Brevet FR2718396A1 — publié le 19951013

L'invention concerne un agencement de circuit pour le fonctionnement d'au moins un moteur électrique alimenté par batterie. Elle concerne plus précisément un tel agencement équipant un chariot de manutention présentant au moins un condensateur et au moins un commutateur à semiconducteurs cadencé qui sont disposés sur un élément porteur en forme de plaque et peuvent être connectés électriquement à une partie de commande. On sait commander par impulsions des moteurs électriques destinés à l'entraînement et au système de levage de chariots de manutention alimentés par batterie. En cas d'utilisation de thyristors, la fréquence de commande est relativement faible. En cas d'utilisation de commutateurs de puissance électroniques, par exemple de transistors à effet de champ (FET), de transistors à effet de champ MOS (MOS-FET), ou de transistors bipolaire à grille isolée (IGBT), etc., préférence est donnée à des fréquences de commande plus élevées, se situant dans la plage de 7 à 16 kHz. La partie de puissance d'un agencement de circuit destiné au fonctionnement d'un moteur électrique comporte par exemple des commutateurs de puissance électroniques, des diodes de roue libre, des condensateurs et des dissipateurs de chaleur. La structure des parties de puissance connues comprenant par exemple une technique de connexion externe conduit à des inductances de fuite considérables et donc, le cas échéant, à des surtensions élevées et à des pointes de tension périodiques. Ces phénomènes obligent à concevoir en conséquence les commutateurs à semiconducteurs. Pour assurer la protection contre les influences d'inductances de fuite extérieures, c'est-à-dire entre la batterie et la partie de puissance, il est fait appel à des condensateurs puissants qui sont habituellement réalisés sous la forme de condensateurs électrolytiques. Les pointes de tension évoquées n'influent pas uniquement sur les commutateurs de puissance à semiconducteurs, elles peuvent également exercer une influence défavorable sur le fonctionnement de la partie de commande, laquelle est également réalisée de façon électronique. Enfin, les pointes de tension peuvent également perturber l'environnement, par exemple par le biais de parasites, de perturbations du réseau téléphonique, de parasites d'autres appareils électroniques. L'objectif de l'invention consiste à réaliser un agencement de circuit pour le fonctionnement d'au moins un moteur électrique alimenté par batterie et équipant un chariot de manutention, réalisé de façon compacte et qui réduit la contrainte ou la charge, par pointes de tension, de commutateurs à semiconducteurs alimentés en fréquences élevées. Pour atteindre ce résultat, on prévoit, selon l'invention, qu'au moins un condensateur et un module de commutateur à semiconducteurs sont disposés sur un élément porteur commun qui, selon une modalité préférée de l'invention, peut être composé d'un dissipateur de chaleur. Les commutateurs à semiconducteurs du type utilisé sont généralement réalisés en modules qui contiennent par exemple une rangée de pastilles. L'utilisation du concept de module ne doit cependant pas être considéré de façon restrictive. Il s'agit seulement de prévoir des commutateurs à semiconducteurs avec une surface de montage électriquement isolée. Selon l'invention au-dessus de ces composants électriques et les recouvrant au moins partiellement, sont disposées deux plaques en matériau électriquement conducteur, faiblement écartées l'une de l'autre, et entre lesquelles se trouve une mince couche isolante, une plaque pouvant être connectée à la borne moins et l'autre à la borne plus de la batterie, et les bornes des composants électriques sont connectées respectivement à une plaque par un raccordement dirigé vers l'agencement de plaques, la plaque inférieure et la couche isolante présentant des traversées pour le passage des raccordements vers la plaque supérieure. Il est possible d'envisager des utilisations pour lesquelles un seul condensateur électrolytique suffit. Habituellement, une multiplicité de condensateurs électrolytiques est cependant nécessaire. Ceux-ci forment alors une batterie de condensateurs. Au-dessus des composants électriques mentionnés, l'invention prévoit un agencement de plaques composé de deux plaques parallèles recouvrant les composants et entre lesquelles se trouve une couche isolante. Il est certes envisageable de maintenir les plaques écartées l'une de l'autre par des pièces d'écartement isolantes, l'isolant séparateur étant constitué par l'air. Il convient cependant de préférer une configuration de l'invention selon laquelle une feuille isolante est disposée entre les plaques. L'écart entre les plaques est par conséquent extrêmement faible, égal par exemple à 0,1 mm. En présence de tensions de service admises de 24 volts par exemple, cet isolement est toutefois largement suffisant. Chacun des composants mentionnés possède au moins un raccordement qui est connecté, par le biais des plaques, à un potentiel positif ou négatif. Etant donné que les plaques peuvent être connectées à au moins un raccordement de la batterie de véhicule, les pôles ou raccordements des composants électriques sont conduits à l'agencement de plaques et connectés en conséquence aux deux plaques. Dans ce but, la plaque tournée vers les composants, ou plaque inférieure, présente des traversées, de même que la couche isolante, pour le passage des raccordements vers la plaque externe ou plaque supérieure. L'utilisation de vis permet simultanément de prévoir une fixation mécanique de la plaque sur les composants ou inversement. Les plaques mentionnées forment des collecteurs d'alimentation en courant pour les composants électriques et assurent simultanément, par leur agencement, la compensation de champs magnétiques ainsi qu'un couplage réduit du rayonnement électromagnétique dans des éléments voisins. Si, par exemple, la plaque extérieure est raccordée au pôle moins, elle forme un blindage efficace vis-à-vis des ondes électromagnétiques produites au-dessous de l'agencement de plaques et qui ne peuvent donc pas atteindre l'extérieur. L'agencement de plaques permet également que les raccordements aux composants électriques demeurent extrêmement courts, ce qui réduit considérablement les inductances de fuite. L'inductance formée par l'agencement des plaques lui-même est extrêmement faible du fait de la surface efficace très faible. L'inductance de fuite réduite conduit naturellement à des surtensions nettement réduites chargeant les commutateurs à semiconducteurs. Les commutateurs à semiconducteurs peuvent par conséquent être exploités jusqu'à leur limite de puissance ou bien ils peuvent être conçus avec une puissance moindre. En outre, l'agencement décrit permet une construction extrêmement compacte, ce qui est très intéressant pour une utilisation sur des chariots de manutention. Ainsi que cela a été évoqué, il faut normalement disposer plusieurs condensateurs électrolytiques sur l'élément porteur. Selon l'invention, on dispose donc au moins une rangée de condensateurs électrolytiques sur l'élément porteur, laquelle rangée est disposée en parallèle avec une rangée de modules à semi-conducteurs. Une autre modalité prévoit que les raccordements de la batterie aux plaques sont situés aux extrémités opposées de la rangée de condensateurs. Cela signifie que par exemple le raccordement positif d'un condensateur est très proche du raccordement de batterie tandis que le raccordement négatif, disposé de façon diagonalement opposée, est relativement éloigné et inversement. On obtient de cette façon une répartition de courant symétrique qui exerce à titre supplémentaire un effet favorable sur les objectifs poursuivis. Les véhicules transporteurs électriques présentent souvent deux moteurs électriques, à savoir pour le déplacement et pour le système de levage. Selon une modalité de l'invention, les condensateurs et les modules à semiconducteurs destinés aux deux moteurs électriques sont disposés ensemble sur l'élément porteur, et sont raccordés à l'agencement des plaques, tous les condensateurs étant montés en parallèle. Cela permet d'utiliser les condensateurs au choix pour le levage ou pour le déplacement. Normalement, aucun mouvement de levage ou d'abaissement n'est effectué pendant le déplacement et aucun déplacement n'est effectué pendant le levage. Cela permet de réduire la capacité totale qui serait nécessaire pour des parties de puissance séparées. Les modules à semiconducteurs destinés aux deux parties de puissance sont disposés de préférence par groupes sur l'élément porteur. La hauteur des bornes sur les condensateurs, lesquelles sont disposées à l'extrémité supérieure de ces derniers, doit être différenciée en raison de la hauteur différente des deux plaques de l'agencement de plaques. Etant donné que le motif de trous dans l'agencement de plaques doit être réalisé selon le motif d'agencement prévu des condensateurs ou de leurs bornes, la réalisation selon l'invention assure en même temps ce qu'on appelle une protection contre l'inversion des pôles. Par exemple, s'il est impossible, du fait d'une disposition erronée des condensateurs, de réaliser la connexion nécessaire avec les plaques, il convient de procéder à une vérification correspondante. Une modalité de l'invention prévoit, dans la plaque supérieure de l'agencement de plaques, la formation d'une élévation de grande surface destinée à recevoir la plaque inférieure. La plaque supérieure peut alors être fixée, au niveau du bord, sur les modules ou les condensateurs avec des vis ou éléments similaires, de façon appropriée. La structure de la partie de puissance conforme à l'invention permet, selon une modalité de l'invention, d'installer sur la plaque extérieure une platine contenant la partie de commande. Le blindage décrit exclut largement que les ondes électromagnétiques émises par la partie de puissance agissent sur des composants de la partie de commande. Cela réduit la compacité de l'ensemble de l'agencement de circuit électrique ou électronique destiné au fonctionnement du moteur. La plupart du temps, la commande ou la régulation du moteur électrique exige une mesure du courant, par exemple du courant d'induit. Selon une modalité de l'invention, un capteur de courant, avantageusement sans contact est disposé sur la platine. La sortie de puissance est conduite à la borne de raccordement de moteur à travers le capteur, par exemple un capteur de courant de forme annulaire sur le côté inférieur de la platine par l'intermédiaire d'un prolongement du raccordement de moteur connecté aux modules à semi-conducteur. Le capteur de courant de forme annulaire peut être constitué par exemple d'un composant à effet Hall. La détection de courant s'effectue ainsi sans contact. Le capteur de courant n'exige aucun effort d'entretien séparé ni aucune interface supplémentaire. Ainsi que cela a été évoqué, l'agencement de circuit selon l'invention est réalisé de façon compacte et réduit au total les inductances de fuite existantes. Il permet l'assemblage de la partie de commande et de la partie de puissance pour deux moteurs électriques ou davantage aussi si cela est nécessaire. La conception de la partie de puissance, c'est-àdire le nombre de modules et de condensateurs électrolytiques, peut également être modifiée librement sans modifier aucunement la structure de base. L'invention est décrite ci-dessous de façon plus détaillée à l'aide des dessins. La figure 1 montre, en perspective, la partie de puissance d'un agencement de circuit selon l'invention. La figure 2 montre la même partie de puissance que la figure 1, mais avec les vis de bornes enlevées. La figure 3 montre une partie de puissance similaire à la figure 2, mais pour une alimentation en courant triphasé. La figure 4 est une coupe à travers la partie de puissance présentée dans les figures 1 à 3. La figure 5 montre l'agencement d'une platine destinée à une partie de commande sur la partie de puissance selon la figure 1. La figure 6 présente, de façon schématique, l'agencement de la partie de puissance avec la partie de commande selon la figure 5. La figure 7 est une vue avant de l'agencement selon la figure 6. Une partie de puissance 10 indiquée sur la figure 1, par exemple pour le fonctionnement d'un moteur électrique de déplacement et d'un moteur électrique destiné au système de levage d'un chariot de manutention, présente un dissipateur de chaleur 12 du type à plaques, dont la face supérieure est étagée. Dans la partie la plus basse de cette face supérieure sont disposées deux rangées de condensateurs (batterie de condensateurs), par exemple des condensateurs électrolytiques, parmi lesquels on distingue un condensateur cylindrique en 14 ou en 16. Sur le dissipateur de chaleur 12 est disposée, de façon légèrement surélevée et à peu près au milieu, une rangée de huit modules 18 constituant des commutateurs à semiconducteurs. On peut prévoir tous les types de commutateurs à semiconducteurs envisageables, par exemple des MOSFET, des FET, des IGBT, des transistors à induction statique (SIT) ou autres. Ils sont appropriés pour fonctionner avec une fréquence relativement élevée, comprise par exemple entre 7 et 16 kHz. Au-dessus de l'agencement décrit de composants de circuit, il est prévu un agencement de plaques 20, composé d'une plaque supérieure 22 qui s'étend au-dessus de la batterie de condensateurs et partiellement au-dessus des modules 18. Sous la plaque 22 s'étend une autre plaque 24 dont la figure 1 ne présente qu'une partie. Les plaques 22, 24 ont par exemple une épaisseur de 1 mm. La plaque 22 est au demeurant logée dans une élévation 24a qui est formée par pliage de la plaque supérieure 22 dans les zones marginales. Avec un point de borne 26, la plaque supérieure 22 forme un raccordement négatif. Avec un point de borne 28, la plaque inférieure 24 forme le raccordement positif. Les points de borne 26, 28 sont reliés fermement à une pièce en matière plastique qui loge en même temps les différents condensateurs de la batterie de condensateurs et qui est en outre munie de deux saillants sur lesquelles les plaques 22, 24 sont fixées à l'aide de vis. La pièce en matière plastique est fixée sur le dissipateur de chaleur au moyen de tenons de pression. Les condensateurs 14, 16 sont raccordés de façon électriquement conductrice aux plaques supérieure et inférieure 22, 24 à l'aide de vis de contact 30 ou 32. Les modules 18 sont également raccordés aux plaques 22, 24 au moyen de vis de contact 34 ou 36. La structure fondamentale, de type sandwich, des plaques est visible sur la figure 4. On voit qu'une feuille 38, réalisée en matériau électriquement isolant, est disposée entre les plaques 22, 24. Les plaques peuvent être réalisées en une tôle métallique conductrice relativement mince, par exemple en aluminium ou en cuivre. La feuille 38 est relativement mince, épaisse de 0,1 mm par exemple. Des lignes d'alimentation 40, 42 présentées sur la figure 2 conduisent aux bornes de la batterie. Les condensateurs selon la figure 1 sont simplement suggérés par un symbole sur la figure 4. On voit que les raccordements positif et négatif sont situés sur une plaque 22, 24 respectivement, c'est-à-dire que la plaque 22 connectée au pôle moins de la batterie est celle qui est sous le côté supérieur. Il en va de même pour un module 18 représenté de façon symbolique. Comme on peut le voir, les bornes des condensateurs et des modules doivent être connectés à chaque fois aux deux plaques 22, 24. Pour qu'une connexion puisse être réalisée avec la plaque supérieure 22, la plaque inférieure 24 ainsi que la feuille 38 doivent présenter un motif de trous correspondant pour permettre le passage, sans contact, des raccordements. La figure 3 montre que la plaque supérieure 22 présente également des trous agrandis, comme cela est représenté au niveau de 39 ou 40, pour la connexion des raccordements avec la plaque inférieure 24 à l'aide de vis 32 ou 36. Pour la connexion des raccordements avec la plaque supérieure 22, il suffit au contraire de trous 42 ou 44 relativement petits qui reçoivent les vis appropriées 30 ou 34. Ainsi que l'indiquent les figures 1 et 2, des barres 46, 48, en forme de plaque, sont montées sur les modules à l'aide de vis 50, 52, les barres 46 recouvrant cinq modules et la barre 48 recouvrant trois modules. Les cinq modules, auxquels est raccrochée la barre 46, appartiennent par exemple à la partie de puissance destinée au fonctionnement d'un moteur de déplacement tandis que la barre 48 recouvre les modules destinés à la partie de puissance d'un moteur de levage. Les barres 46, 48 portent des prolongements 53, 54 qui conduisent à des bornes de raccordement 56, 58, qui sont raccordées mécaniquement, mais isolées électriquement, au dissipateur de chaleur 12. Les prolongements 52, 54 peuvent également être réalisés de façon souple. Les bornes de raccordement sont par exemple raccordées au moteur de déplacement ou au moteur de levage. La partie de puissance selon la figure 3 se distingue de celle de la figure 2 en ce que, avec les modules, dont neuf sont prévus au total, trois barres 60, 62 et 64, en forme de plaque, sont raccordés au côté supérieur des modules de la façon décrite plus haut et présentent des prolongements 66, 68, 70 qui conduisent à trois bornes 72, 74, 76. Le module présenté est destiné à un moteur à courant triphasé alimenté par batterie. Les autres parties sont similaires à celles selon la figure 2. La figure 5 représente en perspective une platine de commutation 80 sur laquelle est logée la totalité des composantes et pièces servant à commander par exemple des pièces de puissance selon les figures 1 à 4. Par exemple, un moteur électrique est piloté par le biais de ce qu'on appelle un demi-pont, et fonctionne au choix comme élément de relèvement ou comme élément d'abaissement en fonction des conditions de courant existantes. Ces différentes parties ne sont pas décrites de façon détaillée. Sur les côtés opposés de la platine 80, on distingue des tôles de support 82, 84 destinées à réaliser une fixation appropriée, on distingue des interfaces de commande 86 ainsi que deux capteurs de courant de forme annulaire 88, 90. La figure 6 représente la platine de commande 80 vue en coupe, telle qu'elle est installée sur une partie de puissance, par exemple sur celle de la figure 1. On distingue également la disposition des condensateurs 14 et des modules à semiconducteurs 18 sur le dissipateur de chaleur 12. On distingue en outre la façon dont le prolongement 54 de la barre 46 traverse le capteur 90 de forme annulaire. La connexion des différents composants électriques ou électroniques de la platine de commande 80 avec les modules à semiconducteurs 18 n'est pas représentée, pas plus que la fixation mécanique de la platine 80. Indiquons également que la plaque négative 22 peut également recouvrir, de façon isolée, le ou les rails d'induit. l Revendications 1. Agencement de circuit pour le fonctionnement d'au moins un moteur électrique alimenté par batterie et équipant un chariot de manutention, présentant au moins un condensateur (14, 16) et au moins un commutateur (18) à semiconducteurs cadencé qui sont disposés sur un élément porteur (12) en forme de plaque et peuvent être connectés électriquement à une partie de commande, caractérisé en ce que au moins un condensateur (14, 16) et un module de commutation à semiconducteurs (18) sont disposés sur un élément porteur (12) commun et en ce que, au- dessus de ces composants électriques et les recouvrant au moins partiellement, sont disposées deux plaques (22, 24) en matériau électriquement conducteur, faiblement écartées l'une de l'autre, et entre lesquelles se trouve une mince couche isolante, une plaque (22) pouvant être connectée à la borne moins et l'autre à la borne plus de la batterie, et en ce que les bornes des composants électriques sont connectées respectivement à une plaque (22, 24) par un raccordement dirigé vers l'agencement de plaques, la plaque inférieure (24) et la couche isolante (38) présentant des traversées pour le passage des raccordements vers la plaque supérieure (22). 2. Agencement de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une rangée de condensateurs (14, 16) est disposée sur l'élément porteur (12) et en ce que plusieurs modules à semiconducteurs (18) sont disposés en une rangée parallèle à la rangée de condensateurs. 3. Agencement de circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que les raccordements de batterie (26, 28) sur les plaques (22, 24) sont situés aux extrémités opposées de la rangée de condensateurs. 4. Agencement de circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le raccordement de moteur est également réalisé en forme de plaque (46, 48) qui s'étend au-dessus de modules (18). 5. Agencement de circuit selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, dans le cas de deux moteurs électriques équipant un chariot de manutention, les condensateurs (14, 16) et les modules à semiconducteurs (18) correspondants sont placés ensemble sur l'élément porteur (12) et sont raccordés à l'agencement de plaques (20), tous les condensateurs (14, 18) étant montés en parallèle. 6. Agencement de circuit selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les deux raccordements de moteur sont réalisés sous la forme de barres en forme de plaque (46, 48). 7. Agencement de circuit selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une feuille isolante (38) est disposée entre les plaques (22, 24) en matériau conducteur de l'électricité. 8. Agencement de circuit selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, dans la plaque supérieure (22) de l'agencement de plaques (20), il est formé une élévation (24a) de grande surface qui reçoit la plaque inférieure (24). 9. Agencement de circuit selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la plaque (22) connectée au pôle moins de la batterie est disposée sur le côté supérieur. 10. Agencement de circuit selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une platine (80) contenant la partie de commande est disposée sur la plaque extérieure ou supérieure (22). 11. Agencement de circuit selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'un capteur de courant (88, 90), de préférence de forme annulaire, est disposé sur le côté de la platine (80) qui est tourné vers la partie de puissance et en ce qu'un prolongement (53, 54) du raccordement de moteur (46, 48) connecté aux modules à semiconducteurs (18) traverse le capteur de courant (88, 90) pour rejoindre une borne de raccordement (58, 56). 12. Agencement de circuit selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'élément porteur (12) est réalisé sous la forme d'un dissipateur de chaleur.5