Leçon 5 : le fonctionnement des moteurs et des hélices

vant de commencer cette leçon, et sans vouloir jouer les moralisateurs, les drones ne sont pas des jouets. Leurs hélices, même toutes petites, peuvent faire de très gros dégâts physiques. Les images circulant sur internet de coupures, blessures et yeux crevés ne sont pas que des histoires arrivant aux autres ou pour faire peur aux enfants. 

1 – Le circuit de propulsion du drone

Tout d’abord, remettons les moteurs et les hélices dans leur contexte : la propulsion du drone.
1 – Tout débute par la batterie du drone qui apporte de l’énergie à un PDB (Power Distribution Board) qui va repartir l’électricité pour tous les composants (carte de distribution : un peu le rôle du tableau électrique dans votre habitation).
2 – Ce PDB va alimenter, pour les drones quadrirotors, 4 ESC (contrôleurs électroniques qui vont gérer la vitesse de rotation des moteurs : la puissance). Des variateurs indépendants…
3 – Les 4 ESC sont reliés à un contrôleur de vol, lui même relié à un récepteur qui reçoit les ‘ordres’ de la télécommande (leçon 2 : comment vole un drone). Chaque ESC est relié à un moteur.
4 – Chaque moteur fait tourner une hélice !

Système de propultion d’un drone quadrirotor (simplifié) – Attention ce schéma, n’est pas un schéma de montage mais de compréhension des différentes fonctions !

2 – Le moteur

Il existe deux types de moteurs pour les drones : les Brushed (avec balais) et les Brushless (sans balais). Nous allons ici traiter uniquement des Brushless. Les moteurs sont caractérisés par leur taille, vitesse de rotation KV et la tension électrique qu’ils peuvent supporter. Les moteurs doivent équilibrés dynamiquement pour assurer un fonctionnement sans vibrations.

Image : http://dronenodes.com



A – Le fonctionnement d’un moteur Brushless : 

Tout d’abord, un moteur c’est un composant qui transforme un courant électrique en une énergie mécanique de rotation. Nos moteurs de drones, sont des moteurs à trois phases (d’où les trois petits fils à brancher sur l’ESC). Il y a deux parties : le rotor qui tourne (équipé d’aimants et d’un axe central – le bras – où est placé l’hélice) et le stator qui reste fixe, composé de bobines électriques alimentés successivement. Chaque bobine alimentée crée un champ électromagnétique qui repousse ou attire un aimant. C’est en alternant ces phases (la commutation) que l’on crée un mouvement de rotation du rotor. L’hélice étant fixée au rotor, elle tourne donc aussi.

B – La taille du moteur : 
2 premiers chiffres = diamètre stator (mm)
2 derniers chiffres : hauteur stator (mm)
Exemple : MT4114 (diamètre du stator : 41 mm / hauteur du stator 14 mm)

C – La vitesse de rotation du moteur (KV)  
Les quatre chiffres indiquent le nombre de tours par 1 minute et pour 1 volt à vide. Le moteur transforme l’énergie qu’il reçoit en mouvement de rotation. KV = kilovolt.
Exemple : 0320 KV alimenté à 1 volt tournera à 320 tours par minute (tr/min). Alimenté en 22,2 V avec une batterie 6S (voir leçon 4 sur les batteries) tournera à 7104 tours par minute (22,2 x 320).
Autre indication : CW (moteur sens horaire) et CCW (moteur sens anti-horaire) 

Ce qu’il faut savoir : un moteur avec un KV élevé surchauffera avec des pales d’hélice avec une trop forte inclinaison. Pour ce type de pales , il est conseillé de prendre des moteurs à faible KV (avec plus de couple).
Def : Le couple moteur est sa capacité à accélérer

D – la tension électrique
Le choix du KV est lié au choix de la batterie. Le moteur supporte un certain voltage ou tension électrique exprimé en nombre de cellules (S). 
Les constructeurs de moteurs donnent ces précisions sur leur fiche descriptive.
Exemple pour un moteur l’article : moteur Mamba 1105 5500KV
Puissance : 83.417W – 177.012W
Tension (Lipo) : 2 – 4S
Tension max : 10A

2 – L’hélice

L’hélice est formée de plusieurs pales. Elles sont disposées régulièrement autour d’un axe. La régularité est très importante. Une hélice se fixe sur le bras du moteur. Le nombre d’hélices est égal au nombre de moteurs. 4 pour les drones quadrirotor. La rotation de l’hélice est générée par le moteur.

Hélices

A – Le fonctionnement d’une hélice :
Une pale d’hélice a un profil portant comme l’aile d’un avion. Elle a un angle de calage qu’on appelle : le pas, comme pour une aile d’avion. Comme une aile d’avion, une pale d’hélice un bord d’attaque, un bord de fuite, un intrados et un extrados  
Mais bon, ne nous emballons pas…revenons à la simplicité. Le principe de l’hélice est de se ‘visser’ dans l’air. Nous oublierons ici la portance, la traction etc..
Quand on change le pas des pales (la distance axiale entre deux spires successives) on change la capacité de visser notre hélice. 
Avec un petit pas, on mouline très vite. On s’envole très vite mais le moteur peut surchauffer. C’est très bien pour la voltige. Un grand pas est idéal pour les séquences de vol à haute vitesse, quand on est déjà lancé. Si on demande un effort d’accélération au drone avec un grand pas, le moteur fatiguera.
Mais bon, pas de pas variable pour l’instant sur nos drones. Mais c’était pour vous expliquer la différence entre des hélices de racer et des hélices drones pour vols ‘cinématiques’.


Attention, il est souvent tentant de se poser la question de changer ses hélices 2 pales pour des 3 ou 4 pales. Certes en augmentant le nombre de pales, plus la surface de poussée sera grande, mais le moteur consommera plus d’énergie. Le rapport est souvent en défaveur de plus de pales sur ces petits rotors de drone.

Les références des hélices…
Sur les hélices on trouve un nombre composé de 4 chiffres. Par exemple : le nombre 5045. Il faut le décomposer en deux : 50 pour 5.0 pouces pour le diamètre de l’hélice ; et 45 pour 4.5 pouces (le pitch de l’hélice) pour le pas de l’hélice.

Mais parfois on trouve d’autres inscriptions sur les hélices (ex : 5x4x3 = une hélice 5″ avec 4″ de pitch et 3 pales

Voilà, vous comprendrez, j’espère, un peu mieux le fonctionnement de propulsion de votre drone. 

© Yann MATHIAS / www.etsionparlaitphoto.com