Créer un générateur avec moteur pas-à-pas et une poignée

Il y a un petit moment, en fouillant Thingiverse, je suis tombé sur cet objet.... une poignée pour moteur pas-à-pas! De quoi le transformer en petit générateur expérimental.

Pouvoir produire un peu d'énergie d'appoint saura se montrer utile en cas de coupure de courant. Faut quand même pas espérer un miracle, un humain peu produire en moyenne 50W.

Poignée pour moteur pas-à-pas
Source Thingiverse

Cela tombe bien... j'ai quelques moteurs pas-à-pas.

Bonne idée ou pas?

Créer un générateur avec un moteur pas-à-pas... est-ce vraiment une bonne idée?

La réponse est double: Oui et Non, tout dépend du point de vue!

Pourquoi serait-ce une bonne idée?

Pour commencer parce qu'il n'y a pas de balais, ni de charbon dans un moteur pas-à-pas. Ce sont les parties les plus fragiles d'un moteur continu... pas très difficile de les détériorer/détruire le barillet et les ballets avec un courant trop important.

Sur le moteur pas-à-pas, les aimants fixes sont sur l'axe  et les bobines dans le stator (l'inverse du moteur continue)... c'est ce qui permet d'éliminer les balais (pièces qui frottent et s'usent).

Le fait de ne pas avoir de balais élimine aussi de nombreux bruits et parasites.

Un moteur pas-à-pas est conçu pour minimiser les frottements, c'est donc une mécanique plus fine qu'un moteur CC destiné à la propulsion.

Pourquoi cela serait-il une mauvaise idée?

Parce que le courant dans les bobines est limité et relativement faible. Un moteur pas-à-pas est utilisé pour contrôler la rotation de l'axe avec précision. Ils savent aussi tourner très vite si l'on tient compte de l'inertie au démarrage. Un moteur pas-à-pas développe peu de couple et a donc besoin de peu de courant.
En tant que générateur, il développera donc peu de courant!

Ensuite, a poids équivalent, le moteur CC sera plus gros (ou pourra avoir une boite de réduction), moteur CC qui pourra développer plus de courant!

Tester un moteur pas-à-pas

C'est l'occasion de se faire une petite idée en utilisant un moteur pas-à-pas courant et très répandu comme celui-ci (celui utilisé dans le dépôt Thingiverse).
Tension max: 12V, 350mA max par bobine.

Voici mon petit montage maison (je n'ai pas d'imprimante 3D).

Mesure de caractéristiques

Avant de passer sur l'oscillo, j'ai pris le temps de trouver une vitesse que rotation confortable identifié à environ 80 tours/minute.

Ensuite j'ai mesuré la Tension Alternative en circuit ouvert et j'arrive entre 3 et 5V sans problème. En forçant j’atteins  7V.

Puis, j'ai mis une bobine en court-circuit sur un ampèremètre en position AC. Le courant de court-circuit peut être porté à 60mA. C'est honorable mais pas foudroyant.

Passage a l'oscillo

Ensuite, j'ai placé deux bobines en commun (comme sur l'image ci-dessus) puis  mesuré la sortie des deux bobines.

Sans surprise, c'est déphasé et parfaitement alternatif.

Montage redresseur

Voici un petit montage redresseur élémentaire utilisant des diodes Schottky 1N5817. Elles sont ultra-rapide et limite la chute de tension à 450mV.

Servo-moteur en générateur avec redresseur

La courbe a été relevée sans le condensateur de lissage... et on obtient 5V sans se forcer (à 80 RPM).

Ensuite, j'ai placé un condensateur de lissage de 470uF (bien que cela soit certainement trop).

Hors charge, il est possible de monter à 10 volts en tournant l'axe beaucoup plus vite.

Mesure en charge

L'intérêt de tout cela est quand même de savoir quelle puissance il est possible d'en tirer en l'état.

J'ai donc sortie mon Load Meter XY-FZ35 pour mettre le montage en courant constant.

J'utilise un courant constant sur le Load Meter afin de pouvoir contrôler la chute de tension. Sous 1V~1.5V le Load Meter cesse de fonctionner.

Avec une charge de 50mA, 30mA, la tension de sortie chute sous 1V.

A 20mA il est possible de maintenir un tension suffisante pour obtenir 0.06W (60mW). A 20mA, il faut charger un peu la capacité avant de mettre en charge et surtout ne pas arrêter de tourner pour maintenir la tenstion.

A 10mA, la tension reste stable a 3.5V (à 80 RPM).

En moulinant bien, il est possible d'atteindre 5V à 20mA et ainsi produire 100mW.

En résumé

Il est possible de produire 10 à 20mA avec une tension de sortie de 3.5 à 5V.

Une puissance développée entre 60 et 100mW.

C'est a peine de quoi alimenter quelques LEDs mais en plus il ne faut jamais arrêter de tourner puisque toute la puissance produite sera instantanément absorbée.

Comment augmenter la puissance produite

Avec 100mW on ne fait pas grand chose. Il faudrait atteindre 0.5W (500mW) pour envisager charger un accumulateur LiPo avec 100mA.

En effet, 500mW permettrait de couvrir la recharge à 4.2V * 100mA + pertes de conversion... ce sera donc notre premier objectif.

1) Augmenter l'inertie

Pour commencer, mettre un volant d'inertie permettrait de laisser tourner en roue libre.... ce ne serait pas si mal et permettrait d'obtenir une tension plus stable.

2) Augmenter la vitesse

Augmenter le courant à des limites, celle-cis seront vite rencontrée sur un moteur pas-à-pas. La meilleure option est encore d'augmenter la vitesse de rotation pour obtenir une tension de sortie plus élevée.

3) Combiner deux moteurs

Comme le moteur utilisé nécessite peu de couple (normal il en produit peu aussi) il est envisageable d'utiliser deux moteurs pour produire deux fois plus de courant.
Par contre, cela rend l'ensemble moins portable (transportable).

4) Tester d'autres moteurs pas-à-pas

J'ai eu l'occasion de rencontrer d'autres moteurs pas-à-pas plus massif en démontant des imprimantes Laser. Je me demande s'ils auraient de meilleures caractéristiques.