais donc vous montrer dans cet article que l’on peut obtenir du courant avec un montage très simple ne nécessitant pas d’outillage élaboré, photos et vidéo à l’appui !
Conception du générateur
À mon sens le modèle de générateur le plus simple à fabriquer de toutes pièces est le générateur à flux axial.
Initialement, je me suis inspiré de ce que l’on peut trouver sur le web et je projetais de fabriquer un générateur à deux rotors d’aimants prenant en sandwich les bobines (le stator). L’intérêt de mettre deux « couches » d’aimants est d’augmenter le flux magnétique subi par les bobines et donc d’obtenir une plus grande tension en sortie. Mais finalement, cela compliquait les choses et je me suis rendu compte qu’avec une seule « couche » d’aimants cela fonctionnait.
Ce générateur se compose de deux parties : un support pour les bobines (stator) sur lequel vient s’encastrer le support des aimants (rotor).
Voici le matériel utilisé :
- tasseau de bois de 1 × 2 cm
- visserie basique
- une roue de roller et ses roulements
- une petite planche de médium de 5 mm
- des bobines de cuivre enroulées par mes soins
- des aimants néodymes
Le rotor comprend une vis de 8 mm de diamètre qui sera parfaitement accueillie par les roulements de la roue de roller fixée sous la planche de médium constituant le stator. Le rotor est séparé du stator par des écrous et rondelles qui permettent de régler finement sa hauteur afin que les aimants passent au plus près des bobines.
Générateur à 2 bobines et 2 aimants
Les bobines sont branchées en série et connectées à une LED. Les aimants sont orientés de façon identique (ils présentent tous les deux le même pôle aux bobines) et sont disposés de manière à survoler les bobines exactement au même moment. Les tensions générées par les bobines sont donc en phase et s’additionnent, ce qui permet de faire clignoter la LED.
La LED clignote car le courant produit par le générateur est alternatif. Pour en savoir plus sur le fonctionnement du générateur je vous invite à aller voir cette page : Fabrication d’un générateur de courant alternatif.
Voici la vidéo de ce système en fonctionnement.
Générateur à six bobines et douze aimants
On passe à la vitesse supérieure ! Et pour cela il a fallu trouver un autre système pour le rotor.
Pour fabriquer ce nouveau rotor, j’ai découpé le panneau latéral en acier d’un boitier d’ordinateur… Et ça fonctionne très bien ! Le « disque » n’est pas très régulier car je l’ai découpé un peu grossièrement mais les aimants adhèrent à sa surface ce qui rend son utilisation très aisée. Un bémol tout de même… Cette pièce métallique étant très fine, elle se déforme facilement, ce qui pose problème. En effet, on se retrouve avec un espace variable entre les aimants et les bobines (entrefer) ce qui diminue le rendement… Pour pallier ce défaut, j’ai rigidifié le rotor en rajoutant une plaque de médium entre les aimants et le disque d’acier. Problème résolu !
Les aimants sont placés de façon alternée : nord-sud-nord-sud… Mais toujours de sorte que les pôles nord survolent tous en même temps les bobines et idem pour les pôles sud. Ce qui est indispensable pour l’obtention d’une tension résultante plus élevée.
Les bobines sont branchées en série selon un angle de 60 ° entre chaque, de sorte qu’elles soient en phase ce qui va permettre l’addition des tensions générées.
L’ajout de bobines et d’aimants se traduit bien par une augmentation de la tension générée en fonction de la vitesse de rotation, ce que je vous laisse observer dans la vidéo suivante !
Comme vous l’avez peut-être remarqué dans la vidéo, je me retrouve confronté à un nouveau phénomène : la rotation du rotor est freinée par le champ magnétique généré par les bobines, ce qui m’empêche de faire tourner le système plus vite.
Questions fréquentes
Quelle tension produit ce générateur à 6 bobines et 12 aimants ?
Avec un pont de diodes pour redresser le courant et un condensateur pour filtrer les ondulations de tension, le montage complet donne jusqu’à 10 volts de courant continu environ, en tournant le rotor à la main. L’intensité n’a pas été mesurée. Comme l’a rappelé un lecteur, la tension seule ne dit pas tout : la puissance disponible est le produit de la tension et de l’intensité, et une tension élevée avec une très faible intensité ne permet pas de charger un appareil.
Quelles sont les dimensions des bobines du générateur ?
Chaque bobine compte 120 spires de fil de cuivre émaillé de 1 mm de diamètre. Elle mesure 2 × 4 cm à l’intérieur, 6 × 8 cm à l’extérieur et 1 cm d’épaisseur. Toutes ont été enroulées à la main avec un petit bobineur fabriqué pour l’occasion, afin qu’elles soient identiques.
Quels aimants utiliser et quelle est leur influence sur la tension ?
Les aimants utilisés sont des aimants en néodyme de 4 × 2 × 1 cm, d’une force d’adhérence d’environ 25 kg, valeur indiquée par le vendeur. Ce qui compte est le flux magnétique de l’aimant, généralement exprimé par cette force d’adhérence : plus elle est élevée, plus la tension produite peut l’être. Un grand aimant est en général plus fort, mais la matière compte aussi : à taille égale, deux aimants de compositions différentes n’ont pas la même force.
Peut-on fabriquer le générateur avec des aimants moins puissants et moins chers ?
Oui, il n’y a pas de force minimale : un aimant plus faible produit simplement une tension plus faible. Un voltmètre mesurera toujours une tension à vide, mais faire circuler un courant, par exemple pour allumer une LED, demande des aimants assez forts. Pour limiter le coût, deux aimants de 25 kg et deux bobines suffisent pour une démonstration, avec autant d’aimants que de bobines, tous orientés dans la même polarité. Pour redresser ensuite le courant avec un pont de diodes, il faudra sans doute passer à trois ou quatre bobines et autant d’aimants.
Comment calculer le nombre de spires et la section du fil pour obtenir une tension donnée ?
Il n’existe pas de calcul simple, car la tension maximale dépend de nombreux facteurs : nombre de spires par bobine, nombre de bobines, branchement des bobines (monophasé ou triphasé), force des aimants et vitesse de rotation. La méthode la plus sûre est expérimentale : mesurez la tension produite par une bobine à une vitesse donnée, puis déduisez-en celle de deux, trois ou quatre bobines branchées en série. Si vous mesurez après redressement, tenez compte de la chute de tension du pont de diodes. La section et la longueur du fil, elles, fixent la résistance interne du générateur, qui limite le courant et donc la puissance.
Pourquoi alterner les pôles des aimants sur le rotor à 12 aimants ?
La tension induite dans une bobine dépend de la variation du flux magnétique qu’elle subit. Avec deux aimants éloignés, chaque bobine passe d’un flux maximal à un flux presque nul : la variation est maximale. Avec 12 aimants rapprochés de même pôle, les bobines ne subiraient jamais un flux nul et l’amplitude diminuerait ; en alternant les pôles, elles subissent un flux opposé et retrouvent une variation maximale. Doubler le nombre d’aimants augmente aussi le courant produit à vitesse égale, car les bobines sont plus souvent « visitées ». À l’inverse, ajouter des bobines sans ajouter d’aimants n’augmente pas la tension de sortie.
Pourquoi utiliser un seul rotor aimanté plutôt que deux ?
Un stator pris entre deux rotors aimantés est plus efficace, mais beaucoup plus contraignant à construire. Avec des aimants aussi puissants, deux rotors imposent des plaques d’acier assez épaisses pour ne pas se déformer, un matériau plus coûteux et plus difficile à travailler. Un seul plateau d’aimants suffit pour que l’expérience fonctionne, avec une mise en place bien plus simple.
Pourquoi le rotor est-il freiné dès que le générateur alimente un circuit ?
C’est une conséquence de l’induction électromagnétique : un aimant qui passe devant une bobine y crée un courant, et inversement un courant qui traverse une bobine crée un champ magnétique. Dès qu’un courant circule, les bobines produisent donc un champ qui s’oppose à la rotation des aimants, d’autant plus fort que le courant est important. Ce freinage ne peut pas être supprimé ; la seule solution est d’entraîner le générateur avec une source d’énergie plus puissante, un moteur ou le vent, plutôt qu’à la main.
Quels composants utiliser pour redresser et filtrer le courant, et où placer le pont de diodes ?
Le pont de diodes est fait de quatre diodes 1N4007 et le filtrage d’un condensateur de 1 000 µF. Il existe aussi des ponts de diodes tout faits, en un seul bloc. Tenez compte de la chute de tension provoquée par le pont dans vos mesures. Le redresseur n’a pas besoin d’être près du générateur : mieux vaut transporter le courant en alternatif et placer le pont près de l’installation régulateur-batterie.
Peut-on obtenir du 220 V avec ce type de générateur ?
C’est possible en le dimensionnant en conséquence, avec plus de bobines et une vitesse de rotation plus élevée, mais la fréquence obtenue ne permettrait pas d’utiliser ce courant tel quel sur des appareils. Pour avoir un 220 V utilisable, il faut redresser le courant, l’envoyer vers un régulateur et une batterie, puis ajouter un onduleur qui transforme le courant continu en courant alternatif 220 V.
Le champ magnétique des aimants peut-il abîmer les appareils voisins ?
Il ne faut pas approcher un appareil sensible tout près des aimants, au risque de l’endommager de façon irréversible. Au-delà de quelques centimètres, en revanche, il n’y a plus de risque.
Que vérifier si le générateur ne produit presque aucune tension ?
Vérifiez d’abord que le fil est bien du cuivre émaillé. Approchez et éloignez un aimant d’une bobine : le voltmètre doit indiquer une variation de tension. Contrôlez ensuite que les bobines sont branchées en série, qu’elles sont en phase (les aimants de même polarité les survolent au même moment) et surtout enroulées dans le même sens : en y faisant passer le courant d’une pile, elles doivent toutes attirer ou repousser le même pôle d’un aimant. Mesurez enfin la distance entre les aimants et les bobines, et commencez au besoin par le montage le plus simple, deux bobines, deux aimants et une LED qui clignote.