VOL ELECTRIQUE AVANCE

Maquette d'hélicoptère électrique. Plus de six minutes d'autonomie en voltige.

Nous avons, au fil des mises à jour, consacré une part substantielle de nos articles aux modèles à propulsion électrique. Nous sommes persuadés que l'avenir du modélisme réside dans ce mode de propulsion. La plupart des modèles électriques que nous vous avons présentés jusqu'ici étaient relativement peu sophistiqués et de puissance, disons, raisonnable. Dans ce chapitre, nous traiterons des modèles électriques plus sophistiqués du point de vue de leur conception technique, de leur motorisation, des batteries utilisées et de leurs performances.

Acrobatique FAI néerlandais à 30 éléments NiCd. Il a obtenu de bons résultats lors de plusieurs championnats du monde.

Un peu de théorie sur les moteurs
Le rendement des moteurs électriques actuels est vraiment surprenant. Vous vous souvenez que, sur un moteur à explosion, l'énergie contenue dans le carburant mise à profit pour la propulsion ne dépasse pas les 15-20%, alors que, dans le cas des moteurs électriques, elle peut atteindre 70-80%; un modeste Mabuchi 550 (qui vaut à peine 40 FF) offre un rendement de plus de 60%. Pour un usage "normal" (c'est-à-dire un modèle électrique à 6-7 cellules, tel que ceux que l'on rencontre sur les terrains de vol et les circuits), les moteurs habituels sont plus que suffisants. Les problèmes surgissent lorsque nous optons pour des modèles plus grands nécessitant davantage de puissance.
D'un point de vue "électrique", les solutions permettant d'augmenter la puissance d'un moteur ne sont pas légion. Si l'on se résout à admettre qu'il est très difficile d'améliorer le rendement (sans grever son budget), la seule solution consiste à accroître la quantité de courant fournie au moteur. Deux façons d'y arriver: plus d'ampérage ou plus de tension, ou une combinaison des deux (rappelons ici que la puissance, autrement dit le travail qui peut être rendu par unité de temps, est directement proportionnelle au produit volts X ampères). Tous ceux qui, un jour, ont joué avec un moteur électrique se sont rendu compte que sa puissance augmente sensiblement lorsqu'on ajoute une batterie. Un autre constat, décevant, cette fois: si nous lui fournissons trop de courant, il grille. Voilà pourquoi nous devrons faire appel à des moteurs spéciaux.

1) Le même appareil en phase de décollage.

2) Mécanique interne d'un planeur électrique à haut rendement.

Moteurs spéciaux
Les moteurs "normaux" (Mabuchi 540-550) sont limités quant au nombre d'éléments de batteries (couplés à une "charge", telle une hélice; à vide, ils supportent davantage). Les moteurs dotés de bobinages normaux autorisent huit éléments, soit 9,6 volts. Il existe des modèles à bobinages spéciaux (fils de moindre section) qui supportent davantage d'éléments, mais leur puissance maximale est la même (environ 150 watts). Au delà de cette puissance, apparaissent des problèmes de chaleur (ou, pour être plus exact, de dissipation de chaleur), et le collecteur ou les balais (de faible section, sur ces modèles) commencent alors à brûler; si nous remplaçons les balais par d'autres, plus grands, c'est le plastique des porte-balais qui se mettra à fondre.
Ces moteurs existent en versions améliorées, que l'on utilise en compétitions de voitures: balais de meilleure qualité, construction tout métal, arbre sur roulements. Ils restent néanmoins insuffisants pour les modèles de plus de 1 ,5 kilo. Au-delà, nous disposons de deux catégories de moteurs: ceux à aimants en "ferrite" et ceux à aimants exotiques (terres rares: cobalt, samarium, néodyme). Les premiers (ferrite) sont plus volumineux que les moteurs habituels; ils admettent donc des balais et des collecteurs plus grands (aux dépens de la légèreté et de votre portefeuille) et développent davantage de puissance. Les plus puissants de ces moteurs admettent jusqu'à 10 éléments et développent des puissances de 200-300 watts, l'équivalent d'un moteur de 4-5 cm3.

Détail de l'hélico de la photo précédente. Volumineux pack de 30 éléments et construction en bois par souci de légèreté.

Les aimants en cobalt
Les moteurs à haut rendement utilisés dans les compétitions de vol électrique sont appelés "à cobalt", même si d'autres métaux entrent dans leur composition, comme le néodyme, le samarium ou d'autres combinaisons. Ils présentent un certain nombre d'avantages qui, en compétition du moins, justifient la dépense: un tel moteur revient deux ou trois fois plus cher que son équivalent à ferrite. Mais à quoi ces aimants servent-ils ?
L'un des problèmes posés par le passage de courants intenses dans un moteur relativement petit réside dans le fait qu'une partie de l'énergie est transformée en chaleur, et ce, quel que soit le rendement. Outre les problèmes de refroidissement du collecteur et des balais, se pose celui du moteur, qui finit, lui aussi, par chauffer. Or, les aimants de ferrite perdent une bonne part de leurs propriétés magnétiques (indispensables pour un bon fonctionnement du moteur) à partir de 80-100 degrés. Les aimants en cobalt ou à terres rares présentent deux avantages: d'abord, leur puissance magnétique est largement supérieure; ensuite, ils conservent ces qualités à des températures bien supérieures à celles admises par les aimants en ferrite.
En remplaçant nos aimants en ferrite par d'autres en cobalt, nous obtiendrons une puissance équivalant à celle d'un moteur haut de gamme. Les moteurs les plus pointus sont entièrement conçus pour résister à des intensités élevées: carcasses tout métal refroidies, câbles et connexions de section et résistance appropriées, entre 7 et 15 pôles au lieu de 3-5 (meilleur rendement et moindre surchauffe), etc. La plupart de ces moteurs proviennent d'Europe centrale, où le vol électrique connaît un vif succès. Les marques les plus connues sont Keller, Geist, et Astro, aux États-Unis.

1) C'est en catégorie planeurs que l'on trouve les moteurs les plus puissants.

2) Réducteur à courroie : permet l'emploi d'une hélice à plus haut rendement. Fréquent sur les maquettes.

Batteries
Les grands aéromodèles à propulsion électrique de certaines catégories nécessitent des intensités franchement élevées; les moteurs dont nous venons de parler peuvent supporter des courants oscillant entre 60 et 100 ampères (par comparaison, un fer à repasser de 1500 watts consomme 7-8 ampères). Seules des batteries nickel-cadmium sont capables de fournir de telles intensités, et, parmi celles-ci, uniquement les Sanyo SCR (les célèbres Sanyo "rouges") et une variété peu connue de Varta. De manière générale, 95% des modèles de compétition emploient des SCR. Comme il existe un rapport linéaire entre le voltage et la puissance développée, le fait qu'on utilise, en compétition, d'interminables chapelets de 25-30 éléments n'a rien d'étonnant. Cela suppose que les moteurs les plus puissants absorbent 50-60 ampères et 30 volts, soit une puissance de quelque 1800 watts (presque trois chevaux), dont 80% sont transmis à l'hélice; ce qui signifie également que les modèles électriques figurent parmi les plus puissants. Pour s'en convaincre, il suffit d'observer un planeur de deux mètres et demi d'envergure pesant trois kilos monter en flèche à une vitesse de 30 mètres/seconde.

Le kalt "Whisper", simple en apparence, nécessite une optimisation du moteur, des batteries et du collectif.

Hélices
Tous les modèles électriques de compétition sont dotés d'hélices repliables, et cela, pour une raison assez évidente: si nous laissons l'hélice déployée, l'air la fera tourner, et nous aurons là un excellent frein aérodynamique... qui entravera le comportement de notre planeur. Le système est très simple: les pales sont repliables et oscillent sur deux pivots. Lorsqu'on éteint le moteur, le variateur introduit une résistance dans le circuit qui freine l'hélice; les pales s'alignent alors dans l'axe du fuselage. Quand le moteur tourne, la force centrifuge les maintient dans la bonne position. Les pales repliables sont soumises à de fortes contraintes; c'est pourquoi, dans le cas des moteurs puissants, elles sont confectionnées en plastique renforcé de fibres, ou directement en fibre de carbone.
Les moteurs électriques, qu'ils soient à cobalt ou non, sont très polyvalents: en changeant le nombre d'éléments de batterie et les dimensions de l'hélice, nous pourrons les adapter à des modèles et à des besoins différents. En règle générale, pour un maximum de puissance, nous utiliserons le plus d'éléments et la plus grande hélice possible (plus grand diamètre pour plus de traction, et plus de pas pour davantage de vitesse). Lorsqu'il s'agit d'un moteur récent à aimants de cobalt, le fabricant inclut généralement dans les instructions un tableau reprenant les hélices et le nombre d'éléments de batterie selon les dimensions, le poids et les caractéristiques de l'appareil (planeur sportif ou de compétition, acrobatique conventionnel, etc.). À lire attentivement, bien entendu, si vous ne voulez pas griller un moteur qui vous aura coûté 1200 FF ! Des chiffres nous indiquent les intensités maximales continues ou temporaires autorisées par le moteur, et dont nous devrons absolument tenir compte. La combinaison hélice/batterie devra respecter ces chiffres, et la consommation sera mesurée au moyen d'un ampèremètre à haute capacité. Dans le cas où le moteur ne serait utilisé que durant 15-20 secondes, comme en F3E, le constructeur indique également l'intensité maximale supérieure.

Variateurs de vitesse électroniques. Le variateur et le chargeur représentent un investissement important dont il faudra tenir compte.

Variateur et autres accessoires
Lorsque nous utilisons un moteur de deux chevaux dans lequel circule un courant de plus de 50 ampères, il est évident que son alimentation ne peut pas être connectée ou coupée au moyen d'un vulgaire interrupteur. De même, si nous employons du câble normal et que les connexions ont été réalisées à l'étain, le courant ne pourra pas circuler, et il y aura risque de surchauffe.
Tous ces modèles sont équipés de variateurs de vitesse électroniques, spécialement conçus pour eux. Leur rendement, bien entendu, doit être élevé (les constructeurs recommandent une efficacité de 99%); mais, même dans ce cas, souvenez-vous que le 1% restant peut équivaloir à 20 watts, et que cela peut suffire à griller un variateur de petit format. Ils doivent être correctement ventilés; la meilleure solution consiste donc à les positionner de telle manière qu'ils profitent du courant d'air provenant de l'hélice, ou à pratiquer de petites bouches d'aération. Comme nous l'avons déjà signalé, les variateurs pour avions intègrent un frein qui nous permet d'immobiliser l'hélice.
Les câbles et les connecteurs sont les éléments auxquels les pilotes prêtent, généralement, le moins d'attention. Lorsqu'il s'agit de telles intensités de courant, il est indispensable que nous utilisions des câbles spéciaux si nous souhaitons que l'énergie provenant des batteries puisse arriver jusqu'au moteur sans souffrir de perte sous forme de chaleur. Ces câbles sont très gros (46 mm2) et extrêmement souples, ce qui permet de les installer dans le modèle de façon adéquate; ils sont recouverts de silicone, et leur conducteur est composé de centaines de minuscules fils de cuivre, ce qui autorise le pliage du câble. Donc, n'utilisez jamais de fil électrique "normal" pour ce genre d'équipement.
Penchons-nous, pour terminer, sur les connecteurs. La résistance interne d'un moteur de haut de gamme peut valoir moins d'un dixième d'ohm; idem pour les batteries Rappelons-nous que moins la résistance totale est élevée, plus l'intensité de courant circulant dans le circuit est importante. Et bien, un connecteur de mauvaise qualité peut présenter une résistance égale, ou supérieure, à celle du moteur, sans parler des mauvaises soudures. Dans le cas des modèles électriques avancés, le nombre de connecteurs - obligatoirement maintenus très propres - doit être limité. Les meilleurs d'entre eux ont une résistance d'un demi-milliohm ils sont couverts d'or (pour éviter la corrosion) et supportent d'énormes intensités de courant.

Versions électrique à droite, et thermique du même appareil.
Leurs performances sont similaires, à condition de bien choisir le moteur et la batterie.