Christian Couderc

Cette page est un complément de la page L'énergie du bord

, mise à jour est simplifiée de mon ancien site Voilelec qui n’est plus maintenu.

Définition : L'alternateur est une machine tournante, conçue pour transformer une énergie mécanique (arbre en rotation) en énergie électrique alternative. Il a été inventé par le Belge Zenobe en 1878.
Le principe élémentaire : Un alternateur est un aimant tournant, le rotor, passant devant un bobinage fixe, le stator. L'alternance des changements de polarités magnétiques induit un courant alternatif par induction électromagnétique.
L'exemple le plus simple possible est la "dynamo " (terme impropre) de vélo. Un vieil article d'Elektor, traitant de la réalisation d'un régulateur rustique est à lire pour approfondir le principe de base de l'alternateur.

Les alternateurs utilisés sur le bateau sont évidemment des modèles automobiles, la marinisation consistant simplement à les peindre sommairement. La part des alternateurs marines est infime dans la production des équipementiers automobiles, il n'y a pas de gamme dédiée.

Le second est plus gros et fournit plus de puissance. Pour cela l'aimant permanent bipolaire est remplacé par des bobines croisées, produisant ainsi plusieurs cycles par tour. Autre avantage, ces bobines sont alimentées par un petit courant de polarisation (très inférieur à celui produit) qui permet de réguler facilement la puissance. L'alimentation du rotor se fait par deux bagues cuivre et balais frotteurs carbone. Il y a trois paires de bobines sur le stator, la sortie est en triphasé avant redressement.

Les balais, collecteurs et les paliers de roulement sont les éléments qui s'usent sur les alternateurs qui sans cela seraient éternels (hors corrosion). La maintenance consiste à vérifier ces points ainsi que l'usure et la tension de la courroie. Les paliers avec feutre demandent une goutte d'huile périodiquement. Le démontage est en principe assez facile. Il faut avoir en rechange balais et courroies pour le grand voyage et si possible un complet (casse automobile).

Oui et non… Par construction oui, mais le ventilateur impose un sens de rotation. Accessoirement l'usure et le jeu des charbons privilégient un sens, mais pour de courtes durées l'alternateur (monté sur l'arbre) peut tourner à l'envers.

Peut-on tirer plus de puissance d'un alternateur que celle indiqué par le constructeur ?

Absolument pas, le constructeur donne une vitesse limite au-delà de laquelle le rotor explosera et un courant maximum au-delà duquel il brûlera. Respecter avec prudence ces limitations.
Les régulateurs modernes comportent une régulation électronique et un redressement limitant tension et courant. Nous verrons toutefois que cette tension peut être manipulée pour compenser les pertes des répartiteurs à diodes.

Oui, mais pas simplement. Il faut éliminer le redressement et la régulation interne. Les trois bobines sont à alimenter par générateur triphasé de puissance piloté par un capteur de position sur le rotor. Cette adaptation est utilisée sur certains hydrogénérateurs hors-bord (voir chapitre). Les anciens dispositifs combinant générateur et démarreur (Dynastart) sont abandonnés depuis quelques dizaines d'années, mais ressortent sous forme plus moderne (Dynalto) dans les véhicules dotés de start and stop. Les dispositifs réversibles ont un grand avenir avec l'arrivée de l'automobile électrique pour récupérer de l'énergie au freinage.

L'alternateur moteur est installé d'origine par le constructeur du moteur. Il a généralement une grande durée de vie car il ne travaille pas aux limites. Le rapport de démultiplication des poulies fait tourner l'alternateur à son régime maximal au régime maximal du moteur. En utilisation normale, le moteur n'atteint jamais ces limites, le régime de croisière ne dépassant pas les 2/3 du maximum, ce qui correspond au meilleur point de la courbe du rendement. L'inconvénient est que l'alternateur est alors en sous régime, son rendement est moyen. Au ralenti la charge est très faible. Il n'y a pas de solution simple conservant le régulateur intégré pour améliorer ce montage. Dans la majorité des cas, le montage d'origine sera conservé.

Pour éliminer le problème précédent, un deuxième alternateur est rajouté sur un gros bateau. Ce sera souvent un modèle plus puissant que celui d'origine. Il est très intéressant de le faire tourner à sa vitesse nominale quand le moteur tourne en régime de croisière lent. Cela permet de charger très efficacement avec un bruit supportable. Cela pose évidemment un très gros problème, il est interdit d'accélérer sous peine d'explosion de l'alternateur. Il faut donc doter ce dispositif de sécurités de sur régime.

Les bons bricoleurs adaptent le système très intelligent des Mobylettes, basé sur un plateau à écartement variable. Suivant le régime, régulé par masselottes à action centrifuge, les plateaux s'écartent en diminuant le rayon de la poulie motrice. L'alternateur, monté sur bras oscillant, ramené par un puissant ressort, tournera ainsi toujours à sa vitesse optimale, du ralenti au régime maximum du moteur. Ce montage est absolument parfait mais demande une adaptation mécanique bien pensée.

Cet alternateur pouvant fournir de grosses puissances, de l'ordre du kilowatt (12 V* 100 ampères= 1.2 kW), il faudra particulièrement soigner la régulation et le contrôle thermique.

Certains bateaux de voyage utilisent une solution rustique. La poulie motrice est fixe, mais avec courroie débrayable par levier et excentrique, avec parfois deux poulies pour régime de ralenti et de croisière. Le skipper a la responsabilité de l'embrayage, c'est très simple et fiable mais ne tolère pas l'erreur humaine.

Cela ne semble pas intuitif, mais, l'hélice débrayée tournante équivaut à une surface freinante égale à l'aire balayée, alors qu'une hélice fixe ne présente que la surface des pales, soit une force de freinage très inférieure.

La marche arrière est embrayée. Il n'y a plus de bruit ni usure, mais évidemment aucune énergie récupérable.

Elle tourne en permanence. Le bruit, les vibrations et les usures sont importants. Certains réducteurs ne sont bien lubrifiés que s'ils sont entraînés par le moteur.

Si l'hélice est laissée libre, une énergie très importante peut être récupérée en ajoutant un alternateur attelé sur l'arbre. Cette solution est utile pour le voyage. Il faut toutefois soigner le montage. En aucun cas ne monter de poulie sur l'arbre d'hélice. La traction de la courroie cintrerait l'arbre et détruirait rapidement le palier d'étanchéité.
Il est impératif de monter le plateau sur l'inverseur, avant les silentblocs, au plus près du gros palier de sortie. Il n'y aura alors aucune contrainte sur l'arbre. Comme pour le cas précédent, le rapport des poulies sera choisi pour éviter le sur régime. Plateau de Mobylette et débrayage sont utiles, en marche moteur la vitesse de rotation de l'arbre sera beaucoup plus élevée que sous voiles. L'optimisation de la régulation ralentira beaucoup l'hélice pour tirer l'énergie maximum, le facteur de multiplication sera très élevé, l'arbre tournera à une centaine de tours par minute sous voiles et l'alternateur à quelques milliers !

Le problème est évidemment résolu en utilisant une hélice repliable, qui évite des problèmes de traînée.

C’est une excellente solution qui entraine l’hélice par un moteur électrique fonctionnant en alternateur sous voile.
Il commence à s’implanter en particulier sur les catamarans, il permet des manœuvres de ports spectaculaires, chaque moteur pouvant tourner dans un sens ou un autre à vitesse variable piloté par joystick.

Les hélices traînées constituent deux familles d'hydrogénérateurs très différentes, le montage style moteur hors-bord relevable et les hélices traînées par orin.

L'autre montage utilise un poisson, lourde hélice traînée par orin articulé de quelques dizaines de mètres pour sortir de la perturbation du sillage. C'est la solution classique et ancienne du grand voyage. L'alternateur est son boîtier de multiplication à pignons est solidement fixé par deux bouts nylon sur le balcon. Cette disposition réduit les vibrations. Cette solution présente toutefois divers inconvénients :
La longue ligne traînée interdit toute utilisation en côtière à proximité d'autres bateaux.
La mise à l'eau et remontée du poisson sont difficiles et ne peuvent se faire qu'en arrêtant totalement le bateau.
L'hélice traînée est une proie pour les grands prédateurs qui l'avalent. C'est une pièce très onéreuse et ce dernier inconvénient doit donner à réfléchir, beaucoup de grands voyageurs ont eu l'ensemble arraché et perdu.

Les adaptations d'une poulie sur arbre (sans hélice repliable !) sont délicates car il faut compenser la tension de la courroie sur l'arbre et les paliers et ne pas risquer de sur régime en marchant au moteur.
Amel est le seul constructeur à monter en standard un alternateur sur son système unique et original d'hélice à l'arrière de la quille. Le système est très éprouvé et efficace, il fournit 5 A en vitesse de croisière sous voiles.

Ces matériels sont beaucoup moins répandus que les aérogénérateurs d'un emploi plus simple. Je ne donnerai pas de marques ni d'avis détaillés sur ces produits, toutes les revues ayant fait des comparatifs. Il y a une grande dispersion des prix et de qualité.

Mise en place simple sur tableau droit par chaise coulissante. Les meilleurs sont réversibles, ils possèdent une électronique supplémentaire et peuvent permettre à un bateau léger sans moteur de parcourir les quelques centaines de mètres au ralenti pour rentrer au port sur une batterie de voiture. Ils se mettent en place et s'escamotent sans problème en route. La forme du tableau doit permettre de monter une chaise coulissante.
Leur inconvénient est de transmettre des vibrations à la coque.

Le montage d'alternateur entraîné par une embase genre moteur hors-bord s'avère bien plus pratique que l'hélice sur arbre trainé, bien que les vibrations soit importantes.
Les solutions commerciales (Sea Watt) sont optimisées.
Il ne fait pas espérer réussir un bricolage approximatif en couplant un alternateur avec boite accélératrice dans l'axe de l'hélice, les problèmes de fiabilité liés à l'étanchéité au niveau du joint à lèvres auront tôt fait de noyer l'alternateur.
Il ne reste donc que la solution du renvoi d'angle perpendiculaire pour placer l'alternateur et sa boîte multiplicatrice en zone sèche. Ce renvoi contient deux pignons perpendiculaires dans l'huile, qu'il sera difficile de rendre étanche.
L'hélice est très spécifique, sa modélisation n'est pas à la portée de l'amateur, aucune hélice hors-bord de propulsion ne peut convenir. La solution réaliste est d'acheter l'hélice commerciale spécifique d'un prix très élevé.
La partie sèche du multiplicateur et de l'alternateur ne posera pas de problème pour peu que l'on connaisse les caractéristiques de l'hélice. Pour chaque vitesse d'écoulement les courbes donnent le couple pour la vitesse d'arbre et permettent les calculs de boite et d'alternateur qui doit tourner à sa vitesse nominale de l'ordre de 3500 tours minute en charge.

Ne sous estimez pas les difficultés de cette réalisation réservée aux seuls bricoleurs très avertis.

Le but de ces pages est de donner un regard original des problèmes spécifiques à la voile et en aucun cas de reprendre ce qui a déjà été écrit sur d'autres supports.

Les aérogénérateurs sont aussi des alternateurs. Ils sont entraînés par pales aériennes et boîte à pignon accélératrice tout comme les précédents. Une page spéciale est dédiée à ce matériel.

Il y a 6 grosses diodes de puissance montées directement sur plaque radiateur.
Les 3 négatives, à anode commune, sont à la masse du corps métallique, le négatif étant transmis par les boulons de fixation au moteur.
Les 3 positives, à cathode commune, sont sur un bloc radiateur isolé, relié par un gros câble à sortie de puissance positive.
En interne, sur cette même borne, un fil part pour l'excitation qui sera régulée par un bloc électronique, un autre pour la référence. Il y aura deux fils d'entrée du bloc à identifier, le plus gros sert au courant d'excitation (quelques ampères), il ne faut pas y toucher.
Le petit est la régulation (quelques milliampères), il faut le séparer, il servira à créer la borne de référence.

Créez la nouvelle borne et remontez tout, en installant provisoirement un petit strap entre la référence et la puissance. Tout doit remarcher comme avant avec le répartiteur à diodes.
Maintenant il faut tester la borne, il serait préférable de faire le test suivant avec la batterie servitude un peu déchargée.
Enlevez le strap et reliez la borne servitude à une alimentation de laboratoire réglable entre 10 et 16 volts, 2 ampères.
Moteur arrêté, alimentez la borne en débutant à 16 volts, vérifiez que le courant est très inférieur à un ampère !
Attention ne faites jamais le montage avec des fils volants et pinces crocodiles qui lâcheront inévitablement avec les vibrations.

Démarrez le moteur, puis réglez au régime de croisière une fois chaud, le courant de charge sera nul, la référence voyant une batterie surchargée.
Descendez doucement la tension sur l'alimentation en notant le courant de charge en fonction de la tension. Il augmentera constamment, si une batterie est vide, vous atteindrez le maximum de l'alternateur (par exemple 80 ampères) vers 11 volts, n'insistez pas, l'alternateur n'est pas prévu pour tenir longtemps à cette puissance.
Arrêter le moteur puis l'alimentation. Vous pouvez maintenant câbler définitivement.

Il faut tester sur votre alternateur qu'il n'y a pas de fuite sur l'excitation. C'est très simple, moteur arrêté ouvrez le circuit positif batterie vers borne d'excitation et intercaler un milliampèremètre ou une ampoule 12 V de très faible puissance.
Seulement si le courant de fuite à vide est significatif (plus de 10 mA), il faut impérativement isoler la ligne hors charge quand le moteur est coupé. Cela se fait avec un simple relais automobile, bobine alimentée sur le contact moteur. Cette manipulation est dangereuse en cas de panne, il ne faut pas jamais laisser l'excitation en l'air en rotation.

Il existe des systèmes commerciaux plus élaborés, comportant une électronique fournissant la référence au régulateur. Voir les liens "battery combiner "

Lorsque l'on rajoute un alternateur supplémentaire sur un moteur, il n'est évidemment pas possible de câbler l'excitation sur celui existant, cela empêcherait la régulation. Ce deuxième alternateur doit passer par un régulateur séparé intelligent.
Reste le problème du contact d'excitation. Il ne faut surtout pas mettre un deuxième contact par clef ou interrupteur, les erreurs et oublis seraient trop fréquents. La seule bonne solution est de monter un relais temporisé qui n'enclenche l'alternateur que lorsque le moteur est lancé, c'est-à-dire quelques dizaines de secondes, contact mis et démarreur coupé. Cela laisse le temps au moteur de se lancer avec un couple freinage minimum, en effet l'alternateur au démarrage présence une résistance mécanique considérable.
Il ne faut enclencher les alternateurs qu'une fois le moteur lancé, c'est trop aléatoire en le faisant à la main, il faut automatiser l'enclenchement.
Tant que vous y êtes, temporisez aussi l'alternateur d'origine, cela pourra vous sauver le démarrage batterie à plat s'il y a eu un retour d'eau par les échappements. Dans ce cas, il faut décaler les deux enclenchements d'excitation, avec un retard d'une minute sur celui d'origine et d'une vingtaine de secondes supplémentaires sur le deuxième. Vous sentirez le ralentissement moteur aux enclenchements car la puissance absorbée par un alternateur est de l'ordre des 10 % de la puissance moteur.

Ne bricolez pas avec le relais temporisé, il faut du rustique et très fiable, une électronique improvisée est exclue. Cela se trouve sur les catalogues US, mais avec seulement un fil de commande à prendre sur le contact, sans prise en compte du démarreur. C'est ennuyeux si le moteur ne démarre pas au premier coup, il faut penser à recouper le contact entre les tentatives.

Si vous préférez bricoler une électronique maison, c'est possible, mais il ne faut pas commander des relais. Cette électronique (simples temporisateurs et comparateurs !) commande des leds à disposer sous les interrupteurs des interrupteurs d'excitation indiquant dans quel sens le bouton doit être positionné, avec un buzzer signalant une anomalie.
Avec l'habitude cela évite toute erreur et cela s'avère une très bonne solution.

Certains grimoires confus parlent d'une diode magique à insérer dans l'arrivée régulation pour compenser la perte du répartiteur. Vous trouvez aussi cette diode dans les répartiteurs médiocres. Il s'agit d'une petite diode montée comme les autres de puissance en anode commune, la cathode étant branchée sur l'entrée régulation.
Ce montage est astucieux car il remonte la tension du régulateur d'un seuil de diode. Il est très simple, économique et présente l'avantage de compenser la perte due à l'élévation de température des diodes de puissance, la diode supplémentaire étant couplée thermiquement. Plus le bloc s'échauffe, plus la chute des diodes augmente, (de 0.6 V à parfois 2 V pour des bas de gamme sous dimensionnées).
Si toutes les batteries en charge sont identiques et au même état de charge initial, cela marche parfaitement bien. Si le parc est déséquilibré, nous retrouvons le problème évoqué, la charge se régule sur la plus chargée (celle moteur), la servitude n'est donc jamais chargée à bloc.
Il faut donc oublier cette diode inutile et reprendre le branchement précédent. Il s'agit d'une petite diode, le courant d'excitation n'étant que de quelques pour-cent du courant maximum de sortie.

C'est bien gentil tout ce que me dit ce monsieur, mais mon électricien, qui pourtant n'est pas un imbécile (cela se voit sur le montant de ces honoraires), me dit qu'il ne s'en est jamais occupé de ces conneries et que personne ne s'en est jamais plaint.
Je veux donc vérifier moi-même personnellement ! Voici donc le moyen de le tester si vous n'avez pas d'alimentation de laboratoire comme décrit au chapitre manipulation pratique. Il faut tester avec la batterie servitude à plat et la batterie moteur bien chargée.
Reliez provisoirement la borne régulation à un fil, l'autre extrémité étant branchée par pince sur le positif batterie moteur.
Démarrez, stabilisez le régime, la charge est nulle. Déplacez rapidement la pince sur le positif servitude, l'ampèremètre partira à fond.
Convaincu maintenant ? Faites voir cela à votre électricien, vous lirez une insondable perplexité au fond de ses yeux, mais il continuera à monter comme avant, comme le faisait son grand-père du temps des machines à vapeur…

Répartiteur à diode sans compensation, sur l'alternateur borne de régulation branchée sur la sortie. Solution déplorable, les batteries ne seront jamais chargées à bloc.

Monter une diode de compensation (couplée thermiquement à celles de puissance) vers la régulation. Solution médiocre, la charge se régule sur la plus chargée (moteur).

Tirer la régulation sur la batterie la plus sollicitée. Solution idéale sans aucun risque pour le parc, équilibrage des charges. Le courant baisse au fur et à mesure quand une batterie se charge.

L'alternateur basique d'origine est conçu pour les anciennes batteries automobiles ordinaires (antimoine) à basse tension.

En passant à des technologies de batteries plus modernes, la tension de service monte sensiblement, si l'on ne change rien, la batterie ne sera jamais chargée à sa valeur de service, et sa capacité semblera très faible. Il faut absolument corriger cela.
Si l'installation comporte plusieurs batteries de technologies différentes et un seul alternateur, ce n'est pas simple.
Il faut passer sur des régulateurs plus évolués qui se substituent à celui très basique de l'alternateur de première monte.
Une recherche sur le Net "alternator regulator" vous amènera chez les gros constructeurs américains qui ont les produits adaptés au catalogue, en particulier "Xantrex".

Pour un petit bateau avec une seule technologie de batteries, des diodes de compensation montées en série comme évoquée au dessus remonteront à coût minimal la tension de régulation. Ce n'est qu'un bricolage, une solution évoluée est préférable, car les nouvelles technologies de régulation sont plus efficaces que les montages basiques.

Dés qu'un alternateur est dans sa plage de vitesse, bien refroidi, il pourrait délivrer la puissance maximum annoncée sur sa plaque. Cette plage est normalement calée par le fabricant du moteur, en jouant sur le rapport de poulies, entre le régime nominal et les ¾, soit la vitesse de croisière moyenne.
Il suffit de faire varier la puissance d'excitation pour passer du zéro au maximum.
Le régulateur interne se cale sur la tension de sa borne de référence pour ajuster le courant suivant une courbe de batterie standard, dont la capacité prise comme référence correspond au courant maximum de l'alternateur pour une charge en un peu plus d'une heure.
Il sait détecter un passage au maximum de tension pour réduire le courant, à la seule condition que rien ne consomme pendant la charge, c'est bien là le problème insoluble !

Cas d'utilisation de répartiteurs, soit de sources de charge, soit de batteries.

évidemment si plusieurs batteries sont chargées avec diodes en étoile avec strap entre référence et sortie, la plus chargée bloquera la charge de toute les autres. C'est une très mauvaise solution.

Les dispositifs à plusieurs entrée sources sont de deux types. Soit toutes les bornes sont strappées en interne, c'est la version " trompe couillon ", soit elles contiennent des diodes (cathode commune si sources) de qualité très diverses, pour éviter les retours des dispositifs non protégés.

Les dispositifs basculant la charge en fonction du temps sont totalement inadaptés car incapables de tenir compte de l'état du parc.

Il est absolument indispensable pour contrôler le fonctionnement de l'alternateur. Il y a toutefois un problème, les modèles montés sont souvent des bas de gammes automobile à zéro central et shunt incorporé. C'est absurde car le contrôle de charge soit des trouver en sortie puissance, le courant sera toujours dans le même sens, donc la seule partie droite sera exploitable avec un très faible écart angulaire donc très imprécis. Il est bien préférable d'utiliser un shunt et de lire le courant en mesurant la perte après étalonnage. Le câble d'origine qui part vers le répartiteur à diodes convient parfaitement, il suffit de souder deux petits fils sur les cosses que vous ramènerez au tableau. Un millivoltmètre (prix une dizaine d'euros) sera réglé par une résistance série pour afficher directement le courant en ampères.
J'utilise un 2000 points, qui affiche donc de 0 à 1999. Le point est calé sur le premier digit ce qui permet de lire 199.9 A pour 200 mV aux bornes. Un alternateur classique ne montera jamais à 100 A, en régime de croisière la charge tournera à quelques dizaines d'ampères seulement.

Toutes les sources de charge auxiliaires (panneaux solaires, aérogénérateurs, chargeur de quai…, arriveront sur la borne alternateur pour pouvoir comptabiliser toutes les sources simultanées.
Il vaut penser à vérifier chaque source qui ne doit pas présenter un courant de fuite trop important hors service. Ce courant parasite provoquerait une perte d'énergie.
Certains mauvais chargeurs fuient beaucoup hors alimentation, il faudra donc câbler un relais supplémentaire sur l'arrivée secteur pour couper la sortie positive si débranché.
La vérification est simple. Branchez le chargeur sur une batterie sans l'alimenter, avec un milliampèremètre en série.
Si la fuite est acceptable (quelques milliampères), ne modifiez rien.
Si la fuite est importante, un relais alimenté secteur indispensable.

Il est évident que cela existe commercialement, c'est l'irremplaçable ampèremètre heure décrit en page énergie, mais il ne mesure que le courant global sur une batterie. Les maniaques rajoutent des instruments pour tout tester individuellement.

La solution minimaliste d’un seul alternateur avec répartiteur à diodes basiques pour charger une batterie de démarrage classique et une batterie servitude de technologie très différente est évidemment un mauvais compromis, mais c’est le moins cher possible.
Cela fonctionne à peu près et satisfait le plaisancier moyen.
La batterie moteur se décharge peu en navigation car elle n’est sollicitée que rarement par un petit coup de démarreur.
La batterie servitude souffre beaucoup plus sous voiles et demande toujours de la charge s’il n’y a pas de panneaux solaires.
Il y a donc une alternative offrant deux mauvaises solutions.

Soit le régulateur est calé en tension basse, la batterie moteur sera normalement chargée, mais l’alternateur ne fournira que très peu d’énergie car le seuil de la batterie servitude étant très supérieur, elle ne pourra jamais être bien chargée

Soit le régulateur est calé en tension haute, la batterie servitude sera normalement chargée, l’alternateur fournira un maximum d’énergie, mais la batterie moteur sera en surcharge permanente, chauffera, perdra de l’eau et se dégradera vite.
A vous de choisir…

Pour un puriste, ce n’est pas acceptable, il faudra mettre en place de meilleures solutions, par exemple :

En gardant l’unique alternateur d’origine et en remplaçant les médiocres régulateur et pont de diodes par un régulateur évolué à découpage, avec double sortie pour des technologies de batteries différentes.

En montant un deuxième alternateur, le petit pour la batterie moteur, le gros pour la servitude.

Il est souhaitable d’avoir une réflexion globale car le même problème se pose pour les autres énergies, en particulier pour le solaire qui demande un régulateur à découpage par technologies de batteries.

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Dernière retouche le 27 Juin 2019 à 13 h