Brevet FR2796775A1 — publié le 20010126

L'invention est relative à un moteur électrique pour la propulsion des bateaux. Elle trouvera notamment son application dans la batellerie. Actuellement la propulsion des navires est essentiellement assurée au moyen de moteurs thermiques pour des raisons technologiques liées à la difficulté de stocker économiquement l'électricité. toutefois pour des applications de faibles et moyennes puissances la propulsion électrique offre de nombreux avantages sur le plan de l'écologie et même de l'économie cette énergie étant peu coûteuse. C' est pourquoi la propulsion électrique se répand peu à peu surtout pour les bateaux navigant en eau douce. On connaît principalement deux types de propulseurs, les moteurs hors-bord et in-bord. Dans le premier cas, le moteur est compact entièrement intégré et seul l'alimentation par batteries est extérieure, par contre dans le second cas réservé aux moteurs de plus foi-tes puissances, le moteur entraÎne une ligne d'arbre où seule l'hélice plonge dans l'eau. Ce second principe présente plusieurs inconvénients comme le fait que le moteur occupe la place centrale dans le bateau, la ligne d'arbre occasionne des pertes mécaniques élevées, le démontage est difficile ... Par conséquent l'invention se range dans la catégories des moteurs hors-bord très faciles d'emploi puisqu'ils se fixent sur le panneau arrière des embarcations. Jusqu'à présent, la motorisation proprement dite est assurée par des moteurs à courant continu de type série et la variation de vitesse est réalisée par rhéostat avec inverseur de marche. Quoique pour certaines réalisations, il est fait appel à des moteurs aériens placés sous un capot avec transmission à l'hélice par arbre ou courroie ce qui évite les problèmes d'étanchéité, il est préférable d'opter pour un moteur immergé avec hélice directement fixée en bout d'arbre moteur afin de réduire les pertes mécaniques par frottement. Cependant cette réalisation demande une étanchéité difficile à assurer au niveau du passage de l'arbre moteur à travers le carter. Il s'agit du point faible car la stabilité thermique du moteur ne peut être assurée en toutes circonstances, par exemple lorsque le moteur est remisé ou au contraire lorsqu'en été le moteur est laissé à sec en plein soleil, Ensuite, on peut reprocher le rendement médiocre des moteurs à courant continu leur volume important, la fragilité et l'entretien requis par le collecteur et les charbons. C'est précisément pour remédier à tous ces inconvénients qu'a été développé le moteur électrique pour bateaux de la présente invention dont le but principal est de proposer un moteur très performant sur le plan encombrement poids / puissance et du rendement énergétique. Un autre avantage du moteur de l'invention est de ne nécessiter aucun entretien. Ceci confère une bonne robustesse et aucune vidange, lubrification aucun remplacement de pièces d'usure n'est à prévoir, D'autre buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante qui n'est cependant donnée qu'à titre indicatif Le moteur électrique de bateau destiné à assurer la propulsion d'une embarcation, alimenté à partir d'une source de tension continue telle que des batteries comportant un système de fixation à l'embarcation est caractérisé par le fait qu'il comprend: - un moteur asynchrone polyphasé immergé étanche sur lequel est fixé une hélice en bout d'arbre - un module électronique délivrant une tension alternative polyphasée de tension et fréquence variables. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée de dessins en annexe parmi lesquels: - La figure 1 représente une vue générale du moteur de bateau selon la présente _ la invention. figure 2 illustre en vue de coupe le moteur asynchrone dans un mode de réalisation préférentielle de l'invention. - la figure 3 montre en vue de détail le dispositif de compensation thermique de l'huile dans laquelle baigne le rotor du moteur asynchrone. - le figure 4 schématise le fonctionnement de la boucle de contre réaction pour limiter les surintensités dans le moteur asynchrone. La présente invention concerne un moteur électrique de propulsion de bateaux qui trouvera son application dans la batellerie. Pour les petites et moyennes puissances, la propulsion électrique offre l'avantage par rapport à la propulsion thermique d'être économique et non polluante. Elle est donc bien appropriée pour la navigation sur eau douce où les besoins énergétiques sont moindres et où les problèmes de pollution sont plus sensibles qu'en navigation maritime. Actuellement les moteurs hors-bord électriques pour des raisons de simplicité utilisent des moteurs à courant continu de type série avec rhéostat pour en faire varier la vitesse. Cela se traduit par deux inconvénients majeurs. Tout d'abord, le rendement est médiocre de par le fait même,du moteur série qui dissipe une partie de la puissance absorbée dans l'inducteur et cela ne fait qu'empirer le rendement à vitesse moyenne avec des pertes dans le rhéostat. Par ailleurs, le moteur à courant continu est volumineux avec son collecteur et nécessite un entretien après un certain nombre d'heures de fonctionnement car il faut remplacer les balais. Tous ces défauts sont éliminés avec le moteur de la présente invention qui fait appel à un moteur asynchrone polyphasé donc sans entretien. La figure 1 représente en vue générale le moteur de bateau. Il s'agit d'un moteur hors-bord (1) destiné à être fixé sur le panneau arrière d'une embarcation non représentée. La partie électrique de commande est logée sous un capot (2) de sorte que l'ensemble moteur soit autonome à l'exclusion de la source d'énergie. La fixation du moteur (1) est assurée grâce à un support muni d'un dispositif de serrage (3) traditionnel bien connu de l'Homme de l'Art, ce support autorise la rotation du moteur et son relevage hors de l'eau. Dans le cas représenté, le moteur est orienté par l'intermédiaire d'une barre franche (4) articulée mais bien entendu une commande à distance pourrait également être envisagée. L'alimentation du moteur se fait au travers de câbles électriques (5) reliés à des batteries embarquées non représentées. Pour des raisons de sécurité, il est préconisé de n'utiliser qu'une basse tension inférieure à 50 Volts. Le moteur asynchrone est intégré dans une sorte de torpille (6) fixée à la base de l'arbre moteur (7). L'hélice (8) pour sa part est fixée directement au bout de l'axe du moteur asynchrone, ce qui réduit considérablement les pertes mécaniques de transmission moteur. L'allure générale est similaire aux moteurs hors-bord existants auxquels il pourra se substituer avantageusement. En marche normale, le moteur asynchrone de l'invention est immergé dans l'eau. L'adoption d'un moteur asynchrone pose deux difficultés majeures pour lesquelles l'invention apporte les solutions. Tout d'abord, le moteur est immergé et doit sur le plan mécanique offrir des garanties d'étanchéité, ensuite sur le plan électrique il faut produire des tensions polyphasées correspondant à l'alimentation dudit moteur qui pour des raisons de simplicité se limitera à du triphasé. Ce sera le rôle d'un module électronique alimenté à partir des batteries qui fournira les tensions appropriées pour une marche à différentes allures donc à tensions et fréquences variables. Les systèmes onduleurs existants sont inadaptés au cas du moteur de bateau car les expériences ont montré qu'en fonction de la coque et de son mouvement la charge peut varier fortement ce qui oblige à adapter à chaque fois le régime moteur or il est indispensable de proposer à la vente un moteur universel qui s'ajuste de lui même en fonction de la résistance rencontrée. En ce qui concerne l'étanchéité, la solution proposée consiste à remplir le moteur asynchrone avec de l'huile fluide. Bien sur tout autre produit liquide disposant de propriétés similaires telles que nature diélectrique, lubrifiant, hydrophobe et autres pourraient également être utilisés sans sortir du cadre de l'invention. Cette solution procure de nombreux avantages, premièrement les roulements travaillent dans d'excellentes conditions puisque lubrifiés en permanence, ensuite la dissipation thermique est parfaitement assurée. L'huile emprisonnée dans le carter moteur crée une contre pression et s'oppose à l'intrusion d'eau. Les phénomènes de corrosion sont éliminés. Cette technique est connue dans d'autres applications particulières où généralement la température est stable par exemple lorsque le moteur est perpétuellement immergé, car la difficulté à résoudre dans le cas présent se situe au niveau de la dilatation thermique de l'huile. Il ne faut pas qu'elle s'échappe malgré que le moteur puisse rencontrer des variations climatiques importantes. Par exemple lorsque le moteur est remisé l'hiver ou lorsqu'il est sorti de l'eau l'été et laissé au soleil. Dans ce cas l'huile s'échauffe ou refroidit fortement ce qui occasionne de grandes variations de volumes qui demandent à être compensées. La figure 2 représente la torpille (6) en vue de coupe dans laquelle est logé le moteur asynchrone. La torpille (6) comporte dans le mode préférentiel d'exécution représenté ici, trois compartiments. Dans le compartiment central se trouve le moteur asynchrone formé d'un rotor (9) monté sur un axe (10) et d'un stator (11) avec le bobinage électrique. Ce compartiment central est fermé par deux flasques (12) et (13) emboîtés sur un manchon tubulaire central (14). Les flasques (l 2) et (l 3) servent à loger les roulements à billes (15) et (l 6) qui supporte l'axe (l 0) du rotor (9). Il s'agit de préférences de roulements à billes (1 5) et (l 6) à contacts obliques pour supporter l'effort axial imposé par la poussée du moteur, toutefois d'autres types de paliers peuvent parfaitement être envisagés comme par exemple des roulements à rouleaux ou butée à billes. Ce compartiment central est fermé & 'manière étanche pour pouvoir être rempli avec de l'huile fluide. L'huile assure le graissage des roulements (15) et (16) et améliore les dissipations thermiques des échauffements, elle garantie également une bonne étanchéité. Le remplissage et la vidange de l'huile sont réalisés au moyen d'un ou plusieurs bouchons filetés non représentés. Le rotor (9) sera usiné lisse pour réduire les frottements avec l'huile. Le compartiment avant de la torpille (6) est fermé par un capot avant (17) fixé sur le flasque (13) de façon étanche pour contenir un volume d'air. Il est préférable d'opter pour un compartiment avant étanche mais cela n'est pas obligatoire par contre il est souhaitable d'employer un matériau résistant aux chocs pour la confection du capot avant (l 7) car en cas de collision du moteur avec des hauts fonds, il s'agit de la partie la plus exposée. Le compartiment arrière de la torpille (6) est fermé par un capot arrière (18) traversé par l'axe (10) au bout duquel est fixée l'hélice (8). Le passage le l'axe (l 0) à travers le capot arrière (18) n'est pas réalisé de façon étanche et donc l'eau sera amenée à remplir le compartiment arrière lorsque le moteur sera immergé. L'axe (10) traverse également le flasque (12) avec un dispositif à bague d'étanchéité (19) qui évite à J'eau de pénétrer dans le compartiment central, Il faut remarquer à ce sujet que la présence d'huile dans le moteur est très favorable à l'étanchéité, en s'opposant par contre pression à l'infiltration d'eau et l'huile étant non miscible et non compressible, renforce l'étanchéité. Selon le dessin de la figure 2, la base la torpille (6) comporte une dérive (20) qui renforce la stabilité directionnelle du moteur et procure aussi une protection à l'hélice (8). Comme cela a été évoqué précédemment, le fait de remplir entièrement le compartiment central avec de l'huile pose des problèmes de dilatation qui engendrent des phénomènes de surpression ou dépression avec risque de fuite ou au contraire entrée d'air ou eau dans le compartiment moteur. Selon la présente invention, le moteur est équipé d'un dispositif de compensation thennique pour limiter la surpression interne occasionnée par la dilatation de l'huile. En pratique, il est recherché d'avoir toujours une pression faible et régulière dans le compartiment moteur. En effet, même immergé la pression extérieure exercée par l'eau est faible car le moteur n 'est jamais immergé profondément dans l'eau de l'ordre de 0. 1 bar. Par conséquent la principale pression que l'on pourrait rencontrer viendrait de la dilatation de l'huile. En contenant cette dilatation, l'étanchéité est plus simple à réaliser et peut faire appel à des techniques classiques comme la bague à lèvre d'étanchéité bien connue de l'Homme de l'Art. La figure 3 représente un mode de réalisation d'un dispositif de compensation thermique. Celui-ci se compose d'un tuyau (21) fermé à une extrémité et débouchant dans le compartiment moteur central de sorte à communiquer avec ce compartiment et être en partie rempli d'huile. Le tuyau (21) est enroulé en serpentin et est enfermé dans le compartiment avant de la torpille. Le tuyau (21) renferme à son extrémité fermée une poche d'air (22) qui fait office d'amortisseur en cas de dilatation de l'huile. Le moteur peut en quelque sorte respirer librement. Le volume intérieur du tuyau ainsi que celui de la poche d'air seront déterminés en fonction de la géométrie du moteur pour absorber en toutes circonstances les variations de volumes de l'huile par dilatation sans créer de surpression importante, pour cela le volume d'air doit être suffisamment grand.. Il est important de noter qu'il faut impérativement éviter que la poche d'air (22) ne puisse remonter dans le tuyau (2 1) et rentrer dans le compartiment moteur lors par exemple d'inclinaisons de ce dernier, car il n'y aurait plus de contrôle de la localisation de la poche d'air et dans les pires situations, telles que des périodes de repos prolongées, on pourrait craindre des oxydations de certaines pièces mécaniques ou électriques en contact avec l'air dans le compartiment moteur. Pour cela il est préconisé d'utiliser un long tuyau de faible section auquel cas la capillarité de l'huile empêche le remontée d'air. D'autres techniques peuvent également être utilisées comme par exemple la présence d'un gel gras placé entre l'huile et l'eau qui se déplace dans le tuyau pour suivre le mouvement de l'huile en formant un bouchon mobile, sans jamais autoriser d'échange entre huile et air. D'autres réalisations du dispositif de compensation thermique peuvent également être envisagées comme l'emploi d'une durit à paroi souple ou d'un tube dont la paroi fait soufflet afin que par élasticité il y a déformation de la paroi sans forte contrainte pour suivre les variations de volume de l'huile. L'avantage de cette technique est d'éliminer la poche d'air d'où aucun risque d'oxydation. Un moteur asynchrone est difficile à contrôler sur le plan de la puissance, car sa vitesse de rotation est fixée par la fréquence de son alimentation au glissement près. Et donc en cas de surcharge mécanique du couple sa vitesse ne diminue quasi pas à moins d'atteindre le décrochage. Dans les applications navales, nos expériences ont montré qu'il était toujours délicat de tirer toute la quintessence des moteurs en fonction de la coque du bateau ou lors des changements de direction. En effet pour un régime moteur donné, la puissance du moteur varie fortement. par exemple dans le cas d'une embarcation légère à fond plat, une vitesse de rotation d'hélice de 800 t/min absorbe environ 600 W alors qu'à la même vitesse, un bateau lourd avec une coque en V requiert une puissance de 800W. De même alors que le moteur fonctionne en régime stabilisé à pleine puissance, tout changement brutal de la direction crée une augmentation très importante de la puissance absorbée qui peut provoquer des avaries dans l'électronique de puissance sensibles aux surintensités. C'est pourquoi selon la présente invention, le moteur s'ajuste de lui même pour s'adapter aux efforts rencontrés. La figure 4 schématise le module électronique (23) d'alimentation du moteur asynchrone ici triphasé (24) qui puise son énergie à partir d'une de tension continue soit un jeu de batteries (25). La tension alternative délivrée a une fréquence fonction du choix de la vitesse désirée par l'utilisateur qui dans le cas présent se fait par l'intermédiaire d'un commutateur (26). Un moteur asynchrone doit toujours être alimente avec un rapport tension / fréquence constant. Le module électronique (23) respecte ce critère sur toute la plage de fonctionnement. Le régime maximum est déterminé par la tension de la batterie (25) qui correspond à une fréquence maximum. Il faut choisir une hélice adaptée à ce régime, mais en pratique il se peut que ce régime soit trop élevé pour l'électronique ce qui rendrait le moteur inadapté pour certaines applications, or le moteur de l'invention se veut universel sans réglage de la part de l'utilisateur. C'est pourquoi le module électronique comporte une boucle de contre-réaction (27) qui surveille le courant délivré au moteur (24). Dés que le courant maximum admissible est atteint, le module de lui même réduit la fréquence de sortie. Il peut s'agir d'un réglage continu ou par pas plus facile à mettre en oeuvre avec les circuits logiques à micro contrôleur. En permanence, le régime moteur s'équilibre pour offrir une puissance moteur maximum. En cas de sous-intensité, la fréquence augment pour retrouver le courant maximum admissible. Pour les régimes intermédiaires où l'utilisateur souhaite réduire la vitesse du bateau, la boucle de contre-réaction fonctionne de manière similaire à ceci près que bien évidement la fréquence est plafonnée au régime intermédiaire. Des essais ont montré, qu3avec un pas de 5% en fréquence ce qui correspond sensiblement à une réduction de puissance de 15%, la régulation fonctionne parfaitement. D'autres mises en oeuvre de la présente invention pourrait être envisagées sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. IREEVEND 1 CA TI ONS 1- Moteur électrique de bateau destiné à assurer la propulsion d'une embarcation, alimenté à partir d'une source de tension continue telle qu'une batterie, fixé sur le panneau arrière de la dite embarcation est caractérisé par le fait qu'il comprend: - un moteur asynchrone (6) polyphasé étanche immergé sur lequel est fixé une hélice en bout d'axe (10), - un module électronique (23) délivrant une tension et fréquence variables. 2- Moteur électrique de bateau selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le moteur (6) est rempli d'huile. 3-Moteur électrique de bateau selon la revendication 2 caractérisé parle fait que le moteur (6) étanche comporte un dispositif (21) de compensation thermique pour limiter la surpression interne rencontrée lors de la dilatation de l'huile. 4-Moteur électrique de bateau selon la revendication 3 caractérisé parle fait que le compartiment renfermant le moteur asynchrone est relié à un tuyau fermé enroulé en serpentin dont l'extrémité renferme une poche d'air (22). 5-Moteur électrique de bateau selon la revendication 4 caractérisé parle fait que la section du tuyau (21) est suffisamment faible pour éviter toute remontée d'huile dans le compartiment moteur. 6-Moteur électrique de bateau selon la revendication 1 caractérisé parle fait que le module électronique (23) comporte une boucle de contre-réaction (27) de mesure du courant de sortie qui réduit le fréquence en cas de surintensité. 7-Moteur électrique de bateau selon la revendication 6 caractérisé parle fait que la réduction de fréquence se fait par pas de 5%.