[Atelier] Motorisation - LIM

[GEORGES70]

Ici, je vous propose de rassembler tous nos éléments, réflexions sur le LIM, ses applications, son potentiel etc... Cette section est un peu "en miroir" avec la section "Aérodynamique". Disons, qu'au fur et à mesure de nos réflexions et trouvailles sur l'aérodynamique d'un véhicule "idéal" on arrive forcément à une définition de puissance qu'il faut mettre en face... C'est là où la présente Section "Atelier" rentre en action car elle est là justement pour répondre aux demandes de l'autre atelier.

L'idée des ces Ateliers, c'est d'organiser toutes ces bonnes idées, ces trouvailles et d'en tirer le meilleur afin d'obtenir une image la plus cohérente possible d'un hypothétique aérotrain "new-génération". Bien entendu, il aura des redites par rapport à d'autres sections du forum, mais l'idée, c'est bien de faire le tri, relire nos notes, suggestions et de concentrer tout cela dans ces sections Atelier.

Si ça vous dit...

Voici donc pour commencer un rapport complet sur une application LIM pour un projet aux USA.

http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.j ... bviewable/

[BlackShark]

Diverses publications d'universités japonaises (texte en anglais) parlant de modélisations de LIM et d'améliorations possibles concernant les effets de bouts des moteurs LIM

http://www.koseki.t.u-tokyo.ac.jp/repor ... 62-065.pdf
http://www.jstage.jst.go.jp/article/jsmec/47/2/512/_pdf

D'après cette dernière publication, la meilleure solution serait de construire un énorme LIM de 10 mètres de long pour conserver de bons rendements énergétiques (>90%) à haute vitesse (300kmh) mais j'avoue ne pas avoir tout compris... je zappe systématiquement les passages avec les équations, je sais pas pourquoi....

[GEORGES70]

Depuis quelque temps, ce forum est la scène de féroces débats dont lu but est de définir ce que pourrait être l’aérotrain du 21eme siècle. Tout au long de ces long mois de discussions nous avons progressivement dégrossis pas mal d’aspects que je tenterais de résumer comme suit :

- Il s’agit d’un engin capable d’emmener 250 passagers.
- La largeur max est d’environ 4 mètres.
- Son nez est bien effilé un peu à la manière des shinkansen série 500.
- Ses évents de sustentation disposent d’une d’admissions d’air à géométrie variable.
- Tout au long de sa « carlingue », tous les 10 mètres, sont disposés des évents d’aspiration de la couche limite.
- Les volumes d’air aspirés sont redirigés vers les soufflantes du coussin d’air.
- A une vitesse donnée, la sustentation est dynamique et faiblement assistée.
- Afin d’assurer un taux de giration raisonnable, la rame est articulée.
- Il a été proposé des voitures de 10 mètres. Les interconnections hébergeraient le captage de la couche limite.
- Pour demeurer dans les ratios Masse technique / Masse utile du I80 Orléans, ce 250 places a une masse totale max d’environ 100 tonnes.
- Il a été établi que pour vaincre la résistance de l’air, à 300 Km/H, une puissance d’environ 2000 Kw serait nécessaire pour une poussée d’environ 22 000 N.
- A priori, la meilleure solution de motorisation consiste a avoir recours à un Moteur Linéaire a Induction LIM.

S’agissant de la motorisation, ce que nous ne savons pas :

- Faut il une motorisation uniformément répartie sur toute la rame ?
- Faut il une motorisation « concentrée » en un seul point de la rame ?
- Quel serait le poids d’une telle motorisation ?
- Quel en serait le coût ? son endurance ? sa polyvalence ?
- Serait il possible de re-router la puissance motrice vers la sustentation durant les régimes « basses vitesses » où la rame n’est plus auto-portée ?

etc...

[Damien D.]

- Serait il possible de re-router la puissance motrice vers la sustentation durant les régimes « basses vitesses » où la rame n’est plus auto-portée ?

Comment ca?
Propulsion et sustentation sont toujours deux trucs totalement différents.
D'un coté t'as le moteur, LIM ou pas, pour faire avancer l'bidule.
Et de l'autre les ventilos pour le sustenter, avec des moteurs a eux pour les faire tourner.
Enfin c'est le cas sur tout les Aérotrains. Sur les naviplanes c'est différent, les SR.N4 transmanche sont équipés de 4 turbines Bristol/RR Proteus, toutes logées dans la poupe de l'appareil, les échappements donnant directement sur l'exterieur. Chaque turbine se voit connecté a un arbre de transmission qui part vers l'avant de l'appareil et qui entraine, par le truchement d'une boite de vitesse, un ventilo de sustentation et un pylone de propulsion chaqun.
Quand au SN.R1, il n'as pas de propulsion aproprement parler, une partie des flux d'air de sustentation sont redirigés a l'arrière.
Le terraplane BC4 était aussi dans le même genre.

Et pour qu'un LIM arrive a déplacer de l'air, faudrait vaiment le vouloir =)

En fait pour assurer la sustentation a vitesse faible ou nule, il suffit de faire comme sur le Rohr, des ventilos avec des moteurs électriques asynchrone a vitesse fixe. Juste avec un bouton ON/OFF, enfin un pressostat qui arrête le moteur dès que la pression en entrée est suffisante, et un bypass pour que l'air exterieur puisse contourner les pales du ventilo a haute vitesse, histoire de perturber l'écoulement au minimum.

[BlackShark]

Et pour qu'un LIM arrive a déplacer de l'air, faudrait vaiment le vouloir =)

En fait pour assurer la sustentation a vitesse faible ou nule, il suffit de faire comme sur le Rohr, des ventilos avec des moteurs électriques asynchrone a vitesse fixe. Juste avec un bouton ON/OFF, enfin un pressostat qui arrête le moteur dès que la pression en entrée est suffisante, et un bypass pour que l'air exterieur puisse contourner les pales du ventilo a haute vitesse, histoire de perturber l'écoulement au minimum.

Un LIM ne déplace pas d'air, mais il possède une force de portance, force qui peut être attractive ou répulsive en fonction de la plage d'utilisation.

Sinon pour les moteurs des ventilos : mieux vaut qu'ils aient une fréquence variable ! La portance et le débit d'air associés variant en permanence en fonction de la vitesse du véhicule, du nombre et poids des passagers, de l'état de surface de la piste, du sens du vent etc... si on veut un véhicule le plus compétitif possible : pas trop gourmand en énergie, silencieux là où il faut (en ville) et ne faisant pas voler les jupes des piétons à quai (l'inverse du Rohr quoi), mieux vaut des ventilos à vitesse variable.
On n'est plus dans les années 70 quand même, c'est si lourd que ça in inverseur à fréquence variable de forte puissance moderne ?

De plus j'imagine un asservissement automatique simple des ventilos via un système de mesure automatique de la hauteur du véhicule par rapport à la voie (radars ou lidars sous chaque véhicule). Je me demande même si l'ajout de capteurs de pression atmosphériques pourraient faire gagner encore plus en performance (mesurant immédiatement toute modification de la force de sustentation).

[Damien D.]

(grmbl nous soule lui avec ses économies et sa compétitivité moi j'aimait bien l'idée de voir toute les p'tites culottes)

[BlackShark]

S’agissant de la motorisation, ce que nous ne savons pas :
- Faut il une motorisation uniformément répartie sur toute la rame ?
- Faut il une motorisation « concentrée » en un seul point de la rame ?

J'ai une inconnue à déterminer :
LIM à double face (2 moteurs verticaux enjambant la voie comme sur le S44 et le Rohr) mais voie à renforcer pour les freinages (le Rohr endommageait la voie lors des freinages, je ne sais pas comment était étudié le S44 à grande vitesse).
ou LIM à simple face (1 moteur à plat horizontal) mais où placer la plaque de réaction ? il faudrait peut être légèrement élargir le rail de guidage et réduire légèrement sa hauteur pour placer la plaque sur la face supérieure du rail.

Compte tenu des pertes par effets de bouts du LIM à haute vitesse, plus le LIM est long et meilleur sera son rendement : l'un des documents cités plus haut suggère l'utilisation d'un LIM de grande longueur (10 mètres de long pour un train propulsé à 300kmh) ce qui impose un LIM à simple face (je ne pense pas qu'il soit possible d'articulier un LIM aussi gros pour les virages).
Je crois que personne n'a réellement construit de LIM aussi gros et aussi puissant (une remarque suggérée par l'auteur du document semble signaler qu'il n'est pas possible d'assembler plusieurs petits moteurs facilement), mieux vaut éviter de rajouter des difficultés supplémentaires.

http://www.jstage.jst.go.jp/article/jsmec/47/2/512/_pdf

page 515 (n°4 du fichier pdf)

On aurait dont un seul très gros et très puissant moteur LIM. Je suis incapable de faire des calculs, mais vu la réputation de puissance de ces moteurs, je peux supposer qu'un seul moteur d'une telle longueur devrait avoir largement la puissance nécessaire pour pousser notre train à 300kmh. (l'auteur du document utilise une valeur théorique de 30.000 N pour son LIM de 10 mètres de long)

[Damien D.]

On n'est plus dans les années 70 quand même, c'est si lourd que ça in inverseur à fréquence variable de forte puissance moderne ?

1800 kg pour un truc de 1700KW, soit la puissance donnée ici pour la sustentation. J'ai le catalogue ABB sous les yeux.
Et pour les 5000KW total, bon évidement, il faut plusieurs variateurs, un par moteur quoi, mais a la louche ca fait 5 tonnes.
En gros c'est 1 tonne le MW. Ca donne l'idée.

[BlackShark]

Est-ce que le poids augmente linéairement avec la puissance ?

Pour le lim il n'y aurait qu'un inverseur mais je pense surtout aux différents ventilateurs de sustentation : serait-il possible de gagner en poids en regroupant les onduleurs individuels de chaque ventilo en un seul gros onduleur centralisé et d'avoir tous les ventilos à la même fréquence pompant sur un cable électrique commun alimentant tous les ventilos du train.

[Damien D.]

Est-ce que le poids augmente linéairement avec la puissance ?

C'est plus ou moins le cas.

serait-il possible de gagner en poids en regroupant les onduleurs individuels de chaque ventilo en un seul gros onduleur centralisé et d'avoir tous les ventilos à la même fréquence pompant sur un cable électrique commun alimentant tous les ventilos du train.

Non. Un onduleur = un moteur. Il faut que l'alimentation soit parfaitement synchronisé avec la position du rotor du moteur, donc en branchant tout en meme temps, ca n'ira pas, tout les rotors ne seront pas tous a la même position, et quand bien même la charge dessus ne sera pas toujours la même sur tout les moteurs, donc le couple nécéssaire non plus, donc non c'est totalement totalement impossible ^^

[BlackShark]

serait-il possible de gagner en poids en regroupant les onduleurs individuels de chaque ventilo en un seul gros onduleur centralisé et d'avoir tous les ventilos à la même fréquence pompant sur un cable électrique commun alimentant tous les ventilos du train.

Non. Un onduleur = un moteur. Il faut que l'alimentation soit parfaitement synchronisé avec la position du rotor du moteur, donc en branchant tout en meme temps, ca n'ira pas, tout les rotors ne seront pas tous a la même position, et quand bien même la charge dessus ne sera pas toujours la même sur tout les moteurs, donc le couple nécéssaire non plus, donc non c'est totalement totalement impossible ^^

Ah zut je pensais que des moteurs asynchrones sur les ventilos pouvaient fonctionner sur un tel système... tu parles de moteurs synchrones (à aimants permanents) pour les ventilos non ?

Enfin bon si le rapport puissance/poids des onduleurs est constant, je ne vois pas d'autres raisons de chercher à centraliser les onduleurs... à moins que j'oublie quelquechose.

[GEORGES70]

Désolé, je me suis mal exprimé.

Je me posais la question du cas du figure où, sur les 2000 KW disponibles, le LIM, sur son alimentation, ne tire que... disons 600 Kw à 80 Km par heure (c'est juste pour illustrer)... Serait il possible de re-router les 1400 Kw "non utilisés" vers les moteurs de sustentation ?...

Depuis le début de cette histoire, j'ai tendance à cumuler puissance du LIM et puissance des ventilos... Or, à bien y réfléchir, si on parle alimentation électrique, c'est juste la question de savoir qui pompe quoi à un instant donné... Tout cela pour dire que lorsque je raisonne sur 2000 KW de LIM + 2000 KW de ventilos... Ce serait - peut être - en fait 3000 KW répartis différemment selon les régimes de marche de l'appareil... Ce qui n'est pas du tout la même chose. Dans un cas on parle de 12 Kw par passager contre 16 Kw... Sur un an d'exploitation, c'est du pognon !

[Damien D.]

tu parles de moteurs synchrones (à aimants permanents) pour les ventilos non ?

Heu non, asynchrone, c'est ce qui a le meilleur rendement.

sur les 2000 KW disponibles, le LIM, sur son alimentation, ne tire que... disons 600 Kw à 80 Km par heure (c'est juste pour illustrer)... Serait il possible de re-router les 1400 Kw "non utilisés" vers les moteurs de sustentation ?...

"re router"?!
Tu sais a un instant t un appareil électrique consomme xW, c'est variable en fonction de ce qu'il fait.
C'est pas parcequ'il est écrit sur ton PC "500W" sur l'alimentation qu'il les consomme a chaque instant t. La consomation dépend de la charge processeur, carte graphique, utilisation des disques, etc.
Dans le cas de ton aérotrain électrique, admettons qu'il faille 2500kW pour la sustentation a vitesse nulle et 4000kW pour le faire avancer a vitesse constante de 80km/h. Dans ce cas, a un instant t ou il est dans cette configuration de fonctionnement, c'est a dire en marche normale a 80km/h (donc l'autosustentation ne fonctionne pas), il consommera 6500kW.
Dans le cas ou il vole a 300km/h, la consomation de sustenation est nulle. Par contre il lui faudra peut etre 13000kW pour son déplacement. Il consommera donc 13000kW a cet instant t.
En cas de ralentissement de 300km/h a 200km/h, l'autosustentation fonctionne a ces vitesses, et le moteur est lui completement arrêté. L'aérotrain consomera donc 0mW =)
Et ainsi de suite.
En aucuns cas ces calculs de puissance nécéssaire (fait a la louche en plus) ne correspondent a une consomation fixe et définitive a chaque instant ou l'appareil est en fonctionnement.
De plus le calcul de 13 ou 14MW pour un déplacement a 300km/h, c'était juste le déplacement, en aucun cas l'accélération.
En phase d'accélération, le bidule va plustot pomper dans les 40MW =)

[GEORGES70]

Donc on est bien d'accord...
On a une enveloppe énergétique maximum qui se "ventile " différemment en fonction des besoins à un instant "t"...

[BlackShark]

tu parles de moteurs synchrones (à aimants permanents) pour les ventilos non ?

Heu non, asynchrone, c'est ce qui a le meilleur rendement.

Tu es sûr que l'asynchrone a un meilleur rendement ? Il me semblait que les moteurs synchrones à aimants permanents était ce qu'il se faisait de mieux au niveau rendement (d'où leur utilisation sur les nouvelles voitures électriques high tech et les nouveaux bogies motorisés des AGV).


Sinon au niveau puissance, lorsqu'il est publié un peu partout que la puissance d'un TGV est de 8800KW, c'est sa puissance maxi (en accélération) ou c'est sa puissance en croisière qu'il dépasse en accélération ?