Source: http://www.sumobrain.com/patents/wipo/Mechatronic-device-actuating-braking-associated/WO2019076889A1.html
Timestamp: 2019-12-09 00:14:58+00:00
Document Index: 28891552

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MECHATRONIC DEVICE FOR ACTUATING A BRAKING DEVICE, ASSOCIATED DISC BRAKE AND BRAKING METHOD - FOUNDATION BRAKES FRANCE
MECHATRONIC DEVICE FOR ACTUATING A BRAKING DEVICE, ASSOCIATED DISC BRAKE AND BRAKING METHOD
WIPO Patent Application WO/2019/076889
The invention relates to a brushless electric motor (M) for a brake actuator, the rotor of which carries permanent magnets circulating between two concentric stators (610, 620), which are powered and controlled independently. The invention further relates to a mixed or entirely electric, brake actuator device (1), comprising such a motor. It further relates to a method for using such an actuator, comprising several scenarios able to be combined on a same actuator and chosen according to need, and comprising: powering a single stator (610) as a service brake,, powering the two stators (610, 620) in the same direction in emergency braking or parking braking, or powering the two stators in different directions during an automatic regulation process.
JP2009038909 METHOD AND STOPPER DEVICE FOR DECIDING ORIGIN IN ACTUATOR
JP3708804 ACTUATOR
JP3881927 SWITCHING DEVICE FOR TWO-WHEEL DRIVE AND FOUR-WHEEL DRIVE, AND DRIVE ACTUATOR THEREFOR
RAMDANE, Abdessamed (7 rue du Grandvillier, BEAUVAIS, 60000, FR)
EP2018/078233
H02K7/06; H02K16/04
WO2016107885A1 2016-07-07
US20080169720A1 2008-07-17
DE102012014517A1 2014-01-23
JP2008312437A 2008-12-25
GB2499870A 2013-09-04
1. Moteur électrique (M) pour actionneur de frein, du type sans balai comprenant un rotor (630) solidaire d'un inducteur (631) monté en rotation entre un premier stator et deuxième stators concentriques, formant pour l'un un stator intérieur (610) et pour l'autre un stator extérieur (620), l'inducteur portant un premier ensemble d'aimants permanents (632) agencés pour interagir avec le premier stator et agencés pour interagir avec lui et un second ensemble d'aimants permanents (633) disposés du côté du second stator et agencés pour interagir avec lui, de sorte que les premier et deuxième ensembles d'aimants permanents (632, 633) circulent entre les deux stators concentriques (610, 620) pour pouvoir interagir avec eux ; ledit moteur étant agencé pour alimenter électriquement lesdits premier et deuxième stators selon une répartition d'alimentation choisie sélectivement parmi une pluralité de répartitions d'alimentation.
2. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les stators concentriques sont chacun constitués d'une pluralité de bobines formant une pluralité de phases,
chaque stator étant piloté en couple et/ou en vitesse par une électronique de commutation (76), solidaire desdits stators, qui reçoit une puissance électrique d'alimentation sous la forme d'une alimentation électrique continue et fournit auxdites bobine une alimentation polyphasée commutée qui dépend du couple et du sens de rotation demandé par une unité de commande (ECU) extérieure,
et en ce que ladite unité de commande (ECU) fournit à l'électronique de commutation (76), pour chaque stator, une alimentation électrique continue (71) dont l'intensité et la polarité représentent respectivement le couple et le sens de rotation qui doivent être produits par ledit stator.
3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des sondes de détection binaires de la position du rotor (630) du moteur en que l'unité de commutation (76) comprend, pour chaque stator, au moins un pont de puissance piloté par un algorithme en fonction desdites sondes pour délivrer un signal électrique qui commande des interrupteurs de puissance aptes à alimenter les phases du moteur.
4. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un stator agencé pour fournir un couple maximal valant au moins deux fois le couple maximal de l'autre stator, et notamment au moins trois fois le couple maximal de l'autre stator.
5. Dispositif mécatronique formant un actionneur pour appliquer au moins une garniture de frottement contre une piste de frottement d'un dispositif de freinage de véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur (M) selon l'une quelconque des revendications précédentes commandé par une unité de commande, et un mécanisme transformant un mouvement de rotation dudit moteur en un mouvement de translation (A) appliqué à ladite garniture de frottement pour réaliser le freinage.
6. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un train épicycloïdal (PR2, PR3), entraîné en rotation (C5) par le moteur électrique (M) suivant l'axe de rotation (Al) dudit moteur électrique (M).
7. Dispositif mécatronique selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en que le mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation comprend un mécanisme vis-écrou (NS) permettant au moins une poussée axiale d'arrière en avant de la garniture de frottement selon un déplacement linéaire (PI) et suivant l'axe de rotation (Al) lorsqu'il est entraîné en rotation (C4) suivant l'axe de rotation (Al) par le train épicycloïdal formant au moins un étage de réduction (DPR), la couronne filetée (101) est solidaire de ou forme un piston de frein (1) qui est maintenu fixe en rotation (105) et est agencée pour que son déplacement (PI) exerce un effort de serrage (Fl) par déplacement linéaire de la garniture de frottement vers la piste de frottement.
8. Dispositif mécatronique selon la revendication précédente, caractérisé en que le train épicycloïdal (PR2, PR3) inclut un groupe de satellites (32, 42) en rotation selon l'axe (Al) autour d'un pignon planétaire (31, 41) et à l'intérieur d'une couronne (1) circulaire coaxiale audit train planétaire, où lesdits satellites sont portés par un porte-satellites (33, 43) et engrènent à la fois avec une denture extérieure dudit pignon planétaire et avec une denture intérieure, formée dans ladite couronne circulaire selon un premier motif présentant une première orientation déterminée (Dl),
ledit train épicycloïdal (PR3) entraînant un élément fileté mâle (43) qui lui est coaxial, lequel coopère avec un filetage femelle formé dans la surface intérieure de ladite couronne (1) selon un deuxième motif présentant une deuxième orientation (D2) différente de la première orientation (Dl),
ladite couronne (1) formant ainsi une couronne filetée qui coopère avec ledit élément fileté mâle (43) pour former ledit mécanisme vis-écrou (NS),
ladite couronne présentant ainsi des reliefs de filetage femelle entrecroisés avec des reliefs de denture intérieure pour former une denture croisée (101) qui est apte à fonctionner aussi bien en denture de couronne de train épicycloïdal qu'en filetage d'écrou,
et en que la couronne filetée (101) est solidaire de ou forme un piston de frein (1) qui est maintenu fixe en rotation (105) et est agencée pour que son déplacement (PI) exerce un effort de serrage (Fl) par déplacement linéaire de la garniture de frottement vers la piste de frottement.
9. Frein de véhicule routier comprenant un actionneur selon l'une quelconque des revendications 5 à 8 réalisant sélectivement la fonction de frein de service et de frein de stationnement par entraînement uniquement électrique.
10. Frein de véhicule routier comprenant un actionneur selon l'une quelconque des revendications 5 à 8 réalisant la fonction de frein de stationnement et/ou de secours, notamment avec une fonction de frein de service réalisée par pression hydraulique.
11. Frein à disque comportant un étrier (2) doté de deux branches (201, 202) en vis-à-vis qui chevauchent la périphérie d'un disque de frein, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif mécatronique d'actionnement selon l'une quelconque des revendications 5 à 8,
un arbre d'actionneur (5), étant coaxial au piston (1), et prévu pour traverser l'une (202) desdites branches d'étrier et pour porter un flasque d'appui (52) agencé pour prendre un appui axial sur ladite branche (202) depuis l'intérieur de l'étrier ;
une partie d'extrémité (55) dudit arbre, située du côté intérieur de l'étrier, portant l'étage de réduction épicycloïdal (DPR) et le piston de frein
une partie d'entrée (51) dudit arbre, située du côté extérieur de l'étrier, étant prévue pour recevoir le moteur (M) électrique sans balai.
12. Véhicule ou sous-ensemble de véhicule comprenant au moins un frein selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 ou un dispositif mécatronique d'actionnement selon l'une quelconque des revendications 5 à 8.
13. Procédé de commande du moteur d'un actionneur linéaire selon l'une quelconque des revendications 5 à 8 ou de commande d'un moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour entraîner en rotation un actionneur linéaire de garniture de frein avec un couple moteur produisant dans ledit actionneur un effort linéaire de serrage, sous l'effet d'une commande de freinage visant à produire un effort linéaire d'une valeur cible correspondant à un couple moteur cible,
ledit procédé comprenant au moins une phase d'activation du premier stator et une phase d'activation du deuxième stator produisant chacune un couple moteur dit individuel,
lesdites phases d'activation étant différentes entre elles, dans le temps et/ou dans l'intensité leurs couples moteurs individuels respectifs et/ou dans le sens de leur couples moteurs individuels respectifs.
14. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une phase d'activation du premier stator (610) pour fournir un premier couple individuel (c610) dans un premier sens, et - si la valeur dudit couple moteur cible dépasse un premier seuil déterminé (TO) dit seuil d'activation, une phase d'activation du deuxième stator (620) pour fournir un deuxième couple individuel (c620) dans le même premier sens et s'ajoutant audit premier couple individuel ;
permettant ainsi de produire à la demande un couple cible supérieur audit premier seuil (TO), tout en limitant les contraintes imposées au deuxième stator.
15. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier seuil (TO) est déterminé pour être :
- supérieur au couple maximal nécessaire pour une utilisation en frein de service, au moins en situation normale de circulation, et
- inférieur au couple maximal nécessaire pour une utilisation en frein de stationnement ;
et en ce que ledit procédé réagit :
- à une demande de freinage de service, par une activation du seul premier stator (610), et
- à une demande de freinage de stationnement en activant au moins le deuxième stator (620), avec ou sans alimentation du premier stator, permettant ainsi de produire à la demande un couple cible égal au couple maximal nécessaire au frein de stationnement, tout en limitant les contraintes imposées au deuxième stator.
16. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier seuil (T0) est déterminé pour être inférieur au couple maximal nécessaire pour une utilisation en frein de service en situation d'urgence ; et en ce que le procédé réagit à une demande de freinage de service en situation d'urgence assortie d'une demande de couple moteur cible supérieure au premier seuil (T0) en activant le premier stator et le deuxième stator dans le même sens, notamment de façon simultanée ;
permettant ainsi de fournir le couple moteur cible tout en limitant les contraintes imposées au deuxième stator lors des freinages de service normaux.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que le premier seuil (T0) est déterminé pour être supérieur au couple maximal nécessaire pour une utilisation en frein de service en conditions normales de circulation ;
et en ce que le procédé réagit à une demande de freinage de service assortie d'une demande de couple moteur cible inférieure au premier seuil (T0) :
- par une activation du premier rotor (610), et
- en activant le deuxième stator (620) dans le même sens, avec une intensité déterminée pour fournir un couple moteur individuel
o inférieur à un ratio déterminé du couple moteur cible, ledit ratio valant notamment 30% voire 20%, ou
o inférieur à un ratio déterminé du couple moteur maximal dudit deuxième stator, ledit ratio valant notamment 30% voire 20% ;
permettant ainsi de fournir le couple moteur cible tout en limitant les contraintes imposées au deuxième stator lors des freinages de service ; et permettant d'adoucir les transitions et/ou la sécurité en cas d'augmentation du couple moteur cible venant à dépasser le premier seuil, ou en cas de défaillance du premier stator.
18. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend une phase d'activation du premier stator pour produire un déplacement dans un premier sens et s'achevant à un instant de désactivation, et
une phase d'activation du deuxième stator, dite d'arrêt, qui est orientée pour produire un couple dans un sens opposé au sens du déplacement, dit contre-couple, et est déterminée pour arrêter ledit déplacement à un instant déterminé et/ou à une position déterminée, notamment en calculant une position temporelle, une durée et/ou une intensité de ladite phase d'arrêt par rapport à l'instant de désactivation, à l'inertie et/ou à la position dudit déplacement,
fournissant ainsi un arrêt plus rapide et/ou plus précis, notamment dans le cadre d'une régulation de freinage.
19. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend une phase d'activation du premier stator pour produire un déplacement dans un premier sens, et
une phase d'activation du deuxième stator, dite de ralentissement, qui est orientée pour produire un couple dans un sens opposé au sens du déplacement, dit contre-couple, et est déterminée pour ralentir ledit déplacement,
produisant ainsi une limitation de la vitesse de déplacement, notamment pour limiter la vitesse d'augmentation de l'effort de freinage.
20. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend : une phase d'activation du premier stator (610) pour fournir un premier couple produisant déplacement dans un premier sens et s'achevant à un instant de désactivation, et
une phase d'activation du deuxième stator (620), dite d'inversion, qui est orientée pour produire un couple dans un deuxième sens opposé au premier sens de déplacement, dit contre-couple, et est déterminée en couple et en durée pour inverser ledit déplacement,
produisant ainsi une diminution de l'effort de freinage.
21. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la phase d'inversion par activation du deuxième stator (620) est réalisée avec un maintien de couple moteur individuel (c610) du premier stator (610) selon une intensité inférieure au contre-couple, constante ou diminuée,
jusqu'à un instant de fin de phase d'inversion, auquel la commande du premier stator et du deuxième stator est modifiée pour que le contre- couple devienne inférieur au premier couple, par désactivation ou affaiblissement du deuxième stator ou par augmentation du premier couple, de façon à permettre une reprise du déplacement dans le premier sens.
reçues par le Bureau international le 27 Mars 2019 (27.03.2019)
1. Moteur électrique (M) pour actionneur de frein, du type sans balai comprenant un rotor (630) solidaire d'un inducteur (631) monté en rotation entre un premier stator et deuxième stators concentriques, formant pour l'un un stator intérieur (610) et pour l'autre un stator extérieur (620), l'inducteur portant un premier ensemble d'aimants permanents (632) disposés du côté du premier stator et agencés pour interagir avec lui et un second ensemble d'aimants permanents (633) disposés du côté du second stator et agencés pour interagir avec lui, de sorte que les premier et deuxième ensembles d'aimants permanents (632, 633) circulent entre les deux stators concentriques (610, 620) pour pouvoir interagir avec eux sous l'effet de ladite circulation ;
caractérisé en ce que ledit moteur est agencé pour alimenter électriquement lesdits premier et deuxième stators selon une répartition d'alimentation entre lesdits stators, ladite répartition étant choisie sélectivement parmi une pluralité de répartitions d'alimentation,
en ce que lesdits stators concentriques étant chacun constitué d'une pluralité de bobines formant une pluralité de phases, chaque stator étant piloté en couple et/ou en vitesse par une électronique de commutation (76), solidaire desdits stators, qui reçoit une puissance électrique d'alimentation sous la forme d'une alimentation électrique continue et fournit auxdites bobine une alimentation polyphasée commutée qui dépend du couple et du sens de rotation demandé par une unité de commande (ECU) extérieure, et en ce que ladite unité de commande (ECU) fournit à l'électronique de commutation (76), pour chaque stator, une alimentation électrique continue (71) dont l'intensité et la polarité représentent respectivement le couple et le sens de rotation qui doivent être produits par ledit stator. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des sondes de détection binaires de la position du rotor (630) du moteur en que l'unité de commutation (76) comprend, pour chaque stator, au moins un pont de puissance piloté par un algorithme en fonction desdites sondes pour délivrer un signal électrique qui commande des interrupteurs de puissance aptes à alimenter les phases du moteur.
3. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un stator agencé pour fournir un couple maximal valant au moins deux fois le couple maximal de l'autre stator, et notamment au moins trois fois le couple maximal de l'autre stator.
4. Dispositif mécatronique formant un actionneur pour appliquer au moins une garniture de frottement contre une piste de frottement d'un dispositif de freinage de véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur (M) commandé par une unité de commande, et un mécanisme transformant un mouvement de rotation dudit moteur en un mouvement de translation (A) appliqué à ladite garniture de frottement pour réaliser le freinage,
ledit moteur électrique (M) étant du type sans balai comprenant un rotor (630) solidaire d'un inducteur (631) monté en rotation entre un premier stator et deuxième stators concentriques, formant pour l'un un stator intérieur (610) et pour l'autre un stator extérieur (620), l'inducteur portant un premier ensemble d'aimants permanents (632) disposés du côté du premier stator et agencés pour interagir avec lui et un second ensemble d'aimants permanents (633) disposés du côté du second stator et agencés pour interagir avec lui, de sorte que les premier et deuxième ensembles d'aimants permanents (632, 633) circulent entre les deux stators concentriques (610, 620) pour pouvoir interagir avec eux sous l'effet de ladite circulation ;
ledit dispositif mécatronique étant caractérisé en ce que ledit moteur est agencé pour alimenter électriquement lesdits premier et deuxième stators selon une répartition d'alimentation entre lesdits stators, ladite répartition étant choisie sélectivement parmi une pluralité de répartitions d'alimentation.
5. Dispositif mécatronique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits stators concentriques étant chacun constitué d'une pluralité de bobines formant une pluralité de phases, chaque stator étant piloté en couple et/ou en vitesse par une électronique de commutation (76), solidaire desdits stators, qui reçoit une puissance électrique d'alimentation sous la forme d'une alimentation électrique continue et fournit auxdites bobine une alimentation polyphasée commutée qui dépend du couple et du sens de rotation demandé par une unité de commande (ECU) extérieure, et en ce que ladite unité de commande (ECU) fournit à l'électronique de commutation (76), pour chaque stator, une alimentation électrique continue (71) dont l'intensité et la polarité représentent respectivement le couple et le sens de rotation qui doivent être produits par ledit stator.
6. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un train épicycloïdal (P 2, PR3), entraîné en rotation
(C5) par le moteur électrique (M) suivant l'axe de rotation (Al) dudit moteur électrique (M).
7. Dispositif mécatronique selon la revendication 4 à 6, caractérisé en que le mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation comprend un mécanisme vis-écrou (NS) permettant au moins une poussée axiale d'arrière en avant de la garniture de frottement selon un déplacement linéaire (PI) et suivant l'axe de rotation (Al) lorsqu'il est entraîné en rotation (C4) suivant l'axe de rotation (Al) par le train épicycloïdal formant au moins un étage de réduction (DPR), la couronne filetée (101) est solidaire de ou forme un piston de frein (1) qui est maintenu fixe en rotation (105) et est agencée pour que son déplacement (PI) exerce un effort de serrage (Fl) par déplacement linéaire de la garniture de frottement vers la piste de frottement.
9. Frein de véhicule routier comprenant un actionneur selon l'une quelconque des revendications 4 à 8 réalisant sélectivement la fonction de frein de service et de frein de stationnement par entraînement uniquement électrique.
10. Frein de véhicule routier comprenant un actionneur selon l'une quelconque des revendications 4 à 8 réalisant la fonction de frein de stationnement et/ou de secours, notamment avec une fonction de frein de service réalisée par pression hydraulique.
11. Frein à disque comportant un étrier (2) doté de deux branches (201, 202) en vis-à-vis qui chevauchent la périphérie d'un disque de frein, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif mécatronique d'actionnement selon l'une quelconque des revendications 4 à 8,
un arbre d'actionneur (5), étant coaxial au piston (1), et prévu pour traverser l'une (202) desdites branches d'étrier et pour porter un flasque d'appui (52) agencé pour prendre un appui axial sur ladite branche (202) depuis l'intérieur de l'étrier ; une partie d'extrémité (55) dudit arbre, située du côté intérieur de l'étrier, portant l'étage de réduction épicycloïdal (DPR) et le piston de frein (1) ;
une partie d'entrée (51) dudit arbre, située du côté extérieur de l'étrier, étant prévue pour recevoir le moteur (M) électrique sans balai .
12. Véhicule ou sous-ensemble de véhicule comprenant au moins un frein selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 ou un dispositif mécatronique d'actionnement selon l'une quelconque des revendications 4 à 8.
13. Procédé de commande du moteur d'un actionneur linéaire selon l'une quelconque des revendications 4 à 8 ou de commande d'un moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour entraîner en rotation un actionneur linéaire de garniture de frein avec un couple moteur produisant dans ledit actionneur un effort linéaire de serrage, sous l'effet d'une commande de freinage visant à produire un effort linéaire d'une valeur cible correspondant à un couple moteur cible,
- une phase d'activation du premier stator (610) pour fournir un premier couple individuel (c610) dans un premier sens, et
- si la valeur dudit couple moteur cible dépasse un premier seuil déterminé (T0) dit seuil d'activation, une phase d'activation du deuxième stator (620) pour fournir un deuxième couple individuel (c620) dans le même premier sens et s'ajoutant audit premier couple individuel ; permettant ainsi de produire à la demande un couple cible supérieur audit premier seuil (T0), tout en limitant les contraintes imposées au deuxième stator. 15. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier seuil (T0) est déterminé pour être :
- à une demande de freinage de stationnement en activant au moins le deuxième stator (620), avec ou sans alimentation du premier stator. permettant ainsi de produire à la demande un couple cible égal au couple maximal nécessaire au frein de stationnement, tout en limitant les contraintes imposées au deuxième stator. 16. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier seuil (T0) est déterminé pour être inférieur au couple maximal nécessaire pour une utilisation en frein de service en situation d'urgence ; et en ce que le procédé réagit à une demande de freinage de service en situation d'urgence assortie d'une demande de couple moteur cible supérieure au premier seuil (T0) en activant le premier stator et le deuxième stator dans le même sens, notamment de façon simultanée ;
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que le premier seuil (T0) est déterminé pour être supérieur au couple maximal nécessaire pour une utilisation en frein de service en conditions normales de circulation ; et en ce que le procédé réagit à une demande de freinage de service assortie d'une demande de couple moteur cible inférieure au premier seuil (T0) :
o inférieur à un ratio déterminé du couple moteur maximal dudit deuxième stator, ledit ratio valant notamment 30% voire
19. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend une phase d'activation du premier stator pour produire un déplacement dans un premier sens, et une phase d'activation du deuxième stator, dite de ralentissement, qui est orientée pour produire un couple dans un sens opposé au sens du déplacement, dit contre-couple, et est déterminée pour ralentir ledit déplacement,
« Dispositif mécatronique pour l'actionnement d'un dispositif de freinage, frein à disque et procédé de freinage associés»
L'invention se rapporte à un moteur électrique sans balai pour actionneur de frein, dont le rotor porte des aimants permanents circulant entre deux stators concentriques, lesquels sont alimentés et commandés de façon indépendante. L'invention porte en outre sur un dispositif d'actionneur de frein, mixte ou entièrement électrique, comprenant un tel moteur. Elle porte en outre sur un procédé de mise en oeuvre d'un tel actionneur, comprenant plusieurs scénarii pouvant être combiné sur un même actionneur et choisis selon les besoins, et comprenant : alimentation d'un seul stator en frein de service, alimentation des deux stators dans le même sens en freinage d'urgence ou de stationnement, ou alimentation des deux stators dans des sens différents au cours d'un processus de régulation automatisé.
Le domaine de l'invention concerne les actionneurs dotés d'une motorisation électrique, et plus particulièrement les groupes motoréducteurs pour des usages embarqués dans des dispositifs de freinage de véhicules routiers, plus particulièrement des véhicules automobiles légers et utilitaires, et notamment à quatre roues.
La fonction de frein de stationnement consiste à maintenir un véhicule immobilisé de façon continue pendant de longues durées. La fonction de frein de secours consiste à ralentir un véhicule en mouvement de façon exceptionnelle, par exemple en cas de défaillance du circuit de commande du frein de service. Très souvent, ce fonctionnement est réalisé par le même mécanisme que le frein de stationnement, et le plus souvent uniquement sur les freins arrière. De manière classique, les freins sont en général actionnés par une pression hydraulique pour les freins de service, et pour les freins de stationnement par traction d'un câble en général à l'aide d'un levier à cliquet.
Afin de gagner en compacité et de réduire le nombre de pièces, l'intégration complète des mécanismes d'actionnement, et plus particulièrement des groupes motoréducteurs, dans le mécanisme de base du frein, c'est à dire la partie qui est directement située sur ou autour de la roue, est aujourd'hui un axe de développement très prometteur.
Qu'il s'agisse de freins à disque ou de freins à tambour, la cinématique de ces mécanismes utilise un déplacement assez faible mais nécessite un effort de serrage assez important. Pour cette raison, les motorisations électriques sont souvent choisies à vitesse de rotation élevée, ce qui permet de limiter leur taille et leur poids pour une puissance donnée, mais oblige à prévoir une très grande démultiplication.
Concernant la partie motorisation, deux grandes familles d'actionneurs peuvent être identifiées :
Les actionneurs non intelligents comprennent généralement un moteur à courant continu à balai avec un capteur de position qui peut se résumer à une piste résistive associée à un curseur. La partie intelligente en charge de l'asservissement de position, se trouve dans une électronique déportée appelée ECU (Electronic Control Unit).
Ainsi, dans les solutions utilisant des actionneurs non intelligents, un ECU lit le signal de position fourni par un capteur de position accouplé à la sortie mécanique de l'actionneur, puis calcule un signal d'effort et de direction appliqué à un moteur à courant continu à balai. La sortie mécanique est accouplée à un organe extérieur à mouvoir. L'action sur le moteur est transmise à la sortie mécanique de l'actionneur par l'intermédiaire d'un étage mécanique réducteur de vitesse sans glissement ou chaîne cinématique rigide. Ainsi cette boucle fermée permet d'asservir en position la sortie mécanique de l'actionneur. Les connexions entre l'ECU et l'actionneur sont peu nombreuses : deux fils pour le moteur à courant continu à balai, dont le signal différentiel (qui correspond en fait à la puissance) entre ces deux fils peut être un signal positif ou négatif, et trois fils pour le capteur de position, dont une masse et un signal positif pour l'alimentation et un pour le signal de position. Le capteur de position peut être aussi un capteur à deux fils qui mesurent la variation de la résistance dans une cellule à effet Hall et qui utilise un aimant qui tourne avec le moteur. Le moteur à courant continu répond aux signaux d'effort et direction fournis par l'ECU au travers d'un pont de puissance constitué de transistors.
Les actionneurs dits « smart » ou actionneurs intelligents, qui comprennent un microcontrôleur en charge de la fonction d'asservissement de position. Généralement ce type d'actionneur est piloté soit par un signal à modulation de largeur d'impulsion, ou un bus de communication LIN ou CAN ou Flex Ray reconnus comme des standards dans le domaine automobile.
Ainsi, dans les solutions de type intelligentes, le principe est de piloter, uni-directionnellement, un moteur à courant continu sans balai triphasé à l'aide de deux fils, dont un fil de référence (la masse ou OV) et un fil de signal d'effort. Une alimentation externe délivre le signal d'effort qui peut être continu ou haché. L'électronique de commutation est autoalimentée par une alimentation rechargeable prenant son énergie sur le signal d'effort. Pour les applications automobiles proches du moteur thermique telles que par exemple les vannes « wastegate » d'un système turbo, les solutions utilisant des actionneurs non intelligents sont de loin préférées aux solutions de type « smart » pour des raisons de compatibilité à forte température des composants électroniques, notamment le microcontrôleur.
Toutefois, le moteur à courant continu sans balai est aujourd'hui répandu et préféré parce qu'il offre par rapport au moteur à courant continu à balai l'énorme avantage d'une durée de vie très supérieure, d'une compacité bien meilleure et d'un risque très faible de perturbation électromagnétique.
Les moteurs sans balai sont souvent utilisés dans la structure de moteur à courant continu sans balai monophasé avec une bobine ou deux demi-bobines. Une électronique simple pouvant être intégrée à proximité du moteur, voire dans le boîtier constituant le moteur, gère l'auto-commutation du dit moteur à partir du signal fourni par une ou deux sondes à effet Hall .
Ces moteurs à courant continu sans balai monophasé sont principalement employés pour des ventilateurs ou pompes ne nécessitant qu'un seul sens de rotation. En effet, le moteur monophasé à courant continu sans balai et son électronique de pilotage n'est pas adapté pour les applications de positionnement requérant sans cesse une correction de position sollicitant une rotation bidirectionnelle du moteur.
C'est pourquoi, dans les applications sollicitant une rotation bidirectionnelle, il est nécessaire d'employer des moteurs à courant continu sans balai polyphasés. Ce sont généralement des moteurs à trois phases connectées soit en étoile ou soit en triangle laissant ainsi trois points de connexion pour l'alimentation du moteur. L'auto-commutation d'un moteur à courant continu sans balai pour une application de positionnement, nécessite l'utilisation de trois sondes permettant de connaître la position du rotor moteur. On peut utiliser aussi un capteur de rotation avec une cellule à effet Hall muiti boucles et un aimant pour avoir le sens et la vitesse avec une grande précision. Concevoir un actionneur non intelligent avec un moteur à courant continu sans balai, en lieu et place du moteur à courant continu avec balai nécessite l'utilisation d'un ECU adapté et conçu pour le pilotage de moteur triphasé à savoir un pont triphasé avec six transistors et cinq points de connexion avec les sondes rotor. Les systèmes d'asservissement en position requièrent un contrôle bidirectionnel de la rotation du moteur.
En outre, et notamment en situation d'urgence, il est parfois nécessaire d'être en mesure d'actionner rapidement le dispositif de freinage. Le délai maximal autorisé, pour satisfaire les exigences de sécurité, entre la demande de freinage d'urgence et le moment où le dispositif de freinage est en mesure de délivrer l'effort utile, est typiquement de quelques dizaines de millisecondes.
On estime que l'effort développé pour un freinage d'urgence doit, pendant ce court laps de temps, être de l'ordre de 5 à 10 fois plus élevé que l'effort nécessaire pour un freinage normal.
De manière similaire, lorsqu'une forte accélération du véhicule est requise, il devient nécessaire d'annuler très rapidement l'effort de freinage.
Enfin, compte tenu des exigences de fiabilité, il est nécessaire de prévoir une électronique fiable au niveau du dispositif motoréducteur.
Un but de l'invention est de pallier les inconvénients de l'état de la technique, et en particulier de fournir un dispositif motoréducteur à la fois fiable et performant, pour tous types de frein, en particulier électriques, et en particulier pour les freins à disque.
Cet objectif est recherché conjointement avec des avantages en matière de grande réduction, un faible poids et encombrement, simplicité, coût de fabrication et d'entretien.
L'objet de l'invention est de proposer un groupe motoréducteur mû par un moteur à courant continu sans balai tout en conservant les avantages des systèmes basés sur un moteur à courant continu à balais et tout en augmentant la réactivité du dispositif de freinage.
La présente invention concerne un système de commande alimenté par une source d'énergie pilotant un dispositif motoréducteur à mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation. Un capteur mesure la position linéaire à la sortie mécanique de l'actionneur, position qui sera asservie par le système de commande.
L'actionneur est mû par un moteur à courant continu sans balai tout en conservant des éléments similaires à ceux d'un moteur à courant continu à balais. L'actionneur est relié au système de commande par l'intermédiaire d'un connecteur ou d'une connexion regroupant les signaux analogiques et/ou numériques provenant du capteur de position, ainsi que les signaux (c'est-à-dire les alimentations) combinant la direction et le couple à produire par le moteur sans balai.
L'invention propose ainsi un moteur électrique pour actionneur de frein, du type sans balai comprenant un rotor solidaire d'un inducteur monté en rotation entre un premier stator et deuxième stators concentriques, formant pour l'un un stator intérieur et pour l'autre un stator extérieur, l'inducteur portant un premier ensemble d'aimants permanents agencés pour interagir avec le premier stator et agencés pour interagir avec lui et un second ensemble d'aimants permanents disposés du côté du second stator et agencés pour interagir avec lui, de sorte que les premier et deuxième ensembles d'aimants permanents circulent entre les deux stators concentriques pour pouvoir interagir avec eux. Selon l'invention, ledit moteur est agencé pour alimenter électriquement lesdits premier et deuxième stators selon une répartition d'alimentation choisie sélectivement parmi une pluralité de répartitions d'alimentation, en intensité et/ou en direction de rotation.
D'autres particularités de l'invention sont divulguées dans les revendications.
Contrairement à l'état de la technique, dans lequel la puissance du moteur est calculée pour pouvoir répondre aux besoins d'effort de toutes les fonctions de freinage (par exemple en frein de service et en frein de parking), l'invention exploite le fait que le besoin le plus fréquent ne porte que sur de faibles puissances, pour la majorité des opérations de freinage. Elle permet ainsi de ne dimensionner certaines parties du moteur que popur la puissance nécessaire, ce qui permet une optimisation de l'énergie électromécanique et une optimisation de dimensionnement du moteur et de l'actionneur sur de nombreux plans.
La présente invention apporte une solution économique, compacte et souple à la substitution d'un moteur à courant continu avec balai par un moteur à courant continu sans balai, en répondant aux critères suivants : de conserver une commande déportée existante (ECU), sans aucune modification que ce soit matérielle ou logicielle,
de garantir une durée de vie importante pour le groupe motoréducteur,
- un pilotage bidirectionnel du moteur,
de limiter les composants électroniques (simple et robuste) embarqués dans le groupe motoréducteur,
de garantir une bonne compatibilité électromagnétique et une résistance aux températures ambiantes,
- de limiter le nombre de composants permettant ainsi une intégration à forte compacité,
gain sur le poids du groupe motoréducteur,
de garantir une grande réactivité et une grande fiabilité,
d'utiliser à minima l'énergie en fonction du besoin
Selon certaines caractéristiques, le moteur électrique sans balai peut être un moteur polyphasé à N phases, dont les stators concentriques sont constitués de N bobines unipolaires ou bipolaires ou 2xN demi-bobines unipolaires.
Les moteurs polyphasés à N phases constituent un mode préféré dans la mesure où ils sont réversibles et pilotables dans les deux sens de rotation.
Dans ce cas, un circuit électronique rudimentaire résistant à de forte température (> 125°C), gère l'auto- commutation des N phases du moteur à l'aide de N sondes renseignant la position du rotor du moteur. L'objectif de la solution décrite ci-après est de proposer un compromis technologique permettant de répondre aux problématiques citées précédemment proposant une solution économique ne nécessitant qu'un microcontrôleur pour le pilotage des phases en utilisant le signal des sondes, et permettant l'emploi d'un moteur à courant continu sans balai en lieu et place d'un moteur à courant continu avec balai, tout en gardant la possibilité d'utiliser un moteur polyphasé réversible et de le piloter dans les deux sens de rotation. L'invention se destine donc à tout moteur polyphasé à N phases.
Selon un autre aspect, l'invention propose en outre un dispositif mécatronique formant un actionneur pour appliquer au moins une garniture de frottement contre une piste de frottement d'un dispositif de freinage de véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur tel qu'exposé ici, et un mécanisme transformant un mouvement de rotation dudit moteur en un mouvement de translation appliqué à ladite garniture de frottement pour réaliser le freinage.
L'invention se rapporte aussi à un dispositif mécatronique pour l'actionnement d'au moins une garniture de frottement contre une piste de frottement d'un dispositif de freinage de véhicule, le dispositif comprenant une unité de commande, un mécanisme à entraînement électrique transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation, doté d'un train épicycloïdal, caractérisé en ce que le train épicycloïdal est entraîné en rotation (C5) suivant un axe de rotation (Al) par un moteur électrique sans balai conforme à l'invention.
Selon certaines caractéristiques, l'unité de commande peut comprendre un pont de puissance délivrant un signal électrique bifilaire, un algorithme pilotant ledit pont, des sondes de détection binaires de la position du rotor du moteur, des interrupteurs de puissance aptes à alimenter les phases du moteur à partir du signal électrique bifilaire.
Selon d'autres caractéristiques, le mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation comprend un mécanisme vis-écrou permettant au moins une poussée axiale d'arrière en avant de la garniture de frottement selon un déplacement linéaire et suivant l'axe de rotation lorsqu'il est entraîné en rotation suivant l'axe de rotation par le train épicycloïdal formant au moins un étage de réduction.
Selon d'autres caractéristiques encore, le train épicycloïdal peut inclure un groupe de satellites en rotation selon l'axe autour d'un pignon planétaire et à l'intérieur d'une couronne circulaire coaxiale audit train planétaire, où lesdits satellites sont portés par un porte-satellites et engrènent à la fois avec une denture extérieure dudit pignon planétaire et avec une denture intérieure, formée dans ladite couronne circulaire selon un premier motif présentant une première orientation déterminée,
ledit train épicycloïdal entraînant un élément fileté mâle qui lui est coaxial, lequel coopère avec un filetage femelle formé dans la surface intérieure de ladite couronne selon un deuxième motif présentant une deuxième orientation différente de la première orientation, ladite couronne formant ainsi une couronne filetée qui coopère avec ledit élément fileté mâle pour former ledit mécanisme vis-écrou, ladite couronne présentant ainsi des reliefs de filetage femelle entrecroisés avec des reliefs de denture intérieure pour former une denture croisée qui est apte à fonctionner aussi bien en denture de couronne de train épicycloïdal qu'en filetage d'écrou.
Selon d'autres caractéristiques encore, la couronne filetée peut être solidaire de ou bien former un piston de frein qui est maintenu fixe en rotation et est agencé pour que son déplacement exerce un effort de serrage par déplacement linéaire de la garniture de frottement vers la piste de frottement.
Selon d'autres caractéristiques encore, le mécanisme vis-écrou peut être un mécanisme autobloquant en ce sens que lorsque le moteur entraîne suivant une poussée axiale d'arrière en avant l'écrou, ce dernier reste dans sa position après l'arrêt du moteur.
Alternativement, le mécanisme vis-écrou peut être un mécanisme selon lequel l'écrou revient à sa position initiale après l'arrêt du moteur.
Selon encore un autre aspect, l'invention propose un frein de véhicule routier comprenant un actionneur tel qu'exposé ici, qui est agencé pour réaliser sélectivement la fonction de frein de service et de frein de stationnement par entraînement uniquement électrique.
Alternativement, l'invention propose un frein de véhicule routier comprenant un actionneur tel qu'exposé ici, qui est agencé pour réaliser uniquement la fonction de frein de stationnement et/ou de secours, notamment avec une fonction de frein de service réalisée par pression hydraulique.
L'invention a également pour objet un frein à disque comportant un étrier doté de deux branches en vis-à-vis qui chevauchent la périphérie d'un disque de frein, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif mécatronique selon l'invention.
Selon certaines caractéristiques, l'arbre d'actionneur coaxial au piston, peut être prévu pour traverser l'une desdites branches d'étrier et pour porter un flasque d'appui agencé pour prendre un appui axial sur ladite branche depuis l'intérieur de l'étrier. Dans ce cas, la partie d'extrémité dudit arbre, située du côté intérieur de l'étrier, porte l'étage de réduction épicycloïdal et le piston de frein .
De même, la partie d'entrée dudit arbre, située du côté extérieur de l'étrier, est prévue pour recevoir le moteur électrique sans balai.
L'invention a également pour objet un véhicule ou sous-ensemble de véhicule comprenant au moins un frein ou un dispositif mécatronique d'actionnement de frein selon l'invention. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de commande du moteur d'un actionneur linéaire selon l'invention, ou de commande d'un moteur selon l'invention pour entraîner en rotation un actionneur linéaire de garniture de frein avec un couple moteur produisant dans ledit actionneur un effort linéaire de serrage, sous l'effet d'une commande de freinage visant à produire un effort linéaire d'une valeur cible correspondant à un couple moteur cible.
Selon l'invention, ce procédé comprend au moins une phase d'activation du premier stator et une phase d'activation du deuxième stator produisant chacune un couple moteur dit individuel, et lesdites phases d'activation sont différentes entre elles, dans le temps et/ou dans l'intensité leurs couples moteurs individuels respectifs et/ou dans le sens de leur couples moteurs individuels respectifs.
Selon une famille de modes de réalisation de ce procédé, dite à couples conjugués, les deux stators du moteur sont commandés pour fournir un couple moteur individuel appliqué dans le même sens pour les deux stators.
Selon une telle particularité, le dispositif mécatronique comprend une unité de commande, un moteur électrique, un mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation à entraînement électrique doté d'un train épicycloïdal, dans lequel :
le train épicycloïdal est entraîné en rotation suivant un axe de rotation par le moteur électrique,
le train épicycloïdal forme au moins un étage de réduction pour entraîner en rotation suivant l'axe de rotation le mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation, le mécanisme transforme un mouvement de rotation en un mouvement de translation permettant au moins une poussée axiale d'arrière en avant de la garniture de frottement selon un déplacement linéaire et suivant l'axe de rotation,
- le moteur électrique est un moteur électrique sans balai dont le rotor anime en rotation des aimants permanents entre un premier et un second stators, lesdits stators étant concentriques entre eux.
Selon cette particularité de l'invention, l'unité ECU commande l'alimentation du premier stator lorsqu'un effort de freinage inférieur à un premier seuil T0 est requis.
Selon certaines caractéristiques, lorsqu'un effort de freinage supérieur à un deuxième seuil Tl est requis, l'unité ECU peut commander l'alimentation synchronisée du premier et du second stator, de sorte que l'effort de freinage total correspond à la somme des efforts de freinage qui seraient obtenus respectivement avec l'alimentation du premier et du second stator. Le deuxième seuil est par exemple choisi comme égal à ou dépendant du couple maximal que peut fournir le deuxième stator.
Selon d'autres caractéristiques, le premier seuil T0 peut être égal à 8 kN. Selon d'autres caractéristiques encore, le deuxième seuil Tl peut être égal à 12 kN.
Selon une autre famille de modes de réalisation de ce procédé, dite à contre-couple, les deux stators sont commandés pour fournir un couple moteur individuel appliqué dans des sens opposés entre les deux stators, successivement mais possiblement aussi simultanément. On notera que les modes de réalisation à contre-couple peuvent être combinés avec les procédés à couples conjugués, dans un même procédé et sur un même actionneur.
Selon des particularités de cette famille de modes de réalisation, les deux stators sont commandés en opposition pour réduire ou limiter la vitesse de déplacement du piston, ou arrêter plus vite son déplacement, ou renverser son déplacement de façon rapide, souple et fiable. Liste des figures
- la FIGURE 1 est une vue schématique du principe d'un étrier de frein à disque comprenant un dispositif mécatronique doté d'un mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation et d'un moteur électrique,
- la FIGURE 2 est une vue schématique du principe de fonctionnement du dispositif mécatronique selon un premier mode de fonctionnement, o en (a) : en coupe longitudinale du moteur en (a) et
o en (b) : par une courbe de couple moteur individuel en fonction de l'intensité électrique fournie, pour le stator intérieur, et
o en (c) : par une courbe de couple moteur individuel en fonction de l'intensité électrique fournie, pour le stator extérieur ;
- la FIGURE 3 est une vue schématique du principe de fonctionnement du dispositif mécatronique selon un deuxième exemple de mode de fonctionnement, en coupe longitudinale (a) et par sa courbe couple/intensité (b) ;
- la FIGURE 4 est une vue schématique du principe de fonctionnement du dispositif mécatronique selon un troisième exemple de mode de fonctionnement, en coupe longitudinale (a) et par deux variantes (b) et (c) de sa courbe couple/intensité ;
- la FIGURE 5 est une vue plus détaillée, en coupe longitudinale, d'un du moteur selon un exemple de mode de réalisation de l'invention ;
- la FIGURE 6 est un schéma de principe illustrant la commande et l'alimentation du dispositif mécatronique, dans un mode de réalisation préféré de l'invention ;
- la FIGURE 7 est une vue en coupe d'un étrier de frein à disque muni d'un exemple de mode de réalisation du dispositif mécatronique d'actionnement de l'invention, appliqué à un frein à disque, de type électrique pur ou à frein de service hydraulique, dans lequel le mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation est réalisé par un double train épicycloïdal entraînant un mécanisme vis-écrou intérieur au piston de frein ;
- la FIGURE 8 est une vue à l'échelle en perspective du moteur selon l'invention.
La FIGURE 1 représente le principe d'un étrier de frein à disque sur lequel est monté un dispositif mécatronique doté d'un mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation A et d'un moteur électrique M . L'étrier 2 peut être à montage flottant à un seul piston 1 actionné uniquement par un dispositif mécatronique selon l'invention, réalisant ainsi un étrier de type tout électrique, pour le freinage de service et pour le frein de stationnement. D'autres configurations sont prévues, par exemple avec plusieurs pistons et/ou plusieurs actionneurs, en version flottante ou en version fixe, possiblement combiné(s) avec un ou plusieurs pistons hydrauliques.
Du côté extérieur de l'étrier, l'arbre d'actionneur 5 est entraîné en rotation C5 par un moteur M qui comporte un rotor 630 animant en rotation des aimants permanents entre un premier stator 610 et un second stator 620.
Du côté intérieur de l'étrier, cet actionneur comprend une partie de réduction épicycloïdale DPR, qui entraîne en rotation C4 un mécanisme vis- écrou NS lequel restitue un déplacement linéaire PI du piston 1.
De manière plus détaillée, la FIGURE 7 représente une vue en coupe d'un mode de réalisation particulier du mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation A dans laquelle l'actionneur est monté dans un étrier 2 de frein à disque comprenant deux branches en vis-à-vis qui chevauchent la périphérie d'un disque de frein (non représenté). L'actionneur comprend un arbre d'actionneur 5, coaxial au piston 1, et qui est prévu pour traverser l'une 202 desdites branches d'étrier et porte un flasque d'appui 52 agencé pour prendre un appui axial sur ladite branche depuis l'intérieur de l'étrier.
La partie d'extrémité 55 dudit arbre, située du côté intérieur de l'étrier, porte l'étage de réduction épicycloïdale DPR et le piston de frein 1. La partie d'entrée 51 dudit arbre, située du côté extérieur de l'étrier, porte ou est prévue pour recevoir le moteur M.
Du côté intérieur de l'étrier, l'actionneur A comprend une partie de réduction épicycloïdale DPR, qui entraîne en rotation C4 un mécanisme vis- écrou NS lequel restitue un déplacement linéaire PI du piston 1.
La partie de réduction épicycloïdale DPR comprend un premier PR2 et un deuxième PR3 trains épicycloïdaux monté en série, chacun entraîné en entrée par son pignon planétaire 31, 41. Ces deux trains fournissent chacun une réduction en sortie par leur porte-satellites 33, 43, et leurs satellites 32, 42 engrènent selon la première orientation Dl avec la denture 101 du piston 1, ici une denture droite c'est à dire longitudinale. Alternativement, cette denture est aussi prévue en version hélicoïdale, et peut être de tout type de profils pouvant être employé pour une telle couronne de train épicycloïdal.
Le mécanisme vis-écrou NS est entraîné en rotation par le porte- satellites 43 de sortie de la partie de réduction DPR. Le piston 1 est fixé en rotation, par exemple par des encoches ménagées sur la face d'appui du fond du piston.
Sous l'effet de la rotation C4 imprimée par l'étage de réduction DPR, ce piston 1 est déplacé en translation longitudinale (ici vers la droite dans le sens du serrage) par coopération de sa denture intérieure 101 selon la deuxième orientation D2 avec un élément fileté entraîné en rotation par le porte-satellites 43 du deuxième train épicycloïdal. Dans certains modes de réalisation, cet élément fileté est par exemple solidaire avec le porte- satellites 43. Dans l'exemple présenté ici, c'est le porte-satellites 43 lui- même qui porte un filetage mâle 431 formé dans la même pièce que celle qui porte ou forme les arbres des satellites 42.
Lorsque la vis formée par le porte-satellites 43 se déplace sur le piston 1 dans le sens du serrage, ce dernier avec un effort Fl appuie sur la garniture de frottement. De façon connue, cette dernière enserre ainsi la piste de frottement d'un disque de frein avec une autre garniture de frottement, laquelle prend appui dans la direction opposée sur les doigts d'étrier 201.
En réaction à cet effort de serrage, le porte-satellites 43 reçoit un effort axial dirigé dans le sens opposé. Il transmet cet effort axial par sa face située du côté de rétrier (ici sur la gauche de la figure) à l'arbre d'actionneur 5, lequel le transmet au boîtier d'étrier 20 par un flasque 52 dépassant radialement et qui est solidaire de l'arbre 5.
Selon un mode particulier, le mécanisme vis-écrou peut être un mécanisme autobloquant en ce sens que lorsque le moteur entraîne suivant une poussée axiale d'arrière en avant l'écrou, ce dernier reste dans sa position après l'arrêt du moteur.
La figure 5 représente un détail du moteur à courant continu sans balai M, selon un mode avantageux de l'invention, soit un moteur N polyphasé. La figure 8 représente ce même moteur à l'échelle, en perspective et écorché, abstraction faite des flasques intérieurs 611 et 621 des stators 610 et 620.
La figure 6 représente un schéma électronique selon un mode de réalisation de l'invention, dans lequel une source d'énergie (telle que la batterie 70 du véhicule ou bien l'alternateur) alimente une unité de commande ECU pilotant un dispositif mécatronique composé d'un moteur à courant continu sans balai M, N polyphasé à double bobinage associé à un mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation 1. Un capteur 74 couplé à la sortie mécanique 55 de l'actionneur, retourne l'information de position à l'unité de commande qui agit sur les signaux combinés d'effort et de direction regroupés dans un connecteur de liaison 75. La partie connectique dédiée aux capteurs de position du piston est ici représentée en figure 8 par les trois connecteurs 72.
La position du rotor du moteur est lue à l'aide de N sondes 73 qui, par l'intermédiaire d'un circuit électronique rudimentaire 76, auto- commutent les N phases du moteur.
L'unité de commande, dans partie de commutation 76, comprend de préférence pour chaque stator un pont de puissance délivrant un signal électrique bifilaire, un algorithme pilotant ledit pont, des sondes de détection binaires de la position du rotor du moteur, des interrupteurs de puissance aptes à alimenter les conducteurs 77 de câblage des phases du moteur. Ces interrupteurs sont ainsi commandés par le pont, à partir du signal électrique bifilaire, par exemple de manière connue.
Dans cet exemple, comme illustré plus en détail en figure 8, les stators concentriques sont chacun constitués d'une pluralité de bobines 612 et respectivement 622 formant une pluralité de phases. Chaque stator est piloté en couple et/ou en vitesse par une électronique de commutation 76, solidaire desdits stators, qui reçoit une puissance électrique d'alimentation sous la forme d'une alimentation électrique continue et fournit auxdites bobine une alimentation polyphasée commutée qui dépend du couple et du sens de rotation demandé par une unité de commande ECU extérieure.
De façon préférée, cette unité de commande extérieure ECU fournit à l'électronique de commutation 76, pour chaque stator, une alimentation électrique continue 71 dont l'intensité et la polarité représentent respectivement le couple et le sens de rotation qui doivent être produits par ledit stator. De préférence, par l'intermédiaire de sa seule connectique de puissance 71, ici raccordée sous forme de fils souples par l'intermédiaire d'un connecteur 75, l'ECU fournit directement à chaque stator la puissance qui doit être mise en oeuvre sous forme de couple (en tenant compte des différentes pertes). Dans le moteur, l'électronique de commutation 76 se contente de réaliser le pilotage des phases en utilisant cette puissance pour fournir le couple qui correspond à la puissance reçue et à la polarité, pour chaque stator et indépendamment l'un de l'autre.
Ainsi, la commande du moteur M en lui-même ne nécessite aucune autre connexion que l'alimentation en puissance des deux stators. La totalité la connectique de commande ne nécessite pas de signaux numériques ou à courant faible, et peut donc se limiter à cette simple connectique de puissance, ici à trois connecteurs (comme illustré en figure 8) si l'on utilise pour les deux stators une masse commune (non représentée en figure 6).
L'ECU exécute un algorithme d'asservissement de position et génère les signaux d'effort et de direction 71 à destination du moteur qui agit sur la sortie mécanique 55 de l'actionneur 1.
Les moteurs polyphasés à N phases constituent un mode préféré dans la mesure où ils sont réversibles et pilotables dans les deux sens de rotation. Ceci est particulièrement important dans le cas où le mécanisme vis-écrou est un mécanisme autobloquant qui nécessite de solliciter le moteur en sens inverse pour faire reculer le piston lorsque le freinage n'est plus requis.
Dans ce cas, un circuit électronique rudimentaire résistant à de forte température (> 125°C), gère l'auto-commutation des N phases du moteur à l'aide de N sondes 73 renseignant la position du rotor 630 du moteur.
Un rotor 630 est solidaire d'un inducteur 631 en rotation entre un stator intérieur 610 et un stator extérieur 620. L'inducteur porte un ensemble d'aimants permanents du côté du premier stator 632 et un ensemble d'aimants permanents du côté du second stator 633. Le premier stator est constitué d'un ensemble de tôles et de bobines 612 maintenues dans un flasque intérieur 611. De même, le second stator est constitué d'un ensemble de tôles et de bobines 622 maintenues dans un flasque intérieur 621. La rotation du rotor par rapport aux stators prend appui sur des roulements 634 montés autour du rotor et à l'intérieur d'un flasque extérieur 623 renfermant les deux stators.
Les figures 2, 3 et 4 représentent divers modes d'exploitation du moteur électrique sans balai à double bobinage.
Comme on le comprend, la présence de deux ensembles électriquement indépendants, comprenant chacun une série de bobinages et d'aimants, est ici considérée et utilisée comme deux sous-ensembles moteurs, disposés de façon concentrique sur un même rotor et avec pilotages indépendants. On fait varier les champs magnétiques des deux stators indépendamment, selon les besoins.
Le principe est, qu'en mutualisant le circuit magnétique statorique ainsi que des éléments mécaniques tels que le rotor, les paliers et la structure (carter), une machine tournante de ce type est sensiblement plus compacte et plus légère qu'un ensemble de deux machines complètement indépendantes de performance totale équivalente, tout en offrant un niveau de tolérance élevé vis-à-vis des pannes électriques internes ou des pannes du convertisseur d'alimentation. L'utilisation d'une machine à double bobinage permet de plus de ne mettre en place qu'une unique machine tournante, ce qui simplifie le montage sur l'étrier de freinage et diminue la masse globale de l'actionneur. Plusieurs utilisations différentes sont prévues, y compris sur un même système et véhicule. Ainsi, le moteur global augmente son couple en fonction du besoin, en alimentant différemment les stators selon les besoins, et par exemple :
- alimentation du premier stator uniquement, par exemple lorsqu'un effort de freinage inférieur à un premier seuil T0 est requis, par exemple jusqu'à 8 kN pour une décélération de 1 G ;
- alimentation du deuxième stator seul, par exemple en remplacement du premier stator et/ou tant que l'effort requis est inférieur à sa capacité ;
- alimentation du premier stator et du deuxième stator dans le même sens, par exemple lorsqu'un effort de freinage supérieur au premier seuil T0 est requis, par exemple pour aller jusqu'à 12 kN en freinage de service et jusqu'à 30 kN pour la fonction frein de parking.
- alimentation du premier stator et du deuxième stator en sens opposés, de façon désynchronisée et possiblement décalée dans le temps, par exemple pour fournir un "contre-couple" et obtenir un arrêt rapide du moteur ou un changement rapide de son sens de déplacement.
Exemple de combinaison à dimensionnement optimisé
Un tel moteur est prévu par exemple pour une application portant sur un actionneur électrique de frein cumulant les fonctions de frein de service, par exemple sans aucune commande hydraulique.
Les contraintes de ces deux fonctions présentent des différences notables, par exemple en matière d'effort requis, de fréquence d'utilisation et de durée de vie.
Ainsi, un frein de service doit pouvoir être actionné très fréquemment, dans un environnement à haute température, avec une durée de vie de l'ordre de deux millions de cycles et un effort d'application pouvant aller jusqu'à 8 kN.
De son côté, le frein de stationnement est actionné bien moins fréquemment et moins souvent. Pour un même véhicule, il sera prévu pour une longévité de l'ordre de cent mille cycles, mais doit pouvoir fournir un effort beaucoup plus important pour ne pas risquer de desserrage en cours de stationnement, allant par exemple jusqu'à 20 kN. Dans l'exemple illustré ici, il est ainsi prévu de dimensionner les deux stators selon la configuration suivante.
Le premier stator, par exemple mais non obligatoirement le stator intérieur 610, est dimensionné et agencé pour fournir une première valeur de couple et puissance suffisante pour assurer la fonction de frein de service, au moins en utilisation normale, sur la durée de vie requise pour cette fonction. Ce couple pourra être par exemple de l'ordre de 1 Nm à 7000 t/mn. Le deuxième stator, par exemple le stator extérieur 620, est dimensionné et agencé pour fournir une deuxième valeur de couple et puissance, par exemple de deux à trois fois supérieure au couple du premier rotor.
Comme illustré par exemple en Figure 2, le premier stator 610 sera alimenté (hachuré sur le schéma (a)) et utilisé seul pour le freinage de service. Sur la courbe (b), dans laquelle la variable de temps n'est pas représentée, on voit que l'intensité est fournie seulement au premier stator 610 qui fournit un couple limité à une valeur maximale T610. Comme illustré par la courbe (c), le deuxième stator 620 est capable de fournir à lui seul un couple d'une valeur maximale T620 qui est supérieure à la valeur maximale T610 du premier stator 610.
Comme illustré en Figure 3, le deuxième stator 620 sera alimenté (hachuré en (a)) et utilisé en plus du premier stator 610, pour obtenir un couple total d'application du frein T610+T620 qui est plus élevé que l'effort T610 applicable par le premier stator seul, par exemple pour un freinage d'urgence ou en tant que frein de stationnement et/ou de secours, et par exemple uniquement pour tout ou partie de ces fonctions. Sur la courbe (b), dans laquelle la variable de temps n'est pas représentée, on voit que l'intensité fournie au deuxième stator 620 vient produire un couple qui s'additionne à celui du premier stator 610. Ce couple supplémentaire est illustré par une deuxième courbe de couple c620 qui prolonge la première courbe de couple c610 pour monter jusqu'à une valeur maximale plus élevée.
Pour cette fonction, l'ECU va alimenter dans le même sens le premier stator et le deuxième stator, simultanément ou possiblement en décalé voire l'un après l'autre. Le moteur global pourra ainsi fournir un effort total de l'ordre de trois à quatre fois celui du premier stator, permettant d'atteindre l'effort requis pour le stationnement, ou de fournir un supplément d'effort pour un freinage de service exceptionnel. Selon une autre option, pouvant être combinée avec la précédente, l'ECU va alimenter uniquement le deuxième stator, si sa capacité est suffisante à lui seul ou en cas de défaillance du premier stator.
Etant utilisé moins souvent et dans des conditions moins intenses, ce deuxième stator 620 pourra être dimensionné de façon moins généreuse (par exemple en terme de refroidissement ou d'usure) que le premier 610 ce qui constitue un gain intéressant, par exemple en termes d'encombrement, poids et coût.
Exemple d'utilisation en contrecouple
Un tel moteur, possiblement sur un même véhicule, est aussi prévu pour réaliser une utilisation en régulation, y compris dans un frein tout électrique, par exemple pour un antiblocage de roues comme celui habituellement désigné par "ABS" (marque déposée), ou un contrôle automatique de motricité ou de stabilité, tel qu'un système de gestion de trajectoire habituellement désigné par "ESP" (marque déposée). Ce type d'application nécessite des mouvements rapides et répétés, dans des sens opposés, et des arrêts et démarrages très rapides du moteur.
Lors d'un déplacement produit dans un premier sens par l'un des stators, l'ECU va par exemple alimenter l'autre stator dans le sens inverse pour fournir un contre-couple et provoquer un arrêt rapide du déplacement, par exemple par une impulsion d'alimentation.
Possiblement sur un même actionneur, lors d'un déplacement produit dans un premier sens par l'un des stators par une première alimentation, l'ECU va par exemple provoquer une inversion rapide du sens de déplacement, en alimentant l'autre stator avec une intensité calculée pour provoquer un couple inverse de valeur supérieure au couple produit par le premier stator, par exemple par une deuxième alimentation déclanchée lors de l'arrêt de la première alimentation voire légèrement anticipée.
Une telle inversion rapide aussi prévue par exemple en maintenant l'un des stators activé pendant une période prolongée dans le sens du freinage, par exemple le stator de frein de service 610, lors d'une manoeuvre de freinage. Par exemple lorsque l'antiblocage détecte un blocage d'une roue, une inversion est momentanément obtenue, afin de permettre le déblocage de la roue, en activant momentanément l'autre stator avec un couple plus fort, par exemple le deuxième stator 620.
Un tel fonctionnement à contre-couple est par exemple illustré en Figure 4, dans laquelle la variable de temps n'est pas représentée. Une intensité est utilisée pour une activation du premier stator 610 (hachuré en (a)) et fournir un couple c610 dans le sens montant vers la droite sur la courbe (b) et (c), tandis qu'une autre partie de l'intensité est utilisée pour activer le deuxième stator 620 dans l'autre sens (hachuré en sens inverse en (a)) et fournir un couple c620 dans le sens montant vers la gauche sur la courbe (b) et (c).
Sur la courbe (b), le couple "négatif" commandé pour le deuxième stator 620 est équivalent au couple "positif" du premier stator 610. Il permet ainsi de diminuer le couple global voire d'arrêter le mouvement, ici sans désactiver le premier stator 610 ce qui simplifie la mise en oeuvre et la programmation et peut apporter une meilleure fiabilité de fonctionnement global puisque la commande globale de freinage n'a pas à être désactivée.
Sur la courbe (c), le couple "négatif" commandé pour le deuxième stator 620 est plus fort que le couple "positif" du premier stator 610. Dans un cas où l'on souhaite un arrêt rapide, ce couple négatif sera commandé suffisamment faible et maintenu sur une durée suffisamment courte pour contrer simplement l'inertie de mouvement de l'actionneur et de sa chaîne cinématique.
Dans un cas où l'on souhaite un déplacement en sens inverse, ce couple négatif sera commandé suffisamment fort et/ou suffisamment longtemps pour obtenir un déplacement inverse, possiblement mais non nécessairement en annulant ou en diminuant l'alimentation du premier stator 610.
Comme on le comprend, en disposant de deux sens de motricité pouvant être opposés entre eux et commandés séparément, il est possible de produire n'importe quel décalage voire chevauchement temporel entre deux motricités antagonistes. Cette liberté de commande permet une bien plus grande souplesse de mise en oeuvre, des vitesses de réaction plus élevées et des intervalles de latence plus faibles.
Selon encore un exemple de mode de réalisation conforme à celui représenté en figure 2, le stator peut être dimensionné pour permettre un effort de freinage avec des performances supérieures à celles fournies par le premier stator. Ainsi, le dispositif de freinage est apte à un freinage d'urgence avec la seule alimentation électrique dudit deuxième stator, tout en gardant un dimensionnement raisonnable de l'ensemble, et en permettant toujours une redondance des capacités de freinage en cas de pannes du premier stator.
Encore selon encore un exemple de mode de réalisation représenté en figure 3, l'ECU est apte à piloter simultanément l'alimentation synchronisée (c'est à dire dans le même sens, ou conjuguée) du premier et du second stator. Cela permet une transition fine entre les deux actionnements en cas de détection de déficience dans le premier circuit, par exemple en répartissant l'intensité d'alimentation entre les deux stators. Cela permet aussi de commander un freinage utilisant les deux bobinages, ce qui est notamment utile en situation de freinage d'urgence (pour bénéficier d'un supplément de freinage par rapport à la conduite normale) ou bien pour la fonction frein de parking, puisqu'on peut alors bénéficier simultanément de l'addition des efforts de freinage développés par le couple additionné de chacun des deux stators.
Ce mode de réalisation est utilisé par exemple lorsqu'un effort de freinage supérieur à un second seuil Tl est requis. Ce seuil est généralement défini jusqu'à 12 kN pour la fonction freinage et jusqu'à 30 kN pour la fonction frein de parking.
Encore selon un exemple de mode de réalisation conforme à celui représenté en figure 4, l'ECU est apte à piloter simultanément l'alimentation désynchronisée (c'est à dire dans des sens antagonistes entre eux) du premier et du second stators. Cela permet d'annuler l'effort de freinage généré par le premier stator pendant tout ou partie de l'alimentation dudit premier stator, ou de freiner plus rapidement le mécanisme à l'interruption de l'alimentation dudit premier stator. Ceci est notamment utile en situation d'accélération d'urgence de l'actionneur où il devient nécessaire de réduire au maximum l'inertie du dispositif mécatronique, puisqu'on peut alors bénéficier simultanément des efforts opposés développés avec chacun des deux stators, ces efforts de freinage s'annulant. Comme on le comprend, l'invention permet de réaliser un freinage quasi immédiat des inerties au sein de l'actionneur de frein, par exemple pour faire de la régulation de façon électromécanique.
Elle permet aussi de bénéficier d'une redondance en cas de panne de l'un des stators, et améliore ainsi la sécurité de fonctionnement.
De façon générale, l'invention permet une utilisation du minimum d'énergie en fonction du besoin. Ainsi, pour une performance déterminée de puissance maximale, l'invention permet d'obtenir un moteur très compact, qui présente une seule pièce en mouvement puisque les deux stators utilisent le même rotor. En utilisant qu'une partie des circuits électriques pendant une grande partie du temps, on limite la dissipation thermique à sa juste valeur et on réduit la consommation de courant.
Il peut aussi être avantageux que le premier et le second stator soient respectivement alimentés par deux sources d'énergie distinctes. Cette configuration offre une plus grande sécurité en cas de défaillance d'une des sources d'énergie ou de sa connexion électrique.
La présente invention permet aussi une forte compacité et une bonne intégration dans l'environnement du dispositif de freinage par exemple avec un diamètre du moteur sans balai à double bobinage inférieur à 80 mm, soit de l'ordre de 50 mm, et une épaisseur de l'ordre de 20 mm.
Al axe de piston - axe du moteur
A Mécanisme transformant un mouvement de rotation
M Moteur électrique sans balai
C5 effort d'entrée C4 rotation du porte-satellites / vis
ECU Unité de commande électronique extérieure
PI translation du piston / écrou
204 flasque de fixation moteur
610 stator intérieur (ici à 13 bobines) - premier stator
611 flasque intérieur du premier stator
612 ensemble de tôles + bobinage du stator intérieur
620 stator extérieur (ici à 25 bobines) - deuxième stator
621 flasque intérieur du stator extérieur
622 ensemble de tôles + bobinage du stator extérieur
623 flasque extérieur en forme de cloche
630 rotor - arbre d'entraînement
631 inducteur du rotor - carcasse en cloche portant les aimants
632 aimants permanents côté stator intérieur
633 aimants permanents côté stator extérieur
634 roulement de palier
70 batterie du véhicule connectique de commande par l'alimentation connectique capteur
sondes de positionnement du rotor
capteur de position de la sortie de l'actionneur connecteur
circuit électronique de commutation
câblage d'alimentation des bobines des stators
Previous Patent: METHOD FOR DETERMINING AND VISUALIZING TOOTH POSITIONS UNDER THE ACTION OF BITING FORCES