DIFFERENTIEL ELECTRIQUE.

La présente invention est relative aux chaînes de traction électriques notamment pour des véhicules automobiles. Elle concerne aussi un véhicule automobile utilisant une telle chaîne de traction électrique.

Dans un véhicule automobile qu'il soit électrique ou à moteur thermique, on utilise, sur chaque essieu moteur un différentiel, généralement mécanique, qui répartit entre les deux roues l'effort de propulsion de l'arbre moteur pour leur permettre de tourner à des vitesses différentes. La puissance motrice fournie par l'arbre moteur sous forme du produit d'un couple C par une vitesse N est transmise à deux demi-arbres entraînant chacun une roue. Cette répartition se fait de la manière suivante :

CN = C1 N1 + C2 N2 Cl, C2 sont respectivement les couples sur les deux demi-arbres et NI,

N2 respectivement les vitesses. Les vitesses N1,N2 sont la plupart du temps différentes alors que les couples Cl, C2 sont égaux.

En effet dans un virage, la roue extérieure tourne plus vite que la roue intérieure car elle parcourt un plus grand chemin. Si les vitesses des deux roues étaient les mêmes, la roue extérieure glisserait sans rouler et userait anormalement le pneumatique. C'est la route qui impose la vitesse des roues.

D'autre part, les deux roues n'ont pas un diamètre rigoureusement identique à cause du gonflage des pneumatiques, de leur usure, de leur température...

En conséquence, même en ligne droite, les vitesses des deux roues sont différentes; cette différence est normalement faible de l'ordre de quelques pour cents par exemple.

Le différentiel mécanique présente des inconvénients dans certaines circonstances. Par exemple si un frein bloque une roue motrice, la vitesse de cette roue s'annule et la vitesse de l'autre roue motrice augmente, en entraînant un déséquilibre important et dangereux pour la conduite. Si la vitesse de l'arbre moteur s'annule lorsque le véhicule roule, les deux roues motrices se bloquent ou la boîte de vitesse casse. Si pour une raison externe, l'adhérence du pneumatique d'une roue motrice devient très faible, le couple sur le demi-arbre lié à cette roue diminue et la vitesse de la roue augmente, la roue "patine" sans contrôle possible. Si par exemple, le conducteur tente de monter sur un trottoir trop haut presque à l'arrêt, les deux roues motrices se bloquent alors que la puissance motrice est non nulle, les couples sur les

deux demi-arbres tendent vers l'infini et le moteur cale. En conséquence un différentiel idéal devrait avoir les caractéristiques suivantes:

- produire un couple de même valeur sur chaque demi-arbre;

- permettre que les vitesses de ces demi-arbres soient différentes; - éviter le déséquilibre des couples sur les deux demi-arbres;

-éviter l'emballement d'une roue si l'autre se bloque , et donc permettre les fonctions d'anti-patinage, d'anti-blocage et de sécurité.

Dans le domaine des véhicules automobiles électriques, des chaînes de traction électriques à essieu moteur à effet différentiel commencent à apparaître. Les essieux comportent un moteur électrique par roue motrice. Les configurations utilisant des moteurs à courant continu sont assez simples mais restent lourdes et chères. Les configurations utilisant des moteurs à courant alternatif sont plus légères mais nécessitent deux circuits électroniques de contrôle symétriques. La sécurité est assurée par un troisième circuit électronique. Ce sont des configurations complexes, chères et dont la sécurité repose uniquement sur l'électronique.

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et a pour objet une chaîne de traction électrique avec essieu moteur à effet différentiel électrique qui est légère, simple, meilleure marché et dont la sécurité ne repose pas uniquement sur de l'électronique . La présente invention propose une chaîne de traction électrique pourvue d'au moins un essieu moteur à effet différentiel avec deux moteurs électriques, l'un entraînant une roue droite et l'autre une roue gauche. Le stator du premier moteur est parcouru par un courant qui alimente le stator du second moteur. Le rotor du premier moteur est parcouru par un courant qui alimente le rotor du second moteur. Des moyens de commande imposent les courants dans les rotors et les stators en fonction d'informations représentatives de la position angulaire des rotors.

Le premier moteur est du type auto-synchrone à stator polyphasé et soit à rotor bobiné polyphasé alimenté en courants polyphasés, soit à rotor bobiné alimenté en courant continu. Le second moteur est du type auto-synchrone à stator polyphasé et à rotor bobiné polyphasé alimenté en courants polyphasés.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit illustrée par les figures ci-annexées dans lesquelles :

- la figure 1 représente un schéma d'un essieu moteur d'une chaîne de traction électrique selon l'invention;

- la figure 2 représente schématiquement un circuit électrique d'un essieu moteur d'une chaîne de traction électrique selon l'invention;

- les figures 3a et 3b représentent des schémas électriques des moyens de commande des courants statoriques et rotoriques dans les moteurs de l'essieu de la figure 2;

- la figure 4 représente un exemple de réalisation des capteurs de la position angulaire des rotors des moteurs de l'essieu de la figure 2;

- la figure 5 représente schématiquement un circuit électrique d'une variante d'un essieu moteur d'une chaîne de traction électrique selon l'invention; - la figure 6 représente une vue schématique des moteurs de l'essieu représenté à la figure 2.

La figure 1 représente un schéma d'un essieu moteur à effet différentiel électrique d'une chaîne de traction automobile électrique selon l'invention pour véhicule automobile. L'essieu comporte deux moteurs électriques M1,M2. De préférence, les moteurs ont des caractéristiques sensiblement identiques. Les deux moteurs ont un rotor ROl,RO2 bobiné. Le rotor ROI, RO2 de chaque moteur Ml, M2 entraîne une roue motrice référencée B à droite et A à gauche de la figure. Les moteurs tournent en sens inverse. La roue A tourne à la vitesse NI et la roue B à la vitesse N2. Les vitesses NI, N2 sont souvent différentes et prescrites par le sol. Sur chaque rotor est prévu un capteur de position angulaire respectivement Cl, C2. Le moteur Ml produit un couple Cml et le moteur M2 un couple Cm2 et ces couples sont en principe égaux. Les stators ST1, ST2 des moteurs sont polyphasés. Il est aussi prévu des moyens de commande EPI qui imposent les courants dans les stators ST1, ST2 des moteurs en fonction d'informations représentatives de la position angulaire du rotor ROI du moteur Ml et de consignes du conducteur du véhicule (accélération, freinage, direction angulaire des roues directrices etc.) . Ces moyens de commande EPI comportent des interrupteurs électroniques et sont reliés à une source d'alimentation N continue ou redressée. Cette source est par exemple une batterie rechargeable. Le courant qui circule dans le stator ST1 du premier moteur Ml alimente le stator ST2 du second moteur M2. Il est aussi prévu des moyens de commande EP2 qui imposent les courants dans les rotors ROI, RO2 en fonction d'informations représentatives de la position angulaire des rotors ROI, RO2 et de consignes du conducteur. Les informations représentatives de la position angulaire des rotors proviennent des capteurs de position angulaire Cl, C2. Le courant qui circule

dans le rotor ROI du moteur Ml alimente le rotor RO2 du moteur M2. Les moyens de commande EP2 comportent des interrupteurs électroniques et sont reliés à la source d'alimentation V.

L'architecture retenue vise à ce que les couples Cml et Cm2 soient égaux et optimum en permanence, et ce indépendamment de la vitesse de rotation des roues motrices.

On va maintenant décrire plus en détail la structure des moteurs et leur fonctionnement. La figure 2 représente un schéma électrique d'un essieu à effet différentiel d'une chaîne de traction électrique selon l'invention, pour véhicule automobile. Dans cette configuration le moteur Ml est un moteur autosynchrone triphasé, son stator ST1 comporte trois enroulements ST11, ST12, ST13 montés en étoile. Son rotor ROI est bobiné et comporte au moins un enroulement . Sur la figure le rotor ROI comporte trois enroulements ROl l, ROI 2, ROI 3 de type triphasé mais leur montage est équivalent à un enroulement unique. L'enroulement ROI 2 est connecté en parallèle avec l'enroulement RO13. L'enroulement ROl l est monté en série avec les deux enroulements ROI 2, ROI 3. Le rotor ROI du moteur Ml est parcouru par un courant d'excitation continu d'intensité Iex. Le stator ST1 du moteur Ml est parcouru par des courants triphasés sinusoïdaux à la fréquence fl. Ces courant sont par exemple de la forme : Il l (t) = Ilsin(ω lt + φl)

I12(t) = Il sin(ω lt + — + φl)

4π I13(t) = Ilsin(ω lt + — + φl) avec ω 1 = 2πfl A chaque instant 111 (t) + 112 (t) + I13(t) = 0 puisque les courants sont sinusoïdaux et triphasés. La phase φl est une constante qui dépend du calage du capteur de position Cl par rapport au rotor ROI.

Ces courants triphasés créent un champ tournant statorique à la vitesse NI = fl/p si p est le nombre de paires de pôles du stator ST1. Le rotor ROI, lancé à la vitesse NI, est tel que le champ rotorique soit décalé et en retard par rapport au champ statorique. Le couple Cml est maximum si le décalage est de π/2. Les moyens de commande EPI ont pour mission de répartir les amplitudes II des courants triphasés dans les enroulements statoriques ST1 1, ST12, ST13 pour qu'à chaque instant le champ statorique soit en quadrature avant par rapport au champ rotorique. A chaque instant, pour une position θl(t) du rotor ROI

les courants alimentant le stator ST1 doivent créer un champ statorique tournant à la vitesse NI avec un décalage de π/2 en avance sur le champ rotorique. L'amplitude II est ajustée en fonction du couple Cml souhaité par le conducteur.

Le moteur M2 est un moteur autosynchrone triphasé. Son stator ST2 comporte trois enroulements ST21, ST22, ST23 montés en série avec respectivement les enroulements ST11, ST12,ST13 du stator ST1. Les enroulements du stator ST1 étant montés en étoile, une branche de l'étoile comporte alors en série un enroulement du stator ST1 et un enroulement du stator ST2. Les deux stators ST1 et ST2 sont parcourus par un même courant statorique. Ce courant crée dans le stator ST2 un champ statorique tournant à la même vitesse NI.

Le rotor RO2 du moteur M2 comporte aussi trois enroulements RO21, RO22, RO23 montés en étoile. Les enroulements du rotor RO2 associés aux moyens de commande EP2 des courants rotoriques sont montés en série avec celui du rotor ROI du moteur Ml. Le courant rotorique d'intensité Iex parcourant le rotor ROI alimente le rotor RO2. Les enroulements du rotor RO2 sont parcourus par des courants triphasés sinusoïdaux de la forme :

il(t) = Iexsin(ω't + φ2)

4π i3(t) = Iexsin(ω 't + — + φ2)

avec ω' = 2π£2 La phase φ2 est une constante qui dépend du calage initial du capteur C2 par rapport au rotor RO2.

Ces courants rotoriques de fréquence f2, génèrent un champ rotorique tournant à la vitesse N' = f2/p' par rapport à un repère mécanique du rotor RO2 qui lui même tourne; p' est le nombre de paires de pôle du rotor RO2 et p = p'. Le rotor RO2 peut produire un couple Cm2 s'il est lancé à une vitesse

N2 = N1 ± N'.

N2 = NI - N' si les champs statoriques et rotoriques tournent dans le même sens et N2 = NI + N ¹ si les champs statoriques et rotoriques tournent en sens inverse. Comme dans le moteur Ml, le couple Cm2 est maximum si le champ tournant rotorique résultant est en retard de π/2 sur le champ tournant statorique.

L'ensemble série formé d'une part du rotor RO2 qui lui même tourne et des moyens de commande EP2 et d'autre part du rotor ROI est monté aux bornes de la source d'alimentation V. Les moyens de commande EP2 ont pour mission de répartir les amplitudes Iex des courants dans les enroulements du rotor RO2 de manière à ce qu' à tout instant le champ tournant rotorique résultant soit en quadrature arrière par rapport au champ tournant rotorique. La connaissance de la position Θ2(t) du rotor RO2 donnée par le capteur C2 et la connaissance de la position du champ tournant statorique à l'aide de Θl(t)-Θ2(t) permet de générer les courants souhaités. L'amplitude Iex est ajustée en fonction du couple et de la vitesse souhaités par le conducteur .

On va maintenant décrire plus en détail le fonctionnement des capteurs de position angulaire Cl, C2 et de leur calage. Ces capteurs de position angulaire peuvent être de plusieurs types. Par exemple, on peut utiliser des capteurs optiques, des capteurs à transformateur tournant etc. . Il n'est pas nécessaire qu'il aient une très grande précision. Une précision de l'ordre du degré pour un moteur a quatre pôles est acceptable. Sur les figures 2,3a 3b et 4, on a représenté des capteurs à transformateur tournant de type résolveur. Ils auraient pu être de type synchro. Les capteurs de type à transformateur tournant auront le même nombre de pôles que les moteurs. Les capteurs Cl ou C2 représentés comportent un stator CS1, CS2 avec deux enroulements bobinés en quadrature. Les stators des deux capteurs sont montés en série. Le capteur Cl a un rotor CRI formé d'un seul enroulement. Cet enroulement est alimenté par une tension sinusoïdale el = El sin (Ωt + Φ).

El est l'amplitude de la tension

Φ est une phase quelconque et Ω une vitesse angulaire, telle que : Ω = 2πF avec F de l'ordre de quelques kilohertz par exemple..

Le rotor CRI du capteur Cl est solidaire du rotor ROI du moteur Ml. A l'arrêt, les tensions aux bornes de chaque enroulement du stator CS1 sont de la forme :

e4 = kE 1 cosθ 1 sin (Ωt + Φ) e5 = kEl sinθlsin(Ωt + Φ)

k est une constante, θl est l'angle entre un repère du rotor CRI et un repère du stator CS1 du capteur Cl. Cet angle représente aussi la position du rotor ROI du moteur Ml après calage. En rotation , θl(t) est de la forme :

θl(t) = 2πtpNl L'exploitation de ces tensions permet à tout moment de connaître l'angle θl(t) et la vitesse NI du rotor ROI du moteur Ml.

Le capteur C2 a un rotor CR2 avec deux enroulements en série. Le rotor CR2 est solidaire du rotor RO2 du moteur M2.

A l'arrêt, les tensions aux bornes de chaque enroulement du rotor CR2 sont de la forme : e2 = kElcos(θl -θ2)sin(Ωt + Φ) e3 = kEl sin(θl -θ2)sin(Ωt + Φ)

Θ2 est l'angle entre un repère du rotor CR2 et un repère du stator CS2 du capteur C2. Cet angle représente aussi la position du rotor RO2 du moteur M2 après calage. En rotation, Θ2(t) est de la forme :

Θ2(t) = 2πtpN2

L'exploitation des tensions e2,e3 permet de connaître à tout moment Θ2(t), la vitesse N2 du rotor RO, la différence Θl(t)-Θ2(t) et la différence des vitesses de rotation NI -N2.

Le calage initial des capteurs résolveurs est tel que pour une configuration donnée du courant statorique dans le moteur Ml à fréquence fl nulle, pour une position Θ10, le courant Iex traversant le rotor ROI du moteur Ml crée un champ rotorique en quadrature arrière par rapport au champ statorique.

De la même manière dans le moteur M2, pour une configuration du courant statorique à fréquence fl nulle, pour une position Θ20, les courants traversant les trois enroulements rotoriques RO21,RO22,RO23, créent un champ rotorique en quadrature arrière par rapport au champ statorique. Les figures 3a et 3b représentent des exemples de réalisation des moyens de commande EP1,EP2 des courants statoriques et rotoriques. D'autres montages sont possibles. Sur la figure 3 a on a représenté les moyens de commande EP2 des courants rotoriques. Les enroulements rotoriques RO21, RO22, RO23 du moteur M2 ont une première extrémité commune et une seconde extrémité reliée à une paire d'interrupteurs électroniques. Ces interrupteurs électroniques fonctionnent en hacheur. Ils peuvent être des transistors bipolaires, MOSFET, IGBT, des thyristors etc....

L'enroulement RO21 est relié à la paire de hacheurs H1 1,H12, l'enroulement RO22 à la paire de hacheurs H21,H22, l'enroulement RO23 à la paire de hacheurs H31,H32. L'un des hacheurs de la paire est relié à une première borne de

la source d'alimentation V et l'autre à une seconde borne de la source à travers le rotor ROI du moteur Ml .

Ces hacheurs sont commandés en commutation et en modulation en fonction d'informations en provenance des capteurs Cl et C2 et en fonction de consignes de couple et de vitesse du conducteur. La commande est telle que les courants dans les enroulements du rotor RO2 soient sinusoïdaux décalés de 2π/3, qu'ils créent un champ rotorique tournant à la vitesse N', et que le champ rotorique du moteur M2 soit en quadrature arrière sur le champ statorique du moteur M2. Cette commande peut s'effectuer par tous types de modulations possibles y compris la modulation PWM.

La figure 3b représente les moyens de commande EPI des courants statoriques. Au lieu de représenter les hacheurs sous forme d'interrupteurs, on les a représentés sous forme de transistors. Les moyens de commande EPI sont comparables aux moyens EP2. Ils peuvent même être identiques. Les trois enroulements statoriques STl l, ST12,ST13 du moteur Ml sont montés en étoile et sont connectée en série avec les trois enroulements statoriques ST21, ST22, ST23 du moteur M2. Chaque paire d'enroulements série (ST11-ST21, ST12-ST22, ST13- ST23) est connectée à une paire de hacheurs respectivement H41-H42, H51-H52, H61-H62. Un des hacheurs de chaque paire est reliée à la première borne de la source d'alimentation V et l'autre à la seconde borne.

Les hacheurs sont commandés en commutation et en modulation en fonction d'informations provenant du capteur Cl et en fonction de consignes de couple du conducteur. La commande est telle que les courants dans les enroulements des stators ST1 et ST2 soient sinusoïdaux décalés de 2π/3, qu'ils créent des champs statoriques tournant à la vitesse NI et que le champ statorique du moteur Ml soit en quadrature avant sur le champ rotorique du moteur Ml. Une paire de diodes dites de "roue libre" référencées respectivement d41-d42, d51-d52, d61-d62 est montée en parallèle avec chaque paire de hacheurs. Ces diodes assurent la protection des hacheurs en entretenant le passage du courant dans les enroulements jusqu'à extinction naturelle de ce courant dans ces enroulements.

La figure 4 représente un schéma électrique Cl, C2 des capteurs de position angulaire. Ces capteurs sont associés à un circuit d'interface EC qui élabore les informations représentatives de la position angulaire des rotors. Les deux capteurs C1,C2 sont de type résolveur comme décrit à la figure 2. Le stator CS2 du capteur C2 n'est pas représenté, dans un but de clarté. Le circuit d'interface EC comporte :

- un oscillateur OSC de fréquence F (F = — ) par exemple supérieure à

2π

1kHz suivi d'un amplificateur A pour alimenter le rotor CRI du capteur Cl,

- un multiplexeur échantillonneur MU prélevant les tensions e2, e3 aux bornes des enroulements du rotor CR2 du capteur C2 et les tensions e4, e5 aux bornes des enroulements du stator CSl du capteur Cl. Les tensions échantillonnées sont codées dans un codeur analogique numérique CAN. Les valeurs numérisées délivrées par le codeur analogique numérique sont transmises vers les moyens de commande EPI, EP2 des courants rotoriques et statoriques.

On peut prévoir d'utiliser un processeur ET recueillant les informations du circuit d'interface EC, les consignes du conducteur (accélération, frein, direction) et élaborant des ordres vers les moyens de commande EPI, EP2 des courants statoriques et rotoriques, vers le circuit d'interface EC et vers le conducteur.

On peut aussi utiliser dans la chaîne de traction des capteurs supplémentaires tels que des capteurs de température, de courant, de tension, de charge de ou des batteries etc..) . Ces capteurs supplémentaires transmettent leurs informations au processeur ET. La chaîne pourra aussi comporter des organes de sécurité et/ou d'information du conducteur. Le processeur élaborera des messages vers ces organes de sécurité et/ou d'information.

La figure 5 représente une variante d'un essieu moteur à effet différentiel d'un véhicule électrique selon l'invention.

La principale différence avec la configuration de la figure 2 se situe au niveau du montage des rotors ROI et RO2 des moteurs Ml et M2. Le moteur Ml a maintenant un rotor ROI alimenté par des courants sinusoïdaux triphasés. Les moteurs Ml et M2 ont leurs stators ST1, ST2 montés en série et également leurs rotors ROI, RO2 montés en série.

Des courants statoriques à la fréquence fO créent un champ statorique tournant à la vitesse NO. Si le rotor ROI du moteur Ml tourne à la vitesse NI et le rotor RO2 du moteur M2 à la vitesse N2, les champs tournants des rotors ROI, RO2 tournent respectivement aux vitesses :

ΔNl = NO ±Nl

ΔN2 = NO + N2

Ces vitesses ΔN1, ΔN2 sont créées par des courants rotoriques de fréquences respectives ΔF1 et ΔF2.

Le choix de la fréquence fO peut être tel que NO soit compris entre NI et

N1 + N2 Ν2 et un cas particulier pouvant être NO = ce qui entraîne ΔΝ1 = -ΔΝ2 .

Dans cette configuration, les vitesses NI et N2 sont déterminées à partir des informations des capteurs Cl et C2. Au lieu d'être en cascade comme sur la figure 2, ils ont leurs stators indépendants et leurs rotors alimentés par la même tension. Les fréquences fO, ΔF1, ΔF2, les phases et les amplitudes des courants statoriques et rotoriques sont déterminées de manière à avoir en permanence la quadrature arrière des champs rotoriques résultants par rapport aux champs statoriques.

L'inversion du sens de rotation des champs tournants rotoriques par rapport aux rotors ROI et RO2 peut être obtenue en inversant par exemple les connexions de deux enroulements rotoriques. Sur la figure 5, les enroulements RO21 et RO22 du moteur M2 ont été inversés.

Dans cette configuration, le circuit de commande EP2 des courants rotoriques est monté comme le circuit de commande EPI des courants statoriques. Les deux moteurs autosynchrones ainsi décrits ne sont pas consommateurs d'énergie réactive et le défluxage rotorique qui permet un fonctionnement en survitesse assure l'optimisation du rendement dans une large plage de vitesses.

Ce type de moteur peut aussi fonctionner en générateur-frein. Les roues du véhicule selon l'invention peuvent être entraînées directement par les rotors. On peut bien sur envisager d'intercaler un réducteur de vitesse entre le rotor et la roue.

L'invention peut bien sur comporter plusieurs essieux moteurs à effet différentiel. Un mode de réalisation original et économique d'un essieu moteur d'une chaîne de traction électrique selon l'invention est représenté à la figure 6. Les deux moteurs Ml et M2 sont disposés dans une même enveloppe En et sont configurés en un moteur bi-rotor. Les deux stators ST1, ST2 en série comportent des bobinages communs. Les deux rotors ROI, RO2 sont distincts. Les circuits électroniques ne sont pas représentés. Cette configuration est conforme à celle de la figure 2. Elle est très compacte et permet de réduire la quantité et le prix de revient des matières premières mises en oeuvre par rapport aux configurations avec des moteurs distincts.

Une configuration conforme à la figure 5 aurait deux rotors avec des bobinages communs au lieu qu'ils soient distincts.

Dans les configurations décrites, le moteur M2 aura de préférence un rotor à pôles lisses et portera le bobinage polyphasé. Un avantage de l'invention par rapport à l'art connu est que les moyens de commande des courants statoriques et rotoriques sont communs aux deux moteurs de l'essieu.