Bruit audible d'origine magnétique dans les machines asynchrones

Le bruit audible des machines électriques, qui participe à leur impact environnemental au même titre que leur consommation électrique ou leur recyclabilité, est devenu un critère de poids durant leur phase de conception, à la fois dans les applications industrielles, où l'exposition au bruit a un impact direct sur la santé, et dans les transports pour des raisons de confort acoustique.

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) ;

• le bruit d'origine magnétique.

Dans les machines à courant alternatif, ce dernier peut dominer le niveau de bruit total à basse vitesse . Il est produit par les courants présents dans la machine et se caractérise souvent par une désagréable émergence de raies acoustiques. Cette tonalité est par ailleurs pénalisée par la norme de limite de bruit CEI 60034-9 : la compréhension du phénomène de bruit d'origine magnétique est donc primordiale en vue de concevoir des machines silencieuses ou de diagnostiquer et résoudre des problèmes de bruit sur des machines existantes.

La prédiction du bruit d'origine magnétique relève de la modélisation multiphysique : elle nécessite à la fois un modèle électromagnétique de l'excitation de la machine et un modèle vibro-acoustique de la structure excitée. De plus, le bruit doit être simulé en régime variable afin de prendre en compte les phénomènes de résonance : l'utilisation d'outils éléments finis électro-vibro-acoustiques est alors inenvisageable, à la fois pour leur temps de calcul prohibitif et pour la difficulté d'en coupler les logiciels. Des modèles analytiques électromagnétique, vibratoire et acoustique ont donc été développés . Leur rapidité permet également de les coupler à un algorithme d'optimisation multi-objectif en vue de concevoir des machines à faible niveau de bruit magnétique, à faibles pulsations de couple et à haut rendement  .

Si les pulsations de couple peuvent en effet provoquer du bruit et des vibrations supplémentaires, que l'on peut limiter en agissant par exemple sur les harmoniques de courant , ce dossier n'en abordera pas les moyens de prédiction ni de réduction.

Dans un premier temps, nous nous attachons à caractériser l'ensemble des phénomènes susceptibles de produire du bruit audible d'origine magnétique dans les machines asynchrones de faible à forte puissance (quelques centaines de W à quelques centaines de kW). L'influence de l'alimentation par modulation de largeur d'impulsion (MLI)    est également traitée et certains aspects psycho-acoustiques sont discutés. Dans un second temps, des outils de prédiction du bruit magnétique sont exposés (méthodes analytiques, graphiques et numériques). Des règles de conception permettant de réduire le bruit magnétique sont ensuite présentées. Enfin, nous verrons comment interpréter en pratique l'origine du bruit magnétique à l'aide de sonagrammes expérimentaux.