Alternateur automobile : Construction d'un générateur triphasé pour l'apprentissage pratique

Pièces et Matériaux du Projet

• Alternateur automobile (un requis, mais deux recommandés)

Les alternateurs d'occasion peuvent être trouvés à bas prix dans les casses, où de nombreuses unités sont déjà démontées pour plus de commodité. Un alternateur neuf n'est pas nécessaire ; une unité d'occasion en bon état offre les mêmes performances pour cette expérience.

Je recommande de choisir un alternateur Delco-Remy, qui équipe de nombreux véhicules GM (GMC, Chevrolet, Cadillac, Buick, Oldsmobile). Ce modèle est pratiquement inchangé depuis le début des années 1960, ce qui le rend abondant dans les casses et simple à démonter.

Avec deux alternateurs, vous pouvez transformer l'un en générateur triphasé et l'autre en moteur — les étapes de conversion sont identiques.

Références Croisées

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, chapitre 14 : « Magnétisme et électromagnétisme »

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, chapitre 10 : « Circuits AC polyphasés »

Objectifs d'Apprentissage

• Comprendre les principes de l'électromagnétisme et de l'induction
• Explorer la construction de machines électromagnétiques réelles
• Appliquer la connaissance des enroulements triphasés en pratique

 

Schéma de l'Alternateur Automobile

 

 

Un alternateur automobile est un générateur triphasé qui intègre un redresseur à six diodes. Lorsque la poulie (ou gorge) entraînée par le vilebrequin du moteur tourne, un électroaimant rotatif passe devant un ensemble stationnaire d'enroulements de stator en configuration Y.

Le rotor est un électroaimant plutôt qu'un aimant permanent, permettant d'ajuster la force du champ magnétique avec une petite entrée DC. Cette conception maintient la tension de sortie stable indépendamment de la vitesse de l'arbre.

La bobine de champ reçoit l'énergie via des bagues de contact en cuivre et des balais en carbone, maintenus en place par la pression des ressorts. De nombreux alternateurs incluent un régulateur embarqué qui commute la batterie pour contrôler la bobine de champ ; s'il est présent, ce régulateur peut être retiré pour simplifier l'expérience.

Lorsque le régulateur est retiré, laissez les bornes des balais accessibles afin de pouvoir alimenter la bobine de champ en DC tandis que l'alternateur reste entièrement assemblé.

 

Illustration de l'Alternateur Automobile

 

 

Instructions d'Expérience

Commencez par consulter le manuel de service pour votre modèle d'alternateur spécifique. Les instructions ci-dessous sont génériques et peuvent nécessiter une adaptation pour d'autres marques.

Comme les bornes du fabricant ne conviennent pas à notre expérience, vous devrez créer des connexions personnalisées. Démontez soigneusement l'alternateur et localisez les bornes qui alimentent les deux balais en carbone. Soudez une paire de fils de 20 AWG à ces bornes, en faisant passer les fils par les trous de ventilation pour éviter toute interférence avec le rotor.

Ensuite, identifiez les trois bornes du stator qui se connectent au pont de diodes. Soudez des fils de 18 ou 20 AWG à chacune de ces bornes et faites-les sortir du boîtier. Utilisez le calibre le plus grand possible, car ils conduisent le courant de ligne complet.

Pour la fiabilité, fixez des cosses à anneau à vos fils et serrez-les sous les écrous de borne d'origine. Cela assure une connexion robuste au bloc de diodes et simplifie le démontage futur.

Re-assemblez l'alternateur, en vous assurant que les balais sont rétractés pour éviter tout contact avec le rotor pendant le fonctionnement. Les unités Delco-Remy offrent souvent un petit trou d'accès ; un trombone ou un fil fin peut maintenir les balais en arrière contre la tension du ressort pendant le réassemblage.

Après avoir vérifié que l'arbre tourne librement, connectez les fils de champ à une pile 6 V et connectez un voltmètre à n'importe quelles deux des trois bornes de ligne :

Avec le multimètre réglé sur volts DC, faites tourner l'arbre doucement. La lecture devrait osciller entre des valeurs positives et négatives, démontrant la production de courant alternatif. En passant le multimètre sur volts AC et en répétant le test à différentes vitesses, vous illustrerez la relation entre l'entrée mécanique et la sortie électrique.

Court-circuitez n'importe quelles deux des trois fils de ligne et faites tourner l'alternateur à nouveau. Vous remarquerez une résistance accrue à la rotation — c'est la charge mécanique imposée par le court-circuit électrique.

Maintenant, alimentez la bobine de champ avec 12 V DC et répétez les tests DC, AC et court-circuit. Comparez les résultats à ceux obtenus avec 6 V ; une tension de champ plus élevée augmentera la tension de sortie et le couple de charge.

Connectez une charge insensible à la polarité, comme une petite lampe à incandescence, aux trois bornes de ligne. Enroulez une longueur de corde autour de la poulie et faites tourner l'alternateur rapidement ; la lampe devrait s'allumer, confirmant que l'alternateur peut alimenter une charge réelle.

Si vous avez un second alternateur, suivez les mêmes étapes de câblage pour le préparer en tant que moteur. Connectez les bornes de ligne du premier alternateur aux bornes correspondantes du second. Alimentez la bobine de champ du premier alternateur avec une pile 6 V, et court-circuitez les bobines de champ du second pour créer un moteur à induction.

Faites tourner le générateur et observez l'arbre du moteur. L'inversion de n'importe quelles deux connexions de ligne changera la séquence de phase, modifiant le sens de rotation du moteur.

Alternativement, connectez la bobine de champ du moteur à la même pile 6 V que celle du générateur. Le moteur fonctionne alors comme un moteur synchrone, avec le rotor verrouillé au champ magnétique tournant.

Passez au Niveau Supérieur avec Votre Alternateur Modifié

Pour ceux qui ont des compétences en travail du métal, vous pouvez monter l'alternateur sur un vélo pour créer un générateur à pédales. Le design que j'ai utilisé connecte la poulie de l'alternateur à la roue arrière via une longue courroie en V, qui soutient également l'arrière du vélo et maintient la tension pendant la conduite.

Le générateur est supporté par un cadre en acier — du tube carré de 2 pouces a été utilisé ici, mais un cadre en bois fonctionnerait aussi. L'ensemble fonctionne comme une machine d'exercice pratique et est peu coûteux à construire.

Trois lampes « VR » 12 V servent de charge, contrôlées par des interrupteurs montés à l'avant du vélo. En redressant la sortie triphasée, l'alternateur peut alimenter sa propre bobine de champ, éliminant le besoin d'une pile une fois le système en marche. Une source DC initiale est toujours requise pour exciter la bobine de champ au démarrage.

 

FICHE CONNEXE :

• Fiche de travail : Théorie du générateur AC
• Fiche de travail : Systèmes de puissance polyphasés