OUTERCRAFT 9 rue Pierre Georges Latécoère 64100 BAYONNE France [email protected] 05 64 11 11 03 outercraft.fr SURF-FOIL ÉLECTRIQUE D E C AT H L O N Note de conception et de dimensionnement 13.01.2021 Nous nous sommes basés sur un foil du commerce, testé et éprouvé avant le démarrage du projet. Comme “Brief” technique, notre prototype devait permettre : -Qu’un utilisateur de 90kg de niveau intermédiaire puisse utiliser le foil électrique. -Une autonomie de 30 minutes minimum en fonctionnement. -Une vitesse suffisante pour “voler” et un dimensionnement permettant la vitesse maximale de 30km/h -Une commande via un joystick sans fil simple, permettant la gestion à une main de la vitesse. -Des systèmes de sécurité et notamment un coupe-circuit. -Un accès à la recharge simple et facile d’accès. L’important est d’avoir une aile avec une belle portance pour faciliter le décollage à basse vitesse. Le shape de la planche peut aider au décollage, nous avons utilisé un design conçu par Decathlon spécialement pour l'usage du foil. I l e s t c o m p l i q u é d ’ e s t i m e r l a vitesse de déplacement pour que le foil “vole”. Mais globalement, les concurrents proposent une vitesse maximale comprise entre 16 et 20 noeuds (30 et 40 km/h). Certains annoncent des vitesses pouvant aller jusqu’à 25 noeuds et plus, soit plus de 46km/h. L’autonomie serait dans ce cas fortement réduite, et les dangers liés à l’utilisation fortement augmentés ! Il faut savoir que la traînée hydrodynamique évolue au carré de la vitesse. Concrètement, cela veut dire que pour atteindre une vitesse 2 fois plus importante, la traînée générée est 4 fois supérieure, et qu’il faut donc 4 fois plus d’énergie pour propulser la planche. La vitesse de “décollage” dépend fortement du foil, L’évaluation de la traînée générée par la planche et la traînée (poids du pilote, hydrodynamisme de est extrêmement complexe. Une thèse sur le sujet la propulsion…). Les concurrents annoncent une détaillée donne des valeurs de traînée pouvant être vitesse de décollage à partir de 7-8 noeuds (entre comprises entre 250 N et 320 N (l’équivalent d’une 13 et 15 km/h). trentaine de kilos). La vitesse dans notre cas, n’est pas un objectif Cette traînée engendre donc une perte de en soi, mais l’important est de générer une puissance de (300Nx3,6m/s) 1080W. portance nécessaire au décollage du foil, pour que l’utilisateur puisse profiter d’une expérience de En conclusion, il faut donc plus de (3960+1080) “vol” au dessus de l’eau. 5040 W, en comptant un rendement global de 80% électrique et mécanique de la batterie à l'hélice, cela ramène la puissance à 6300W. Pour concevoir cet eFoil, nous avons commencé Nous pouvons donc dire qu’en dessous de 6kW le par le cœur du système : le moteur. De ce choix foil risquerait de ne pas décoller. dépendra de bon nombre des composants. Comment effectuer ce choix ? Trop peu puissant, le Une vitesse de rotation de 3000 à 4500 tours/ foil ne pourrait pas “décoller”, trop puissant, il serait minutes est relativement faible pour un moteur lourd et inadapté. électrique. De plus, nous avons besoin d’un moteur La puissance(Watts) est définie par le produit de “coupleux” à l’hélice, permettant de vaincre les la vitesse de rotation(rad/s) et du couple(N.m). efforts hydrodynamiques. Nos recherches nous Autrement dit, un moteur puissant, n’est pas ont poussé vers des moteurs entre 365 et 550KV forcément un moteur qui tourne vite, mais un (1KV correspond à 1 tour/volt de tension appliquée moteur pouvant maintenir une vitesse de rotation au moteur), permettant une vitesse de rotation élevée tout en transmettant des efforts importants. comprise entre 17500 et 26400 tours/minutes avec un pack batterie de 48V environ. Ce qui, avec Pour choisir le moteur, il faut d’abord connaître la un réducteur planétaire au rapport 1:5 donne vitesse de rotation souhaitée. Nous avons trouvé une vitesse à l’hélice entre 3500 et 5000 tours/ une hélice proposée dans le commerce et usinée minutes. en aluminium. Une hélice de 135mm de 3 pales est davantage adaptée aux vitesses de rotation Le choix de la technologie des batteries est lui de l’ordre de 3000-4000 tours/minutes et génère aussi important, concernant le poids et la sécurité. la poussée suffisante pour hisser le foil hors d’eau Les batteries de technologie LiFePO4 restent ! C’est donc l’hélice qui détermine le besoin en très stables en tension lors de leur décharge, ont vitesse de rotation. un risque d’incendie très faible, et supportent des températures élevées. Elles sont également Les fabricants de foil annoncent des vitesses de moins polluantes et ont une excellente tenue dans décollage à partir de 7 nœuds, soit 13km/h ou le temps. 3,6 m/s. Pour propulser un pilote de 90kg, plus Nous avons donc choisi ce type de batterie, plutôt sa planche de 20kg à cette vitesse, il faut donc que des Li-ion classiques, bien qu’ayant une densité une puissance (en négligeant totalement les énergétique moindre et donc un rapport poids/ frottements) de (900N+200N)x(3,6m/s) = 3960 capacité légèrement moins avantageux. W. A cela, il faut bien entendu ajouter l’énergie dissipée, entre les frottements hydrodynamiques, l’échauffement du moteur, et les pertes dans la Pour nous adapter aux chargeurs disponibles, nous chaîne d’énergie. avons monté le pack en 12s (12 éléments de 3,2V en série), ce qui est plus standard, nous obtenons -Valve de décompression : Si il y’a une entrée donc une sortie de plus 40V à pleine charge, ce d’eau, les batteries pourraient gonfler, et dégazer. qui permettra au moteur de monter à 434*40 = Plus basiquement, le volume d’air à l’intérieur du 17360 tr/min. compartiment batteries et contrôleur va subir des différences de température, et donc se dilater et Le contrôleur est le cerveau du système, c’est lui qui reçoit l’information de la télécommande, et pilote le moteur. Son choix est d’autant plus important qu’il transmettra une quantité d’énergie importante dans notre cas. Pour une puissance de plus de 6kW, avec une tension nominale de 48V, cela représente un pic de près de 125A. Il faut donc sélectionner un modèle fiable, sécurisant et facilement refroidissable. En effet, à cette intensité, la chauffe peut être importante, et il faudra donc refroidir l’ensemble, grâce à la plaque en aluminium sur laquelle il est fixé dans notre cas qui a l’effet d’un dissipateur. Choisir un modèle ayant un pilotage de type sinusoïdal permet d’avoir moins d’à-coups moteur, moins d’usure, et un fonctionnement avec moins de vibrations et plus “doux”. Les contrôleurs “classiques” ont en effet un pilotage en créneaux, ce qui génère plus de vibrations, à-coups… Le choix de la manette, doit permettre de communiquer avec le contrôleur intégré dans la planche, les fournisseurs de télécommandes pour skates électriques ont des modèles pouvant facilement être mis dans une pochette étanche et fonctionnent parfaitement pour notre besoin. Pour le montage, nous avons utilisé de la graisse marine au niveau de tous les joints, et du joint d'étanchéité PU pour étancher les zones principales. Concernant le câblage, cette opération à été réalisée par un professionnel habilité. Pour palier à tous types d’avaries, nous avons intégré des systèmes de sécurité. se comprimer. -Coupe circuit leash : Si l’utilisateur chute, et qu’il ne parvient pas à stopper la commande, le coupe circuit vient déconnecter le récepteur de télécommande, ce qui à pour effet de stopper net la commande. -Leash : Si l'utilisateur chute, pour éviter de voir s’échapper le foil.
