La roue de Grenoble, un instrument unique pour une technologie originale : le moteur linéaire

04/10/2018
Auteurs : GERARD COQUERY
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23554
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La roue de Grenoble, un instrument unique pour une technologie originale : le moteur linéaire

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La roue de Grenoble, un instrument unique pour une technologie originale La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 36 La roue de Grenoble, un instrument unique pour une technologie originale : le moteur linéaire GERARD COQUERY TACV, Sao-Paulo, Brésil ; IFSTTAR, Marne-La-Vallée, France 1. Introduction Les années 1960-1970 ont été animées par de grands projets de transports très innovants. Entre TGV et Aérotrain la décision n’a été prise par l’État qu’en 1974. Jean BERTIN a réussi une brillante démonstration de la faisabilité d’un système de transports sur coussin d’air avec son “Aérotrain“ (un rapport de 1977 rapporte l’équivalent de 100 000 kms parcourus et 26 000 passagers embarqués). Mais il attendait un moyen de propulsion silencieux et propre : le moteur électrique linéaire. La complexité de l’étude d’un système de propulsion par moteur linéaire réside dans son dimensionnement et sa mise au point qui nécessite la construction d’une voie d’essais à grande vitesse de plusieurs kilomètres. Lorsqu’il s’agit d’innovation technologique majeure, les ingénieurs conçoivent et utilisent des outils de simulation numérique et de validation expérimentale pour lever ou réduire les risques techniques et financiers. Pour les systèmes de propulsions classiques, les moteurs électriques rotatifs et les transmissions de l’effort par les roues, la validation expérimentale est réalisée sur des bancs d’essais appliquant les conditions d’usage réelles. Dans le cas du moteur linéaire une partie du moteur est intégrée dans la voie et seule une expérimentation sur le site réel peut démontrer les performances attendues. Aussi les concepteurs de cette machine électrique spéciale, devant les risques élevés de cette première mondiale d’une application grande vitesse, ont voulu valider les performances du moteur linéaire à grande vitesse avant la réalisation sur la voie d’essais de l’Aérotrain. Il a été ainsi imaginé de construire une grande roue à la périphérie de laquelle serait installé l’induit correspondant au moteur étudié. Figure 1 : Photographie de la Roue de Grenoble 1979 (Source IFSTTAR) Résumé : Le laboratoire d’essais de la “Roue de Grenoble“ a été construit vers 1972 pour la caractérisation des moteurs linéaires asynchrones destinés à la propulsion du véhicule sur coussin d’air conçu par Jean Bertin. Dimensionné par Creusot-Loire pour la validation expérimentale de la motorisation électrique du monorail “Aérotrain“, ses caractéristiques restent étonnantes à ce jour : 12m de diamètre, 400km/h et une inertie correspondant à une masse de 25 tonnes reportée en périphérie. Ce moyen d’essais était et reste pertinent pour les validations et mise au point des systèmes linéaires innovant à grande vitesse en permettant de lever certains risques techniques et donc de réduire les risques financiers. Mais les projets de systèmes de transports par moteur linéaire ne sont plus d’actualité, au moins en France. Ce texte propose un court résumé de l’histoire de cet instrument, des travaux réalisés et la question de son devenir. Abstract: The test laboratory “Wheel of Grenoble“ was built in 1972 to test the linear induction motor dedicated at the propulsion of the air cushion vehicle invented by Jean Bertin. Designed by Creusot- Loire for the experimental validation of the monorail electrical traction of the “Aerotrain“, its characteristics stay even today remarkable: diameter 12m, peripheric speed of 400km/h and 25 tons from inertia. This test bench was and stay relevant to set up innovative linear high-speed systems, allowing to avoid technical and financial risks. However, ground transportation project using linear motor are today cancelled in France. This paper is a short summary of this instrument, of the research works done, and the question of its future. Mots clés : Banc d’essai moteur linéaire, banc d’essais grande vitesse, roue inertielle La roue de Grenoble, un instrument unique pour une technologie originale La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 37 Thème 2. Les essais à grande vitesse des moteurs linéaires Cette roue a été construite par Creusot-Loire à l’initiative de la société “Le Moteur Linéaire“, crée pour concevoir et réaliser ce moteur pour Bertin, ce site d’essais a été repris par l’IRT1 en 1981. L’institut a eu alors mission de poursuivre les travaux de recherche sur les moteurs linéaires asynchrones. Il faut noter les résultats acquis et oubliés à ce jour, par ce moteur à induit en U inventé par Jean Guimbal. Un prototype réalisé par la société CELDUC a atteint en 1979 la vitesse de 180km/h alimenté directement sur le réseau triphasé, en 1984 la vitesse de 300km/h est atteinte avec un moteur alimenté par un onduleur MLI à thyristor d’une puissance d’un mégawatt, Citons encore la propulsion d’une plateforme sous-marine pour le bassin des carènes pour la DGA en 1982. L’ensemble de ces travaux ont été mené par l’IRT sous la conduite de Jean Pierre Pascal. Les essais à 300km/h de 1984 ont été réalisés dans le cadre d’une coopération franco-allemande, les industriels allemands étant alors intéressés par cette technologie de moteur pour le projet “Transrapid“, ont finalement opté pour le moteur synchrone bobiné dans la voie. Le contexte de l’innovation du transport terrestre a alors évolué en France, le succès du TGV mis en exploitation en 1981 a fait abandonner tout autre financement de recherche par l’État en 1986. Toutefois, les acquis du moteur linéaire en U ont été valorisés par la propulsion de chariots automatisés de transport de bagages dans les aéroports, plus de 500 moteurs sont installés dans les années 2000. 3. Les essais sur les contacts roue-rail et pneu- chaussée Le moyen d’essai de la Roue de Grenoble a alors perdu de son intérêt pour le moteur linéaire, mais la grande vitesse ferroviaire avait besoin d’approfondir la connaissance du contact roue-rail. La possibilité de faire défiler une voie à grande vitesse à poste fixe à donner l’idée aux chercheurs de l’institut, en 1986, de transformer la périphérie de cette grande roue en “voie d’essai “ à double usage pour les études du contact roue-rail et du contact pneu-chaussée. Elle a donc été équipée d’une piste de largeur réduite dédiée aux mesures du comportement de ces interfaces, un carénage a été aménagé pour réduire l’effort de rotation. 1 IRT : Institut de Recherche sur les Transports Figure 2 : Site de la roue de Grenoble (Source : IFSTTAR) A la fin des années 1990, le laboratoire de la roue de Grenoble a ainsi permis d’élaborer et de valider des modèles comportementaux pertinents qui ont fait l’objet de nombreuses collaborations et publications entre INRETS2 - SNCF-Alstom-RATP. L’IRT ayant fait l’objet d’une fusion avec l’ONSER en 1985 pour créer l’INRETS, lequel a été lui-même regroupé avec le LCPC3 en 2011, pour fonder l’actuel IFSTTAR4 . Ce laboratoire de la roue s’est trouvé, de fait, exempt de travaux expérimentaux, les données de base acquises, les modèles validés, les outils de simulation numérique offrant une capacité d’études paramétriques pertinentes, la validation expérimentale ne semble plus nécessaire. Les moteurs linéaires restent alors sans projets applicatifs significatifs. L’outil “Roue de Grenoble“ devient une seule charge financière sans projets scientifiques et industriels pertinents, oublié des chercheurs, il est progressivement abandonné. 4. Quel avenir pour ce grand équipement Cette roue de 12m de diamètre ne semble plus être porteuse de recherches expérimentales innovantes en France. La propulsion de moyens de transport par moteur linéaire ne fait plus rêver les ingénieurs, alors même que des projets de nouveaux systèmes à très grandes vitesses font la une de l’actualité. Ainsi les futuristes “Hyperloop“ d’Elon Musk, attirent des investisseurs même parmi les grandes compagnies ferroviaires. La catapulte électromagnétique pour les porte-avions de l’US Navy est une technologie stratégique. La jeune société TACV5 et ses partenaires industriels, bénéficiant des expériences acquises, propose des innovations réalistes reposant sur des technologies de moteurs linéaires asynchrones en U qui offre par sa compacité un rapport poids/poussée exceptionnel et un rendement élevé. Citons quelques exemples civils et militaires : lanceur de drone, catapulte, booster et frein linéaire pour le ferroviaire, 2 INRETS : Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurité 3 LCPC : Laboratoire Central des Ponts et Chaussées 4 IFSTTAR : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, dede l’Aménagement et des Réseaux. 5 TACV d.s.t Brazil : Track Air Cushion Vehicle (développement de systèmes de transport) La roue de Grenoble, un instrument unique pour une technologie originale La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 38 propulsion à grande vitesse sans contact avec le sol, transmission par induction à grande vitesse…. La roue de Grenoble reste un outil expérimental très efficace pour la validation de beaucoup des technologies d’interfaces sol-mobile à grande vitesse, et déterminant pour les projets de système de transport sans contact de TACV. 5. Conclusion et perspectives Cet article a proposé un condensé de l’histoire de ce grand équipement d’essai qu’est la roue de Grenoble. Elle a permis la validation d’une technologie majeure pour la propulsion sans contact des véhicules terrestres : le moteur linéaire asynchrone à induit en U, lequel offre des performances remarquables. Approchant des années 2020, les nouveaux matériaux de construction et les dernières technologies de l’électronique de puissance offrent la possibilité de concevoir des véhicules ultralégers guidés sur des infrastructures optimisées et de conception modulaire, pour lesquels une motorisation sans contact redevient un challenge technique. Que ce soit à sustentation magnétique ou par cousin d’air : absence de bruit, pas d’usure de la voie, voie surélevée supprimant l’effet de fragmentation du territoire, performance du système énergétique et automatisation, résilience au risque climatique…, autant de critères qui doivent exciter l’imagination pour la création d’un autre mode de transport pour les passagers, en particulier pour les pays ne disposant pas encore de réseaux conventionnels. Disposer d’un moyen expérimental qui permette la validation des interfaces sol-véhicule, avec ou sans-contact, de ces systèmes restent un atout pour l ‘innovation industrielle, complémentaire des outils numériques dont nous disposons. Références [ [1] Système de Transport U-LIM-AS. Coopération franco-allemande, annexe E (synthèse des essais de 1984). [2] Le moteur linéaire enfin prêt, Science&Avenir, 1979. [3] G. Coquery, J. Sébillaud, Airport baggage handling system using U asynchronous linear motors, Maglev 2004, Shanghai.