générateur électrique

Tout système capable de fournir de l’énergie électrique à un circuit.

Les générateurs ne sont pas des sources d’énergie. Ils ne font que restituer sous forme électrique une partie de l’énergie qu’on leur a fournie sous une autre forme.

Les générateurs les plus importants par les puissances mises en jeu sont les générateurs électromécaniques. Ce sont des machines tournantes utilisées pour transformer l’énergie mécanique en énergie électrique. Ces machines sont, pour la plupart, réversibles et peuvent également fonctionner en moteurs. Les générateurs électromécaniques à courant alternatif, appelés alternateurs*, sont de loin les plus utilisés.

Dans certaines applications (électrochimie, équipements embarqués, etc.), il est utile de disposer de courant continu. On a alors le choix entre plusieurs solutions :
— le redressement du courant alternatif à l’aide de dispositifs à semi-conducteurs* ;
— l’utilisation de générateurs électromécaniques à courant continu, appelés souvent dynamos ou génératrices ;
— l’utilisation d’autres catégories de générateurs : électrochimiques (piles* et accumulateurs*), thermo-électriques (piles thermo-électriques*, convertisseurs thermo-électroniques), opto-électriques (photopiles), générateurs magnétohydrodynamiques*.

Historiquement, les dynamos ont été les premières machines électriques industrielles. Elles occupent aujourd’hui encore une très grande place.

Les dynamos génératrices

Constitution

Les organes électriques d’une dynamo sont l’inducteur, le collecteur, l’enroulement d’induit.

• L’inducteur est un aimant ou, plus généralement, un électro-aimant dont la partie fixe (stator), en acier doux, constitue l’enveloppe extérieure de la machine. À l’intérieur du stator sont vissées une ou plusieurs paires de noyaux polaires portant l’enroulement inducteur. Dans l’espace intérieur cylindrique laissé libre par les noyaux polaires se trouve une armature en fer feuilleté clavetée sur l’arbre de la machine : c’est le rotor. Un entrefer de quelques millimètres permet au rotor de tourner librement autour de son axe (fig. 1).

• Le collecteur est un cylindre solidaire du rotor et placé à l’une de ses extrémités. Il est constitué de lames de cuivre en forme de coin isolées les unes des autres par des feuilles de mica (fig. 2). Deux balais fixes, souvent diamétralement opposés, s’appuient sur le collecteur. Ce sont deux pièces conductrices faites d’un matériau tendre (carbone aggloméré). Elles constituent les bornes principales de la machine (fig. 3).

• L’enroulement d’induit, aujourd’hui réalisé « en tambour », est constitué de conducteurs actifs placés dans des encoches tracées suivant les génératrices du rotor. Ces conducteurs sont reliés entre eux selon certaines règles, soit du côté de l’armature d’induit opposée au collecteur (face arrière de la machine, notée F. AR.), soit du côté collecteur (face avant, notée F. AV.), en passant éventuellement par une lame du collecteur.

À titre d’exemple, considérons un enroulement schématique fait de 12 conducteurs placés dans 12 encoches distinctes avec 6 lames au collecteur, destiné à une machine bipolaire (fig. 4).
a) L’enroulement actif d’une dynamo est fermé sur lui-même. En effet, suivons le brin actif 1 : il est réuni au brin 8 sur la face arrière (8 F. AR.). Continuant ainsi, on passe à la face avant (8 F. AV.), puis, par la lame II du collecteur, à 3 F. AV., puis à 3 F. AR., 10 F. AR., 10 F. AV., 5 F. AV. par la lame III du collecteur, 5 F. AR., 12 F. AR., 12 F. AV. et ainsi de suite pour revenir enfin à 1 F. AV. après avoir touché toutes les lames du collecteur et suivi tous les brins actifs.
b) L’enroulement actif se divise en deux voies identiques réunies en parallèle par deux lames diamétralement opposées du collecteur. Partant d’une lame du collecteur (I par exemple), on peut rejoindre la lame opposée (ici IV) par deux voies différentes : (1, 8, 3, 10, 5, 12), d’une part, et (6, 11, 4, 9, 2, 7), d’autre part.

Dans une machine réelle, les encoches telles que 1 et 8 contiennent chacune les côtés d’une bobine appelée section, et le nombre des conducteurs actifs est ainsi beaucoup plus élevé. De même, le nombre des encoches et des lames du collecteur est beaucoup plus grand que dans l’exemple schématique donné ci-dessus (fig. 5).

Dans les machines contenant plus d’une paire de pôles, l’organisation de l’enroulement est semblable, mais les conducteurs actifs reliés entre eux ne sont plus diamétralement opposés. Leur écart reste voisin d’un « pas polaire » (angle dont il faut tourner autour de l’axe pour se retrouver dans la même position sous le pôle suivant).

On a alors la possibilité de réaliser un enroulement à 2 voies (enroulement série) ou à 2a voies (enroulement parallèle).

Principe de fonctionnement

Supposons l’induit entraîné dans le sens des aiguilles d’une montre. Chaque brin actif coupe à tout instant du flux d’induction. Il est donc le siège d’une force électromotrice, sauf pendant le temps très bref durant lequel il passe d’un pôle sous l’autre. À tout instant, tous les conducteurs situés sous un même pôle ont des f. e. m. de même sens. À l’instant représenté à la figure 7, les brins 1, 2, 3, 4, 5, 6 sont des générateurs dont le pôle positif est situé sur la F. AV., tandis que les brins 7, 8, 9, 10, 11, 12 ont leur pôle positif sur la F. AR. Nous constatons alors que le mode de connexion des brins actifs est tel que les six générateurs élémentaires rencontrés sur chacune des deux voies d’enroulement se trouvent en série, et les deux voies débitent donc en parallèle dans le circuit récepteur par les balais, qui sont ainsi en contact avec les lames I et IV du collecteur (fig. 8). La situation représentée ici se reproduit lors de la rotation de l’induit, et, étant donné le grand nombre de lames et d’encoches qui existe sur une machine réelle, on peut considérer que la tension apparaissant entre les balais est constante au cours du temps.