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Article

1 - PHÉNOMÈNE DE BRUIT ACOUSTIQUE D'ORIGINE MAGNÉTIQUE

2 - CARACTÉRISATION DES FORCES D'ORIGINE MAGNÉTIQUE

3 - PRÉDICTION DU BRUIT AUDIBLE D'ORIGINE MAGNÉTIQUE

4 - RÉDUCTION DU BRUIT MAGNÉTIQUE

5 - CARACTÉRISATION EXPÉRIMENTALE

6 - CONCLUSION

| Réf : D3581 v1

Prédiction du bruit audible d'origine magnétique
Bruit acoustique d'origine magnétique dans les machines synchrones

Auteur(s) : Jean LE BESNERAIS, Pierre PELLEREY, Vincent LANFRANCHI, Michel HECQUET

Date de publication : 10 nov. 2013

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RÉSUMÉ

Cet article porte sur les vibrations et le bruit acoustique d'origine magnétique, dû aux forces de Maxwell, dans les machines électriques tournantes synchrones (aimants permanents ou rotor bobiné - machines à réluctance variable exclues). Le phénomène de bruit magnétique y est analysé, et les différentes sources harmoniques d'efforts magnétiques sont caractérisées analytiquement en termes d'ordre spatial et de fréquence. Des outils analytiques et numériques de prédiction du niveau de bruit rayonné sont présentés, ainsi que différentes règles de conception silencieuse. Enfin, des données d'essais vibroacoustiques sont interprétées.

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ABSTRACT

Magnetically induced acoustic noise in synchronous machines

This article deals with magnetically induced vibration and acoustic noise, generated by Maxwell forces in synchronous rotating electrical machines (permanent magnet or wound rotor machines - to the exclusion of variable reluctance machines). The phenomenon of magnetic noise is analyzed, and the different sources of harmonic magnetic forces are characterized analytically in terms of spatial order and frequency. Analytical and numerical tools which predict the level of radiated noise are presented, as well as various rules of silent design. In conclusion, vibroacoustic test data are interpreted.

Auteur(s)

  • Jean LE BESNERAIS : Docteur en génie électrique - Ingénieur-chercheur chez EOMYS Engineering - Ingénieur de l'école centrale des arts et manufactures

  • Pierre PELLEREY : Ingénieur-docteur en génie électromécanique

  • Vincent LANFRANCHI : Maître de conférences à l'université de technologie de Compiègne - Laboratoire d'électromécanique de Compiègne (LEC)

  • Michel HECQUET : Professeur à l'école centrale de Lille - Responsable de département (électronique électrotechnique automatique) - Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance de Lille (L2EP)

INTRODUCTION

Au même titre que leur rendement ou leur recyclabilité, le bruit acoustique émis par les machines électriques est aujourd'hui un critère déterminant de leur impact environnemental. La proximité de plus en plus importante de l'homme avec ce type de machines, dans le cas d'applications industrielles ou dans le domaine des transports avec le véhicule électrique ou le tramway urbain, incite les ingénieurs à intégrer cette problématique en amont du processus de conception.

Dans le même temps, la minimisation des coûts des matières premières suggère des structures mécaniques de machines électriques plus déformables, donc plus bruyantes.

Le niveau de bruit global d'une machine électrique provient de trois sources principales : le bruit d'origine mécanique (roulements, engrènements, etc.), le bruit d'origine aéraulique (ventilation, turbulences, etc.) et le bruit d'origine magnétique. Dans les machines actuelles, ce dernier peut généralement dominer les autres sources de bruit, notamment à basses vitesses où le bruit aéraulique est encore faible. De plus, le bruit acoustique d'origine magnétique se caractérise par des émergences fréquentielles pures perçues comme gênantes, dans la plage fréquentielle la plus sensible de l'oreille humaine (100 Hz à 10 kHz). La compréhension des phénomènes à l'origine du bruit acoustique d'origine magnétique est donc primordiale en vue de concevoir des machines silencieuses, ou de diagnostiquer et de résoudre des problèmes de bruit sur des machines existantes.

Le bruit d'origine magnétique est principalement lié à la création de forces magnétiques au sein de la machine électrique qui ont tendance à déformer ses parties magnétiques. Les déformations des parties magnétiques de la machine vont générer un rayonnement acoustique perceptible par l'oreille humaine. Prédire le bruit d'origine magnétique relève donc de la modélisation multiphysique : elle nécessite à la fois un modèle électromagnétique de la machine, permettant de déterminer les forces d'excitation, et un modèle vibroacoustique de la structure excitée. De plus, le bruit doit être simulé en régime variable afin de prendre en compte les phénomènes de résonance lorsque les fréquences de l'excitation croisent celles des modes propres de la structure de la machine.

L'utilisation d'outils numériques de type éléments finis électromagnétiques et vibroacoustiques lors de la phase de conception permet d'obtenir des niveaux de précision très appréciables. Cependant, cette modélisation soulève des difficultés, tant du point de vue du temps de calcul que du couplage numérique entre les différents modèles. Des modèles analytiques électromagnétique, vibratoire et acoustique ont donc été développés. Leur rapidité permet de les coupler à des algorithmes d'optimisation en vue de trouver les compromis optimaux entre des objectifs tels que la minimisation du bruit magnétique et la maximisation des performances.

Dans un premier temps, nous nous attacherons à caractériser l'ensemble des phénomènes susceptibles de produire du bruit audible d'origine magnétique dans les machines synchrones, fractionnaires ou non, de types à aimants permanents, en surfaces ou enterrées, ou à rotor bobiné. Les machines à réluctance variable, ayant un comportement électrotechnique propre, ne seront pas directement abordées dans cette étude. Malgré tout, les développements et les conseils de conception qui seront présentés sont globalement généralisables à ce type de technologie.

Dans un second temps, des outils de prédiction du bruit magnétique seront exposés (méthodes analytiques et numériques). Des règles de conception permettant de réduire le bruit magnétique seront ensuite présentées. Enfin, nous verrons comment interpréter en pratique l'origine du bruit magnétique à l'aide de sonagrammes expérimentaux.

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KEYWORDS

synchronous machines   |   acoustic noise   |   vibrations   |   experimental interpretation   |   design guidelines   |   transport   |   energy

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3581


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3. Prédiction du bruit audible d'origine magnétique

Dans cette partie sont détaillées différentes méthodes de prédiction du bruit audible d'origine magnétique, analytiques et semi-analytiques, numériques et hybrides (utilisation de données expérimentales). Ces méthodes s'appliquent autant aux machines synchrones qu'aux machines asynchrones, l'article [D 3 580] détaillant principalement les méthodes analytiques.

3.1 Modèles analytiques ou semi-analytiques

Les méthodes analytiques visant à calculer le bruit émis par une machine synchrone sont similaires à celles employées dans le cadre des machines asynchrones. Pour une description détaillée des modèles analytiques les plus couramment utilisés, le lecteur peut se reporter à [D 3 580]. Ils comprennent les étapes suivantes :

  • calcul des efforts de Maxwell dans l'entrefer (cf. modèles référencés dans la section 2) de type transformation conforme, décomposition en sous-domaine, décomposition perméance/force magnétomotrice ;

  • calcul des déformations statiques résultantes sur un cylindre équivalent ;

  • calcul des déformations dynamiques à l'aide d'une fonction de transfert de deuxième ordre ;

  • calcul du facteur de rayonnement et du niveau de bruit résultant.

La rapidité de ces méthodes de calcul permet de les coupler facilement à des algorithmes d'optimisation en vue de trouver les paramètres de conception minimisant le bruit ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GIBBS (W.J.) -   Conformal transformations in electrical engineering.  -  Chapman & Hall, London, UK (1958).

  • (2) - DUBAS (F.), ESPANET (C.) -   Analytical solution of the magnetic field in permanent-magnet motors taking into account slotting effect : no-load vector potential and flux density calculation.  -  IEEE Trans. on Mag., vol. 45, no 5 (2009).

  • (3) - ZHU (Z.Q.), WU (L.J.), XIA (Z.P.) -   An accurate subdomain model for magnetic field computation in slotted surface-mounted permanent-magnet machines.  -  IEEE Trans. on Mag., vol. 46, no 4 (2010).

  • (4) - ZHU (Z.Q.), XIA (Z.P.), WU (L.J.), JEWELL (G.W.) -   Analytical modelling and finite element computation of radial vibration force in fractional-slot permanent magnet brushless machines.  -  IEEE Trans. on Ind. Appl., vol. 46, no 5 (2010).

  • (5) - BELAHCEN (A.) -   Magnetoelasticity, magnetic forces and magnetostriction in electrical machines.  -  Thèse, Helsinki University of Technology, Finland (2004).

  • ...

NORMES

  • Machines électriques tournantes – Partie 9 : limites de bruit - CEI 60034-9 -

ANNEXES

  1. 1 Brevets

    1 Brevets

    [B1] Electrical machines with reduced cogging US Patent 7714473 B2

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