UNE MESURE DE COUPLE SANS COUPLEMETRE MECANIQUE
3 PME Françaises dont OPTEL-TEXYS ont mis en œuvre une solution optique innovante pour répondre au besoin de l’une d’entre elle. CSTM, qui développe un moteur électrique haute vitesse et doit notamment mesurer le couple. Celle-ci rencontre plusieurs points durs que les couplemètres conventionnels ne peuvent pas lever : la mesure doit s’effectuer sans inertie ajoutée, sans contrainte d’intégration et à très haute vitesse.
François Dugué, directeur de la société CSTM, nous explique dans le détail ses exigences.
MC : Quel est le contexte de votre innovation et quels sont vos besoins ?
FD : Nous sommes fortement concernés par les machines tournantes à haute vitesse, notamment pour l’aéronautique et le spatial que ce soit pour des bancs d’essais ou pour des prototypes d’équipements embarqués. Dans ce cadre, nous développons un banc d’essais pour un moteur électrique d’une puissance mécanique de 52 kW à 100 000 tr/min inexistant sur le marché. Pour sa mise au point, il nous fallait mesurer la vitesse et le couple. Mais, au-delà de 25000 tr/min il n’existe pas de couplemètre dans le commerce.
MC : Quelles sont donc les solutions trouvées pour ces mesures ?
FD : Pour mesurer à ces vitesses élevées, il nous faut un capteur de vitesse référent, très rapide et précis. Pour cela, nous avons choisi le modèle 152M d’OPTEL TEXYS (Figure 1), qui présente de nombreux avantages sur le plan scientifique et pratique car disposant de sorties TTL et Analogique. Ce produit standard présente une dynamique vraiment adaptée aux hautes vitesses, ainsi qu’une facilité de montage et d’emploi. La première nécessité est d’avoir un marquage sur l’arbre pour chaque capteur en alternant une surface réfléchissante et une surface mate, ainsi qu’un support de sonde optique. La mise en place et le réglage du capteur optique est ensuite de l’ordre de 10 min. Les avantages de ces sondes optiques est leur résolution de détection qui permet de mettre de nombreuses marques sur un faible diamètre ainsi que leur insensibilité aux pollutions électromagnétiques. Ce n’est pas étonnant que Porsche, Toyota et tous les autres majors utilisent les produits OPTEL TEXYS dans le monde.
Figure 1 – Capteur 152M et sondes optiques
MC : Et ensuite, comment traitez-vous les mesures ?
FD : La démarche a été la même pour le système expert. Nous nous sommes munis de l’application VIB 360 de la société IMPEDANCE et de l’algorithme d’extraction des acyclismes développé par le Dr Hamid SAIAH. Ce logiciel permet, dans des conditions de vitesses très élevées en mode stabilisé/transitoire, le calcul du couple moyen et dynamique, à partir de deux cibles placées sur l’élément tournant. Cette méthode peut être utilisée pour extraire d’une manière non intrusive l’image du couple, notamment dans des situations où la mise en place d’un couplemètre du marché est impossible. Avec cet outil de calcul des acyclismes et de la torsion/phases, nous obtenons les modes propres de la ligne d’arbre avec uniquement deux capteurs 152M et deux sondes OPTEL-TEXYS situées chacune sur une roue phonique, en face de marquages contrastés positionnés de chaque côté d’une portion d’arbre de raideur connue.
Les résultats sont convaincants comme le montrent les essais de validation avec un couplemètre du commerce que nous avons réalisés à Supélec où une précision meilleure que 10-3 degrés angulaire a été constatée, soit 0,02% du couple considéré à faible vitesse.
MC : Quelle a été finalement la valeur ajoutée de ce couplemètre ?
FD : La force de ce couplemètre, s’appuyant sur des capteurs OPTEL-TEXYS, est que la mesure est réalisable à faible vitesse sur des gros rotors et théoriquement à des vitesses supérieures à 200 000 tours par minute avec la même précision angulaire, si la fréquence d’acquisition est adaptée.
Nos récents essais jusqu’à 85 000 tr/min, avec deux capteurs 152M sur le banc d’essais de moteur électrique conçu et réalisé par CSTM (Figure 2), ont conduit à des résultats exceptionnels. En effet les mesures de couple suivent parfaitement les prévisions du calcul. Deux sondes optiques sont situées au droit de marques sur les accouplements de part et d’autre d’un arbre flexible, lui-même situé entre le frein aérodynamique à gauche et le moteur à droite.
Figure 2 – Essai du moteur 100 000 tr/min
En comparant le couple mesuré par rapport au couple de freinage du frein aérodynamique que nous avons calculé en mécanique des fluides numériques (Figure 3), nous validons à haute vitesse aussi bien les calculs que le couplemètre qui s’avère le plus précis des deux, comme le montre la faible dispersion des points de mesure par rapport à leur courbe de tendance.
Figure 3 – Mesures de couple (rouge) comparées
au calcul CFD du frein aérodynamique (bleu)
Il est probable que nous soyons en présence d’une réelle première qui peut offrir des opportunités quant à la mesure du couple à hautes vitesses et sans inertie, ainsi qu’aux analyses associées telles que la dissipation d’énergie ou la compréhension des phénomènes cyclo stationnaires.
En fonction de votre cahier des charges et des spécificités de votre application, OPTEL-TEXYS saura vous orienter vers la solution optimale en associant les capteurs, le système d’acquisition et l’algorithme les plus appropriés.