Fonctionnement d'un alternateur

FONCTIONNEMENT D'UNE AUTO  

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Tout le monde le sait ou presque, l'alternateur a comme utilité de fournir de l'électricité pour les besoins de la voiture et notamment la recharge de la batterie de servitude 12V au plomb.
Toutefois, comment l'alternateur produit du courant électrique ?

Production d'électricité par l'alternateur

Il s'agit en fait d'un principe physique vieux comme la physique, à savoir que faire tourner un aimant près d'un fil de cuivre induisait un courant dans ce dernier. En effet, la force magnétique de l'aimant fait bouger les électrons libres qui sont sur la dernière couche électronique des atomes de cuivre (un atome a un coeur formé de protons et autour des couches électroniques d'électrons, qui représentent la "substance" de l'électricité). Et si cela ne marche pas avec d'autres matériaux (non conducteurs), c'est parce que les atomes qui les composent n'ont pas d'électrons libres sur la dernière couche électronique. Ils sont bloqués car elle est parfaitement remplie, car chaque couche électronique peut accueillir un nombre maximal d'électrons. Les atomes ont donc plusieurs couchent électroniques selon le nombre de protons qu'il y a dans leur coeur. Car le nombre d'électrons est lié au nombre de protons.

Schéma simplifié
conceptuel

Moteur éteint, l'aimant (ou électro-aimant, ce qui revient au même dans le principe) ne bouge pas et il ne se passe absolument rien ...


Moteur allumé, l'aimant se met à tourner ce qui déplace les électrons présents sur les atomes de cuivre (les électrons sont comme une peau qui recouvrent les atomes). C'est le champs magnétique de l'aimant qui les animent. On a alors un circuit fermé où les électrons tournent en rond, on a alors de l'électricité. Ce principe est le même pour les centrales nucléaires, les centrales thermiques ou même hydrauliques : elles génèrent du courant grâce à des génératrices électriques qui ne sont que de gros alternateurs

Alternateur Triphasé
(Aimant permanent)

Alternateur Triphasé
(Electro-aimant )



Version avec électro-aimant à l'arrêt : pas de courant



Ici l'aimant est incarné par une bobine de cuivre alimentée en électricité. Car un fil alimenté en électricité se transforme naturellement en aimant bipolaire

Le moteur thermique fait tourner un (électro)aimant dans une bobine qui produit alors de l'électricité. La batterie reçoit cette dernière et la stocke tout simplement sous forme chimique. Lorsque l'alternateur ne fonctionne plus (pour des raisons diverses) il ne recharge plus la batterie, et le seul moyen de s'en apercevoir est de voir l'allumage du voyant batterie quand le moteur tourne (à l'arrêt avec le contact c'est normal).

Les composants

Rotor

Ce dernier (rotor pour rotation) peut donc être à aimant permanent ou modulable (électro-aimant "dosable" en envoyant plus ou moins de courant d'excitation, la conception des versions modernes). C'est lui qui tourne et qui est connecté au vilebrequin via la courroie accessoires. Il est donc relié à des roulements qui peuvent au passage rapidement s'user si la courroie est trop tendue (avec un bruit à la clé).

Balais / Charbons

Dans le cas de rotor alimenté par électricité (pas d'aimant permanent), il faut pouvoir alimenter le rotor alors qu'il tourne sur lui-même ... Une connexion électrique simple ne suffit alors pas (le fil va finir par s'enrouler sur lui-même !). De ce fait, et comme avec le démarreur, il y a des charbons dont le rôle est de permettre un contact entre deux éléments mobiles en rotation. En s'usant, le contact peut se perdre et l'alternateur ne fonctionne alors plus.

Stator

Le stator, comme son nom l'indique, est statique. Dans le cas d'un alternateur triphasé on aurait un stator composé de trois bobines. Chacun d'entre elle va générer du courant alternatif au passage de l'aimant du rotor, car ses électrons seront déplacés grâce à la force magnétique induite par l'aimant.

Régulateur de tension

Comme les alternateurs modernes ont un électro-aimant en leur centre, on peut alors moduler l'intensité du courant en le rendant plus ou moins actif (plus on l'alimente, plus il devient un aimant puissant). Conséquence, il suffit de gérer le courant envoyé au stator par un calculateur pour juguler la puissance qui ressort des bobines du stator.

La tension obtenue après régulation ne doit normalement pas dépasser les 14.4V.

Pont de diodes

Il permet de redresser le courant, et donc de transformer le courant alternatif (venant de l'alternateur) en courant continu (pour la batterie). On utilise ici un montage astucieux de plusieurs diodes en sachant que ces dernières n'acceptent d'être traversées que dans un seul sens (il y a donc, selon le jargon, un sens passant et un sens bloquant). La diode accepte uniquement que le courant passe du + vers le -, mais pas l'inverse.
De ce fait, quand on injecte un courant alternatif en entrée, on a toujours un courant continu en sortie.

(source Wikipedia)

Voyant batterie = alternateur HS ?

Il indique que l'énergie électrique nécessaire à la voiture est actuellement fournie par la batterie principalement, et non plus par l'alternateur. On se rend compte généralement du problème lorsqu'il faut redémarrer la voiture, puisque le démarreur qui est électrique n'a plus rien à se mettre sous la dent pour fonctionner. Pour savoir comment tester un alternateur en 3 minutes, rendez-vous ici.

Modulation de charge ?

Les alternateurs modernes ont un électro-aimant au coeur de leur installation, à savoir au niveau du rotor qui tourne (grâce à la courroie). En modulant le jus injecté dans l'électro-aimant on module alors sa force électromagnétique (aimantation plus ou moins intense), et grâce à cela on peut alors aussi modifier la quantité d'électricité générée par l'alternateur.

Quand la batterie au plomb est froide on lui envoie plus de tension car elle se recharge mieux quand elle est à basse température, et on fait l'inverse quand elle est chaude.

De plus, les véhicules actuels cherchent à grappiller de ci et de là des millilitres de carburant avec des astuces diverses et variées, et le débrayage de l'alternateur est l'une d'entre elles. Il suffit alors de ne plus alimenter l'aimant quand on ne souhaite pas avoir de couple résistant au niveau de l'alternateur (qui est directement en contact avec le moteur via la courroie), et au contraire on l'active à fond quand on souhaite récupérer de l'énergie à la décélération (sur le frein moteur on se fiche de perdre du couple ou de l'énergie cinétique). C'est donc à ce moment là que le voyant de récupération s'allume sur le tableau de bord (tout cela est piloté par un calculateur évidemment). De ce fait, les alternateurs actuels sont en quelque sorte intelligents, ils ne s'activent qu'aux meilleurs moments et en cas de besoin, cela pour limiter le plus souvent possible le couple résistant au niveau de la courroie accessoires.

Auto-amorçage ?

Si le rotor n'est pas alimenté par la batterie alors il ne pourra pas y avoir de courant généré ... Cependant, si on fait tourner le tout à des vitesses importantes on génèrera quand même du courant  : une sorte de rémanence magnétique va induire du courant dans le rotor, qui va donc devenir un aimant. Il faut alors une rotation d'environ 5000 t/minutes pour le rotor, sachant que la vitesse du moteur sera plus faible (il y a un démultiplicateur en raison de la taille de poulie différente au niveau de l'alternateur par rapport à la poulie Damper).

Cet effet est appelé auto-amorçage et il permet donc que l'alternateur produise du courant même sans qu'il ne soit excité.
Bien évidemment, cette problématique n'a pas lieu d'être si on parle d'un alternateur à aimant permanent.

Voici un alternateur isolé. La flèche indique la poulie qui servira à le faire fonctionner


Le voici dans un bloc moteur, on aperçoit la courroie qui l'entraine


La courroie entraine l'alternateur qui va convertir le mouvement en électricité grâce au montage expliqué plus haut. Voici ce dernier dans deux moteurs pris au hasard




L'hélice permet de refroidir l'alternateur

Sur l'image vous pouvez apercevoir le fil de cuivre à travers les interstices.

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