PROPULSION À ENGRENAGES MAGNÉTIQUES : UN CHANGEMENT RADICAL EN MATIÈRE D'EFFICACITÉ ET DE FIABILITÉ

Gary Rogers, directeur général de Magnomatics, explore les avantages des systèmes de motorisation à engrenage magnétique pour respecter les réglementations environnementales et réduire la consommation de carburant. Les futurs systèmes de propulsion marine doivent répondre à des exigences considérables. En plus de fournir aux navires la puissance et le contrôle nécessaires à la vitesse et à la manœuvrabilité, ils doivent être efficaces sur le plan énergétique, légers, durables, sûrs et ne nécessiter que peu d'entretien. En outre, compte tenu des préoccupations croissantes concernant l'impact du transport maritime sur l'environnement, les navires devront être plus écologiques pour se conformer aux réglementations internationales.

Dès 1903, l'industrie maritime a hésité entre les systèmes de propulsion électrique et les systèmes de propulsion conventionnels. Malgré son efficacité supérieure et ses autres avantages, la propulsion électrique était freinée par son coût, sa complexité et sa taille. Les engrenages magnétiques, brevetés pour la première fois en 1968, offraient la possibilité de résoudre ces problèmes, mais ce n'est qu'avec l'introduction de nouveaux matériaux magnétiques et de nouvelles techniques d'analyse au début de ce siècle qu'une solution réalisable a été trouvée.

Par rapport aux moteurs de propulsion marine conventionnels, tels que les machines électriques à aimant permanent et à champ bobiné, les systèmes à engrenages magnétiques sont beaucoup plus efficaces pour répondre aux besoins des navires modernes. En ce qui concerne la taille, le poids et le coût, l'utilisation d'une boîte de vitesses mécanique permet traditionnellement à un moteur électrique à grande vitesse d'entraîner une hélice à faible vitesse, ce qui permet au moteur d'être plus compact et moins coûteux qu'un moteur équivalent à entraînement direct. Toutefois, ces avantages sont perdus en raison de la nécessité d'utiliser un réducteur à couple élevé.

Un système d'engrenage magnétique permet de résoudre ce problème. En couplant un moteur à aimant permanent à grande vitesse avec un engrenage magnétique, on obtient une sortie à faible vitesse et à couple élevé qui est optimisée en fonction de la courbe de performance de l'hélice. De plus, avec un propulseur plus petit qu'un moteur équivalent à entraînement direct et avec l'engrenage magnétique intégré qui supprime le besoin d'une boîte de vitesses conventionnelle, il est possible d'atteindre une vitesse élevée avec une conception nettement plus petite, plus légère, moins complexe et moins coûteuse à produire.

« Le couplage magnétique modulé permet aux deux rotors de tourner à des vitesses différentes, créant ainsi un effet d'engrenage »

C'est l'ingénierie et la conception novatrices du système de moteur magnétique qui rendent cela possible. Semblables à un engrenage épicycloïdal, les derniers engrenages magnétiques de grande puissance comportent un planétaire central à grande vitesse qui est couplé à une couronne extérieure à faible vitesse par l'intermédiaire de planètes connectées. Au lieu d'avoir des dents mécaniques sujettes à l'usure, le verrouillage est assuré par une série de paires de pôles magnétiques Nord/Sud. Les planètes en rotation sont remplacées par une série de segments en acier qui modulent les champs magnétiques de manière à ce que les rotors solaire et annulaire puissent être couplés. Le couplage magnétique modulé permet aux deux rotors de tourner à des vitesses différentes, créant ainsi un effet d'engrenage.

Le résultat de cette approche de conception est un moteur électrique compact, à grande vitesse et à faible charge qui convient parfaitement aux besoins des hélices et qui surmonte les problèmes associés aux systèmes d'engrenage conventionnels en réduisant la taille, la complexité et le coût. De plus, en simulant les caractéristiques d'un entraînement direct, ces systèmes magnétiques offrent un couple élevé à faible vitesse et, en augmentant le couple du rotor interne entre 5:1 et 10:1 dans le nouveau rotor à pièces polaires, ils offrent un rendement exceptionnel.

Fiabilité du navire

Les systèmes de propulsion marine doivent être robustes et fiables pour résister aux environnements souvent extrêmes dans lesquels ils doivent fonctionner, qu'il s'agisse de pressions en haute mer, de températures polaires ou de mers agitées. Ils doivent également être capables de résister à la corrosion due à l'eau salée et de faire face à une utilisation intensive et continue. Les systèmes de moteurs magnétiques sont conçus pour assurer la longévité, la sécurité et une maintenance réduite et sont idéaux pour une utilisation dans des conditions marines difficiles.

Fonctionnant avec de faibles courants et à de basses températures, ils sont intrinsèquement plus sûrs et ont des besoins de refroidissement considérablement réduits par rapport aux systèmes conventionnels - une caractéristique qui permet de réduire encore le poids, la taille et la consommation d'énergie. En outre, ils sont conçus pour être tolérants aux pannes. Avec des enroulements tolérants aux pannes et une isolation électrique, mécanique, thermique et magnétique entre les phases et les bancs, ils permettent au système de continuer à fonctionner après une panne, tout en évitant les incendies et en réduisant la gravité potentielle des chocs électriques.

« Le résultat est une sortie à faible vitesse et à couple élevé, optimisée en fonction de la courbe de performance de l'hélice.

D'autres caractéristiques de conception contribuent également à la robustesse de l'engrenage magnétique : l'absence d'engrenage mécanique signifie que l'usure de l'engrenage n'est jamais un problème ; le réseau d'aimants extérieurs ne subit jamais de démagnétisation ; le moteur est protégé de l'eau de mer par un joint hermétique ; et l'anti-blocage est assuré par un fusible de couple à réarmement passif qui protège la chaîne cinématique des charges associées aux chocs contre des objets solides ou des cordages.

En outre, la suppression du joint d'arbre dynamique réduit le risque de déversement dangereux d'huile de transformateur et empêche la pénétration de l'eau de mer de provoquer la corrosion ou d'affecter l'intégrité électrique du système. Cela améliore également la fiabilité et minimise les besoins de maintenance. Les propulseurs, quant à eux, sont équilibrés en pression pour un fonctionnement en haute mer et la mise en place d'une tuyère sur l'hélice protège les pales des dommages causés par la faune, la glace ou les détritus.

Applications marines

Capables de fournir une puissance allant de quelques kW à plusieurs mégawatts, les systèmes à engrenages magnétiques peuvent être utilisés dans une grande variété d'applications, notamment dans les domaines naval, maritime commercial et sous-marin. Très efficaces, légers et petits, leur compacité permet de placer les turbines à proximité les unes des autres afin de maximiser la puissance produite, tandis que l'augmentation substantielle de la densité du couple les rend idéaux pour les applications qui nécessitent un couple continu élevé à une vitesse relativement faible. Ils sont donc particulièrement utiles pour les petits navires à propulsion électrique.

Dans l'ensemble, les systèmes à engrenages magnétiques constituent potentiellement un moyen de propulsion plus écologique, plus fiable et plus rentable, tout en garantissant aux navires le contrôle de la vitesse et la manœuvrabilité dont ils ont besoin. Ils améliorent considérablement la densité du couple continu par rapport aux systèmes conventionnels à aimants permanents, tout en offrant un rendement énergétique supérieur. En outre, ils constituent une solution peu coûteuse et nécessitant peu d'entretien, avec des caractéristiques intégrées de sécurité, de tolérance aux pannes et de respect de l'environnement qui améliorent la conformité aux réglementations.

par Gary Rogers

Source :  Riviera Maritime Media