Les alternatives à la motorisation Jouef

Dernière mise à jour :
21/02/2009
© P.Béraud 2009

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Introduction
Attention aux variantes de moteur
Comportement à basse vitesse
Quelques exemples de moteurs
Adaptation en fonction de la vitesse de rotation
1. Par réduction de la tension d'alimentation
2. Par modification du rapport de réduction
Conclusion

Après avoir étudié d'une manière générale le comportement des moteurs électriques à courant continu et aimant permanent (page Théorie moteur), puis dressé le portrait typique des moteurs Jouef (page Motorisation Jouef), nous sommes maintenant en mesure de les comparer à la "concurrence".

Lorsque nous sommes face à une ancienne locomotive qui reste "poussive" malgré un bon nettoyage et lubrification des mécanismes, que la transmission est en bon état et que le problème est localisé au moteur, nous avons également vu ce que pouvait apporter le remplacement de l'aimant.
Cette solution a l'avantage d'être particulièrement particulièrement simple (aucune modification mécanique) et peu coûteuse, mais n'est pas universelle et suppose que le moteur est par ailleurs en bon état (collecteur, charbons, paliers, induit non coupé...). Dans certains cas, il est plus raisonnable de le changer.

Alors, lequel prendre en remplacement ?

Introduction

Cette page rassemble quelques exemple de moteurs disponibles dans le commerce, et décode les (souvent rares) données disponibles, afin de comparer les différents produits sur la même base.
Cette liste n'est pas exhaustive et est ouverte à vos suggestions :si vous disposez de fiches techniques de produits potentiellement intéressants, n'hésitez pas à me les communiquer (suivez le lien de contact en pied de page).

Avant de rentrer dans le vif du sujet, lisez bien ces quelques avertissements :

Je n'entretiens aucune relation commerciale avec les constructeurs ou distributeurs, et je m'efforce de fournir ces caractéristiques en toute objectivité. Leur exactitude dépend de celle de mes sources, et en outre l'erreur est humaine. Aussi je décline toute responsabilité quant aux conséquences de l'utilisation de cette page.

Les seuls moteurs que j'ai eu l'occasion de manipuler et de mesurer sont les moteurs Jouef.
Les données relatives aux autres moteurs proviennent des constructeurs ou d'autres sources citées.

Cette page ne traite que des caractéristiques utiles pour évaluer une performance en traction.
Les modélistes s'intéresseront également à d'autres paramètres comme : le silence de fonctionnement ou les vibrations, la régularité à basse vitesse, le prix...
Cette page ne traite pas complètement de tous ces sujets.

Attention aux variantes de moteur

Pour une même carcasse de moteur, les fabricants peuvent décliner plusieurs variantes optimisées pour telle ou telle utilisation.
Généralement, le fabricant définit une version ou quelques variantes standards dans son catalogue, mais il peut également réaliser des séries spéciales (avec un volume de production minimal...) sur les spécifications d'un client.
C'est pourquoi il ne faut pas se fier seulement à la marque et à l'aspect extérieur d'un moteur pour l'identifier. Tous les caractères de la référence comptent...

Généralement, les variantes portent sur le bobinage de l'induit, avec plus ou moins de spires d'un fil plus ou moins gros. A peu de choses près, la carcasse fixe la puissance maximale du moteur, et le bobinage de l'induit permet de varier la tension d'alimentation pour une vitesse donnée (ou la vitesse pour une tension donnée...).

Comportement à basse vitesse

En modélisme ferroviaire, le comportement à basse vitesse (donc faible tension d'alimentation) revêt une importance capitale. En effet, il conditionne la possibilité de réaliser (sans caler !) un ralenti et participe beaucoup au réalisme des manoeuvres.

Les moteurs Jouef (en particulier à 3 pôles) ne sont pas particulièrement réputés sur ce point, bien que j'aie constaté par moi-même une amélioration après changement de l'aimant sur les 5 pôles.

En ce qui concerne les autres motorisations possibles, je n'ai pas d'expérience personnelle à vous livrer, aussi j'en resterai à quelques considérations générales :

Favorisez une faible constante de régulation de vitesse R_V (voir Théorie moteur) : cette constante est une propriété du moteur indépendante de la tension d'alimentation. A basse vitesse, le couple disponible est très faible. Le moindre point dur dans le mécanisme peut faire caler le rotor. Ce calage interviendra d'autant plus rapidement que R_V est élevée (voir figure 1 ci-dessous).
La présence d'un volant d'inertie permet de "gommer" ces points durs, et de régulariser le mouvement à faible allure. En outre, son inertie limite l'effet des aléas de captage de courant, fatals à faible allure. En revanche, il ne change rien aux constantes du moteur expliquées dans Théorie moteur. Son effet ne se fait sentir que lors des variations de vitesse.
La construction du moteur influe beaucoup également sur son comportement à basse vitesse, sans que cela se voie nécessairement dans les constantes. La plupart des petits moteurs sont conçus pour des mécanismes en fonctionnement "tout ou rien" (des exemples : l'ouverture et la fermeture du tiroir de votre lecteur de CD/DVD, commandes de clapets dans l'automobile, etc..) dans lesquels le comportement sous faible tension n'a aucune importance. C'est pourquoi un moteur performant pour une application donnée peut se révéler décevant en modélisme ferroviaire. Je citerai deux points importants :

Le nombre de pôles : Lors de la rotation, le couple fourni par le rotor n'est pas constant mais dépend de sa position relative par rapport au stator. L'irrégularité du couple favorise les calages à basse vitesse. Cette irrégularité est élevée sur les moteurs à 3 pôles (la majorité des petits moteurs) et diminue d'autant plus que le nombre de pôles est élevé. On trouve des moteurs 5 pôles pour le modélisme ferroviaire (les anciens Jouef bien sûr, mais aussi des Mashima). Cela dit, un nombre de pôles élevé ne fait pas tout.
Rotor en hélice : Le rotor est constitué d'un empilement le tôles généralement assemblées "droites". Dans certains moteurs, les tôles sont empilées "en hélice", de telle sorte qu'un pôle quitte le stator quand le pôle suivant l'aborde, sans vide intermédiaire. Cette construction contribue à régulariser le couple et le mouvement à basse vitesse.

Pour résumer, il est difficile de se prononcer sur le ralenti à la seule lumière des caractéristiques.
Si un faible constante R_V, et/ou un grand nombre de pôles (5 ou plus) et/ou un volant d'inertie constituent un bon point de départ, rien ne remplace l'essai.

Figure 1, ci-contre :

Evolution de la droite de charge vitesse-couple d'un moteur, en fonction de la tension d'alimentation.
Toutes les caractéristiques sont parallèles, autrement dit la pente R_V est constante et indépendante de l'alimentation.

A faible vitesse, la caractéristique est très courte et le moteur risque de caler à la moindre irrégularité du couple résistant.
A vitesse identique, un moteur à plus faible pente R_V est plus robuste de ce point de vue (caractéristique plus longue) et donnera de meilleurs ralentis.

Caractéristiques vitesse-couple en fonction de l'alimentation

Quelques exemples de moteurs

Voici rassemblées les caractéristiques de quelques moteurs 12V de tailles comparables aux Jouef.
Les constantes utilisées ici sont celles définies dans la page "Théorie moteur" et déjà exploitées dans "Motorisation Jouef".
Je les ai obtenues par calcul à partir des caractéristiques publiées soit sur le site du fabricant, soit chez le revendeur, soit sur d'autres sites internet (l'origine des données est indiquée dans le tableau).

Caractéristiques sous 12V										Rendement maximal
		*Pmax*	*K_C*	*R_S*	Uo	ωo	Io	*R_V*	Cb	*ρmax*	ωm	Cm	Im
Marque	Modèle	(W)	(mN.m/A)	(Ω)	(V)	(tr/mn)	(mA)	tr/(mn.mN.m)	(mN.m)	(%)	(tr/mn)	(mN.m)	(mA)	Source
Jouef	3 pôles	0,6	3,7	39	1,2	21053	77	20394	1,0	27	14064	0,34	155	Mesures perso Page Motorisation Jouef
	5 pôles	1,0	5,8	25	1,0	15374	78	6072	2,5	36	10951	0,73	192
	5 P + aimant	1,0	6,8	26	1,3	13389	65	4771	2,8	38	9741	0,76	172
Mabuchi	FF-130SH-07750	0,4	24,3	72	1,9	4322	26	1274	3,4	39	3089	0,97	66	Site Conrad
Bühler	1.16.018.031	1,4	8,8	21	1,2	11700	60	2600	4,5	46	8826	1,11	184	Site Bühler
Igarashi	N152025-420-G-3	0,9	11,6	29	1,2	7860	40	1793	4,4	42	5994	1,04	128	Site Igarashi
	N152033-230-G-3	2,8	11,4	12	0,6	9460	50	837	11,3	60	7759	2,03	228	Site Igarashi
	2025-02	1,6	4,4	12	1,5	16800	121	4506	3,7	31	12400	0,98	342	Site Conrad
Mashima	MH-1620D	1,1	4,9	20	1,8	17490	90	7087	2,5	33	12600	0,69	232	Site Hollywood Foundry (*)
	MH-1624D	1,7	5,7	15	1,5	16761	100	4276	3,9	40	12354	1,03	280
	MH-1626D	2,0	7,0	15	1,0	15000	70	2902	5,2	50	11585	1,18	237

(*) Le site de Hollywood Foundry, producteur des bogies motorisés "BullAnt", publie les spécifications d'origine Mashima et d'autres données provenant de l'E.M.G.S. (groupement britannique Eighteen Millimetre Gauge Society)

A ma connaissance, les seuls moteurs 5 pôles du tableau sont le Jouef et les 3 Mashima.

Une fois ce tableau établi, le moyen le plus visuel de comparer ces moteurs, est de superposer sur un même graphique leurs droites de charge Vitesse-Couple.
Le moteur Jouef 5 pôles (en pointillés rouges) sert de référence :

Figure 2 :

Droites de charge Vitesse-Couple
des moteurs étudiés, sous 12V

Droites de charge des différents moteurs

Ces courbes, à elles seules, donnent les principales caractéristiques de chaque moteur :

L'aire sous chaque droite est égale à 2 x la puissance maximale du moteur (P_MAX)
On distingue très bien les moteurs plutôt lents et à couple élevé (droite plutôt horizontale) et les moteurs très rapides et à faible couple (droite plutôt verticale)
On constate deux caractéristiques qui se superposent quasiment : celles du 3 pôles Igarashi 2025-02 (en vente chez Conrad) et du 5 pôles Mashima MH-1624D. Le prix de l'Igarashi est imbattable, mais quid du comportement au ralenti ?

D'emblée, deux moteurs se détachent nettement en queue de peloton :

L'antique Jouef 3 pôles dont le couple fait cruellement défaut (il ne s'agit toutefois pas d'un jugement définitif, car je rappelle que les mesures, présentées dans la page Motorisation Jouef , n'ont porté que sur un exemplaire).
Le Mabuchi, qui certes délivre un couple correct, mais à faible vitesse : il est handicapé par sa puissance, la plus faible du tableau.

Toutefois, la comparaison sous la même alimentation de 12V n'est pas complètement satisfaisante à cause des différences parfois importantes des vitesses de rotation. En roulage, on va faire en sorte que le modèle réduit circule à une certaine allure réaliste, ce qui signifie que l'on devra, d'une manière ou d'une autre, corriger ces différences de vitesse. Il est préférable de comparer ces moteurs après application de cette correction.
Je connais deux manières de réaliser cette correction : modifier la tension d'alimentation, ou modifier le rapport de réduction.

Adaptation en fonction de la vitesse de rotation

Certains moteurs du tableau présentent des performances intéressantes, mais sont plus rapides que le moteur Jouef d'origine. Comment réduire leur vitesse ?

Par réduction de la tension d'alimentation

C'est la méthode la plus simple pour corriger la vitesse excessive d'un moteur, mais qui n'est pas sans inconvénient : elle s'accompagne d'un chute de la puissance P_MAX du moteur, et pour cette raison ne sera intéressante que pour une correction modérée.
Si vous n'apportez aucune modification au circuit d'alimentation interne de la locomotive, vous appliquerez naturellement cette correction en poussant moins loin la commande de vitesse pour obtenir l'allure voulue.

Il est également possible d'obtenir la chute de tension voulue en insérant dans la locomotive plusieurs diodes tête-bêche en série avec le moteur. Il est en revanche déconseillé de placer une résistance en série : en effet, cette résistance additionnelle diminuera effectivement la vitesse, mais s'ajoutera à la résistance interne R_S du moteur et dégradera nettement ses performances par une augmentation significative de la constante de régulation de vitesse R_V.

Quelle que soit la méthode choisie (modération de la commande de vitesse ou diodes en série), on est en mesure de retracer les droites de charge de la figure 2 après correction. Nous avons vu plus haut (figure 1) que la diminution de tension d'alimentation ne faisait que translater les droites de charge Vitesse-Couple.
Il faut égaliser les vitesses dans des conditions de charge vraissemblables (égaliser les vitesse à vide ne présente aucun intérêt). Une mesure de consommation en roulage à plat de ma CC40101 (équipée d'un Jouef 5 pôles avec aimant NdFeB), sous 12V, donne 200mA. D'après les courbes du moteur, cette consommation correspond à un couple résistant sur l'arbre moteur de 1mN.m. Nous prendrons cette valeur de couple comme hypothèse de charge typique.

Nous obtenons une nouvelle famille de graphes (figure 3) qui se croisent pour la plupart au point de fonctionnement 9300 tr/mn sous 1mN.m.

Figure 3 :

Droites de charge Vitesse-Couple
des moteurs étudiés, en réglant la tension d'alimentation de manière à uniformiser (lorsque c'est possible) la vitesse à environ 9000 tr/mn sous une charge de 1mN.m

Droites de charges avec adaptation de la vitesse par la tension

Dans tous les cas, la chute de tension nécessaire reste très modérée (2V maxi) et peut sans problème se répercuter sur la commande de vitesse sans aucune modification du circuit électrique de la locomotive.

On retrouve en queue de peloton les mêmes moteurs qu'auparavant (Jouef 3 pôles et Mabuchi FF-130SH-07750 vendu chez Conrad).
L'Igarashi N152025-420-G-3 est nettement plus lent que les autres et pourrait convenir pour des locos de manoeuvre, sous réserve que son comportement à basse vitesse soit satisfaisant.

Tous les autres présentent après correction une vitesse conforme au Jouef d'origine, mais diffèrent par leur constante de régulation de vitesse R_V que l'on souhaite faible :

A la traîne, on trouve 3 moteurs 5 pôles :

le Mashima MH-1620D, un peu moins performant que le Jouef 5 pôles, mais extrêmement compact et équipable d'un petit volant d'inertie. Même équipé d'un volant d'inertie, il reste dans le gabarit du Jouef.
Il est suivi d'assez près par le Jouef standard 5 pôles,
Puis un peu plus loin par le même équipé d'un aimant NdFeB

On trouve ensuite 2 moteurs aux caractéristiques quasiment superposées :

L'Igarashi 2025-02 (3 pôles) vendu par Conrad. Si son comportement au ralenti est satisfaisant, il peut constituer un excellente affaire tant son prix est faible... mais c'est un point à vérifier.
Le Mashima MH-1624D (5 pôles). Nettement plus coûteux que l'Igarashi, mais probablement plus satisfaisant au ralenti.... à vérifier.

Se détachant plus nettement, 2 autres moteurs aux caractéristiques là encore quasiment superposées :

Le Mashima MH-1626D (5 pôles). Un peu moins coûteux que le Bühler à puissance équivalente, utilisé en modélisme ferroviaire, compatible avec le gabarit du Jouef, équipable d'un volant d'inertie, il constitue sur le papier un des meilleurs choix de cette sélection. Je n'en dirai pas plus faute de l'avoir personnellement testé, mais si l'occasion se présentait, c'est probablement celui que j'essayerais en premier.
Le Bühler 1.16.018.031 (3 pôles). A la lecture des forums, cette marque a indiscutablement la cote auprès des modélistes. Ce moteur compact et performant sur le papier est comme le Mashima compatible avec le gabarit du Jouef et équipable d'un volant d'inertie. C'est probablement une autre valeur sûre... mais je ne l'ai jamais eu en main.

Enfin, un moteur 3 pôles dont le couple dépasse très largement tous les autres : L'Igarashi N152033-230-G-3. Son fort couple (peut-être trop fort pour les transmissions Jouef ?) en ferait un excellent choix si le ralenti est satisfaisant : un essai s'impose. Mais encore faudrait-il pouvoir mettre la main dessus, car comme son cousin le N152025-420-G-3, il figure sur le site de Igarashi japon, mais je ne l'ai jamais vu sur les sites internet des détaillants.

Par modification du rapport de réduction

La modification du rapport de réduction entre l'arbre moteur et les roues d'un modèle constitue la meilleure solution qui soit pour s'adapter à la vitesse du moteur. C'est l'approche à adopter lorqu'on crée un modèle ex nihilo, mais certainement pas la plus simple lorsque l'on part d'une base existante. Autrement dit, elle n'est pas à la portée de tout le monde.
De plus, la gamme de moteurs étudiée ne le justifie pas vraiment, car nous avons vu ci-dessus que l'adaptation de vitesse peut s'obtenir par une diminution très modérée de la tension d'alimentation.

Examinons tout-de-même comment sont modifiées les caractéristiques du moteur ; l'ensemble moteur + réducteur est assimilable à un nouveau moteur aux caractéristiques modifiées :
Supposons que le moteur soit suivi d'un réducteur de rapport k. Pour simplifier, on néglige la déperdition de puissance dans le réducteur.

La vitesse à tous les régimes est bien évidemment divisée par k
Le couple est lui multiplié par k, tout comme la constante de couple K_C
La constante de régulation de vitesse RV est divisée par k²
La puissance P_MAX, ainsi que R_S, U₀, I₀, et le rendement ρ sont inchangés

L'impact sur les droites de charge diffère de l'adaptation par la tension : Ce n'est plus une simple translation, car une diminution de vitesse s'accompagne d'une augmentation du couple de blocage, et d'une caractéristique plus horizontale (figure 4).
Comme précédemment, on équilibre les vitesse pour un couple de 1mN.m.

Figure 4 :

Droites de charge Vitesse-Couple
des moteurs étudiés, en modifiant le rapport de réduction de manière à uniformiser (lorsque c'est possible) la vitesse à environ 9000 tr/mn sous une charge de 1mN.m

Droites de charges avec adaptation de la vitesse par le rapport de réduction

Cette nouvelle famille de graphes ne bouleverse pas le classement précédent, tout en y apportant quelques nuances :

Aucun changement en queue de peloton, on y trouve les 3 mêmes moteurs (Jouef 3 pôles, Mabuchi FF-130SH-07750 et Igarashi N152025-420-G-3)
Il est suivi par le même triplet qu'auparavant, mais dans un ordre différent : Jouef 5 pôles standard, puis réaimanté, puis le MH-1620D

Ensuite , les cartes sont un peu remaniées :

Le bûhler 3 pôles 1.16.018.031
Puis, toujours quasiment indissociables, Igarashi 2025-02 (3 pôles) et le Mashima MH-1624D (5 pôles)
Plus loin, le Mashima MH-1626D (5 pôles) déjà dinstingué dans le classement précédent, donne ici le meilleur de lui-même.
Enfin, l'Igarashi N152033-230-G-3 surclasse tous les autres comme précédemment (et toujours avec les mêmes interrogations sur la régularité au ralenti).

Conclusion

Les candidats au remplacement des moteurs Jouef d'origine ne manquent pas.
La tentative de classement qui précède ne porte que sur les performances en traction et mériterait d'être consolidée par des essais visant le fonctionnement en conditions réelles et faible vitesse. Cette réserve concerne principalement la gamme Igarashi, à 3 pôle (en outre, les Igarashi sont légèrement plus volumineux que les Jouef).

Compte tenu de cette réserve, et en se bornant aux solutions éprouvées et déjà mises en oeuvre en modélisme ferroviaire, on peut conseiller les références suivantes :

Mashima MH-1620D (5 pôles) : Sensiblement équivalent à un Jouef 5 pôles en bonne santé ou remagnétisé. D'une grande compacité, il permet même l'ajoût d'un petit volant d'inertie tout en restant dans le gabarit du Jouef. C'est son principal avantage. Si la place ne manque pas, mieux vaut se tourner vers les autres références plus performantes.
Le Mashima MH-1624D (5 pôles), un cran au-dessus de son petit frère
Le Bühler 1.16.018.031 (3 pôles), marque réputée chez les modélistes
Enfin, le Mashima MH-1626D (5 pôles), au moins du même niveau que le Bühler

Voilà pour le classement basé sur les chiffres et les documentations techniques.
Maintenant, n'hésitez pas à me faire part de vos expériences "pratiques". Je me ferai un plaisir de publier les témoignages pertinents.

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