Brevet FR2778612A1 — publié le 19991119

PROCEDE D'ALIMENTATION ELECTRIQUE DES MOTEURS DES ESSIEUX AVANT ET ARRIERE D'UN MEME VEHICULE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne la traction électrique de véhicules automoteurs à roues, tels que les véhicules routiers et ferroviaires. Elle concerne, en particulier, la traction des rames automotrices ferroviaires entraînées par des moteurs électriques et devant emprunter des voies dotées de virages prononcés, c'est-à-dire dont les rayons de courbure sont relativement faibles. Liste des figures Plusieurs figures accompagnent ce présent document de brevet. La figure 1 représente, en coupe, un premier système d'entraînement des véhicules à traction électrique, selon l'art antérieur. La figure 2 représente, en coupe, un deuxième système d'entraînement des véhicules à traction électrique, selon l'art antérieur. La figure 3 représente un premier schéma d'alimentation d'un système d'entraînement décrit par la figure 2. La figure 4 représente un deuxième schéma d'alimentation d'un système d'entraînement décrit par la figure 2. La figure 5 montre le positionnement automatique sur ces rails d'un essieu solidaire; La figure 6 montre un schéma d'alimentation de deux essieux, selon l'invention. La figure 7 montre, en coupe, un système d'entraînement d'un véhicule équipé d'un double moteur utilisé dans le procédé selon I'invention. Art antérieur et problème posé La plupart des véhicules terrestres automoteurs à roues comportent un ou plusieurs moteurs, actionnant, par l'intermédiaire d'un réducteur et d'un différentiel mécanique, au moins deux roues motrices situées de part et d'autre du véhicule. La présence du système différentiel est rendue nécessaire par la différence de vitesse de rotation qui apparaît dans les virages entre les deux roues motrices. Cette différence est importante pour les véhicules routiers, notamment lors des virages serrés et pour les manoeuvres. Le système différentiel permet alors, malgré la différence de vitesse de rotation des deux roues motrices, de transmettre à chacune de ces roues motrices un couple identique et d'assurer, de ce fait, un effort de propulsion identique sur chaque roue, chacune de ces deux roues tournant à sa propre vitesse linéaire de roulement sur le sol. Les différents systèmes différentiels existants sont, pour la plupart, mécaniques. Ils sont composés généralement d'un système à d'engrenages à renvoi d'angle, utilisant au moins une paire de pignons satellites entre deux roues dentées solidaires chacune d'un arbre d'entraînement de roue. En effet, si les deux roues motrices tournent tout le temps à la même vitesse, dans les virages, la roue intérieure tourne bien évidemment à la même vitesse que la roue extérieure, alors qu'elle a un chemin moins important à parcourir pendant ce virage. Il s'ensuit un comportement sous-vireur du véhicule, c'est-à-dire que ce dernier a tendance à ne pas vouloir tourner et à aller tout droit. La figure 1 montre un premier type de voiture automotrice faisant partie d'une rame de transport public urbain existant à ce jour. En effet, cette voiture est représentée à côté d'un quai 1, sa cabine 2 surmontant le plancher 3 étant placée au-dessus d'un bloc réunissant le moteur 4 et son réducteur et/ou son différentiel 5 entraînant les deux roues motrices 6G et 6D placées sur des rails 7. Dans ce type de voiture, le plancher est plat et à hauteur du quai 1. Il est placé totalement au-dessus de l'essieu regroupant le moteur 4, le réducteur et/ou le différentiel 5 et les roues 6G et 6D. Cette conception de voiture nécessite des quais d'une hauteur relativement importante, donc coûteux. De plus, la voiture ne possède, en général, qu'un seul étage et est déjà d'une hauteur relativement importante. En référence à la figure 2, on a essayé de concevoir un autre type de voiture dont le plancher 13 des cabines 12 se trouve plus bas, puisqu'il est placé entre les deux roues 16G et 16D. Cette structure est très différente et permet que le plancher 13 soit à la hauteur d'un trottoir classique de rue. Dans ce cas, I'entraînement des deux roues 16G et 16D se fait de manière indépendante, puisque celles-ci ne peuvent plus être directement couplées mécaniquement. En d'autres termes, chacune de ces roues 16G et 16D possède son moteur et ces deux ensembles moteur- roue sont indépendants l'un de l'autre. Dans ces conditions, pour un même essieu moteur, afin d'assurer un effort identique sur chaque roue par un seul moteur et un différentiel, il est impératif de piloter les deux ensembles moteur-roue avec des alimentations pilotées de façon convenable. Or, en général, chaque bogie est équipé de quatre roues, ce qui nécessite quatre groupes moteur-roue et quatre alimentations différentes. Cette multiplication des moteurs et de leurs alimentations respectives est une source de complexité, d'autant que pour les véhicules guidés sur rails, tels que les rames de métropolitains ou de tramways, les usinages des roues nécessaires pour limiter les effets de "plats" dus à l'usure, sont de diamètres différents et que, de plus, la différence parcourue par roue varie avec le rayon de courbure de la voie ferrée. La figure 3 illustre un exemple d'alimentation d'un essieu équipé de deux, voire quatre, ensembles moteur-roue. Ici, deux ensembles moteur- roue sont représentés, à savoir, un premier ensemble de gauche comportant un moteur 24G entraînant une roue 26G et un moteur de droite 24B entraînant une roue droite 26B. Ces deux ensembles sont alimentés par une seule unité centrale 28 recevant les signaux issus de capteurs 27. Ces derniers sont essentiellement des capteurs de rotation placés sur les arbres de sortie des moteurs 24G et 24D ou des instruments de mesure fournissant des données concernant l'odométrie, l'accélération et/ou la commande de vitesse. L'unité centrale 28 commande deux convertisseurs 29G et 29D alimentant eux-mêmes chacun un ensemble moteur- roue. L'alimentation en électricité se fait à partir d'une source d'alimentation 30 qui peut être soit une batterie, soit des caténaires. Dans cette solution d'alimentation, il est nécessaire de réaliser le pilotage intégral des roues et, en particulier, le pilotage du différentiel de vitesse en virage, compte tenu du comportement cinétique angulaire des roues de diamètres légèrement différents, de l'exigence de non-blocage des roues et de non-patinage, lors des accélérations ou des décélérations. Dans le cas du montage représenté par la figure 3, l'alimentation des deux moteurs se fait en parallèle afin de simplifier le dispositif d'alimentation. La conséquence mécanique de ce type de montage est que l'on crée un véhicule dont le comportement est du type sous-vireur. En effet, la roue située à l'extérieur du virage voit le glissement du moteur asynchrone diminuer, ce qui diminue le couple moteur et, en conséquence, l'effort de traction. Par contre, pour la roue située à l'intérieur du virage, le glissement du moteur asynchrone augmente, ce qui accroit le couple moteur et l'effort de traction. Ce type de véhicule, dit sous-vireur, tend à poursuivre son trajet en ligne droite et à refuser de prendre le virage. Dans le cas d'un véhicule ferroviaire, il a tendance à s'appuyer sur le flanc du rail extérieur au virage. Au contraire, le système d'alimentation représenté à la figure 4 possède des propriétés différentes. Dans ce système, on utilise toujours une unité centrale de commande 38 pilotée par des capteurs 37 et commandant un convertisseur unique 39. Ce dernier, alimenté en énergie électrique par une batterie, ou des caténaires 40, alimente en courant un premier moteur, par exemple le moteur gauche 34G entrainant la roue gauche 36G. Par contre, le moteur de droite 34D est monté électriquement en série, avec le moteur de gauche 34G. On remarque que, pour ce type de système, les propriétés intrinsèques des moteurs asynchrones classiques ou discordes sont optimisées puisqu'on utilise un seul convertisseur 39 alimentant en série les deux moteurs 34G et 34D. Ce dispositif d'alimentation fait que le véhicule sur lequel il est équipé a un comportement du type sur-vireur. En effet, la roue située à l'extérieur du virage voit le glissement du moteur asynchrone diminuer, ce qui augmente l'impédance de ce moteur, la tension électrique qui lui est appliquée, le couple moteur et l'effort de traction qu'il produit. Pour la roue située à l'intérieur du virage, le glissement du moteur asynchrone augmente, ce qui diminue son impédance, la tension qui lui est appliquée, le couple moteur et l'effort de traction qu'il produit. Ce type de véhicule sur-vireur tente à tourner plus vite que le virage, luttant ainsi contre la force centrifuge dans le cas des véhicules ferroviaires, ces derniers ont tendance à s'appuyer sur le flanc du rail intérieur au virage. Ce mode d'alimentation effectue une compensation excessive par rapport au différentiel classique, mais le sens de cette compensation excessive systématique, robuste et fiable est tel que le véhicule est beaucoup mieux entraîné que dans la solution d'alimentation en parallèle des moteurs, représentée par la figure 3. Ceci est particulièrement vrai en ce qui concerne le patinage et le blocage. Dans cette solution représentée par la figure 4, on utilise le fait qu'une variation de glissement du moteur asynchrone modifie son impédance, dans un virage. L'un des moteurs accélère alors que l'autre ralenti, I'un augmentant son impédance et la tension à ses bornes, alors que l'autre diminuant son impédance et la tension à ses bornes. On envisage également d'alimenter les moteurs en étoile ou en triangle, une combinaison des deux étant elle-même envisageable. Le but de l'invention est d'éviter les inconvénients mentionnés ci- dessus et de fournir, pour les véhicules ferroviaires ou routiers, un système d'entraînement par traction électrique des essieux avant et arrière d'un bogie ou d'un véhicule, pour maîtriser le caractère sur-vireur ou sous-vireur et en assurant la fonction de différentiel. De plus, en référence à la figure 5, il est nécessaire de s'intéresser au comportement d'un essieu rigide équipé de deux roues G et 50D reliées de manière rigide par un arbre 51 leur imposant une vitesse de rotation égale. Les deux roues 50G et 50D sont usinées avec une conicité d'environ 10 et présentent deux diamètres moyens respectifs DG et DD différents. Dans le cas représenté ici, le diamètre moyen DG de la roue gauche 50G est un peu plus grand que le diamètre moyen DD de la roue droite 50D (DG > DD). Compte tenu du fait que ces deux roues 50G et 50D sont maintenues rigidement et ont donc des vitesses de rotation égales, l'essieu s'adapte à cette petite différence de diamètre de roue en se déplaçant latéralement par rapport aux deux rails 52G et 52D. Ceci se traduit par le fait que la roue de plus petit diamètre moyen, c'est-à- dire la roue droite 50D a tendance à rapprocher son boudin 53D près du rail 52D, afin d'augmenter le diamètre de roulement. De son côté, la roue gauche 50G dont le diamètre moyen DG est plus important tend à éloigner son boudin 53G de son rail 52G, pour diminuer le diamètre moyen de roulement. L'équilibre est atteint lorsque les deux diamètres de roulement sont identiques. Il est ainsi aisé de comprendre que la différence de diamètres moyens de ces deux roues 50G et 50D est limitée par la différence entre la distance qui sépare les faces internes des deux rails 52G et 52D et la distance entre les deux faces internes des roues 50G et 50D, c'est-à-dire la distance entre les boudins 53G et 53D. Pour des roues de 760 mm de diamètre, avec une conicité de 10 et un écart entre la face interne du rail et la face externe du boudin de 3 cm, l'écart acceptable sur un diamètre est de 1,4 %. Dans le cas d'un tel essieu rigide, on comprend bien que, avec deux roues de diamètres différents, cet essieu peut doter le véhicule d'un caractère sous-vireur ou imposé par cette différence des roues. D'autre part, le comportement d'un essieu équipé des deux roues usinées avec une même conicité de 10 % et présentant deux diamètres moyens différents, mais entraînés par l'intermédiaire d'un système de différentiel mécanique exerçant un couple identique sur ces deux roues est différent. En effet, la roue la plus grande exerce un effort de traction plus faible que celui exercé sur la roue la plus petite, car le couple transmis sur les roues est identique. Dans ce cas, la force exercée sur le véhicule est décalée par rapport à l'axe de celui-ci, le point de poussée se situant plus près de la roue la plus petite. Ceci a pour conséquence de pousser le véhicule de telle sorte que le boudin de la roue la plus grande vienne en contact avec le rail, contrairement au cas de l'essieu rigide qui est sous-vireur. Ici, le véhicule est sur- vireur, car il tend à se coller au rail situé vers la roue qui tourne le moins vite, en fait la roue la plus grande. Pour corriger ce phénomène, il faudrait donc que la roue qui tourne le moins vite voit le couple qui lui est appliqué systématiquement plus élevé que le couple qui s'applique à la roue la plus petite, celle qui tourne plus vite, et ceci dans le rapport des différences de vitesse et donc de diamètre. Il s'est avéré possible de corriger ce défaut par lI'adjonction d'un dispositif permettant d'ajuster un même effort de traction sur les deux roues. La correction a apporter est faible car il s'agit en fait de corriger des différences de diamètre inférieures à 5 %, donc des différences de couple inférieures à 5 %, ce qui représente, du fait du système de différentiel, une puissance de l'ordre de 2,5 % de la puissance de traction de l'essieu. Plusieurs solutions ont déjà été envisagées, par exemple le freinage électrique ou un entraînement complémentaire d'une roue, proportionnellement à la puissance moteur. Ces deux solutions mettent en oeuvre des matériels supplémentaires à ajouter à l'essieu et au moteur de traction existants déjà. D'autre part, pour un véhicule a quatre roues motrices, dont deux seulement sont directrices, par exemple les véhicules routiers, lors d'un braquage, les roues directrices tournent plus vite que les roues non directrices. C'est le cas des roues des voitures automobiles routières, lors des opérations de garage et de manoeuvre et lors des virages à faible rayon de giration. Ceci s'explique par le fait que les roues directrices parcourent un chemin instantané plus important que les roues non directrices. En effet, les roues directrices sont orientées suivant I'hypothénuse d'un triangle rectangle, alors que les roues non directrices sont orientées selon l'un des deux autres côtés du triangle. Or, on se propose d'assurer à tout moment, une répartition équitable du couple sur les quatre roues motrices. De plus, pour assurer au mieux le passage d'un virage, il faut que l'effort de traction soit supérieur sur les roues directrices, en l'occurrence les roues avant sur une voiture automobile, que sur les roues non directrices. Selon l'invention, on propose d'effectuer un tel transfert de couple par la mise en série de l'ensemble des moteurs de l'essieu avant avec l'ensemble des moteurs de l'essieu arrière. Bien entendu, lorsque le véhicule est en ligne droite, ou sur un virage de rayon constant, chaque essieu exerce le même effort de traction. Résumé de l'invention A cet effet, I'objet principal de l'invention est un procédé d'alimentation électrique des moteurs des essieux avant et arrière d'un même véhicule utilisant une seule source d'alimentation, chaque essieu comportant: - au moins une roue droite; - au moins une roue gauche; et - au moins un moteur de traction électrique asynchrone. Le procédé est avantageusement utilisé lorsque chaque roue de chaque essieu étant entraînée elle-même par un moteur particulier, c'est-à-dire qu'il existe un moteur pour chaque roue. Dans ce dernier cas, la mise en oeuvre préférentielle du procédé consiste à monter en série une première partie des spires du stator d'un moteur d'un essieu avec une première partie identique des spires du stator de l'autre moteur du même essieu. De même, cette mise en oeuvre consiste également à monter l'autre partie des spires des bobinages du stator d'un moteur d'un essieu en parallèle avec l'autre partie des spires du stator de l'autre moteur du même essieu. Dans ce cas, il est également préférable que les spires du stator des moteurs d'un même essieu montées en série soient montées elles-mêmes en deux branches montées en parallèle et contenant chacune la moitié des spires du stator à alimenter en série. Description détaillée d'une réalisation de l'invention La figure 6 montre que le montage de l'alimentation des quatre moteurs de quatre roues d'un véhicule, notamment des deux moteurs avant, référencés par les uns 10V1 et 10V2, et des deux moteurs arrière, référencés R1 et R2. Chaque moteur est associé à une roue 1 5 correspondante. Les différents bobinages représentés sont ceux des stators de ces quatre moteurs. Selon l'invention, les bobinages des stators des moteurs de l'essieu avant sont alimentés en série avec les stators des moteurs de l'essieu arrière. La réalisation décrite montre que l'on peut équilibrer les impédances avec le montage représenté pour ne pas privilégier le caractère sous- vireur ou sur-vireur du véhicule tracté. En effet, si chaque essieu possède N spires par pôle de bobinage de stator, on prévoit que N/4 spires du bobinage 63V1 ou 64V1 du premier moteur Vl soient mis en série avec N/4 spires du bobinage 63V2 et 64V2 du stator du deuxième moteur V2. En fait, il existe deux branches parallèles comportant chacune le quart (N/4) des bobinages des stators montés en série. Il en est de même pour l'essieu arrière avec les deux branches parallèles constituées chacune de deux bobinages montés en série, c'est-à-dire 63R1 et 6342, et 64R1 et 64R2. D'autre part, sur l'essieu avant, l'autre moitié N/2 des N spires du stator du premier moteur V1 est monté en parallèle avec l'autre moitié N/2 des N spires du bobinage du deuxième moteur. En d'autres termes, le bobinage 65V1 de N/2 spires du premier moteur V1 est monté en parallèle avec le bobinage 65V2 de N/2 spires du deuxième moteur V2. De même, sur l'essieu arrière, le bobinage 65R1 du stator du premier moteur R1 est monté en parallèle avec le bobinage 65R2 du stator du deuxième moteur R2. Le tout est alimenté grâce à une unité centrale de commande 61, pilotée par plusieurs capteurs 60 et commandant un convertisseur 62 alimentant lui-même tout ces bobinages de stator. Cette association de bobinage est valable pour les trois phrases des moteurs triphasés concernés et utilisés ici. Il est bien entendu possible de regrouper les deux bobinages 63V1 et 64V1 du stator du premier moteur V1 de l'essieu avant, de même que les deux bobinages 63V2 et 64V2 du deuxième moteur V2 de l'essieu avant. Cela revient à réunir en une seule branche les deux branches comportant des bobinages de N/4 spires. Cette opération peut également être effectuée sur l'essieu arrière. Ce montage de la moitié des spires N/2 en série et de N/2 spires en parallèle des stators des deux moteurs d'un même essieu, présente un avantage considérable compte tenu de la différence de rotation des deux roues d'un même essieu lors de courbes empreintées par le véhicule sur lequel sont montés ces moteurs. En effet, ce montage permet d'assurer la fonction de différentiel, sans utilisation de système différentiel mécanique, tout en apportant une égalité dans les couples transmis en roues droite et gauche. La figure 7 montre à ce sujet un essieu d'une voiture automotrice d'une rame de transport urbain en commun. On distingue facilement la cabine 42 et son plancher plat 43. Celui-ci est prévu entièrement au-dessus des essieux moteurs, dont l'un d'entre eux est représenté en coupe. Un de ces essieux comprend donc principalement un double moteur entraînant, respectivement, par deux arbres 48G et 48D deux roues motrices 46G et 46D roulant chacune sur un rail 47G et 47D. Le moteur est constitué d'un unique stator 40, de grande longueur, et à l'intérieur duquel se trouvent montés tournants, au moyen de roulements 44G et 44D, deux rotors 41G et 41 D. Les arbres de sorties 48G et 48D sont solidaires de ces deux rotors, respectivement, 41G et 41D. On précise que les deux rotors 41G et 41D ne sont pas liés en rotation. Au contraire, c'est cette désolidarisation des deux rotors 41G et 41D qui permet aux deux roues 46G et 46D de tourner à des vitesses légèrement différentes dans les courbes et virages. Le dispositif d'essieu différentiel électrique ainsi obtenu autorise donc une grande différence de diamètres entre les deux roues d'un même essieu. Il permet donc une plus grande durée de vie de chaque essieu avant et arrière et la diminution des frottements des boudins de chaque roue sur le rail sur lequel elle roule. D'autre part, il n'est plus nécessaire d'usiner les deux roues d'un même essieu lorsqu'il s'agit d'éliminer un défaut de forme du type " plat " sur une roue. Le dispositif ainsi proposé diminue également l'usure des rails. L'usage d'un seul convertisseur pour les quatre moteurs indépendants des deux essieux assure une traction intégrale avec un couple adapté à chaque roue de chaque essieu. Un tel procédé d'alimentation minimise donc le coût de possession du matériel roulant par la diminution de l'investissement, de même que par la diminution du coût d'exploitation. On fait remarquer que la proportion " moitié/moitié " (à savoir N/2 et N/2) de spires en série et de spires en parallèle pour chaque moteur peut être modulée, voire déséquilibrée. En effet, une plus grande partie de spires montées en parallèle privilégie le caractère sous-vireur de l'essieu. De même, une plus grande partie de spires montées en série privilégie le caractère sur-vireur de l'essieu. REVENDICATIONS 1. Procédé d'alimentation électrique des moteurs des essieux avant et arrière d'un même véhicule utilisant une seule source d'alimentation (60, 61), chaque essieu comprenant au moins une roue droite (46D) et roue gauche (46G) et au moins un moteur électrique de traction (40) asynchrone, dont les bobinages (63V1, 63V2, 64V1, 64V2, V1, 65V2) du stator du ou des moteurs de l'essieu avant sont montés en série avec les bobinages (63R1, 63R2, 64R1, 64R2, 65R1, 65R2) du stator du ou des moteurs de l'essieu arrière. 2. Procédé d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour chaque essieu, une première partie des spires du stator d'un premier moteur, c'est-à-dire certains bobinages (63V1, 64V1, 63R1, 64R1) sont montées en série avec une première partie des spires du stator de l'autre partie, c'est-à-dire certains bobinages (63V2, 64V2, 63R2, 64R2) et en ce que l'autre partie des spires des bobinages du stator du premier moteur, c'est-à-dire les bobinages (65V1, 65R1) sont montées en parallèle avec l'autre partie des spires du stator du deuxième moteur, c'est-à-dire les bobinages (65V2, 65R2). 3. Procédé d'alimentation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les spires du stator des moteurs montées en série sont montées ellesmêmes en deux branches parallèles de bobinages (63V1, 63V2, 64V1, 64V2) contenant chacune la moitié des spires du stator à alimenter en série.