Générateur automobile.
L'alternateur automobile est la principale source d'énergie de l'automobile ; sa fonction est de fournir de l'énergie à tous les équipements électriques (à l'exception du démarreur) lorsque le moteur fonctionne normalement, et de charger la batterie en même temps.
À partir d'un enroulement statorique triphasé classique d'alternateur, on augmente le nombre de spires et on ajoute un pont redresseur triphasé au niveau des bornes. À basse vitesse, les enroulements primaire et secondaire sont connectés en série ; à haute vitesse, seul l'enroulement primaire triphasé est alimenté.
Principe de fonctionnement
Principe de fonctionnement de l'alternateur complet
Lorsque le circuit externe alimente l'enroulement d'excitation par l'intermédiaire des balais, un champ magnétique est généré, magnétisant ainsi le pôle de la griffe en pôle nord et pôle sud. La rotation du rotor induit une variation alternative du flux magnétique dans l'enroulement du stator. Selon le principe de l'induction électromagnétique, cet enroulement triphasé produit une force électromotrice induite alternative. C'est ainsi qu'un alternateur génère de l'électricité.
Le moteur entraîne la rotation du rotor de la génératrice synchrone à excitation continue à la vitesse n (tr/min), et induit un potentiel alternatif dans l'enroulement statorique triphasé. Si cet enroulement est connecté à la charge électrique, le moteur produit une puissance alternative, laquelle est convertie en courant continu à la sortie de la génératrice par le pont redresseur.
L'alternateur est composé de deux parties : l'enroulement statorique et l'enroulement rotorique. L'enroulement statorique triphasé est réparti sur le boîtier selon un angle électrique déphasé de 120° entre chaque phase. L'enroulement rotorique est constitué de deux électrodes polaires. Lorsqu'il est alimenté en courant continu, il est excité et les électrodes polaires forment les pôles nord (N) et sud (S). Les lignes de champ magnétique partent du pôle N, pénètrent dans le noyau du stator à travers l'entrefer et retournent au pôle S adjacent. La rotation du rotor coupe ces lignes de champ magnétique et génère une force électromotrice sinusoïdale déphasée de 120° dans l'enroulement statorique, c'est-à-dire un courant alternatif triphasé. Ce courant est ensuite redressé par des diodes pour produire un courant continu.
Lorsque l'interrupteur est fermé, la batterie fournit d'abord le courant. Le circuit est le suivant :
Borne positive de la batterie → témoin de charge → contact du régulateur → enroulement d'excitation → électrode de contact → borne négative de la batterie. Le témoin de charge s'allume alors lorsque le courant passe.
Cependant, après le démarrage du moteur, à mesure que la vitesse du générateur augmente, la tension à ses bornes augmente également. Lorsque la tension de sortie du générateur est égale à celle de la batterie, le potentiel des bornes « B » et « D » du générateur est identique. À ce moment, le voyant de charge s'éteint, car la différence de potentiel entre les deux bornes est nulle. Cela indique que le générateur fonctionne normalement et qu'il fournit lui-même le courant d'excitation. La force électromotrice alternative triphasée générée par l'enroulement triphasé du générateur est redressée par la diode et convertie en courant continu pour alimenter la charge et charger la batterie.
L'alternateur est généralement composé de quatre parties : rotor, stator, redresseur et capuchon d'extrémité.
(1) Rotor
La fonction du rotor est de générer un champ magnétique rotatif.
Le rotor se compose d'un pôle à griffes, d'un joug, d'un enroulement de champ magnétique, d'un anneau collecteur et d'un arbre de rotor.
Deux pôles en forme de griffe sont fixés sur l'arbre du rotor, chacun comportant six pôles magnétiques en forme de bec d'oiseau. Un enroulement de champ magnétique (bobine du rotor) et un culasse magnétique sont disposés dans la cavité du pôle en forme de griffe.
L'anneau collecteur est constitué de deux anneaux de cuivre isolés l'un de l'autre. Il est pressé sur l'arbre du rotor et isolé de celui-ci. Les deux anneaux collecteurs sont reliés aux extrémités de l'enroulement d'excitation magnétique.
Lorsque les deux anneaux collecteurs sont alimentés en courant continu (par l'intermédiaire de la brosse), un courant circule dans l'enroulement d'excitation magnétique, générant un flux magnétique axial. Ainsi, une griffe est magnétisée au pôle nord (N) et l'autre au pôle sud (S), formant six paires de pôles magnétiques imbriqués. La rotation du rotor crée un champ magnétique tournant [1].
Le circuit magnétique de l'alternateur est le suivant : culasse → pôle N → entrefer entre le rotor et le stator → stator → entrefer entre le stator et le rotor → pôle S → culasse.
(2) Le stator
La fonction du stator est de générer du courant alternatif.
Le stator se compose d'un noyau et d'une bobine.
Le noyau du stator est composé de feuilles d'acier au silicium comportant des rainures dans l'anneau intérieur, et le conducteur de l'enroulement du stator est encastré dans la rainure du noyau.
L'enroulement du stator comporte trois phases, et l'enroulement triphasé adopte une connexion en étoile ou en triangle (haute puissance), ce qui peut générer un courant alternatif triphasé.
L'enroulement triphasé doit être bobiné selon certaines exigences afin d'obtenir la même fréquence, la même amplitude et une différence de phase de 120° de force électromotrice triphasée.
1. La distance entre les deux côtés efficaces de chaque bobine doit être égale à l'espace occupé par un pôle magnétique.
2. La distance entre les bords de départ des bobines adjacentes de chaque enroulement de phase doit être égale ou un multiple de la distance occupée par une paire de pôles magnétiques.
3. Le bord de départ de l'enroulement triphasé doit être séparé par un angle électrique de 2π+120° (l'espace occupé par une paire de pôles magnétiques est de 360° d'angle électrique).
Dans l'alternateur domestique de la série JF13, une paire de pôles magnétiques occupe l'espace de 6 encoches (60° d'angle électrique par encoche), un pôle magnétique occupe l'espace de 3 encoches. L'intervalle de position entre les deux côtés actifs de chaque bobine est donc de 3 encoches. La distance entre le début de chaque enroulement de phase adjacent à la bobine est de 6 encoches. L'écart entre les débuts des enroulements triphasés peut être de 2, 8, 3 ou 14 encoches, etc.
(3) Redresseur
Le rôle du redresseur d'alternateur est de convertir le courant alternatif triphasé de l'enroulement statorique en courant continu. Le redresseur de l'alternateur à 6 tubes est un pont redresseur triphasé à double alternance composé de 6 diodes redresseuses au silicium, les 6 tubes redresseurs étant respectivement pressés (ou soudés) sur deux plaques.
1. Caractéristiques des diodes redresseuses au silicium pour l'automobile
(1) Courant de fonctionnement élevé, courant moyen direct 50 A, courant de surtension 600 A ;
(2) Tension inverse élevée, tension de crête répétée inverse 270 V, tension de crête non répétée inverse 300 V ;
(3) Il n'y a qu'une seule broche. Certaines broches de diodes sont positives, d'autres négatives ; le tube avec une broche positive est appelé tube positif, et celui avec une broche négative est appelé tube négatif. Ainsi, la diode redresseuse possède une diode positive et une diode négative.
(4) Couvercle d'extrémité
Le couvercle d'extrémité est généralement composé de deux parties (couvercle avant et couvercle arrière) et assure la fixation du rotor, du stator, du redresseur et du porte-balais. Ce couvercle est généralement moulé en alliage d'aluminium, ce qui permet une étanchéité magnétique efficace et une bonne dissipation thermique.
Le couvercle arrière est muni d'un porte-balais composé d'un balai, d'un support de balai et d'un ressort de balai. Le rôle du balai est d'introduire le courant électrique, via la bague collectrice, dans l'enroulement d'excitation.
La connexion entre l'enroulement du champ magnétique (deux balais) et le générateur est différente, ce qui permet de distinguer les générateurs de type interne et externe.
1. Générateur à fer à repasser interne : Un générateur avec enroulement de champ magnétique balai négatif directement en fer à repasser (directement connecté au boîtier).
2. Générateur à enveloppe externe : Générateur dans lequel les deux balais de l'enroulement de champ sont isolés du boîtier.
L'électrode négative (balai négatif) de l'enroulement de champ magnétique du générateur externe de type fer est connectée au régulateur, puis le fer est connecté après passage.
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