Définitions : Le moyeu du rotor est fixé à l'arbre lent de l'éolienne.

L'arbre lent de l'éolienne lie le moyeu du rotor au multiplicateur. L’arbre lent étant relié directement au  moyeu du rotor, c’est à dire directement à la suite de l’éolienne, son couple est très grand car un grand moment est crée , cela est dut à la grandeur de l’éolienne. Par contre sa vitesse est très faible est varie. Le rotor d'une éolienne moderne de 1.000 kW tourne assez lentement, environ 20 tours par minute. L'arbre contient des tuyaux pour le système hydraulique permettant l'opération des freins aérodynamiques.

L'arbre rapide tourne à environ 1.500 tours par minute et entraîne la génératrice électrique. L’arbre rapide est l’inverse de l’arbre lent , c’est à dire que le moment après être passé dans le multiplicateur voit son couple diminué mais sa vitesse augmenté pour l’alternateur.  Il est muni d'un frein mécanique à disque actionné en cas d'urgence - lorsque le frein aérodynamique tombe en panne - ou en cas de maintenance de l'éolienne.

La génératrice (ou l'alternateur) est généralement asynchrone. La puissance électrique maximale d'une éolienne moderne se situe normalement entre 600 et 2.500 kW.

1.     Le multiplicateur de l'éolienne

1.      Pourquoi utiliser un multiplicateur ?
La puissance produite par la rotation du rotor d'une éolienne est transmise à la génératrice par toute une chaîne dynamique, c.-à-d. par l'arbre lent, le multiplicateur et l'arbre rapide.
Mais pourquoi, en fait, utiliser un multiplicateur  ? N'est-ce pas possible d'entraîner la génératrice directement par la puissance produite par l'arbre lent ?
Si nous utilisions une génératrice ordinaire, raccordée directement à un réseau CA (courant alternatif) à 50 Hz et à trois phases avec deux, quatre ou six pôles, il nous faudrait une turbine à une vitesse extrême variant entre 1.000 et 3.000 tours par minute. Avec un diamètre de rotor de 43 mètres, cela impliquera une vitesse tangentielle des pales du rotor à leur extrémité de plus de deux fois la vitesse du son - il vaut donc mieux laisser tomber cette idée tout de suite.
Une autre possibilité consiste à construire une génératrice CA à marche lente, munie d'une multitude de pôles. Mais si vous désirez raccorder votre génératrice directement au réseau, vous aurez besoin d'une génératrice à 200 pôles (c.-à-d. à 300 aimants) pour obtenir une vitesse de rotation raisonnable de 30 tours par minute.
Un autre problème est le fait que la masse du rotor de la génératrice doit être plus ou moins proportionnelle au couple (moment ou couple de torsion) que le rotor doit pouvoir supporter. De toute manière, une génératrice entraînée directement sera donc très lourde - et coûtera très chère.

2.     Moindre couple, plus de vitesse

La solution pratique utilisée également dans beaucoup d'autres machines industrielles ainsi que dans les moteurs de voiture, consiste a installer un multiplicateur. Par l'emploi de celui-ci, il est possible de transformer la puissance à vitesse lente et à un couple élevé, produite par le rotor de l'éolienne, en une puissance à grande vitesse et à un couple bas utilisée par la génératrice.
Le multiplicateur d'une éolienne ne change pas de vitesses de la même façon que la boîte de vitesse d'une voiture. Il y a normalement un rapport constant entre la vitesse de rotation du rotor et celle de la génératrice. Pour une éolienne de 600 ou 750 kW, ce rapport est typiquement approximativement de 1 à 50 tours par minute.

3.     Application direct  :

Exemple

La photo ci-contre montre le multiplicateur d'une éolienne de 1,5 MW. Ce multiplicateur est un peu spécial à cause des brides situées sur la partie droite du multiplicateur (la partie à grande vitesse) et destinées à l'accouplement de deux génératrices. Les accessoires oranges que vous pouvez voir juste en dessous des brides sont les freins de secours à disque actionnés par un système hydraulique. Derrière, vous voyez la face inférieure de la nacelle pour une éolienne de 1,5 MW.

4.     Explication de fonctionnement d’un réducteur

Shema de principe de fonctionnement d’une éolienne

Sur l'image, le multiplicateur est situé à droite de l'arbre lent. Il fait tourner l'arbre rapide à une vitesse 75 fois supérieure à celle de l'arbre lent.

Le rotor est relié à un multiplicateur ( un système d'engrenages ) destiné à augmenter la vitesse de rotation. L' alternateur demande en effet une vitesse de rotation élevée pour fonctionner.

5.     Transmission mécanique et multiplicateur

1.      De manière générale, la transmission mécanique a pour fonction de transmettre la puissance du rotor vers la génératrice.

2.      Dans le cas des éoliennes à génératrice basse vitesse, la transmission est réduite à sa plus simple expression : un roulement et un arbre mécanique (qui est aussi celui de la génératrice).

3.      Dans le cas des éoliennes conventionnelles, la transmission comporte les éléments suivants :
     une ligne d'arbre basse vitesse, appelé aussi "arbre primaire"
     des roulements supportant cette ligne d'arbre
     un multiplicateur de vitesse entre le rotor et génératrice
     un arbre grande vitesse, ou "arbre secondaire", entre le multiplicateur et la génératrice

6.     Arbre primaire et roulements 

1.      L'arbre basse vitesse est une pièce en acier spécial sur lequel est placée à une extrémité une bride d'attache du moyeu (qui supporte les pales) et est connecté à son autre extrémité au multiplicateur. Dans certaines éoliennes (Turbowind 300 kW), cet arbre est supprimé car on utilise l'arbre basse vitesse du multiplicateur pour supporter directement le rotor.

2.      Pour certaines éoliennes, l'arbre primaire supporte aussi un frein à disque de grande dimension. Les roulements utilisés ont classiques : il s'agit en fait de paliers à rouleaux sphériques par exemple.

7.     Multiplicateur : Contraintes ,solutions et Entretien

Le multiplicateur d'une éolienne est soumis à des contraintes sévères : charge variable très rapidement, à-coups de couple, fatigue... La technologie utilisée peut être de type "arbres parallèles" à engrenages hélicoïdaux, ou de type planétaire ou encore mixte planétaire/parallèle avec le planétaire sur l'arbre d'entrée.

Le rendement est variable suivant la puissance transmise, mais tourne autour de 97%. La lubrification peut se faire par barbotage ou par injection d'huile forcée. Le refroidissement est soit à air, avec ou sans échangeur. Le multiplicateur est monté sur plots élastiques (plots de caoutchouc) pour amortir les vibrations et limiter la transmission du bruit à la structure porteuse. Il peut aussi être monté "flottant" pour encaisser les à-coups de couple.

Les fabricants sont nombreux : Flender, Valmet, Hansen, PIV, CMD, Jahnel-Kestermann..

8.     Arbre secondaire

Cet arbre raccorde le multiplicateur de vitesse à la génératrice électrique. Différentes configurations sont utilisées :
- accouplement direct de la génératrice sur le multiplicateur
- arbre secondaire avec accouplement élastique
- arbre secondaire avec cardan

Un accouplement élastique a l'avantage de découpler la génératrice du multiplicateur : amortissement des vibrations et à-coups, facilité de démontage, rattrapage des défauts d'alignement.

De plus, cet arbre supporte parfois un frein à disque lorsque celui-ci n'est pas placé sur l'arbre primaire.

9.     Schéma explicatif du réducteur

Schéma d’une transmission par roues(engrenage)

 Lien rigide en mouvement continu

Le sens de rotation s'inverse d'une roue à l'autre. Le pignon d'attaque doit effectuer plusieurs tours pour un seul de la grande roue, c'est pourquoi on appelle ce montage un réducteur.

De J1 à J6, la vitesse est réduite mais le couple est accru (le couple = la force).

Schéma de principe de la transformation d’un couple et vitesse à un couple faible et une grande vitesse

Montage d’un réducteur :