Électricité
Dynamos et alternateurs

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Théorie et histoire  

La théorie et l'histoire de ces appareils sont extrêmement liées, c'est pourquoi nous les aborderons ensemble.

D'abord, une phrase qui va bouleverser quelques certitudes : à la base, une dynamo produit du courant alternatif !
Ce n'est qu'à force d'améliorations et d'artifices qu'on est parvenu à lui faire produire du courant continu tout simplement parce qu'on n'était pas capable, à l'époque, de redresser du courant alternatif pour en faire du courant continu.

Un peu d'histoire est bénéfique pour bien comprendre son fonctionnement.

La dynamo est basée sur le principe de Faraday (savant physicien et chimiste anglais 1771-1867) : un courant circule dans une spire de fil conducteur dès qu'elle est en mouvement dans un champ magnétique (principe simplifié).

Les premières expériences ont été menées par Clarke, puis la technologie a été développée par Zénobe Gramme qui présenta la première vraie dynamo industrielle en 1873 lors de l'Exposition Universelle.

Expérience n°1 : Plaçons une spire de fil électrique dans un champ magnétique et faisons-la tourner autour de son axe ; le courant mesuré aux bornes de la spire varie selon une sinusoïde. Il est maximum lorsque la spire est perpendiculaire au champ magnétique et nul lorsque la spire est dans son plan.

Expérience n°2 : C'est le premier artifice pour avoir du courant de sens constant (redressé). Il suffit de le recueillir en changeant de borne de spire tous les demi-tours. Pour cela, il suffit de créer un collecteur, de relier chacune des deux bornes à une demi-coquille et de recueillir le courant sur des balais fixes.

Expérience n°3 : Deuxième artifice pour avoir un courant plus stable. Il suffit de multiplier le nombre de spires et de morceler le collecteur de la même manière que précédemment. On imagine bien que plus le nombre de spires sera grand, plus on surfera sur le haut des sinusoïdes et plus le courant sera stable.

Toutefois, cette dynamo n'est pas satisfaisante car elle a un rendement médiocre...

On va donc encore l'améliorer pour augmenter la quantité de courant collecté en 

• récupérant le courant parcouru par toutes les spires à la fois et pas seulement par celle qui est perpendiculaire au champs magnétique ; on va donc relier les spires entre elles et augmenter le nombre de lamelles sur le collecteur ;
• augmentant le nombre d'enroulement de chaque spire ;
• augmentant l'intensité du champ magnétique en remplaçant l'aimant de l'expérience n°1 par un électro-aimant (inducteur).

D'autres améliorations ont été apportées, notamment la régulation du champ magnétique de l'inducteur en fonction du besoin de charge (dynamo à 3 balais, dynamo compound, dynamo anticompound).

Enfin, la solution finale conduisant aux dynamos modernes de nos autos anciennes a été de simplifier la dynamo elle-même en ne disposant que deux balais et en ne régulant plus l'induction ; par contre, on a ajouté le conjoncteur-disjoncteur, puis le régulateur de tension et enfin le régulateur de tension et de courant.

Et, lorsque dans les années 1960, les semi-conducteurs sont devenus industriellement fiables et ont permis d'obtenir des redresseurs de courant, la simplification ultime fut de revenir à la machine de base, l'alternateur !

Pour la petite histoire, c'est tout à fait par hasard que l'ingénieur Fontaine découvrit que cette machine était réversible ; c'est à dire qu'elle tournait lorsqu'on lui fournissait du courant ! Il venait d'inventer le moteur électrique.

On va d'abord examiner la dynamo moderne avant d'aborder la dynamo à trois balais qui est un peu plus complexe ; cette approche n'est pas historique mais plus logique sur le plan de la compréhension.

Principes généraux de la dynamo  

Pour faire une dynamo, il faut un champ magnétique et des spires de fil qui tournent dans ce champ ; le tout devant être performant et avoir un rendement optimal.

Le champ magnétique va être produit par des électro-aimants qui formeront l'inducteur. Il s'agit d'une couronne cylindrique en acier sur laquelle sont fixés des noyaux terminés par des épanouissements polaires en acier feuilleté afin de réduire au maximum les courants de Foucault produits par la pulsation du flux électrique et portant des bobines parcourues par le courant d'excitation.

L'induit (la partie centrale rotative) est constitué d'un axe et d'un empilement de tôles (là encore pour réduire les courants de Foucault) et portant dans ses encoches un ensemble de bobinages dans lequel le courant va se créer.

Le courant créé est recueilli sur un collecteur constitué de lames de cuivre isolées entre-elles et sur lesquelles sont soudées les extrémités des bobinages de l'induit.

Enfin, les balais en charbon frottent sur le collecteur et transmettent le courant produit via des fils électriques.

L'inducteur forme la carcasse extérieure et la machine est complétée par deux joues avec des paliers qui supportent l'axe de l'induit. Le palier avant, côté poulie, étant soumis à des efforts importants est constitué d'un roulement et le palier arrière est souvent réduit à une bague en bronze autolubrifiant (économiue oblige...).

L'ensemble est parfois complété du régulateur de tension qui peut être intégré à la dynamo.

L'induit

La force électromotrice induite par la rotation de l'induit dans le champ magnétique créé par l'inducteur se quantifie par la formule :
U_V = 10^-8.p.N.n.Φ/a
où :

• U est la fem produite en V
• p est le nombre de paires de pôles de l'inducteur
• N est le nombre de conducteurs périphériques de l'induit
• n est la vitesse de rotation de l'induit en tr/s
• Φ est le flux par pôle en Maxwell
• a est le nombre de paires de voies d'enroulement en parallèle

Ce schéma montre comment le courant généré est collecté par les balais via les lames du collecteur. Il y a entre les deux balais deux circuits en parallèle ou voies d'enroulement (notons que pour ne pas alourdir le schéma, chaque conducteur n'est représenté que par une seule spire, ce qui n'est évidemment pas le cas dans la réalité) :

• balai (-), conducteurs 17 4 19 6 21 8 23 10 1 12 3 14, balai (+)
• balai (-), conducteurs 2 15 24 13 22 11 20 9 18 7 16 5, balai (+)

Ce schéma n'est qu'un exemple. Les dynamos n'ont pas toutes 12 lames sur leur collecteur ; il peut y en avoir plus et donc le nombre de conducteurs varie en conséquence.

À titre d'exemple pour la bonne compréhension, supposons que chaque conducteur génère une fem de 1 V.
Ainsi, en partant du balai (-) en contact avec la lame I du collecteur, le courant parcourt le conducteur 17 qui traverse le champ magnétique où la fem croît de 1 V puis le conducteur 4 qui revient à la lame J au potentiel de 2 V et ainsi de suite jusqu'à la lame C qui est alors au potentiel de 12 V. Ceci est vrai autant pour la première voie que pour la seconde.

L'induit peut être constitué de différents types d'enroulements (imbriqués ou ondulés série).

L'inducteur

L'inducteur est fixe et composé d'un nombre paire d'électro-aimants alternant la création de pôles Nord et Sud.

Les inducteurs bipolaires sont réservés aux petites puissances (80 à 100 W). Les automobiles de tourisme étaient équipées de dynamos à quatre pôles (100 à 180 W) et les poids lourds avaient droit aux dynamos à six pôles (200 W et plus).
à noter que pour des raisons d'encombrement, certaines dynamos n'avaient qu'un pôle bobiné sur deux.

L'excitation de la dynamo (mode de branchement de l'inducteur) est en général du type shunt, c'est à dire que l'inducteur est branché en parallèle avec les bornes de la dynamo et c'est là qu'intervient le régulateur de tension.

Les balais

La dynamo à deux pôles possède deux balais disposés à 180 degrés l'un de l'autre.

Dès que la dynamo possède plus de deux pôles, il y a lieu de les distinguer selon le mode d'enroulement de l'induit.

Dans le cas des enroulements imbriqués, la dynamo à quatre pôles possède quatre balais positionnés à 90 degrés et reliés deux par deux. La dynamo à six pôles possède six balais disposés à 60 degrés et réunis trois par trois.

Dans le cas des enroulements ondulés série (le cas le plus fréquent dans le domaine automobile), on peut se contenter de deux balais (par exemple placés à 90 degrés pour une dynamo à quatre pôles). Mais, afin de diminuer l'intensité parcourant le contact balai-collecteur, on peut augmenter le nombre de balais. Par exemple, dans le cas d'une dynamo à quatre pôles, on peut placer quatre balais réunis diamétralement. Pour une dynamo à six pôles, on peut placer quatre balais reliés deux à deux et situés à 120 degrés ou encore six balais reliés trois à trois et situés également à 120 degrés.

Caractéristiques techniques de la dynamo  

La grande majorité des dynamos utilisées sur les anciennes automobiles est à deux ou quatre pôles. Sur les voitures de tourisme, leur diamètre extérieur est généralement de 115 mm.

À titre d'information, nous allons détailler ici les caractéristiques de deux dynamos couramment utilisées sur les automobiles françaises ; en cas de besoin, il faudra, pour chaque cas particulier, essayer de retrouver les caractéristiques de la dynamo concernée soit sur Internet, soit dans des documents d'époque...

Dynamo Paris-Rhône 6 V à deux pôles

Tension	6 V
Intensité maxi	30 A
Inducteur	2 bobines de 230 spires de section 0,9 mm2 Résistance de 3,9 Ω à 20°C
Induit	28 sections de 4 spires de section 1,5 mm2 Résistance entre balais de 0,1 Ω à 20°C 14 encoches à l'intérieur de chacune desquelles se trouvent 4 demi-sections de 4 conducteurs, soit 16 conducteurs et donc 224 au total 28 lames sur le collecteur

NB : le même modèle (à deux pôles) existe en 12 V. Dans ce cas, l'induit comporte 7 spires par section au lieu de 4. Chaque encoche comporte donc 28 conducteurs de section 1,1 mm.

Dynamo Paris-Rhône 12 V à quatre pôles

Tension	12 V
Intensité maxi	12 A
Inducteur	4 bobines de 150 spires de section 0,8 mm2 Résistance de 4,6 Ω à 20°C
Induit	51 sections de 4 spires de section 1 mm2 Résistance entre balais de 0,25 Ω à 20°C 17 encoches à l'intérieur de chacune desquelles se trouvent 6 demi-sections de 4 conducteurs, soit 24 conducteurs et donc 308 au total 51 lames sur le collecteur Enroulement ondulé série

Dynamo à trois balais  

La dynamo à trois balais est la plus ancienne forme utilisée pour les automobiles puisqu'elle les équipat depuis les années 1910 jusqu'aux années 1940. C'est aussi la plus complexe car elle obéit au grand principe Shadok « Pourquoi faire simple quand on peut faire compliqué ? »

L'idée de base, mise en application par A-M. Iglésis, était qu'il était nécessaire de faire varier le flux présent dans l'inducteur de façon inversement proportionnelle à la vitesse de rotation de la dynamo pour que la fem produite soit constante. Un joli défi !

L'introduction d'un troisième balai permet de brancher l'inducteur entre deux points du collecteur dont la différence de potentiel baisse lorsque la vitesse augmente. La théorie de fonctionnement d'une telle dynamo est expliquée dans l'encadré ci-dessous ; il n'est pas absolument nécessaire de la connaître, mais cela ne peut pas nuire...

Réglage du troisième balai

Compte tenu de ce qui a été expliqué dans l'encadré, si on rapproche le troisième balai du balai principal qui lui fait suite dans le sens de rotation, on augmente la valeur du courant d'induction et vice versa. On agit donc ainsi sur le courant généré par la dynamo. Il y a des butées limite pour ce réglage afin de ne pas aller trop haut et endommager la dynamo.

Changement de sens de rotation

Il arrive qu'on ait besoin de changer le sens de rotation d'une dynamo à trois balais par exemple quand on veut adapter une dynamo à un autre véhicule. Certains modèles avaient la possibilité de faire complètement tourner le troisième balai pour le déplacer ; on doit en plus croiser les connexions de l'inducteur puisqu'il faut garder la polarité du troisième balai.

Dans la pratique, on procédera de la façon suivante.

Dynamo bipolaire

Prenons le cas d'une dynamo qui tourne dans le sens horaire (position 1 sur le schéma ci-dessous), modifier les connexions et le calage du troisième balai (position 2 du schéma), la brancher sur une batterie, le balai plus au plus et le balai moins au moins pour la faire tourner comme un moteur. Ceci aura pour effet de changer le sens du magnétisme rémanent.

La dynamo est alors prête à tourner en génératrice de courant.

La position 3 du schéma est possible si, pour des raisons d'encombrement, il est plus facile de placer le troisième balai de l'autre côté du balai positif. Mais attention, dans ce cas, il devient négatif et il est nécessaire d'isoler le coupe-circuit fusible car c'est souvent par son intermédiaire que l'inducteur est relié à la masse.

Pour une dynamo qui tourne en sens inverse, la procédure est la même comme le montre le schéma ci-dessous.

Dynamo quadripolaire

Pour une dynamo quadripolaire, la procédure reste la même comme le montre le schéma ci-dessous pour les quatre cas envisagés.

Nota : Dynamos compound et anticompound

Pour les dynamos compound et anticompound (cf. ci-dessous), la procédure reste encore la même mais il faut en plus inverser les connexions de l'excitateur série.

Fusible d'inducteur

L'enroulement de l'inducteur est protégé par un fusible ; il est prévu pour fondre lorsque le courant d'excitation dépasse de 15% sa valeur maximum (c'est à dire sa valeur lorsque la batterie est entièrement chargée). Le courant peut en effet dépasser cette valeur en cas d'incident lié à la rupture du circuit de charge. La fem produite lors de la conjonction (c'est à dire lorsque le conjoncteur entre en action) est d'environ 12 V à environ 900 tr/mn ; à 4000 tr/mn, elle peut monter à 80 V pour une dynamo 12 V et 40 V pour une dynamo 6 V. Dans ce cas, sans fusible, l'inducteur brûle...

De même il est évidemment proscrit de débrancher la batterie d'un véhicule équipé d'une dynamo à trois balais lorsque le moteur tourne sous peine de la détruire.

Cette dynamo ne donc être utilisée que branchée sur la batterie. Le même risque existe en cas d'interruption accidentelle du circuit dynamo-batterie due par exemple à une mauvaise mise à la masse de la batterie par oxydation des cosses. Dans ce cas, la tension augmente, commence à griller les appareis en service un à un en commençant souvent par le filament des ampoules puis la dynamo elle-même.

Si la batterie doit être débranchée alors que le moteur tourne, il faut absolument débrancher la dynamo ou enlever sa courroie.

Intensité du courant produit

Au moment de la conjonction, le courant est nul, puis il croît régulièrement avec la vitesse de rotation jusqu'à atteindre sa valeur maximum (8 à 9 A pour une dynamo 12 V et 16 à 18 A pour une dynamo 6 V) pour une vitesse d'environ 2000 tr/mn. Ensuite, il décroît plus la vitesse augmente.

Dynamo à deux débits

Certains constructeurs ont imaginé une dynamo à deux débits en ajoutant en série avec l'inducteur, une résistance qu'on peut shunter grâce à un interrupteur. En court-circuitant la résistance, on augmente le débit de la dynamo. cela impose évidemment une contrainte pour le conducteur qui doit surveiller l'état de charge de la batterie et adapter la position de l'interrupteur au besoin de charge. L'idéal serait de rendre cet interrupteur solidaire de celui des phares. Il a existé une commande automatique de cet interrupteur.

Inconvénients de la dynamo à trois balais

L'un des inconvénients principaux est cette baisse de courant à vitesse élevée, ce qui n'est guère favorable à une bonne charge de la batterie sur des trajets longs et à vitesse soutenue. La dynamo à trois balais fonctionne donc mieux en ville que sur route...

Le deuxième inconvénient majeur est que la batterie imposant sa tension à la dynamo, le courant d'excitation dépend donc de l'état de charge de la batterie. Ainsi, plus la batterie sera déchargée et moins la dynamo la chargera ! Ce n'est évidemment pas l'effet recherché.

Ce défaut a été plus ou moins compensé par les dynamos compound et anticompound, mais il ne sera réellement compensé qu'avec la dynamo à régulateur de tension.

Dynamo compound

La dynamo compound comporte en plus du circuit inducteur shunt qu'on vient de voir, un circuit inducteur série à travers lequel passe tout le courant absorbé par le véhicule. Ceci permet de faire croître le courant d'excitation avec la consommation de courant. Il faut se rappeler qu'à l'époque ce sont les projecteurs allumés de nuit qui sont les plus gros consommateurs et qui déchargent la batterie. Les bobines d'induction sont calculées afin que de jour (sans les phares), le courant de charge ne soit pas trop élevé pour ne pas endommager la batterie et que de nuit (phares allumés), la batterie continue à se charger alors qu'elle se déchargerait avec une dynamo normale.

L'inconvénient d'un tel montage est que s'il venait à l'idée du conducteur d'installer des phares additionnels, il augmenterait le courant consommé et donc le courant de charge avec le grand risque de détruire la dynamo...

Dynamo anticompound

La dynamo anticompound ressemble à la dynamo compound mais, son inducteur shunt est renforcé et son inducteur série est enroulé en sens inverse et utilisé différemment.

Tout le courant de charge passe dans les inducteurs série et l'induction ainsi produite vient en diminution de celle produite par l'inducteur shunt. Lorsqu'aucun élément consommateur n'est branché (à l'exception de la bobine d'allumage), le courant de charge est élevé et réduit fortement le flux d'induction résultant, diminuant le courant produit. Plus il y aura de consommation de courant sur le véhicule, moins le courant de charge sera élevé et moins le flux d'induction série sera réduit, augmentant ainsi le débit de la dynamo.

Cette dynamo a donc l'avantage de produire plus que la précédente à vitesse plus élevée.

Régulation

Bien que les régulateurs soient abordés dans la page Régulateur nous allons en dire deux mots ici à propos de la dynamo à trois balais.

Tout d'abord, rappelons que toutes les dynamos à trois balais n'ont pas été équipées de régulateur puisqu'elles sont sensées se réguler d'elles-même...

Mais comme le réglage du troisième balai n'était pas toujours de possible, certains ont eu l'idée d'ajouter un régulateur. C'était déjà un progrès car il supprimait le risque de survoltage et ses conséquences destructrices.

On va donc trouver deux cas de branchements avec le circuit d'excitation indépendant :

• branchement de l'inducteur à la borne positive à l'intérieur de la dynamo avec la masse dans le régulateur ;
• branchement de l'inducteur à la borne négative à l'intérieur de la dynamo avec cette fois l'alimentation positive de l'inducteur dans le régulateur.

Pannes de la dynamo  

Avant d'examiner les pannes courantes qui peuvent affecter une dynamo et la façon d'y remédier, voyons d'abord l'entretien à prodiguer à cet appareil afin de le conserver en bon état de fonctionnement. Nous aborderons enfin les restaurations plus lourdes envisageables.

Entretien

À part le contrôle de la bonne tension de sa courroie d'entrainement, quand elle existe car il y eu des dynamos fixées directement en bout de vilebrequin du moteur (Citroën 5HP par ex.) et la vérifiaction de l'usure des balais, il n'y a aucun entretien possible de la dynamo sans son démontage complet. Et on n'entreprend celui-ci qu'en cas de souci ou de panne.

Toutefois, un démontage de temps en temps ne peut guère faire de mal et permettra de vérifier l'état de la dynamo et préviendra un petit problème avant qu'il ne s'aggrave. De plus, cette opération n'est guère compliquée.

Sauf incident sur les enroulements qui nécessiteront l'intervention d'un professionnel, les ennuis qui se présentent le plus couramment sont liés à l'usure du roulement avant, du palier arrière ou des charbons des balais et cela est facile à réparer soi-même. il existe d'ailleurs des kits de réparation pour de nombreuses dynamos qui ne comprennent que ces pièces&nbs;: roulement, bague de palier et charbons.

Démontage

Le démontage commence par la dépose de la dynamo. Pour cela on débranche d'abord la batterie puis la dynamo en repérant bien les câbles. Ensuite, on dépose la courroie d'entrainement.

Démonter ensuite l'écrou de blocage de la poulie en empêchant sa rotation grâce à une clé à filtre à huile (c'est fou ce que cet outil peut servir en dehors de son usage de base). Sortir la rondelle puis la poulie. Si elle est coincée, il faudra utiliser un extracteur mais attention, la poulie est fragile et l'extracteur positionné sur la joue de la poulie sera le meilleur moyen de la casser. L'idéal est de glisser deux pièces en acier ou en tôle épaisse en fonction de la place accessible à l'arrière de la poulie et de tirer sur ces pièces avec l'extracteur. Enfin, on ôte la clavette.

Avant de démonter la carcasse, il est bon de repérer les emplacements respectifs des flasques et de la carcasse car certains modèles n'ont pas de détrompeur. L'ensemble est en général fixé par deux, trois ou quatre tiges filetées serrées sur les deux flasques. Une fois celles-ci déposées, il est facile de sortir les flasques en faisant attention à l'éjection possible des charbons et ressorts des balais du flasque arrière (c'est un bon moyen de les perdre) et en n'oubliant pas de déconnecter les fils de liaison avec les inducteurs sans les arracher. On sort ensuite l'induit. il peut y avoir des rondelles de réglage de jeu axial entre le roulement et l'induit ; bien noter leur position pour les replacer.

Voilà, l'engin est démonté et sa vérification, son nettoyage et sa remise en état vont pouvoir se faire.

Contrôles et réparations

L'induit

Il convient d'abord de s'assurer visuellement que les bobinages n'ont pas perdu leur vernis protecteur et isolant. Un bon nettoyage se fera avec un produit dégraissant tel le nettoyant en bombe pour freins.

Il faudra vérifier si la continuité électrique existe dans les enroulements. Pour cela on va utiliser un multimètre et vérifier que toutes les lames du collecteur sont bien connectées. S'il y a discontinuité, il se peut fort d'un câble soit rompu. dans ce cas il faudra soit changer la dynamo si c'est possible, soit faire rebobiner l'induit par un atelier spécialisé.

Un court-circuit interne est également possible mais il n'est détectable qu'à l'aide d'un outil spécialisé nommé grognard (cf. encadré ci-dessous).

Il faut également vérifier l'état des surfaces des paliers ; ils ne doivent être ni rainurés, ni creusés, ni marqués.

Il reste à vérifier le collecteur. Il doit être soigneusement dégraissé et poli s'il est trop marqué. Pour ce faire, éviter la toile émeri qui peut laisser des grains, conducteurs électriques, qui créeraient des court-circuits. Le cuivre du collecteur doit être poli au papier de verre très fin (papier carrosserie 600 ou 1000 par ex.). Enfin, il faudra veiller à bien descendre l'isolant entre les lames pour que les charbons des balais assurent un bon contact ; on utilisera pour cela un morceau de lame de scie à métaux.

L'inducteur

Comme pour l'induit, il convient d'abord de vérifier visuellement que le vernis protecteur des bobinages. On vérifiera également la continuité électrique existe dans les enroulements avec un multimètre. S'il y a discontinuité, il faudra certainement changer de dynamo...

Il n'est pas facile de démonter les pôles fixés à l'aide d'une vis spéciale ; ce n'est a priori pas nécessaire.

Désoxyder tout ce qui est rouillé et si nécessaire sabler l'extérieur de la carcasse et la repeindre ; tout cela sans abîmer les enroulements.

Les paliers

Ne jamais démonter la dynamo sans remplacer le roulement et la bague. Si possible, il est préférable de remplacer le roulement standard par un roulement étanche et lubrifié à vie. Il est souvent logé dans une cavité et maintenu en place par une plaque rivetée. Il suffit de faire sauter les rivets avec un foret de diamètre adapté. Après avoir ôté la plaque, garder précieusement les rondelles-cales éventuelles. Éjecter le roulement à l'aide d'un jonc de bronze. Nettoyer son emplacement, le graisser et positionner le roulement neuf et les cales éventuelles. Remettre en place la plaque de maintien avec des rivets neufs. Si le roulement n'est pas remplacé, ne pas oublier de le graisser avec une graisse ne fondant qu'à haute température.

La bague de bronze autolubrifiante de l'autre palier sera également remplacée par une neuve. En cas d'impossibilité d'approvisionnement, il faudra en faire tourner une neuve en bronze autolubrifiant ou à défaut en bronze en prévoyant un petit orifice de lubrification ; toutefois, cette méthode a le gros défaut de faire pénétrer du lubrifiant sur le collecteur, ce qui est nuisible à la bonne conduction électrique.

Les balais

Les balais sont composés chacun d'un charbon qui est maintenu en appui sur le collecteur par un ressort. Ces ressorts doivent être en bon état et assurer une bonne pression. Il n'est pas trop compliqué d'en trouver des neufs aux caractéristiques identiques ou proches. Si on ne trouve pas de balais de bonnes dimensions, en choisir de plus gros et les ajuster au papier de verre sans oublier la courbure qui sera obtenue en enroulant le collecteur avec un papier abrasif de garin très fin, côté rugueux vers l'extérieur. On place alors les balais dans leur logement en les poussant fortement et on fait tourner l'induit dans les deux sens jusqu'à obtenir le bon ajustage.

Les charbons sont munis de leur fil de connexion qui est soit vissé soit soudé à l'étain sur le support. Leur remplacement est aisé. Il est toutefois dangereux de négliger le remplacement des balais trop usés car si les porte-balais viennent à frotter sur le collecteur, ils peuvent le rayer puis fortement l'endommager.

Les flasques

Tout comme la carcasse, ils seront sablés et repeints si nécessaire en veillant à ne pas endommager les portées de bague et roulement et les porte-balais. Si on procède à ces opérations, on ne remontera le nouveau roulement qu'après les avoir effectuées.

Remontage

Le remontage ne pose pas de difficultés particulières et se fait en sens inverse du démontage.

On veille à graisser les paliers avant remontage de l'induit. Le plus délicat sera de repositionner le flasque porte-balais en maintenant les ressorts compressés pour permettre aux charbons de passer sur le collecteur. Pour cela, il y a plusieurs techniques. Si le flasque possède des orifices qui le permettent, maintenir les charbons bloqués par des lames de tournevis fins (il faut souvent se faire aider car trois ou quatre mains ne sont pas de trop...). Sinon, il faut être inventif !

On repositionne les flasques et la carcasse en respectant les marquages effectués au démontage s'il n'y a pas de détrompeurs et on revisse les tiges filetées qui maintiennent l'ensemble. Si le palier à bague possède un orifice de lubrification, y introduire deux ou trois gouttes d'huile de vaseline et le refermer.

Graisser le palier de la poulie, placer la clavette et la poulie et resserrer avec l'écrou.

Il n'y a plus qu'à replacer la dynamo sur son support, replacer la courroie après l'avoir remplacée si nécessaire et la tendre correctement. Rebrancher les câbles électriques puis la batterie et faire un essai moteur tournant.

Pannes et diagnostics

En cas de doute sur le bon fonctionnement du circuit de charge, il existe quelques tests très simples à réaliser pour déterminer si la dynamo ou le régulateur sont en état.

Ne pas hésiter à consulter la page « Régulateur ».

Premier test

Branchement n°1

Réaliser d'abord le branchement suivant en insérant un ampèremètre entre la borne D+ de la dynamo (le balai +) et la borne D du conjoncteur-régulateur et en plaçant un voltmètre sur les bornes de la batterie. Nota : le branchement entre les bornes D- de la dynamo et du régulateur peut ne pas exister et être suppléé par la simple mise à la masse de ces deux appareils. Vérifier la bonne mise à la masse du régulateur car elle est primordiale.

Démarrer ensuite le moteur et accélérer. Si tout va bien, le voltmètre doit se déplacer vers 13 à 15 V ou vers 7 V selon la tension de la batterie et l'ampèremètre doit se déplacer rapidement vers 20 à 30 A pour revenir vers 5 A.

Si ce n'est pas le cas, il y a problème et il va falloir chercher plus loin.

Rappelons d'abord qu'il peut y avoir deux cas de branchement de l'induction, au pôle positif ou au pôle négatif.

Branchement n°2

Réalisons maintenant le branchement suivant en débranchant le fil de la borne E de la dynamo et raccorder cette borne à une bonne masse à l'aide d'un fil volant (en vert sur le schéma).

Accélérer. Si les voltmètre et ampèremètre montent rapidement, la dynamo est de type excitation négative et fonctionne bien ; le problème vient du régulateur. S'il ne se passe rien, faire le test suivant.

Branchement n°3

Réalisons le branchement suivant en gardant débranché le fil de la borne E de la dynamo et raccorder cette borne à la borne D+ de la dynamo à l'aide du fil volant (en vert sur le schéma).

Accélérer. Là encore, si les voltmètre et ampèremètre montent rapidement, la dynamo fonctionne bien et est de type excitation positive ; le problème vient du régulateur. S'il ne se passe rien, alors la dynamo est défectueuse.

En résumé : si au cours des deux tests la dynamo ne débite jamais, elle est défectueuse. Si elle débite au cours d'un des deux tests, c'est le régulateur qui est défectueux.

Deuxième test

Celui-ci est très simple. On va tester la dynamo en la faisant fonctionner en moteur. Il convient d'abord d'ôter la courroie d'entrainement de manière que la dynamo puisse tourner librement. Puis ensuite d'ôter le capot du conjoncteur-régulateur.

Enclencher alors le conjoncteur à la main ce qui reliera les bornes de la dynamo à celles de la batterie et fera tourner la dynamo en moteur. S'il ne se passe rien, la dynamo est défectueuse. Pour revenir en arrière, il faut débrancher la batterie sinon le conjoncteur ne se libèrera pas.

Principes généraux de l'alternateur  

Reprenons l'expérience de base de Faraday décrite au début de cet article et inversons les rôles du stator et du rotor.

Cette fois, faisons tourner un aimant dans un bobinage fixe. L'effet est exactement le même puisque le mouvement relatif des deux éléments est le même. En tournant dans la bobine, l'aimant (champ magnétique) créé un courant dans celle-ci et ce courant est alternatif.

L'inconvénient d'un système aussi simple est que la tension produite croît avec la vitesse de rotation et qu'il est donc indispensable de la réguler dans le cas d'une automobile dont la vitesse de rotation du moteur n'est pas constante.

Pour ce faire, on ne va pas utiliser un aimant en guise de rotor, mais un noyau ferreux entouré d'un bobinage qui va créer un champ magnétique dont l'intensité sera réglable par le courant traversant ce bobinage.

Comme on l'a compris en voyant les évolutions de la dynamo, l'alternateur est beaucoup plus simple. D'abord, son induit est fixe et il n'y a donc pas de contact mobile pour prélever le courant généré.

Son inducteur est tournant, et les contacts sont assurés par deux charbons sur deux bagues lisses à grande durée de vie par rapport au collecteur à lames de la dynamo transmettent le courant d'excitation, moins élevé que le courant induit.

Autre avantage de l'alternateur, l'inducteur étant un bobinage relativement léger, son diamètre peut être plus grand et son moment d'inertie plus faible et il peut donc tourner à plus grande vitesse sans trop de contraintes mécaniques. La production de courant démarre dès que le moteur tourne.

Le pont de diodes nécessaire pour redresser le courant et le régulateur sont souvent incorporés à l'alternateur qui constitue ainsi un ensemble complet.

L'alternateur a commencé à remplacer la dynamo dans les années 60 (En 1961, Chrysler monte en série l'alternateur sur ses modèles) et s'est très vite généralisé grâce à ses qualités, ses performances et son coût de fabrication moindre.

Théorie

Le courant produit dans l'induit par l'inducteur tournant est alternatif et sa période est égale au nombre de paires de pôles multiplié par la vitesse de rotation de la machine : F_Hz = P.N_tr/mn / 60

Quant à la tension produite, pour les mêmes raisons que pour la dynamo, elle est proportionnelle à la vitesse de rotation.

Ces propriétés sont intéressantes car elles entraînent une auto-limitation de l'intensité produite (cf. encadré ci-dessous).

Le rotor

Le rotor peut être massif et non en feuilles de tôles empilées car dans ce cas, il n'y a pas production de courants de Foucault. Toutefois, il est en général constitué d'un empilement de tôles, plus facile à réaliser. Il forme plusieurs pôles qui sont bobinés. Le flux magnétique créé par ces bobines induit du courant alternatif dans les bobines du stator. Les bobines du rotor sont reliées à deux bagues solidaires du rotor sur lesquelles frottent les deux balais. L'un est relié à la masse, l'autre est relié à la borne E (excitation) de l'alternateur. Le rotor est soigneusement équilibré car il peut tourner à 10 000 tr/mn.

Le rotor peut donc être à aimant permanent ou modulable (cf. ci-dessous) et comporte 6 pôles.

Les bobinages d'induit sont enroulés sur les masses polaires constituées par le fer du rotor. Le rotor peut être également constitué d'un inducteur à circuit de Lundell, cas le plus fréquent, l'enroulement est constitué par une bobine annulaire placée entre deux couronnes à griffes constituant les masses polaires. Les extrémités de l'enroulement inducteur sont soudées sur les bagues collectrices de l'arbre du rotor.

Les balais d'alimentation, qui sont reliés au circuit de la batterie, ne sont parcourue que par un courant de quelques ampères et les collecteurs ne sont pas à lamelles, comme sur l'induit de la dynamo, et, de ce fait, n'engendrent pas de scintillation.

Il est connecté au vilebrequin via une courroie et des poulies. Sa vitesse maximum de rotation est de l'ordre de 10 000 tr/mn. Son amorçage se situe aux environs de 1 000 tr/mn selon les modèles. Et son régime optimum est aux environs de 4 000 à 5 000 tr/mn.

Pour respecter ces vitesses, la démultiplication de l'entraînement est de l'ordre de 2,5. On a donc, en vitesse de rotation moteur, un amorçage vers 400 tr/mn, un régime optimum de 1 600 à 2 000 tr/mn et un régime maxi vers 4 000 tr/mn.

La courroie utilisée est lisse, jamais crantée, pour lui permettre de glisser sur les poulies en cas de variation brusque du régime moteur car des accélérations franches entraîneraient un risque d'écartement des griffes du rotor, par l'effet de la force centrifuge, et de destruction de l'ensemble... Le glissement de la courroie permet d'amortir ces variations.

Autrefois, en course, certains alternateurs étaient montés sur les transmissions, moins sujettes à des variations brusques de vitesse, avec des pignons et courroies crantées, pour en améliorer le rendement.

Le stator

Le stator est en forme de couronne et est constitué d'un empilement de tôles au silicium isolées entre-elles et munies d'encoches pour recevoir les bobinages, au nombre de 36 généralement, répartis en 3 groupes 12 bobinages en série (36 alternances par tour). Chaque bobinage est enroulé en sens inverse de ses voisins pour que leurs courants s'ajoutent et est décalé de 10 degrés par rapport à ses voisins immédiats.

Les enroulements triphasés du stator peuvent être connectés en triangle ou en étoile.

Comparaison étoile/triangle

• le montage étoile s'amorçe plus rapidement ;
• le montage triangle est théoriquement 3 fois plus puissant que le montage étoile mais, en pratique, l'amorçage plus rapide de celui-ci annule cet avantage ;
• lorsque la vitesse augmente, le montage triangle devient prépondérant, puis la progression est différente de la théorie du fait de l'augmentation de l'impédance de l'alternateur qui varie avec la fréquence qui est dépendante du régime de rotation ;
• le montage étoile présente une courbe de l'intensité en fonction de la vitesse de rotation plus aplatie que celle du triangle, à cause de l'augmentation de l'impédance de l'alternateur avec la vitesse de rotation, entraînant une diminution 3 fois plus importante dans le montage étoile que dans le montage triangle (l'autorégulation est plus importante en triangle qu'en étoile).

Ce qui va guider le choix est le désir de charge à bas régime (amorçage) et d'auto-régulation à puissance élevée.

Le pont de diodes

Il permet de redresser le courant, c'est à dire de transformer le courant alternatif (venant de l'alternateur) en courant continu (pour la batterie). On utilise un montage de plusieurs diodes (les diodes n'acceptent d'être traversées que dans un seul sens, du + vers le -). Ceci permet, en injectant un courant alternatif en entrée, d'avoir un courant continu en sortie.

Dans le cas d'un courant monophasé, 4 diodes sont nécessaires. Dans le cas de l'alternateur qui fonctionne en triphasé (la plupart des alternateurs automobiles), 6 diodes sont nécessaires au minimum pour redresser le courant.

Le système est fiable, chaque groupe de diodes, chauffant en fonctionnement, est fixé sur une platine métallique faisant office de refroidisseur et l’air circule en permanence à l’intérieur de l’alternateur, grâce à des ailettes de ventilation qui permettent l’évacuation de la chaleur.

Avantages

• Le montage est très économique ;
• Les diodes bloquées ne sont soumises qu'à une tension faible.

Inconvénients

• La chute de tension dans le pont est égale à deux fois la tension d'une diode dans le sens passant soit, pour des diodes au silicium, une chute de tension d'environ 1,4 V. Le maximum subit donc une perte d'amplitude de 2,8 V ;
• La tension de sortie n'est pas réglable ;
• Lorsque la tension d'entrée est inférieure au seuil des diodes, les diodes têtes-bêches n'étant pas passantes, il n'y a pas de tension de sortie, créant ainsi une sorte de zone aveugle. C'est pourquoi un alternateur tournant trop lentement ne produit pas de courant.

Modulation de charge

En modulant le courant injecté dans l'électro-aimant du rotor, on module alors sa force électromagnétique (aimantation plus ou moins intense), et grâce à cela on peut alors aussi modifier la quantité d'électricité générée par le stator de l'alternateur.

Cela permet d'optimiser l'alimentation de la batterie au plomb ; quand elle est froide on lui envoie plus de tension car elle se recharge mieux quand elle est à basse température, et on fait l'inverse quand elle est chaude.

Enfin, l'optimisation de la consommation de carburant sur les véhicules munis de calculateurs passe par le débrayage de l'alternateur quand on ne souhaite pas avoir de couple résistant dû à l'alternateur (qui est entraîné par le moteur via la courroie) ; il suffit alors de ne plus alimenter l'électro-aimant. Au contraire on l'active à fond quand on souhaite récupérer de l'énergie à la décélération sur le frein moteur (il s'agit d'ailleurs d'une technique utilisée sur les automobiles électriques).

La modulation est effectuée par le régulateur.

Comme on vient de le voir, la tension du courant produit dépend de trois facteurs, le nombre des spires des enroulements du stator, l'intensité du champ magnétique et la vitesse de rotation.

C'est ce dernier facteur qui rend nécessaire la présence d'un régulateur de tension. Par contre, il n'y a pas besoin d'un conjoncteur-disjoncteur évitant à la batterie de se décharger dans l'alternateur comme pour la dynamo car pour l'alternateur, le redresseur suffit à empêcher la batterie de se décharger dans le générateur. De plus, les redresseurs n'engendrent pas de parasites, comme les conjoncteurs classiques, et sont indéréglables.

Les progrès réalisés dans les semi-conducteurs ont permis la mise au point de systèmes de régulation à transistor, ce qui élimine, d'une part, les risques de pannes et d'usure, et, d'autre part, les déréglages.

Auto-amorçage

C'est une des différences d'utilisation avec la dynamo. Lorsque la batterie est à plat, peut-on démarrer le moteur en poussant l'automobile ?

Avec une dynamo, oui, car dès qu'elle est entraînée, elle produit du courant à une tension supérieure à celle de la batterie (à plat) qui sera suffisant pour assurer l'allumage.

Avec un alternateur, ça dépend... Si le rotor est à aimant permanent, oui, car dans ce cas, il produira du courant dès qu'il sera entraîné, mais si le rotor est à électro-aimant, non... En fait, si on le fait tourner suffisamment vite (environ 5 000 tr/mn) la rémanence magnétique va induire du courant dans le rotor, qui va donc se comporter en aimant.

Cet effet est appelé auto-amorçage et il permet à l'alternateur de produire du courant sans être excité.

Évolution

L'électronique vient ici au secours de l'alternateur et permet de le simplifier.

Jusqu'alors, comme on vient de le voir, les alternateurs comportaient toujours des balais et des collecteurs qui, bien que traversés par un courant d'excitation très faible sont néanmoins sujets à l'usure et à l'oxydation. Pour éliminer ces inconvénients, on a mis au point des alternateurs comportant un inducteur à aimant permanent (retour au schéma de base).

Ce dispositif empêche évidemment de régler la tension en agissant sur le courant d'excitation, mais on résoud ce problème en effectuant la régulation au moyen de trois inductances en série avant le pont redresseur à diodes et d'un régulateur électronique spécial.

Les avantages de ce modèle sont, pour une puissance égale, une réduction considérable du poids et de l'encombrement, un rendement très élevé et une indépendance vis-à-vis des variations de température.

Aujourd'hui, en triphasé, les diodes sont remplacées par des thyristors, ce qui permet d'ajouter suivant les besoins des inductances (bobines) de corrections.

Différents types d'alternateur  

Le schéma ci-dessous montre comment est constitué et branché un alternateur.

Le stator peut être en étoile ou en triangle, le pont de diodes comporte trois diodes supplémentaires par rapport à ce qui a été montré plus haut  elles permettent d'envoyer le courant d'excitation au rotor. Une variante peut exister au niveau du branchement du rotor et du régulateur ; ils peuvent être simplement inversés.

Un voyant au tableau de bord indique quand l'alternateur ne charge pas.

À suivre...

Pannes de l'alternateur  

Entretien

L'alternateur ne présente pas les problèmes d'entretien de la dynamo. Les balais, ne frottant pas sur des lamelles, ont une durée supérieure. Les encoches des collecteurs n'ont pas besoin d'être polies, les roulements, lubrifiés à vie ne demandent aucun graissage.

Les pannes sur les enroulements sont pratiquement inconnues. Les supports de l'alternateur ne risquent pas de se desserrer, ou encore de se casser, comme cela se produit fréquemment pour la dynamo à cause de son poids.

Et le groupe de régulation à transistor a une durée de vie illimitée si on respecte quelques règles bien précises :

• ne pas débrancher la batterie lorsque le moteur tourne, c'est-à-dire lorsque le rotor est excité ;
• toujours débrancher les fils de la batterie pour la mettre en charge ;
• ne pas souder à l'arc, sur le véhicule ;
• ne pas connecter l'alternateur sur une batterie de polarité inversée (inverser les pôles de la batterie) ;
• ne pas débrancher les fils de l'alternateur pendant qu'il tourne ;
• éviter tout court-circuit, inversion et liaison incorrectes ;
• ne pas modifier la résistance ou la section des câbles reliant l'alternateur au circuit électrique ; cele modifierait l'équilibre établi entre les diodes et les transistors destinés à la régulation du courant d'alimentation de la batterie.

Les seuls risques d'usure concernent les balais et leurs pistes et les roulements.

Si les balais sont cassés ou usés, les changer. Si les roulements sont bruyants ou marqués, les changer. Si les pistes sont grasses, les nettoyer avec du nettoyant freins. Si elles sont rayées, on peut essayer de les rectifier en douceur.

Pannes et diagnostics

En cas de doute sur le bon fonctionnement du circuit de charge, il y a très peu de tests à réaliser pour déterminer si l'alternateur ou le régulateur sont en état.

Ne pas hésiter à consulter la page « Régulateur ».

Moteur tournant au moins à 1500 tr/mn, il suffit de brancher un voltmètre aux bornes de la batterie :

• Si la tension est inférieure 13 V, il y a de fortes chances pour que l'alternateur ait des problèmes et soit même près de rendre l'âme...
• Si la tension est entre 13 et 13,3 V, il faut surveiller l'alternateur qui commence à donner des signes de fatigue
• Entre 13,3 et 14,7 V, tout va bien !
• Entre 14,7 et 15 V, il faut surveiller le régulateur qui commencer à moins bien réagir
• Au-delà de 15,5 V, il faut impérativement changer le régulateur au plus vite sous peine de griller des équipements voire même la batterie !

Tester le pont de diodes

Le symptôme sera un défaut de charge de l’alternateur et se traduira par deux dysfonctionnements différents :

• une ou plusieurs diodes sont passantes dans les deux sens ;
• une ou plusieurs diodes sont bloquées dans les deux sens.

Dans les deux cas, le contrôle des diodes se fait à l’aide d’un multimètre en fonction diodemètre. Le principe est d’alimenter la diode par la pile du multimètre, permettant de vérifier la conformité des sens passant (le diodemètre affiche une tension de 1 à 2 V) ou bloqué (le diodemètre n’affiche pas de tension).

Le coût de réparation du pont de diodes est de 30 à 130 € voire plus chez certains réparateurs à fuir...

Mais il est souvent possible de remplacer unitairement les diodes, disponibles dans tout magasin sérieux de composants électroniques pour quelques euros. Un bon bricoleur soigneux en est capable. Évidemment, ceci n'est valable que pour les modèles déjà plus anciens car pour les alternateurs modernes, personne ne se pose ce genre de question, on remplace malheureusement au prix fort !

Dynamo vs alternateur  

À suivre...