Triplé offensif

Pendant longtemps, il semblait que le domaine des motorisations pour avions électriques n’évoluait plus guère. Batterie LiPo, électronique de puissance MOS-FET, moteur brushless… tout est permis – même le vol vertical, si on le souhaite. Mais le développement ne doit pas nécessairement aboutir à une impasse. Même ce qui est déjà bon peut être perfectionné – voire parfois amélioré. C'est ainsi que Hacker Brushless Motors a lancé il y a quelque temps un nouveau système de propulsion pour la voltige F3A qui semble confirmer cette thèse. Derrière la désignation quelque peu alambiquée « A50-7S Y Turbado Senstrol 3,2:1 XGear » se cache un système de propulsion pour modèles F3A qui représente un véritable pas en avant vers l’avenir.

Certaines choses portent un nom erroné, mais sont néanmoins bien comprises, car tout le monde sait ce qu'on veut dire. Ainsi, un tournevis ne « tire » pas les vis, et il vaut mieux ne pas construire un poêle à bois en bois. Les régulateurs de vitesse pour modèles réduits d'aéronefs appartenaient (ou appartiennent) également à cette catégorie jusqu'à présent. On les appelle « régulateurs », mais il s’agit le plus souvent de « variateurs ». On les utilisait pour régler la vitesse de rotation du moteur de propulsion.

Si le pilote pousse la manette des gaz (encore un terme impropre) vers l'avant, le moteur reçoit plus de tension et tourne donc plus vite. La vitesse à laquelle il tourne dépend non seulement de la position de la manette, mais aussi d’autres facteurs : le nombre de cellules, le type de moteur (kv), la taille de l’hélice, la vitesse de vol actuelle.

La régulation, en revanche, consisterait à définir, par la position de la manette, une vitesse de rotation de consigne qui serait indépendante des facteurs mentionnés ci-dessus.

soit contrôlée et, dans la mesure du possible, respectée. D'où le terme « contrôleur », qui, dans le langage courant, est utilisé de manière tout à fait inappropriée. À ce jour, seul le secteur de l’hélicoptère connaît une véritable régulation de la vitesse de rotation, où la vitesse du rotor doit rester constante indépendamment du réglage du pas et des manœuvres de vol.

Si les modèles d’aéronefs à voilure fixe bénéficient désormais eux aussi d’une véritable régulation de régime, c’est grâce au nouveau programme de voltige F3A, qui

récompense un style de vol dans lequel les figures ascendantes et descendantes doivent être exécutées à une vitesse aussi constante que possible. C’est justement ce qu’on appelle le vol à vitesse constante ! Cela suppose – entre autres – que la vitesse de rotation de l’hélice reste inchangée, que ce soit lors d’une ascension, où l’hélice est davantage freinée, ou lors d’une descente, où elle est propulsée par le flux d’air. Pour oser une comparaison, même si elle est un peu boiteuse : le fonctionnement d’un « vrai » moteur rotatif…

Le fonctionnement du régulateur de vitesse est similaire à celui du régulateur de vitesse d'une voiture, qui maintient une vitesse constante indépendamment de la pente, à la montée comme à la descente – tant que le moteur en est capable. En descente, un régulateur de vitesse moderne utilise d'abord le frein moteur, puis, si cela ne suffit pas, il « freine à fond ». Le principe est très similaire, mais légèrement plus efficace, avec le frein moteur électrique qui, dans ce cas, récupère l’énergie de freinage pour la réinjecter dans la batterie. Reste toutefois à déterminer s’il s’agit là d’une contribution significative à l’allongement de l’autonomie en vol.

Pour établir des règles, il faut pouvoir contrôler le respect des consignes. Un canal de retour est donc nécessaire. Dans le cas de la combinaison de propulsion A50-7SY, ce retour d’information s’effectue via un câble supplémentaire qui relie le moteur au régulateur par l’intermédiaire d’un câble JR. Ce canal de données supplémentaire facilite également – comme nous le verrons dans la section suivante – la commutation. Les données sont fournies par une puce d’identification du moteur, dans laquelle les paramètres pertinents du moteur ont été enregistrés par le fabricant. La température du moteur est ainsi contrôlée en permanence (les limites peuvent être ajustées). Il est également possible de régler la dynamique, c'est-à-dire la vitesse à laquelle le mouvement de la manette des gaz doit être transposé. On peut choisir de

doit être maintenue constante ou bien le couple. Dans ce dernier cas, une limitation de courant intervient, ce qui empêche toute surcharge même si l’hélice choisie est trop grande. Et enfin, le régulateur Turnado Senstrol peut bien sûr également fonctionner en mode manette, à l’ancienne. La programmation s’effectue, comme d’habitude chez Hacker, via une Jeti-Box selon cinq modes différents. Le réglage d’usine (mode 1) permet déjà de choisir entre les trois modes de fonctionnement à l’aide d’un commutateur à trois positions.

Lorsqu'un rotor magnétisé tourne, une tension est induite dans les bobines qui l'entourent. Cette tension, générée par le moteur proportionnellement à sa vitesse de rotation, est également appelée force contre-électromotrice. En l'absence d'influences perturbatrices, cette tension est sinusoïdale. Pour faire fonctionner un moteur avec un bon rendement, le contrôleur doit appliquer une tension dont la forme et l'amplitude se rapprochent le plus possible de cette tension d'induction. Cela n'est réalisable que dans une mesure limitée avec la technologie conventionnelle. En effet, la batterie fournit par nature une tension continue. La technologie de contrôleur utilisée jusqu’à présent ne parvient qu’à convertir cette tension de batterie en une tension à amplitude plus ou moins large…

diviser en blocs de tension afin de les appliquer en alternance, avec une polarité différente, aux bobines du moteur. C'est ce qu'on appelle la commutation par blocs. Les blocs de tension ainsi générés ont toutefois une forme approximativement rectangulaire, de sorte que les deux formes d'impulsion ne se chevauchent que partiellement.

Outre sa simplicité, ce procédé présente l’avantage de ne générer que des pertes de commutation minimes dans les transistors du régulateur, ce qui a un effet favorable sur la surface de refroidissement nécessaire. Il ne faut toutefois pas se réjouir trop vite, car les pertes thermiques sont ainsi simplement transférées vers le moteur.

Comme déjà évoqué, la conversion d’une tension continue en une tension alternative sinusoïdale

ne peut, comme nous l’avons déjà laissé entendre, se faire sans effort supplémentaire. Celui-ci consiste à découper ces blocs de tension – pour ainsi dire à la loupe – de manière encore plus fine et à les soumettre à une modulation de largeur d’impulsion (PWM). La demi-onde sinusoïdale est générée grâce à l’inductance du moteur, en faisant varier le rapport impulsion/pause : au départ, de courtes impulsions qui s’allongent progressivement jusqu’au point culminant, pour ensuite se raccourcir à nouveau sur la pente descendante. Il va de soi que cela entraîne des pertes de commutation supplémentaires au niveau du régulateur. En contrepartie, le moteur reçoit une tension mieux adaptée à sa force contre-électromotrice. →

S'agit-il donc simplement d'un relais de perte entre le variateur et le moteur ? Pas tout à fait : la commutation sinusoïdale présente des avantages, notamment lorsqu'on souhaite obtenir un couple moteur élevé sur une durée prolongée. Elle est bien sûr plus complexe sur le plan de la conception des circuits et ne peut plus être mise en œuvre sans un capteur de position du rotor intégré au moteur. Une explication plus détaillée dépasserait le cadre de cette publication ; les personnes intéressées sont donc invitées à consulter le lien suivant : <https://support.maxongroup.com/hc/de/articles/360006288554-St%C3%A4rke-eines-BLDC-EC-Motors-bei-Sinuskommutierung>

La réduction du bruit de l'entraînement qui en résulte constitue un avantage supplémentaire de la commutation sinusoïdale. Vous avez certainement déjà remarqué que les moteurs sans balais…

ont tendance à « chanter », notamment lorsqu’ils sont multipolaires, de grand diamètre et de conception ouverte, dans certaines positions de la manette. Cet effet acoustique est exploité depuis les débuts de la technologie des régulateurs électroniques comme aide à la programmation. Cependant, ce « haut-parleur » intégré au moteur consomme de l’énergie supplémentaire et ferait mieux de rester discret pendant le fonctionnement proprement dit.

C’est notamment pour cette raison que les pilotes de voltige parlent, à propos de ce type de propulsion, d’un fonctionnement d’une douceur agréable. L’utilisation prédominante d’hélices à trois pales y contribue bien sûr également. Dans les configurations 10 s actuellement réglementées, leur diamètre est de 20" et leur pas peut atteindre 15". Dans les applications commerciales, la réduction du bruit revêt une importance bien plus grande. Qui voudrait d’une machine qui vous chante sans cesse quelque chose ?

Jusqu'au début du XXIe siècle, le réducteur mécanique était pratiquement indispensable pour les moteurs électriques de forte puissance

, le réducteur mécanique était pratiquement indispensable. La situation a changé pour la première fois avec l'apparition des moteurs à rotor externe LRK à partir de l'an 2000. On disposait désormais, pour ainsi dire « clé en main », du couple accru nécessaire à l’utilisation d’hélices efficaces. Les types de réducteurs simples ont disparu. Seules certaines applications spécifiques ont survécu, le plus souvent sous la forme d’engrenages planétaires haut de gamme. En effet, il est toujours préférable (et généralement moins coûteux) d’exploiter pleinement la puissance d’un moteur électrique en se rapprochant de la limite de vitesse de rotation plutôt que de devoir augmenter la taille du moteur. Malgré les engrenages et les châssis de transmission supplémentaires, cela permet de gagner du poids – à condition de s’y prendre correctement. Au final, ce type d’ajustement de la vitesse de rotation permet également de faire fonctionner le moteur plus près de son rendement maximal, ce qui, bien entendu, économise de l’énergie et réduit l’échauffement du moteur. Mais cela ne présente pas que des avantages, car ce type d’entraînement s’avère, contrairement

par rapport aux entraînements directs ; on est en effet limité à une plage de vitesse plus restreinte.

Chez Hacker, on a opté pour une transmission par courroie crantée. Elle réduit la vitesse de rotation du moteur dans un rapport de 3,2:1. On utilise une courroie Optibelt de 16 mm de largeur avec un pas de 2,5 mm. Les transmissions par courroie crantée nécessitent peu d’entretien et fonctionnent silencieusement, à condition que la vitesse de rotation reste dans certaines limites. C'est le cas du système d'entraînement A50-7S Y Turnado Senstrol 3,2:1 XGear, car une vitesse de rotation maximale du moteur de 9 000 tr/min peut être considérée comme modérée. Grâce aux coussinets en fibre de carbone de 2,5 mm d’épaisseur et aux pignons en aluminium dont la grande roue a été fraisée de manière à économiser de la matière, le surpoids reste minime. L’utilisateur d’un système de réduction par courroie crantée doit toutefois s’accommoder, de par la nature même du système, d’un déport d’axe légèrement plus important. Celui-ci s'élève ici à 42 mm. Afin de garantir un enroulement suffisant autour de la petite roue, on utilise un tendeur de courroie composé de quatre roulements à billes. Le montage s'effectue à l'aide d'éléments élastiques en caoutchouc, ce qui permet également ici de réduire le bruit—

L'A50-7S Y Turnado Senstrol 3,2:1 XGear de Hacker représente sans conteste une véritable avancée dans la technologie des motorisations électriques pour modèles de voltige. Il est désormais possible, outre la fonction de régulation, de contrôler réellement la vitesse de rotation ou le couple, et donc également de les limiter,

ce qui réduit le risque de déséquilibre, causé par exemple par des hélices trop grandes. Grâce à la modulation sinusoïdale, le moteur à rotor externe utilisé peut encore être amélioré en termes de discrétion sonore et de couple spécifique plus élevé. L’utilisation d’un réducteur à courroie crantée optimisé en termes de poids et de bruit permet d’utiliser un moteur plus petit qui, malgré son rendement accru,

apprécie tout particulièrement le flux d’air de refroidissement dans le modèle. Ce moteur relativement petit (série 50) peut, grâce à la transmission, remplacer des moteurs plus puissants (par exemple de la série 80) dans le domaine d’application considéré.

En somme, un triple bond en avant en matière de progrès. Dans certains domaines, on appelle cela aussi un « hat-trick ».