Conception

La conception du banc d'essais soulève de nombreux problèmes, qu'il faut résoudre avant de s'attaquer à la réalisation à proprement parler. Depuis le choix de l'échelle du banc jusqu'à la sélection des capteurs, la conception de ce système complexe exige d'e justifier nos choix.

A. Choix des composants

1. Moteurs électriques

Le banc comprend donc les deux moteurs électriques, le moteur thermique, les batteries, un frein, les variateurs et le servomoteur pilotés par un calculateur.

Les moteurs électriques sont des moteurs brushless, choisis pour leur petite taille (50cc, afin de ne pas surdimensionner le banc) et pour respecter des contraintes d'intensité et de tension maximales.

Vue d'un moteur électrique

Le cahier des charges implique de brancher ces moteurs sur batterie. Nous avions pu récupérer une batterie Turnigy Graphene 12 sur les anciennes réalisations de précédents projets Mécatronique. Nous avons donc naturellement choisi de racheter une batterie du même modèle, par souci de simplicité.

Leurs propriétés sont les suivantes :

Capacité : 12000 mAh
Voltage : 6 cell / 22.2V
Décharge : 15C constant / 30C burst

Par rapport à des batteries LiPo traditionnelles, ces batteries possèdent les avantages suivants :

Densité de puissance plus grande
Tension plus stable durant toute la période d’utilisation
Un taux de décharge supérieur
Impédance interne plus faible
Maintient une capacité élevée après un grand nombre de cycles
Un cycle de vie plus grand (>600)

Les moteurs électriques fonctionnent en alternatif triphasé, ce qui nous contraint à transformer le courant continu des batteries via des variateurs (ou ESC). Ceux-ci permettent d'alimenter séparément les bobines du moteur et ainsi de le faire tourner. (Voir Schéma)

Schéma de commande du moteur électrique

2. Moteur thermique

Vue du moteur thermique

Pour conserver un ratio de puissance électrique / thermique de 4/3, nous avons choisi un moteur thermique en conséquence. On y a accolé deux moteurs pas-à-pas, l'un pour par souci de faciliter son actionnement à distance, et l'autre, monté sur une vis sans fin, pour ouvrir le papillon des gaz (et donc commander sa puissance)

Système de commande du moteur thermique.

Lorsque le moteur pas-à-pas de l'ouverture des gaz tourne, il fait avancer ou reculer la vis selon son sens de rotation, ce qui permet de gérer finement la consommation de carburant et donc la puissance du moteur thermique.

3. Système de freinage

Dans le véritable avion, il y a une hélice, seulement, pour des raisons de sécurité et de praticité, nous avons choisi de la modéliser par un système équivalent, le frein à courant de Foucault, qui dissipe une puissance proportionnelle au carré de la vitesse de rotation (comme pour l'hélice). On aurait pu utiliser un autre moteur électrique, branché à rebours, comme un frein, mais il revenait beaucoup plus cher pour un gain d'utilité faible.

Dans notre cas, c'est 6.15 kW de puissance qu'il faut dissiper. Notre frein est capable de dissiper 3kW pendant une durée de 30 minutes. Mais, comme nos tests n'excéderont pas 5 minutes, il est possible de l'utiliser dans cette situation.

Vue du banc d'essais avec le frein à courants de Foucault (Pièce bleue au milieu)

B. Structure et transmission mécanique

1. Structure

La structure du banc est construite à partir de profilés d'aluminium. Ils garantissent un ajustement facile des dimensions du bancs ainsi que sa modularité.

Nous avons choisi de monter la structure sur pieds afin de dégager l'espace nécessaire au positionnement des capteurs de force et au montage du système anti-vibrations du moteur thermique.

Vue générale du banc d'essais

2. Transmission mécanique

Tableau récapitulatif des paramètres géométriques des poulies

Nous avons par ailleurs choisi des tailles de poulies relativement petites de manière à gagner en compacité. Pour minimiser les vibrations, nous avons placé les moteurs électriques le plus bas possible.

L'ensemble du montage est visible sur la photographie ci-contre. On remarque que les poulies ont été placées de manière à assurer un angle d'enroulement de la courroie supérieur à 90° pour chacune d'entre elles (Condition de roulement sans glissement)

Quant à l'embrayage, il nous a été fourni par nos encadrants. Ses caractéristiques lui permettent d'encaisser les variations de couple du moteur thermique tout en étant facilement commandable. En effet, il fallait être en capacité d'embrayer rapidement le moteur thermique.

Nous avons choisi des accouplements élastiques afin d'atténuer les vibrations et les effets de couples induits par les différents arbres. Ils sont tous pourvus de clavettes

La transmission mécanique entre les moteurs électrique et le moteur thermique est assurée d'une part par un système poulies-courroie, et d'autre part par un embrayage.

Nous avons privilégié une courroie au lieu d'une chaîne ou de pignons car son usage est plus simple, moins coûteux et plus efficace (moins de frottements). La vitesse maximum de rotation de chaque moteur impose un rapport fixe entre les tailles des poulies (Voir tableau ci-contre)

C. Capteurs

1. Mesure de la puissance des moteurs électriques

Notre cahier des charges stipule que nous devons être capables d'estimer en permanence la puissance des moteurs électriques. Pour ce faire, nous avons besoin de mesurer la tension à leurs bornes et le courant qui y circule (P=U.I) sous l'hypothèse où l'ensemble "moteur électrique + variateur" a un rendement proche de 100%.

Pour le capteur de courant, nous avons choisi le capteur LEM HAL 50-S à effet Hall, branché en série. Son utilisation est très pratique car il se présente sous la forme d'une bague à passer autour du câble d'alimentation du moteur.

Le capteur de tension est un simple voltmètre. Cependant, comme la tension aux bornes du moteur dépasse de loin le calibre maximal sur le voltmètre, on effectue un pont diviseur de tension.

Schéma électrique du pont diviseur de tension. (En réalité le voltmètre possède une résistance interne dont l’influence est non négligeable. Après calcul, on ajuste R à 23.2kΩ pour bien mesurer U/5. On garde 40kΩ de chaque côté. Cet encadrement permet d’éviter les court-circuits)

2. Mesure de la puissance du moteur thermique et de la puissance dissipée par freinage

Le cahier des charges impose également de mesurer d'autres grandeurs, comme la puissance délivrée par le moteur thermique et celle dissipée par freinage. Dans les deux cas, la puissance est égale au produit du couple et de la vitesse de rotation. On cherche donc à mesurer chacune de ces grandeurs sur le moteur et sur le frein.

Concernant la vitesse de rotation, le frein et et le moteur thermique appartiennent au même arbre moteur, ils tournent donc à la même vitesse. L'arbre moteur est relié par le système poulie courroie aux moteurs électriques. Leur vitesse de rotation est donc complètement déterminée et proportionnelle à celle de l'arbre moteur. Ainsi, il suffit de mesurer la vitesse à un seul point du banc pour la connaître partout.

PHOTOS POSITIONNEMENT CAPTEURS

Les capteurs de couples mesurent jusqu'à une charge de 5 kilos. Pour le frein, le capteur est positionné sur le côté du banc et mesurent l'effort appliqué par un bras de levier qui part de l'axe de rotation du frein. Pour le moteur, c'est le plateau inférieur du système anti-vibrations qui fait office de barre (il n'est donc pas sujet aux perturbations). Pour plus de détails, lire ci-dessous la partie Réalisation.

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