Petites génératrices à aimants permanents
Courbes caractéristiques des moteurs de vélos électriques utilisés en génératrice
il peut être tentant d'utiliser un moteur de VAE en tant que génératrice pour les raisons suivantes :
- moteur brushless sans entretien, très robuste à rotor externe muni d'aimants permanents
- son coût peu élevé (neuf entre 100 et 150 € + occasion pour modèle 250W, et 200 € pour le 1000 W)
- sa compacité
Son utilisation pourrait être envisagée en tant qu'alternateur pour une mini centrale hydraulique ou pour une petite éolienne.
Pour déterminer les caractéristiques de telles génératrices, je les ai passées au banc d'essais !
Mise en garde : une tension de plus de 50 V peut être dangereuse, ne prenez pas de risques !
1) Moteur 250 W
Moteur 250 W :
Essais de mars 2022 : études d'un moteur de vélo électrique ( VAE ) 250 W marque Shengyi, utilisé en génératrice (alternateur triphasé), entraîné par une courroie.
Moteur 36 V à rotor externe, 18 pôles, 20 aimants permanents, rapport de réduction 1/4,5 avec train épicycloïdal.
Caractéristiques lorsqu'il est utilisé en moteur de VAE : Vitesse de rotation 900 t/mn à 25 km/h. Alimentation 36 à 41 V - Courant maxi autorisé : 13 A.
Diamètre extérieur du moteur : 111 mm.
Banc d'essais :
La génératrice à tester est montée sur 2 roulements à billes de sorte que l'axe soit libre en rotation. Un bras de levier de 250 mm est solidaire de cet axe, et son extrémité repose sur une balance électronique afin de mesurer la force F (en g).
- F net = F moins 13g (force exercée à l'arrêt)
- Le produit de la force par le bras de levier détermine le couple C (en N.m).
- Le produit du couple par la vitesse de rotation (en rad/s) détermine la puissance absorbée P ab (en W) par la génératrice.
La vitesse de rotation est mesurée au moyen d'un capteur de rotation de pédalier (de VAE), accouplé à la génératrice. Un "arduino" affiche l'information sur un écran LCD.
Le courant électrique produit par la génératrice (sur les 3 fils de grosse section) est redressé par un pont de diodes triphasé avant d'alimenter (en courant continu) des résistances de chauffe-eau et de machines à laver immergées pendant les essais.
- La tension U et l'intensité I sont mesurés après le pont de diodes. La puissance utile W (en W) est calculée (formule : P = U x I)
Puissance dissipée dans le pont de diodes : la chute de tension mesurée dans ce pont est de 1,74 V, ce qui entraîne une dissipation de puissance (DP) qui doit être ajoutée à la puissance mesurée (W) pour obtenir la puissance totale délivrée par la génératrice.
Tableaux des valeurs relevées ou calculées
Courbes caractéristiques en fonction de la vitesse de rotation
Visuels de la tension à la sortie du pont de diodes
à 700 t/mn
charge 13,4 ohms
à 1000 t/mn
charge 13,4 ohms
à 1000 t/mn
charge 5,0 ohms
à 1500 t/mn
charge 5,0 ohms
Conclusions - commentaires
Un point important est le rendement de cette mini-génératrice qui est constant aux environs de 80% sur une large plage d'utilisation. C'est bien meilleur que les alternateurs de voiture qui semblent se situer entre 45 et 60%.
Solutions envisageables pour utiliser au mieux cette énergie :
- réchauffer de l'eau ou de l'air au moyen de résistances, si possible en tri-phasé, (l'utilisation d'une tension de l'ordre de 60 V permet de réduire la section des conducteurs comparé à du 12 V).
- utiliser un abaisseur de tension après le pont de diodes pour délivrer du 12 V par exemple (certains modèles acceptent des tension d'entrée allant jusqu'à 90 V)
- utiliser un micro-onduleur après le pont de diodes et injecter le courant sur le réseau comme pour les panneaux photovoltaïques (solution non testée).
Robustesse / endurance : aucun bobinage en mouvement, pas de frottement (brushless).
Côté mécanique, le rotor semble être monté sur un petit roulement à aiguilles qu'il ne faudra pas trop solliciter (éviter l'entraînement par courroie utilisé lors du test ci-dessus !)
Moteur 1000 W : Essais de mars 2022 : études d'un moteur de vélo cargo électrique 1000 W marque : OZO, direct drive, utilisé en génératrice (alternateur triphasé), entraîné par une courroie.
Moteur DD27, à rotor externe, 44 pôles ?(à confirmer), 46 aimants permanents,
Vidéo d'un moteur OZO similaire : https://www.youtube.com/watch?v=c1kleetD8LI&t=105s
Caractéristiques lorsqu'il est utilisé en moteur : Tension maxi 72 V - Intensité maxi : 40 A - Puissance max : 1700 W.
Diamètre extérieur du moteur : 242 mm, diamètre pour entraînement par courroie plate : 216 mm.
Banc d'essais : idem ci-dessus
La génératrice à tester est montée sur 2 roulements à billes de sorte que l'axe soit libre en rotation. Un bras de levier de 250 mm est solidaire de cet axe, et son extrémité repose sur une balance électronique afin de mesurer la force F (en g).
- F net = F moins 16g (force exercée à l'arrêt)
- Le produit de la force par le bras de levier détermine le couple C (en N.m).
- Le produit du couple par la vitesse de rotation (en rad/s) détermine la puissance absorbée P ab (en W) par la génératrice.
La vitesse de rotation est mesurée au moyen d'un des capteurs à effet hall du moteur. On relève 23 impulsions par tour (1 aimant sur 2). Un "arduino" affiche l'information sur un écran LCD.
Le courant électrique produit par la génératrice (sur les 3 fils de grosse section) est redressé par un pont de diodes triphasé et légèrement filtré par un condensateur de 100 microF, avant d'alimenter (en courant continu) des résistances de chauffe-eau et de machines à laver immergées pendant les essais.
- La tension U et l'intensité I sont mesurés après le pont de diodes. La puissance utile W (en W) est calculée (formule : P = U x I)
Puissance dissipée dans le pont de diodes : la chute de tension mesurée dans ce pont est de 1,74 V, ce qui entraîne une dissipation de puissance (DP) qui doit être ajoutée à la puissance mesurée (W) pour obtenir la puissance totale délivrée par la génératrice.
NOTA important : mon banc d'essais ne m'a pas permis de faire des mesures avec des puissances plus importantes !
Tableaux des valeurs relevées ou calculées
Courbes caractéristiques en fonction de la vitesse de rotation
Visuels de la tension
à 100 t/mn, à vide
entre phases
à 100 t/mn, à la sortie du pont de diodes
charge 14,2 ohms
Conclusions - commentaires
Les essais ont été réalisés avec un moteur neuf. On note le sérieux de la conception et de la réalisation du moteur qui est équipé de 2 joints à lèvre qui opposent une certaine résistance à la rotation (que l'on vérifie pour les petites puissances).
Deux points importants :
- le rendement de cette génératrice dépasse les 80% dès que la puissance est supérieure à 150 W.
- faibles vitesses de rotation (de l'ordre de 500 t/mn) pour délivrer une puissance supérieure à 500 W.
Le moteur est équipé d'une sonde CTN 10k à 25°, ce qui permettra de visualiser sa température interne (avec l'arduino !).
Valeurs caractéristiques de la génératrice DD27 :
vitesse de rotation 100 t/mn : sortie 14 Vac (entre phases) - 38,5 Hz
vitesse de rotation 130 t/mn : sortie 18,2 Vac (entre phases) - 50 Hz
Solutions envisageables pour utiliser au mieux cette énergie :
- éclairage LED, 2 de mes 3 modèles branchés entre phases, donnent toute leur puissance dès 250 t/mn (= 35 V AC).
- réchauffer de l'eau ou de l'air au moyen de résistances, si possible en tri-phasé, (l'utilisation d'une tension de l'ordre de 70 V permet de réduire la section des conducteurs).
- utiliser un abaisseur de tension après le pont de diodes pour délivrer du 12 V par exemple (certains modèles acceptent des tension d'entrée allant jusqu'à 90 V)
- utiliser un micro-onduleur après le pont de diodes et injecter le courant sur le réseau comme pour les panneaux photovoltaïques (solution non testée).
Pour en savoir plus sur les moteurs, alternateurs, génératrices.... voir ce site : http://energiein.e-monsite.com/pages/55-moteur-a-aimant-permanent.html