Motorisation low-power / grand rendement

[ndaganaud]

Bonjour à tous,

Je cherche à dimensionner la propulsion (moteur (+ réducteur ?) + hélice) d'un bateau dans le cadre d'un projet un peu spécial. Il s'agit d'un bateau (qui n'existe pour l'instant que sur le papier) d'environ 100-120cm de longueur pour une masse de 10kg (+ lest si besoin), avec un objectif de vitesse de croisière de 4km/h.
La grosse contrainte, c'est la consommation électrique (alimentation du bateau par panneaux solaires). La bateau est propulsé par deux moteurs identiques.
Intuitivement j'aurai tendance à m'orienter vers de grandes hélices tournant lentement.
Quelle taille d'hélice me conseillerez-vous ? Pour moi, le rendement est d'autant meilleur que l'hélice tourne doucement - donc, à vitesse donnée, que l'hélice est grande.
Quel est l'ordre de grandeur du glissement pour des hélices standard ? Pour le produit pas x vitesse de rotation, dois-je prendre plutôt 4.5km/h ou 6km/h ?
A priori la contrainte de rendement impose l'utilisation de moteurs brushless. Ces moteurs, alimentés en 12V environ, tournent à plein régime à 50000RPM (pour un Kv de 4000), soit, pour un pas d'hélice de 30mm, une vitesse de 90km/h.
Existe-t-il des moteurs tournant beaucoup lentement (Kv de l'ordre de 250) ?
Si non, peux-t-on faire tourner un brushless à 1% de sa vitesse max tout en conservant un bon rendement, ou mieux vaut-il envisager un réducteur ?

Merci à tous,
Nicolas

[jpdes]

Bonsoir,
Le glissement d'une grande hélice est de l'ordre de 30%. C'est à dire qu'il faut multiplier la vitesse théorique par 0,7
Cette valeur est pour une hélice tournant à un bon régime (5000 à 10000 T/mn), Je ne sais pas si ce rendement est le même à vitesse très lente...
Par exemple, une hélice tripale Rivabo de 50mm, pas 45mm devra tourner à 2100T/mn pour entrainer le bateau à 4km/h.
Il faut trouver le moteur pouvant tourner correctement à cette vitesse, l'utilisation d'un réducteur apporte une perte de rendement La solution d'une hélice plus petite et tournant plus vite n'est pas plus mauvaise qu'une plus grosse avec réducteur.
Il existe de nombreux moteur brushless, choisir à cage tournante pour plus de couple et un kv plus petit.
ex: celui ci qui a un KV de 750, alimenté en 1S (3,7v) tournera autour de 2400T/mn en charge
http://www.hobbyking.com/hobbyking/stor ... _140w.html
Il existe des moteurs à kv plus faible encore mais ce sont de gros moteurs très puissants et lourds...
Reste le problème de l'alimentation solaire et là, ce n'est pas gagné!!!
Cordialement,
JP

[ndaganaud]

Bonjour,

Merci pour cette réponse.
Un réducteur apporte certes une perte de rendement, mais un moteur dimensionné pour 15V alimenté en 3.7V présentera probablement un rendement assez minable. Enfin, c'est que je crains ! J'ai trouvé un autre moteur :
http://www.hobbyking.com/hobbyking/stor ... 920kv.html
Un kV un peu supérieure mais surtout beaucoup moins puissant, donc point de fonctionnement optimal plus proche de ce que je recherche. Un avis là-dessus ?
Existe-t-il des tables permettant de dimensionner une hélice ? Par exemple, à diamètre fixé, augmenter le pas permet de diminuer la vitesse mais augmente le couple, il doit certainement exister un rapport pas/diamètre permettant de maximiser le rendement ?
Tu donnes l'exemple d'une hélice 50mm pour un pas de 45mm. A défaut d'autres infos, je pense que je vais partir là-dessus et faire de mesures pour voir ce que ça donne...

Merci beaucoup,
Nicolas

[jpdes]

Les moteurs brushless ne se comportent pas comme les moteurs balais. C'est un champ tournant créé par le contrôleur qui fixe la vitesse de rotation. Le contrôleur gère aussi au mieux l'avance. On peut faire tourner ces moteurs à bas régime sans perte de rendement soit en utilisant une tension d'alimentation dont le maximum correspond à la vitesse souhaitée, soit avec une tension plus élevée mais en limitant la vitesse par le contrôleur. Je ne sais pas trop ce qui vaut le mieux, la vitesse est peut-être plus stable dans le premier cas.
Le choix du moteur est donc d'avoir un kv le plus bas possible. Les tensions d'utilisation fournies par les constructeurs servent à savoir, avec le courant max, quelle est la puissance disponible avant de tout cramer!
Je ne connais pas les calculs pour optimiser le rapport D/pas d'une hélice, je crois que c'est coton!
Par expérience, on utilise des pas faible <1xD pour les bateaux lents et 1,4 x D 1,6 x D pour les racers.
En général, je calcul mon hélice en fonction du bateau (D max) et de la vitesse voulue (T/mn du moteur et pas de l'hélice).
Mais, c'est après, dans l'eau qu'on affine!
JP

[ndaganaud]

Ouaip les infos que tu me donnes vont me permettre de faire un choix de départ pas trop mauvais, je ferai des tests avec plusieurs tension d'alim et plusieurs hélices. Encore un point, comment détermines-tu le diamètre maxi d'une hélice en fonction du bateau ?

[jpdes]

Si c'est à partir d'une maquette, la place disponible entre la voute ou le fond de coque et l'arbre d'étambot détermine le rayon maxi.
Si c'est un bateau complètement inventé, quand le bateau tourne autour de l'hélice, elle est trop grande ... ouarf!
raisonnablement pour un bateau de 1m, une hélice de 50mm, c'est déjà bien.
Plus que le moteur, l'hélice, c'est la forme de la carène qui engendrera le meilleur rendement...

[ndaganaud]

...encore que dans mon cas j'aurai 2 hélices contra-rotatives (deux moteurs), donc la bateau ne tournera jamais autours de l'hélice, si grand soit son rayon ! Blague a part, j'ai acheter des hélices de 38mm et 45mm, je ferai un comparatif.
Pour ce qui est de la coque, je me dis (peut-être à tors) qu'a faible vitesse, l'impact n'est pas si important que ça, et qu'une coque réalisée soigneusement mais sans connaissances particulières (en s'inspirant de la forme des bateaux en général) me permettra d'avoir une bonne idée des performances atteignables (à 30% près, quoi). Pour ce qui est de l'alimentation solaire... ce n'est certes pas gagné, mais c'est le fil rouge du projet !

[JiPeheL]

Bonjour.

Il me semble que le problème a été pris à l'envers. En effet, la première question à se poser est : quelle est la puissance disponible (crête, moyenne) ? et la seconde est : Y a-t-il une batterie tampon ?

A partir de là et en fonction de la puissance disponible, on peut réfléchir à ce qui procurera le meilleur rendement. De toute évidence, plus l'hélice est grande et meilleur est le rendement, sans toutefois aller à l'exagération car une trop grande hélice va avoir plus de frottement et un moins bon écoulement de l'eau à faible vitesse. A titre de comparaison, les bateaux à vapeur tournent des hélices relativement grande (de l'ordre de 6 à 7 cm pour une coque d'1m) mais à des régimes faibles de l'ordre de 1000 à 1500 t/mn avec des puissances développées de l'ordre de 10 à 15W et atteignent à cette puissance une vitesse de l'ordre de 3 à 4 km/h. Le pas est généralement assez faible, de l'ordre de la moitié du diamètre et souvent moins. Il y a encore un autre paramètre à prendre en considération, c'est la surface des pales par rapport à la surface du diamètre de l'hélice et leur forme. Pour avoir la plus grande poussée possible, il faut que ce rapport soit important (voir les remorqueurs qui ont des hélices à 4 ou 5 pales en forme de sabre et maintenant une tuyère (Kort) pour éviter la centrifugation du flux) mais là encore il y a une limite :l' "hélice" de Sauvage (qui était une spirale) avait un mauvais rendement par rapport à ce qui se fait aujourd'hui.

Contrairement à la croyance populaire, le couple contrôleur + brushless n'a pas un rendement très supérieur au couple variateur + moteur à balais, de l'ordre de 5 à 10%, ce qui n'est pas si mal, mais les brushless n'aiment pas tourner lentement (comme l'a suggéré jpdes). La raison en est que c'est le contrôleur qui détermine la vitesse de rotation et il utilise la tension de la force contre électromotrice du moteur sur la phase non alimentée pour caler la commutation, ce qui impose un régime minimal sauf à disposer de capteurs de position à effet hall sur le moteur. Ca existe, notamment pour les voitures, mais ces moteurs ont des Kv généralement très élevés.

Il faut souvent un réducteur et ce qu'on gagne d'un côté, on le perd en partie de l'autre.

[ndaganaud]

La puissance disponible ? Elle dépend de la surface de panneaux solaires, donc de la masse supportable par la coque, donc de son volume, donc de sa géométrie... Tout est lié. La seule chose à laquelle je peux me raccrocher, c'est la puissance des équipements électroniques embarqués (linux embarqué, GPS, magnétomètres, webcam, modem 3G), qui est de 150mW en moyenne sur 24h. J'aimerai que cette puissance ne représente pas plus de 5% de la puissance dédiée à la propulsion, soit, avec un peu de marge, 5W dans les moteurs.

J'en profite pour répondre à ta 2ème question : oui, j'ai une batterie tampon, qui me permet de maintenir une puissance moteur constante sur 24h (dans l'idéal bien sûr). Je pense ne pas être trop loin du vrai en prenant un rendement des panneaux de 110W/m² (mesuré à Lyon vers 18h il y a quelques semaines), et un facteur 10 entre la puissance maximale produite et la moyenne sur 24h. Ca me donne une surface de panneau de 0.45m².
Donc mon but est de réussir à propulser une coque capable de supporter un tel panneau (avec les contraintes de robustesse et de stabilité qui vont bien) à une vitesse maximale (objectif 1m/s). Mais quand je vois que les spécifications de la majorité des moteurs brushless indiquent un courant à vide de 0.5A minimum, je risque de devoir voir plus grand.

Tu parles d'hélices 4 à 5 pales : je vais faire mes tests avec 2 seulement, je garde donc en tête cette amélioration possible. Tu parles aussi de tuyère : j'y gagnerai vraiment ? Il me semble que ce n'est pas très démocratisé, il doit donc y avoir une contrepartie : laquelle ?

Tu donnes 5 à 10% pour le rendement des variateurs + moteurs, j'imagine que tu parles de pertes (90-95% de rendement). Il me semble qu'un Speed 400 présente un rendement maximal de 70%, on est loins de 90% d'un brushless... Ce problème mis à part, les moteurs à balais tournent généralement plus vite que des brushless à faible Kv, non ? Donc controleur + brushless restent nécéssairement meilleurs que moteur à balais + réducteur... Avec mon moteur 750Kv et un pas d'hélice de l'ordre de 20mm, je serai environ à 50% de la vitesse max du moteur, le contrôleur devrait s'y retrouver. J'espère

On s'éloigne un poil du sujet mais quelqu'un a-t-il des infos sur les transmissions magnétiques ? C'est la meilleure piste que j'ai pour l'instant, avec mes contraintes de rendement (exit les joints si ça me tire 2W de plus), de fiabilité et d'étanchéité en milieu salin (fonctionnement plusieurs semaines en continu sans intervention de maintenance).

Merci beaucoup !

[Lagaffe]

Coucou de Lagaffe,

Le bateau est prévu pour naviguer dans un aquarium, sans vagues, sans vent ? Ennemi de tous les bateaux: le fardage !
D'après ce que j'ai compris le moteur développera une puissance de 5W ? A voir les modèles réduits qui naviguent actuellement on dépasse très largement cette valeur.
Pour avoir une idée de ce qu'un moteur de 5W peut entraîner il suffit de prendre un moteur de servo, de lui mettre une hélice, et de mesurer avec un peson la force de traction pour un courant de 1A.
J'ai l'habitude de faire confiance à des mesures plutôt qu'à un calcul que je soupçonne dès le départ d'être très optimiste.

Transmission magnétique ? Comme pour certaines pompes d'aquarium ? Si c'est pour éviter de percer la coque il faudra une coque très fine, des aimants assez puissants... Donc engendrant des frottements sur les paliers.