Un grain de sable dans les rouages ?

Aujourd'hui, lorsqu'on achète un modèle réduit d'avion électrique prêt à l'emploi, on peut partir du principe que son réglage est globalement correct. Les fabricants ont appris à harmoniser l'hélice, le moteur et la batterie de manière à ce que l'ensemble fonctionne sans problème. Pour les modèles de taille « maniable », ce n’est pas sorcier, car dans la gamme allant jusqu’à environ 500 watts, il existe un choix suffisant de composants modulables – hélices, moteurs, variateurs de vitesse et batteries – disponibles à des prix abordables. De plus, les moteurs de conception moderne sont réputés robustes et polyvalents. Cela profite également à tous ceux qui configurent eux-mêmes leur modèle.

La vitesse du moteur (kv) et la taille de l’hélice ne posent plus vraiment de problème (puisque le modèle vole), si bien que le moteur et l’hélice fonctionnent en dehors de leur courbe caractéristique optimale et consomment ainsi inutilement beaucoup d’énergie (dont on dispose désormais grâce aux batteries LiPo). Sur les petits modèles, qui décollent avec une puissance relativement faible, cela se remarque moins. Les petits moteurs peuvent être surchargés à un degré élevé en raison de leurs rapports de surface favorables

. Et si ça ne convient vraiment pas, le remplacement d’un composant ne coûte pas les yeux de la tête. Il en va autrement pour les modèles plus grands, dont les besoins en puissance augmentent, comme on le sait, au cube des masses pertinentes du modèle et nécessitent donc rapidement une batterie et un moteur plus puissants. La taille devient alors clairement un inconvénient. Plus le groupe motopropulseur est grand, moins le rapport surface/masse est favorable, et donc moins efficace est la dissipation de la puissance perdue. Plus il est grand, plus il est donc important de trouver le bon réglage… et la méthode par essais et erreurs peut coûter cher.

Bien sûr, le marché propose désormais d’excellents moteurs capables d’entraîner des hélices de 20 pouces de diamètre et plus. Ils offrent un couple généreux. Pour que cela fonctionne avec un bon rendement, même les machines à grand nombre de pôles ne peuvent se passer de bandes magnétiques épaisses, de paquets de fer solides et de bobines de cuivre volumineuses. Cela alourdit l’ensemble – et coûte cher. Ainsi, ceux qui apprécient l’avantage de la légèreté de la propulsion électrique par rapport au moteur à combustion (oui, nous en sommes déjà là depuis longtemps) et qui disposent en outre d’un budget limité chercheront peut-être des alternatives. Elles existent sous la forme des bonnes vieilles courroies dentées

Parallèlement, on observe un phénomène que les personnes soucieuses de leur consommation d'énergie qualifient d'« effet de rebond ». Un exemple courant tiré de la vie quotidienne : comme les ampoules LED sont considérées comme économes en énergie, on laisse simplement la lumière allumée plus longtemps (puis ça ne coûte rien). Il en résulte alors une consommation d’énergie plus élevée, malgré une meilleure efficacité.

Appliqué aux moteurs de modèles réduits, cela signifie que, grâce à des composants résistants, on peut, en ajustant le nombre de cellules, la densité de puissance spécifique

Les solutions de transmission peuvent également améliorer le rendement des moteurs électriques, réputés pour leur flexibilité.

(kv 550 tr/min/V) – intéressant, et pas seulement pour les systèmes de propulsion Helian.

Technique des roues. Le motoréducteur, que l'on croyait déjà disparu depuis un certain temps, mérite un retour en force.

On croit parfois naïvement que les véhicules électriques peuvent facilement se passer de boîte de vitesses. Ce n'est qu'un vœu pieux. S'il est vrai que le moteur à courant continu fournit un couple maximal dès le démarrage, il le fait à un coût (en énergie) injustement élevé. Ainsi, sur les vélos électriques, le moteur central, qui, dans son...

Comme il comporte souvent plusieurs étages de réduction et utilise le système de changement de vitesse du vélo, il a depuis longtemps supplanté le moteur intégré au moyeu. Et même les moteurs intégrés au moyeu sont, dans la plupart des cas, équipés d'un réducteur planétaire afin d'alléger la construction. Avec un rapport de réduction, un tel groupe motopropulseur fonctionne tout simplement plus efficacement.

La Porsche Taycan, très tendance, dispose même d’une boîte à deux rapports sur l’essieu arrière. Le premier rapport confère à la Taycan une accélération encore meilleure dès le départ, tandis que le deuxième rapport, à rapport long, est censé permettre d’atteindre les vitesses autoroutières allemandes sans que la gestion du moteur ne réduise la puissance.

Les moteurs électriques tirent tout simplement leur puissance « à moindre coût » d’un régime plus élevé que du seul couple « accumulé ». En effet, si l’on tente d’obtenir un moteur électrique à couple élevé, il faut accepter des effets secondaires désagréables, même en utilisant des aimants SE puissants. Ainsi, le couple augmente certes de manière linéaire avec le courant absorbé, mais

atteint rapidement ses limites, ce qui est compréhensible en fonctionnement sur batterie. À l’inverse, on peut essayer de mieux « exploiter » le courant grâce à un bobinage comportant davantage de spires. Si un moteur électrique dispose par exemple d’environ deux fois plus de spires, le couple spécifique double effectivement. Tout est clair ? Pas tout à fait, car le fil de bobinage sera alors – à dimensions égales – non seulement deux fois plus long, mais, en raison de l’

espace de bobinage inchangé, ne pourra plus présenter que la moitié de la section. La résistance ohmique est ainsi multipliée par quatre (!) et l’augmentation de la résistance du bobinage entraîne une hausse disproportionnée des pertes dans le cuivre liées au courant. Il resterait encore la possibilité d’agrandir la machine, mais dans ce cas, lorsque la longueur de l’enroulement double, la résistance n’augmente « que » d’environ le double. Pour cela, il faudrait toutefois également agrandir les paquets de fer et

Ce Hacker Q80 L 135 kV offre un couple généreux pour des hélices d'un diamètre allant jusqu'à 27 pouces. Comparé aux solutions à réducteur, ce type de moteur est d'un silence inégalé. Il pèse toutefois pas moins de 1 335 g.

Idéal pour les grands modèles de remorquage.

tout le système de support s'agrandit en conséquence. La machine devient plus grande et plus lourde. La situation s'améliore légèrement lorsque le diamètre du moteur augmente. Lorsque le diamètre double, le couple augmente certes de manière approximativement quadratique (il est multiplié par 4), mais comme la circonférence augmente également, il devient nécessaire de diviser le circuit magnétique en plusieurs segments afin de limiter les trajets magnétiques. C’est ainsi que l’on en arrive aux machines multipolaires. Mais elles ne constituent pas non plus la solution à tous les problèmes, car les changements de pôles désormais plus fréquents entraînent davantage de pertes dans le fer et de pertes par courants de Foucault dépendantes de la vitesse de rotation. Il est intéressant de noter qu’un moteur électrique atteint son meilleur rendement dans la plage de fonctionnement où les pertes liées au courant s’équilibrent avec celles liées à la vitesse de rotation. On peut

ne pas « aller trop loin » ni dans un sens ni dans l'autre.

D'innombrables séries de mesures effectuées sur divers moteurs d'avion électriques montrent que nos moteurs à rotor externe classiques, comportant entre 14 et 28 pôles, atteignent certes les meilleurs résultats en termes de couple, mais qu’ils atteignent également assez tôt cette limite de vitesse (et donc de tension) à partir de laquelle leur rendement recommence à baisser. C’est précisément à-

Il en va de même pour les moteurs bipolaires bien connus à enroulement à entrefer (Hacker, Kontronik, Lehner), qui ne fonctionnent efficacement qu’à des vitesses de rotation très élevées et sont donc généralement commercialisés avec des trains planétaires à rapport de réduction élevé. Les moteurs à 8 à 10 pôles ont jusqu’à présent suscité moins d’intérêt, du moins semble-t-il. Ils se distinguent souvent par des rendements maximaux de 90 % et plus, et ce à des intensités respectables de 40 à 80 A,

c’est-à-dire là où les amateurs ambitieux aiment bien s’amuser. On se retrouve alors dans le domaine des moteurs d’hélicoptère avec des régimes spécifiques descendant jusqu’à environ 450 tr/min/V, qui permettent alors, pour un « poids de combat » allant jusqu’à 500 g, un débit de puissance de plusieurs kilowatts. Ce n’est pas un hasard si ce type de moteur est devenu un véritable moteur de puissance, car la dynamique des hélicoptères 3D, déclenchée par les changements de pas brutaux,

En raison de la courbe de courant dynamique qui en résulte, ces appareils imposent des exigences extrêmement élevées aux moteurs. À l’époque du « boom » des hélicoptères, cela a conduit au développement de quelques modèles très ambitieux. Aujourd’hui, alors que ce boom semble s’être quelque peu essoufflé, un nouveau champ d’activité s’ouvre pour certains de ces « athlètes de la puissance ». Ils peuvent vraiment tirer parti de leurs atouts à une tension de fonctionnement plus élevée, avec des batteries de 6 à 12 (14) s. Et bien sûr, uniquement avec une transmission qui, selon le choix de l'hélice, permet parfois de s'aventurer dans la gamme XXL.

Si tout est fait correctement, les performances attendues sont les suivantes :

• Les pertes au niveau de la transmission sont plus que compensées par l’augmentation du rendement du moteur.
• Le champ d’application des moteurs déjà existants s’élargit (seconde vie).
• Il est possible de monter des hélices plus grandes, offrant une meilleure portance et donc un meilleur rendement (qui s’harmonisent souvent mieux avec l’esthétique du modèle).
• Le poids total du système de propulsion est inférieur, malgré la mécanique supplémentaire,

que celui d’un moteur à entraînement direct offrant un couple équivalent (principal avantage).

Certes, quelques compromis sont inévitables. Ainsi, l’installation dans le modèle existant peut parfois nécessiter des solutions créatives en raison de la forme encombrante de certains réducteurs. Et le bruit supplémentaire est indéniable et n’est pas toujours souhaitable.

Bien sûr, les transmissions qui fonctionnent sans à-coups ne sont pas données. C'est pourquoi il vaut vraiment la peine de se pencher sur les différents types existants.

Ce n'est pas sans raison que l'engrenage planétaire, dont on peut supposer ici que le principe de fonctionnement est connu, jouit déjà d'une grande popularité. Un tel engrenage planétaire présente une conception très compacte, ne présente aucun décalage d'arbre et conserve le sens de rotation. Des rapports de réduction allant jusqu’à un facteur 8 par étage sont réalisables. Son principal avantage réside dans la répartition interne des efforts sur généralement 3 (… 4) pignons planétaires, ce qui réduit la pression superficielle et donc l’usure dans la zone

des flancs des dents est réduite. On peut toutefois trouver gênant le bruit inévitable généré par le fait que, lorsque le débit de puissance est élevé, seules des roues dentées métalliques peuvent être utilisées. De plus, ces groupes motopropulseurs nécessitent un entretien sous forme de regraissage occasionnel. Il convient néanmoins, lors de l’achat, de veiller à n’utiliser que des réducteurs dont les pignons planétaires sont équipés de roulements (généralement des roulements à aiguilles), car les pièces montées sur paliers lisses ont tendance à se gripper, ce qui peut parfois avoir de graves conséquences pour l’ensemble du système. →

Sont considérés comme éprouvés les entraînements présentant un rapport de réduction (arrondi) de 7:1 et les moteurs à rotor interne à 2 pôles avec bobinage à entrefer qui, pour des raisons physiques, sont conçus de manière plus adaptée à des vitesses spécifiques élevées comprises entre 1 200 et 1 800. Cela permet alors de déplacer efficacement des lattes de 20" et plus. La tâche s'allège encore avec l'utilisation des moteurs à rotor externe mentionnés plus haut, issus du domaine des aéronefs à voilure tournante, qui entrent généralement en jeu avec un rapport de réduction compris entre 3:1 et 5:1.

En raison de leur diamètre extérieur compact, les réducteurs planétaires s’intègrent également bien dans le nez des planeurs. Là, tout comme sur

modèles à moteur, il est parfois judicieux de ne pas se contenter de fixer à l’avant les groupes moteurs, qui sont longs, mais aussi de les soutenir à l’arrière afin d’éviter toute tendance à l’oscillation.

Les moteurs disponibles dans le commerce avec un train planétaire bridé (par exemple ceux de Hacker, Kontronik, Leomotion, Plettenberg, Reisenauer, Schambeck) ont fait leurs preuves. Les essais réalisés avec des réducteurs industriels – par exemple des réducteurs à engrenages circulaires conçus pour les motorisations de volets roulants – ont également donné satisfaction, mais ceux-ci sont généralement un peu plus bruyants en raison de leur module plus grand.

Les engrenages cylindriques sont les classiques parmi les convertisseurs de couple. Le fait que le sens de rotation s'inverse posait autrefois un problème, à l'époque où l'on utilisait encore des moteurs à commutation par balais ayant un sens de rotation préférentiel. Les moteurs sans balais tournent aussi bien dans un sens que dans l'autre. Il resterait toutefois l’inévitable décalage d’arbre. Dans le cas des propulseurs de planeurs, cela peut parfois poser problème. Il ne faut bien sûr pas passer sous silence la question du bruit. C’est un problème récurrent, car par le passé, on utilisait souvent des jeux d’engrenages bon marché composés de pignons en laiton et

des engrenages en plastique moulés ont été mis sur le marché. Même des éléments en apparence aussi simples que deux engrenages s'engrenant l'un dans l'autre exigent justement un grand souci du détail. Outre une qualité d’usinage élevée au niveau des flancs des dents, la réduction de la pression superficielle grâce à une largeur de dent suffisante, un module adapté (pas trop grand), un appariement de matériaux approprié (métal/plastique) et, surtout, une denture hélicoïdale, à réduire le bruit inévitable de la transmission. Le sujet de la lubrification pourrait remplir des volumes entiers, mais il contribue non seulement à réduire les frottements, mais aussi à atténuer le bruit. Si le jeu d’engrenages est encapsulé, on fait d’une pierre deux coups : les vibrations des coussinets sont amorties et la graisse ne gicle pas partout.

Outre les solutions de transmission disponibles dans le commerce (par exemple chez Kontronik), il est tout à fait possible de monter soi-même des réducteurs à engrenages cylindriques à l’aide de jeux d’engrenages adaptés. Le choix des matériaux dépend des possibilités d’usinage disponibles. Les premiers essais avec des plaques d’engrenage en aluminium ont rapidement été abandonnés, car ce métal est relativement (!) lourd, n’amortit pratiquement pas les vibrations et peut même agir comme une table d’harmonie. De meilleurs résultats ont été obtenus avec des plaques en plastique de 4 à 6 mm d’épaisseur en polystyrène ou en Makrolon, dont l’usinage s’effectue toutefois de préférence à l’aide d’une fraiseuse CNC. Mais comme il fallait « faire appel à des prestataires » pour ce type de services, les plaques de réducteur ont été fabriquées à titre d’essai en contreplaqué. Bien entendu, seuls des matériaux de haute qualité et très résistants entrent ici en ligne de compte : des panneaux non déformés en contreplaqué de hêtre collé 7 à 9 fois, d’une épaisseur de 6 à 8 mm. Et voilà que le résultat s’est avéré meilleur que prévu. C’est ainsi que ces « meubles », initialement prévus comme des solutions provisoires, se sont révélés être

Grâce à la grande largeur de ses dents (30 mm), il supporte une puissance de plusieurs kilowatts.

pouvant être fabriqués avec une précision suffisante, d’une légèreté imbattable et – surtout – offrant une isolation phonique surprenante. Ce dernier point suppose bien sûr que les entraxes déterminant le jeu entre les flancs des dents soient correctement choisis. En effet, les engrenages ne doivent en aucun cas se coincer, mais ils ne doivent pas non plus présenter un jeu inutilement important. La solution pragmatique est la suivante : le pignon et

grande roue sont serrés ensemble à l’aide d’un anneau en caoutchouc solide, avec entre eux quatre couches de papier d’aluminium (tirées du tiroir de cuisine de maman). Ensuite, l’écartement nécessaire entre les arbres peut être déterminé à l’aide de deux mesures effectuées avec un simple pied à coulisse. Pour ceux qui l’auraient oublié : écartement extérieur des arbres plus écartement intérieur des arbres, puis diviser la somme par deux. Écartement des arbres = (mesure _extérieure + mesure intérieure) : 2

Le véritable défi consiste désormais à reporter la dimension ainsi obtenue aussi précisément que possible sur les plaques et à percer les trous destinés aux roulements à billes à l'aide d'outils adaptés. Si l’on trouve une mèche Forstner adaptée, le tour est joué. Il va sans dire que la face avant et la face arrière sont usinées en une seule opération.

Lors du choix de l’appariement des roues dentées, il convient par ailleurs de veiller à éviter les rapports de transmission entiers, car dans ce cas, ce sont toujours les mêmes dents (éventuellement défectueuses) qui s’engrènent, ce qui peut favoriser l’usure.

L’engrenage à denture intérieure, qui a fait son apparition dans le modélisme au cours des années 1990 sous le nom d’« Introgear », constitue une forme particulière. Malgré des avantages indéniables (décalage réduit entre les arbres, absence d’inversion du sens de rotation, plus grand nombre de dents en prise), il fait parfois partie des espèces en voie de disparition.

Les plus anciens se souviennent certainement encore des transmissions Kruse, qui datent également de cette époque. Elles reposaient sur des courroies dentées renforcées de fibre de verre et offraient des rapports de réduction allant jusqu’à 1:4, même si, dans la plupart des cas, on utilisait des rapports nettement plus faibles. Les moteurs à balais, courants à l’époque, ne permettaient tout simplement pas d’utiliser des hélices efficaces en entraînement direct, et leur plage de vitesse était également limitée vers le haut. La transmission par courroie crantée était donc un moyen très apprécié pour pouvoir entraîner des hélices de taille raisonnable, même avec des moteurs en ferrite. Les entraînements à deux moteurs sont également devenus possibles. Mais ce type de système semble lui aussi avoir rapidement disparu des terrains d’aviation après l’arrivée en force des moteurs à rotor externe multipolaires.

Il est encore difficile de savoir si les transmissions par courroie connaîtront un regain d'intérêt généralisé, car les transmissions par courroie crantée, en raison de leur déport maximal entre les arbres, ne sont jamais compactes et conviennent davantage aux faibles régimes, tant pour des raisons d'efficacité que pour le bruit d'accompagnement parfois sous-estimé. De plus, les courroies ne sont disponibles dans le commerce qu’avec un nombre de dents ou une longueur déterminés, ce qui nécessite alors des mesures de compensation mécaniques telles que des galets tendeurs ou des arbres coulissants. Néanmoins, un tel rapport de réduction peut encore aujourd’hui s’avérer judicieux lorsqu’il s’agit de passer à de grandes hélices présentant un rapport pas/diamètre approximativement carré, car c’est la seule façon de transformer efficacement le mouvement de l’air en propulsion.

Les solutions de propulsion électrique dans l'aéromodélisme ne sont donc en aucun cas sans alternative. En effet, il est parfois possible d'éviter de puiser profondément dans son budget de loisir en réfléchissant sérieusement à d'autres options de propulsion. Et certains moteurs, qui ne présentaient plus d’intérêt jusqu’à présent, se voient offrir un nouveau domaine d’application plein de défis. N’est-ce pas là une perspective encourageante à l’ère de la société du tout-jetable ?