MAGAZINE, LES COURS D'AEROMODELISME > MATERIEL : n°3 Imprimer l'article

MOTEURS ELECTRIQUES EN MODELISME " La propulsion du futur "   Voici environ 25 ans, les frères Boucher furent, aux États-Unis, les pionniers des vols d’aéromodèles à moteur électrique. Il y a dix ou douze ans, très peu de modélistes pouvaient disposer d’un modèle muni de ce type de propulsion. Aujourd’hui, les fabricants privilégient, dans leurs catalogues, les modèles à propulsion électrique par rapport à ceux à explosion.     Cet échantillonnage permet de motoriser n'importe quel modèle, quelles qu'en soient les caractéristiques.   La révolution silencieuse  Les modélistes ont toujours été attires par l’idée de pouvoir propulser leurs modèles au moyen de moteurs électriques. Les moteurs à explosion sont beaucoup plus spectaculaires et offrent, pour le moment, un rapport poids/puissance sans égal, mais ils sont bruyants, salissants (en raison de l’huile) et exigent un certain apprentissage pour être utilisés correctement. Par contre, il suffit simplement d’actionner un interrupteur pour faire fonctionner, proprement et sans vibrations, un modèle à moteur électrique. Il ne doit évidemment pas être carburé et ne nécessite pas de nettoyage après utilisation. Il s’agit de la propulsion idéale pour un débutant. Comme nous l’avons indiqué précédemment, il y a quelques années encore, peu de modélistes avaient réellement vu voler un aéromodèle électrique. Aujourd’hui par contre, il est possible de disposer de n’importe quel type de modèle équipé de ce moyen de propulsion. Le dernier obstacle, infranchissable selon nous, concernait les hélicoptères et les modèles du type “Ducted fan’ (moteur à très haut rendement, comparable à une turbine). Et bien, il existe, depuis sept ou huit ans, des hélicoptères commercialisés de tous formats à propulsion électrique et, depuis deux ou trois ans, des turbines à moteur électrique.   Les moteurs électriques et leurs applications  Comme nous l’avons indiqué, il est possible de réaliser pratiquement n’importe quel engin équipé d’une propulsion électrique. Cependant, ce type de propulsion est beaucoup plus populaire dans certains domaines de l’aéromodélisme que dans d’autres. En matière de propulsion électrique, ce sont les voitures à télécommande qui s’octroient la meilleure part du gâteau. Les amateurs de ce type de voitures sont probablement plus nombreux que ceux de voitures équipées d’un moteur à explosion. Nous pouvons avoir affaire a des modèles de sport ou de loisir, certains participant à des compétitions spécifiques sur piste ou de tout-terrain (avec des championnats régionaux et nationaux) qui réunissent un grand nombre d’adeptes, plus d’une centaine lorsqu’il s’agit d’une compétition prestigieuse. Oubliez une fois pour toutes l’idée de “petit jouet” les bonnes voitures à moteur électrique sont aussi rapides que celles de mêmes dimensions à moteur thermique. De fait, la technologie d’une bonne voiture électrique est plus sophistiquée. Les amateurs de modélisme nautique ont aussi estimé que les moteurs électriques étaient le système de propulsion le mieux adapté. Des courses sont également organisées pour ce type d’embarcations. Les maquettistes utilisent largement le moteur électrique car, dans ce domaine, le poids des batteries importe peu.     Les aéromodèles à moteur électrique sont utilisés depuis environ dix ans.   Aéromodèles électriques  Qu’en est-il des avions ? C’est dans ce domaine que nous rencontrons les plus grandes difficultés car le poids des batteries a, jusqu’à présent, limité énormément la durée des vols. La capacité de ces batteries a pratiquement doublé en dix ans grâce aux progrès réalisés quant à leur technologie. L’application la plus fréquente en aéromodélisme concerne la motorisation des planeurs: la possibilité de donner de l’altitude au modèle, de couper le moteur à la recherche de thermiques et, le cas échéant, de le remettre en marche (performance quasiment impossible avec un moteur thermique) rend cette propulsion idéale. Il existe des modèles particulièrement sophistiqués équipes de moteurs très puissants, avec vingt cinq ou trente éléments de batterie, etc., mais ils sont réservés aux experts. Structure d’un moteur électrique Les moteurs électriques utilises en modélisme sont à courant continu. Leur structure de base est simple. Le moteur est composé d’une carcasse extérieure en métal qui contient des aimants permanents; plus ceux-ci sont puissants, meilleur est le rendement. On trouve aux extrémités de cette carcasse deux douilles ou roulements dans lesquels le moteur tourne (partie mobile du moteur). Le rotor est formé par un axe qui traverse un noyau métallique constitué de multiples lamelles de fer où s’enroulent des fils conducteurs en cuivre composant une série de bobines. Leur nombre varie entre trois, sur les moteurs les plus simples, et plus de dix, sur les plus sophistiques. Le courant parvient au moteur et pénètre par des balais (généralement en charbon endurci). De là, il passe dans le collecteur situé à I’extrémité du rotor par où il est distribué, suivant un ordre déterminé, dans les bobines du collecteur. En bref, quand le courant passe dans ces bobines, il génère une série de champs magnétiques dont l’interaction avec ceux des aimants contenus dans le moteur provoque la mise en marche de celui-ci.     1) Connecteurs sophistiqués recouverts d'un bain d'or sur un moteur à hautes performances. 2) Ces moteurs, de haute et moyenne gamme, sont capables de développer des puissances supérieures à un cheval.   Rendement du moteur  Le rendement du moteur est exprimé par un chiffre qui indique le rapport entre l’énergie renvoyée par le moteur sous forme de travail utile et celle fournie au départ. Ainsi, un moteur avec un rendement de 60% renvoie, sous forme de puissance utile, 60% de l’énergie qu’il consomme. Qu’arrive t il aux 40% restants? Ils se transforment généralement en chaleur, laquelle doit être évacuée afin que la température du moteur n’augmente pas, ce qui risquerait d’endommager ce dernier. Les moteurs électriques sont très efficaces : leur rendement parvient à dépasser 70-75%. Par contre, un bon moteur a explosion a un rendement de moins de 20% entre trois et quatre fois inférieur). Pourquoi les moteurs électriques posent-ils donc des problèmes d’alimentation en énergie? C’est une simple question de “stockage”d’énergie. Dans le cas du moteur à explosion, le carburant contient beaucoup plus d’énergie par kilo que les meilleures batteries (environ 20 fois plus, voire davantage). Les batteries présentent au moins l’avantage d’être rechargeables...      Souplesse  Les moteurs électriques sont beaucoup plus “souples” d’utilisation que les moteurs à explosion. Il ne s’agit pas, ici, de résistance aux impacts, mais d’une performance d’un ordre tout à fait différent. Supposons qu’un moteur à explosion soit capable de développer une puissance de 0,5 Cv. Celle-ci implique un nombre déterminé de révolutions, ce qui nécessite une démultiplication ou une hélice bien adaptée, généralement petite pour pouvoir tourner très vite. Si nous installons une hélice une fois et demie plus grande (ou de pas supérieur, comme nous le verrons ultérieurement), le moteur ne fournira même pas 0,5 CV, mais, vraisemblablement, moins de la moitié. Cet effet est encore plus accusé quand il s’agit d’un moteur conçu pour la compétition. Un moteur électrique de même puissance est beaucoup moins exigeant quant aux hélices. Pour donner un exemple, un même moteur développera une puissance identique avec une grande hélice et sept ou huit éléments de batterie qu’avec une petite hélice et dix éléments. Ce qui précède se confirme dans des limites très larges; un moteur électrique peut même servir pour des modèles très différents. Souvenons-nous toutefois que ces limites existent si nous exagérons et que nous mettons de plus en plus d’éléments dans notre pauvre moteur, celui-ci finira par griller (il s’enflamme littéralement), même si la charge est faible.     Moteur électrique à haut rendement. Il est muni, à l'avant (à gauche, sur la photo), d'un réducteur qui lui permet de mouvoir des hélices de grandes dimensions et à haut rendement.   Principaux types de moteurs  La quantité et la diversité de moteurs électriques à courant continu susceptibles d’être employés en modélisme sont quasiment infinies; cependant, ils ne sont pas si nombreux à être utilisés dans la réalité : on petit les classer en quelques groupes (disons trois).  Pour commencer par les plus petits, il existe une série de moteurs qui, jusqu’il y a peu, étaient “marginaux” de par leur taille réduite et leur puissance (ils nécessitaient des radios particulièrement petites, etc.). Ce sont les dérivés des Mabuchi 380. Ce dernier (et ses innombrables dérives) sont de petits moteurs développant une puissance de quelque 50-80 watts, identique à la puissance utile d’un moteur à explosion de 0,5-1 cc. Ils fonctionnent avec cinq à sept éléments de batterie. C’est un système très pratique pour faire voler de petits modèles dont le poids peut aller jusqu’à 800 900 grammes. Ces dernières années, on les a munis d’un réducteur (démultiplication) l’hélice qu’ils peuvent mouvoir est donc plus grande et à rendement plus élevé. Ce type de motorisation est de plus en plus fréquent, de par sa simplicité et son faible poids; il donne de bons résultats avec des servos légers et pour autant que la construction soit soignée. On l’utilise de moins en moins en automodélisme; il est remplacé par des moteurs du type Mabuchi 540 (catégorie immédiatement supérieure).   Son Excellence, le Mabuchi 540  C’est un moteur industriel dont on a fabriqué des millions d’exemplaires et qui a fortement contribué à rendre le modélisme électrique populaire. Il est très bon marché (le modèle élémentaire coûte environ 40 FF) et est fabriqué dans de nombreuses versions et sous différents noms. Il est utilisé dans de nombreux modèles électriques d’aéromodèles ou de voitures; il est d’ailleurs obligatoire pour les classes “standard” ou à moteur “non modifié”. Les variantes “normales” développent quelque 100-150 watts, avec six ou sept éléments de batterie, mais certaines séries spéciales fournissent quasiment le double. Avec ces moteurs et une bonne batterie de six éléments, on peut faire fonctionner une voiture échelle 1:10 en réalisant des performances tout à fait respectables; on peut le constater dans le cadre de n’importe quelle compétition. En aéromodélisme, ces moteurs sont utilisés avec sept éléments, sur des modèles pesant 1300-1500 grammes, sans réducteur, et jusqu’à 2 kilos, avec réducteur (celui ci permet l’utilisation d’hélices de dimensions supérieures et de meilleur rendement). Il existe un moteur un peu plus grand (même diamètre et un peu plus long) : le “550”; on y recourt surtout pour les aéromodèles (il est illégal dans les courses automobiles), afin de fournir un peu plus de puissance (environ 20% de plus).   La majeure partie des moteurs électriques sont dérivés du Mabuchi 540.   L’échelon supérieur  Jusqu’a présent, nous avons parlé de moteurs “courants”. Les choses vont maintenant se compliquer quelque peu. Pourquoi? Principalement parce que, pour pouvoir charger les batteries de plus de sept éléments à partir de la batterie de la voiture (ce qui est une pratique normale sur le terrain), il faut un chargeur spécial, plus cher et plus complexe. Dans une tentative de maintenir les frais à un niveau raisonnable, les amateurs d’automodélisme ont jeté depuis belle lurette leur dévolu sur le moteur format “540” et sur les batteries à six éléments.  Sans limites ?  Dans le domaine des aéromodèles (hélicoptères inclus), on utilise des moteurs plus grands et des batteries comprenant beaucoup plus d’éléments. Ici, la technologie ne connaît pas de limites (l’investissement nécessaire non plus, soit dit en passant). Disons que la limite est de 27 éléments de batterie dans les compétitions FAI (le standard international), et de 30 dans les compétitions nautiques. Comment sont les moteurs? On y trouve un peu de tout, mais on utilise habituellement des aimants en cobalt ou en néodyme et des câbles d’alimentation identiques à ceux du démarreur de notre voiture. Les chargeurs nécessaires sont très complexes et plus coûteux (le chargeur seul ou un paquet de batteries) qu’un modèle moyen complet. Que peut-on obtenir avec tout ce matériel? Il faut vraiment voir fonctionner un de ces modèles pour pouvoir effacer de notre base de données l’image de modèles a puissance marginale et à faible autonomie. Un électrique FAI avec moteur sophistique s’élève dans les airs pratiquement à la verticale à près de 20-25 mètres par seconde, littéralement “suspendu” à son hélice en fibre de carbone et consommant plus de 60 ampères. En moins de 15 secondes, il n’est plus qu’un petit point dans le ciel, et vole à une vitesse vertigineuse. Etant donné leur coût et les difficultés qu’implique leur vol, ces modèles ne sont évidemment pas destinés aux débutants; il est tout aussi évident qu’ils ne seront jamais des modèles ‘populaires”, tout comme d’autres types de modèles, d’ailleurs. Résumé  Du point de vue théorique, la propulsion électrique est idéale pour un débutant elle est propre, son utilisation ne nécessite aucun apprentissage (elle ne doit évidemment pas être carburée) et le modèle de base est relativement bon marché par rapport à un moteur à explosion et à ses accessoires.  Un moteur électrique a un meilleur rendement qu’un moteur à explosion; cependant, le poids et le volume de sa batterie d’alimentation constituent un frein. La propulsion électrique est, par conséquent, beaucoup plus populaire parmi les amateurs de voitures et d’embarcations, disciplines pour lesquelles le poids n’est pas un facteur aussi décisif qu’en aéromodélisme. Nonobstant ce qui précède, la propulsion électrique est de plus en plus populaire, les moteurs les plus utilisés étant ceux dérivés du “Mabuchi 540”, conçu voici plus de 20 ans. Les moteurs les plus sophistiqués et capables de développer des puissances supérieures à deux chevaux sont très attirants, mais leur coût est élevé et ils sont seulement à la portée des spécialistes.  Démontage     1) Partie avant d'un moteur type "540". Observez les orifices de fixation communs à tous les moteurs de ce type. 2) Quand nous enlevons le couvercle arrière, nous découvrons le collecteur et les balais.       3) Détail des balais avec leurs pattes de fixation. 4) Aspect du rotor avec les bobinages.     5) En enlevant le rotor, nous pouvons voir clairement la carcasse du moteur avec ses aimants. 6) Les aimants se placent par pression dans la carcasse, grâce à deux petites goupilles métalliques.