La plupart des explications sur une éolienne s'arrêtent aux pales. Or les pales ne déterminent que l'énergie disponible — ce qu'il en advient dépend du générateur, et plus précisément de la façon dont ses aimants sont disposés. Voici un regard à l'intérieur du générateur à aimants permanents que TESUP fabrique pour l'Atlas et le Magnum, et sur la propriété qui décide si une éolienne tourne par vent faible ou reste immobile.
Qu'est-ce qu'un générateur à aimants permanents ?
Un générateur à aimants permanents produit de l'électricité à partir d'aimants fixes plutôt que d'électroaimants qu'il faut d'abord exciter. Comme le champ magnétique est toujours présent, la machine produit dès la première rotation et n'a besoin ni de courant d'excitation, ni de bagues collectrices, ni d'énergie extérieure pour démarrer.
Le générateur TESUP est une machine à aimants permanents à 24 pôles utilisant des aimants NdFeB N42 (néodyme-fer-bore), chacun de 60 × 25 × 5 mm, nickelés et de forme bombée. Ils sont 24, soit 180 cm³ d'aimant au total, tournant dans un stator de 16 cm × 12 cm.
Pourquoi 24 pôles, et pourquoi pas de multiplicateur ?
Le nombre de pôles fixe le rapport entre vitesse de rotation et fréquence de sortie. Un générateur à faible nombre de pôles doit tourner vite pour être utile, d'où le multiplicateur placé entre le rotor et le générateur sur beaucoup d'éoliennes. C'est aussi l'organe le plus susceptible de tomber en panne, celui qui exige des vidanges, et celui qui fait du bruit.
Vingt-quatre pôles produisent une tension exploitable à faible vitesse de rotation : le rotor peut donc entraîner le générateur directement. Pas de multiplicateur, c'est pas d'huile, pas d'usure d'engrenages, et un organe de moins susceptible de se gripper sur un toit en février.
Qu'est-ce que le couple de détente ?
Le couple de détente est la résistance que l'on sent en tournant à la main un moteur à aimants permanents — cette réticence saccadée, comme si l'arbre voulait se caler dans des positions fixes. Elle vient de l'attraction des aimants vers les dents en acier du stator. Chaque dent est une position de repos privilégiée, dont le rotor doit être extrait.
Sur un ventilateur ou un outil électroportatif, c'est un désagrément mineur. Sur une petite éolienne, c'est le principal obstacle au fonctionnement par vent faible, car le couple de détente est un seuil fixe que le vent doit franchir avant que quoi que ce soit ne tourne. En dessous, la production n'est pas faible — elle est nulle.
C'est pourquoi la vitesse de démarrage compte bien davantage que la puissance nominale pour une éolienne domestique. La puissance nominale décrit un jour venteux. La vitesse de démarrage décrit tous les autres.
Comment l'inclinaison des aimants réduit-elle le couple de détente ?
Si chaque aimant est exactement parallèle aux dents du stator, les 24 pôles atteignent leur pic d'attraction au même instant. Ces pics s'additionnent, et le résultat est une impulsion forte et saccadée que le vent doit vaincre à chaque pas.
Incliner, c'est monter les aimants légèrement de biais par rapport à l'axe de rotation, de sorte que chaque aimant engage une dent progressivement au lieu d'un seul coup. Les pics ne coïncident plus — ils s'étalent et s'annulent partiellement. Le couple total produit ne change pas ; ce qui disparaît, c'est l'ondulation.
TESUP utilise un montage incliné des aimants exactement pour cela. Moins de couple de détente signifie un seuil de décollage plus bas, et c'est ce seuil plus bas qui permet à l'Atlas de démarrer seul à 2 m/s avec son jeu de pales vent faible — environ un tiers de la vitesse de démarrage d'une éolienne à axe horizontal classique.
L'inclinaison n'est pas gratuite : elle réduit légèrement le flux embrassé maximal, une machine inclinée cède donc un peu de puissance en pointe en échange d'un démarrage plus précoce. Pour une éolienne domestique, où le vent faible est la situation courante et la tempête l'exception, c'est le bon compromis.
Pourquoi l'outillage décide réellement du couple de détente
L'inclinaison n'annule le couple de détente que si chaque aimant se trouve exactement là où la conception le prévoit. L'annulation est un effet géométrique : 24 aimants, chacun décalé d'un angle précis, pour que leurs pics d'attraction se décalent dans le temps. Si les logements de ces aimants varient d'un rotor à l'autre, l'angle d'inclinaison varie avec eux — les pics se réalignent, le couple de détente augmente, et avec lui la vitesse de vent nécessaire pour libérer le rotor.
Voilà pourquoi ±0,05 mm sur toutes les pièces usinées n'est pas une vantardise de fiche technique. C'est la tolérance qu'exige la physique. Un rotor tolérancé large peut porter exactement les mêmes aimants, le même nombre de pôles et le même cuivre, et démarrer tout de même plus tard.
Tenir cette tolérance sur un prototype est simple. La tenir sur chaque unité, pendant des années, est un problème d'outillage — d'où l'arrivée de ceci dans notre usine :
Un tel outil de presse ne s'achète pas pour la vitesse, même s'il est plus rapide. Il s'achète pour la répétabilité. Le premier rotor formé dessus et le dix-millième sortent du même acier, guidés par les mêmes colonnes, aux mêmes cotes. C'est la seule façon pour qu'une tolérance signifie quelque chose dès lors qu'on produit en série et non à l'unité.
Cela veut dire aussi un composant de plus qui ne dépend plus du contrôle qualité d'un tiers. Nos sites européens produisent déjà plus de 270 composants en interne — générateurs, cartes électroniques, pales et visserie de montage. Chaque outil qui arrive allonge cette liste d'une ligne.
Pourquoi une éolienne d'environ 1 kW utilise-t-elle un moteur de 15 kW ?
Parce que la puissance d'un générateur est une limite thermique, pas une promesse de production. Les 15 kW en continu correspondent à ce que la machine peut soutenir indéfiniment sans surchauffe, et cela dépend de trois choses : l'isolation du fil émaillé de classe 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, la même qualité que dans les servomoteurs industriels et les chaînes de traction électriques), les 4 kg de cuivre agissant comme masse thermique, et le refroidissement passif par le carter.
À la production typique de l'Atlas, autour de 1 kW, le moteur fonctionne à moins de 7 % de sa puissance continue. Il tourne froid. Les pertes cuivre croissent avec le carré du courant : une machine très en dessous de sa limite dissipe donc très peu — et c'est la chaleur qui vieillit les isolants et finit par tuer un moteur.
Les 22 kW de pointe correspondent à la capacité de surcharge de courte durée pour les rafales. Elle est bornée par deux limites physiques : le seuil de démagnétisation des aimants N42 et la saturation du fer du stator.
D'où vient réellement l'énergie
La puissance disponible dans le vent suit :
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Où ρ est la masse volumique de l'air, A la surface balayée, V la vitesse du vent, Cp le coefficient de puissance et η le rendement électrique. Le rotor Atlas balaie 1,035 m² (1030 mm de diamètre × 1005 mm de hauteur), atteint un Cp de 0,28 par bon vent et convertit avec un rendement électrique de 92 %.
Le terme dominant est V³. La vitesse du vent est au cube : un site 30 % plus venté produit environ le double d'énergie, pas 30 % de plus. C'est pourquoi la hauteur de mât et l'implantation changent le résultat plus que n'importe quelle donnée de cette page — et pourquoi une réponse honnête à « combien vais-je produire ? » commence toujours par une question sur votre lieu plutôt que par un chiffre.
Spécification complète du générateur
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Type de générateur | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Aimants | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Volume d'aimant | 24 magnets · 180 cm³ |
| Montage des aimants | Skewed |
| Stator | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Bobinage | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Isolation du fil | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Tolérance d'usinage | ±0.05 mm |
| Rotor | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Vitesse de démarrage | 2 m/s |
| Coefficient de puissance (Cp) | 0.28 |
| Rendement électrique | 92% |
| Puissance moteur | 15 kW / 22 kW |
Ce que cela dit — et ce que cela ne dit pas
Chaque valeur ci-dessus est une propriété de la machine, et les propriétés de la machine sont la part que nous maîtrisons. Couple de détente, nombre de pôles, grade des aimants, classe d'isolation et tolérance d'usinage sont identiques sur chaque unité que nous livrons.
La production annuelle, non. Elle dépend de votre vent, et la production publiée pour l'Atlas s'étend de 180 à 2 900 kWh par an précisément parce que l'écart entre un jardin de banlieue abrité et un site côtier exposé est aussi large. Indiquez-nous votre localisation et la hauteur de mât, et nous vous donnerons une fourchette réaliste plutôt qu'un cas idéal.