Les systèmes de propulsion étudiés

Auteurs : Brian Elodie, Schmitz Baudouin
Tuteurs : Denis Netter, Noureddine Takorabet


Les systèmes de propulsion étudiés


Le bilan énergétique est une des considérations centrales du projet Urbanloop car, à l’image d’un nouveau moyen de transport innovant, il se doit d’être économe en énergie. Nous prenons comme repère une estimation de la consommation journalière de tous les véhicules Nancéiens transportant des passagers à l’intérieur du Grand Nancy.

    Dans cet objectif d’optimisation énergétique et mécanique, un état de l’art a été mené sur les systèmes de propulsion. Une attention particulière a été portée aux systèmes de propulsion alimentés par rails et un comparatif de ces moyens de propulsion a été réalisé au regard des contraintes Urbanloop.

Rappel de fonctionnement d’un moteur électrique

Les deux types de moteur, synchrone et asynchrone, sont similaires dans leur composition et dans leur principe de fonctionnement. Celui-ci repose sur des phénomènes physiques d’électromagnétisme. Les moteurs synchrones et asynchrones sont tous deux dissociables en deux parties principales :
•    Un stator (partie fixe du moteur), de forme cylindrique, qui induit un champ magnétique tournant.
•    Un rotor (partie mobile), de forme cylindre aussi, est situé à l’intérieur du stator et tourne sous l’influence du champ tournant induit par le stator.

Ces deux pièces sont séparées par un fin espace appelé entrefer.

Ces moteurs sont généralement triphasés et sont alimentés par un onduleur à fréquence variable. Aussi, les explications du fonctionnement seront faites sur un moteur composé de trois bobines.

Le moteur synchrone

Le stator est donc un cylindre de ferromagnétique où sont fixées des bobines généralement en cuivre. Les bobines sont réparties de façon équidistantes autour de l’axe du moteur, soit avec un décalage de 2𝜋/(3p) les unes par rapport aux autres, où p est le nombre de paire de pôle (un pôle étant deux bobines de pôle différent, diamétralement opposées sur le stator). Le rotor, lui, est un aimant ou bien une bobine alimentée par un courant continu. Une fois alimentées, les bobines deviennent des électroaimants (elles se polarisent magnétiquement) : la bobine du rotor parcourue par un courant continu émet un champ magnétique permanent ; les bobines du stator parcourues par un courant triphasé produisent un champ tournant. En effet, les bobines fixes sont alimentées par trois courants variables dans le temps et déphasés temporellement entre eux de 2𝜋/3 produisant un champ tournant dans l’entrefer. C’est que l’on appelle une source de courant triphasée. La bobine mobile au centre du stator s’anime alors d’un mouvement de rotation en essayant d’aligner son champ permanent avec celui de la bobine du stator qui lui présente à l’instant t une polarisation inverse à la sienne. Une fois les deux champs alignés, l’alimentation en courant des bobines du stator change et brise l’équilibre atteint : le rotor continue sa giration et cherche à aligner de nouveau les deux champs magnétiques dans une nouvelle position d’équilibre.
Les courants au stator seront imposés en fonction de la position du rotor : c’est ce que l’on appelle la commande par autopilotage.
Pour le moteur synchrone, la vitesse du rotor est proportionnelle à la fréquence du courant triphasé qui alimente le stator, ce qui rend nécessaire la présence d’un onduleur notamment pour la phase de démarrage.
Le moteur synchrone à aimants permanents est très connu pour sa compacité ; il est intéressant en robotique et en aéronautique (grande densité de puissance).

schéma de fonctionnement d'un moteur synchrone
schéma de fonctionnement d'un moteur synchrone

 

photo d'un moteur synchrone
photo d'un moteur synchrone

 

Bien que l’égalité des vitesses soit garantie sur la boucle principale, le moteur synchrone peut rencontrer des problèmes lors du redémarrage et de l'accrochage en arrivant sur le rail. En effet, le moteur synchrone a l’avantage de produire un couple maximal lorsque sa vitesse atteint la vitesse optimale pour le moteur, celle pour laquelle il a été créé : sa vitesse nominale. En contrepartie, il n’a aucun couple au démarrage, lorsque sa vitesse de rotation est nulle. Un système d’aide au démarrage est donc nécessaire.
De plus, son coût est relativement important, en particulier pour les moteurs à aimants (pièces chères).
Le moteur synchrone est utilisé pour des applications nécessitant une vitesse stable en fonction de la charge.

(*) Le ferromagnétisme désigne la capacité de certains corps de s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique extérieur et de garder une partie de cette aimantation. Ces corps sont alors dits “ferromagnétique” (le fer, par exemple)

Le moteur asynchrone

Le fonctionnement du moteur asynchrone est quasiment similaire à celui du moteur synchrone, à la différence que les courants rotoriques sont générés par des phénomènes d’induction magnétique. Leurs stators sont identiques, seul le rotor est modifié : il s’agit d’un cylindre ferromagnétique muni de barreaux métalliques connectés aux extrémités par deux anneaux ; cette configuration est appelée “cage d’écureuil”.
Ainsi, lorsque le stator crée le champ tournant, le rotor essaie suivre ce champ magnétique sans toutefois y parvenir ; un décalage de vitesse se crée, on parle de glissement. Le couple est obtenu par l'interaction du champ statorique et des courants induits du rotor. Pour le moteur asynchrone, la vitesse du rotor n’est donc pas proportionnelle à la fréquence d’alimentation du stator ; elle est légèrement inférieure.

schéma de fonctionnement d'une cage d'écureuil
schéma de fonctionnement d'une cage d'écureuil

Ce type de moteur a l’avantage d’être fiable et robuste tout en étant moins onéreux. De plus, ces moteurs ont besoin d’électronique de puissance pour démarrer et contrôler leur vitesse, de la même manière que le moteur synchrone ; elle est toutefois plus difficile à mettre en place sur les moteurs asynchrones. Cependant, ils présentent des inconvénients notables : sur la boucle principale, la vitesse de déplacement ne sera pas précise (la vitesse de rotation du moteur va varier de quelques pourcents en fonction de la charge). Un système de régulation fixe devra être adjoint.
Le moteur asynchrone est un grand standard industriel, très utilisé dans le domaine de la propulsion pour le transport (TGV, voiture Tesla).

Actionneurs linéaires

Dans de nombreuses applications, un déplacement linéaire, ou translation, est nécessaire. Les actionneurs linéaires présentent un large éventail de performances, en termes de longueur de course ou de puissance développée, et ce allant de grandes accélérations pour les lanceurs électromagnétiques, aux utilisations requérant des vitesses de déplacement très importantes telles que les trains à lévitation magnétique (~100 m/s), en passant par les actionneurs linéaires au positionnement très précis notamment présents dans l’industrie électronique (~µm). Ils sont aussi utilisés en aéronautique où un des critères essentiels est la minimisation de la masse. Ainsi, il s’agit d’un mécanisme jugé précis. Cependant le coût de ces systèmes reste néanmoins un frein.

actionneur linéaire
actionneur linéaire

Quel moteur pour quelle utilisation.


Motorisation de la capsule

La motorisation des capsules de l’UrbanLoop devra être le meilleur compromis à certaines contraintes. Tout d’abord, toutes les capsules seront équipées d’un moteur. Le nombre de capsule étant très important, il est nécessaire que les moteurs soient les moins chers possible. D’autre part, pour des raisons de sécurité et d’optimisation du flux de véhicule, il est nécessaire de pouvoir contrôler précisément la vitesse des capsules. Notre projet propose de véhiculer 3800 capsules sur 70 km de boucle à une vitesse de 80 km/h. Les moteurs seront embarqués et devront occuper un volume minimum dans la capsule car, si elle peut apparaître légère (170 kg avec un voyageur), nous préférerons réduire l’espace alloué aux mécanismes de puissance et de commande au profit de celui du passager. De plus, afin de réduire les coûts de fonctionnement et de faciliter l’entretien des capsules, la motorisation devra être robuste.

    Tout d’abord, en ce qui concerne le moteur synchrone, malgré ses qualités de maîtrise de la vitesse sur la boucle principale, l’impossibilité de démarrer directement sur le réseau rend son utilisation impossible dans le cadre de l’UrbanLoop. En effet, pour démarrer les capsules, il faudrait des infrastructures importantes pour moduler l’alimentation triphasée. La vitesse de rotation est proportionnelle à la fréquence de l’alimentation, or redémarrer directement à une vitesse de rotation de 50 Hz, soit de 3000 tr/min, est impossible. Aussi, son coût est aussi relativement élevé.
D’autre part, concernant les moteurs linéaires le coût est beaucoup trop important pour pouvoir envisager cette solution malgré ses qualités de contrôle de la vitesse et de récupération de l'énergie.
Enfin, le moteur asynchrone possède un coût faible et la régulation de la vitesse est facilement réalisable. Ainsi le moteur asynchrone est le meilleur compromis pour assurer la motorisation des capsules.
    
    Les moteurs asynchrones des capsules seront alimentés en triphasé grâce à des contacts glissants sur le rail. Ces moteurs seront branchés en direct sur les roues arrières. Dans les boucles principales les capsules évolueront dans un flux d’air ce qui va légèrement pousser les capsules mais qui va surtout permettre de diminuer les frottements fluides avec l’air, ce qui permettra aux capsules d’atteindre 80 km/h. De surcroît, le couple du moteur dépendant de la charge, la vitesse de rotation du moteur va varier de quelques pourcents en fonction de celle-ci. Ainsi, afin faire varier la vitesse de rotation des capsules en fonction des besoins, toutes les capsules seront équipées de variateurs de vitesse constitués d’un redresseur combiné à un onduleur. Le redresseur permet de transformer le courant triphasé en courant continu que l'onduleur transforme en courant triphasé à la fréquence voulue, ce qui permettra à toutes les capsule d’aller à la même vitesse dans la boucle principale.

Roue de friction

Lors des phases de réinsertion dans la boucle principale, il y aura des roues de friction pour assister le moteur asynchrone des capsules lors de l’accélération. Les roues de friction sont des roues au niveau du sol qui propulsent la capsule quand elle passera dessus. Ce dispositif est nécessaire car les moteurs asynchrones ne possèdent pas un couple assez élevé pour ces accélérations importante. Les moteurs qui actionneront les roues de frictions seront des moteurs synchrones car cette application nécessite une vitesse de rotation stable en fonction de la charge.