Claude Gueniffey
Les moteurs électriques
Deuxième partie
Retour en arrière - Le choix du variateur
Le choix de l'hélice - Exemple récapitulatif
Dans la première partie de cet article nous avons parlé des moteurs. Seuls, ils ne sont pas utilisables, il faut leur adjoindre un variateur ou un contacteur et une hélice ou une turbine.
Je ne vous parlerais pas dans cet article des contacteurs ni des turbines, mais des variateurs et des hélices.
Je remercie ceux qui m’ont envoyé des mails et des remarques. Voici quelques réflexions de Claude Balada, alias Eul'Claude :
J'ai lu ton excellent article sur les moteurs électriques. Je me permettrais, en toute modestie, quelques compléments...
A propos des "brushless" ou moteurs à commutation :
> ...pas de limite de vitesse si ce n’est celle des roulements...
Et celle des variateurs (vitesse de commutation). En effet, lorsque l'on se penche sur le "soft" d'un variateur de ce type, on se rend compte que la vitesse du moteur est directement liée à la vitesse de commutation, elle même liée à la fréquence d'horloge du microcontrôleur... (Si cela t'intéresses, il y a une bonne note d'application chez Motorola que je peux te fournir).
> ...ils sont pour la plupart sans capteur "sensorless" ce qui permet l’utilisation d’un variateur brushless d’une marque sur un moteur d’une autre...
A condition que le dit variateur soit aussi "sensorless". L'électronique n'est plus la même. Pour la commutation, au lieu d'utiliser l'information de capteurs pour détecter la position du rotor, elle se sert de la forme du courant dans les bobines (en simplifiant...). Ce type de variateur permet de redonner une certaine "jeunesse" à un moteur "ancienne génération" (à capteurs).
A propos des réducteurs :
Le réducteur est surtout utile (à mon sens) pour faire "travailler" le moteur au plus près de son rendement max. Cela permet alors de le faire tourner à une vitesse beaucoup plus élevée qu'en prise directe. Même si les moteurs à aimants en terre rare sont plus tolérants que les moteurs ferrite sur ce point, lorsque l'on fait tourner un Webra 15/7 à 7000 trs/mn avec une 10x6, on est loin de son rendement maxi !
J'attends la suite avec impatience. Il est vrai que le sujet est vaste.
Cordialement.
Claude Balada
Merci à toi, Claude, pour toutes ces précisions utiles.
Le choix du variateur
Une fois le moteur choisi, il faut passer au choix du variateur, classique ou pour brushless, mais là encore, tous les fabriquants ne s’accordent pas ! Certains indiquent l’intensité maximum utilisable pendant quelques secondes, d’autres l’intensité utilisable pendant une durée importante, etc.
Il faut choisir un variateur en fonction :
du type de moteur, un variateur pour moteur classique ne peut pas être utilisé sur un moteur brushless et inversement,
de la tension d’utilisation par exemple pour 7 éléments soit 8,4V, il faut un variateur capable de supporter cette valeur,
de l’intensité plein gaz par exemple si mon moteur est utilisé à 25A, il faut que mon variateur supporte cette intensité pendant toute la durée du vol,
de la possibilité qu’il fasse ou non BEC, c’est à dire qu’il alimente le récepteur et les servos ce qui évite une batterie de réception. Attention au nombre de servos utilisables, là encore il faut que ce soit précisé.
Certains fabriquants indiquent très clairement ces indications, d’autres s’en gardent bien : faites votre choix !!
Il faut comprendre que plus la tension de la batterie est élevée et plus le système qui "produit" la tension pour la réception "fatigue". Autrement dit, il est possible que le même variateur soit capable de fournir le courant pour 3 servos si la batterie de propulsion comporte 7 éléments et ne puisse faire de même avec une batterie de 10 éléments.
Si on consomme trop pour le moteur, la plupart des variateurs sont protégés et coupent l’alimentation de ce dernier lorsqu’ils détectent une surchauffe interne. Mais si c’est côté réception que le courant demandé est trop important, il n’y a pas de bonne solution : le variateur continue à fournir une tension qui s’écroule et perturbe la réception ou arrête carrément de fonctionner et du coup : plus de réception du tout !!
Mon avis est qu’au-delà de 2 kg pour le modèle, le plus simple est de mettre une batterie de réception séparée. Souvent le nombre de servos utilisables avec le BEC ne dépasse pas 2 ou 3. La surcharge de poids occasionnée par la batterie de réception est souvent très supportable pour les modèles et permet de voler avec une sérénité certaine !! De plus on utilise alors des variateurs sans BEC et on peut donc continuer à utiliser le moteur jusqu’à la fin.
Si le modèle comporte plusieurs moteurs, un seul variateur doit être utilisé, il faut donc qu’il supporte, pour un bimoteur, soit le double d’intensité si les moteurs sont branchés en parallèle, soit le double de tension si ces derniers sont raccordés en série.
Les variateurs et leur fonctionnement feront l’objet d’un article complet car le sujet est vaste.
Choix de l'hélice
Et l’hélice dans tout ça me direz-vous ?
Eh bien, nous avons choisi le moteur en fonction de la puissance voulue, cette puissance ayant été déterminée en fonction du modèle (voir article numéro précédent). Il nous faut maintenant trouver l’hélice qui va consommer cette puissance à ce régime.
Beaucoup de gens se sont essayé à trouver des formules. La puissance consommée par une hélice dépend de son diamètre, de son pas, de sa vitesse de rotation ainsi que de la forme de l’hélice. Voici la formule proposée par AstroBob :
Puissance = K x Diam4 x Pas x VRot3
Diamètre et Pas en pied (un pied = 12 pouces, un pouce = 25,4 mm)
K = 1.31 pour Master Airscrew, Top Flite, Zinger
K = 1.18 pour Cam prop
K = 1.11 pour APC
VRot en trs/min
On peut noter que le diamètre est le paramètre qui influence le plus le résultat, le pas intervient beaucoup moins. Changer une 11x8 par une 12x8 augmente la puissance consommée de 40%, passer d’une 12x6 à une 12x8 de 25% seulement.
Vous trouverez ci-dessous une feuille Excel qui vous donne les résultats de la 5x5 à la 14x12 et de 4000 trs/mn à 24000 trs/mn, calculés avec la formule de Boucher. Il vous suffit de préciser le coefficient en fonction de l’hélice utilisée. Si votre hélice n’apparaît pas dans la liste, vous pouvez entrer ses dimensions et vous obtiendrez le résultat.
Exemple récapitulatif
Pour cet exemple, j’ai choisi comme modèle le Baron, célèbre plan de Christian Chauzit prévu pour un moteur thermique.
Caractéristiques du modèle :
Envergure : 150 cm
Charge alaire souhaitée : 60 g/dm²
En utilisant la méthode de calcul exposée le premier numéro d’@éronews, le poids de ce modèle fini en ordre de vol devra être de :
Poids = Charge alaire x Envergure en dm x Corde en dm
Poids = 60 x 15 x 2,5 (NDRC : car l'aile est rectangulaire …)
Poids = 2250 g
La puissance pour pouvoir décoller d’une piste et évoluer :
Puissance = (Poids en gramme divisé par 500) x 70
Puissance = (2250/500) x 70
Puissance = 315 watts
Avec ces chiffres, nous pouvons essayer plusieurs moteurs, par exemple :
Speed 600 8,4V réducté 3/1 en 8 éléments
Kv : 1890 trs/volt (630 en comptant le rapport de réduction)
Ra : 0,125 Ohm
Io : 2,3 A
Astro 15 réducté 2.38/1 en 12 éléments
Kv : 1490 trs/volt (626 en comptant le rapport de réduction)
Ra : 0,069 Ohm
Io : 2A
Ces chiffres sont disponibles dans la feuille "Moteurs" du dernier numéro. Entrons ces valeurs dans la feuille de calcul :
Pour le Speed 600 réducté :
8 éléments, soit 8 volts en charge.
La colonne 39 Ampères donne 312 W, mais le rendement n’est plus que de 37 % et la vitesse de rotation inférieure à 2000 trs/mn !!!
Autant dire que ce moteur n’est pas adapté à cet exemple. Je l’ai choisi intentionnellement car de trop nombreuses personnes se lancent dans la propulsion électrique avec un motoplaneur qui utilise un Speed 600 et comme il donne satisfaction, on se dit que ce moteur doit pouvoir faire voler autre chose... C’est vrai, mais la puissance que l’on peut attendre de ce moteur réducté ne dépasse pas 150 Watts, ce qui reste un bon rapport puissance/prix, mais ne fait pas de miracle.
Si vous ne voulez pas être déçu par un modèle qui vole péniblement et qui est délicat dans les phases de décollage et d’atterrissage, ne négligez pas ces calculs !!
Pour l’Astro 15 réducté :
12 éléments, soit 13 volts en charge.
La colonne 24 Ampères donne 312 W avec un rendement de 80 %, c’est à dire pratiquement son rendement maximum. La vitesse de rotation annoncée est de 7100 trs/mn.
La puissance en bout d’arbre est de 250 Watts.
Il nous faut choisir l’hélice qui va absorber cette puissance à cette vitesse de rotation :
Le tableau Hélices nous donne à 7000 tr/mn : 254W pour une 12x8 en utilisant le coefficient 1,11 pour une APC.
Bien, nous voilà au bout de notre effort, une dernière ligne droite : construire le modèle !! Dans le cas de cet exemple, le modèle m'a été donné par mon ami Hervé donc cette étape a été plutôt courte !
Le bilan de poids donne :
Fuselage équipé sans moteur ni accus : 736 g
Aile : 375 g
Moteur + réducteur : 256 g
Variateur : 40 g
Hélice : 48 g
Pack de réception 4x800 mAh : 100 g
Pack de propulsion 12x2000 mAh : 690 g
Total : 2245 g
C’est t’y pas beau ça !! Je vous rappelle que l’on visait 2250 g !!
Ce modèle a réalisé plus de 80 vols actuellement, tous ceux qui l’ont vu voler et qui connaissent le Baron disent qu’il se comporte comme équipé d’un 4 cm3 4 temps. Je décolle après un roulage de 15-20 m car je n’aime pas "arracher" les modèles de la piste, mais en cas de problème, il décolle sur la largeur soit moins de 10 m. Le vol en jouant sur les gaz et en volant comme un Baron dépasse les 10 mn soit 12 Ampères de consommation moyenne. Lorsque le temps est venteux, la durée passe à 8 minutes, soit 15A en moyenne. J’aime bien voler tranquille 6 minutes puis mettre plein gaz et monter avec une bonne pente. En général ça fait son effet auprès des "thermiciens" qui pensent qu’au bout de 6 mn un modèle électrique est tout juste bon à atterrir !
Enfin l’atterrissage se fait à faible vitesse.
Merci de m’avoir lu jusqu’ici !!
Claude GUENIFFEY