Présentation
RÉSUMÉ
Le bruit audible des machines électriques participe à leur impact environnemental et doit ête étudié à la conception. Cet article porte sur les vibrations et le bruit acoustique d'origine magnétique, dû aux forces de Maxwell, dans les machines asynchrones. Les différentes sources d'efforts harmoniques sont caractérisées analytiquement. Des outils de prédiction du niveau de bruit rayonné sont présentés, ainsi que différentes règles de conception. Enfin, des méthodes de caractérisation expérimentale et des exemples de diagnostic du comportement vibroacoustique des machines asynchrones sont expliqués.
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleAuteur(s)
-
Jean LE BESNERAIS : Docteur en génie électrique Ingénieur-chercheur chez EOMYS Engineering - Ingénieur de l'école centrale des Arts et Manufactures
-
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 du département EEA (électronique électrotechnique automatique) Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance de Lille (L2EP)
-
Pascal BROCHET : Professeur à l'école centrale de Lille, responsable de l'équipe OPTIMISATION, Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance de Lille (L2EP)
INTRODUCTION
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 majeur 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) et 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 asynchrone 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. Les vibrations magnétiques sont également source de fatigue mécanique, ce qui dégrade la fiabilité de la machine électrique. Leur analyse et leur minimisation permet donc d'améliorer la durée de vie de la machine.
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 vibroacoustique 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-vibroacoustiques lors de la phase de conception soulève donc des difficultés, tant du point de vue du temps de calcul que du couplage numérique. 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 en fonctionnement , les moyens de prédiction et de réduction ne seront pas abordés dans le présent article.
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 asynchrones de faible à forte puissance (quelques centaines de watts à quelques centaines de kilowatts). L'influence de l'alimentation par modulation de largeur d'impulsion (MLI) [E 3 967] [D 3 642] [D 3 643] sera également traitée, et certains aspects psychoacoustiques seront discutés. Dans un second temps, des outils de prédiction du bruit magnétique seront exposés (méthodes analytiques, graphiques 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.
MOTS-CLÉS
machines asynchrones comportement vibroacoustique bruit rayonné énergie transports électriques
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 2008 par Jean LE BESNERAIS, Vincent LANFRANCHI, Michel HECQUET, Pascal BROCHET
- Version courante de mars 2021 par Jean LE BESNERAIS, Vincent LANFRANCHI, Michel HECQUET
DOI (Digital Object Identifier)
CET ARTICLE SE TROUVE ÉGALEMENT DANS :
Accueil > Ressources documentaires > Archives > [Archives] Convertisseurs et machines électriques > Bruit audible d'origine magnétique dans les machines asynchrones > Prédiction du bruit audible d'origine magnétique
Cet article fait partie de l’offre
Bruit et vibrations
(97 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
3. Prédiction du bruit audible d'origine magnétique
À partir des expressions des fréquences des raies magnétiques, il est possible de prédire, à l'aide d'outils graphiques simples, l'apparition de résonances en régime variable. Si l'on souhaite obtenir une estimation du niveau de bruit, la simulation numérique est indispensable. Dans les deux cas, il est nécessaire de calculer les principales fréquences naturelles de la machine, ce qui peut se faire à l'aide d'un logiciel éléments finis ou de manière analytique. Comme précisé en introduction, les méthodes analytiques sont ici privilégiées pour leur rapidité de calcul, qui permet de simuler le bruit en régime variable et de coupler le modèle à des outils d'optimisation.
3.1 Calcul analytique des fréquences naturelles
Les fréquences naturelles des modes radiaux de la machine peuvent se calculer analytiquement en l'assimilant à un anneau. On se propose ici de détailler les expressions des fréquences sans tenir compte du couplage entre la tôle et la carcasse, d'autres méthodes plus complexes permettant de l'intégrer ...
Cet article fait partie de l’offre
Bruit et vibrations
(97 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Prédiction du bruit audible d'origine magnétique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BERANEK (L.L.), VER (I.L.) - Noise and vibration control engineering (Ingénierie du contrôle des bruits et vibrations). - Wiley interscience (1992).
-
(2) - LE BESNERAIS (J.), FASQUELLE (A.), HECQUET (M.), LANFRANCHI (V.), BROCHET (P.), RANDRIA (A.) - A fast noise-predictive multiphysical model of the PWM-controlled induction machine. - Proc. of the International Conference on Electrical Machines (ICEM), sept. 2006.
-
(3) - LE BESNERAIS (J.), LANFRANCHI (V.), HECQUET (M.), BROCHET (P.) - Multi-objective optimization of the induction machine with minimization of audible electromagnetic noise. - European Physics Journal, 39, no 2, août 2007.
-
(4) - LE BESNERAIS (J.), LANFRANCHI (V.), HECQUET (M.), BROCHET (P.) - Multi-objective optimization of induction machines including mixed variables and noise minimization. - IEEE Trans. on Magn., 44, no 4, avril 2008.
-
(5) - MININGER (X.), GALOPIN (N.), BOUILLAUT (F.), GABSI (M.) - Analysis of electromagnetic strains on a structure such as switched reluctance machine. - European Physics Journal, 39, août 2007.
- ...
NORMES
-
Traction électrique – Machines électriques tournantes des véhicules ferroviaires et routiers –. Partie 2 : Moteurs à courant alternatif alimentés par convertisseurs électroniques. - CEI 60349-2 - 08-2002
-
Machines électriques tournantes. Partie 9 : Limites de bruits. - CEI 60034-9 - 08-2002
-
Machines électriques tournantes. Partie 14 : Vibration mécanique de certains machines de hauteur d'axe supérieure ou égale à 56 mm – Mesurage, évaluation et limites de la vibration. - CEI 60034-14 - 08-2002
-
Acoustique – Code d'essai par la mesure du bruit aérien émis par les machines électriques tournantes. - ISO 1680-EN 2168 -
-
Vibration et chocs – Détermination expérimentale de la mobilité mécanique – Partie 2 : Mesurages avec utilisation d'une excitation de translation en un seul point au moyen d'un générateur de vibrations solidaire de ce point. - ISO 7626-2 - 1990
Cet article fait partie de l’offre
Bruit et vibrations
(97 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive