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Voyons comment fonctionne l’alternateur. Ce dispositif est un élément essentiel du système électrique de tout véhicule à moteur à combustion. Alors, que fait-il et comment fonctionne-t-il ? Dans cet article, nous allons examiner l’alternateur typique d’une voiture pour comprendre comment il fonctionne, les principales pièces ainsi que les raisons et les lieux où nous les utilisons.
Qu’est-ce qu’un alternateur ?
Un alternateur ressemble à quelque chose comme ça.
On trouve l’alternateur dans le compartiment moteur de la voiture. L’arbre de l’alternateur est relié au moteur par une courroie et une poulie. Lorsque le moteur tourne, l’arbre de l’alternateur est forcé de tourner, cette rotation génère de l’électricité.
L’alternateur produit un type d’électricité connu sous le nom de courant alternatif ou AC, d’où son nom. Avec l’électricité AC, le courant d’électrons circule constamment en avant et en arrière. C’est le même type d’électricité que vous trouverez dans vos prises de courant à l’intérieur de vos maisons, mais la tension dans vos maisons est beaucoup plus élevée.
Cependant, tous les composants électriques de la voiture utilisent un autre type d’électricité appelé courant continu ou courant continu. Avec ce type d’électricité, les électrons circulent dans une seule direction, c’est la même chose que l’électricité que vous obtenez d’une batterie.
L’alternateur convertit donc le courant alternatif en courant continu via un redresseur. La tension de sortie de l’alternateur varie en fonction de la vitesse de la voiture. L’alternateur utilise donc également un régulateur pour limiter cette variation et maintenir une sortie presque constante.
Pourquoi utilise-t-on un alternateur ?
Tout véhicule moderne a besoin d’électricité pour fonctionner, celle-ci est utilisée pour alimenter des choses telles que les lumières, le système de musique, les vitres électriques, les essuie-glaces, etc.
Lorsque le moteur est arrêté, la batterie alimente les composants électriques de la voiture. Mais la batterie est alors déchargée.
Lorsque la voiture démarre, la batterie fournit une énorme quantité de courant au démarreur qui fait tourner le volant d’inertie et démarre le moteur. La batterie est à nouveau partiellement déchargée pendant le démarrage en raison du courant important nécessaire pour faire tourner le démarreur.
Une fois le moteur en marche, l’alternateur est utilisé pour recharger la batterie afin qu’elle ait suffisamment d’énergie stockée pour redémarrer le moteur à l’avenir. L’alternateur alimentera également les appareils électriques de la voiture pendant que le moteur tourne.
Si on laisse la batterie se décharger trop longtemps, elle ne pourra pas fournir le courant important nécessaire au démarrage du démarreur et la voiture devra être mise en marche d’urgence.
Les principales pièces
Examinons les principales parties de l’alternateur. A l’avant de l’unité, nous trouvons la poulie. Il s’agit d’une roue dans laquelle sont découpées des rainures qui aident à saisir la courroie qui fournit la force de rotation du moteur.
La roue de la poulie est fixée à l’arbre qui traverse toute la longueur de l’alternateur.
Les composants internes sont maintenus à l’intérieur du carter principal. Le carter se compose de deux parties, le support avant et le support arrière. Des fentes sont pratiquées dans le carter pour permettre le passage de l’air et éliminer la chaleur indésirable qui est générée.
À l’arrière de l’unité, nous avons les connexions électriques. Il existe de nombreux modèles différents, mais celui-ci est un exemple de modèle simple à 3 fils, avec un régulateur et un redresseur internes qui possède les bornes suivantes :
Borne B. C’est la sortie qui charge la batterie.
Borne S. Cela permet au régulateur de détecter la tension.
Borne F. Elle est connectée à l’allumage et fournit la puissance initiale à l’électro-aimant au démarrage.
Pour compléter le circuit, l’électricité circule à nouveau à travers le châssis de la voiture vers ou depuis la borne négative de la batterie.
Comme cette unité possède un régulateur et un redresseur internes, nous trouvons ces composants à l’arrière de l’unité, généralement sous un couvercle de protection.
En retirant le boîtier, nous pouvons voir l’intérieur de l’appareil. La première chose que nous voyons est le stator. Le stator est fixe et ne tourne pas.
Il s’agit d’un certain nombre de feuilles laminées qui présentent un motif de fentes sur le bord intérieur.
On trouve ensuite trois ensembles distincts de fils de cuivre qui sont enroulés entre ces fentes dans un certain ordre. Une extrémité de chaque bobine est reliée à un point neutre, c’est une configuration en étoile.
Chaque jeu de bobines produit une seule phase d’électricité alternative, ce qui donne 3 phases au total. L’autre extrémité de chaque bobine passe à travers le boîtier et se fixe au redresseur.
L’alternateur produit un courant alternatif, mais la batterie et les appareils électriques de la voiture ont besoin d’un courant continu. Le redresseur va donc convertir le courant alternatif en courant continu.
Au centre de l’alternateur, nous trouvons une autre bobine de fil qui est enroulée autour d’un noyau de fer et qui est reliée à l’arbre. L’arbre contient également deux bagues collectrices. Les bagues collectrices sont connectées aux extrémités opposées de la bobine.
Dans le carter arrière, nous trouvons des balais. Il s’agit de blocs de carbone chargés par ressort qui sont poussés vers l’extérieur pour frotter contre les bagues collectrices afin de former une connexion électrique.
La batterie de la voiture fournit initialement de l’électricité à la bobine par l’intermédiaire des balais. Lorsque l’électricité passe à travers la bobine, elle génère un champ électromagnétique.
Pour renforcer ce champ électromagnétique, deux griffes de fer sont placées à chaque extrémité de la bobine qui s’emboîtent l’une dans l’autre. Une extrémité deviendra le pôle nord, l’autre le pôle sud.
L’électro-aimant étant fixé à l’arbre du rotor. Lorsque le moteur fait tourner l’arbre, il fait également tourner l’électro-aimant devant les bobines du stator. Les bobines du stator génèrent alors un courant, et de l’électricité est produite.
Une fois que l’alternateur produit de l’électricité, il est capable d’alimenter l’électroaimant par lui-même grâce à un trio de diodes qui convertit le courant alternatif triphasé en courant continu.
La tension et le courant produits par l’alternateur varient en fonction de la vitesse du véhicule. Plus le véhicule roule vite, plus le vilebrequin tourne vite et donc plus l’alternateur tourne vite, ce qui augmente la tension et le courant. Pour contrôler cela, on utilise un autre composant appelé régulateur, qui est monté à l’arrière de l’appareil.
Il s’agit d’une carte de circuit intégré qui surveille la sortie de l’alternateur et fait varier le courant qui circule dans l’électroaimant pour en contrôler la puissance. La force de l’électroaimant peut être utilisée pour faire varier la sortie de l’alternateur.
Comment l’électricité est produite dans l’alternateur?
L’électricité est le flux d’électrons dans un fil. Le fil de cuivre est constitué de millions et de millions d’atomes de cuivre. Chaque atome possède un électron libre. C’est un électron qui peut se déplacer librement entre les autres atomes. Il se déplace vers les autres atomes par lui-même, mais cela se produit de manière aléatoire dans toutes les directions, ce qui ne nous est d’aucune utilité.
Nous avons besoin de beaucoup d’électrons pour circuler dans la même direction et nous le faisons en appliquant une différence de tension entre les deux extrémités du fil. Cela oblige les électrons à circuler. Si nous inversons la pile, les électrons circulent dans la direction opposée.
Lorsque l’électricité passe à travers un fil, un champ électromagnétique est généré autour du fil. Si nous plaçons des boussoles autour du fil et que nous faisons passer un courant à travers celui-ci, les boussoles s’alignent avec le champ magnétique. Si nous inversons la direction du courant, le champ magnétique s’inverse et les boussoles changent de direction.
Si le fil est enroulé dans une bobine, le champ magnétique devient plus fort. Chaque section de fil produit toujours un champ électromagnétique, mais elles se combinent pour former un champ magnétique plus grand et plus fort.
L’électro-aimant génère un pôle nord et un pôle sud, tout comme un aimant permanent, et nous pouvons le constater en utilisant à nouveau certaines boussoles. Si nous augmentons le courant dans la bobine, le champ électromagnétique augmente.
On peut aussi faire l’inverse. Si nous faisons passer un aimant à travers une bobine de fil, un courant est généré dans la bobine. Le cadran de l’ampèremètre indique un courant circulant dans le sens direct, ce qui génère donc un courant continu ou direct.
Lorsque l’aimant cesse de bouger, le cadran revient à zéro. Lorsque l’aimant est déplacé dans la direction opposée, le courant circule dans le sens inverse et le cadran indique un courant inverse.
Si nous faisons entrer et sortir l’aimant de manière répétée, le courant va donc alterner entre l’avant et l’arrière. C’est ainsi que le courant alternatif ou AC est généré. Le courant est alternatif dans le sens.
Si nous déplaçons l’aimant plus rapidement, un courant plus fort est généré.
Si nous utilisons un aimant plus fort, le courant augmente également.
Si nous utilisons une bobine plus grande avec plus de tours, alors cela génère également un courant plus important.
Au lieu d’utiliser un aimant permanent, nous pourrions utiliser un électro-aimant. En entrant et en sortant, il produira également un courant alternatif dans la bobine. Mais avec l’électroaimant, nous pouvons ajuster le courant et la tension pour faire varier l’intensité du champ magnétique, ce qui nous permet de contrôler la quantité de courant généré dans la bobine.
Au lieu de faire entrer et sortir un aimant dans une bobine, nous pouvons générer un courant beaucoup plus facilement en faisant tourner l’aimant et en plaçant les bobines autour de celui-ci.
La partie la plus forte du champ magnétique se trouve aux extrémités où les lignes de champ magnétique convergent. Vous pouvez voir les lignes de champ magnétique en saupoudrant de la limaille de fer sur l’aimant.
Si nous déplaçons l’aimant plus rapidement, un courant plus fort est généré.
Si nous utilisons un aimant plus fort, le courant augmente également.
Si nous utilisons une bobine plus grande avec plus de tours, alors cela génère également un courant plus important.
Au lieu d’utiliser un aimant permanent, nous pourrions utiliser un électro-aimant. En entrant et en sortant, il produira également un courant alternatif dans la bobine. Mais avec l’électroaimant, nous pouvons ajuster le courant et la tension pour faire varier l’intensité du champ magnétique, ce qui nous permet de contrôler la quantité de courant généré dans la bobine.
Au lieu de faire entrer et sortir un aimant dans une bobine, nous pouvons générer un courant beaucoup plus facilement en faisant tourner l’aimant et en plaçant les bobines autour de celui-ci. La partie la plus forte du champ magnétique se trouve aux extrémités où les lignes de champ magnétique convergent. Vous pouvez voir les lignes de champ magnétique en saupoudrant de la limaille de fer sur l’aimant.
Lorsque l’aimant est placé entre les deux bobines, aucun courant n’est généré, mais lorsque l’aimant commence à tourner, la partie la plus forte du champ magnétique se rapproche de plus en plus de la bobine. La bobine subit une variation d’intensité du champ magnétique, ce qui fait que de plus en plus d’électrons sont poussés vers l’avant jusqu’à son intensité maximale.
Ensuite, l’aimant commence à s’éloigner de la bobine, le champ magnétique commence donc à diminuer et le courant d’électrons aussi, jusqu’à ce qu’il atteigne à nouveau zéro. L’extrémité opposée de l’aimant commence alors à se rapprocher de la bobine, ce qui entraîne les électrons dans la direction opposée, à nouveau jusqu’à un point maximum, puis diminue à nouveau jusqu’à zéro.
Ainsi, si nous traçons ce courant sur un graphique, nous obtenons une onde sinusoïdale avec le courant circulant dans les régions positives puis négatives. Cette configuration nous donne une alimentation monophasée en courant alternatif.
Mais, nous avons tout cet espace vide entre les bobines, ce qui semble un peu du gaspillage. Alors, que pouvons-nous faire avec cet espace ? Eh bien, nous pouvons ajouter des bobines et créer des phases supplémentaires pour fournir encore plus de puissance.
Si nous plaçons une autre bobine à 120 degrés de rotation par rapport à la première phase, cela nous donnera une deuxième phase. Pourquoi ? Parce que la bobine est à un angle différent, donc elle subira le changement d’intensité du champ magnétique à un moment différent.
Le courant va donc circuler en avant et en arrière à un moment différent. Cela nous donne une autre onde sinusoïdale, qui se produit à un moment différent.
Nous avons encore de l’espace libre ici, nous pouvons donc ajouter une autre série de bobines à 120 degrés par rapport à la précédente pour créer une troisième phase.
Si nous n’utilisons qu’une seule phase, alors pour chaque rotation de l’aimant, le courant circule deux fois plus vite vers l’avant et deux fois plus vite vers l’arrière. Mais avec trois phases, nous avons toujours une phase qui circule vers l’avant et toujours une phase qui circule vers l’arrière. Cela signifie que nous pouvons utiliser cette phase pour fournir plus de puissance.
Au lieu d’avoir 3 bobines séparées et 6 fils, puisque les phases passent toujours de l’avant à l’arrière, nous pouvons connecter les extrémités des bobines ensemble. Le courant circulera alors librement entre chaque bobine lorsqu’elle changera de direction.
Maintenant, nous produisons de l’électricité en courant alternatif triphasé. Mais tous nos circuits et composants électriques dans la voiture utilisent du courant continu ou du courant continu. Nous devons donc convertir le courant alternatif en courant continu, et pour cela nous utilisons un pont redresseur complet.
Il s’agit essentiellement de 6 diodes connectées par paires et câblées en parallèle. Si vous ne le savez pas, les diodes ne permettent au courant de circuler que dans un sens et bloquent le courant dans le sens inverse.
Ainsi, avec une alimentation monophasée, pour chaque tour de l’aimant, le courant ne circulera que pendant la moitié du tour, l’autre moitié sera complètement bloquée.
Si nous connectons chacune des 3 phases séparément à une diode, alors le courant circulera ou sera bloqué à des moments différents. Par conséquent, nous pouvons combiner les phases en un bloc de diodes, et seule la phase la plus proche de son maximum sera autorisée à passer.
Ce qui nous donne une sortie de courant continu légèrement approximative. Pour adoucir cela, nous pouvons connecter un condensateur qui absorbera essentiellement des électrons et les éjectera automatiquement pour maintenir une sortie constante. Cela nous donne une alimentation constante en courant continu.
OK, nous avons donc maintenant une sortie CC. Mais, si l’aimant est connecté au moteur, et que la voiture accélère, alors l’aimant tournera plus vite et cela augmentera la tension et le courant de sortie. Nous ne voulons pas cela parce que cela tuerait tous nos composants électroniques dans la voiture. Nous avons donc besoin d’un moyen de réguler la tension.
Si vous vous souvenez, nous avons vu qu’en utilisant un électro-aimant, nous pouvons augmenter ou diminuer l’intensité du champ électromagnétique en faisant varier la tension. Et en faisant varier la puissance de l’aimant, nous pouvons faire varier la tension et le courant générés dans la bobine.
C’est pourquoi l’alternateur utilise un électro-aimant pour pouvoir contrôler la sortie. La batterie de la voiture alimente l’électro-aimant. Bien que la plupart des alternateurs modernes utilisent un trio de diodes qui convertit le courant alternatif de l’alternateur en courant continu et alimente l’électro-aimant via un régulateur de tension une fois que l’alternateur produit de l’électricité.
Sur l’alimentation de l’électro-aimant, dans le régulateur, on trouve un composant appelé transistor. Le capteur de tension est également connecté au régulateur.
Le transistor est un type d’interrupteur électronique qui peut être activé et désactivé des milliers de fois par seconde par un contrôleur. Il peut être utilisé pour contrôler la quantité de courant qui circule.
Si nous imaginons que le courant circulant dans la bobine, provenant de la batterie, est à son niveau maximum pendant une période donnée, alors nous obtenons un courant de 100% et l’électroaimant est à 100% de sa puissance.
Mais si nous utilisons maintenant l’interrupteur pour que l’électricité ne circule que pendant la moitié du temps, nous obtenons alors 50% du courant et l’électroaimant n’est donc que 50% de sa puissance.
Ainsi, en mesurant la sortie de l’alternateur et en faisant varier les temps d’ouverture et de fermeture du commutateur à transistor, nous pouvons contrôler le flux de courant à travers la bobine et la force de l’électroaimant.
Cela permet de contrôler la quantité d’électricité produite par l’alternateur pour maintenir une sortie constante.
