Pour satisfaire aux contraintes du Cahier des Charges Fonctionnel, le moteur électrique doit impérativement :

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1 INTRODUCTION. La conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique est assurée par un moteur à courant continu à excitation séparée. Pour permettre le réglage de la vitesse, de l accélération et du freinage l'énergie est modulée par deux hacheurs intégrés à l'unité de commande électronique (Voir dossier de présentation). B.1 ETUDE DE LA MOTORISATION : Pour satisfaire aux contraintes du Cahier des Charges Fonctionnel, le moteur électrique doit impérativement : Fonctionner dans une plage de vitesse allant de 0 à 4300 tr.min -1. Fournir un couple important à basse vitesse (démarrage). Offrir un rendement le plus élevé possible sur toute la plage de fonctionnement. But de l étude : Valider la puissance utile du moteur. Analyser et justifier le choix de motorisation effectué par le constructeur. Caractériser la technique de pilotage du moteur. Identifier et caractériser les différentes parties du moteur. Notations : P u Puissance utile sur l arbre (en W) Φ flux inducteur (en Webers) T u couple utile sur l arbre (en N.m) E force électromotrice (en V) U a tension d induit (en V) I e courant d excitation (en A) I a courant d induit (en A) U e tension d excitation (en V) n fréquence de rotation (en tr.s -1 ) N Nb de conducteurs actifs de l'induit P Nb de paires de pôles Ω Vitesse angulaire (en rd.s -1 ) a Nb de paires de voies d'enroulement P em Puissance électromagnétique Formules : E = (P/a).N.n. Φ P u = T u. Ω P em = E.I a E = U a R.I a -B 1-

2 B.1.1 ETUDE DE LA PUISSANCE DU MOTEUR : Pour la suite de l'étude on retiendra les données suivantes : pour permettre le démarrage en charge normale sur pente à 17%, le moteur doit être capable de fournir une puissance minimale de 3 kw à 2000 tr.min -1 pour maintenir une vitesse stabilisée de 45 km/h sur le plat en charge normale, le moteur doit être capable de fournir une puissance minimale de 1000 W à 4300 tr.min -1. But de l étude : Vérifier que la puissance du moteur choisi par le constructeur correspond aux besoins exprimés lors de l étude mécanique. B Puissance aux points caractéristiques. Les caractéristiques du moteur permettent-elles au scooter électrique et à son conducteur de démarrer sur pente à 17 % et de rouler à 45 km / h sur le plat? JUSTIFIER votre réponse à partir de l'analyse du relevé de performances du moteur (document technique DTB 2 ). B Gabarit "puissance en fonction de la vitesse". Pour "qualifier globalement" les performances attendues des moteurs, le service "contrôle qualité" de PEUGEOT MOTOCYCLE a déterminé une enveloppe standard "puissance / vitesse", dans laquelle chaque moteur doit impérativement s'inscrire (voir document technique DTB 3 ). On se propose de vérifier que le moteur dont le relevé de performance est fourni sur le document technique DTB 2, s inscrit dans le gabarit de qualification PEUGEOT. TRACER la caractéristique P u = f(n) pour les points P 1 à P 7 inclus. B Synthèse : La caractéristique de puissance du moteur choisi convient-elle à l'utilisation "scooter électrique"? CONCLURE. B.1.2 ETUDE DU COUPLE MOTEUR : But de l étude : Valider le choix du type de moteur et son mode d excitation. B Notion de couple moteur. Le scooter électrique est utilisé, pour l'essentiel, en ville. Les démarrages et les accélérations sont fréquents. Dans ces conditions d'utilisation, la caractéristique de couple T = f(n) est une donnée essentielle pour le choix du moteur et de son principe de pilotage. CITER la formule de mécanique qui lie le couple moteur à l accélération. PRECISER la signification des différents termes utilisés. B Etude de la relation couple / courant. ETABLIR la relation littérale associant le couple utile aux courants d induit et d inducteur (les pertes mécaniques propres au moteur seront négligées). -B 2-

3 B Choix du type de moteur En l'absence de tout dispositif électronique de modulation de l'énergie électrique, PRECISER quel serait le type de moteur à courant continu (série, shunt, indépendant,..) qui conviendrait le mieux à l'application étudiée? JUSTIFIER votre réponse aux plans scientifique et technique. B Analyse du choix du constructeur. Dans le respect des contraintes du cahier des charges du scoot élec (tension d'alimentation, masse, volume, centre de gravité, etc. ) le constructeur s est livré à une étude comparative entre deux machines de puissance identique mais de "technologie" différente. Les relevés d'essais sont donnés dans les documents techniques DTB 4 et DTB 5. Le constructeur a finalement choisi un moteur à "excitation séparée". ANALYSER les documents proposés et JUSTIFIER son choix dans le contexte d'utilisation. B Etude de la variation du courant d excitation. La modulation d énergie mise en œuvre dans le scooter repose sur le principe de la «surexcitation» permettant de fournir des couples élevés à basse vitesse. Nous vous proposons de vérifier que ce type de fonctionnement repose sur une variation contrôlée du courant dans l'inducteur. A partir des caractéristiques nominales du moteur (voir document technique DTB1), en supposant que le moteur fonctionne à flux constant ( I e = I e nominal = C ste ) et que les pertes mécaniques sont négligeables, CALCULER la constante de couple du moteur (K t ), en prenant pour hypothèse : T u = K t.i a CALCULER la constante électrique du moteur (K e ) qui lie la fréquence de rotation à la f.e.m A partir des caractéristiques déterminées ci-dessus, CALCULER quelle serait la valeur de la f.e.m. moteur permettant d'obtenir la vitesse de rotation de 4300 tr.min -1 correspondant à la vitesse maximale du scooter (45 km/h). CALCULER quelle serait la valeur du courant d induit permettant d'obtenir le couple de 14 N.m requis lors d'un démarrage sur pente à 17 %. B Synthèse : COMPARER les résultats obtenus ci-dessus au relevé de performances de l'ensemble moteur variateur du document technique DTB 2. CONCLURE sur le réglage du courant d'excitation et sur le pilotage de la variation du flux inducteur. B Aptitude au freinage : Le cahier des charges du scoot élec précise que le ralentissement en "frein moteur" s opère par "récupération d énergie". HACHURER dans le repère couple / vitesse la(les) zone(s) correspondante(s) au(x) quadrant(s) de fonctionnement du scooter électrique. VERIFIER l'aptitude du moteur à assurer ce fonctionnement. PRECISER, pour les différentes phases, le sens des tensions et des courants dans l'induit et dans l'inducteur. -B 3-

4 B.1.3 ETUDE TECHNOLOGIQUE DU MOTEUR. But de l étude : Identifier les parties principales du moteur NOMMER et ENONCER la fonction de chacun des quatre éléments mis en évidence par les photographies ci-dessous. A B C D B.2 CARACTERISER LE MODULATEUR D ENERGIE La structure du modulateur d'énergie retenue par le constructeur est représentée sur le schéma équivalent suivant. Les interrupteurs K 1, K 2, D 1, D 2 et D 3 sont supposés parfaits. i b i a i e u a D 1 D 2 u e U b i K1 i K2 u K1 D3 u K2 K 1 K 2 Symbole d un interrupteur unidirectionnel commandé à la fermeture et à l ouverture. B.2.1 CONTROLE DES COURANTS ET DES TENSIONS. ETABLIR à partir du document technique DTB 2, les valeurs minimales et maximales des tensions et des courants, dans l'induit et dans l'inducteur. -B 4-

5 B.2.2 ETUDE DU HACHEUR D'INDUCTEUR: Pour réaliser cette étude, nous nous placerons dans le cas le plus "défavorable" pour le moteur, c'est à dire pour un fonctionnement du scooter à vitesse établie, en montée sur une pente à 17 % (Point P7 du document technique DTB 2 ). Pour le point de fonctionnement considéré : L ondulation du courant i e est négligeable devant sa valeur moyenne. L ondulation de i a est de +/- 25A autour de sa valeur moyenne. Les deux hacheurs ont la même fréquence de découpage : 16 khz La tension de batterie est considérée constante à 18 V et sa résistance interne négligeable. N.B. Les valeurs indiquées dans le tableau sont des valeurs moyennes But de l étude : Déterminer le courant dans l'inducteur. Choisir l'interrupteur statique adapté. B CALCULER la valeur moyenne de u e à partir du tableau du document technique DTB 2. En déduire le rapport cyclique de commande (α 2 ) de l interrupteur K 2. B CALCULER la valeur moyenne et la valeur crête du courant i K2 B TRACER les chronogrammes de u e, i e, u K2, i K2. (échelles : 1 cm pour 10µs / 1 cm pour 5A / 1 cm pour 5V). B CHOISIR l interrupteur K 2 dans la documentation constructeur (documents techniques DTB 6, DTB 7 et DTB 8 ). PROPOSER un choix "adapté" dans chaque technologie. B Synthèse : CALCULER les pertes en conduction pour chacun des interrupteurs choisis. JUSTIFIER le choix du constructeur pour la technologie MOS. B.2.3 ANALYSE DU FONCTIONNEMENT EN PHASE DE FREINAGE. But de l étude : Les spécifications techniques relatives à l'électronique de commande (voir dossier de présentation) font état d'un dispositif de freinage par "récupération d'énergie". Nous vous proposons d'étudier le principe de fonctionnement de ce freinage et de justifier l architecture du modulateur. Pour la suite de l'étude nous considérerons que le scooter est lancé à 45 km/h en descente (vitesse du moteur égale à 4300 tr.min -1 ) et que la "poignée accélératrice" est totalement relâchée. Dans cette configuration de fonctionnement, la commande des hacheurs d induit et d inducteur provoque : Le blocage de l interrupteur d induit (K 1 ). Le pilotage du hacheur d inducteur (K 2 ). -B 5-

6 B Circulation de l'énergie : INDIQUER, sur les schémas prévus à cet effet, la position (ouverte ou fermée) des interrupteurs de puissance K 1, K 2, D 1, D 2 et D 3 aux instants " t " et " (1 - α) t ". INDIQUER le parcours et le sens de circulation des courants dans le circuit. B Force électromotrice : PRECISER la valeur limite de la force électromotrice E qui permet de fonctionner en mode freinage (on négligera les pertes joules dans l induit). B Limite du dispositif de freinage : Sachant que la caractéristique électrique du moteur s'exprime sous la forme E = 0,027.n.I e et que le courant d excitation, géré par l'uce peut varier entre 10 et 20A. CALCULER la vitesse minimale, V mini (en km/h) jusqu'à laquelle il est théoriquement possible d'obtenir un «freinage moteur». B Synthèse : La solution retenue par le constructeur permet-elle de fonctionner dans les quadrants désirés? CRITIQUER la solution retenue aux plans scientifique, technique et économique. -B 6-

7 DTB1 Scoot élec MOTEUR ELECTRIQUE CARACTERISTIQUES NOMINALES Marque : Référence : SCHABMULLER N130/1.5RK Moteur à courant continu excitation séparée (indépendante) Valeurs nominales : R e = 0,64 Ω R a = 5,2 mω P N = 1300 W n N = 4300 tr.min -1 I N = 120 A U N = 18 V Service : S1 -B 7-

8 PEUGEOT MOTOCYCLE / SERVICE QUALITE RELEVE DE PERFORMANCES DE L'ENSEMBLE MOTEUR VARIATEUR (A) (V) (tr/min) (Nm) % (W) % (W) Ia Ua n Tu Pu / (Ua.Ia) Pe Pu / (Ua.Ia+Pe) Pu 50 17, ,4 76, , , ,8 78, , , ,1 79, ,6 984 P , ,5 80, , , ,8 80, , , ,1 79, , , ,5 78, , P , ,8 78, , , ,2 78, , , ,6 78, , , , P , ,4 77, , , ,8 77, , , , , , ,7 76, , P , ,1 76, , , ,6 75, , , ,1 74, , P , ,6 74, , , ,2 73, , ,8 73, , P , , , , ,3 72, , , ,1 72, , , , P , , DTB2 -B 8-

9 DTB3 GABARIT "PUISSANCE EN FONCTION DE LA VITESSE". P u (W) PUISSANCE UTILE C1 C FREQUENCE DE ROTATION N tr.min -1 -B 9-

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