Projet: Vélo magnétique
BOULBAIR Badr
PIVERT Anthony
Sommaire:
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Présentation du projet
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Cahier des charges
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Ressources
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Réalisation du projet
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Perspectives d’améliorartion
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Bilan/Conclusion
Présentation du projet
Tous les étudiants du GEII, en première année sont confronté à un challenge au cours de leurs deuxième semestre. Ils sont tenus de choisir un projet parmi quatorze sujets présentés, dans notre cas il s’agit du Vélo magnétique. Nous devons réaliser ce projet dans le cadre du module « Études & Réalisations », dont la notation comprend plusieurs facteurs, bien entendu la réalisation du projet, mais également la communication au sein du groupe, l’implication des différents membres, et la conduite du projet.
Les Intervenants du Projet Vélo Magnétique est Anthony PIVERT et Badr BOULBAIR.
Tout le monde (ou presque) aime faire du vélo, cela permet de s’entretenir, se déplacer écologiquement, ou tout simplement de se divertir au cours d’une balade. Dans tous les cas nous fournissons un effort physique, et donc de l’énergie. Mais il est difficile de quantifier, et même de pouvoir réutiliser cette énergie avec un vélo ordinaire. C’est pourquoi nous avons fait un vélo capable de vous montrer l’énergie que vous produisez en temps réel, et même d’utiliser cette énergie afin de : Charger son smartphone/allumer DES lampes/ et même utiliser des objets tel qu’une perceuse. Dans la seconde partie du projet nous avons fait en sorte que plus la personne qui pédale essayera d’aller vite plus la contrainte au niveau du pédalier sera grande (principe du vélo elliptique), par le principe du frein magnétique, tout en gardant un vélo utilisable par un large intervalle de personnes.
Cahier des charges
A) Diagramme Bête à corne:
La bête à cornes est un outil de représentation de questions fondamentales. (A qui rend il service, sur quoi agit-il, dans quel but)
B) Diagramme Pieuvre
Le diagramme pieuvre regroupe les fonctions principales ainsi que les principales contraintes du projet. Dans notre cas nous avons un diagramme qui peux être divisé en deux parties.
Diagramme globale:
| FP1 | Générer de l’énergie électrique en fonction de l’énergie mécanique produite |
| FP2 | Contrainte de pédalage du au frein magnétique |
| FC1 | Le budget de ce projet est de 200€ |
| FC2 | Doit se fondre dans le décor |
| FC3 | Utilisation de matériaux approprié |
| FC4 | Garantir la sécurité de l’utilisateur |
| FC5 | Accessible par un large publique |
=
Diagramme de la génératrice
| FP1 | Transformer l’énerie mécanique en énergie électrique |
| FP2 | Réutilisation de cette énergie |
| FC1 | Coût de la génératrice |
| FC2 | Production d’énergie adapté aux objets électriques alimenté |
| FC3 | Adapté la génératrice au vélo |
+
Diagramme du frein magnétique
| FP1 | Ralentir la roue grâce à un champ magnétique. |
| FP2 | Imposé une contrainte en fonction de la force du champs magnétique |
| FC1 | Coût des éléments permettant de faire un frein électromagnétique. |
| FC2 | Contrainte adapté a l’utilisateur |
| FC3 | Matériau de la roue et des électroaimants. |
C) Contraintes globales
Comme vue précédemment dans le diagramme pieuvre, il faut pour se projet prendre en compte différentes contraintes.
- Le temps: C’est évidement la contrainte qui est commune à tous les projets, nous disposons tous d’un mois en l’occurence Mars pour aboutir a nos réalisations. Mais il nous est possible de se faire une petite marge de temps, en allant finaliser nos projets pendant nos heures de libre jusqu’à la soutenance finale qui aura lieu courant Juin.
- Le budget: L’IUT met à disposition une somme de 200€ pour chaque projet, qu’il faut bien évidemment ne pas dépasser.
- Jouabilité du projet: Étant donné que nous voulons mettre une contrainte à l’utilisateur, le problème sera de ne pas mettre une contrainte excessivement forte de telle sorte plus personne ne puisse l’utiliser. Mais aussi qu’une personne n’ayant pas souhaité être soumise a quelconque contrainte puisse l’utiliser.
- La sécurité: La génératrice délivrera un courant qui pourrait être dangereux pour l’homme. De plus les circuits (fils, composants, etc…) ne doivent pas être au contact de l’utilisateur même par accident.
- La production électrique: Elle doit être adéquate au objets que l’on branche aux bornes de la génératrice.
D)Ressources
1) Matériels
Première génératrice
Génératrice manuelle (pédagogique) qui a permis de comprendre le fonctionnement d’une génératrice. Elle nous a été mise a disposition par nos professeurs.
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Deuxième génératrice
Génératrice Triphasé première alternative à la génératrice manuelle. Alors que nous nous sommes lancé à la recherche d’une génératrice qui nous permettrais d’avoir un résultat concret appliquer au vélo. C’est une génératrice à fin pédagogique qui nous à également été mise a disposition par les professeurs.
- Troisième génératrice
- Il s’agit de la génératrice qui est actuellement mise en place sur le vélo. C’est une génératrice à courant continu, très semblable à la précédente, elle nous a également été mise a disposition par les encadrants.
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Appareils de mesure et composants électroniques.
Des composants électroniques et appareils de mesures sont mis à notre disposition afin de mener à bien nos différentes expériences et les corrections nécessaires sur nos montages. On en voit quelques exemples sur la photo.
2) Humaines
- Les membres de l’équipe : BOULBAIR Badr/PIVERT Anthony
- Les professeurs référents (M.HUEBER, M.CHOISY)
- Professeur et élèves du département GMP (Génie mécanique et productique)
E) Gestion du temps (prévisions)
Voici notre diagramme de Gantt prévisionnel, chaque ligne correspond à une tâche ou un regroupement de tâches. A côté du numéro de la ligne doit figurer le nom de l’étape, sa durée ainsi que le début et la fin de celle-ci.
Les noms d’étapes étant un peu long nous les rapportons ci-dessous.
Ligne 3: Étude d’une génératrice en général
Ligne 4: Adaptation d’une génératrice à différents objets électriques
Ligne 5: Choix d’une génératrice
Ligne 6: Choix d’une interface pour voir les performances de l’utilisateur
Ligne 7: Assemblage de la génératrice/interface/vélo
Ligne 9: Étude du frein magnétique
Ligne 10: Essaie avec un frein réel
Ligne 11: Éventuellement acheter un disque plus adapté
Ligne 12: Assemblage final du vélo
F) Expression fonctionnelle du besoin :
Quoi : Un vélo permettant de fournir de l’énergie électrique qui sera réutilisé afin de mettre en œuvre divers objets (ampoules, smartphones…). Mise en place d’un frein magnétique (courant de foucault) imposant une certaine difficulté à l’utilisateur.
Ou ? Utilisation en intérieur
Quand : Présentation d’une petite démonstration pour la journée portes ouverte le 12/03/2016
Présentation du produit pendant la soutenance du 28/06/2016
Comment ? Étude de différentes génératrices afin d’opter pour la plus efficace. Etude des courants de foucault pour déterminer comment faire le frein magnétique adéquat au projet.
Pourquoi : Personne en capacité de pédaler, et ayant envie de faire du sport avec non seulement l’objectif de se dépenser mais en plus de voir en temps réel l’équivalent de l’énergie produite.
Réalisation du projet
- Pour commencer il a fallu étudier ce qu’était une génératrice, et son fonctionnement. Tout d’abord nous sommes restés sur une étude uniquement théorique, nous en avons déduis qu’une génératrice était plus ou moins un moteur utilisé a l’envers, c’est-à-dire qu’à la place de l’alimenter afin qu’il puisse tourner, il fallait faire tourner la génératrice pour qu’elle puisse fournir de l’énergie (alimenter à son tour). Nous avons continué nos recherches sur les dynamos de vélo car c’est typiquement le même genre de génératrice que nous recherchions. Un moteur est grossièrement constitué de deux parties: une partie statique « stator » et une partie mobile « rotor ». Le stator est soit un aimant permanent soit un électro-aimant (c’est-à-dire une bobine de fils de cuivre alimenté par un courant électrique). Le stator produit un champ électrique, et le rotor est une bobine de fils de cuivre que l’on plonge dans ce champ. Le passage du courant dans le bobine du rotor crée un champ magnétique perpendiculaire a celui du stator. De ces deux champ découle un pôle nord et un pôle sud parfaitement décalé qui s’attire l’un et l’autre ce qui provoque la rotation du rotor. Pour la génératrice c’est tout simplement l’inverse, c’est la rotation du rotor qui provoque le courant électrique dans les bobines sur le principe du moteur (rotor/stator).
- Nous avons donc voulu donner du sens a nos recherches théorique, faisant des essais directement sur la première génératrice que nous avions eu (la génératrice manuelle). Nous pouvons à présent être plus précis sur celle-ci, il s’agit d’une génératrice à électroaimants, donc elle nécessite une alimentation extérieur. Nous avons commencé par essayé d’alimenter une LED, qui a vite rendu l’âme, une LED ne consomme pas grand chose alors que nous voulons produire une certaine énergie à la fin de notre projet. Nous avons réitéré notre expérience avec une résistance de puissance de 6 watts afin d’avoir une idée de l’énergie produite a la main, cette résistance est aussi partis en fumée ! Très encourageant. Nous avons donc décidé de passer à plus concret: une ampoule de 12 watts, en augmentant l’excitation des bobines nous avons réussis à l’allumer, mais avec énormément de papillotement (du fait que nous ne faisions pas tourner la génératrice a une vitesse constante). Pour y remédiez nous avons d’abord pensé à la solution la plus simple : un condensateur, a l’oscilloscope nous avons pu observé une amélioration mais qui n’étais pas perceptible sur l’ampoule directement. Nous avons donc changer de solution et opté pour un régulateur de tension, cette fois-ci le résultat était autant visible sur l’ampoule qu’a l’oscilloscope. Mais les papillotements étaient encore trop perceptible, nous avons donc essayé une troisième solution qui c’est avéré être la bonne, nous avons utilisé un composant étudié au semestre 1: le pont de diode qui nous a offert un résultat satisfaisant.
Production de 8v et 1A ===> Puissance produite max=8watts
- Conclusion de la première partie du projet: Avec une génératrice manuelle, nous pouvions alimenter des petits composants, mais nous étions limité par la consommation d’objets plus gourmands et plus à même d’être démonstratif.
Nos premiers pas dans notre projet ayant été encourageant, avons décidé de passé à l’échelle réel. Nous somme passé au travaux avec une génératrice sur le vélo:
- Pour commencé cette deuxième étape il nous fallait déjà se munir d’une génératrice adaptable au vélo. Après des petites recherche dans l’IUT et concertation avec nos professeur référents, nous avons décidé d’utilisé une génératrice, déjà présente en salle de TP. Nous étions donc a présent muni d’une génératrice triphasé.
- La génératrice triphasé étais elle aussi à électroaimants, il lui fallait donc une excitation extérieur plus forte que la petite génératrice manuelle. Son excitation provenais directement du secteur, il nous a donc fallut adapté le secteur à la demande des électroaimants:
-En tête de montage un pont redresseur (pont de diodes) pour n’avoir plus que des alternances positives au bornes des électroaimants
-Mise en place d’un rhéostat afin de pouvoir faire varié l’excitation des bobines
-S’ajoute a ceci un transformateur triphasé, pour évité les surcharges sur les premiers tests
-Et pour éviter les éventuelle papillotements d’ampoule un pont de diode en fin de montage.
A l’aide de ce montage nous avons pu alimenter une ampoule 24V/40w avec une faible excitation. En augmentant l’excitation nous avons pu alimenter, deux ampoule en parallèle, une visseuse, et même recharger des téléphones portable.
Production de 60V et de 5A =P=U*I=60*5> Production maximale (un sportif)=300 watts !
3. Conclusion de la deuxième partie du projet: La génératrice triphasée a une productivité largement supérieur à nos attentes ce qui est un avantage. Mais le désavantage qui nous a poussé à cherché une autre génératrice est le fait le montage autour de la génératrice triphasé est trop conséquent vis-à-vis du vélo. Cela ne convenais pas au cahier des charges, qui demandais un minimum de design.
Nous avions désormais notre génératrice mais nous il fallait à présent rentré dans les clous du cahier des charges:
- Pour être parfaitement en harmonie avec le cahier des charge nous étions à la recherche d’une génératrice a courant continu, à aimants permanents, et de petite taille. Après quelques recherches sur la toile, nous étions d’accord sur une chose la génératrice que nous cherchions était hors de notre budget. Heureusement pour nous, en plus d’avoir une génératrice triphasée au laboratoire, l’IUT disposait aussi d’une génératrice a courant continu.
- Celle-ci était étais aussi à électroaimants, et de même taille que la génératrice triphasée, mais celle-ci à l’avantage de nécessiter peu de matériel pour adapter l’énergie produite. Nous avons donc pu supprimer la transformateur (qui était de loin la partie la plus encombrante du montage), et le pont a diode (qui se situait en fin de montage).
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- Il nous restait a voir si cette génératrice avais les même capacité électrique que la précédente, nous avons procédé de la même maniére que la fois précédente. Nous avons commencé par une ampoule, puis tout en jouant sur l’excitation, deux ampoule en parallèle, recharge d’un téléphone portable etc… Le montage étais a présent moins conséquent, la production d’énergie étais la même que pour la génératrice précédente, et adéquate aux objets alimentés, il ne restait plus qu’a finalisé tout cela à l’aide d’un afficheur, qui permettrais de visualisé sa production en temps réel.
- Petite vidéo résultante de nos essaie:
Manque de temps nous n’avons pu élaboré l’interface d’affichage que sur papier que voici
Description de l’interface:
Il s’agirais d’avoir une « boite » de cinq étage, chaque étage comportant deux ampoules de 21 watt, 24 Volts . Donc 41 watts/étage. Elle serais toutes branchées en parallèle, et donc tous les étages demanderais la même tension (48V).
Les étages serais différencier par l’intensité demandé grâce à un comparateur de courant placé a chaque étage. Et ainsi la puissance demandé augmenterais pour chaque étage, et par la même occasion la difficulté de pédalage aussi. Ce qui synthétiserais un frein magnétique au sein même de la génératrice.
Sur la façade avant de l’interface les étages serais transparents pour que seul la lumière produite par les ampoules sois visible à l’étage ou sera affiché la correspondance en watt et un équivalent d’appareils domestique.
Petit aperçu d’un étage de notre afficheur:
Concernant le frein magnétique:
Après une petite étude de celui-ci nous nous sommes rendu compte qu’il aurais fallu faire appelle a l’extérieur (élèves de GMP), et que cela demanderais un certains temps. Tout en sachant que cela aurais largement dépasser notre budget.
Voici dans les grandes lignes ce que nous aurions du faire:
-Trouver un disque en cuivre
-Faire toute une étude pour remplacer la roue par le disque (relève des compétences du GMP)
-Trouver des électroaimants asser puissant pour freiner la roue
-Assembler le tout
Perspectives d’amélioration
- Mettre en place un afficheur numérique avec toutes les facteur a prendre en compte dans cette exercice, pas seulement les production approximative en watt.
- Mettre un vrai frein magnétique avec disque en cuivre. ( voir la partie frein magnétique ci-dessus)
- Prendre un vélo plus adéquat.
- Pour amélioré la productivité de la génératrice, il aurais fallu installé une courroie dimensionné a la taille de la roue et de la génératrice pour améliorer la transmission. L’étude de celle-ci vous est présenter sous un document Excel ci-dessous
Budget
Lot de 10 ampoules 24V P21W pour camion semi remorque – C1684 à 8,65 €
Courroie Plate T2 de longueur 1800mm à 47,95 €
Courroie Plate T2 de longueur 1250mm à 36,77 €
Coût total = 93,37€
Coût total pour le projet revient à moins de 200€ donc le budget à était respecter.
Bilan/Conclusion
Du point de vue organisation le projet s’est très bien déroulé, c’est notre premier projet de groupe autonome et chacun a fait de son mieux pour s’investir et être a l’écoute de l’autre, l’apprentissage de la conduite d’un projet étais un point important afin d’avoir la meilleur cohésion de groupe que possible. Le projet n’a pas encore toucher à sa fin mais l’essentiel du travail à été fait.
Ce projet à laissé libre-cours a notre imagination. Nous avons appris a travailler en groupe et se coordonner. Nous avons élargis nos connaissances dans des domaines tel que l’électrotechnique, et l’électronique. Nous avons fait face a des problèmes techniques qui ont nécessité longue réflexion, et un approfondissement dans certains domaines afin de les résoudre, sans oublier nos professeurs tuteurs qui nous ont été d’une précieuse aide tout au long du projet. En conclusion les projet s’encre bien dans l’étude et la réalisation, il est agréable, et permet d’apprendre par une autre voie d’enseignement.
Résumé des grandes étapes du projet
| GRANDES ÉTAPES DU PROJET | REMARQUES |
| 1) Génératrice manuelle | Faible production, mais a permis de comprendre le fonctionnement d’une génératrice |
| 2) Génératrice triphasée | Production élevé, mais montage trop encombrant. |
| 3) Génératrice continu (actuel) | Production égale à la génératrice triphasée, mais pas de montage encombrant. |
| 4) Génératrice à mettre en place pour amélioration du projet | Génératrice beaucoup plus petite avec les même capacités, qui permetterais d’améliorer le design |
| 6) Frein magnétique | Partie relevant du GMP trop conséquente, et onéreuse. |