Motoréducteur pédalier Scorpion – Apex


L’idée est d’utiliser un moteur outrunner d’avion ou hélicoptère, des petits moteurs surpuissants (plusieurs kW dans un très faible volume : diamètre 6cm longueur 8cm ), et léger forcément ( moins de 1 kg) tournant à 6000 tr/mn. Selon les modèles ils consomment pas loin de 100 A.

Mais sur un vélo on aura pas besoin de cette puissance, on pourra limiter le courant à 20 ou 30 A ou 40 A .

Par contre ils exigent un réducteur avec un fort ratio, capable de passer une forte puissance.. Un réducteur avec un bon rendement. Ce sera un train épicycloïdal dont le rendement est de 80 % , et qui supporte en entrée une vitesse de rotation élevée. Pour avoir un fort ratio, il faut un réducteur à deux étages.

Un modèle avec renvoi d’angle qui permet de monter le moteur sous le tube du cadre, ainsi il sera protégé des chocs si le vélo tombe , contrairement à un montage dans l’axe.

reducteur AFR

Ils acceptent en entrée 5000 tr/mn en nominal, mais acceptent jusqu ‘à 10 000 tr/mn.

Après un premier examen des réducteurs Apex avec le commercial, il ne faut pas choisir les plus petits de la gamme, qui n’ont qu’un étage , mais le modèle au dessus, forcément plus cher ( ~500 € ) qui peut donner en sortie jusqu ‘à 40 Nm avec des ratios allant de 25 à 100.

Pour une vitesse de pédalier de 60 tr /mn, moteur à 6000 tr/mn le ratio total est de 100.

Le jeu pignon sortie réducteur 16 dents et plateau moteur du pédalier 48 dents offre un ratio de 3, il nous faut un ratio de 33 pour le réducteur Apex.

On a le choix entre 30 et 35.. si on veut que le moteur tourne moins vite on prendra le 30

Le pignon de sortie du réducteur tournerait à 180 tr/mn , le moteur tournerait à 5400 tr/mn avec un ratio de 30.

Ce ratio permet de passer 55 Nm sur l’axe de sortie du réducteur. A 180 tr /mn , celà représente une puissance mécanique de 1036 watts.

Sur le pédalier , avec un ratio de 3 , le couple sera de 155 Nm

Ca équivaut à un poids de 80 kg sur une manivelle de 17 cm.. On est dans la limite du pédalier.

Si on prend un moteur plus puissant ( pour des raisons de taille et d’adaptation de l’axe au réducteur,de fixation du moteur sur le réducteur ), il faudra limiter sa puissance pour ne pas exploser le pédalier ou le reste..

http://www.apexdyna.com/Eng/prod/AFR_spec.htm

Enfin Apex donne le fichier CAO en STEP IGES ou DXF.

réducteur Apex AFR60

L’axe d’entrée du réducteur est de 11 mm pour le modèle à deux étages .
le système accepte des axes de diamètre inférieur.

Ca nous limite dans le choix des moteurs :

les Turigny ont un axe de 12 mm

un modèle à 10 mm : http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=3890

après on passe à 8 mm :

Les meilleurs moteurs sont les Scorpio

Logo Scorpio

Fabriqués avec des aimants qui supportent 200 °C, autrement les moteurs standards sont montés avec des aimants 80 °C. ce qui justifie le supplément de prix. Au delà de ces températures, les aimants perdent de leur aimantation. Le bobinage stator supporte 180 °C.

Moteur Outrunner Scorpio

C’est très important, car ces moteurs destinés à un avion sont bien refroidis par l’hélice, sur un vélo ils risquent de chauffer davantage.

C’est la contrepartie d’avoir une telle puissance dans un aussi petit volume, et donc une faible surface d’échange.

Principe des moteurs Outrunner .

cloche du rotor supportant les aimants

cloche du rotor supportant les aimants

moteur outrunner  stator avec son bobinage

moteur outrunner stator avec son bobinage

la cage extérieure du moteur qui comporte les aimants du rotor, tourne avec l’hélice.

l’axe traverse le moteur , il est monté avec deux roulements. et ressort de l’autre coté ( enfin selon les modèles ) .

Le stator , est fixé avec une croix. il suffira de refaire la croix , pour l’adapter au réducteur.

Attention toutefois à laisser le passage de l’air pour refroidir le stator.

Scorpio propose une belle documentation technique :

http://www.scorpionsystem.com/building_technic/HK4225_build_and_review/

Les caractéristiques de chaque moteur sont très détaillées.

pour certains modèles on a selon les hélices utilisées, les données de puissance, vitesse ramenée vers une plage de 5000 à 6000 tr:mn avec la charge de l’hélice.

incroyable ! la force de traction de ce genre de moteur avec une hélice est de 15000 grammes. soit 150 N

On pourrait pratiquement tirer un vélo avec l’hélice, les petits moteurs roues ne donnent pas cette force sous la roue…

Scorpio propose toutes les pièces de rechange :

Une vidéo de démontage pour remplacer l’arbre.

http://www.youtube.com/watch?v=Oha3DuLWAkc&feature=player_embedded

dans les commentaires ils expliquent qu ‘il faut utilser soit une presse, soit utiliser une perceuse à colonne avec un bout d’axe pour sortir l’arbre, sinon s’abstenir.

Scorpio propose les moteurs en kit et on peut réaliser son propre bobinage, pour avoir d’autres caractéristiques.

Refroidissement du moteur :

Sur un avion l’hélice participe au refroidissement du moteur. Au niveau rendement c’est gratuit puisque l’hélice sert à tirer l’avion.

Mettre une petite hélice pour refroidir le moteur génèrera des pertes par ventilation

Monté tel quel, on verra tourner le moteur. Ce n’est pas très génant, de le voir tourner, mais il n’est pas abrité de la pluie et des éclaboussures.. Du sable pourrait entrer dans le moteur, et détériorer l’isolant.

Mais on pourrait le monter dans un tube, pour le protéger et monter une turbine de petit diamètre sur la cage tournante à la place de l’hélice, pour augmenter la circulation d’air sur le moteur ( ventilation forcéee.).

Ce n’est pas la peine de chercher dans la récup des ventilateurs de PC, aucun ne supporterait la vitesse de 6000 tr/mn .

Inconvénient de cette solution : si le moteur force et ne tourne pas vite, il sera peu refroidi.

S’il ne force pas en roulant vite au plat très vite on perdra énormément de puissance dans le ventilateur. La puissance varie en fonction du carré de la vitesse de rotation. Et si le moteur a bien forcé et qu ‘on s’arrète , il ne sera pas refroidi.

La solution est de monter une ventilation avec un moteur indépendant, qu ‘on pourra ajuster, et dont la vitesse sera régulée en fonction de la température du moteur. Il faudra installer une mini sonde de T° dans le bas du moteur.

C’est surtout le stator qui va chauffer avec les pertes joule dans le bobinage et transmettre la chaleur au rotor.

On ne consommera de la puissance pour la ventilation que lorsque ce sera nécessaire, et seulement la puissance nécessaire.

Cette surconsommation est le prix à payer pour pouvoir grimper une côte, avec une forte charge ( remorque ) à une certaine vitesse, et ne pas détériorer le moteur. Elle sera moins importante si la charge est plus faible.. Ce serait pénalisant pour l’autonomie de dépenser la même puissance de ventilation, quelle que soit la pente, ou la charge.

Dans mes recherches de ventilation j’ai trouvé ces turbines électriques. Elles sont destinées à la propulsion de petits avions ( EDF ) à très grande vitesse le record est de 206 km/h avec cette turbine qui consomme 500 W à Plus de 30 000 tr/mn ).

turbine électrique

http://shop.singahobby.com/?q=node/14955

Elles sont déjà toutes prêtes pour être montée sur la cheminée, qui entourera le moteur.

Autre avantage : le poids réduit du matériel destiné aux modèles réduits d’avion, et la résistance avec la fibre de carbone , très supérieure au plastique..

Il y a bien d’autres modèles de turbines..

http://www.miniplanes.fr/moteursvariateurs/turbine-electrique-c-186_184.html

La puissance thermique à évacuer avec 50 A et un bobinage de 30 mohm serait de ( 50 x 50 x 30 x 2 ) / 1000 = 150 watts.

Par contre il faudra utiliser un moteur qui tourne moins vite, parce qu’ on a pas besoin de cette vitesse d’air ( 200 km/h ) et donc de ce débit, pour améliorer le refroidissement du moteur.

A la vitesse nominale le bruit est insupportable, mais on l’utiliserait à vitesse réduite, et ce serait uniquement lorsque le moteur de traction devra dégager beaucoup de puissance.

La régulation pourrait démarrer par exemple à 40 °C 400 tr/mn et suivre une pente 60 °C 6000 tr/mn ( vitesse maxi ).

Débit de la turbine à 200 km/h , section 100 cm2 :

200 000 x 100 x 10 ex-4 = 2 000 m3/h

un ordre d’idée hein !

D’autre part cette turbine est prévue pour un passage d’air libre et dans cette installation le moteur de traction obstrue le passage d’air et crée une perte de charge importante qui réduit la vitesse du passage de l’air.

La vitesse augmentera dans la partie rétrécie, ce qui améliorera le refroidissement.. par rappot à une simple hélice sans conduit.

Sur un ventilateur :

– le débit d’air varie proportionnellement avec la vitesse.

– la pression varie avec le carré de la vitesse

– la puissance varie avec le cube de la vitesse.

http://depollunet.free.fr/index.php?option=com_content&view=article&id=196:335-lois-de-similitude&catid=107:le-systeme-daspiration&Itemid=131

A quelle vitesse le faire tourner ? quelle puissance ? quelle efficacité ? impossible à dire sans faire des essais.

Bien sûr on fera un calcul approximatif , mais on est un peu tenus par le matériel disponible : la plus grosse turbine fait 92 de diamètre ( conduit ? ) la B28.

Le moteur a un diamètre de 49 mm avec 69 mm de conduit ( modèle DF 69 ) le passage d’air est peut être un peu juste. ( 1 cm ), contre 2 cm avec le diam 92.

On a un petit moteur de 5 cm de diàmètre , en réalité, équipé de sa ventilation forcéee il occupera 10 cm.. Ce n’est pas dramatique, et en plus il sera protégé.

On peut aussi prévoir de mettre un cône d’hélice sur le centre de la cage tournante, sans boucher les entrées d’air pour le stator, pour réduire ces pertes de charge..

En créant une perte de charge, dans sa cheminée le moteur va faire monter la pression, entre lui et la turbine..

Ainsi ( mais c’est juste une idée en l’air ) si on a un débit d’air suffisant il serait possible d’installer des prises d’air à ce niveau , pour envoyer de l’air frais sur le contrôleur et batteries.

La forme de la prise d’air doit être étudiée pour éviter l’effet Pitot ( ou Venturi ) : aspiration d’air par la prise.

La sortie d’air vers le bas du moteur et le réducteur doit aussi avoir un passage suffisant.

Notre moteur ainsi équipé d’une ventilation forcée peut être capoté, pour le protéger de la pluie et des éclaboussures. La prise d’air sur le capot sera assez haute, et dirigée de façon à éviter que la pluie rentre et la sortie peut être étudiée pour que l’eau ne rentre pas lorsqu ‘on passe dans une flaque..

Moyennant ces précautions on peut utiliser le moteur avion sur un vélo dans toutes les conditions ( tout-terrain , pluie ).

Il faut donc laisser assez de place entre le moteur et le cadre du vélo , pour installer la ventilation forcée et prévoir la fixation de la cheminée sur la pièce de liaison moteur -réducteur , et penser au passage d’air.

surtout ne pas obstruer les sorties d’air du moteur.

sortie air stator

Mieux la pièce de fixation au réducteur devrait avoir une forme , telle qu ‘elle facilite le passage de l’air , et le dévie, au lieu qu ‘il aille taper sur le réducteur, dont la forme n’est pas très aérodynamique…

il y a des sorties latérales , dans le support du stator, mais quatre mixtes latérales et axiales.

bas moteur

Autre solution plus classique : Ventilo axial Diam 92 mm

DC Axial Fans Part Number 3615RL-07W-B50

3615RL-07W-B50 DC Axial Fans can be an integral part of a cooling solution for your heat-generating applications. Review the part specifications provided to understand how 3615RL-07W-B50 can work with your system. Ready to purchase 3615RL-07W-B50? Explore the inventory currently available through our distributors below. You can also learn about similar DC Axial Fans parts in inventory by following the links provided. Let NMB Technologies Corporation help you find the cooling solutions you need.

Part SpecificationsProduct Type DC Axial Fans

Rated Voltage 48 (V) de 25 V à 60 V
Current 0.360 (A)
Air Flow 129.90 (CFM)
Air Flow 3.680 (m³/min) = 200 m3/h
Mass 230 (g)
Noise 59.0 (dB)
Input Power 17.28 (w)
Static Pressure 222.0 (Pa)
Size [S] 92 (mm)
Thickness [L] 38.0 (mm)
Speed 6200 (min¹)
Static Pressure 0.890 (H20)

http://www.nmbtc.com/fans/part-numbers/search/3615RL-07W-B50/4127

En vente ici , avec grille , filtre…

http://www.newark.com/nmb-techologies/3615rl-07w-b50-e00/axial-fan-92mm-48v-129-9cfm-59dba/dp/39T3253

Par comparaison avec un exemple de ventilo de PC Antec en diam 92 mm, celui ci ne débite que 38 CFM au lieu de 139, mais avec un niveau sonore de seulement 27 db au lieu de 59 db, plus silencieux il tourne à 1200 tr /mn au lieu de 6200.

Ce débit d’air sera-t-il suffisant ?

Choix du moteur Scorpio :

Il nous faut impérativement un axe lisse à l’arrière du moteur, qui sera serré dans l’entrée du réducteur.

c’est le Kv qui nous intéresse :

Un Kv de 150 à 6000 tr /mn ça donne 40 V de fcem

il faut envoyer 25 A pour faire 1 kW ( exige une batterie 48V )

Avec un kv de 250 à 6000 tr/mn ça donne 24 V de fcem

il faut envoyer 40 A, il faut une batterie de 36 V

Avec un Kv de 1000 à 6000 tr /mn la fcem serait de 6 V et il faudrait envoyer 180 A pour avoir 1 kW..

Le max de courant est de 100 A.. ( on aurait que 500 W à 5000tr /mn ).

Pire les cables , les connecteurs, le pont doivent rester en dessous de 50 A , on aurait alors que 250 w..

Il faudrait aussi une batterie de trop forte capacité : un vélo n’est pas un jouet qu ‘on utilise 30mn

parmi les moteurs qui conviendraient mécaniquement :

S 4035-250KV

Specifications

Stator Diameter 40.0 mm (1.575 in)
Stator Thickness 35.0 mm (1.024 in)
No. of Stator Arms 12
Magnet Poles 14
Motor Wind 15 Turn Delta
Motor Wire 19-Strand 0.25mm
Motor Kv 250 RPM / Volt
No-Load Current (Io) @ 10 v 0.69 Amps
Motor Resistance (Rm) 0.037 Ohms
Max Continuous Current 65 Amps
Max Continuous Power 2700 Watts

Weight 465 Grams (16.40 oz)
Outside Diameter 48.9 mm (1.925 in)
Shaft Diameter 7.98 mm (0.30 in)
Body Length 63.3 mm (2.44 in)
Overall Shaft Length 94.5 mm (3.65 in)
Max Lipo Cell 12s
Motor Timing 5deg
Drive Frequency 8kHz

Included in the Box
1 x Scorpion S-4035-250KV Motor
1 x Scorpion 40mm Cross Mount
1 x Scorpion 8mm Threaded Prop Adapter
3 x Female Connectors
3 x Heat Shrink
4 x M4 Screws
Weight including packaging
630g

Dans le tableau de données en charge selon le modèle d’hélice on a un point :

APC 18 x 10 28 V 52 A 1456.0 W 6326 tr/mn

Avec un 330 Kv on consomme moins , mais pour avoir une puissance de 1450 W la vitesse est plus importante et dépasserait les limites des réducteurs Apex. ou alors à 6000 tr on a plus que 1 kW.

Je compte au pif 1450w de puissance absorbée au moteur pour avoir 1000 W mécaniques en sortie du réducteur.

http://www.scorpionsystem.com/files/i1,269_data_chart.htm

une chose particulière

Motor Wind – 14 T Delta (13 Strands of 0.29mm Wire)

Le moteur serait-il en triangle ?

Autres considérations : vitesse de synchro sensorless.

Pour synchroniser le moteur on compte 5 % de la vitesse nominale.

ramené au pédalier, ça représente 3 tr/min

Bien sur celà dépend des rapports de pignons choisis, mais en première à 60 tr/mn si on avance à 5 km/h , la vitesse de synchro est de 5 % de 5 Kh/h soit 0, 25 km/h

soit 250 m/h, soit 40m/mn = 1,66 m/s. moins d’un tour de roue en 1 seconde.

En version moteur roue, qui roule à 40 km/h 5 % donnerait 2 km/h; il est assez difficile d’atteindre cette vitesse lors d’un démarrage en pleine cote.

Encombrement du moto-réducteur :

motoreducteur équipé de sa ventilation

Le AFR 60 à deux étages est un peu trop large pour passer entre les pédales : 168.5 moins 28.5 d’axe = 140 mm.

il faut prévoir en plus le dégagement pour les pieds, ce qui oblige à éloigner l’axe moteur de 360 mm de l’axe du pédalier.

Si on fait correspondre , le plan du pignon sortie réducteur , avec le plan du plateau médian, le réducteur est décentré par rapport au plan vertical de symétrie du cadre : le moteur est carrément sur le coté.

on ne peut pas mettre le moto-réducteur sous le tube inférieur, incliné parallèle à l’axe du tube inférieur :

moteur + réducteur = 240 mm de long.

eloigné de 360 mm de l’axe du pédalier , le haut du moteur est à :

360 + 240 = 600

le moteur serait dans la roue avant.

installation sur cadre trapèze

Au dessus du tube inférieur : sur un cadre trapèze ; vu que le moteur est à coté des tubes du cadre trapèze, ce n’est donc pas gênant, mais la chaine est placée trop haut, trop loin..

Une solution est d’éloigner horizontalement l’axe du réducteur de l’axe du pédalier de 360 mm, hors de la zone de pédalage, et de positionner l’axe du moteur à la verticale. L’axe du pignon du réducteur serait placé en dessous du cadre, entre le pédalier et la roue avant.

verticalement, le haut du moteur ne dépasserait pas le tube supérieur du cadre trapèze.

installation moteur scorpio sur un cdre trèze ( variante acceptable )

en orange la zone interdite par le pédalier.

en vert clair : une idée de forme du capotage des chaines, et moteur.

Le motoréducteur serait déporté sur le coté gauche du cadre ( à l’opposé du pédalier ).

Le capotage empêcherait l’entrée de la pluie dans le moteur.

Sur le montage « virtuel » il y a une inversion droite gauche du réducteur, le pédalier étant à droite, sur un vélo. Mais ce n’est pas génant pour avoir une idée du montage.

Les cylindres orangés, font 340 mm de rayon : 170 de manivelle, multiplié par deux, pour les pieds, qui décrivent un ovale, mais bon..

installation_sur_cadre

installation sur cadre vue de devant

Le controleur pourra être placé entre les deux pédales , donc très près du moteur ( 25 cm de cable maxi )

installation sur cadre vue de dessus

Une vue d’ensemble…

Avant de poursuivre, je dois faire un relevé plus précis du cadre.

Vue d'ensemble

Pour pignon , plateau et tendeur de chaine , on trouve les fichiers 3D sur le site du fournisseur.

le petit pignon 18 dents au pas de 1,27, ( non roue libre) sera transformé en roue libre 18 dents, et conserveront le même profil.

Dans le logiciel , il faut que je trouve la combine pour accrocher les divers éléments sur des axes dont on peut définir et modifier la position avec une grande précision au clavier, car la position des éléments importés n’est pas définissable au clavier, à la souris , c’est trop imprécis et parfois, si on translate sur une vue on translate sur les autres.

Aligner sur un plan ce serait bien aussi pour la ligne de chaine

J’ai même la chaine en STEP ( un maillon intérieur et un maillon extérieur ).

maillon_de_chaine

Facile de faire des kilomètres de chaîne :

nombre de copies et translater de 2 pas ( 2,54 mm )

chaine_de_vélo

avec les pignons :

chaine et pignons

Pour l’enrouler, sur un pignon il faut isoler un maillon intérieur et faire une copie circulaire avec le rayon primitif ; puis faire la même chose avec le maillon extérieur.

Mais la chaîne a elle seule risque d’occuper une grosse partie du fichier.

On la mettra à la fin pour la déco :)) ( on en a pas besoin pour aligner les pignons) .

A suivre…

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Un commentaire pour Motoréducteur pédalier Scorpion – Apex

  1. Merci pour ces explications tres techniques ainsi que les sources citées pour pouvoir réaliser cette assistance bien pratique.

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