Brevet FR2799162A1 — publié le 20010406

SYSTEME D'ENTRAINEMENT ELECTRIQUE D'UN ESSIEU DE VEHICULE AUTOMOTEUR DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention se rapporte au domaine de la traction électrique de véhicules automoteurs, tels que les véhicules routiers et ferroviaires et, en particulier, de la traction électrique véhicules automoteurs ferroviaires devant emprunter voies à faible rayon de giration, tels que les métropolitains et les tramways. Art antérieur et problème posé La plupart des véhicules terrestres automoteurs à roues comportent un ou plusieurs moteurs entraînant, par l'intermédiaire d'un différentiel généralement mécanique et d'un éventuel reducteur de vitesse, au moins deux roues motrices situees de part et d'autre du véhicule. La présence du système différentiel est rendue nécessaire par la différence de vitesse de rotation instantanée qui apparaît dans les courbes entre les roues motrices roulant sur chaque file de rail. Cette différence est importante pour les véhicules routiers, notamment dans les virages serrés et pour les man#uvres. Le différentiel permet alors, malgré grande 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 motrices tournant ' sa propre vitesse de rotation instantanée imposée par son roulement sur le sol. Les trains automoteurs urbains, tels que les tramways et les métropolitains, empruntent des voies ferrees dont les courbes peuvent également avoir un rayon courbure relativement faible. L'usage du différentiel est alors nécessaire. En référence à la figure 1, un système couramment répandu de motorisation d'un bogie de véhicule automoteur ferroviaire consiste à entraîner un essieu comportant deux roues 6 par un moteur électrique 2 placé longitudinalement par rapport au véhicule automoteur, c'est-à-dire parallèlement à la voie sur laquelle roulent les deux roues 6. Celui-ci est monté sur le chassis 1 du bogie, pivotant par rapport à celui-ci autour d'un axe 3 horizontal et parallèle à l'axe de rotation de l'essieu portant les deux roues 6. L'axe 3 est solidaire du moteur 2 et donc monté tournant dans le châssis 1 du bogie. L'arbre de sortie du moteur électrique 2 entraîne un réducteur 4 pour adapter la vitesse de rotation du moteur à la vitesse de rotation des roues 6. Un renvoi différentiel mécanique complète l'ensemble en étant placé à la sortie réducteur 4 pour entraîner, l'intermédiaire de deux axes d'entraînement 7, les deux roues 6 de l'essieu avec un couple égal, quelle que soit la vitesse de rotation instantanée de chacune des roues 6. Ainsi, un débattement quasiment vertical des roues 6 autour de l'axe de pivotement 3 du moteur 2, est obtenu. I1 existe d'autres moyens d'entraînement roues motrices des véhicules automoteurs. En effet, sait équiper chaque roue motrice d'un moteur qui n'entraîne donc qu'une seule roue. Dans ce cas, chaque ensemble moteur-roue est indépendant des autres. Or, dans les mêmes conditions de voie ferrée, pour un même essieu moteur, et afin d'assurer sur chaque roue un effort identique à celui fourni par un seul moteur et un différentiel mécanique, il est impératif d'alimenter électriquement les deux ensembles moteur-roue avec alimentations pilotées de façon spécifique. Or, genéral, chaque bogie est équipé de quatre roues, nécessite quatre groupes moteur-roue et quatre alimentations différentes. Cette multiplication des moteurs et de leurs alimentations respectives est une source de complexité. De plus, pour les véhicules guidés sur rails, tels que les rames de métropolitains ou de tramways, des usinages des roues sont nécessaires pour limiter les effets de plat dus à l'usure et sont de diamètres différents, sachant que la bande de roulement de la roue est conique. Le cahier des charges dans la construction d'un bogie de véhicule automoteur est donc relativement serré, vis-à-vis du problème des courbes des voies ferrées. Or, en ligne droite, le comportement correct des roues d'un même essieu nécessite d'utiliser un blocage sélectif du différentiel pour ramener comportement de l'essieu à celui d'un essieu rigide. effet, les roues étant légèrement coniques, si légère différence de diamètre existe entre les deux roues d' même essieu, dans le cas d'un essieu rigide, celui-ci tendance à se décaler transversalement rapport à la voie pour que les deux roues roulent un diamètre identique. Il ne doit donc pas apparaître de différence de couple ou de vitesse de rotation entre les deux roues. Dans le cas d'une commande électrique des deux moteurs assurant la fonction de différentiel il est nécessaire d'annihiler cette fonction, pendant les déplacements en ligne droite du véhicule automoteur. Le premier but de l'invention est proposer système d'entraînement électrique pour deux roues d'un même essieu permettant d'avoir comportement satisfaisant, tant en ligne droite qu'en courbe, et utilisant deux moteurs électriques pour entraîner respectivement les deux roues du même essieu Les moteurs électriques utilisés sont souvent du type rapide asynchrone, impliquant obligatoirement l'utilisation, dans la chaîne cinématique transmission, d'un réducteur de vitesse, comme montre la figure 1. Ceci entraîne le fait que l'essieu moteur est complexe et que la masse non suspendue importante. Cette solution n'est pas satisfaisante niveau de l'aspect du comportement vibratoire du bogie et est néfaste au confort de la voiture du véhicule autoporteur. De plus, les coûts de maintenance sont importants. Un deuxième but de l'invention est donc de remédier à ces derniers inconvénients. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un système d'entraînement électrique d'un essieu d'un véhicule automoteur d'axe longitudinal déterminé comprenant - deux moteurs entraînant chacun une roue de l'essieu moteur, les deux roues délimitant un espace déterminé entre elles ; - des moyens assurant la fonction de differentiel pour permettre aux deux roues d'être entraînées à chaque instant à des vitesses différentes de roulage, mais avec un couple identique. Selon l'invention, les moyens moteurs sont constitués de deux moteurs synchrones ou asynchrones lents, tournant à basse vitesse, placés sur un commun sensiblement perpendiculaire à l' longitudinal du véhicule, entre les deux roues, deux moteurs étant équipés d'un système de couplage place entre eux pour les accoupler de façon réglable temporaire et les moyens assurant la fonction d' différentiel sont électriques. Dans une première réalisation, les moyens électriques sont constitues d'un montage électrique des stators des deux moteurs partie en série et en partie en parallèle. Il est également intéressant d'utiliser un système de frein de parking de l'ensemble tournant constitué des rotors et des roues. Ce système de freinage est, par exemple, à sécurité intrinsèque par manque de courant ou manque de pression du fluide de commande. Dans sa réalisation préférentielle, lorsque les moteurs sont asynchrones, le montage électrique des stators des deux moteurs est tel que ces deux stators sont alimentés par une seule source d'alimentation et possèdent chacun au moins - un premier bobinage monté en série avec un premier bobinage du stator de l'autre moteur ; et - au moins un deuxième bobinage monté en parallele avec un deuxième bobinage du stator de l'autre moteur. Dans une deuxième réalisation de l'invention applicable à deux moteurs, synchrones ou asynchrones, les moyens électriques assurant la fonction de différentiel sont constitués par une seule source d'alimentation à deux sorties des stators électriques des moteurs, et des moyens génerateurs de courant alternatif complétés d'un code contrôle d'adhérence pour piloter les deux moteurs fonction de la vitesse moyenne du véhicule Vm, de l'angle de la barre attelage du véhicule a, de la voie du véhicule il, rayons des roues RG et Rp et des vitesses angulaires de consigne (DG. et CO Dans ce cas, une réalisation prévoit que les moyens générateurs de courant alternatif soient constitués d'une carte électronique et de convertisseurs continu-alternatif pilotés du type IGBT, c'est-à-dire de transistors bipolaires à grille isolée. Dans le but de pouvoir utiliser des moteurs assez puissants, ceux-ci sont fixés par leurs stators au châssis pivotant du véhicule qui supporte par suspension un cadre mobile de bogie, les rotors de ces deux moteurs étant en forme de cloche dont l'ouverture est placée en regard d'une deux roues motrices, le système étant complété deux transmissions homocinétiques ou équivalent, par exemple, deux demi-arbres à cardan, l'une étant fixé à un arbre solidaire de la roue motrice en face de laquelle elle est placée et l'autre au fond de la cloche du rotor d'un des moteurs. Dans sa première réalisation, le système de couplage est de type électromagnétique. Dans sa deuxième réalisation, ce système de couplage est électro-hydraulique. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de plusieurs figures qui représentent respectivement - figure 1, déjà décrite, en vue de dessus, l'ensemble d'un essieu et de système d'entraînement sur un véhicule automoteur selon l'art antérieur ; - figure 2, en dessus, en coupe, la réalisation préférentielle système d'entraînement électrique selon l'invention sur un essieu d'un véhicule automoteur ; - figure 3, en latérale, l'essieu sur lequel est monté le système entraînement électrique selon l'invention et raccordé à la cabine du véhicule automoteur ; et - figure 4, le schéma électrique d'une alimentation possible des stators des moteurs dans systeme d'entraînement électrique selon l'invention. - figure 5, le schéma électrique d' alimentation à deux sorties pilotées par une carte spécifique. Description détaillée d'une réalisation de l'invention La figure 2 permet de comprendre les détails de la réalisation préférentielle de l'invention. En effet, le cadre 10 représente le cadre mobile du bogie. Deux roues 16 sont montées tournantes sur ce cadre mobile 10 du bogie, autour d'un axe horizontal, par l'intermédiaire de deux boîtiers de roulement 17 fixés sur le cadre mobile 10. Le châssis pivotant du véhicule symbolisé par deux supports il. Selon caractéristique de l'invention, les deux moteurs qui entraînent les deux roues 16 ont leurs stators 12 fixes horizontalement et rigidement aux supports c' -à-dire au châssis pivotant du véhicule. Bien entendu, compte tenu que les stators 12 des deux moteurs sont fixes par rapport aux supports 11, rotors 22 des deux moteurs tournent autour d'un horizontal ou quasiment horizontal fixe par rapport au stator 12 de leur moteur, c'est-à-dire aux supports Or, dans le but de supprimer dispositifs mécaniques de renvoi d'angle, on a disposé deux moteurs avec leurs axes transversaux, entre les deux roues 16. De ce fait, les deux moteurs et leurs stators 12 et rotors 22 sont alignes. D'autre part il a été choisi d'utiliser moteurs électriques synchrones ou asynchrones forte puissance pour éviter l'emploi d'un dispositif mécanique réducteur de vitesse. En conséquence, le diametre de chacun des moteurs, de même que les diamètres des stators 12 et des rotors 22, est imposant. Ceci nécessite pour le logement des deux moteurs un grand espace. Toutefois, on comprend aisément que deux moteurs de diamètre important peuvent occuper la grande majeure partie de l'espace délimité entre les deux roues 16 d'un bogie moteur. De ce fait, il ne subsiste plus assez d'espace entre les deux moteurs et les roues 16 pour placer une transmission mécanique entre les moteurs fixes et les roues 16 qui sont suspendus par le bogie et son cadre mobile 10, c'est-à-dire mobile par rapport aux moteurs. Bien qu'on connaisse au moins un moteur électrique synchrone ou asynchrone dont le rotor est légèrement évidé, voir document de brevet SU-1 800 557, on utilise ici des moteurs électriques de large diametre avec des rotors 12 totalement évidés, c' -à-dire en forme de cloche. Ceci permet de loger entre le boîtier de roulement 17 de chaque roue 16 et le fond 23 du rotor en cloche 22 un demi-arbre 13, avec un joint homocinétique 15, par exemple, un joint de cardan, à chaque extrémité. L'un des joints homocinétique 15 est fixé au fond 23 du rotor en cloche 22 et l'autre joint homocinétique 15 est fixé à l'arbre 14 solidaire de la roue 16. Ainsi, on comprend que chaque demi-axe 13 peut avoir une certaine longueur et permettre, grace à deux degrés de liberté, à la roue 16 des écarts positionnement par rapport au moteur électrique qui est fixe en hauteur par rapport au châssis du bogie. Ceci permet également d'utiliser des moteurs de diamètre relativement important, développant une puissance suffisante ne nécessitant pas l'utilisation d'un système de réduction de vitesse. Des moyens assurant la fonction de différentiel, le passage des courbes par le véhicule automoteur ne pose aucun problème quant à l'équilibre de la puissance transmise à chacune des roues, puisqu'un couple équivalent est appliqué à chacune d'entre elles. contre, pour parcourir des lignes droites, il souvent nécessaire de bloquer le différentiel, c'est-à-dire de faire tourner les deux roues 16 à même vitesse, comme si elles faisaient partie d'un meure essieu rigide. A cet effet, il a été décidé de loger un système de couplage 31 entre les deux moteurs électriques et, plus exactement, entre les deux fonds 23 des stators en cloche 22. Ce système de couplage 31 est bien entendu commandable par un opérateur ou un programme de commande pour accoupler de façon réglable ou désaccoupler à la demande les deux moteurs électriques. Une entretoise 30 permet de positionner et solidariser les deux stators 12 du moteur et entourer le système de couplage 31. Dans cette entretoise 30 est monté le système de frein de parking qui agit directement sur les rotors en cloche des deux moteurs au niveau du système de couplage 31. Le système de couplage est de préférence électromagnétique ou électro-hydraulique et permet un accouplement quantifié et réglable. La figure 3 permet de voir latéralement et en partie un essieu sur lequel est monté le système d'entraînement électrique selon l'invention. Le bâti de la caisse du véhicule automoteur est référencé 40 et son châssis pivotant, sur lequel est monté par suspension le bogie, est référencé 1. Celui-ci est monte donc pivotant autour d'un axe vertical V par rapport au bâti de la caisse 40. Par rapport à ce châssis pivotant 1 du véhicule, est monté suspendu le cadre mobile 10 du bogie sur lequel sont montées tournantes les roues 16. Un système de suspension traditionnel 41 relie donc le cadre mobile 10 par rapport au châssis pivotant 1 du véhicule. Le poids moteurs est donc supporté par le châssis pivotant 1 véhicule et non par le cadre mobile 10 du bogie. Cette vue étant une vue latérale, mais de intérieur de l'essieu, on distingue le système de couplage 31 entouré de l'entretoise 30, maintenue elle même par le support 11 fixé sur le châssis pivotant 1 du véhicule. Par contre, sur cette vue, on ne distingue pas le demi-arbre reliant le fond du rotor en cloche à l'axe de la roue. La figure 4 est un montage électrique des stators de deux moteurs asynchrones permettant d'assurer la fonction de différentiel. Dans ce montage, une première moitié des spires du stator d'un meure moteur A est montée en série avec une première moitié des spires du stator de l'autre moteur B. De même, deuxième moitié des spires du stator du premier moteur A est montée en parallèle avec l'autre moitié spires du deuxième moteur B. Ceci est schématisé deux enroulements 53A d'un premier moteur, portant chacun un quart des spires du stator, montés chacun série avec un même enroulement 53B du deuxième moteur comprenant également un quart des spires du stator de ce deuxième moteur. D'un autre côté, un enroulement du stator du premier moteur comprenant la moitié spires de celui-ci est monté en parallèle avec un meure enroulement 54B contenant la moitié des spires stator du deuxième moteur. Le tout est commandé alimenté par une unité centrale de commande 51 piloté par plusieurs capteurs 50 et commandant un convertisseur 52 alimentant lui-même tous ces bobinages de stator. La figure 5 montre deux moteurs synchrone ou asynchrone 50G et 50D, reliés mécaniquement par un système de couplage 34 et entraînant chacun une roue, respectivement 16G et 16D. Le chassis de la caisse 11 est relié rigidement au stator, c'est-à-dire à la carcasse de chacun des moteurs 50G et 50D, tandis que les roues 16G et 16D, ainsi que leur demi-arbres respectifs 13G et 13B sont maintenus par le système de suspension du véhicule automoteur. Les moyens générateurs de courant alternatif sont constitués d'une carte électronique 60 pilotant des convertisseurs continu-alternatif pilotés La carte électronique reçoit plusieurs données commande qui sont plus exactement la vitesse moyenne véhicule Vm, l'angle de la barre d'attelage du véhicule (x, c'est-à-dire l'angle que fait cette barre par rapport à l'axe longitudinal du véhicule, vitesses respective instantanées angulaires des roues et c)D. Ces dernières sont mesurées par détecteurs 60G et 60D placés sur le chassis, en regard roues. Ces détecteurs peuvent être du type magnétique ou Doppler. Le couple de traction C, commandé à partir de poste de conduite, est également utilisé pour piloter les éléments de puissance. Les consignes sont donc calculées par la carte électronique 60 en fonction également de la voie du véhicule, des rayons respectifs des roues motrices et RD. Ce calcul de chaque vitesse angulaire de consigne wGc et oDcs'effectue en temps réel sur la base formules suivantes Sont ainsi calculées, les tensions UG et UD, les intensités IG et I", ainsi que les fréquences d'alimentation fG et FD. La carte électronique 60 comprend également des algorithmes de calculs connus pour éviter le patinage et l'enrayage, c'est-à-dire le patinage lors de l'accélération ou le blocage des roues lors du freinage. Les formules suivantes rentrent dans ce type de calculs. ceci pour chaque roue. réduction du couple appliquée en cas d'enrayage de patinage est calculée sur la base de la formule suivante Les convertisseurs continu-alternatif pilotés sont schématisés par un cadre 70 recevant une alimentation puissance P. Ils sont constitués de préférence éléments du type IGBT, c'est-à-dire des transistors bipolaires à grille isolée. Ces convertisseurs fournissent donc la puissance électrique nécessaire pour faire fonctionner les deux moteurs (50G et 50D) Avantages de l'invention premier avantage est constitué par la réduction importante des pièces mobiles utilisées dans un système d'entraînement, tel que décrit à la figure 1, c' -à-dire des pignons, des arbres, des renvois. Ceci entraîne plusieurs avantages secondaires importants qui sont - la simplification de la chaîne cinématique ; - l'amélioration du rendement, compte tenu de la diminution des transmissions par engrenage ; - la diminution de la masse suspendue entre le systeme de suspension et les rails qui entraîne parallèlement la diminution des bruits aériens et des vibrations transmises au sol (réduction de la nuisance globle) - la réduction des pièces mécaniques soumises aux chocs directs générés par le roulement roues. La fonction de différentiel est assurée virage la fonction de rigidification de l'essieu est effectuée à la demande en lignes droites, grâce à l'enclenchement du système de couplage. Les coûts de maintenance sont réduits, grâce à la simplification du système mécanique utilisé. REVENDICATIONS 1. Système d'entraînement électrique d'un essieu de véhicule automoteur d'axe longitudinal comprenant - deux moyens moteurs entraînant chacun roue (16) de l'essieu, ces deux roues (16) délimitant espace déterminé entre elles ; - des moyens assurant la fonction de fférentiel pour permettre aux deux roues (16) d'être entraînées à chaque instant à des vitesses différentes de roulage avec un couple identique, caractérisé en ce que - les moyens moteurs sont constitués deux moteurs synchrones ou asynchrones lents ( 50D), c'est-à-dire tournants à basse vitesse, placés un axe commun sensiblement perpendiculaire à l' véhicule dans l'espace délimité entre les deux roues (16), et équipés d'un système de couplage (31) place entre les deux moteurs pour les accoupler de façon réglable et temporaire ; - les moyens assurant la fonction différentiel sont électriques. 2. Système d'entraînement électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens moteurs sont équipés d'un système de frein de parking 3. Système d'entraînement électrique selon revendication 1, caractérisé en ce que les moyens electriques assurant la fonction de différentiel sont constitués d'un montage électrique des stators des deux moteurs 50C, 50D), en partie en série (53A, 53B) et en partie parallèle (54A, 54B). 4. Système d'entraînement électrique selon la revendication 1, les moteurs étant asynchrones, caractérisé en ce que les deux stators électriques (22) sont alimentés par une seule source d'alimentation (51, 52) et possèdent chacun au moins un premier bobinage (53A) monté en série avec un premier bobinage (53B) du stator l'autre moteur et au moins un deuxième bobinage (54A) monté en parallèle avec au moins un deuxième bobinage (54B) du stator de l'autre moteur électrique. 5. Système d'entraînement électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électriques assurant la fonction de différentiel sont constitués par une seule source d'alimentation à deux sorties vers les stators électriques (22) des moteurs (50D, 50G), et des moyens générateurs de courant alternatif complétés d'un code de contrôle d'adhérence pour piloter les deux moteurs en fonction de vitesse moyenne du véhicule Vm, de l'angle de barre d'attelage du véhicule a, de la voie du véhicule 11, des rayons des roues R1 et R2 et des vitesses angulaires de consigne wcc et (Ooc. 6. Système d'entraînement électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que moyens générateurs de courant alternatif sont constitues d'une carte électronique (60) et de convertisseurs continu- alternatif pilotés (70) du type IGBT c'est-à-dire de transistors bipolaires à grille isolée. 7. Système d'entraînement électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux moteurs (50G, 50D) sont fixés par leurs stators au châssis pivotant (1) du véhicule qui supporte par suspension un cadre mobile (10) de bogie, et en que rotors des deux moteurs électriques sont des rotors cloche (22) dont l'ouverture de chacun d' est placée en regard d'une roue (16), avec deux demi arbres (13) équipés à leurs deux extrémités d'un joint homocinétique ou équivalent (15) l'un étant fixe à un arbre (14) solidaire d'une des deux roues 6) et l'autre au fond (23) du rotor en cloche (22) du moteur correspondant. 8. Système d'entraînement électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de couplage (31) est un système électromagnétique. 9. Système d'entraînement électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de couplage (31) est un système électro-hydraulique.