Fabriquez une Éolienne 5W en Impression 3D

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Fondateur et membre de l'équipe Euro Makers. Passionné par les technologies de prototypage rapide et l'innovation. J'adore les projets qui mixent électronique open-source, découpe numérique et impression 3D.

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Voici un beau projet pour mieux comprendre l’énergie éolienne, et produire 5W d’énergie verte. Ce projet d’éolienne imprimée en 3D a été développé en open source sous licence Creative Commons - Attribution (CC-BY 3.0) par Daniel Davis, un ingénieur mécanique britannique, afin d’explorer les possibilités de réduction, même à petite échelle, de son empreinte carbone. Disposant d’une expérience de plus de 12 ans dans l’industrie aéronautique, Daniel Davis a décidé de partager son expertise en rendant le projet totalement ouvert, avec la publication des plans d’assemblage, la mise en ligne des fichiers d’impression et même un super manuel d’assemblage (en anglais). Le résultat est un projet vraiment remarquable avec un design impeccable et une complexité mécanique vraiment intéressante. Les pièces 3D s’impriment parfaitement et l’éolienne se monte sans soucis. L’éolienne dispose d’un mécanisme de pas variable passif (le pas réagi à la vitesse de rotation sur les pales). L’énergie est produite par un moteur pas à pas de type NEMA11, qu’on utilise donc comme génératrice (les moteurs à aimants permanents font toujours de bonnes génératrices). Nous avons donc testé la fabrication de cette éolienne et en avons profité pour adapter un manuel d’instructions en français. Au passage, nous avons réalisé une documentation photo du montage étape par étape pour ceux qui ne se sentent pas d’attaque pour réaliser l’assemblage en ne se basant que sur les plans (bien que superbement réalisés et très lisibles !) fournis par le concepteur. Le projet impliquant des connexions électriques et des pales en rotation rapide, il convient de prendre la sécurité au sérieux et de suivre les bonnes pratiques afin d’éviter les risques de choc électrique notamment. Le partage des plans et d’un manuel d’assemblage n’implique en aucun cas la responsabilité du créateur du projet quant aux conséquences d’un assemblage défectueux ou d’un mauvais fonctionnement de l’éolienne. Vous acceptez, en réalisant ce projet, d’assumer l’entière responsabilité de votre sécurité.

  • Arduino
  • éolienne
  • écologie
Filament 3D PETG Jaune - 1.75 mm - Bobine 1Kg eSun

Ref : F3D-PETG175-J

27.90
27.90
Filament 3D PETG Noir "Solid Black" - 1.75 mm - Bobine 1Kg eSun

Ref : F3D-PETG175-SB

27.90
27.90
Moteur Pas à Pas NEMA 11 - 28x28x32 mm - 1.8° - 0,67A - 0,6kg - 4 Câbles

Ref : NEMA11-2832-0.67A

22.90
22.90
Tige Filetée M6x500mm - Inox

Ref : TFM06-500

7.90
7.90
Ecrou M6 en Acier Inoxydabe A2

Ref : ECR-M6SS

0.59
1.77

Cliquez sur le lien ci-après pour voir le reste de la liste des produits nécessaires pour réaliser le tutoriel

Roulement à billes Epaulé (avec bride) F6805-2RS - 37 x 25 x 7 mm

Ref : ROU-F6805-2RS

4.80
14.40
Slip Ring 6 Câbles x 2A - 240V AC

Ref : SLPR-6C2A240V

14.90
14.90
Vis Tête Fraisée Auto-Taraudeuse M5x16mm - Acier Inox

Ref : VTF-M516SS-AT

0.49
1.96
Vis Inox Tête Ronde Philipps Cruciforme M2.5 x 5 mm

Ref : PHSM-M2.505SS

0.22
0.88
Vis Inox 6 pans creux M3 x 25 mm - Tête Cylindrique

Ref : SHCSM325SS

0.59
4.13
Roulement à billes Epaulé (avec bride) F689-2RS - 9 x 17 x 5 mm

Ref : ROU-F689-2RS

3.49
20.94
Ecrou M3 en Acier Inoxydabe A2

Ref : ECR-M3SS

0.19
0.19
Vis Inox 6 pans creux M3 x 12 mm - Tête Cylindrique

Ref : SHCSM312SS

0.44
2.64
Vis Inox 6 Pans Creux -Tête ronde - M4 x 50mm

Ref : BHCSM450SS

0.79
2.37
Vis Inox 6 pans creux M5 x 50 mm - Tête Cylindrique

Ref : SHCSM550SS

1.09
1.09
Ecrou M5 en Acier Inoxydabe A2

Ref : ECR-M5SS

0.49
1.96
Ressort Compression - 80,5mm x 8,63mm x 0,63mm

Ref : RSS-80.5-8.63

3.90
3.90
Ecrou M4 en Acier Inoxydabe A2

Ref : ECR-M4SS

0.39
3.12
Courroie de Synchronisation GT2 Fermée - 79 dents - 158 mm - Largeur 6 mm

Ref : COS-GT2F-158-6MM

2.99
2.99
Poulie Crantée 20 dents - 5mm pour courroies GT2 6mm

Ref : POUGT2-20-5

3.10
3.10
Plaque d

Ref : ELE-PCBV5070

1.00
1.00
Roulement à billes MR63ZZ - 3mm x 6mm x 2.5mm

Ref : ROU-MR63ZZ

1.49
8.94
Roulement à billes MR83ZZ - 3mm x 8mm x 3mm

Ref : ROU-MR83ZZ-3

0.99
5.94
Condensateur 4700uF 35V Electrolytique Aluminium.

Ref : CAP-4700UF25V

4.39
8.78
Transistor / Régulateur de Tension 12V - 2A - L78S12CV.

Ref : TRA-L78S12CV

1.39
1.39
Bornier à Vis 2 Pôles - 5,08 mm - pour Circuit Imprimé - PCB

Ref : PCB-301-2P-5.08

0.89
2.67
Pont Redresseur MonoPhasé - 2A - 50V - 4 Broches

Ref : PRD-M50V2A

5.90
11.80
Cable 2 x 1.5 mm² - Audio et Alimentation Faible Tension - au Mètre

Ref : CAB-1.5-2C

0.99
1.98
Vis Phillips auto taraudeuse M4*12 inox

Ref : VIS-PTHM0412-SS

0.44
2.20
Vis 6 pans creux M4 x 25 - Tête Cylindrique

Ref : SHCSM425S

0.26
0.52
Module Mini 360DC Buck Converter Step Down- 0,8 à 20VDC en sortie

Ref : MOD-360DC-BC-1

2.90
2.90
Vis 6 pans creux Inox M5 x 35 mm - Tête Ronde

Ref : BHCSM535SS

0.79
2.37
Joint Torique - 1mm x 5mm x 7mm

Ref : JT-ETANCH-1x5x7

0.59
1.77
Rondelle Nylon M3 - Noir - M3x8x1mm - Lot de 10

Ref : VIS-WASNYLM3x8B-10

1.50
1.50
WAVIN - Tube PVC gris évacuation NFE+NFM1 gris Ø 80mm 2m - 3025639

Ref : B00US6E8K4

8.21
8.21
Maillet Manche Bois à Embouts Plastique ou Caoutchouc Interchangeables

Ref : OUT-MAIL-MB1

14.79
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Fer à Souder Saike 220V avec 10 Pannes

Ref : OUT-FS10PC

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1. Introduction > 5 min

L’éolienne 3dp MKII est une éolienne entièrement fonctionnelle, optimisée pour la production de 5 Watts, soit 0,4 ampère en 12V, avec un vent de 5 m/s (mètre par seconde).

La production d’énergie est idéale pour une station de recharge de smartphone ou tablette.

Le design unique du pas variable passif (PVP) permet un maintien optimal de la puissance de sortie en contrôlant, par l’orientation des pales (le pas), la vitesse de rotation de la turbine. 

 

Cela protège par la même occasion l’éolienne en évitant des vitesses de rotation trop élevées.

Daniel Davis a utilisé du PLA pour la version qu’il a partagé.

Pour ma part, j’ai choisi de réaliser un maximum de pièces en PETG, plus adapté à une utilisation en extérieur notamment pour ses propriétés de faible absorption d’eau.

Ma démarche est la suivante : J’imprime d’abord toutes les pièces en PETG et monte l’éolienne. Puis, si des tests révèlent que certains composants sont inadaptés (trop souples par exemple), alors je les imprimerai en PLA+ (une formule boostée mécaniquement du PLA), voir en ABS.

La plupart des pièces ne nécessitent ni support ni une longue finition.

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2. Les données issues des tests du concepteur > 5 min

Daniel Davis a publié un graphique présentant la performance de l’éolienne 3dp MKII 5 Watt.

Le graphique met en relation le nombre de rotations par minute, l’angle des pales (le pas) et la tension de sortie.

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3. Impression 3D > 30 heures

Il y a pas mal de pièces à imprimer. En effet, quasiment toutes les pièces sont imprimées à part le mât de support (tuyau PVC rigide), le moteur DC à aimants permanents et la quincaillerie. J’imprime, pour la première fabrication, toutes les pièces en filament PETG pour une meilleure résistance en extérieur. Je considérerai, si des pièces venaient à souffrir mécaniquement, les filaments PLA+ ou ABS.

A noter qu’il est conseillé d’utiliser un filament de teinte clair, voire blanc, afin de limiter la montée en température sous le soleil. En effet, sous un fort soleil, une pièce en filament noir pourrait se rapprocher rapprochement de sa température de transition vitreuse (TG), voire la dépasser et perdre alors en rigidité (ramollir, se déformer, etc.).

En tout, il y aura 22 composants de l'eolienne différents à imprimer, dont quelques-uns (les pales, les arbres de réglages du pas variable) en triple exemplaires (28 pièces au total). 

A l’exception de 2 pièces (le cône du nez et son capot), il n’y a pas besoin de support pour vos impressions.

Certaines pièces doivent être idéalement imprimées en mode précision, c’est à dire avec une hauteur de couche de 0,1mm. C’est notamment le cas des pièces avec filetage « Ecrou Axe» et  « Axe Rotor » qui bénéficieront de couches fines.

 Pour ma part, à part ces 2 pièces, j’imprime tout le reste en couches de 0,2mm.

Contrairement au concepteur de ce beau projet, j’imprime la plupart des pièces en remplissage 100%. En effet, les quelques grammes supplémentaires sont tout à fait acceptables et ne coûtent probablement que 1 ou 2 euros de filament en plus pour tout le projet. De cette façon, je peux compter sur une rigidité et une densité plus importante des pièces. L’impact sur l’inertie est relativement insignifiant d’après mes observations du comportement et du rendement de l’éolienne.  En revanche, je suppose que le poids des pales est un facteur important et il faut viser un rappord poids/résistance optimal.

Je fais donc un premier essai avec 4 couches de périmètre, pour obtenir une "peau" de 1,6mm d'épaisseur et un taux de remplissage de 30% en nid d'abeille. Le résultat est une pale de 47 grammes contre 63 grammes si je l'imprime avec un remplissage de 100%. 

En ne faisant qu'1 couche de périmètre (peau de 0,4mm), et toujours avec un remplissage de 30% , le poids serait de 31 grammes, soit une diminution de 34% par rappord à la version à 4 couches de périmètre.

A noter que je n’ai apporté de modifications que sur 6 pièces par rapport aux designs originaux. Pour le pied, les 2 pièces modifiées sont « TOWER-HEADER-EU » et « TOWER-FOOTER-EU ». Ces 2 pièces se manchonnent sur le tube PVC qui constituera le mât, et les standards métriques sont différents des standards impériaux en vigueur dans les pays anglo-saxons. J’ai donc modifié ces 2 pièces pour aller avec un tube PVC 74 mm x 80 mm (Diamètre Intérieur x Diamètre Extérieur), qui est très facile à trouver en France et en Europe. 

J’ai ensuite ajouté un passage de câble pour le routage des câbles du « slip ring » dans la pièce "Structure Principale" à l’opposé du passage déjà prévu par le concepteur original pour le moteur pas à pas (génératrice).

Enfin, j’ai modifié légèrement le mécanisme de pas variable pour notre éolienne, avec notamment :

L’augmentation du diamètre de l’axe de la pièce « Manivelle Réglage Pas » pour réduire le jeu dans les roulements du rotor.
L’ajout d’un écrou M5 dans la pièce « Manivelle Réglage Pas » pour bloquer la vis M5x40 et empêcher qu’elle ne pivote sur son axe.
La modification du « Bras Réglage Pas » avec l’ajout de roulements à billes des 2 côtés pour limiter la friction et faciliter (du moins c’est l’objectif) un réglage du pas précis, réactif, et surtout homogène entre les pales.
Enfin, j'ai imprimé la pale avec un écrou noyé carré, car d'expérience, ils sont plus faciles à insérer dans des pièces usinées ou imprimées en 3D. Je mets les 2 versions de pales dans le dossier ZIP: l'originale avec l'écrou M5 hexagonal et la version avec un écrou M5 carré.
J’ai apporté ces modifications car le premier assemblage de rotor révélait un léger battement des pales sur leur axe.

Vous trouverez dans le chapitre suivant une nomenclature complète de l’éolienne, avec les réglages d’impression.

A noter donc que je publie ci-dessous un tableau des paramètres d’impression que j’ai utilisé, et qui diffèrent légèrement par rapport à ceux de Daniel Davis que vous trouverez sur son projet thingiverse (en anglais): .

Les lignes surlignées en jaune correspondent aux pièces qui nécessitent un support dans les paramétrages du slicer…ou trancheur de votre imprimante 3D (Slic3r, Simplify 3D, etc.)

Les lignes surlignées en bleu attirent votre attention sur le besoin d’imprimer la pièce à une vitesse faible pour optimiser la qualité des détails (ex : les dents des poulies crantées). 

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4. La Nomenclature > 0 min

Voici la nomenclature complète de la dernière version (à Avril 2017) de l’éolienne 3dp MKII :

Beaucoup de références sont des pièces imprimées en 3D et vous aurez besoin d'environ 900g de filament. Tout ce dont vous avez besoin pour la réalisation de ce super projet est disponible dans l'onglet "Matériel" où vous pouvez ajouter tous les composants en clic, ou ne sélectionner que ceux qui vous manquent pour la réalisation du projet de A à Z, idem pour les outils.

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5. Assemblage du Mât > 20 min

Tableau

Pour cette étape, il vous faudra idéalement les outils suivants :

  • Un maillet à tête en caoutchouc pour insérer les roulements dans les pièces imprimées
  • Une scie à métaux pour découper le tuyau PVC et un masque anti poussière pour protéger vos poumons pendant que vous découpez.
  • Une pince à dénuder
  • 1 fer à souder et de l’étain (ou des connecteurs à sertir étanches et fiables)

Je commence par l’assemblage du mât, qui déterminera l’élévation de l’éolienne. Même si le principe d’une éolienne est d’être en hauteur, là où il y a du vent et moins de turbulences, je vais utiliser comme mât un tuyau d’1 mètre de longueur, s’agissant d’un projet éducatif “portable”.

 Je prépare donc les éléments suivants :

  • Les 3 pièces imprimées : « Pied de Mât », « Tête de Mât » et « Axe Pivot Mât »
  • 2 roulements à billes avec bride F6805-2RS
  • 1 mètre dans le tuyau PVC (ou plus, en fonction de votre installation)
  • 1 joint torique (O-ring) de 25mm de diamètre intérieur. Note post assemblage: J’ai initiallement utilisé un joint de 2,5mm d’épaisseur, donc 25 x 30 x 2,5mm, mais il s'est avéré trop épais et avait tendance à bloquer le pivot de l'éolienne sur le mât. Je recommande donc une épaisseur de 1,5mm max.
  • 1 « slip ring » de diamètre 12,5 mm qui sert à éviter que les fils ne s’emmêlent ou se casse à force de tourner sur eux même sous l’effet de la rotation de la turbine sur le mât.
  • 1 mètre (ou plus selon votre installation) de câble bi-conducteurs (2 brins) de section 1mm2 ou 1,5mm2
  • 8 vis auto-taraudeuse M5 en inox. La longueur dépend du support qui lestera votre pied de mât.

Enfin, il vous faudra un support, ou socle pour fixer la base. Le support doit être fixe, ou  il doit être très lourd (lesté) s'il est mobile. Vous pourrez visser le pied de mât dans le support, grâce aux 8 empreintes pour vis M5 têtes fraisées qui figurent sur la base du pied de mât. 

1.   Découpez le tuyau PVC à la bonne longueur à l’aide d’une scie à métaux. Marquez la coupe au feutre avant de couper et portez un masque pour ne pas respirer la poussière de PVC. Une fois la découpe réalisée, utilisez du papier de verre fin (100, 120 ou 150) pour finir les champs, toujours avec le masque.

2.  Si vous avez choisi d’utiliser la même électronique, et les même boîtiers imprimés que nous, vous pouvez utiliser 2 sections de tube, avec au milieu le module de support de l’électronique. Il y a évidemment beaucoup d’autres options pour installer l’électronique, l’important étant l’étanchéité si vous voulez l’installer durablement en extérieur.

3.  Fixez le pied au support lesté à l’aide de vis à têtes fraisés (M5 ou 5mm) en inox.

4.  Enfilez le tuyau PVC sur le pied. Si le tuyau ne rentre pas, poncez au papier fin (120 par exemple) le cylindre de la pièce « pied de mât » pour enlever 1 ou 2 dixièmes de millimètres.

5.  Une fois que vous avez un bon encastrement, Percez 2 trous à l’aide d’un foret de 4 ou 4,5mm à 120° d’intervalle à travers le tube et le pied (à 90° du mât).

6.   Puis à l’aide d’un taraud et d’un « tourne à gauche » (l’outil porte-taraud), taraudez les 2 perçages en M5.

7.   Enfin, insérez 2 vis M5*20, qui serviront à bloquer le tube sur le mât (comme un pied de parasol).

8.  Puis nous allons préparer la tête de mât. D’abord, insérez les 2 roulements à billes F6805-2RS dans les emplacements prévus. Il est possible que vous ayez besoin de taper doucement dessus au maillet (tête caoutchouc) pour les faire rentrer, mais si votre imprimante est bien réglée, vous n’avez pas besoin de ponçage.

9.     Puis enfilez la pièce « Axe Pivot Mât » par l’intérieur de la « tête de mât ». L’axe passe dans les 2 roulements, ce qui facilitera l’orientation de l’éolienne vers le vent.

 10.  Puis, glissez le « slip ring » par l’intérieur, dans l’ « Axe Pivot Mât ». Il faut au préalable glisser les câbles qui vont vers le moteur dans le perçage au centre de l’axe. Cette pièce devrait tenir naturellement, mais vous avez aussi la possibilité de visser le « Slip Ring » à l’ « Axe Pivot Mât » à l’aide de vis M3. Note post assemblage: c’est l’ordre dans lequel je l’ai monté, mais après montage, il me semble qu’il aurait été plus malin de d’abord assembler “l’axe Pivot Mât” à la structure, puis faire passer la tige fileté M6 au travers de la structure, et seulement après faire passer les câbles et installer le slip ring. La raison est que sinon, il est difficile de garantir que les fils soient hors du passage de la tige filetée et vous pourriez endommager un ou plusieurs fils (ils sont très fins) en vissant.

On va maintenant passer à l’assemblage du rotor. Voici le (super) schéma d’assemblage réalisé par Daniel Davis, que nous avons traduit pour plus de facilité et pour que vous vous y retrouviez facilement dans le nom des pièces.

Sur l’éolienne que nous avons fabriqué pour ce projet, j’ai ajouté quelques roulements sur les mécanismes de pas variable et donc modifié un peu l’assemblage. ça ne transparait pas sur le le schéma. Vous pouvez soit faire comme nous, soit imprimer les pièces originales de Daniel Davis et vous conformer à ce schéma de montage à la lettre. Les pièces originales sont disponibles sur https://www.thingiverse.com/thing:2060281.

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6. Assemblage des bras articulés du Pas variable Passif > 30 min

Nous allons maintenant assembler (et en profiter pour comprendre) le mécanisme du pas variable passif.

 Pour cela, nous allons préparer les pièces suivantes :

  • Les 3 pièces imprimées « Bras Réglage Pas »
  • Les 3 pièces imprimées « Manivelle Réglage Pas »
  • 6 roulements MR63ZZ
  • 6 roulements MR83ZZ
  • 3 Vis M3 x 12mm tête cylindrique, 6 pans creux, en inox
  • 3 rondelles M3 en nylon
  • 3 écrous M3 en inox
  • 3 vis M5 x 35mm en inox
  • 3 écrous M5 en inox
  • Du frein filet moyen

Préparez aussi une perceuse (électrique ou perceuse à main) avec un forêt HSS (type foret métal) de Ø3mm.

 1. Nous allons commencer par harmoniser les perçages 3 mm sur les pièces imprimées « Manivelle Réglage Pas ». En effet, il faut que les bras coulissent bien au niveau des articulations, autour des vis M3. Puis nous insérons un écrou M5 dans la base de la pièce comme sur l’image ci-dessous:

2. Puis nous allons assembler les 3 bras avec les manivelles.

  1. Le raccord se fait à l’aide d’une vis M3 x 12. Faites passer la vis à travers des perçages sur les 2 pièces,
  2. Puis installez une rondelle M3 en nylon
  3. Déposez une bonne goutte de frein filet sur l’extrémité visible de la vis
  4. Puis vissez l’écrou. Vissez-le de façon à ce que l’articulation puisse pivoter sans trop de friction. Comme on ne peut pas serrer fort, le frein filet est là pour bloquer l’écrou. Une fois le bon serrage atteint, attendez quelques minutes pour que le frein filet prenne.

3. Une fois les 3 articulations réalisées, vissez les 3 vis M5 x 40mm dans les « Manivelles de Réglage Pas »

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7. Préparation du Moyeu > 20 min

Préparons maintenant le moyeu des pâles avec son arbre de transmission.

 Pour cela, rassemblez les pièces et composants suivant :

  • La pièce imprimée « Moyeu Pales »
  • La pièce imprimée « Carter Piston »
  • La pièce imprimée « Axe Rotor »
  • 6 roulements à billes épaulés F689-2RS
  • 3 vis M3 x 25mm, têtes cylindriques, en acier inox.
  • 3 écrous M3 en inox

 1. Insérez les écrous inox M3 dans les réservations au fond de la pièce « Moyeu Pales ».

2. Insérez les roulements épaulés F689-2RS dans les 3 emplacements sur les côtés du moyeu. Pour chaque trou, il y a 2 roulements à installer, 1 par l’intérieur et 1 par l’extérieur.

3.   Insérez les mécanismes de pas variable en enfilant la vis M5x35 qui dépasse des mécanismes par l’intérieur dans le roulement et en poussant jusqu’à la butée

3. Insérez la pièce « Carter Piston » dans la pièce « Arbre Rotor».

4. Puis Insérez 3 vis M3 x 25mm dans la pièce « Arbre Rotor » et assemblez le moyeu et l’axe en serrant progressivement les 3 vis. Si le « Carter Piston » ne rentre pas dans le « Moyeu Pales », un petit coup de papier de verre (grain 120 ou 150) sur le champ du perçage résoudra le problème immédiatement (sinon, des réglages doivent être faits sur votre imprimante pour augmenter la précision).

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8. Raccord du Piston aux Bras Articulés du Pas variable Passif > 20 min

Pour cette étape, on a besoin de :

  • Les 3 bras articulés qu’on a assemblé dans l’étape précédente
  • La pièce imprimée en 3D « Piston »
  • 3 Vis M3 x 12mm tête cylindrique, 6 pans creux, en inox
  • 3 rondelles M3 en nylon
  1. Commencez par insérer le “Piston” dans le « Carter Piston » dans le moyeu.
  2. Puis on visse chacun des 3 bras articulés à un des côtés de la base du piston, à l’aide d’une vis M3x12mm en inox, en mettant une rondelle en nylon entre la tête de la vis et le bras articulé. Attention, ne serrez pas trop sinon le mécanisme ne coulissera pas.

3.Une fois le piston fixé aux 3 bras, vérifiez que vous pouvez lever et baisser le piston, et que les bras suivent le mouvement (vous devez voir les Vis M5 pivoter en même temps que le mouvement du piston). Notez que les “coudes” des articulations doivent se replier à l’opposer de la vis M3.

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9. Le montage des pales de l’éolienne > 30 min

On est prêt pour le montage des pales. Il va nous falloir :

  • Les 3 pales imprimées en 3D (avec l’écrou captif à l’intérieur)
  • 3 joints toriques (diamètre intérieur 5mm)
  • 3 tiges filetées à 2 têtes ou 3 vis M4x50mm en inox
  • 6 écrous M4 en inox
  • Du frein filet moyen

D’abord, vissez 2 écrous M4 sur la tige filetée M4x50mm, un sur chaque tête (ou sur la vis M4 x 50mm). Préparez les 3 vis en même temps pour avoir les mêmes positions des écrous. C’est important pour l’équilibre des pales. Mettez les côte à côte pour vérifier que les montages sont bien identiques. Plus la vitesse de rotation de l’éolienne sera importante, et plus un écart de répartition des masses entraînera des vibrations et un risque de casse.

Puis vissez chacune des tiges filetées M4x50mm dans la base d’une des pales, sur environ 10mm de long. La modification de la hauteur ou l’ajout d’autres écrous modifiera l’impact de la vitesse de rotation sur l’ouverture du pas.

Plus la vitesse de rotation de l’hélice sera élevée plus la force centrifuge écartera les têtes de ces vis du centre de rotation (le centre de notre moyeu), modifiant ainsi le pas de l’hélice. Quand l’hélice ralentira, c’est à dire que la vitesse de rotation sera moins élevée, l’impact de la force centrifuge sur la masse des vis M4x50mm sera compensée par la puissance du ressort (qu’on installera plus tard) et le pas se modifiera dans le sens inverse.

Suivez à la lettre les instructions suivantes pour un montage rapide, facile, et un bon réglage d’emblée :

 1. Commencez par pousser (vers l’intérieur du moyeu) le piston au maximum, de sorte que les bras soient « coudés » au max.

2. On va laisser le piston poussé au max (en butée) pendant tout le montage des pales de l’éolienne, en effet, cela correspond à la position de démarrage, quand il n’y a pas de force centrifuge.

Pour chaque pale:

3. Enfilez le joint torique M5 sur la vis et mettez une bonne goutte de frein filet sur le bout du filetage, qui servira éviter que la pale ne se dévisse.

4. Vissez la pale sur la vis jusqu’à ce que la partie droite de la base (la face perpendiculaire à la vis M4x50mm), soit parallèle avec la marque d’alignement sur le moyeu. Attention, quand vous ajustez le réglage, vérifiez bien que le piston soit bien tiré au max (étape 1. et 2.) et maintenez le en place. Le mieux est de tenir d’une main le piston bien en place pour éviter que l’effort de vissage ne le fasse vriller et casse un ou plusieurs mécanismes de pas variable.

5. Le joint torique permet d’avoir quelques degrés de latitude dans le réglage, mais il est possible que vous deviez vous y reprendre à plusieurs fois pour avoir le bon alignement tout en ayant un serrage convenable (si ça ne le fait pas, dévissez entièrement la pale et revissez en attaquant avec quelques degrés de rotation supplémentaires).

Une fois les 3 pales assemblées, vous pouvez manipuler le piston (tirer, pousser) pour vérifier que le pas des pales se modifie bien de façon homogène.

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10. Assemblage de la structure > 40 min

Assemblons maintenant la structure, ou nacelle, qui recevra la « génératrice » (le moteur NEMA11 dont on se sert pour générer le courant) et le mécanisme de transmission entre l’axe du rotor et l’arbre du moteur pas à pas.

Pour cela, nous allons avoir besoin de :

  • La pièce imprimée « Structure Principale »
  • La pièce imprimée « Plaque Montage NEMA11 »
  • La pièce imprimée « Poulie GT2 60 dents »
  • La pièce imprimée « Courrone Poulie GT2 60 dents »
  • La poulie en aluminium GT2-20 dents pour arbre de Ø5mm.
  • La pièce imprimée « Structure Arrière »
  • La pièce imprimée « Carter Axe Rotor »
  • 2 paliers à roulements F6805-2RS
  • 4 vis M2.5x5mm à tête cylindrique en inox
  • 2 vis M3x25mm à tête cylindrique en inox
  • 2 vis M4x20mm à tête cylindrique en inox
  • 1 vis sans tête à bout pointeau M3x10mm
  • Le moteur pas à pas NEMA11

D’abord, on va installer le moteur pas à pas.

1. On peut tout d’abord insérer 1 roulement F6805-2RS dans la pièce « Structure Principale » par l’extérieur. La pièce doit rentrer « à forcer ». Si besoin, utiliser un petit bout de contreplaqué et un maillet caoutchouc pour taper sur le roulement et le faire rentrer.

2. Il y a un passage de câble pour router les câbles hors du chemin de l’axe de rotor. Il va falloir faire passer les 4 câbles du moteur NEMA11, à priori 1 par 1. Pour éviter un blocage, je vous conseille de couper la partie dénudée au bout de chaque câble. Faites passer le plus proprement possible (sans faire de bracelet scoubidou) les câbles du moteur NEMA11

3. Puis fixez la “Plaque de Montage NEMA11” sur le moteur NEMA11 à l’aide de 4 vis M2.5 x 5mm.

Insérez le moteur NEMA11 dans son emplacement. 

On peut maintenant fixer la « Plaque de Montage NEMA11 » à la nacelle  en utilisant 2 vis M3 x 25mm.

Il est temps de relier la structure à la tête de mât que nous avons préparé au préalable. Commencez par installer un joint torique de diamètre intérieur 25mm autour de l’axe (« Axe Pivot Mât »). Puis faites passer les câbles du slip ring dans le passage de câble à l’opposé de celui que vous avez utilisé pour les câbles du moteur NEMA.

Pour le montage de cette éolienne, j’ai installé le slip ring dans la pièce “Axe Pivot Mât” avant de l’insérer dans la structure, ce qui m’a causé des soucis quand est venu le temps de visser la tige filetée M6.

Assurez-vous que les câbles du moteur NEMA11 et ceux du “slip Ring”vont directement dans le passage de câble, qu’il ne reste pas de mou (câbles pendouillant) entre le moteur et le passage de câble. Il faut que les câbles rasent au plus près la structure.

Enfilez la pièce « Carter Axe Rotor » jusqu’au roulement. Elle doit rentrer parfaitement et rester en place, l’épaulement reposant contre la structure. Cette pièce empêchera les câbles du moteur pas à pas NEMA11 et du « slip ring » de frotter sur l’axe en rotation et de s’user prématurément.

Nous allons maintenant préparer l’arrière de la structure.

Insérez un roulement 6805-2RS dans la pièce “Structure Arrière”. Pour limiter la friction, et compte tenu du fait que le roulement est à l’intérieur de la structure et à l’abris de la pluie et de la poussière, j’enlève les joints d’étanchéité du roulement (avec la pointe d’un couteau de précision) et je “nettoie” à la souflette le surplus de graisse qui est dans le roulement.

Puis faites passer la pièce imprimée “écrou Carter Arbre” par l'arrière de la pièce “Structure Arrière” (le côté de l’épaulement, ou bride, du roulement).

Enfilez maintenant la pièce “Couronne Poulie GT2 60 dents”  sur “l’écrou carter” de sorte que la couronne soit bien à plat au contact du roulement. Enfilez ensuite la seconde partie de la poulie GT2 60 dents après avoir inséré une vis pointeau dans l’emplacement (la vis servira à bloquer la poulie sur l’arbre). Vous pouvez serrer la poulie 60 dents à ce stade sur l’arbre, bien en butée contre le roulement.

Puis faites passer les câbles du moteur NEMA11 et les câbles du slip ring à travers les perçages prévus à cet effet sur la pièce “Structure Arrière”.

Installez la courroie GT2 sur la poulie 60 dents. Puis sortez la poulie 20 dents de l’arbre du moteur et faites y passer l’autre extrémité de la courroie.

Vous pouvez maintenant insérer la poulie 20 dents sur l’arbre du moteur tout en serrant l’écrou (en en faisant tourner le rotor et en maintenant l’écrou). Au fur et à mesure que l’écrou avance sur l’arbre, faites avancer la poulie 20 dents sur l’arbre.

Pour finaliser l’assemblage de la structure, il nous faut insérer l’axe du moteur et donc raccorder le rotor. En effet, les poulies et la courroie, qui sont en charge d’accélérer la rotation de l’arbre de la génératrice (démultiplication de 3 par rapport au régime des hélices), se fixe sur l’arbre.

Insérez l’arbre du rotor dans la structure et alignez l’écrou de la structure avec l’arbre, puis vissez.

Quand vous êtes en butée (ecrou d’arbre bien serré), vous pouvez aligner les 2 poulies, puis serrez la poulie 20 dents sur l’arbre en en utilisant une clé allen 1mm.

A ce stade, il ne reste plus qu’à installer le nez (après avoir installer la vis M5 et le ressort), le carter de la nacelle et l’aileron arrière (et la tige filetée M6 si vous ne l’avez pas encore fait), pour que l’éolienne soit complète.

Le cone, ou nez, se fixe à l’aide de 4 vis auto-taraudeuses M4x12mm.

 

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11. Souder les câbles du NEMA11 et du Slip Ring > 12 min

Le slip ring a 6 câbles, 2 d’entre eux seront donc inutilisés. Pour les autres, on va souder chacun d’entre eux à un des câbles du moteur, en notant les correspondances de couleur (par exemple le bleu du moteur soudé au jaune du slip ring). Pensez à insérer de la petite gaine thermorétractable avant de souder. L’idéal est de dénuder sur 10 à 15 mm et d’étamer les extrémités des 2 câbles avant de les souder entre eux, en maintenant les 2 brins à l’aide d’une troisième main. Puis quand les 2 brins sont bien soudés, on chauffe la gaine thermo au dessus de la soudure.

Quand les 4 câbles sont bien soudés et que vous êtes certains que vous avez bien isolé chacun d’eux pour éviter tout risque de court circuit, on peut passer à l’assemblage de l’électronique.

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12. Assembler l’électronique > 30 min

Cette éolienne a été pensée, du moins c’est mon interprétation du projet de Daniel Davis, pour charger une batterie 5, 9 ou 12V et servir de point de recharge pour des appareils type Smartphones ou tablettes.

Ces appareils nécessitent une sortie USB capable de délivrer un courant de 1A ou plus en 5V DC (courant continu), ce qui correspond à la puissance de génération max du moteur pas à pas NEMA11 que nous utilisons.

En faisant tourner l’axe du moteur à aimants permanents, on va générer un courant Alternatif, car la polarité des aimants est alternée. Chacune des 2 phases (correspondant aux 2 bobines du moteur) participe donc à la production d’un courant alternatif que l’on va devoir convertir, ou « rectifier » en un courant continu ou « direct ». 

Pour cela, on fait transiter le courant de ces 2 phases par un « pont de redressement » sous la forme d’un composant à 4 broches, puis on charge des condensateurs et enfin on envoie le courant rectifié des 2 bobines vers un transistor qui convertira la tension en 12V.

Chacune des 2 phases est une entrée sur ce circuit, puis le courant est combiné et la tension régulée par un régulateur 12V qui va mettre un plafond à la tension et dissiper l’excédent quand la tension dépasse les 12V.

Sur les moteurs pas à pas dont les 4 câbles sont Rouge, Bleu, Vert, Noir, il y a une phase Rouge/Bleu et une phase Vert/Noir.

Les 2 câbles du slip ring qui sont connectés au câble Rouge et au câble Bleu (Phase 1) du moteur iront donc sur le premier connecteur d’entrée, X1 sur le schéma Fritzing. Les câbles du slip ring connectés au câble Vert et au câble Noir (phase 2) du moteur iront sur le connecteur X2.

Comme il faut mettre l’électronique à distance de la structure, on va rallonger les câbles du slip ring avec du câble 2 x 1.5mm2. suffisamment long pour atteindre (avec 15 bon centimètres de sécurité) l’emplacement retenu pour l’électronique. Pour rallonger les câbles, je vous conseille là encore de souder les extrémités.

  1. Faites de bonnes soudures étamant chaque brin avant de les souder ensemble.
  2. Utiliser une gaine thermo-rétractable de qualité (avec adhésif) pour isoler les parties soudées ou dénudées. Il est important d’être confiant sur les soudures et l’isolation de chaque brin car une fois assemblée, l’accès sera plus difficile, du moins plus pénible.
  3. Enfin, marquez les câbles pour distinguer facilement les 2 phases.

Une fois que c’est fait, vous pouvez fixer définitivement la tête de mât sur le tuyau PVC, en vissant au travers du PVC et de la pièce imprimée par exemple, ou en faisant un joint. En bas du tuyau PVC, faites sortir les câbles des 2 phases (en utilisant par exemple un presse étoupe, ou comme nous en imprimant un boîtier qui s’emmanche sur le tube) et connectez-les au circuit de “redressement” de la tension.

Pour avoir du 5V en sortie, nous avons fait un essai avec un module convertisseur “step down” (abaisseur de tension) qui accepte 4,5V à 28 Volts en sortie. S’il s’avère concluant, on peut imaginer supprimer le régulateur 12V en sortie du redresseur pour y mettre un step down directement en sortie des condensateurs. Voici ce que ça donnerait si on fabriquait un circuit imprimé. J’ai conçu ce circuit simple sur Eagle, avec l’objectif d’y souder à poste un convertisseur “step down”, ce qui fait une installation propre sans avoir trop de composants à souder...et économisant le temps de conception du step down (schéma, composants, PCB layout, etc.).

Voici le schéma électrique réalisé par Daniel Davis.

Ci-dessous, vous trouverez un schéma Fritzing pour vous aider à réaliser vous même le circuit. Les 2 connecteurs en haut sont pour faire entrer les 2 phases du moteur NEMA11. Le connecteur en bas est la sortie 12V (Max).

Vous pouvez réaliser le circuit sur une plaque d’expérimentation, ou prendre directement un circuit imprimé de ce circuit, plus facile à souder.

Pour avoir du 5V en sortie, nous avons fait un essai avec un module convertisseur “step down” (abaisseur de tension) qui accepte 4,5V à 28 Volts en sortie. S’il s’avère concluant, on peut imaginer supprimer le régulateur 12V en sortie du redresseur pour y mettre un step down directement en sortie des condensateurs. Voici ce que ça donnerait si on fabriquait un circuit imprimé. J’ai dessiné ce circuit simple sur Eagle, avec l’objectif d’y souder à poste un convertisseur “step down” (ref MOD-360DC-BC-1), ce qui fait une installation propre sans avoir trop de composants à souder... et économisant le temps de conception du step down (schéma, composants, PCB layout, etc.).

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13. Premier Test > 10 min

Pour valider le bon fonctionnement de l'éolienne, je vous conseille de faire un test sans "load", c'est à dire sans rien de branché à la sortie de votre circuit de redressage/régulation.

Un jour de vent, installez l'éolienne et avec un voltmètre, mesurez la tension en sortie, comme sur la vidéo ci-dessous.

 

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