Un générateur d'éolienne à aimants permanents et flux axial se fabrique avec très peu de pièces : un rotor qui porte des aimants au néodyme, un stator qui porte des bobines de cuivre émaillé, un carter et deux roulements à billes. Il produit du courant de charge à bas régime, ne demande aucune excitation et se dimensionne sur mesure. Cette page suit l'autoconstruction de Steven Fahey et reprend, dans nos mots, l'article du livre « Le mini éolien » d'Emmanuel Riolet (éditions Eyrolles) consacré à ce générateur. Pour le texte intégral de Steven Fahey en anglais (PDF), il suffit de suivre le lien.

Voir aussi : les types de générateurs d'éolienne (dynamo, alternateur, machine asynchrone) et les composants d'une éolienne.

Au sommaire :

• Pourquoi des aimants au néodyme
• Manipuler les aimants sans casse ni blessure
• Principe du générateur à flux axial
• Dimensionner les bobines du générateur
• Disposer les aimants pour obtenir du courant alternatif
• Réaliser et relier les bobines du stator
• Redresser le courant avec un pont de diodes
• En résumé : les atouts de ce générateur

1 : Pourquoi des aimants au néodyme

Pour produire un maximum de courant, il faut un champ magnétique le plus fort possible. C'est pourquoi nous choisissons des aimants au néodyme, un alliage de néodyme, de fer et de bore. Ce sont des aimants permanents : ils gardent leur aimantation sans aucune alimentation. L'auteur du livre les annonce au moins dix fois plus puissants que des aimants classiques. Ils conservent leurs propriétés très longtemps, à condition de les protéger des chocs et d'une chaleur excessive.

Pour vous en procurer, le plus simple est de chercher « aimants néodyme » sur Internet. Les fabricants et revendeurs indiquent la force de leurs aimants soit en gauss, soit en kilos de traction. Ne vous laissez pas séduire par le premier marchand venu : comparez, et commandez ce qu'il y a de plus puissant pour une masse volumique identique. Il existe des aimants de presque toutes les formes.

Trois formes courantes d'aimants au néodyme : le bloc rectangulaire (2 × 1 × 0,5 pouce, soit environ 51 × 25 × 13 mm), le disque (1 pouce de diamètre) et le segment d'arc.

Pour un générateur à flux axial, seules les formes rectangulaires ou rondes font l'affaire. Par souci de rendement maximum et de simplicité, nous optons ici pour la forme rectangulaire.

2 : Manipuler les aimants sans casse ni blessure

Attention : manipulation des aimants

Vous venez de recevoir vos aimants. Avant de vous précipiter sur votre colis, quelques conseils s'imposent. Le magnétisme est un grand ennemi des appareils électroniques : n'approchez pas vos aimants de ce que le champ peut affecter. Éloignez d'au moins 30 cm les objets sensibles, comme votre montre, votre téléphone portable ou votre carte de crédit.

Soyez aussi très prudent en les manipulant. Ils sont si puissants qu'ils peuvent vous causer des mésaventures. Le premier risque est de vous faire pincer très fort les doigts, le second de casser vos aimants : autant les néodymes sont puissants, autant ils sont fragiles. Si deux aimants se collent l'un à l'autre, la bonne méthode pour les séparer est de les faire glisser, et non de chercher à les décrocher.

3 : Principe du générateur à flux axial

Vue éclatée (en haut) et coupe (en bas) : les aimants du rotor font face aux bobines du stator, et les lignes de champ traversent l'espace qui les sépare parallèlement à l'axe.

Ce générateur est de conception très simple. Le rotor porte les aimants, le stator porte les bobines. Un carter maintient l'ensemble, et des roulements à billes optimisent la rotation. Au total, il se compose d'un carter en métal inoxydable ou en résine et fibre, d'un rotor d'aimants néodymes, de fil de cuivre émaillé et de deux roulements à billes.

Le champ des aimants traverse les bobines parallèlement à l'axe de rotation, d'où le nom de « flux axial ». Quand le rotor tourne, chaque bobine voit passer successivement un pôle nord puis un pôle sud, et le flux qui la traverse change de sens. Cette variation de flux crée la tension alternative aux bornes de la bobine.

Le rotor doit être réalisé dans une matière à la fois légère et très résistante, comme du bois recouvert de résine, de la fibre et de la résine, ou de l'aluminium. Pour les roulements, ne lésinez pas sur la qualité : ils doivent résister à un travail intensif et supporter les contraintes du climat.

L'autoconstruction de Steven Fahey : un stator de 12 bobines, un rotor de 16 aimants, puis l'assemblage du rotor sur le moyeu et sa pose en tête de mât, le stator placé devant le rotor.

4 : Dimensionner les bobines du générateur

Un des nombreux avantages de ce type de générateur est que l'on peut le faire sur mesure, tant pour la taille que pour les performances. Pour en concevoir un qui fonctionne impeccablement, il faut d'abord un calcul qui part de la taille des aimants et de leur force en gauss. Ce calcul détermine la section du fil de cuivre des bobines et le nombre de spires.

Chaque cas est différent. Le plus simple est de commencer avec des plans que vous trouverez aisément sur Internet. Vous pouvez aussi vous lancer et ajuster vos bobines jusqu'au résultat escompté.

Pour tester le rendement, inutile de fabriquer plusieurs bobines. Une seule suffit : placez-la sur le stator, faites tourner le rotor et mesurez la tension. Il ne reste qu'à multiplier cette tension par le nombre de bobines pour obtenir le résultat d'ensemble, puisque des bobines identiques reliées en série voient leurs tensions s'additionner. Modifiez la bobine tant que le résultat ne vous convient pas.

À gauche, des bobines terminées ; à droite, les bobines disposées en couronne dans le moule.

Dès que le résultat est bon, vous pouvez confectionner les autres bobines sur un modèle identique. Schématiquement, voici ce qu'il faut savoir :

• plus vous mettez de spires, plus la bobine produit ;
• plus le fil est fin, plus vous tendez vers de la tension ;
• plus la section du fil est grosse, plus vous tendez vers de l'intensité.

À partir de là, tout est une question de dosage. Idéalement, vous devriez obtenir une tension de 13 volts, avec une bonne intensité, à 600 tours par minute. Cet ordre de grandeur est celui que l'auteur retient pour charger une batterie.

5 : Disposer les aimants pour obtenir du courant alternatif

Vous devrez disposer vos aimants en inversant leur polarité d'un aimant au suivant, afin d'obtenir du courant alternatif. Pour contrôler la polarité, il vous faut une boussole, qui vous indique la face sud et la face nord.

Les aimants du rotor se suivent en alternant nord (N) et sud (S) autour du disque.

6 : Réaliser et relier les bobines du stator

Les bobines doivent être réalisées avec soin, avec des enroulements les plus réguliers possible. Si cela vous pose un problème, vous pouvez récupérer des bobines toutes faites sur des moteurs électriques. Cela fonctionne bien si elles sont exactement du même type et si elles ne sont pas endommagées. Vous pouvez aussi vous adresser à un bobineur professionnel : pour une tâche aussi simple, la facture ne devrait pas être trop lourde.

Une fois fixées sur le stator, les bobines sont connectées en série. Pour les relier, grattez avec un couteau la mince couche isolante du fil de cuivre sur un centimètre, afin que le bout des fils fasse contact. Par sécurité, il est plus que conseillé de renforcer et de protéger les connexions avec de la gaine thermorétractable.

Les faces des aimants doivent frôler au plus près les bobines, pour que le champ magnétique soit le plus efficace possible. Cela demande un ajustage parfait du rotor. Pour bien stabiliser les bobines, noyez-les dans de la résine : elle les maintient en place et les protège.

En haut à droite, le stator dont les bobines sont noyées dans la résine rouge.

7 : Redresser le courant avec un pont de diodes

Le générateur délivre du courant alternatif ; pour charger une batterie, il faut le redresser. Installez donc un pont de diodes adapté à la puissance du générateur, à côté du régulateur. Si vous n'êtes pas doué en électronique, vous en trouverez des prêts à l'emploi dans tous les magasins de composants. Ce n'est vraiment pas cher, et ça ne vaut pas le coup de s'en priver. Il suffit de connecter les fils en suivant les indications du boîtier.

8 : En résumé : les atouts de ce générateur

Ce type de générateur est l'idéal pour l'éolien. Ses atouts sont nombreux :

1. il produit un courant de charge à bas régime ;
2. il a un bon rendement général ;
3. sa taille est modulable selon votre projet ;
4. il est économique par rapport à l'achat d'un générateur neuf ;
5. il est de conception simple, donc facile à entretenir ;
6. il est très robuste s'il est conçu avec de bons matériaux ;
7. il ne demande pas d'excitation, donc ni frottements qui ralentissent le rotor, ni charbons à remplacer.

Pour entraîner cette génératrice, il nous faut maintenant un couple moteur sur l'arbre. C'est le rôle des pales du rotor de l'éolienne, qui transforment l'énergie du vent, plus précisément l'énergie cinétique de l'air en mouvement.

Pour aller plus loin, nous pouvons passer à la conception des pales d'éolienne. Nous pouvons aussi comparer les types de générateurs cités en début de page avant de choisir le vôtre, puis dimensionner le rotor d'après la puissance que ce générateur peut absorber.