WO2019076889A1 - « dispositif mécatronique pour l'actionnement d'un dispositif de freinage, frein à disque et procédé de freinage associés» - Google Patents

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WO2019076889A1
WO2019076889A1 PCT/EP2018/078233 EP2018078233W WO2019076889A1 WO 2019076889 A1 WO2019076889 A1 WO 2019076889A1 EP 2018078233 W EP2018078233 W EP 2018078233W WO 2019076889 A1 WO2019076889 A1 WO 2019076889A1
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WO
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stator
torque
motor
brake
displacement
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/078233
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English (en)
Inventor
Philippe Bourlon
Abdessamed Ramdane
Original Assignee
Foundation Brakes France
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/04—Machines with one rotor and two stators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/06—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa

Definitions

  • the invention relates to a brushless electric motor for a brake actuator, whose rotor carries permanent magnets circulating between two concentric stators, which are independently powered and controlled.
  • the invention further relates to a brake actuator device, mixed or fully electric, comprising such a motor. It also relates to a method of implementing such an actuator, comprising several scenarios that can be combined on the same actuator and chosen as required, and comprising: supply of a single stator service brake, supply of both stators in the same direction for emergency braking or parking, or feeding the two stators in different directions during an automated control process.
  • the field of the invention relates to actuators with an electric motor, and more particularly geared gear units for use embedded in braking devices of road vehicles, particularly light and utility motor vehicles, including four wheels.
  • the service brake function is mainly to slow down the vehicle and get off.
  • the service brake is provided by drum brakes or disc brakes, or disc brakes at the front of the vehicle and rear drum vehicles.
  • the parking brake function is to maintain a vehicle immobilized continuously for long periods of time.
  • the emergency brake function consists in slowing down a moving vehicle in an exceptional manner, for example in the event of failure of the service brake control circuit. Very often, this operation is performed by the same mechanism as the parking brake, and usually only on the rear brakes. Conventionally, the brakes are usually actuated by hydraulic pressure for the service brakes, and for parking brakes by pulling a cable in general using a ratchet lever.
  • document FR 13 63706 thus proposes an electric actuator separate from the hydraulic cylinder.
  • This electric actuator applies a linear force by a screw-nut mechanism driven by a transmission of three outer gears, itself driven by a geared motor with two planetary gear trains in series.
  • Non-intelligent actuators typically include a brushed DC motor with a position sensor that can be summed up as a resistive track associated with a slider.
  • the intelligent part in load position control is in a remote electronics called ECU (Electronic Control Unit).
  • an ECU reads the position signal provided by a position sensor coupled to the mechanical output of the actuator, and then calculates a force and direction signal applied to a current motor. continuous broom.
  • the mechanical output is coupled to an external member to move.
  • the action on the motor is transmitted to the mechanical output of the actuator via a mechanical speed reduction stage without slip or rigid kinematic chain.
  • This closed loop makes it possible to slave in position the mechanical output of the actuator.
  • the connections between the ECU and the actuator are few: two son for the DC brush motor, the differential signal (which is actually the power) between these two son can be a positive or negative signal, and three wires for the position sensor, including a ground and a positive signal for the power supply and one for the position signal.
  • the position sensor can also be a two-wire sensor that measures the variation of resistance in a Hall effect cell and uses a magnet that rotates with the motor.
  • the DC motor responds to the force and direction signals provided by the ECU through a power bridge of transistors.
  • the so-called “smart” actuators or intelligent actuators which include a microcontroller in charge of the position control function.
  • this type of actuator is controlled either by a pulse width modulation signal, or a LIN or CAN communication bus or Flex Ray recognized as standards in the automotive field.
  • the principle is to drive, uni-directionally, a three-phase brushless DC motor using two wires, including a reference wire (the ground or OV) and a wire of signal of effort.
  • An external power supply delivers the effort signal that can be continuous or chopped.
  • the switching electronics is self-powered by a rechargeable power supply that takes its energy from the force signal.
  • solutions using non-intelligent actuators are by far preferred to "smart" type solutions for reasons of high temperature compatibility.
  • the brushless direct current motor is now widespread and preferred because it offers compared to the brush DC motor the enormous advantage of a much longer life, a much better compactness and a very low risk of electromagnetic disturbance.
  • Brushless motors are often used in the single-phase brushless DC motor structure with one or two half-coils.
  • Simple electronics that can be integrated near the motor, or even in the housing constituting the motor, manages the self-switching of said motor from the signal provided by one or two Hall effect probes.
  • single-phase brushless DC motors are mainly used for fans or pumps requiring only one direction of rotation. Indeed, the single-phase DC brushless motor and its control electronics is not suitable for positioning applications constantly requiring a position correction requiring bidirectional rotation of the motor.
  • the maximum time allowed, to satisfy the safety requirements, between the request for emergency braking and the moment when the braking device is able to deliver the useful effort, is typically a few tens of milliseconds.
  • An object of the invention is to overcome the drawbacks of the state of the art, and in particular to provide a geared motor device that is both reliable and efficient, for all types of brake, in particular electrical, and in particular for the brakes to disk.
  • the object of the invention is to provide a geared motor unit driven by a brushless DC motor while retaining the advantages of systems based on a brush DC motor and while increasing the reactivity of the braking device.
  • the present invention relates to a control system powered by a power source driving a geared motor mechanism device transforming a rotational movement into a translational movement.
  • a sensor measures the linear position at the mechanical output of the actuator, which position will be controlled by the control system.
  • the actuator is driven by a brushless direct current motor while retaining elements similar to those of a DC motor to brooms.
  • the actuator is connected to the control system via a connector or a connection grouping the analog and / or digital signals from the position sensor, as well as the signals (i.e. the power supplies ) combining the direction and the torque to be produced by the brushless motor.
  • the invention thus proposes an electric motor for brake actuator, of the brushless type comprising a rotor integral with an inductor mounted in rotation between a first stator and second concentric stators, forming for one an internal stator and for the other an external stator, the inductor carrying a first set of permanent magnets arranged to interact with the first stator and arranged to interact with it and a second set of permanent magnets arranged on the side of the second stator and arranged to interact with it, to so that the first and second sets of permanent magnets circulate between the two concentric stators to be able to interact with them.
  • said motor is arranged to electrically power said first and second stators according to a power distribution selected selectively from a plurality of power distribution, intensity and / or direction of rotation.
  • the invention makes use of the fact that the most frequent need relates only to low powers, for the majority of the braking operations. It thus makes it possible to dimension certain parts of the engine that popur the necessary power, which allows an optimization of the electromechanical energy and an optimization of dimensioning of the motor and the actuator on many planes.
  • the present invention provides an economical, compact and flexible solution to the substitution of a brushless DC motor by a brushless DC motor, by satisfying the following criteria: to keep an existing remote control (ECU), without any modification, be it hardware or software,
  • the brushless electric motor may be an N-phase polyphase motor, the concentric stators of which consist of N unipolar or bipolar coils or 2xN unipolar half-coils.
  • N-phase polyphase motors are a preferred mode in that they are reversible and controllable in both directions of rotation.
  • a rudimentary electronic circuit resistant to high temperature manages the self-switching N phases of the engine using N probes indicating the position of the motor rotor.
  • the objective of the solution described hereafter is to propose a technological compromise allowing to answer to the aforementioned problems proposing an economic solution requiring only a microcontroller for the control of the phases by using the signal of the probes, and allowing the use a brushless DC motor instead of a brushed DC motor, while keeping the possibility of using a reversible polyphase motor and driving it in both directions of rotation.
  • the invention is therefore intended for any polyphase motor N phases.
  • the invention furthermore proposes a mechatronic device forming an actuator for applying at least one lining friction against a friction track of a vehicle braking device, characterized in that it comprises a motor as set forth herein, and a mechanism transforming a rotational movement of said motor into a translation movement applied to said lining friction to achieve braking.
  • the invention also relates to a mechatronic device for actuating at least one friction lining against a friction track of a vehicle braking device, the device comprising a control unit, a mechanism with a transforming electrical drive a rotational movement in a translation movement, provided with an epicyclic gear train, characterized in that the epicyclic gear train is rotated (C5) along an axis of rotation (Al) by a brushless electric motor according to the invention .
  • control unit may comprise a power bridge delivering a two-wire electrical signal, an algorithm driving said bridge, binary detection probes of the position of the rotor of the motor, power switches capable of supplying the phases of the motor from the two-wire electrical signal.
  • the mechanism transforming a rotational movement into a translational movement comprises a screw-nut mechanism allowing at least one axial thrust from behind to the front of the friction lining in a linear displacement and along the axis of rotation. rotation when rotated along the axis of rotation by the epicyclic train forming at least one reduction stage.
  • the epicyclic gear train may include a group of satellites rotating along the axis about a sun gear and inside a circular ring coaxial to said planetary gear, where said satellites are carried by a planet carriers and meshing both with an external toothing of said sun gear and with an internal toothing, formed in said circular ring in a first pattern having a first determined orientation,
  • said epicyclic gear train driving a male threaded element which is coaxial with it, which cooperates with a female thread formed in the inner surface of said crown in a second pattern having a second orientation different from the first orientation, said ring thus forming a threaded ring which cooperates with said male threaded element to form said screw-nut mechanism, said ring thus having intertwined female thread reliefs with internal tooth reliefs to form a cross toothing which is able to function as well; in epicyclic gear ring gearing than in nut thread.
  • the threaded ring may be integral with or form a brake piston which is held fixed in rotation and is arranged for its displacement exerts a clamping force by linear displacement of the friction lining to the track friction.
  • the screw-nut mechanism can be a self-locking mechanism in that when the motor drives in an axial thrust from back to front the nut, the latter remains in its position after stopping the engine .
  • the screw-nut mechanism may be a mechanism in which the nut returns to its initial position after stopping the engine.
  • the invention provides a road vehicle brake comprising an actuator as set forth herein which is arranged to selectively perform the service brake and parking brake function by electric drive only.
  • the invention proposes a road vehicle brake comprising an actuator as described herein, which is designed to perform only the parking brake and / or emergency brake function, in particular with a service brake function performed by hydraulic pressure. .
  • the subject of the invention is also a disc brake comprising a stirrup having two branches facing each other which overlap the periphery of a brake disk, characterized in that it comprises a mechatronic device according to the invention.
  • the actuator shaft coaxial with the piston may be provided to pass through one of said stirrup branches and to carry a bearing flange arranged to take an axial bearing on said branch from the inside of the yoke. 'stirrup.
  • the end portion of said shaft, located on the inside of the yoke, carries the epicyclic reduction stage and the brake piston.
  • the input portion of said shaft located on the outside of the caliper, is provided to receive the brushless electric motor.
  • the invention also relates to a vehicle or vehicle subassembly comprising at least one brake or mechatronic brake actuation device according to the invention.
  • this method comprises at least one activation phase of the first stator and an activation phase of the second stator each producing an individual said motor torque, and said activation phases are different from each other, in time and / or in the intensity their respective individual driving couples and / or in the direction of their respective individual driving couples.
  • the two stators of the motor are controlled to provide an individual motor torque applied in the same direction for the two stators.
  • the mechatronic device comprises a control unit, an electric motor, a mechanism transforming a rotational movement into an electrically driven translation movement provided with an epicyclic gear train, in which:
  • the epicyclic gear train is rotated about an axis of rotation by the electric motor
  • the epicyclic train forms at least one reduction stage for driving in rotation along the axis of rotation the mechanism transforming a rotational movement into a translational movement, the mechanism transforms a rotational movement into a translation movement allowing at least one axial thrust from behind to the front of the friction lining in a linear displacement and along the axis of rotation,
  • the electric motor is a brushless electric motor whose rotor rotates permanent magnets between a first and a second stator, said stators being concentric with each other.
  • the ECU controls the supply of the first stator when a braking force lower than a first threshold T0 is required.
  • the ECU can control the synchronized supply of the first and second stators, so that the total braking force corresponds to the sum of the braking efforts that would be obtained respectively with the supply of the first and the second stator.
  • the second threshold is for example chosen as equal to or dependent on the maximum torque that can provide the second stator.
  • the first threshold T0 may be equal to 8 kN.
  • the second threshold T1 can be equal to 12 kN.
  • the two stators are controlled to provide an individual motor torque applied in opposite directions between the two stators, successively but possibly also simultaneously.
  • the counter-torque embodiments can be combined with the conjugated-couples processes, in the same process and on the same actuator.
  • the two stators are oppositely controlled to reduce or limit the speed of movement of the piston, or stop its movement faster, or reverse its movement in a fast, flexible and reliable.
  • FIG. 1 is a schematic view of the principle of a disc brake caliper comprising a mechatronic device equipped with a mechanism transforming a rotational movement into a translation movement and an electric motor,
  • FIG. 2 is a schematic view of the operating principle of the mechatronic device according to a first mode of operation, where in (a): in longitudinal section of the engine in (a) and
  • FIGURE 3 is a schematic view of the operating principle of the mechatronic device according to a second example of an operating mode, in longitudinal section (a) and by its torque / intensity curve (b);
  • FIGURE 4 is a schematic view of the operating principle of the mechatronic device according to a third example of an operating mode, in longitudinal section (a) and two variants (b) and (c) of its torque / intensity curve;
  • FIGURE 5 is a more detailed longitudinal sectional view of a motor according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIGURE 6 is a block diagram illustrating the control and power supply of the mechatronic device, in a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 7 is a sectional view of a disk brake caliper provided with an exemplary embodiment of the mechatronic actuating device of the invention, applied to a disk brake, of pure electric type or hydraulic service brake, in which the mechanism transforms a rotational movement into a translational movement is achieved by a double planetary gear train driving a screw-nut mechanism inside the brake piston;
  • FIGURE 8 is a perspective view of the engine according to the invention.
  • FIG. 1 represents the principle of a disc brake caliper on which is mounted a mechatronic device equipped with a mechanism transforming a rotational movement into a translational movement A and an electric motor M.
  • the stirrup 2 may be a floating assembly with a single piston 1 actuated solely by a mechatronic device according to the invention, thus producing a caliper of the all-electric type, for the service braking and for the parking brake.
  • Other configurations are provided, for example with several pistons and / or several actuators, floating version or fixed version, possibly combined (s) with one or more hydraulic pistons.
  • the actuator shaft 5 is rotated C5 by a motor M which includes a rotor 630 rotating permanent magnets between a first stator 610 and a second stator 620.
  • this actuator On the inner side of the caliper, this actuator comprises an epicyclic reduction portion DPR, which rotates C4 a screw-nut mechanism NS which restores a linear displacement PI piston 1.
  • FIG. 7 represents a sectional view of a particular embodiment of the mechanism transforming a rotational movement into a translation movement A in which the actuator is mounted in a disc brake caliper 2 comprising two branches facing each other which overlap the periphery of a brake disc (not shown).
  • the actuator comprises an actuator shaft 5, coaxial with the piston 1, and which is intended to pass through one of said yoke legs and carries a bearing flange 52 arranged to take an axial bearing on said branch since inside the stirrup.
  • the end portion 55 of said shaft located on the inside of the caliper, carries the epicyclic reduction stage DPR and the brake piston 1.
  • the inlet portion 51 of said shaft located on the outside of the caliper, carries or is intended to receive the motor M.
  • the actuator A On the inner side of the stirrup, the actuator A comprises an epicyclic reduction part DPR, which rotates C4 a screw-nut mechanism NS which restores a linear displacement PI of the piston 1.
  • the epicyclic reduction part DPR comprises a first series PR2 and a second PR3 series epicyclic gear, each input driven by its sun gear 31, 41. These two trains each provide an output reduction by their planet carrier 33, 43, and their satellites 32, 42 mesh with the first orientation D1 with the toothing 101 of the piston 1, here a right toothing, ie longitudinal. Alternatively, this toothing is also provided in a helical version, and can be of any type of profile that can be used for such an epicyclic gear ring.
  • the screw-nut mechanism NS is rotated by the planet carrier 43 output of the reduction portion DPR.
  • the piston 1 is fixed in rotation, for example by notches provided on the bearing face of the bottom of the piston.
  • this piston 1 is moved in longitudinal translation (here to the right in the direction of tightening) by cooperation of its internal toothing 101 according to the second orientation D2 with a threaded element rotated by the planet carrier 43 of the second epicyclic gear.
  • this threaded element is for example integral with the planet carrier 43.
  • it is the planet carrier 43 itself which carries a male thread 431 formed in the same room as that which carries or forms the trees of the satellites 42.
  • the planet carrier 43 receives an axial force directed in the opposite direction. It transmits this axial effort by its face located on the side of retract (here on the left of the figure) to the actuator shaft 5, which transmits it to the caliper housing 20 by a flange 52 radially protruding and which is integral with the shaft 5.
  • the screw-nut mechanism may be a self-locking mechanism in that when the motor drives in axial thrust from back to front the nut, the latter remains in its position after stopping the engine.
  • the screw-nut mechanism may be a mechanism in which the nut returns to its initial position after stopping the engine.
  • FIG. 5 shows a detail of the brushless DC motor M, according to an advantageous embodiment of the invention, namely a multiphase N motor.
  • FIG. 8 shows the same engine in scale, in perspective and cutaway, apart from the inner flanges 611 and 621 of the stators 610 and 620.
  • FIG. 6 represents an electronic diagram according to one embodiment of the invention, in which a power source (such as the battery 70 of the vehicle or the alternator) supplies a control unit ECU driving a mechatronic device composed of a multiphase, double-winding brushless DC, M, N motor associated with a mechanism transforming a rotational movement into a translational movement 1.
  • a sensor 74 coupled to the mechanical output 55 of the actuator, returns the information of position at the control unit which acts on the combined force and direction signals grouped in a connection connector 75.
  • the connective part dedicated to the piston position sensors is here represented in FIG. 8 by the three connectors 72.
  • the position of the motor rotor is read using N probes 73 which, via a rudimentary electronic circuit 76, auto-switch the N phases of the motor.
  • the control unit in switching part 76, preferably comprises, for each stator, a power bridge delivering a two-wire electrical signal, an algorithm driving said bridge, binary detection probes of the position of the motor rotor, power capable of supplying the wiring conductors 77 of the phases of the engine. These switches are thus controlled by the bridge, from the two-wire electrical signal, for example in a known manner.
  • the concentric stators each consist of a plurality of coils 612 and 622 respectively forming a plurality of phases.
  • Each stator is controlled in torque and / or speed by a switching electronics 76, integral with said stators, which receives an electric power supply in the form of a DC power supply and provides said coil with a switched polyphase power supply which depends on the torque and the direction of rotation required by an external ECU control unit.
  • this external control unit ECU supplies to the switching electronics 76, for each stator, a continuous power supply 71 whose intensity and polarity respectively represent the torque and the direction of rotation that must be produced by said stator.
  • the ECU supplies directly to each stator the power which must be implemented in the form of couple (taking into account the different losses).
  • the switching electronics 76 merely phase control using this power to provide the torque that corresponds to the power received and the polarity, for each stator and independently of one another.
  • control of the motor M itself requires no other connection than the power supply of the two stators.
  • the total control connection does not require digital or low current signals, and can therefore be limited to this simple power connection, here three connectors (as shown in Figure 8) if one uses for both stators a common mass (not shown in Figure 6).
  • the ECU executes a position control algorithm and generates the force and direction signals 71 to the motor acting on the mechanical output 55 of the actuator 1.
  • N-phase polyphase motors are a preferred mode in that they are reversible and controllable in both directions of rotation. This is particularly important in the case where the mechanism nut-screw is a self-locking mechanism that requires the motor to be urged in reverse order to retract the piston when braking is no longer required.
  • a rudimentary electronic circuit resistant to high temperature manages the self-switching of the N phases of the motor using N probes 73 indicating the position of the rotor 630 of the engine.
  • a rotor 630 is secured to an inductor 631 rotating between an inner stator 610 and an outer stator 620.
  • the inductor carries a set of permanent magnets on the side of the first stator 632 and a set of permanent magnets on the second side. stator 633.
  • the first stator consists of a set of sheets and coils 612 held in an inner flange 611.
  • the second stator consists of a set of sheets and coils 622 held in an inner flange 621. Rotation of the rotor relative to the stators is supported on bearings 634 mounted around the rotor and inside an outer flange 623 enclosing the two stators.
  • FIGS 2, 3 and 4 show various operating modes of the brushless electric motor with double coil.
  • a rotary machine of this type is substantially more compact and lighter than a set of two completely independent machines with equivalent total performance, while offering a high level of tolerance for internal power failures or power converter failures.
  • the use of a double-coil machine also allows to set up a single rotating machine, which simplifies the mounting on the brake caliper and reduces the overall mass of the actuator.
  • the global motor increases its torque according to the need, by feeding the stators differently according to the needs, and for example:
  • supplying the first stator only for example when a braking force lower than a first threshold T0 is required, for example up to 8 kN for a deceleration of 1 G;
  • first stator and the second stator in the same direction, for example when a braking force greater than the first threshold T0 is required, for example to go up to 12 kN for service braking and up to 30 kN for parking brake function.
  • Such a motor is provided for example for an application on an electric brake actuator combining the service brake functions, for example without any hydraulic control.
  • a service brake must be able to be operated very frequently, in a high temperature environment, with a service life of the order of two million cycles and an application force of up to 8 kN.
  • the parking brake is operated much less frequently and less frequently.
  • it will be provided for a longevity of the order of one hundred thousand cycles, but must be able to provide a much greater effort to avoid the risk of loosening during parking, for example up to 20 kN.
  • it is thus planned to size the two stators according to the following configuration.
  • the first stator for example but not necessarily the inner stator 610, is sized and arranged to provide a first torque value and sufficient power to provide the service brake function, at least in normal use, over the service life required for this function.
  • This torque may be for example of the order of 1 Nm to 7000 rpm.
  • the second stator for example the outer stator 620, is sized and arranged to provide a second value of torque and power, for example two to three times greater than the torque of the first rotor.
  • the first stator 610 will be fed (hatched in diagram (a)) and used alone for service braking.
  • the time variable is not shown, it is seen that the intensity is supplied only to the first stator 610 which provides a torque limited to a maximum value T610.
  • the second stator 620 is capable of providing on its own a torque of a maximum value T620 which is greater than the maximum value T610 of the first stator 610.
  • the second stator 620 will be energized (hatched in (a)) and used in addition to the first stator 610, to obtain a total application torque of the brake T610 + T620 which is higher than the force T610 applicable by the first stator alone, for example for emergency braking or as a parking brake and / or emergency, and for example only for all or part of these functions.
  • T610 + T620 the force supplied to the second stator 620
  • This additional torque is illustrated by a second torque curve c620 which extends the first torque curve c610 to rise to a higher maximum value.
  • the ECU will feed in the same direction the first stator and the second stator, simultaneously or possibly shifted even one after the other.
  • the overall engine can thus provide a total force of the order of three to four times that of the first stator, allowing to achieve the effort required for parking, or to provide extra effort for exceptional service braking.
  • the ECU will supply only the second stator, if its capacity is sufficient on its own or in case of failure of the first stator.
  • this second stator 620 can be dimensioned less generously (for example in terms of cooling or wear) than the first 610, which constitutes an interesting gain, for example in terms of footprint, weight and cost.
  • Such an engine is also provided for use in regulation, including in an all-electric brake, for example for anti-lock wheels such as that usually designated by "ABS” (registered trademark), or a automatic traction or stability control, such as a trajectory management system usually referred to as "ESP" (registered trademark).
  • ABS anti-lock wheels
  • ESP trajectory management system
  • This type of application requires rapid and repeated movements, in opposite directions, and very fast stops and starts of the engine.
  • the ECU will for example feed the other stator in the opposite direction to provide a counter-torque and cause a rapid stop of the displacement, for example by a supply pulse.
  • the ECU will for example cause a rapid reversal of the direction of movement, by feeding the other stator with a intensity calculated to cause a reverse torque of greater value than the torque produced by the first stator, for example by a second supply triggered when stopping the first feed or even slightly anticipated.
  • Such a fast inversion also provided for example by maintaining one of the stators activated for an extended period in the direction of braking, for example the stator of service brake 610, during a braking maneuver.
  • the anti-lock detects a blockage of a wheel
  • an inversion is momentarily obtained in order to enable the unlocking of the wheel, momentarily activating the other stator with a stronger torque, for example the second stator 620.
  • Such counter-torque operation is for example illustrated in FIG. 4, in which the time variable is not represented.
  • An intensity is used for activation of the first stator 610 (hatched in (a)) and to provide a torque c610 in the upward direction to the right on the curve (b) and (c), while another part of the Intensity is used to activate the second stator 620 in the other direction (hatched in the opposite direction in (a)) and to provide a torque c620 in the upward direction to the left on the curve (b) and (c).
  • the "negative" torque controlled for the second stator 620 is equivalent to the "positive" torque of the first stator 610. It thus makes it possible to reduce the overall torque or even to stop the movement, here without deactivating the first stator 610 which simplifies the implementation and the programming and can bring a better overall operating reliability since the global brake control does not have to be deactivated.
  • the "negative" torque controlled for the second stator 620 is stronger than the "positive" torque of the first stator 610. In a case where a fast stop is desired, this negative torque will be controlled sufficiently low and maintained for a short enough time to simply counteract the inertia of movement of the actuator and its kinematic chain.
  • this negative torque will be controlled sufficiently strong and / or long enough to obtain a reverse movement, possibly but not necessarily by canceling or decreasing the power supply of the first stator 610.
  • the stator may be sized to allow a braking force with higher performance than those provided by the first stator.
  • the braking device is capable of emergency braking with the sole power supply of said second stator, while keeping a reasonable dimensioning of the assembly, and always allowing a redundancy of the braking capacities in the event of failures of the first stator.
  • the ECU is able to simultaneously control the synchronized supply (that is to say in the same direction, or conjugate) of the first and second stator.
  • This allows a fine transition between the two actuations in case of detection of deficiency in the first circuit, for example by distributing the power supply between the two stators.
  • This also makes it possible to control braking using the two coils, which is particularly useful in an emergency braking situation (to benefit from a braking supplement compared to normal driving) or for the parking brake function, since it is then possible to benefit simultaneously from the addition of the braking forces developed by the added torque of each of the two stators.
  • This embodiment is used for example when a braking force greater than a second threshold T1 is required.
  • This threshold is generally defined up to 12 kN for the braking function and up to 30 kN for the parking brake function.
  • the ECU is able to simultaneously control the desynchronized power supply (that is to say in opposing directions) of the first and second stators.
  • This makes it possible to cancel the braking force generated by the first stator during all or part of the power supply of said first stator, or to brake the mechanism more quickly when the power to said first stator is interrupted.
  • This is particularly useful in emergency acceleration situation of the actuator where it becomes necessary to minimize the inertia of the mechatronic device, since it can then simultaneously benefit from the opposing forces developed with each of the two stators, these efforts brake canceling.
  • the invention makes it possible to achieve almost immediate braking of the inertia within the brake actuator, for example to regulate electromechanically.
  • the invention allows the use of the minimum energy depending on the need.
  • the invention makes it possible to obtain a very compact motor, which presents a single piece in motion since the two stators use the same rotor.
  • the heat dissipation is limited to its fair value and the power consumption is reduced.
  • first and the second stators are respectively powered by two distinct energy sources. This configuration provides greater security in case of failure of one of the energy sources or its electrical connection.
  • the present invention also allows a high compactness and a good integration into the environment of the braking device, for example with a diameter of the brushless brushless motor less than 80 mm, ie of the order of 50 mm, and a thickness of the order of 20 mm.

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Abstract

L'invention se rapporte à un moteur électrique (M) sans balai pour actionneur de frein, dont le rotor porte des aimants permanents circulant entre deux stators concentriques (610, 620), lesquels sont alimentés et commandés de façon indépendante. L'invention porte en outre sur un dispositif d'actionneur de frein (1), 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 (610) en frein de service, alimentation des deux stators (610, 620) 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.

Description

« 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.
Etat de la technique
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.
Dans un tel véhicule, la fonction de frein de service consiste principalement à ralentir le véhicule et obtenir son arrêt. Dans la plupart des automobiles actuelles, le frein de service est assuré par des freins à tambour ou des freins à disque, ou à disques à l'avant du véhicule et à tambours à l'arrière à véhicule.
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.
Depuis une dizaine d'années, il est devenu courant de prévoir un système motorisé voire automatisé de gestion du frein de stationnement, en commandant un actionneur électrique. L'actionneur électrique est souvent situé à l'extérieur du frein lui-même, et fonctionne par exemple en exerçant une traction sur un câble en lieu et place de la commande manuelle. Une telle gestion extérieure présente différents inconvénients, par exemple complexité et coût de fabrication et de maintenance.
Dans le même temps, il est recherché aussi de réaliser des freins à fonctionnement purement électrique, c'est à dire y compris la fonction de frein de service.
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.
Pour les freins à tambour, par exemple, le document FR 13 63706 propose ainsi un actionneur électrique séparé du cylindre hydraulique. Cet actionneur électrique applique un effort linéaire par un mécanisme vis-écrou entraîné par une transmission de trois pignons extérieurs, elle-même entraînée par un motoréducteur à deux trains épicycloïdaux en série.
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.
Exposé de l'invention
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
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
- 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.
Description d'un exemple de mode de réalisation
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.
Alternativement, le mécanisme vis-écrou peut être un mécanisme selon lequel l'écrou revient à sa position initiale 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.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Nomenclature
Al axe de piston - axe du moteur
Dl première orientation de denture
D2 deuxième orientation de denture
A Mécanisme transformant un mouvement de rotation
mouvement de translation
M Moteur électrique sans balai
DPR réduction à double train épicycloïdal
NS mécanisme vis-écrou
C5 effort d'entrée C4 rotation du porte-satellites / vis
ECU Unité de commande électronique extérieure
PI translation du piston / écrou
PR2 premier train épicycloïdal de réducteur double
PR3 deuxième train épicycloïdal de réducteur double
1 piston de frein / couronne filetée
2 étrier de frein à disque
20 boîtier d'étrier
204 flasque de fixation moteur
31 pignon planétaire d'entrée de premier train épicycloïdal
32 satellites de premier train épicycloïdal
33 porte-satellites de premier train épicycloïdal
41 pignon planétaire d'entrée de deuxième train épicycloïdal
42 satellites de deuxième train épicycloïdal
43 élément fileté / porte-satellites de deuxième train épicycloïdal
51 arbre d'entrée d'actionneur
52 flasque d'appui de l'arbre d'entrée d'actionneur
55 extrémité de l'arbre de l'actionneur
101 face fonctionnelle / denture intérieure
201 doigt(s) d'étrier
431 filetage extérieur de la vis / porte-satellites de deuxième train épicycloïdal
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

Claims

REVENDICATIONS
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
(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 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.
PCT/EP2018/078233 2017-10-16 2018-10-16 « dispositif mécatronique pour l'actionnement d'un dispositif de freinage, frein à disque et procédé de freinage associés» WO2019076889A1 (fr)

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